Numerical and Experimental Fatigue Analysis of Crankshafts Análise Numérica e Experimental de ...

116 Pages·2017·20.14 MB·English

UNIVERSIDADEESTADUALDECAMPINAS
FaculdadedeEngenhariaMecânica
EDUARDOAUGUSTOBARROSDEMORAES
Numerical and Experimental Fatigue Analysis of
Crankshafts
Análise Numérica e Experimental de Fadiga de
Virabrequins
CAMPINAS
2017
EDUARDOAUGUSTOBARROSDEMORAES
Numerical and Experimental Fatigue Analysis of
Crankshafts
Análise Numérica e Experimental de Fadiga de
Virabrequins
Dissertation presented to the School of Me-
chanical Engineering of the University of
Campinas in partial fulfillment of the require-
ments for the degree of Master, in the area of
SolidMechanicsandMechanicalDesign.
DissertaçãoapresentadaàFaculdadedeEngen-
haria Mecânica da Universidade Estadual de
Campinas como parte dos requisitos exigidos
para a obtenção do título de Mestre em Engen-
haria Mecânica, na Área de Mecânica dos Sóli-
doseProjetoMecânico.
Orientador:Prof.Dr.MarcoLucioBittencourt
ESTEEXEMPLARCORRESPONDEÀVERSÃOFINALDADIS-
SERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO EDUARDO AUGUSTO
BARROSDEMORAES,EORIENTADAPELOPROF.DR.MARCO
LUCIOBITTENCOURT.
CAMPINAS
2017
Agência(s) de fomento e nº(s) de processo(s): FAPESP, 2015/10310-2
Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas
Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura
Luciana Pietrosanto Milla - CRB 8/8129

Moraes, Eduardo Augusto Barros de, 1992-
M791n MorNumerical and experimental fatigue analysis of crankshafts / Eduardo
Augusto Barros de Moraes. – Campinas, SP : [s.n.], 2017.

MorOrientador: Marco Lúcio Bittencourt.
MorDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade
de Engenharia Mecânica.

Mor1. Virabrequins. 2. Metais - Fadiga. 3. Automóveis - Testes. 4. Métodos
numéricos. 5. Modelos de campo de fase. I. Bittencourt, Marco Lúcio,1964-. II.
Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecânica. III.
Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Análise numérica e experimental de fadiga de virabrequins
Palavras-chave em inglês:
Crankshafts
Metals - Fatigue
Cars - Testing
Numerical methods
Phase field models
Área de concentração: Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico
Titulação: Mestre em Engenharia Mecânica
Banca examinadora:
Marco Lúcio Bittencourt [Orientador]
Pablo Siqueira Meirelles
Heraldo Silva da Costa Mattos
Data de defesa: 31-07-2017
Programa de Pós-Graduação: Engenharia Mecânica
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
DEPARTAMENTO DE SISTEMAS INTEGRADOS
DISSERTAÇÃODEMESTRADOACADÊMICO
Numerical and Experimental Fatigue
Analysis of Crankshafts
Análise Numérica e Experimental de
Fadiga de Virabrequins
Autor:EduardoAugustoBarrosdeMoraes
Orientador:Prof.Dr.MarcoLucioBittencourt
ABancaExaminadoracompostapelosmembrosabaixoaprovouestaDissertação:
Prof.Dr.MarcoLúcioBittencourt
FEM/UNICAMP
Prof.Dr.PabloSiqueiraMeirelles
FEM/UNICAMP
Prof.Dr.HeraldoSilvadaCostaMattos
UniversidadeFederalFluminense/Niterói
AAtadadefesacomasrespectivasassinaturasdosmembrosencontra-senoprocessodevida
acadêmicadoaluno.
Campinas,31deJulhode2017.
