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Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 1 Sumário e Objectivos Sumário: Introdução à Teoria da Plasticidade. Ensaio de Tracção.

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1 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 1 Sumário e Objectivos Sumário: Introdução à Teoria da Plasticidade. Ensaio de Tracção. Critérios de Cedência. Regra de Encruamento. Lei de Escoamento. Objectivos da Aula: Apreensão de Alguns Conceitos Fundamentais Associados à Teoria da Plasticidade.

2 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 2 Compressão de uma Placa

3 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 3 Modelos de Comportamento Uniaxial Comportamento linear elástico

4 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 4 Modelos de Comportamento Uniaxial Comportamento rígido-perfeitamente plástico

5 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 5 Modelos de Comportamento Uniaxial Comportamento rígido-plástico com encruamento linear

6 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 6 Modelos de Comportamento Uniaxial Comportamento elástico-perfeitamente plástico

7 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 7 Modelos de Comportamento Uniaxial Comportamento elásto-plástico com encruamento linear

8 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 8 Exemplo de Aplicação As três barras são constituídas do mesmo material, com igual E, A e P c. Admita-se ainda que, uma vez atingida a tensão de cedência o material pode deformar-se infinitamente mantendo-se contudo o estado de tensão constante. Pretende- se determinar qual o valor da carga de rotura da estrutura, P r, em função de P c.

9 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 9 Exemplo de Aplicação Esforços normais numa barra Começa-se por fazer um cálculo linear elástico determinando os esforços normais suportados por cada barra. Para o efeito, pode-se recorrer ao método dos deslocamentos, em que numa dada barra i, a uma variação de comprimento cos i, corresponde um esforço normal E i A i /L i cos i E i A i /L i cos i E i A i /L i cos i sen i cos i E i A i /L i (cos i ) 2 L i y i x

10 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 10 Exemplo de Aplicação Coeficientes de Rigidez para a Estrutura Considerando os graus de liberdade assinalados na figura inicial, 1 e 2, os coeficientes de rigidez para a estrutura são:

11 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 11 Exemplo de Aplicação Coeficientes de Rigidez para a Estrutura

12 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 12 Sistema de Equações O estabelecimento das equações de equilíbrio segundo os respectivos graus de liberdade permite determinar as componentes do vector deslocamento do nó de aplicação da força exterior, P

13 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 13 Esforços Axiais O esforço normal em cada uma das barras pode ser calculado por: Para o conjunto das três barras tem-se:

14 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 14 Esforços Axiais ou, atendendo à relação entre comprimentos, L 2 =L e L 1 =L 3 = =

15 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 15 Barra 2 Atinge a Cedência em 1º Lugar Os esforços calculados, que apenas são válidos enquanto todas as barras "funcionarem" no domínio linear elástico, permitem concluir que a barra 2 é a que suporta um maior esforço normal, pelo que, num processo de carregamento incremental será a primeira a atingir a carga correspondente à tensão de cedência. A carga P (P ) que leva a que a primeira barra da estrutura (barra 2) a atingir a carga de cedência: O deslocamento vertical é:

16 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 16 Carga de Rotura P c F 1 F 3 P ( P r ) A carga de rotura é atingida quando os esforços normais F 1 e F 3 igualarem a carga de cedência, P c. A equação de equilíbrio vertical permite escrever: Fazendo coincidir F 1 =F 3 P c e P P r, resulta:

17 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 17 Cálculo dos Deslocamentos Para forças exteriores em que se verifique P [P,Pr[, o cálculo dos deslocamentos nodais faz-se de modo semelhante, mas considerando apenas as duas barras que se encontram em regime elástico.

18 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 18 Cálculo dos Deslocamentos As componentes do vector deslocamento do nó de aplicação da força tomam os seguintes valores: Pelo que, para uma força exterior de,, o deslocamento vertical segundo o grau de liberdade 2 toma o valor:.

