EE – Mestrado em Engenharia Mecânica
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Resultados da Pesquisa
- ItemDeterminação de curvas de fadiga em uniões soldadas do aço inoxidável AISI 316L(2015) Milech, Fábio Brongar; Bianchi, Kleber EduardoOs aços inoxidáveis têm sido cada vez mais empregados em estruturas de engenharia, pois atualmente estão disponíveis no mercado ligas que aliam boa soldabilidade, resistência mecânica e à corrosão. Os pontos críticos dessas estruturas usualmente são as uniões e a fadiga é um fator importante a ser considerado. No caso de uniões soldadas, o processo de dimensionamento deve ser particularmente criterioso, pois nesses pontos há a possibilidade da presença de elevado nível de tensões residuais e de descontinuidades, resultantes do próprio processo de soldagem. Assim, o presente trabalho visou inicialmente obter as curvas de fadiga do aço inoxidável AISI 316 L, para uma união soldada de topo com carregamento transversal, em três condições distintas: a) corpos de prova sem solda, b) corpos de prova com cordão em bruto e c) corpos de prova com cordão usinado para retirada dos reforços de face e raiz. Posteriormente, os resultados foram comparados com os dados provenientes nas normas Eurocode 3 – seção 1.9 (1991) e AWS D1.1 (2010), bem como as recomendações do IIW (HOBBACHER, 2008). Nesse contexto, placas de teste do aço inoxidável AISI 316 L de 6 mm de espessura foram soldadas em passe único, por meio de uma junta transversal ao sentido de laminação, e posteriormente usinadas para dar a forma final aos corpos de prova, seguindo as normas que regem os ensaios de fadiga em uniões soldadas. Foram realizados ensaios metalográficos e de resistência mecânica das uniões, visando sua validação. Tais ensaios evidenciaram a integridade do cordão e ausência de descontinuidades importantes. Em sequência, os corpos de prova sofreram testes com carga repetida em máquina servohidráulica, para levantamento dos diagramas S-N. Para as três condições de ensaios, a vida em fadiga dos corpos de prova superou os valores sugeridos pelas normas e recomendação citadas. Os resultados foram ainda mais expressivos nos corpos de prova que tiveram os reforços usinados, obtendo-se uma vida em fadiga substancialmente superior aos corpos de prova soldados. Dessa forma, verificou-se que o emprego de uma técnica de pós-soldagem relativamente simples (a retirada dos reforços de face e raiz) resultou num incremento importante na vida em fadiga dos corpos de prova. Por fim, todos os resultados obtidos levam a crer que os aços inoxidáveis deveriam ser tratados, nas normas e recomendações que regem o projeto de uniões soldadas, como um grupo à parte dos aços estruturais e patináveis.
- ItemAnálise de vida útil à fadiga de um modelo de tendão de uma torre eólica offshore TLP(2024) Rosa, Igor Almeida da; Pinto, Waldir TerraAtualmente, a sociedade atravessa uma transição energética significativa, migrando dos hidrocarbonetos para fontes de energia de baixa emissão. Neste contexto, a energia eólica offshore tem se mostrado uma das fontes de energia renovável mais atrativas, pois possui vantagens como não disputar espaço com instalações habitacionais, espaço abundante para implementação e ventos mais fortes e constantes. Entretanto, são necessárias linhas de transmissão mais extensas e robustas e sua manutenção e projeto requerem geralmente maior expertise. Portanto, visando contribuir com a matriz de energias renováveis, faz-se necessária a pesquisa acerca da análise e otimização estrutural para potencialização da eficiência e redução de custos de instalação e operação de fazendas eólicas offshore, sobretudo as flutuantes. Ademais, avaliar o comportamento dinâmico desses sistemas é fundamental para garantir sua integridade estrutural e elevar sua longevidade. Um dos modos de falha mais frequentes ocorre por fadiga, que ocorre nos estágios de formação da trinca, propagação da trinca e, finalmente, ruptura. Esse fenômeno pode ocorrer por variação de tensões que, no ambiente offshore, podem se desenvolver pela ação de forças de onda e vibrações induzidas por vórtices. Neste contexto, o presente estudo investiga os pontos críticos e vida útil à fadiga em tendões de amarração de torres eólicas flutuantes do tipo TLP (Tension-Leg Platform) submetidas a ação de ondas regulares