PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

Simulação NuméricaEm Conformação de

Chapas

Cap 9: Danos Materiais e FalhaAluno: Márcio Madi

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Introdução

O presente capítulo trata dos seguintes itens:– Danos Progressivos e Falhas– Iniciação de danos para metais dúcteis– Evolução do Dano– Remoção do elemento– Falhas em fixadores

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Danos Progressivos e Falha

ABAQUS oferece uma capacidade geral para a modelagem de dano progressivo e falha em estruturas de engenharia.

• Material de falha refere-se a uma perda completa de capacidade de carga com os resultados de degradação progressiva da rigidez do material.

• A degradação de rigidez é modelada usando a mecânica de dano.

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Danos Progressivos e Falha

Danos progressivos e insuficiência podem ser modelados em:– Volume do Material• Comportamento Contínuo Construtivo usado em conjunto

com Mises, Johnson-Cook, Hill ou modelos de plasticidade de Drucker Prager (Este é o foco primário do tema).

– Interface de Material• Os elementos coesivos com uma lei de tração de separação

(Isso foi discutido na Cap 7, Restrições e Conexões)

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Danos Progressivos e Falha

Dois tipos distintos de insuficiência de volume de material podem sermodelado com ABAQUS / Explicit.• Fratura dúctil dos metais

- Nucleação, coalescência e crescimento- Cisalhamento localizado

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Danos Progressivos e Falha

• Estricção em chapas conformadas- Formando Diagramas limites- Usando o critério de Marciniak-Kuczynski (M-K)

OBS: Danos em chapas metálicas não são discutidos nesta seção.

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Danos Progressivos e Falha

Definição das componentes do material- Comportamento indeformável- Início do dano (ponto A)- Evolução do dano (Intervalo A-B)- Remoção do elemento (Ponto B)

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Critérios de Iniciação de Danos para Metais Dúcteis

O início do dano define o ponto de início de degradação da rigidez domaterial que está sendo conformado.

- É baseado em critérios especificados pelo usuário- Dúctil ou cisalhante- Se não for especificado, não ocorrerá dano- As variáveis de saída estão associadas com cada critério- É útil para avaliar a gravidade da deformação instantânea

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Critérios de Iniciação de Danos para Metais Dúcteis

DMICRT indica que o dano tenha iniciado

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Critérios de Iniciação de Danos para Metais Dúcteis

Critério Dúctil

Adequado para desencadear danos devidoa nucleação, o crescimento, a coalescênciae os vazios

O modelo assume que a deformação plástica equivalente no início dos danosé uma função de tensão triaxial e taxa de deformação.

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Critérios de Iniciação de Danos para Metais Dúcteis

O critério dúctil pode ser usado com os Mises, Johnson-Cook, Hill e Modelos de Drucker Prager-plasticidade

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Critérios de Iniciação de Danos para Metais Dúcteis

Esmagamento axial de uma lata de alumínio-Detalhes do modelo

• Base de aço:- Elementos C3D8R- Controle avançado de ampulheta- Material elástico-plástico

• Câmara de alumínio:- Elementos S4R- Controle de rigidez de ampulheta- Taxa de plasticidade dependente- Iniciação Danos

• Contato geral• Escala de massa variável

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Critérios de Iniciação de Danos para Metais Dúcteis

Especificar um critério de iniciação de dano com base no tipo de falha.

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Critérios de Iniciação de Danos para Metais Dúcteis

Critério Cisalhante

Adequado para desencadear danos devido à localização da banda de Cisalhamento.

- O modelo assume que a deformação plástica equivalente no início do dano é uma função da relação da tensão de cisalhamento e taxa de deformação.- Relação de tensões de cisalhamento definida como:

- O critério de cisalhamento pode ser usado com Mises, Johnson-Cook, Hill e Modelos de Drucker Prager-plasticidade.

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Critérios de Iniciação de Danos para Metais Dúcteis

Esmagamento axial de um perfil de alumínio- Dúctil critério de saída de iniciação de dano

O critério de iniciação de dano é satisfeito quando

- Cisalhante critério de saída de iniciação de dano

O critério de iniciação de dano é satisfeito quando

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Critérios de Iniciação de Danos para Metais Dúcteis

Além dos critérios de danos, deve ser especificado a evolução dos danos para que ocorra uma simulação coerente

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Evolução do Dano

Evolução do dano define o comportamento do material pós-iniciação • Isto é, descreve a taxa de degradação da rigidez do material uma vez que o critério de iniciação é satisfeito.

A formulação é baseada na abordagem de dano escalar:

• O dano total variável D capta o efeito combinado de todos osmecanismos ativos de danos.• Quando o dano variável D = 1, ponto material falhou completamente. Ou seja, fratura ocorre quando D = 1.

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Evolução do Dano

Para um material elástico-plástico, o dano se manifesta de duas formas:

• Abrandamento da tensão de escoamento• Degradação da elasticidade

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Evolução do Dano

- A evolução do dano pode ser especificada de duas formas:• Energia de fratura (por unidade de área)• Deslocamento plástico equivalente.

- Ambas as abordagens levam em conta o comprimento característico do elemento.

- A formulação assegura que a sensibilidade à malha é minimizada.

Energia com base na evolução do dano Deslocamento com base na evolução do dano

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Evolução do Dano

Exemplo: Esmagamento axial de um perfil de alumínio

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Remoção do Elemento

- ABAQUS oferece a opção de remover o elemento da malha uma vezque a rigidez do material é totalmente degradada (Ou seja, uma vezque o elemento falhou).

• Um elemento é dito falho quando todos os pontos de seção, em qualquer ponto de integração, perderam sua capacidade de carga.• Por padrão os elementos não são excluídos da malha.

- Para retirar os elementos que falharam antes da completa degradação, o ponto material é assumido como falho. Isso ocorre quando o total do dano variável D atinge o Dmax (valor crítico).

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Remoção do Elemento

- Pode-se especificar o valor para o Dmax (degradação máxima).• O valor padrão de Dmax é 1, se o elemento é removido damalha em caso de falha.

- Pode-se optar por não remover os elementos que falharam da malha.• Neste caso, o valor padrão de Dmax é de 0,99, o que garante queos elementos permanecerão ativos na simulação com uma rigidez residual de pelo menos 1% da rigidez original.• Elementos falhos que não foram removidos da malha podem sustentar tensões de compressão.

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Remoção do Elemento

Exemplos de erosão superficial em elementos sólidos

Penetração de um projétil

Furação com broca

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Falhas em Fixadores

Os elementos de fixação rígida ou elástica podem introduzir problemas na solução dos modelos.

O Comportamento de parafusos deve ser modelado com base em testes experimentais.

A implementação de falhas em fixadores visa capturar respostas sobre força e deslocamento experimental nestes elementos.

O modelo combina danos de plasticidade e danos progressivos.

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Falhas em Fixadores

Elementos de ligação em um mecanismo (conjunto)

Exemplo: Falhas em dobradiças

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