Publication
A critical review on damage accumulation in multiaxial fatigue models
| dc.contributor.advisor | Anes, Vítor Manuel Rodrigues | |
| dc.contributor.author | Roque, Rui Manuel Resendes | |
| dc.date.accessioned | 2024-10-24T07:16:12Z | |
| dc.date.available | 2024-10-24T07:16:12Z | |
| dc.date.issued | 2023-09 | |
| dc.description | Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica | |
| dc.description.abstract | Fracture and fatigue are common causes of failure in mechanical components of structures, needing a comprehensive understanding of the underlying physical mechanisms by mechanical design engineers. An area that requires further investigation is the impact of loading type on the fatigue strength of materials. Proportional and nonproportional loads lead to different fatigue lives, even when subjected to the same loading amplitudes. Even within proportional loads, the fatigue life can vary depending on the ratio between shear and normal stresses. Numerous models have been proposed in the literature to address these concerns, but a universally applicable model for estimating fatigue strength considering loading effects is yet to be developed. This dissertation presents a thorough literature review focusing on multiaxial fatigue, covering topics such as the phenomenological characterization of fatigue, critical plane models, cycle counting methods, fatigue damage monitoring and bibliographic data. During the review, a modified equivalent strain amplitude (MESA) model, raised pertinent questions that are addressed in subsequent chapters. A case study was conducted that utilizes multiaxial fatigue data of the high strength steel 42CrMo4, which was obtained from literature sources. The analysis was made to include plane orientations ranging from -90° to 90° while evaluating ten multiaxial loading paths. The research hypothesis aimed to evaluate the effectiveness of a proposed critical plane model in determining the crack initiation plane and estimating the fatigue life of variable amplitude loading paths, without relying on cycle counting methods. In order to simplify the demonstration of this method, alternative critical plane models were employed to assess their efficiency in determining these parameters. The obtained results revealed that the MESA critical plane model is indeed effective in successfully estimating fatigue life under multiaxial fatigue loading paths while others cannot without the use of additional cycle counting methods. Nevertheless, the MESA critical plane model exhibited unsatisfactory results when assessing the crack initiation plane in comparison to other critical plane models like SWT, Fatemi-Socie, Brown-Miller, and Liu. The estimations of these models for the crack initiation plane showed relatively strong consistency, except for the MESA model. Furthermore, a bibliographic analysis was included with the purpose of better illustrating the current state of the engineering field that researches multiaxial fatigue and damage accumulation approaches. A study on scientific papers published since the 2000’s until now is conducted by outlining the output and growth trend of said publications in the selected research areas, the most influential countries and journals and by establishing the connection between internationalization and multiaxial fatigue and damage accumulation. Findings regarding this analysis indicate a significant growth in the research field, with a substantial increase in the number of published documents each year. The People's Republic of China emerges as the leading contributor with 1434 publications across all the mentioned subjects, closely followed by the USA and Germany. Furthermore, it is noteworthy that nearly half of the countries worldwide are actively involved in researching these subjects, demonstrating a diverse range of nationalities contributing to the field. Interestingly, Portugal ranks among the top 15 countries in all selected keyword categories, highlighting its involvement and contribution in the research. | pt_PT |
