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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2007.tde-06072007-151257
Documento
Autor
Nome completo
Ivan José de Godoy Mazella
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2007
Orientador
Banca examinadora
Bucalem, Miguel Luiz (Presidente)
Almeida Neto, Edgard Sant'Anna de
Bittencourt, Túlio Nogueira
Chaves, Carlos Eduardo
Pavanello, Renato
Título em português
Sobre metodologias de modelagem computacional de propagação de trincas por fadiga em fuselagens aeronáuticas.
Palavras-chave em português
Cascas delgadas
Fadiga em estruturas
Fratura das estruturas
Fuselagem
Método dos elementos finitos
Resumo em português
Uma metodologia para simular o crescimento de trincas por fadiga em estruturas pressurizadas de cascas delgadas e enrijecidas é implementada por meio de uma estrutura de software, que consiste em um programa de simulação de fraturamento associado a um programa de análise por elementos finitos. Permite-se que as trajetórias das trincas sejam arbitrárias, sendo calculadas incrementalmente como parte da simulação. As trajetórias são representadas em uma região localizada do modelo, que pode ser remodelada automaticamente a cada incremento de trinca por meio de um algoritmo de geração de malha de elementos de casca quadrilaterais. Duas alternativas de modelagem da região em torno da ponta da trinca são apresentadas: por elementos finitos de casca e por elementos sólidos. A metodologia assume que o crescimento da trinca seja caracterizado por quatro fatores de intensidade de tensão que modelam o comportamento de membrana pela teoria da elasticidade bidimensional, em estado plano de tensões, e o comportamento de placa pela na teoria de Kirchhoff. A resposta da estrutura de casca delgada pressurizada é determinada por meio do programa ADINA (Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis), que utiliza um procedimento de análise geometricamente não linear para elementos finitos de casca, formulados pela teoria de Reissner-Mindlin. Um estudo mostra que os fatores de Kirchhoff podem ser correlacionados aos fatores de Reissner-Mindlin por meio de expressões semi-empíricas. Fatores tridimensionais médios de intensidade de tensão são definidos e relacionados aos fatores das teorias da elasticidade bidimensional e de Reissner-Mindlin. Um exemplo de aplicação é apresentado, comparando-se os resultados das três teorias. A validação da metodologia é discutida por meio da simulação do crescimento de trincas por fadiga em um painel de teste em escala real da fuselagem de um Boeing 737.
Título em inglês
On computacional modeling methodologies of fatigue crack propagation in aircraft fuselages.
Palavras-chave em inglês
Aircraft fuselage
Finite element method
Fracture of structures
Structural fatigue
Thin shells
Resumo em inglês
A methodology for modeling fatigue crack growth in pressurized, stiffened, thin shell structures is implemented within a software framework that consists of a fracture simulation code associated with a finite element analysis code. Crack trajetories are allowed to be arbitrary and are computed incrementally as a part of the simulation. Trajectories are represented in a localized model region that can be remeshed automatically at each crack increment using a quadrilateral element surface meshing algorithm. Two alternatives for meshing the near crack tip region are presented: by shell finite elements and by solid finite elements. The methodology assumes that the crack growth is caracterized by four stress intensity factors that model the membrane behavior using two-dimensional plane stress elasticity and the plate behavior using Kirchhoff plate theory. The structural response of the pressurized thin shell is computed by ADINA (Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis) code, using a geometrically non-linear shell fiinite element analysis procedure, formulated by Reissner-Mindlin theory. A study shows that for thin shells the Kirchhoff factors can be related to the Reissner-Mindlin factors by mean of semi-empirical expressions. Three-dimensional average stress intensity factors are defined and related to the factors of the two-dimensional elasticity and the Reissner-Mindlin theories. An application example is presented and the results of the three theories are compared. The metodology validation is discussed by mean of a fatigue crack growth simulation in a full-scale pressurized panel test of a Boeing 737.
 
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TD859662ER2007.pdf (3.70 Mbytes)
Data de Publicação
2007-08-16
 
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