através de uma campanha experimental realizada no canal de ondas do Laboratório de Interação Fluido Estrutura (LIFE/FURG). A campanha consistiu em nove períodos de onda para cada uma das cinco pré- trações impostas, totalizando quarenta e cinco experimentos. A vida útil em ciclos foi estimada através de curvas S-N para aços de alto desempenho em ambiente marinho e livres de corrosão. Os resultados experimentais sugeriram maior suscetibilidade à fadiga em menores períodos de onda. As maiores concentrações de tensão foram verificadas na região mais próxima ao fundo, mesmo com condição de vinculação articulada na extremidade inferior. Os maiores níveis de carga axial induziram a menores danos acumulados por fadiga nas regiões próximas ao fundo. Contudo, elevaram os danos acumulados em regiões próximas ao topo. O dano total acumulado foi contabilizado através da lei de Miner. O comportamento dinâmico do tendão foi avaliado através de uma análise paramétrica realizada em um modelo numérico desenvolvido em MATLAB por intermédio do método dos elementos finitos. Os resultados demonstraram que, para o período de onda de 1,08 segundos e carga axial inicial de 44,7N, a interação onda-tendão foi dominada pelas componentes inerciais de força, o que é coerente para a faixa de número de Keulegan-Carpenter. O modelo numérico se mostrou eficiente na análise dinâmica do tendão, reproduzindo um padrão de deslocamentos semelhante ao sinal obtido durante os experimentos para as mesmas condições e posição. Em ambas as abordagens, foram identificadas superharmônicas nos sinais que sugerem a presença do fenômeno dinâmico springing. Maiores análises são necessárias para a confirmação deste fenômeno. Esta pesquisa é significativa pois abrange uma análise do impacto de fenômenos hidrodinâmicos na vida útil à fadiga de materiais utilizados na fabricação de tendões de torres eólicas flutuantes. Os resultados aqui apresentados visam contribuir para o desenvolvimento de elementos estruturais, tecnologias de fabricação e otimização estrutural no contexto de energias renováveis no mar.
- ItemAvaliação da resistência à fadiga de uma junta cruciforme com usinagem no flanco e na face do cordão de solda(2019) Amaro, Priscila Machado; Bianchi, Kleber EduardoO presente trabalho objetivou avaliar a resistência à fadiga de uniões soldadas cruciformes com e sem processo distinto de retificação aplicado aos cordões de solda, tais uniões foram confeccionadas com o aço ASTM A131 AH36, sendo as mesmas soldadas por processo a arco elétrico utilizando Arame Tubular (Flux Cored Arc Welding - FCAW) e proteção gasosa. Primeiramente foi realizado procedimento de soldagem para que fosse constatada a correta seleção dos parâmetros, tendo como base a norma AWS D1.1 (2010). A confecção das amostras para os ensaios de fadiga deu-se através da soldagem de seis amostras com comprimento maior e posterior corte destas em peças menores, de maneira que fosse proporcionado o tamanho adequado da seção transversal, tendo como restrição ao seu tamanho, a capacidade da máquina. No total foram submetidas aos ensaios de fadiga, 18 peças, sendo 8 sem processo de retificação, 6 com retificação no flanco do cordão (toe grinding) e 4 com retificação na face do cordão de solda. Tais processos de usinagem foram realizados de maneira manual, empregando lima rotativa. Durante a preparação das amostras finais para ensaio, foram constatados indícios relacionados a inclusão de escória e falta de penetração na raiz da união, tal fato influenciou negativamente os resultados finais, além disso, houve também desalinhamento axial e angular, os quais são responsáveis por aumentar a tensão nas regiões onde há entalhes. Os ensaios de fadiga foram realizados com carregamento repetido, tais ensaios mostraram a grande aleatoriedade dos resultados devido a existência ou não dos fatores citados, os quais, associados aos defeitos contidos na solda, como microtrincas, proporcionam vida inferior ao esperado. Como aguardado, as amostras submetidas à retificação apresentaram número de ciclos superior às amostras sem o processo. Por fim, o benefício alcançado, devido à realização dos processos de toe grinding e de retificação da face, pode ser constatado pela região de ruptura das amostras sem retificação, dentre as quais apenas uma não falhou no flanco do cordão.
