Predicción de crecimiento de grietas en fatiga considerando fenómenos plásticos de punta de grietalimitaciones de enfoques actuales y una metodología novedosa

Resumen

RESUMEN (ESPAÑOL) 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. RESUMEN (INGLES) From a damage tolerance perspective, the structural integrity of flawed components is assessed following fitness-for-service principles, so the fatigue crack growth (FCG) observed in a critical component subjected to oscillating loads is acceptable if the resulting failure does not occur during a scheduled period. In this framework, the accurate prediction of FCG is indispensable for making the right run/repair/replace decisions and to design reliable inspection plans. Such accurate prediction implies considering the influence of crack-tip plastic phenomena inherent to the ductile metals widely employed in structural applications. In general, FCG is predicted by an iterative scheme based on the integration of a crack growth law, which relates the crack propagation velocity with a governing fracture parameter postulated to represent the crack driving force. The effective stress intensity factor range (ΔKeff) is the most popular governing fracture parameter. ΔKeff is estimated based on the maximum stress intensity factor (Kmax), which accounts for the action of external applied loads, and the crack opening load (Pop/Pmax), which includes the effect of the plasticity-induced crack closure (PICC) that occurs at the crack wake. Both variables that intervene in ΔKeff can be determined based on a wide variety of approaches, ranging from analytical approximations based on closed-form expressions to numerical methods based on two parallel finite element models. In this thesis, the limitations of ΔKeff-based analytical approaches are demonstrated by considering a realistic case representative of a cracked wind turbine bearing. The use of closed-form expressions in the estimation of Kmax is found to result in excessively conservative predictions of the remaining useful life and critical crack length, what contradicts the damage tolerance philosophy, so the need for finite elements is concluded. Regarding the estimation of Pop/Pmax, the widely extended closed-recipe use of the popular Newman's crack opening equation is dissuaded even after eliminating the common but arbitrary assignation of the constraint factor value. Alternatively, a novel elastic-plastic fracture parameter-based methodology is proposed for the three-dimensional simulation of FCG considering the interaction between PICC and crack shape evolution, which consists in iteratively solving a single elastic-plastic finite element model for which load history is maintained by remeshing and mapping and crack advance is performed by node releasing. Two advantages are obtained with respect to state-of-the-art numerical approaches based on ΔKeff: 1) lower numerical effort due to the need for a single elastic-plastic finite element model and 2) wider applicability provided by the possibility of analyzing large-scale yielding scenarios. The methodology is applied to a practical case, obtaining results that highly agree with literature trends and experimental measurements, which demonstrates the validity of the methodology and the suitability of the selected crack-tip opening displacement-based fracture parameters.