RESUM
Des de mitjan segle XIX, l’estudi de la fatiga dels metalls s’ha convertit en un àmbit de gran interès per als científics de materials i els enginyers estructurals, ja que la fatiga constitueix un dels principals mecanismes de fallada de les estructures metàl·liques d’enginyeria. Inicialment basades en enfocaments empírics, com les corbes amplitud de tensió–vida (S–N) derivades dels estudis pioners de Wöhler, les capacitats de predicció de la fatiga han evolucionat considerablement fins a donar lloc a models numèrics sofisticats capaços de predir no només la vida a fatiga, sinó també la degradació progressiva de les propietats del material associada a aquest fenomen, incloent-hi la iniciació i propagació d’esquerdes fins a la fallada completa del component.Malgrat aquests avenços, la incorporació sistemàtica dels efectes dels processos de fabricació —com ara la mecanització, el conformat, el retallat i el punxonament— en les formulacions de fatiga continua sent limitada. La majoria dels enfocaments existents encara es basen en modificacions simples de les corbes S–N mitjançant factors de reducció, fet que en limita l’aplicabilitat principalment a provetes i impedeix predir amb precisió els patrons d’iniciació i propagació d’esquerdes.En aquest context, aquesta tesi proposa un marc constitutiu per incorporar els efectes induïts pels processos de fabricació en la resposta a fatiga dels metalls en règim d’alt nombre de cicles. El model es formula de manera general, de manera que permet considerar diferents processos de fabricació mitjançant especialitzacions adequades basades en dades rellevants associades al procés, com ara les tensions residuals, la rugositat superficial, la porositat i la fracció volumètrica de defectes.Per desenvolupar aquest marc, es revisen diversos enfocaments de modelització de la fatiga, amb especial atenció a la mecànica de la fractura, la mecànica del dany continu i les formulacions de camp de fase, habitualment implementades mitjançant mètodes numèrics com el mètode dels elements finits i el mètode dels elements finits estesos. Entre aquests enfocaments, se selecciona com a marc de referència un model de fatiga d’alt nombre de cicles basat en la mecànica del dany continu, gràcies a la seva elevada eficiència computacional i a la seva capacitat per modelitzar estats complexos de tensió–deformació al llarg de tot el procés de degradació del material, des de l’estat intacte fins a la fallada completa.El marc constitutiu es millora, en primer lloc, mitjançant la introducció d’una nova corba tensió–deformació d’enduriment–estovament per al dany. A més, es proposa una metodologia per convertir les dades S–N mitjanes obtingudes a partir d’assaigs de fatiga normalitzats en informació local a escala de punt material, amb l’objectiu de garantir una calibració coherent dels paràmetres de fatiga amb el caràcter local de la formulació. El model millorat es valida amb dades experimentals procedents d’assaigs ràpids de fatiga basats en la rigidesa i d’assaigs de durabilitat realitzats sobre components reals d’automoció, i demostra una elevada capacitat predictiva tant a escala de proveta com de component, tot mantenint una alta eficiència computacional.Finalment, el marc s’amplia per tenir en compte explícitament els efectes induïts pels processos de fabricació. S’hi introdueixen un model de relaxació de tensions residuals i una formulació per considerar els efectes d’entalla associats a les operacions de fabricació. El model resultant s’especialitza per a operacions de tall per cisallament, com el retallat i el punxonament, utilitzant com a dades d’entrada associades al procés les tensions residuals obtingudes de simulacions del procés i la rugositat superficial mesurada. La formulació es valida mitjançant assaigs de fatiga uniaxial realitzats sobre provetes d’acer de fase complexa retallades i punxonades, i demostra la seva capacitat per predir amb precisió tant la vida a fatiga com les zones d’iniciació d’esquerdes.
Directors de tesi:
-
- Dra. Lucía G. Barbu
- Prof. Sergio H. Oller
DOCTORAND
Luis Antônio Gonçalves Junior és enginyer estructural especialitzat en mecànica computacional i modelització avançada de la fatiga. Al grup CAMMS del CIMNE (que forma part del clúster de recerca Aeronautical, Marine, Automotive and Energy Engineering), ha contribuït al desenvolupament de marcs numèrics d’alta fidelitat per a l’estudi de la fatiga i la tolerància al dany, aplicant mètodes d’elements finits i enfocaments basats en la mecànica de la fractura a estructures multifuncionals lleugeres. La seva recerca abasta aplicacions en els sectors de l’automoció i l’aeroespacial, amb una atenció especial als assaigs virtuals a escala de component i a l’optimització del disseny basada en el comportament dels materials.