- ItemInvestigação experimental sobre o comportamento mecânico de multifilamentos de polietileno de alto módulo após sofrerem carregamentos dinâmicos(2019) Belloni, Eduarda da Silva; Guilherme, Carlos Eduardo MarcosOs cabos sintéticos têm sido utilizados como alternativa para a substituição de cabos de aço, devido ao seu baixo peso específico e excelentes características mecânicas. São essenciais na ancoragem offshore de plataformas de petróleo em águas profundas, pois nessas profundidades o peso dos cabos e correntes de aço excederiam a capacidade de carga da estrutura da plataforma. Além disso, estão sendo utilizados em inúmeras aplicações, como nos campos robóticos, na forma de músculos artificiais, devido à alta flexibilidade; no alpinismo, resgates em incêndio e elevação de cargas, bem como, fechamento do esterno após cirurgia médica e endoscópios ativos. Essas aplicações geralmente são caracterizadas pela presença de esforços dinâmicos. Com isso, o presente trabalho teve como objetivo investigar experimentalmente o comportamento mecânico de multifilamentos de polietileno de alto módulo, fornecidos por três fabricantes diferentes, após sofrerem carregamentos de impacto, fadiga e interação entre eles. Parâmetros como força, deformação e energia absorvida após carregamento de impacto foram verificadas. Além disso, foi analisada a influência de um carregamento de impacto na vida em fadiga dos materiais. Por fim, análises térmicas através de calorimetria exploratória diferencial (DSC) e termografia (TGA), além de análises químicas, como espectrometria na região do infravermelho (FTIR), difração de raio x (DRX) e microanálise química elementar (EDS) foram feitas com o objetivo de comparar os materiais. Observou-se que o comportamento mecânico e térmico dos três materiais difere entre si. Além do que, existe uma redução da vida em fadiga dependendo do carregamento de impacto, pois há degradação de alguns filamentos, faz com que o material perca resistência. Por fim, conclui-se que as propriedades como resistência à tração não devem ser utilizadas como única referência para dimensionamento em projetos quando se trata de materiais poliméricos, visto que os materiais possuem resistência à tração semelhante, porém, nos outros testes apresentaram discrepância nos resultados.
- ItemDesempenho em fadiga de juntas soldadas de topo tratadas com a técnica TIG Dressing tendo como metal base o aço ASTM 131 - AH 36(2019) Silva, Maurício Diogo da; Bianchi, Kleber Eduardo; Biehl, Luciano VolcanogloAtualmente o processo de soldagem GMAW (Gas Metal Arc Welding, também conhecido por MAG – Metal Active Gas) possui grande destaque no meio industrial, seja na união de componentes e estruturas do setor da mobilidade (segmentos rodoviário, ferroviário, naval, agrícola e aeroespacial), da indústria química (reservatórios, tubulações e vasos de pressão) e construção civil (edifícios, pontes e plataformas), bem como em operações rotineiras de manutenção. A motivação desta pesquisa se deve ao fato das uniões soldadas representarem pontos críticos para falha catastrófica, por fratura frágil ou fadiga, em estruturas de engenharia. Procedimentos pós-soldagem são aplicados nos possíveis sítios de nucleação de trincas de fadiga, com o intuito de mitigar o problema. Neste trabalho foi realizado o estudo do estado da arte de algumas das técnicas pós-soldagem, visando esclarecer seu efeito sobre a junta. O foco do estudo se concentrou nas características que o processo de refusão TIG (TIG Dressing) pode conferir a uma junta soldada pelo processo GMAW tendo o aço microligado ASTM 131 AH36 como metal de base. Foram avaliados aspectos de microestrutura, dureza, geometria da junta e resistência à fadiga. A micrografia e o ensaio de microdureza revelaram as consideráveis alterações causadas pela refusão TIG. Os resultados de vida em fadiga alcançados foram comparados com os obtidos por Silva em pesquisa recente realizada junto a esta universidade. Para tal, o trabalho reporta os diagramas S-N GMAW original e GMAW - TIG Dressing, com as estimativas de 5% e 95% de sobrevivência. Importante melhora no tempo de vida em fadiga foi obtida nos espécimes tratados em relação aos corpos de prova no estado original.
