Análise do processo de dano em material quase-frágil através da simulação de um modelo de barras

Abstract

Diversos materiais de interesse tecnológico podem ser considerados como materiais heterogêneos, onde sua natureza aleatória deve ser considerada para representar corretamente o comportamento não-linear. A avaliação quantitativa do dano em materiais sujeitos a estados de tensão ou deformação tem grande importância devido ao caráter crítico desse fenômeno, que pode crescer de forma abrupta e resultar em uma falha catastrófica da estrutura. Em estudos anteriores, Carpinteri e seus colaboradores apresentaram diferentes aspectos relacionados à caracterização do dano em materiais heterogêneos. Três desses aspectos são discutidos neste trabalho: (i) a proposta do número de fragilidade como medida da fragilidade da estrutura em análise; (ii) a evolução da dimensão fractal em que o processo de dano é desenvolvido; (iii) e os índices globais obtidos pela análise de Emissão Acústica (EA). Neste trabalho, uma versão do método dos elementos discretos formado por barras é utilizada para explorar esses aspectos. Espécimes de material quase-frágil são simulados e, quando possível, os resultados numéricos são comparados com resultados experimentais. Além disso, a discussão dos resultados obtidos é realizada visando compreender o comportamento desse tipo de material, como por exemplo, o fato de que estruturas com diferentes dimensões, porém com o mesmo número de fragilidade, têm comportamentos similares. Ademais, o método numérico empregado é apresentado como uma ferramenta viável para complementar a informação obtida em ensaios experimentais na avaliação do processo de dano. Pelo sinal de EA obtido através do método numérico empregado, obtiveram-se parâmetros para a classificação do tipo de falha e para o cálculo do tensor momento, onde comparando os resultados obtidos pelo modelo numérico e pela EA se observam comportamentos coerentes.

Several materials with technological interest can be considered as heterogeneous materials, where their random nature must be accounted to correctly represent the nonlinear behavior. The quantitative evaluation of damage in materials subjected to stress or strain states have great importance due to the critical nature of this phenomenon, which abruptly can rise to catastrophic failure. In previous studies, Carpinteri and his coworkers have presented different aspects of the damage process characterization in heterogeneous materials. Three of these aspects are discussed in this work: (i) the brittleness number proposal to measure the brittleness level of the analyzed structure, (ii) the relationship of the fractal dimension in which the damage process is developed, (iii) and the global indexes obtained by the Acoustic Emission (AE) analysis. In the present work, a version of discrete element method formed by bars is used to explore these concepts. A set of quasi-brittle material specimen is simulated and, when possible, the numerical results are compared with experimental ones. Moreover, a discussion of the obtained results is carried out aiming to understand the behavior of this kind of material, for instance, the fact that structures with different dimensions, but with the same brittleness number, have similar behavior. In addition, the numerical method is presented as a viable tool to complement information from experimental test on the damage process. From the AE signal obtained by the numerical method, parameters to classify the type of crack and for calculating the moment tensor were obtained, where consistent behaviors are observed by comparing the results of the numerical model and the AE.