Interpretando resultados em estudos de fadiga
O tópico a seguir descreve os resultados diferentes que podem definidos para estudos de fadiga com algumas orientações sobre como interpretar os resultados:
Indicação biaxial
Indicação biaxial é um resultado sem dimensão que exibe a natureza multiaxial do estado da tensão em um local ao executar uma análise de fadiga. Ela ajuda a entender se o dano de fadiga é guiado por uma tensão principal dominante ou duas ou mais tensões principais de magnitude comparável. Esse resultado ajuda a interpretar outros resultados de fadiga, como vida útil de fadiga, dano de fadiga ou fator de segurança.
A indicação biaxial mede a razão entre a menor tensão principal e a maior tensão principal (excluindo a tensão principal mais próxima de zero) para determinar a natureza do estado da tensão, ajudando a identificar se as predições da vida útil de fadiga (que supõem carregamento uniaxial) são válidas.
Os valores de indicação biaxial variam de -1 a 1 e podem ser interpretados da seguinte forma:
• -1 — O valor -1 indica cisalhamento puro. É comum no carregamentos de torção. Ela requer a mudança da tensão equivalente (von Mises) para a tensão máxima de cisalhamento para obter a vida útil de fadiga conservadora.
• 0 — O valor 0 indica carregamento uniaxial e significa que as tensões são tensão ou compressão pura. As suposições de análise de fadiga são mais precisas aqui.
• 1 — O valor 1 indica carregamento biaxial puro com tensão ou compressão igual em duas direções.
Use esse resultado para verificar se o seu modelo está passando por carregamento multiaxial. Se não for uniaxial (0), os resultados da vida útil da fadiga podem precisar de uma avaliação mais cuidadosa, usando critérios de fadiga multiaxial.
Tensão alternada equivalente (EAS)
É um único valor de tensão que representa "a quantidade de dano" causado pelo seu carregamento na fadiga. Ela converte o carregamento de tensão média, complexa, multiaxial e diferente de zero em uma amplitude de tensão equivalente, totalmente revertida. É o valor de tensão usado para ler a vida útil de fadiga na curva S-N.
A EAS inclui as conversões a seguir:
• Conversão de tensão multiaxial — Combina tensões de direções diferentes em uma tensão equivalente.
• Correção de tensão média — Usa modelos como Goodman, Gerber ou Soderberg (não disponíveis atualmente, mas estarão disponíveis em liberações futuras) para ajustar a tensão média de tração ou compressão.
• Valor escalar final — Diretamente comparado com a curva S-N do material.
A figura a seguir exibe a curva S-N e a EAS. O eixo Y exibe a amplitude da tensão (S) e o eixo X fornece os ciclos até ocorrer falha (N).
Curva S-N com tensão alternada equivalente
O gráfico mostra os valores a seguir:
• Linha azul: uma curva S-N típica (amplitude da tensão versus ciclos).
• Linha tracejada vermelha: a tensão alternada equivalente (EAS).
• Linha pontilhada verde + ponto vermelho: a vida útil prevista em que a EAS interseciona a curva S-N.
É possível ler o gráfico da seguinte forma:
• Mova horizontalmente da EAS para a curva S-N e, em seguida, para baixo até o eixo N.
• Esse valor N é a vida útil de fadiga prevista (ciclos) para o carregamento atual.
Dano de fadiga (Regra de Miner)
Dano = Vida útil de design / Vida útil prevista.
Dano > 1 significa falha antes da vida útil de design.
Barra de dano da regra de Miner
Dano D = Vida útil de design/Vida útil prevista
A barra de dano exibe o seguinte:
• Área verde: Dano < 1 — Seguro para a vida útil de design.
• Linha tracejada laranja em Dano = 1 — Valor mínimo.
• Área vermelha: Dano >1 — Falhará antes da vida útil de design.
• Exemplo exibido: D = 1.67 — Não seguro (consome vida útil mais rápido do que o permitido).
É possível interpretar a barra de dano da seguinte forma:
• Se a barra para antes da linha de valor mínimo, a vida útil de design está ok.
• Se ela cruza a linha, espere uma falha antes da vida útil alvo, a não ser que as cargas sejam reduzidas ou o design seja recriado.
Vida útil de fadiga
Esse resultado é o número previsto de ciclos que o modelo pode sobreviver sob um carregamento específico.
Esse resultado pode ser interpretado da seguinte forma:
Para um carregamento de amplitude constante — O valor da vida útil de fadiga é o número de ciclos até ocorrer falha
Para um carregamento variável ou de bloco — O valor da vida útil de fadiga representa o número de blocos de carga (ou ciclos equivalentes) até ocorrer falha.
Um valor de vida útil maior indica um desempenho de fadiga melhor.
Fator de segurança
É a medida de quanto falta para que ocorra falha de fadiga no componente. Indica o quanto a carga pode ser multiplicada antes que ocorra a falha de fadiga.
Fator de segurança = Resistência à fadiga permitida / Tensão cíclica aplicada
Fator de segurança SF
O medidor do fator de segurança exibe o seguinte:
• Vermelho: SF < 1 — Não seguro.
• Amarelo: 1 ≤ SF < 2 — Marginal.
• Verde: SF ≥ 2 — Margem confortável.
• Marcador azul: Exemplo SF = 1.6 — Lista de observação. Considere melhorias se o requisito é ≥ 2.
É possível interpretar o medidor do fator de segurança da seguinte forma:
• SF < 1 — Aumentar a resistência ou reduzir a tensão cíclica.
