High performance construction materials fracture and high cycle fatigue assessment based on accelerated PF-CZM

Resumo Técnico: Avaliação de Fratura e Fadiga de Alto Ciclo de Materiais de Alto Desempenho via PF-CZM Acelerado

Definição do Problema
Materiais de alto desempenho, especificamente o Concreto de Ultra-Alto Desempenho (UHPC) e o Aço de Alta Resistência (HSS), são críticos para aplicações exigentes de engenharia civil e mecânica, como turbinas eólicas e pontes. Essas estruturas são frequentemente submetidas a carregamentos cíclicos, onde fenômenos de fratura e fadiga podem precipitar falhas catastróficas. Embora os métodos experimentais sejam atualmente o principal meio de avaliar esses comportamentos, eles são frequentemente dispendiosos, demorados e limitados em termos de generalização. Além disso, a simulação numérica de Fadiga de Alto Ciclo (HCF), que envolve milhões de ciclos de carga, apresenta um gargalo computacional significativo. Os Modelos de Campo de Fase (PFM) e os Modelos de Zona Coesiva de Campo de Fase (PF-CZM) existentes têm dificuldade em simular eficientemente o processo completo de propagação de trinca em três estágios para esses materiais específicos, particularmente sob condições de HCF.

Metodologia
Este estudo propõe uma estrutura computacional abrangente baseada no Modelo de Zona Coesiva de Campo de Fase (PF-CZM) para abordar o comportamento de fratura e HCF de UHPC e HSS. A metodologia integra três componentes principais:

1. Modelagem Constitutiva e Critérios de Falha:

   • Para UHPC: Um critério de falha genérico baseado em tensão é derivado de resultados de testes de tração biaxial para calcular a força motriz da trinca. Este critério utiliza um envelope de resistência biaxial hiperbólico para capturar o comportamento de fratura de modo misto. Adicionalmente, um modelo constitutivo é calibrado utilizando dados de testes de tração uniaxial para definir a função de degradação de energia e as curvas de amolecimento.
   • Para HSS: A estrutura é adaptada para simular a fratura frágil em baixa temperatura. Uma função de degradação de energia de amolecimento linear é empregada, e o critério de falha de von Mises é utilizado para cálculos de fratura de modo misto.

2. Mecanismo de Degradação por Fadiga:
   O modelo incorpora uma função de degradação por fadiga na equação de balanço de energia de Griffith. Esta abordagem adota o conceito de tenacidade à fratura dependente do estado, onde uma variável histórica cumulativa ($\bar{\alpha}(t)$) impulsiona a redução da tenacidade à fratura ao longo do tempo. O parâmetro de acumulação de dano por fadiga ($k_f$) é introduzido para regular a taxa de acumulação de dano.

3. Algoritmo Acelerado:
   Para superar as proibições computacionais de simular milhões de ciclos, um algoritmo acelerado é integrado. Este método emprega uma carga de envelope para aproximar cargas cíclicas reais, evitando a simulação de cada ciclo individual. O algoritmo utiliza uma estratégia de ajuste de incremento de ciclo adaptativo de três estágios:

   • Estágio pré-limiar: Grandes incrementos de ciclo são usados quando o dano está abaixo do limiar.
   • Estágio de limiar: Os incrementos são reduzidos conforme o dano se aproxima do limiar para garantir a precisão.
   • Estágio pós-limiar: Incrementos adaptativos controlam o incremento máximo de dano para manter uma taxa de dano por fadiga moderada.
     A implementação numérica utiliza sub-rotinas do ABAQUS (UMAT e HETVAL), aproveitando uma analogia entre as leis de transferência de calor e a equação de balanço de PF para resolver as equações de campo acopladas.

Principais Contribuições

• Estrutura Unificada: O artigo estende a estrutura PF-CZM para modelar simultaneamente a fratura e a HCF tanto para UHPC quanto para HSS, preenchendo a lacuna entre as limitações experimentais e a eficiência computacional.
• Especificidades de UHPC: Um novo modelo constitutivo e um critério de falha genérico baseado em tensão (envelope de resistência biaxial hiperbólico) são desenvolvidos especificamente para UHPC, calibrados contra dados de testes uniaxiais e biaxiais.
• Simulação Eficiente de HCF: A integração de uma função de degradação por fadiga com um algoritmo de aceleração adaptativa de três estágios permite a simulação eficiente de fadiga de alto ciclo sem sacrificar a precisão da previsão do caminho da trinca.
• Modelagem de HSS em Baixa Temperatura: A estrutura reproduz com sucesso o comportamento de fratura frágil de HSS em baixas temperaturas, um fenômeno frequentemente ausente em modelos numéricos robustos.

Resultos
O modelo proposto foi validado contra dados experimentais relevantes:

• Fratura de UHPC: O modelo capturou com precisão os comportamentos de fratura de Modo-I e de modo misto de vigas entalhadas de UHPC. Os resultados de simulação para curvas de carga-CMOD e caminhos de propagação de trinca mostraram forte concordância com os dados experimentais em diferentes escalas de malha, demonstrando objetividade de malha.
• Fadiga de UHPC: O algoritmo acelerado simulou com sucesso a fadiga de alto ciclo de Modo-I e de modo misto. A vida útil de fadiga e as curvas de fluência (evolução do CMOD) coincidiram com os resultados experimentais quando o parâmetro de acumulação de dano por fadiga ($k_f$) foi calibrado (especificamente $k_f=1$). O modelo reproduziu corretamente o processo de fadiga de três estágios e os caminhos de propagação de trinca.
• Fratura de HSS: O modelo simulou efetivamente a fratura de Modo-I e de modo misto de HSS em baixas temperaturas. As curvas de tensão-deformação e os caminhos de propagação de trinca de testes de Tensão de Entalhe Central (CNT) e de Corpo de Prova de Tração Compacta (CTS) foram consistentes com as observações experimentais, incluindo a transição de uma propagação dominada por tração para uma dominada por cisalhamento sob variados ângulos de carregamento.

Significância e Alegações
Os autores alegam que este estudo fornece uma alternativa computacionalmente eficiente e precisa aos métodos experimentais tradicionais para avaliar a fratura e a fadiga de materiais de alto desempenho. Ao integrar uma função de degradação por fadiga com um algoritmo de aceleração, a estrutura supera os gargalos computacionais associados às simulações de HCF. A derivação de um critério de falha genérico baseado em tensão para UHPC permite o cálculo preciso das forças motrizes de trinca em cenários de modo misto. Além disso, a extensão bem-sucedida do modelo para HSS demonstra sua versatilidade na previsão da fratura frágil em baixa temperatura. O estudo conclui que a estrutura PF-CZM proposta é uma ferramenta robusta para prever o comportamento de fratura e de fadiga de alto ciclo de ambos, UHPC e HSS, oferecendo um caminho para o design e a avaliação mais confiáveis de infraestruturas sujeitas a carregamentos cíclicos.