19 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 19 Gráfico Carga-Deslocamento

20 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 20 Observações Experimentais: O Ensaio de Tracção P B A O tensão limite elástico tensão limite proporcionalidade p e Gráfico Tensão- Deformação de uma liga metálica

21 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 21 Gráfico tensão-deformação de um aço de baixo teor em carbono O limite superior da tensão de cedência patamar de cedência Devido à dificuldade existente em distinguir no ensaio todos estes parâmetros, normalmente apenas se refere a tensão de cedência como a tensão necessária para provocar uma deformação plástica de 0,2%.

22 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 22 Histerese e Encruamento Na fase de deformação plástica, isto é, quando o nível de carregamento corresponde a um valor para a tensão superior à tensão de cedência, o incremento de deformação plástica é acompanhado de um incremento de tensão, e diz-se que houve um encruamento do material. Regra geral, a curva tensão-deformação de descarregamento pós deformação plástica (AA do gráfico seguinte) não é exactamente linear e paralela à porção elástica inicial da curva. No carregamento seguinte (curva A A ) observa-se que a curva não coincide com a curva de descarga, retomando a curva inicial em A. Este fenómeno é conhecido por histerese não sendo considerado no modelo descrito no presente texto

23 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 23 Histerese e Encruamento O A A A Gráfico tensão-deformação com descarregamento e carregamento

24 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 24 Efeito de Bauschinger Tensão de Cedência à Tracção Tensão de Cedência à Compressão A dependência da tensão de cedência com o sentido de carregamento é conhecida como Efeito de Bauschinger

25 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 25 Efeito do Tempo Na Fig. representa-se um gráfico tensão-deformação com duas curvas obtidas em dois ensaios de tracção realizados a velocidades diferentes. A curva dinâmica OP é obtida num ensaio realizado com uma velocidade de deformação superior à velocidade aplicada no ensaio referente à curva quase estática OP. Conclui-se assim, que a velocidade de deformação com que se realiza o ensaio de tracção conduz a diferentes curvas tensão- deformação.

26 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 26 Efeito do Tempo Outra observação importante que se verifica nestes testes, é que, realizando-se o ensaio a uma taxa de deformação finita, e portanto numa situação dinâmica, se se parar no ponto A, verifica-se que o estado de deformação tende, com o tempo, para o ponto A, mantendo-se contudo o mesmo nível de tensão. Quando o ponto A é atingido a velocidade de deformação é aproximadamente nula, isto é, entre o ponto A e o ponto A a velocidade de deformação sofreu uma variação, cuja lei pode seguir a curva do gráfico da Fig.

27 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 27 Efeito do Tempo Em certos metais, a dependência da deformação plástica com a velocidade de deformação pode ser razoavelmente quantificada por [24], em que o expoente r depende da deformação plástica e da temperatura. No quadro seguinte apresentam-se vários valores de r para um ensaio de compressão realizado à temperatura ambiente [21]. Metal Valores de r para as seguintes reduções em altura 10%30%50% Alumínio 0,0130,0180,020 Cobre 0,0010,0020,010

28 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 28 Efeito da Pressão, Humidade e Temperatura O expoente r, definido anteriormente, de modo a quantificar a dependência da deformação plástica com a velocidade de deformação é ainda função da temperatura, como se mostra no quadro seguinte [21]. MetalTemperatura (ºC) Valores de r para as seguintes reduções em altura 10%30%50% Alumínio180,0130,0180, ,0550,0730, ,1300,1410,155 Cobre180,0010,0020, ,0010,0080, ,1340,1540,190 Aço9300,0880,0940, ,1160,1410,196

29 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 29 Definição de Fluência Considere-se a curva tensão-extensão representada no gráfico da Fig. em que, quando se atinge o ponto A da curva localizado na região plástica, a carga é mantida constante. Observa-se que a deformação aumenta de A para B e o seu valor depende do tempo de permanência da tensão constante. Quanto maior for o tempo de permanência da tensão constante, maior será o alongamento verificado. O fenómeno acabado de descrever é conhecido por fluência (creep) [22] e para certos materiais pode até ser verificado à temperatura ambiente. O A B B