Dedicoestetrabalhoaosmeuspaiseminhairmã,
quesempremeapoiaramparaalcançarmeussonhos,
àminhaesposaJulia,minhaeternacompanheira
eaomeufilhoLucas,maiorfontedeinspiraçãoemminhavida.
ACKNOWLEDGEMENTS
Gostaria primeiramente de agradecer a Deus por todas as oportunidades, e por me
darapoioeforçasnashorasmaisdifíceis.
Agradeço imensamente ao professor Marco Lúcio Bittencourt, que me deu a opor-
tunidade de trabalhar neste projeto, pelos ensinamentos e lições que levarei por toda vida
acadêmica. Agradeço também ao professor Paulo Roberto Zampieri por trabalhar em conjunto
nos desenhos e dimensionamento das peças, e por sua grande sabedoria nos mais diversos as-
suntos.ObrigadotambémaoprofessorBoldrinipelosgrandesensinamentos.
Em especial, gostaria de agradecer ao pessoal do Laboratório de Ensaios Dinâmi-
cos, LabEDin. Sem vocês este trabalho não seria possível! Obrigado Vivan e Kazumi pelos en-
sinamentos, Leo e Geraldo por todo o auxílio com usinagem e soldagem, Marcelo e Fábio por
literalmentetodaaforçaquevocêsmederamnasmontagenseSérgioportodososensinamentos
e auxílio na instrumentação das amostras. Fica aqui também meus sinceros agradecimentos ao
Renan,quemeajudounaspartesmaiscríticasdasmontagenseagorairácontinuarestelegado.
Agradeço aos professores Janito Vaqueiro Ferreira pelo auxílio e toda disposição
durante o planejamento do experimento, e pelo empréstimo de equipamentos essenciais. Ao
Fernando Ortolano, muito obrigado pela disposição com o setup do experimento e por toda
a ajuda nas montagens. Gostaria de agradecer também ao professor Pablo Siqueira Meirelles
pelasconstantesliçõesaolongodestetempo.
Agradeço também aos demais funcionários da FEM que auxiliaram este projeto.
Maurício, pela fabricação das amostras, Zé Luis obrigado pelos testes de tração e fadiga, Clau-
denete, obrigado pelo auxílio. Um agradecimento especial aos colegas Sérgio Villalva e Élcio
Ferraciniquetantocontribuiramnodesenvolvimentodoaparatoexperimental.
Agradecimentos ao professor Waldyr Luiz Ribeiro Gallo por gerenciar o projeto
temático,àFundaçãodeAmparoàPesquisadoEstadodeSãoPaulo(FAPESP)pelaconcessão
do auxílio à pesquisa e bolsa de mestrado e ao Grupo PSA do Brasil pelo apoio durante o
projeto.
A todo o pessoal do lab, muito obrigado pela convivência, pelos churrascos e por
gerarem um excelente clima de trabalho. Alfredo, obrigado pelo template em LATEX, e por pro-
porcionarasmelhoreshistórias!Obrigadoaogrupodephasefield,Luis,FabianoeGeovanepor
todoaprendizado!AoGuilhermeeBetoeJonathapeloexcelenteconvívioeJonatha:valeupela
companhia durante as reuniões de projeto! À Darla e Mari pelas conversas. Ao Jorge agradeço
imensamente a toda paciência em me ensinar muitas coisas que levarei comigo em minha vida
profissional.Obrigadoportodoapoioeconvivência!
Nãopoderiadeixardeagradeceraosmeusgrandesamigosquesempreestiveramdo
meulado,desdeocolégio.ObrigadoRenanporserumamigopratodasashorasepelosgrandes
momentos ao longo dos anos! Obrigado ao Thiagão por todo incentivo, por me ensinar muito
e por ser uma referência desde a época de colégio. Aproveito para agradecer também seu pai
Renatoetantosoutrosprofessoresdocolégioquemeensinarammuitomaisdoqueoconteúdo.
