RESUMEN
Desde mediados del siglo XIX, el estudio de la fatiga en los metales se ha convertido en un ámbito de gran interés para los científicos de materiales y los ingenieros estructurales, ya que la fatiga constituye uno de los principales mecanismos de fallo en las estructuras metálicas de ingeniería. Inicialmente basadas en enfoques empíricos, como las curvas amplitud de tensión–vida (S–N) derivadas de los estudios pioneros de Wöhler, las capacidades de predicción de la fatiga han evolucionado considerablemente hasta dar lugar a modelos numéricos sofisticados capaces de predecir no solo la vida a fatiga, sino también la degradación progresiva de las propiedades del material asociada a este fenómeno, incluida la iniciación y propagación de grietas hasta el fallo completo del componente.A pesar de estos avances, la incorporación sistemática de los efectos de los procesos de fabricación —como el mecanizado, el conformado, el recorte y el punzonado— en las formulaciones de fatiga sigue siendo limitada. La mayoría de los enfoques existentes continúan basándose en modificaciones simples de las curvas S–N mediante factores de reducción, lo que limita su aplicabilidad principalmente a probetas e impide predecir con precisión los patrones de iniciación y propagación de grietas.En este contexto, esta tesis propone un marco constitutivo para incorporar los efectos inducidos por los procesos de fabricación en la respuesta a fatiga de los metales en régimen de alto número de ciclos. El modelo se formula de manera general, lo que permite considerar distintos procesos de fabricación mediante especializaciones adecuadas basadas en datos relevantes asociados al proceso, como las tensiones residuales, la rugosidad superficial, la porosidad y la fracción volumétrica de defectos.Para desarrollar este marco, se revisan distintos enfoques de modelización de la fatiga, con especial atención a la mecánica de la fractura, la mecánica del daño continuo y las formulaciones de campo de fase, habitualmente implementadas mediante métodos numéricos como el método de los elementos finitos y el método extendido de los elementos finitos. Entre ellos, se selecciona como marco de referencia un modelo de fatiga de alto número de ciclos basado en la mecánica del daño continuo, debido a su elevada eficiencia computacional y a su capacidad para modelizar estados complejos de tensión–deformación a lo largo de todo el proceso de degradación del material, desde el estado intacto hasta el fallo completo.El marco constitutivo se mejora, en primer lugar, mediante la introducción de una nueva curva tensión–deformación de endurecimiento–ablandamiento para el daño. Además, se propone una metodología para convertir los datos S–N medios obtenidos a partir de ensayos de fatiga normalizados en información local a escala de punto material, con el fin de garantizar una calibración coherente de los parámetros de fatiga con el carácter local de la formulación. El modelo mejorado se valida con datos experimentales procedentes de ensayos rápidos de fatiga basados en la rigidez y de ensayos de durabilidad realizados sobre componentes reales de automoción, y demuestra una elevada capacidad predictiva tanto a escala de probeta como de componente, manteniendo al mismo tiempo una alta eficiencia computacional.Finalmente, el marco se amplía para tener en cuenta explícitamente los efectos inducidos por los procesos de fabricación. Se introducen un modelo de relajación de tensiones residuales y una formulación para considerar los efectos de entalla asociados a las operaciones de fabricación. El modelo resultante se especializa para operaciones de corte por cizallamiento, como el recorte y el punzonado, utilizando como datos de entrada asociados al proceso las tensiones residuales obtenidas mediante simulaciones del proceso y la rugosidad superficial medida. La formulación se valida mediante ensayos de fatiga uniaxial realizados sobre probetas de acero de fase compleja recortadas y punzonadas, y demuestra su capacidad para predecir con precisión tanto la vida a fatiga como las zonas de iniciación de grietas.
Directores de tesis:
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- Dra. Lucía G. Barbu
- Prof. Sergio H. Oller
DOCTORANDO
Luis Antônio Gonçalves Junior es ingeniero estructural especializado en mecánica computacional y modelización avanzada de la fatiga. En el grupo CAMMS del CIMNE (que forma parte del clúster de investigación Aeronautical, Marine, Automotive and Energy Engineering), ha contribuido al desarrollo de marcos numéricos de alta fidelidad para el estudio de la fatiga y la tolerancia al daño, aplicando métodos de elementos finitos y enfoques basados en la mecánica de la fractura a estructuras multifuncionales ligeras. Su trabajo abarca aplicaciones en los sectores de la automoción y aeroespacial, con especial atención a los ensayos virtuales a escala de componente y a la optimización del diseño basada en el comportamiento de los materiales.