30 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 30 Curvas de Fluência Considerando a extensão de fluência ( ) como a extensão total menos a inicial (em que se aplicou a tensão), obtém-se tipicamente para os metais uma das curvas representadas na Fig. [24]. Na curva de fluência típica (a traço interrompido) é possível distinguir três estágios correspondentes a: fluência primária, secundária e terciária. Para baixas temperaturas e tensões apenas é visível o estagio de fluência primário, verificando-se um valor limite. O t curva de fluência para elevada temperatura e tensão fluência primária curva de fluência a baixa temperatura e tensão fluência secundária fluência terciária c

31 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 31 Lei da Potência em Fluência Para elevadas temperaturas e tensões a fluência primária mostra uma dependência logarítmica ou potencial de acordo com uma das seguintes leis [24]: em que toma valores entre 0 e 1, designando-se por lei de fluência de Andrade para =1/3. Segundo Nadai [29], a fluência descrita pela lei da potência pode ser obtida a partir duma fórmula que relaciona a tensão, a deformação de fluência ( ) e a velocidade de deformação de fluência ( ): em que C, n e r dependem da temperatura

32 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 32 Lei de Bailey-Norton A fluência terciária é normalmente considerada como resultante de modificações ao nível estrutural acompanhada de perda de resistência e, eventualmente, de rotura. Segundo Lubliner [24], para um metal submetido a elevadas temperaturas e tensões pode-se considerar como característica desse metal a taxa de fluência mínima. Por outro lado, a dependência dessa taxa de fluência mínima, para uma dada temperatura, pode ser aproximada por uma lei exponencial para um elevado estado de tensão, ou, para um estado de tensão reduzido, por uma função potencial do tipo: Esta relação é normalmente conhecida pela lei de Bailey- Norton [24], verificando-se que a expressão de Nadai descreve esta mesma lei tomando n=0 e r=1/q.

33 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 33 Deformação de Fluência em função do Tempo Uma aproximação utilizada para o cálculo da deformação de fluência como função do tempo e para uma dada temperatura é a seguinte: em que é a velocidade de fluência mínima, e é um valor fictício definido pela intercepção da recta tangente à curva de fluência num ponto pertencente à zona em que a taxa de fluência é estacionária.

34 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 34 Modelo de Bingham Para muitos materiais e a diferentes temperaturas, a deformação inelástica é insignificante quando o nível de tensão é inferior à tensão de cedência. Um modelo simples que descreve este efeito é o modelo de Bingham: em que representa a viscosidade do metal e representa o estado de tensão instalado. Deve-se ainda observar que o modelo de Bingham acabado de descrever representa de facto o modelo mais simples apresentado pela teoria da viscoplasticidade.

35 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 35 Dependência da Tensão de Cedência com a Temperatura Os trabalhos experimentais demonstraram que nos ensaios de tracção realizados a temperaturas superiores à temperatura ambiente se obtêm valores diferentes, quer para as constantes elásticas, quer para as propriedades de resistência, dos obtidos à temperatura ambiente. Por exemplo, os aços ao carbono revelam um aumento da resistência à tracção para temperaturas até 300ºC a partir da qual a resistência à tracção desce cerca de 50% até temperaturas da ordem de 500 a 600ºC. De um modo geral, para os metais, verifica-se um decréscimo da tensão de cedência com o aumento da temperatura [6]

36 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 36 Combinação de Efeitos Para os metais, a tensão de escoamento é simplesmente a tensão de cedência para o estado uniaxial de tensão, expresso como uma função da temperatura, do estado de deformação, da velocidade de deformação e da microestrutura. Genericamente, também é referida como a tensão efectiva ou tensão equivalente representando um estado triaxial de tensões. Assim, pode-se escrever: em que, é a tensão efectiva, é a deformação efectiva, é a velocidade de deformação efectiva, T é a temperatura e, reflecte a estrutura metalúrgica do material

