Daniel F. C. Peixoto*1, Luís A. Ferreira1,
Artigo Técnico
Paulo M. S. Tavares de Castro1 1
Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial, Faculdade Engenharia, Universidade do Porto, Portugal
O critério de Dang Van para dimensionamento à fadiga: comparação com outros critérios Resumo A detecção de defeitos, como é o caso de fendas de fadiga, durante a vida útil dos equipamentos é um ponto crucial na manutenção dos mesmos. Assim, é necessário utilizar e/ou desenvolver metodologias que nos permitam prever quais as zonas onde a probabilidade do aparecimento destes defeitos é maior, e desta forma manter a integridade dos equipamentos ou até prolongar a sua vida útil através de uma manutenção preventiva. Também, a concepção de equipamentos e estruturas mais ligeiras torna-se crucial na redução do consumo de energia dos sistemas mecânicos, designadamente nos transportes. Assim é necessário utilizar critérios de fadiga adequados para que se obtenham estruturas com menor sobredimensionamento, sem prejudicar a segurança. No presente artigo comparam-se os coeficientes de segurança resultantes da utilização de diversos critérios de dimensionamento à fadiga: critério de Dang Van, critério baseado na recta de Soderberg e critério ASME-elíptico. O trabalho é baseado no estudo de um caso simples – a variação de secção de um veio de suporte de uma engrenagem, fabricado em aço Ck45 e sujeito a um momento torçor constante e um momento flector alternado.
1. Introdução A indústria Portuguesa de componentes mecânicos tem peso significativo na economia nacional. As consultas dirigidas às empresas do sector envolvem crescentemente a necessidade de concepção de sistemas e/ou componentes, frequentemente destinados a trabalhar em serviço em condições de carregamento cíclico que originam fadiga - danificação progressiva do material resultante de ciclos repetidos de tensão ou deformação. Ora constata-se que, ocasionalmente, os fabricantes consultados devem responder às consultas seguindo metodologias de projecto à fadiga especificadas pelo cliente. E, com alguma frequência, as metodologias especificadas envolvem complexidade que vai para além do nível de abordagem característico dos ciclos iniciais de ensino da Engenharia Mecânica, designadamente em Portugal. É este o caso, por exemplo, da especificação do critério de Dang Van, constante de algumas consultas a fornecedores Portugueses de componentes para automóveis feitas por grandes construtores Franceses desse sector. Esta situação originou o interesse pela realização de um trabalho comparando, num caso simples, o uso de diversas metodologias, incluindo a metodologia de Dang Van, visando-se assim melhor conhecer esse critério mas também contribuir, nesta conferência, para a sua divulgação. Em particular, para um detalhe de uma peça foi comparado o coeficiente de segurança resultante da utilização do critério de Dang Van, eg [1-3], com os coeficientes
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de segurança indicados pelos critérios de dimensionamento à fadiga usualmente tratados em manuais escolares: Soderberg, eg [4-6] e ASME-elíptico eg [7]. A ref. [8] apresenta uma revisão crítica recente dos critérios de fadiga multiaxial, em que se inclui o critério de Dang Van. Para cumprir o objectivo deste trabalho foi estudada a zona de variação de secção de um veio de suporte de uma engrenagem, fabricado em aço Ck45 e sujeito a um momento torçor constante e um momento flector alternado. Visto que a utilização do critério de Dang Van exige o conhecimento completo da evolução do estado de tensão em cada ciclo, e não apenas os valores máximos e mínimos como outros critérios mais simples, torna-se necessário realizar um modelo de elementos finitos que no caso do presente exemplo foi realizado usando o software ABAQUS. Foi ainda desenvolvido o procedimento para cálculo do coeficiente de segurança do critério de Dang Van.
2. Critérios de dimensionamento à fadiga Existem vários métodos que permitem representar o limite de segurança em componentes sujeitos a solicitações de fadiga. Alguns destes métodos, como é o caso dos critérios de dimensionamento à fadiga ASME-elíptico e o critério baseado na recta de Soderberg, definem o limite de segurança como uma relação Va, Vm, ver Figura 1.