| dc.description.abstract | Durante o decorrer do século XX, diversas tragédias ocorreram devido a falhas em componentes mecânicos submetidos a níveis de tensão imprevistos, gerando grande preocupação na comunidade global. Estes eventos catastróficos estimularam a exploração e o avanço de novas tecnologias de forma a garantir um desempenho ótimo e a durabilidade adequada dos componentes mecânicos ao longo da sua vida útil. É essencial destacar que as falhas em componentes mecânicos resultam não só em acidentes como também afetam os prejuízos económicos das empresas e países, potenciais danos ambientais e, em muitos casos, até mesmo perdas humanas. É, portanto, essencial que os engenheiros responsáveis compreendam o comportamento dos componentes mecânicos sob tensões constantes ou cíclicas. Uma compreensão profunda das propriedades mecânicas dos materiais capacita os engenheiros e outros especialistas a avaliar precisamente se um componente específico ou sistema requer substituição ou apenas manutenção. Apesar dos avanços criados no desenvolvimento da teoria da mecânica da fratura, existe ainda uma grande necessidade de ferramentas aprimoradas e confiáveis que possam ser aplicadas em cenários onde as ferramentas existentes apresentam limitações. O objetivo deve ser aperfeiçoar a coleção de dados sobre acumulação de danos em diferentes condições de carga e correlacionar essas informações com monitorização da integridade estrutural. Atualmente, descrever e interpretar com precisão os dados obtidos por sensores em relação à acumulação de danos ainda é um desafio. Considerando este aspeto, há uma necessidade de abordar cenários da vida real que componentes e estruturas enfrentam, incluindo tensões multiaxiais com condições de carga variáveis e aleatórias. A fratura e a fadiga são frequentemente responsáveis por falhas em componentes mecânicos de estruturas, exigindo que os engenheiros de projeto mecânico tenham uma compreensão abrangente dos mecanismos físicos subjacentes. Uma área que necessita de investigação adicional é o impacto do tipo de carregamento na resistência à fadiga dos materiais. Cargas proporcionais e não proporcionais levam a diferentes vidas à fadiga, mesmo quando sujeitas às mesmas amplitudes de carregamento. Mesmo no caso da aplicação de cargas proporcionais, a vida à fadiga pode variar dependendo da relação entre tensões de corte e normais. Vários modelos são propostos na literatura de modo a poder abordar essas preocupações, contudo um modelo universalmente aplicável para estimar a resistência à fadiga considerando os efeitos do carregamento aplicado ainda precisa ser desenvolvido. Esta dissertação apresenta uma revisão bibliográfica abrangente focada na fadiga multiaxial, abordando tópicos como a caracterização fenomenológica da fadiga, modelos de plano crítico, métodos de contagem de ciclos, monitorização de danos por fadiga e dados bibliográficos. Durante a realização da revisão literária, um modelo de plano crítico modificado de amplitude de deformação equivalente (MESA) levantou questões pertinentes que são abordadas nos capítulos subsequentes. Foi realizado um caso de estudo que utiliza dados de fadiga multiaxial do aço de alta resistência 42CrMo4, obtidos de fontes literárias. A análise foi feita em dez trajetórias multiaxiais de carregamento, onde para cada modelo do plano critico se fez a avaliação do respetivo parâmetro de dano em planos de diferentes orientações, variando de -90° a 90°. A hipótese de pesquisa visava avaliar a eficácia do modelo do plano crítico MESA na determinação do plano de iniciação de fenda e na estimativa da vida à fadiga de caminhos de carregamento de amplitude variável, sem depender de métodos de contagem de ciclos. Para facilitar a ilustração desse método, outros modelos de plano crítico foram incluídos para comparar sua eficácia na determinação desses parâmetros. Os resultados obtidos revelaram que o modelo de plano crítico MESA é de facto eficaz na estimativa da vida à fadiga em trajetórias multiaxiais de amplitude variável, enquanto outros modelos não o são sem o uso de métodos adicionais de contagem de ciclos. A mitigação de técnicas de contagem de ciclos, leva a considerar o dano acumulado e ignorar a trajetória de carregamento e os modelos tradicionais, ocorrendo uma estimativa incorreta de vida infinita à fadiga em vez da vida finita esperada, evidenciada na maioria dos casos. No entanto, o modelo de plano crítico MESA apresentou resultados insatisfatórios ao avaliar o plano de iniciação de fenda em comparação com outros modelos de plano crítico, como SWT, Fatemi-Socie, BrownMiller e Liu. As estimativas desses modelos para o plano de iniciação de fenda mostraram uma consistência relativamente forte, exceto