37 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 37 Função de Sellars-Tegart Existem de facto algumas expressões cujo objectivo é determinar a influência que cada um dos termos atrás referidos provoca no valor da tensão de cedência. Uma das funções, baseada na equação de Arrhenius [24], foi proposta por Sellars-Tegart [23][37], permitindo analisar a influência da temperatura e da taxa de deformação em simultâneo: em que Z é o parâmetro de Zener-Hollomon, Q representa uma energia de activação do escoamento plástico, normalmente independente da temperatura e em muitos casos independente do estado de deformação, R é a constante de Boltzmann (8,314 J/molºK) e T é a temperatura em ºC.

38 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 38 Relação Tensão Efectiva Deformação efectiva e velocidade de Deformação Outra função para a tensão de cedência e que, contrariamente à de Sellars-Tegart, tem em consideração o estado de deformação, através da deformação efectiva, é a seguinte [37][38]: Os parâmetros A i e m i diferem de acordo com o tipo de metal. Por exemplo, para o aço inoxidável tomam os seguintes valores [17]:

39 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 39 Relação de ALSPEN Existem ainda outras expressões que tentam combinar os vários efeitos que os diferentes parâmetros possam provocar nas características de resistência, e que foram estabelecidas para um determinado tipo de metais, como por exemplo a expressão de ALSPEN, que é adequada para as ligas de alumínio [12]: em que 0 é uma função dependente da deformação efectiva, e os coeficientes c, m e n são funções não lineares dependentes da temperatura.

40 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 40 Carregamento-Descarregamento O comportamento elasto-plástico é caracterizado por uma resposta do material, inicialmente elástica e, a partir de um determinado nível de tensão, por um comportamento essencialmente plástico. O comportamento plástico do material é geralmente acompanhado por uma invariância do seu volume

41 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 41 Modelos Elasto- perfeitamente Plástico e elasto-plástico com endurecimento.

42 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 42 Modelo Unidimensional Na Fig. mostra-se o modelo reológico unidimensional. Aplica-se uma força (tensão ), que provoca um alongamento do modelo ( l), cujo resultado pode ser aferido pela extensão causada que comporta uma componente elástica e, uma componente plástica:

43 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 43 Relação Tensão Deformação O comportamento do material, isto é, a extensão causada pelo carregamento é elástica até um determinado ponto, denominado limite elástico (e a tensão que o provoca: tensão limite elástico ou tensão de cedência - ), após o qual, o material apresenta deformação plástica. No modelo da figura, o comportamento linear elástico é caracterizado pela constante elástica da mola E traduzindo-se matematicamente pela expressão: A deformação plástica inicia-se quando a tensão aplicada atinge o valor da tensão de cedência ( ). O modo como se estabelece esse valor da tensão aplicada, de modo a compará-lo com a tensão de cedência, denomina-se critério de cedência. Na modelo considerado, a tensão de cedência corresponde ao atrito entre as placas.

44 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 44 Variação da Tensão de Cedência Atingida a tensão de cedência, este valor pode, ou não, manter-se constante com o aumento de deformação. Se esse valor não depender do aumento da extensão plástica, diz-se que o material tem um comportamento perfeitamente plástico. Se, pelo contrário, o valor da tensão de cedência, aumentar com o crescimento da extensão plástica, diz-se que o material está a sofrer um encruamento.

45 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 45 Tensor das Deformações Começa-se por considerar formulações elasto-plásticas considerando pequenas deformações. De acordo com a teoria da elasticidade para as pequenas deformações, tem-se o Tensor das Deformações definido do seguinte modo em que é o gradiente dos deslocamentos, e a sua parte simétrica.