- ItemComparação da vida em fadiga de juntas soldadas pelos processos com proteção gasosa (Gas Metal Arc Welding - GMAW) e arame tubular (Flux Cored Arc Welding - FCAW) num aço estrutural microligado(2018) Silva, Marcos Saalfeld da; Bianchi, Kleber EduardoTendo como motivação a importância das uniões soldadas e a tendência cada vez maior de emprego de aços microligados de alta resistência nas estruturas de engenharia, o presente trabalho proporciona uma comparação da vida em fadiga de uniões soldadas de topo, tendo como metal de base um aço estrutural microligado, obtidas por meio de dois processos a arco elétrico distintos: com proteção gasosa (Gas Metal Arc Welding - GMAW) e Arame Tubular (Flux Cored Arc Welding - FCAW). Para tal, foram avaliadas as diferenças observadas nas uniões, segundo critérios mecânicos, metalúrgicos e de geometria final dos cordões. Os dois processos de soldagem comparados nesse trabalho apresentam energias de soldagem e metais de adição diferentes, o que ocasiona propriedades distintas no metal de solda e na zona afetada pelo calor (ZAC). Por esse motivo, as diferenças microestruturais resultantes de cada processo foram caracterizadas e, em sequência, sua influência no resultado final, sob os pontos de vista de microdureza e vida em fadiga, foram avaliadas. Para a realização dos ensaios, os corpos de prova foram divididos em dois grupos: i) com geometria original mantida e ii) com a retirada do reforço por processo de usinagem. Também foram observados aspectos adicionais, como a iniciação do mecanismo de falha destes componentes, o fator de concentração de tensão macrogeométrico no flanco do cordão de solda e as possíveis inclusões e defeitos inerentes ao processo de soldagem a arco elétrico. A plotagem das curvas S-N mostrou que a geometria mais favorável para a resistência à fadiga corresponde àquela obtida no processo FCAW. Em contrapartida, após a retirada do reforço, o processo de soldagem GMAW atingiu uma vida superior ao FCAW. Quando comparados com os valores de referência retirados das normas Eurocode3 e AWS, bem como das orientações do IIW, as juntas soldadas de ambos os processos analisados superaram a expectativa de resistência à fadiga. Adicionalmente, com a retirada do reforço, para ambos os processos de soldagem analisados, o desempenho final foi levemente superior ao esperado para o metal de base (sem união soldada). Os resultados indicam que, apesar das diferenças de propriedades mecânico-metalúrgicas evidenciadas nas juntas analisadas, os fatores macrogeométricos, ou seja, a forma final dos cordões obtidos se mostrou mais relevante para a vida em fadiga.