AomeucompadreKozuki,obrigadoporesses13anosdeconvivência,risadas,piadas,etodoo
restoquenãocabeaqui.ValeupessoalporfazerdaRep.CaipiroskaaúnicaRep.possível!
Para que eu chegasse até aqui, o apoio da família toda foi indispensável. Não con-
seguireicitartodosaqui,massaibamquetenhotodosnocoração.Emespecial,agradeçoameus
pais,EduardoeÂngela,portudoqueconquistei.Tudoquesouhoje,profissionalepessoalmente
eu devo a vocês. Vocês confiaram e investiram em mim, me apoiaram em todos os momentos
daminhavida,esãomeusexemplos,meusmodeloseinspiraçãodiáriaseesperosemprepoder
retribuiravocêstudoquefizerameaindafazempormim.Obrigado!MinhairmãIsabela,muito
obrigado pela convivência, pelas risadas, pelas piadas sem graça que só nós dois entendemos e
por todas as vezes que nós saímos pra comer comidas espetacularmente erradas! Agradeço por
poder fazer parte desta família. Agradeço também ao meu sogro Vicente, minha sogra Eliane e
minhacomadreBrunaportodooapoioessesanostodos.
Porúltimo,deixoagradecimentostãoimportantes,quesãoosmaisdifíceisdeescr-
ever. Julia, minha amiga, minha parceira, meu amor! Não existem palavras adequadas nem em
ummilhãodedicionáriosqueconsigamdescreveroquesintoporvocê!Sóconsigodizermuito
obrigado!Obrigadopelocarinho,peloapoio,porcuidardemimnashorasmaisdifíceis,porme
amparartodasasvezesquesentivontadededesistirdetudo,porbatalhartodososdiascomigo
nesse mundo tão complicado, por me ensinar muito e me direcionar para o melhor caminho
sempre!Sónóssabemosoquepassamosparachegaratéaqui,enósconseguimosevamoscon-
tinuar em frente sempre juntos! Agradeço a você também pelo melhor presente que eu poderia
ternavida,nossograndeLucas.Filho,obrigadopormeinspirar,pormefazerquerersermelhor
a cada dia, por me fazer entregar o máximo de mim para dar o melhor futuro para você! Você
nos guia e nos inspira, com seu jeito, suas risadas e seu carinho. Julia e Lucas, obrigado por
estaremdomeuladonestemomentoeporseremaminhafamília!
RESUMO
Os virabrequins estão sujeitos a cargas elevadas em motores de combustão interna, levando a
ciclos de tensão de flexão e torção. Falha por fadiga é uma grande preocupação no design de
virabrequins, sendo necessárias muitas horas de teste de fadiga, tornando o projeto caro e ex-
tenso. Com o objetivo de reduzir custo e tempo de projeto, utilizamos o método de elementos
finitosparaestimarcondiçõesdotesteedistribuiçãodetensõesnovirabrequimsobflexão.Nós
verificamos a precisão do modelo comparando os resultados numéricos com dados experimen-
tais obtidos por um aparato de teste de fadiga em flexão ressonante, que nós desenvolvemos
e construímos. O aparato ressonante é usado para obter dados de fadiga de amostras de vira-
brequinsusandoométodostaircase.Experimentosadicionaiscomotestedetraçãoefadigaem
corposdeprovafornecemdadossuplementaressobreomaterialdovirabrequim.Porfim,apre-
sentamos um modelo de campo de fases para dano, fratura e fadiga para simular nucleação e
propagaçãodetrinca.Comentamosasdiscretizaçõesespaciaisetemporaisparacasos1De2D,
apresentandoosresultadosnuméricos.
Palavras-chaves: Virabrequins; Metais - Fadiga; Automóveis - Testes; Métodos numéricos;
Modelosdecampodefase.