para o modelo MESA. Tendo em conta os resultados alcançados, o modelo MESA pode ser considerado adequado para uso prático no design mecânico e no desenvolvimento de componentes mecânicos cruciais, permitindo uma estimativa precisa da vida útil à fadiga e facilita uma determinação mais precisa do fator de segurança necessário para a operação do componente. Devido às variações na trajetória de carga, diferentes resultados de vida à fadiga são determinados, enfatizando o quão insuficiente é considerar apenas a amplitude na fadiga multiaxial. Adicionalmente, uma análise bibliográfica foi incluída com o objetivo de ilustrar melhor o estado atual da pesquisa em fadiga multiaxial e métodos de acumulação de dano. Neste sentido, realizou-se um estudo sobre artigos científicos publicados desde os anos 2000 até o presente, delineando a produção e tendência de crescimento dessas publicações nas áreas de pesquisa selecionadas, os países e jornais mais influentes e estabelece-se a conexão entre internacionalização e o tópico da fadiga multiaxial e acumulação de dano. Para realizar a análise bibliográfica de forma adequada, optou-se por utilizar o software Publish and Perish, especializado em cruzar informações bibliográficas de várias bases de dados. Entre essas bases de dados, destacam-se fontes reputáveis como o Scopus, Web of Science, Crossref, PubMed e o Google Scholar. Optou-se pela escolha do Google Scholar devido às suas principais vantagens, como ser gratuito e acessível à maioria das pessoas no mundo. Com o intuito de dar forma e estruturação aos dados extraídos, utilizou-se adicionalmente o software VOSviewer. Com o auxílio do VOSviewer, foi possível apresentar os dados retratados visualmente e quantitativamente. Dados agrupados na forma de mapas foram criados na análise de coautoria, coocorrência de palavras-chave, citações, co-citações e acoplamento bibliográfico. Estes mapas têm a particularidade de poderem ser manipulados de diversas formas e ainda filtrados de acordo com o utilizador, caracterizando individualmente cada um. Os resultados desta análise indicam um crescimento significativo no campo de pesquisa, com um aumento substancial no número de documentos publicados em cada ano até ao presente. A República Popular da China destaca-se como o principal contribuinte, com 1434 publicações em todas as áreas mencionadas, seguida pelos Estados Unidos da América e a Alemanha. Além disso, é digno de notar que quase metade dos países em todo o mundo está ativamente envolvida na pesquisa desses temas, demonstrando uma diversidade de nacionalidades contribuintes para o campo. Curiosamente, Portugal está entre os 15 países no topo em todas as categorias que incluem as palavras-chave selecionadas, sedimentando o seu envolvimento e contribuição para a pesquisa neste campo. Finalmente, são salientadas certas limitações das análises realizadas, ambas do caso de estudo e da análise bibliográfica, como também são incluídas possíveis melhorias às mesmas com o intuito de aumentar o seu rigor. | pt_PT |
| dc.description.version | info:eu-repo/semantics/publishedVersion | pt_PT |
| dc.identifier.citation | ROQUE, Rui Manuel Resendes – A Critical Review on Damage Accumulation in Multiaxial Fatigue Models. Lisboa: Instituto Superior de Engenharia de Lisboa. 2023. Dissertação de Mestrado. | pt_PT |
| dc.identifier.tid | 203595238 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10400.21/17805 | |
| dc.language.iso | eng | pt_PT |
| dc.publisher | Instituto Superior de Engenharia de Lisboa | pt_PT |
| dc.subject | Fatigue Life | pt_PT |
| dc.subject | Multiaxial Fatigue | pt_PT |
| dc.subject | Critical Plane | pt_PT |
| dc.subject | Equivalent Strain Amplitude | pt_PT |
| dc.subject | Damage Parameter | pt_PT |
| dc.subject | Bibliographic Analysis | pt_PT |
| dc.subject | Fadiga Multiaxial | pt_PT |
| dc.subject | Parâmetro de Dano | pt_PT |
| dc.subject | Plano Crítico | pt_PT |
| dc.subject | Amplitude de Deformação Equivalente | pt_PT |
| dc.subject | Vida à Fadiga | pt_PT |
| dc.subject | Análise Bibliográfica | pt_PT |
| dc.title | A critical review on damage accumulation in multiaxial fatigue models | pt_PT |
| dc.type | master thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| oaire.citation.endPage | 105 | pt_PT |
| oaire.citation.startPage | 1 | pt_PT |
| rcaap.rights | openAccess | pt_PT |
| rcaap.type | masterThesis | pt_PT |