Fatigue crack growth prediction considering crack-tip plastic phenomena: limitations of current approaches and a novel methodology

• DIRECTORES: Miguel Muñiz y Haritz Zabala
• UNIVERSIDAD: Universidad de Oviedo

Resumen:

Desde la perspectiva de la tolerancia al daño, la integridad estructural de componentes con defectos se evalúa siguiendo principios fitness-for-service. Por lo tanto, se acepta el crecimiento de grietas en fatiga (CGF) observado en componentes críticos sometidos a cargas oscilantes, siempre y cuando el fallo resultante no ocurra durante un periodo programado. En este marco, la predicción precisa del CGF es indispensable para tomar decisiones run/repair/replace acertadas y diseñar planes de inspección fiables. Dicha predicción precisa implica considerar la influencia de fenómenos plásticos de punta de grieta inherentes a los metales dúctiles ampliamente empleados en aplicaciones estructurales. En general, el CGF se predice por medio de un esquema iterativo basado en la integración de una ley de crecimiento, la cual relaciona la velocidad de propagación de grieta con un parámetro de fractura gobernante que se postula como la fuerza motriz de la propagación de grieta. El rango efectivo del factor de intensidad de tensiones (ΔKeff) es el parámetro de fractura gobernante más popular. ΔKeff se estima en base al factor de intensidad de tensiones máximo (Kmax) que tiene en cuenta la acción de las cargas externas aplicadas, y la fuerza de apertura de grieta (Pop/Pmax), que incluye el efecto del cierre de grieta por plasticidad (PICC por sus siglas en inglés) que ocurre en la estela de grieta. Ambas variables que intervienen en ΔKeff pueden determinarse en base a una amplia variedad de enfoques, desde aproximaciones analíticas en base a expresiones de forma cerrada a métodos numéricos en base a dos modelos de elementos finitos paralelos.

En esta tesis se demuestran las limitaciones de los enfoques analíticos basados en ΔKeff, considerando un caso realista representativo de un rodamiento agrietado de aerogenerador. Se descubre que el uso de expresiones de forma cerrada en la estimación de Kmax resulta en predicciones excesivamente conservadoras de la vida útil remanente y la longitud de grieta crítica, lo que contradice la filosofía de la tolerancia al daño, por lo que se deduce la necesidad del método de los elementos finitos. En cuanto a la estimación de Pop/Pmax, se disuade el uso extendido de la ecuación de apertura de Newman como receta cerrada, incluso después de eliminar la común pero arbitraria asignación del valor del factor de constricción. Alternativamente, se propone una metodología novedosa basada en parámetros de fractura elasto-plásticos, que simula el CGF considerando la interacción entre el PICC y la evolución de forma de grieta. Dicha metodología consiste en resolver iterativamente un único modelo de elementos finitos elasto-plástico, para el que se mantiene el histórico de cargas por medio del remallado y mapeado y el avance de grieta se realiza soltando nodos. Se consiguen dos ventajas con respecto a los enfoques numéricos del estado del arte en base a ΔKeff: 1) un esfuerzo numérico menor debido a la necesidad de un único modelo de elementos finitos elasto-plástico y 2) una aplicabilidad mayor gracias a la posibilidad de analizar escenarios de fluencia de gran escala. Se aplica la metodología a un caso práctico, obteniendo resultados que concuerdan ampliamente con las tendencias de literatura y mediciones experimentales. Esto demuestra tanto la validez de la metodología como la idoneidad de los parámetros de fractura en base a desplazamientos de punta de grieta escogidos.