• SF ≈ 1 — O componente atinge o objetivo da vida útil de design com uma margem muito pequena.
• SF ≫ 1 — A margem mais alta indica que o componente é seguro.
 | O Creo Ansys Simulation limita o fator de segurança máximo exibido a 15 (muito seguro). |
Resumo — Referência rápida para resultados de fadiga
Quantidade de resultados | O que ele representa | Como interpretar esse resultado |
|---|---|---|
Tensão alternada equivalente (EAS) | Amplitude da tensão final usada para buscar curva S-N; Inclui efeitos de tensão multiaxial + média | EAS maior — Vida útil de fadiga menor Valor extremamente alto — Tensão média excedeu os limites |
Dano de fadiga | Fração da vida útil consumida | Dano > 1 — Falhará antes da vida útil de design |
Vida útil de fadiga | Ciclos previstos (ou blocos) até ocorrer falha | Vida útil maior = Durabilidade melhor |
Fator de segurança | Margem com relação à falha de fadiga |
Escolhendo a correção de tensão média certa no design de fadiga
Ao definir o comportamento de fadiga para o tipo de carregamento zero ou de razão, é possível escolher a teoria da tensão média a ser usada. Selecionar a correção de tensão média certa é fundamental, pois modelos diferentes oferecem diferentes níveis de conservadorismo. Este guia ajuda a escolher a teoria da tensão média correta, dependendo do comportamento do material, da aceitação de riscos e do tipo de aplicativo.
Diagrama de Goodman + Gerber com regiões seguras e não seguras
A figura a seguir exibe como os critérios de Goodman e Gerber aplicam uma correção de tensão média com base nos valores de tensão alternada e tensão média.
O diagrama contém o seguinte:
• A linha azul representa a linha de Goodman (σₐ/Se + σₘ/Sut = 1).
• Linha parabólica tracejada: Linha de Gerber σₐ = Se (1−(Sut / σₘ)2))
• Ponto vermelho: O estado de tensão aplicada (tensão média σₘ, alternada σₐ).
• Seta verde+ ponto verde em σₘ=0: A amplitude totalmente revertida equivalente (σₐ, eq) usada para a busca de S-N
É possível interpretar o diagrama da seguinte forma:
• A tensão média mais alta (σₘ) reduz a tensão alternada permitida.
• A tensão alternada equivalente (σₐ,eq) é o que você comparou com a curva S-N de resistência.
A tabela a seguir exibe uma comparação entre as teorias da tensão média de Goodman e Gerber.
Teoria da tensão média | Critérios de Goodman | Critérios de Gerber |
|---|---|---|
Sobre | Conservadorismo moderado Amplamente usada na indústria. Use Goodman quando desejar um equilíbrio entre segurança e economia e tiver um carregamento bem caracterizado (comum para elementos de máquina). | Menos conservadora Melhor opção para o comportamento do aço dúctil. Use Gerber quando o material é um aço dúctil com bom controle de qualidade e você precisa de designs mais leves e otimizados sob tensão média de tração significativa. |
Equação |  em que: σa é tensão alternada σm é tensão média Se é o limite de resistência Sut é o limite de resistência à tração |  em que: σa é tensão alternada σm é tensão média Se é o limite de resistência Sut é o limite de resistência à tração |
Aplicações típicas | • Eixos de rotação • Dentes de engrenagem • Componentes soldados • Elementos de máquina em geral • Estruturas automotivas | • Componentes automotivos com peso otimizado • Máquinas de rotação projetadas para desempenho • Peças de aço com dados de confiabilidade fortes • Máquinas de consumo que não são críticas de segurança |
Vantagens | Simples Razoavelmente conservadora Funciona bem para a maioria dos metais | Mais adequada para curvas de fadiga experimentais de aços dúcteis Tensões permitidas mais realistas Frequentemente usada em design de otimização/leve |
Desvantagens | É uma aproximação linear (pode ser muito conservadora para aços dúcteis) Não serve para o comportamento real de falha de aços dúcteis tão bem como Gerber | Não adequada para materiais frágeis Não adequada quando as consequências de falha são graves Não aceita em muitos códigos de design críticos de segurança |
Tabela de decisão rápida
Cenário/Requisito | Melhor método | Por quê? |
|---|---|---|
Alta segurança/risco humano | Soderberg | Evita escoamento; muito conservador |
Design mecânico com finalidade geral | Goodman | Equilibrado, amplamente aceito |
Peças de metal leves otimizadas | Gerber | Mais adequado para o comportamento de fadiga do aço dúctil |
Cargas altamente incertas | Soderberg | A margem de erro é mais segura |
Tensões médias de tração conhecidas | Gerber | Curva parabólica corresponde ao comportamento do aço |
Aprovação regulatória necessária | Goodman ou Soderberg | Definido na maioria dos padrões |
Materiais frágeis | Goodman | Gerber não é válido para comportamento frágil |
| | Embora a teoria da tensão média de Soderberg ainda não esteja disponível; ela estará em uma liberação futura e, portanto, foi incluída para fins de comparação. |
Regras sobre o que é absolutamente proibido
• Não use Gerber para materiais frágeis (ferro fundido, cerâmica).
• Não use Soderberg para componentes que devem otimizar o peso (pode super restringir o design).
• Não suponha que todos os critérios produzam resultados semelhantes; eles podem diferir significativamente no caso de tensões médias altas.