[pt] AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA À FADIGA SOB CARREGAMENTOS MULTIAXIAIS DE EIXOS VIRABREQUINS DE UNIDADES GERADORAS DE CENTRAIS TERMOELÉTRICAS

[en] EVALUATION OF FATIGUE RESISTANCE UNDER MULTIAXIAL LOADINGS OF CRANKSHAFT SHAFTS OF THERMOELECTRIC POWER PLANT GENERATING UNITS

[pt] BRUNO FELIX DE CARVALHO

[pt] ACO ESTRUTURAL

[pt] INDICE DE ERRO

[pt] CENTRAL TERMOELETRICA

[pt] CARREGAMENTOS EM FASE

[pt] EIXOS VIRABREQUINS

[pt] FADIGA MULTIAXIAL DE ALTO CICLO

[en] STRUCTURAL STEEL

[en] ERROR INDEX

[en] POWER STATION

[en] LOADINGS IN PHASE

[en] CRANKSHAFTS

[en] HIGH CYCLE MULTIAXIAL FATIGUE

[pt] Este trabalho possui como objetivo avaliar a adequação dos modelos de fadiga multiaxial no que diz respeito à sua aplicação para eixos virabrequins, bem como avaliar a possibilidade de falha dos eixos virabrequins quando submetidos a condições de carregamentos calculadas para a operação. A fadiga é uma falha mecânica causada primariamente pela aplicação de carregamentos variáveis no tempo, tendo como principal característica a nucleação e/ou propagação de trincas. É de extrema importância que o estudo e a modelagem das falhas por fadiga seja precisa e confiável, uma vez que a nucleação e a propagação de trincas, em geral, não provocam mudança evidente no comportamento global da estrutura. Isso se deve ao fato de que o dano gerado por um trincamento fica, quase sempre, restrito à região crítica da peça, tendendo a não gerar avisos prévios de falha iminente. Tendo isso em vista, as previsões de falhas por fadiga tornam-se críticas, tanto para carregamentos uniaxiais, quanto para carregamentos multiaxiais. Entretanto, para condições de carregamento multiaxiais, é requerido análises baseadas em modelos mais avançados do que os adotados para condições uniaxiais, uma vez que seu estado de tensões é extremamente complexo. Nesse contexto, critérios foram desenvolvidos para uma tentativa de prever falhas de componentes submetidos à carregamentos multiaxiais cíclicos. Um exemplo de componente mecânico sujeito a fadiga multiaxial, quando em serviço, são os eixos virabrequins de unidades geradoras de centrais termoelétricas. Desta forma, o presente trabalho analisou a aplicabilidade de sete modelos (Findley, Matake, McDiarmid, Susmel e Lazzarin, Papadopoulos, Carpinteri e Spagnoli e Liu e Mahadevan) de fadiga multiaxial de alto ciclo, baseados no plano crítico, para a previsão de falhas em eixos virabrequins de unidades geradoras de centrais termoelétricas. Para a aplicação dos modelos, condições de carregamento reportadas, na literatura, como críticas para a falha e propriedades do material (limites de resistência à fadiga) previamente obtidas experimentalmente serão utilizadas como dados de entrada e, a partir disso, Índices de Erro (IE) serão gerados para cada um dos sete modelos avaliados. Observou-se divergências entre os resultados para cada modelo, sendo alguns mais conservadores do que outros, justamente devido às condições de carregamento e às propriedades do material utilizadas. Apesar disso, o modelo de Papadopoulos se mostrou como o mais adequado entre os sete modelos, devido a sua facilidade na aplicação de fórmula e precisão na previsão da falha.

[en] This work aims to evaluate the suitability of multiaxial fatigue models regarding their application to crankshaft shafts, as well as evaluating the possibility of crankshaft failure when subjected to loading conditions calculated for the operation. Fatigue is a mechanical failure primarily caused by the application of time-varying loads, whose main characteristic is the generation and/or propagation of cracks. It is extremely important that the study and modeling of fatigue failures is accurate and reliable, since the generation and propagation of cracks, in general, do not cause an evident change in the overall behavior of the structure. This is because the damage generated by a crack is, almost always, restricted to the critical region of the part, tending not to generate early warnings of imminent failure. Fatigue failure predictions become critical for both uniaxial and multiaxial loads. However, for multiaxial loading conditions, analyzes based on more advanced models than those adopted for uniaxial conditions are required, since their stress state is extremely complex. In this context, criteria were developed for an attempt to predict component failures subjected to cyclic multiaxial loadings. An example of a mechanical component subject to multiaxial fatigue, when in service, is the crankshafts of power plant generating units. Thus, the present work analyzed the applicability of seven models (Findley, Matake, McDiarmid, Susmel and Lazzarin, Papadopoulos, Carpinteri ans Spagnoli and Liu and Mahadevan) of high cycle multiaxial fatigue, based on the critical plane, for failure prediction in crankshaft shafts of generating units in thermoelectric power stations. For the application of the models, loading conditions reported in the literature as critical for failure and material properties (fatigue strength limits) previously obtained experimentally will be used as input data and, from that, an Error Index will be generated for each of the seven models evaluated. Differences were observed between the results for each model, with some being more conservative than others, precisely due to the loading conditions and material properties used. Despite this, the Papadopoulos model proved to be the most suitable among the seven models, due to its ease of formula application and precision in predicting failure.

MARCOS VENICIUS SOARES PEREIRA

TIAGO LIMA D ALBUQUERQUE E CASTRO

2021-07-06

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https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.53563