- ItemEstudo experimental sobre o comportamento mecânico de multifilamentos de poliéster submetidos a carregamentos dinâmicos(2018) Louzada, Emilio Luiz Vieira; Guilherme, Carlos Eduardo MarcosRecentemente, cabos sintéticos têm sido empregados em sistemas de amarração de plataformas offshore, operações de reboque de navio, esportes de escalada, serviços de bombeiros, iatismo e entre outros, em função do seu baixo peso específico e bom desempenho mecânico em condições de carregamento severas. Em comum, todas essas aplicações caracterizam-se pela presença de esforços dinâmicos. Então, devido à necessidade do desenvolvimento de pesquisas sobre o comportamento mecânico de cabos de poliéster perante os carregamentos, súbitos e cíclicos, foi realizado no presente trabalho uma análise de diferentes parâmetros, tais como força, deformação e energia absorvida, após um teste de impacto. Além disso, algumas amostras submetidas a um ensaio de impacto foram analisadas em um Microscópio Eletrônico de Varredura. Por último, foi investigado o efeito de uma carga de impacto na vida em fadiga de multifilamentos de poliéster através deum procedimento experimental que consiste em testar em fadiga os espécimes em seu estado virgem e quando submetidos previamente a um teste de impacto. Foram utilizados multifilamentos de poliéster produzidos por três diferentes fabricantes disponibilizados pelo Laboratório de Análise de Tensões – POLICAB da Universidade Federal do Rio Grande.
- ItemDeterminação das curvas de fadiga em uniões soldadas do aço inoxidável duplex S31803(2016) Almeida, William Ramires; Bianchi, Kleber EduardoDevido à constante evolução ocorrida nas últimas décadas, atualmente estão disponíveis no mercado ligas de aços inoxidáveis que conciliam características de elevada resistência à corrosão com boa soldabilidade e resistência mecânica. Consequentemente, tem havido aumento expressivo no emprego de tais ligas como material de base de sistemas ou componentes estruturais. De forma geral, o ponto crítico de estruturas construídas em aço são suas uniões, soldadas ou parafusadas, as quais acabam por sofrer carregamentos variáveis em operação, decorrentes dos deslocamentos de pessoas ou veículos, da presença sazonal de neve e, por fim, associados a efeitos aerodinâmicos – ventos e furacões – ou hidrodinâmicos – ondas e marés. Em decorrência disso, o mecanismo de falha mais comum, para o qual a estrutura deve ser dimensionada, é a fadiga nas uniões. Cada tipo de união – parafusada, soldada ou por adesivos – apresenta características intrínsecas, porém, no caso de juntas soldadas, o procedimento de projeto deve ser particularmente criterioso. Nesse caso, o comportamento em fadiga é influenciado pela presença de tensões residuais e de defeitos ou descontinuidades, oriundos do próprio processo de soldagem, bem como pelo efeito geométrico de concentração de tensões associado à forma irregular dos cordões. Nesse contexto, o presente trabalho visa obter as curvas de fadiga de uma união soldada de topo com carregamento transversal ao cordão, fabricada em aço inoxidável duplex S31803, para três condições distintas: a) corpos de prova soldados, b) corpos de prova soldados com os reforços dos cordões de solda removidos e c) corpos de prova sem solda. Após obtidas as curvas, as mesmas foram comparadas com as normas Eurocode 3 - seção 1.9 (1991) e AWS D1.1 (2010) e com as recomendações de soldagem do IIW (HOBBACHER, 2008). Para tal, tiras de 4,2 mm do aço inoxidável duplex S31803 foram unidas em passe único por processo GMAW, no sentido transversal ao sentido de laminação. Posteriormente, as placas soldadas foram usinadas para conferir a forma final dos corpos de prova, seguindo as normas que guiam a fabricação de corpos de prova para ensaios de fadiga. Após a usinagem para definição do formato, os corpos de prova foram separados de forma aleatória, e um grupo foi novamente usinado para efetuar a remoção do reforço. Para evidenciar a qualidade da união, foram realizados ensaios de resistência mecânica e metalográficos. Evidenciada a qualidade da união, os corpos de prova foram submetidos a ensaios de fadiga com carga repetida em máquina servohidráulica, para determinação dos diagramas S-N. Para as três condições, os resultados encontrados foram superiores aos valores fornecidos pelas normas e recomendações. Os corpos de prova que tiveram o reforço removido apresentaram elevado incremento da vida útil, aproximando-se do comportamento em fadiga do material em bruto. Conclui-se que, no caso de uniões de topo, a retirada dos reforços de face e de raiz proporciona grande incremento na vida útil. Por fim, o estudo mostrou indícios que, devido às suas características distintas, os aços inoxidáveis apresentam comportamento em fadiga superior aos demais aços estruturais ferríticos ou bainíticos e, portanto, deveriam apresentar dados próprios nas normas que abordam o dimensionamento de uniões soldadas.