46 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 46 Lei da decomposição Multiplicativa

47 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 47 Decomposição Aditiva Extensão Total

48 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 48 Gradiente de Deformação e Tensor das Deformações Fazendo coincidir a primeira fase com o domínio elástico, vindo a segunda fase a ocorrer no domínio plástico, ter-se-á formalmente para o Tensor das Deformações, e para o gradiente de deformação, F

49 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 49 Comportamento Elasto-plástico Numa formulação elasto-plástica envolvendo pequenas deformações, decompoe-se o Tensor das Deformações numa componente elástica e, numa componente plástica, pelo que se torna conveniente estabelecer modelos matemáticos, que traduzam os fenómenos físicos da elasticidade e da plasticidade, separadamente. O comportamento elástico é descrito pela teoria da elasticidade, importando agora definir o modelo matemático para a componente plástica das deformações. Com esse objectivo, três aspectos devem ser considerados: i) Um critério de cedência indicando o nível de tensão, em termos do tensor das tensões, de modo a analisar-se o início da plastificação; ii)Uma lei de encruamento, descrevendo, se e como, o critério de cedência depende do grau de deformação plástica, depois de se iniciar a plastificação; iii)Uma regra de escoamento, definindo a relação entre tensão e deformação pós-plastificação, comportando a deformação total, as componentes elástica e plástica.

50 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 50 Funções de Cedência O aparecimento do comportamento plástico é condicionado por um critério de cedência, que na sua forma mais geral, pode ser formulado do seguinte modo em que ´ indica um conjunto de variáveis de endurecimento e é o tensor das tensões. Para um material isotrópico, em que a cedência plástica dependa unicamente da grandeza das tensões principais, e nunca das suas orientações no espaço das tensões, a função escalar F torna-se apenas dependente de um valor escalar, conhecido por parâmetro de encruamento – em que f ( ) é a função de cedência

51 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 51 Espaço de Westergaard A função de cedência pode tomar várias formas analíticas com representação geométrica no espaço distintas. Tratando-se de uma função de tensão pode assumir-se como espaço para a respectiva representação geométrica, o espaço de tensões de Westergaard [3], em que três eixos mutuamente ortogonais são coincidentes com as direcções principais de tensão

52 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 52

53 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 53 Invariantes das Tensões de Desvio

54 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 54 Projecção de duas superfícies de cedência no plano do desviador. Na figura encontram-se representadas duas superfícies de cedência: uma corresponde, no espaço das tensões principais, a um cilindro; outra, no mesmo espaço, corresponde a um prisma. O plano de corte dos objectos geométricos, e que coincide com o plano do papel designa-se plano do desviador. Outra forma de representação geométrica da superfície de cedência é através das projecções ortogonais dos eixos das tensões no plano normal a OO.

55 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 55 Função de Cedência Atendendo a

56 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 56 Condição de ortogonalidade no espaço das tensões 1 - 2

57 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 57 Condição de ortogonalidade no espaço das tensões 1 - 2

58 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 58 Critério da Tensão Principal Máxima Ou em termos dos invariantes

59 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 59 Critério de Tresca Este critério, postulado por Tresca em 1864, baseado em resultados experimentais, admite por hipótese, que a deformação plástica num ponto material, ocorre sempre que a tensão tangencial máxima atinge um determinado valor limite. em que Y( ) é uma função característica do material obtida com base no ensaio de tracção uniaxial, e que depende da deformação plástica.

60 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 60 Representação gráfica das superfícies de cedência de Tresca e von Mises Graficamente, as expressões anteriores definem, no espaço das tensões principais, um prisma hexagonal regular e infinitamente longo, cujo eixo é perpendicular ao plano do desviador,, representado pela equação Função de Tresca em Termos dos Invariantes