ABSTRACT
Crankshafts are subjected to high loads in internal combustion engines, leading to bending and
torsion stress cycles. Fatigue failure is a major concern when designing crankshafts, requiring
several hours of fatigue testing, and the project becomes expensive and time consuming. With
theobjectiveofreducingtestcostandtime,weusefiniteelementmodelstoestimatetestcondi-
tionsandstressdistributionofcrankshaftsunderbending.Weverifytheaccuracyofourmodel
by comparing the numerical results with experimental data obtained from a resonant bending
testrigthatwedesignedandmanufactured.Theresonanttestrigisusedtoobtainfatiguedataof
crank throw samples using the staircase method. Other experimental procedures such as spec-
imen tensile and fatigue tests provide additional information on the crankshaft material. Last,
we show a phase field model for damage, fracture and fatigue to simulate crack initiation and
propagation. We comment on the spatial and time discretization of 1D and 2D approximations
andshownumericalresults.
Keywords:Crankshafts;Metals-Fatigue;Cars-Testing;Numericalmethods;Phasefieldmod-
els.
LIST OF FIGURES
Figure1.1 – Schematicdrawingofafour-cylindercrankshaft. . . . . . . . . . . . . . . . 13
Figure1.2 – Setupwiththemainequipmentsfortheresonantfatiguetest. . . . . . . . . 14
Figure2.1 – TypicalformatofanS-Ncurveadaptedfrom(NORTON,2006). . . . . . . 18
Figure2.2 – Sinusoidalwaveformofrotatingmachineryloads. . . . . . . . . . . . . . . 19
Figure2.3 – MeanstresseffectstoS-Ncurve(NORTON,2006). . . . . . . . . . . . . . 20
Figure3.1 – Locationofthespecimensonthecrankwebs. . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Figure3.2 – Tensiletestspecimendimensions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Figure3.3 – Tensiletestmachinewithspecimenandstraingage. . . . . . . . . . . . . . 29
Figure3.4 – Monotonic tensile test specimen (a) Before the test; (b) After the test; (c)
Afterthetestwithzoominthefracturesurface. . . . . . . . . . . . . . . . 30
Figure3.5 – Stress-straincurvesforthemonotonictensiletestofthesixspecimens. . . . 31
Figure3.6 – Fatiguetensiletestspecimen(a)Beforethetest;(b)Afterthetest. . . . . . . 33
Figure3.7 – Screen shot of the controller’s oscilloscope for the first specimen showing
loadanddisplacementoftheactuator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Figure3.8 – S-N curves for the experimental set, corresponding fully reversed axial and
bendingloadcases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Figure3.9 – SamplesafterproperpreparationfortheSEM,cutfrommonotonic(left)and
fatigue(right)specimens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Figure3.10–Scanning Electron Microscope and energy-dispersive X-ray spectroscopy
equipments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Figure3.11–MonotonictensilespecimenfracturesurfacesfromtheSEM. . . . . . . . . 37
Figure3.12–FatiguetensilespecimenfracturesurfacesfromtheSEM. . . . . . . . . . . 38
Figure3.13–AtypicaloutputgraphfromX-rayanalysisshowingtheproportionofchem-
icalelementsfound(bottomleftregionofmonotonicsample). . . . . . . . 38
Figure3.14–Indicationofgraphitesphereanalyzed(circle). . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Figure3.15–OutputgraphfromX-rayanalysisofaspecificpointinagraphitesphere. . . 40
Figure4.1 – Bendingresonanttestrigcomponents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Figure4.2 – Assembly of the crank throw and internal sleeve showing the gap used to
openthesleeve. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Figure4.3 – Assemblystepsofsleeveintoinertiaplates. . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Figure4.4 – Assemblystepsofcrankthrowintointernalsleeves. . . . . . . . . . . . . . 47
Figure4.5 – Finalassemblyoftestrig. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Figure5.1 – Boundaryconditionsforthestaticanalysis:fixedsupportandremoteforce. . 50
Figure5.2 – Comparison between crank throw original geometry and after the use of
virtualtopology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51