- ItemAvaliação do desempenho em fadiga de juntas de topo soldadas por processos PAW e GMAW no aço 22MnB5 + NbMo(2020) Lima, Elias Hoffmann de; Bianchi, Kleber Eduardo; Almeida, Diego Tolotti de; Souza, DanielEste trabalho teve por objetivo a avaliação do desempenho em fadiga de juntas de topo soldadas por processos PAW (Plasma Arc Welding) e GMAW/CSC (Gas Metal Arc Welding/Controlled Short Circuit) tendo como metal de base o aço ao boro 22MnB5 + NbMo. As amostras foram obtidas a partir de placas de espessura 3 mm, anteriormente submetidas ao processo de estampagem a quente (Press Hardening) para que fosse atingida uma estrutura preponderantemente martensítica. Na soldagem das placas pelo processo GMAW, foi empregado um metal de adição de resistência mecânica inferior àquela do metal de base. Já as juntas PAW foram obtidas de forma autógena. Testes de tração foram aplicados a corpos de prova representando o metal de base (sem solda) e a amostras contendo juntas soldadas. Para avaliação da estrutura e das propriedades mecânicas da região afetada pelo processo de soldagem, foram efetuadas análises de microdureza Vickers, microscopia ótica (imagens macro e micrográficas), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectrometria e espectrometria por energia dispersiva (EDS). A observação de macrografias das seções dos cordões evidenciou a presença de faixas distintas na região afetada pelo processo, indicando uma possível difusão de carbono e de elementos de liga do metal de base para o metal de solda. Para elucidar a correlação entre o aporte de calor durante a soldagem e a difusão dos elementos químicos, foi realizado um levantamento de temperaturas durante o processo, por meio de termopares e um sistema de aquisição de sinais. Na preparação dos corpos de prova para os ensaios de fadiga, como os corpos de prova PAW apresentavam altura de reforço desprezível, não sofreram processo de faceamento do cordão. Já os corpos de prova GMAW foram divididos em dois grupos: com e sem reforço. Os resultados dos ensaios de fadiga das juntas GMAW revelaram desempenho superior e baixa dispersão, para ambos os grupos (com ou sem reforço). No entanto, o desempenho das juntas que sofreram a retirada do reforço foi o mais expressivo. Ao contrário, as juntas PAW apresentaram desempenho inferior, devido à grande dispersão de resultados obtida nos ensaios.
- ItemAnálise numérica de fadiga e impacto em bicicletas de alto rendimento(2019) Costa, Tatielen Pereira; Guilherme, Carlos Eduardo Marcos; Teixeira, Paulo Roberto de FreitasNos últimos anos a pesquisa em bicicletas tem aumentado visto que se está em uma fase de crescimento no interesse da população em meios de transporte menos poluentes e também uma maior visibilidade de competições ciclísticas. A indústria de bicicletas tem se preocupado com as inúmeras melhorias que podem ser feitas em termos de ganho de velocidade e redução de custos. As bicicletas destinadas a competições necessitam estar enquadradas dentro de normas de fabricação segundo a UCI bem como ser aprovadas nos ensaios de impacto e fadiga de normas como a ISO 4210. O objetivo deste estudo foi desenvolver um método de simulação numérica usando o programa ABAQUS® em um quadro de liga de alumínio 6061 T6, projetado de acordo com a UCI, dentro de especificações comumente utilizadas e validá-lo através de ensaios estáticos com cargas baseadas na literatura e em seguida submetê-lo a testes de impacto e fadiga de acordo com a ISO 4210. Os resultados demonstraram que para os testes de fadiga o quadro teria alto risco de ocorrer falha por fadiga, visto que se encontra na zona de iniciação de fadiga de acordo com o método de Dang Van para 50.000 ciclos nos ensaios de fadiga vertical e horizontal, bem como 100.000 ciclos para o ensaio de pedaleira.