61 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 61 Critério de Mohr-Coulomb Pirâmide Hexagonal O critério de Mohr-Coulomb é utilizado para representar o comportamento dos materiais granulosos dotados de atrito interno, tendo-se no entanto verificado que estes materiais atingem em geral um estado de cedência plástica à tracção antes de se ter atingido a superfície de Mohr-Coulomb. Com o objectivo de ter em conta estes resultados, Prandtl propôs em 1921 uma superfície de cedência obtida a partir da de Mohr por substituição do vértice da pirâmide por uma superfície parabólica, conhecida por superfície de cedência de Mohr-Prandtl e que se pode representar matematicamente pela seguinte função:

62 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 62 Energia de Deformação Elástica por unidade de Volume Dilatação média Deformação de Desvio

63 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 63 Critério de Beltrami Beltrami apresentou em 1885 um critério de cedência que estabelece para o início da deformação plástica o estado de tensão que corresponde a um valor crítico da energia de deformação elástica por unidade de volume Este valor crítico pode ser obtido para uma estado de tensão uniaxial, resultante do ensaio de tracção: ou No espaço de Westergaard esta condição de cedência representa-se por uma superfície elíptica com simetria circular em relação ao eixo hidrostático.

64 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 64 Critério de von Mises Von Mises formulou um critério de cedência em 1913, sugerindo que a cedência ocorre quando o segundo invariante das tensões de desvio atinge um valor crítico : em que, dependente do parâmetro de endurecimento ( ) é o raio da superfície de cedência.

65 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 65 Representação das projecções das superfícies de Tresca e de von Mises.

66 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 66 Interpretação do Critério de von Mises Existem duas interpretações físicas possíveis para o critério de von Mises. Uma, dada por Nadai (em 1937), que introduziu o conceito de tensão de corte octaédrica,, que é a tensão de corte nos planos do octaedro regular, cujos vértices coincidem com os eixos principais de inércia. Outra interpretação, dada por Hencky (em 1924), mostra que a cedência ocorre quando a energia elástica de distorção atinge um valor crítico.

67 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 67 Critério de Drucker-Prager (cone de revolução) Ainda para aplicação ao comportamento de materiais granulosos dotados de atrito interno existe uma outra função de cedência utilizada com alguma frequência e que corresponde à superfície de cedência de Drucker-Prager cuja expressão matemática é a seguinte em que os coeficientes e são constantes do material e que dependem do ângulo de atrito interno ( ) e da coesão (c):

68 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 68 Critério de Green Para materiais com fendas interiores ou materiais porosos, Green apresentou uma superfície de cedência que é função do coeficiente de porosidade do material

69 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 69 Regra de Encruamento A regra do encruamento estabelece as condições para que um novo escoamento plástico possa ocorrer, depois de se ter atingido o estado plástico do material. Esta situação verifica-se em virtude da superfície de cedência poder sofrer contínuas alterações à medida que se dá o escoamento plástico Na expressão

70 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 70 Variáveis de Encruamento

71 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 71 Variáveis de Encruamento

72 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 72 Modelos de Encruamento (I) Encruamento isotrópico para o caso bidimensional

73 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 73 Modelos de Encruamento (II) Encruamento Cinemático para o caso Bidimensional Este modo de encruamento, apresentado inicialmente por Prager, surgiu com o objectivo de modelar um fenómeno bem visível experimentalmente, o efeito de Bauschinger, muito corrente em materiais sujeitos a regimes de carregamento cíclico

74 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 74 Modelos de Encruamento (III) Encruamento Distorcional para o caso Bidimensional

75 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 75 Variáveis no Encruamento Isotrópico e cinemático

76 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 76 Função de Cedência Encruamento Isotrópico e Cinemático Encruamento Cinemático Encruamento Isotropico com

77 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 77 Curva tensão-deformação de um ensaio de tracção uniaxial Tendo em atenção novamente o ensaio de tracção, mostra-se na Fig. uma curva típica de um ensaio de tracção dum provete metálico A curva resulta das medidas de e, em que o índice 1 indica a direcção para a primeira direcção principal

78 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 78 Ensaio de Tracção

79 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 79 Ensaio de Tracção

80 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 80 Teorias do Escoamento Plástico

81 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 81 Postulado de Drucker 0 p p 0 0 Ilustração para um modelo uniaxial

82 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 82 Postulado de Drucker

83 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 83 Postulado de Drucker

84 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 84 Postulado de Drucker

85 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 85 Postulado da Dissipação Plástica Máxima Para um estado de Tensão uniaxial pode escrever-se

86 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 86 Normalidade do vector incremento de deformação Para que o produto interno possa ser válido para um estado de tensão elástico inicial arbitrário, o vector correspondente ao incremento de deformação plástica, deve ser normal ao plano tangente à superfície e com o sentido a apontar para fora da superfície. A descrição acabada de descrever é conhecida como a regra da normalidade

87 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 87 Convexidade da superfície de cedência No entanto, como se pode verificar na se o estado de tensão inicial se encontrar do outro lado do plano tangente a inequação é violada. Deste modo, toda a região elástica se encontra do mesmo lado do plano tangente, pelo que se pode concluir que a superfície de cedência é convexa. A regra da normalidade, bem como a conclusão acerca da convexidade da superfície de cedência são consideradas propriedades consequentes do postulado da dissipação plástica máxima.

88 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 88 Potencial Plástico e Regra de Escoamento

89 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 89 Potencial Plástico e Regra de Escoamento

90 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 90 Trabalho de Deformação Plástica Donde Tendo em conta Obtém-se

91 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 91

92 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 92

93 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 93 Lei Associativa e Lei não Associativa Note-se que, para outros materiais, como por exemplo, em solos, a aplicação de regras de escoamento plástico fazendo uso da lei não associativa em simulações numéricas, conduz a resultados mais realistas.

94 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 94 Plasticidade Anisotrópica Direcções de Anisotropia Em processos tecnológicos relacionados com a conformação em chapa, considere-se a direcção de rolamento (RD) e a direcção transversal à direcção de rolamento, ou simplesmente direcção transversal (TD). As propriedades Mecânicas podem ser distintas.

95 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 95 Critério de Hill Tensão Equivalente

96 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 96 Incremento de Deformação Plástica Fazendo uso da lei associativa, tomando portanto para potencial plástico a própria função de cedência e utilizando a expressão anterior para a regra de escoamento, obtém-se para os incrementos de deformação plástica (segundo as três direcções principais): Resultando para uma estrutura tipo casca e tomando posteriormente

97 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 97 Provetes para ensaios Experimentais Os valores associados às constantes do material F,G, e H terão que ser determinados experimentalmente. sendo as constantes determinadas de forma indirecta, por recorrência à condição de normalidade, e em que são determinados os cocientes entre extensões obtidas em ensaios de tracção. Para o efeito são efectuados provetes a partir da própria chapa como se mostra na Fig.

98 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 98 Coeficientes de Anisotropia Tomando um provete cuja direcção longitudinal coincida com a direcção RD (provete A na Fig.), define-se coeficiente de anisotropia (R) segundo a direcção RD como sendo: Para um provete cuja direcção longitudinal coincida com a direcção TD (provete B), coeficiente de anisotropia segundo a direcção TD vale:

99 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 99 Coeficientes de Anisotropia

100 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 100 Coeficientes de Hill A relação entre os coeficientes de anisotropia, e, e as constantes do material presentes no critério de Hill (F,G e H) pode ser obtida com base no ensaio de tracção e recorrendo às expressões que definem as deformações plásticas. Para o caso em que o provete é executado de modo a que seja esticado (por aplicação de uma tensão de tracção ) segundo a direcção RD tem-se:

101 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 101 Coeficientes de Hill

102 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 102 Modelo Constitutivo Elasto-Plástico Gradientes da função de cedência e do potencial plástico,

103 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 103 Modelo Constitutivo Elasto-plástico Estado de Tensão

104 Lúcia Dinis 2005/2006 Mecânica dos Sólidos não Linear Plasticidade 104 Modelo Constitutivo Elasto-plástico


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