Modelagem numérica de juntas soldadas

Segundo Da Rosa (2002), a análise de tensão, pode ser feita de várias formas. Os principais métodos podem ser classificados em analíticos, experimentais e numéricos. Métodos numéricos desenvolveram-se, principalmente, devido a limitações dos métodos analíticos e estão baseados na mecânica do contínuo. Permitem a análise de qualquer geometria e os principais métodos numéricos em uso são o de diferenças finitas, elementos finitos (aplicação cada vez mais abrangente) e elementos de contorno. Existe uma série de fatores favoráveis a utilização de métodos numéricos, particularmente o MEF, na análise de tensões em juntas soldadas.

A tensão atuante no cordão de solda é a variável mais importante para a análise de vida a fadiga. Para a maior parte dos casos essa informação pode ser bastante complexa de se obter e, sem o auxílio do MEF, esta seria uma tarefa extremamente árdua, demorada e susceptível a erros. Aygül (2012) comenta que o principal propósito de se utilizar o método de elementos finitos é se obter de forma mais precisa os efeitos de um carregamento sobre determinada junta.

O processo de soldagem, como descrito anteriormente, incrementa o grau de complexidade da análise de vida em fadiga. Através do MEF é possível simular essas

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particularidades características do processo e, consequentemente, tornar viável a análise da junta.

Conforme Silva (2008), algumas das abordagens mais tradicionais envolvem estudos térmicos isolados para levantamento da zona de fusão e da zona termicamente afetada e simulações termomecânicas acopladas para levantamento da distribuição de tensões residuais após o resfriamento da junta. O comportamento estrutural da junta soldada também deve ser corretamente representado, pois sutis diferenças na composição dos modelos podem provocar variações nos valores de tensão.

Segundo Aygül (2012), a necessidade de modelar-se o cordão de solda está restrita aos casos em que a rigidez da secção soldada precisa ser levada em consideração, ou seja, quando a tensão total sofre influência significativa pelo seu componente de flexão ou quando se torna difícil distinguir a não linearidade da tensão originada por uma descontinuidade do cordão de solda junto ao seu pé ou de concentrações de tensões derivadas de descontinuidades geométricas. Para esses casos, quando se torna necessário a modelagem do cordão de solda, diferentes técnicas são utilizadas.

Modelagem da solda utilizando elementos oblíquos em casca: Recomendada por Niemi; Fricke; Maddox (2006), essa técnica permite uma boa representação tanto da geometria como da rigidez, mas não deve ser utilizada na previsão de falhas nucleadas a partir da raiz da solda. Como ilustra a Figura 16, a chapa secundária deve ser unida a principal através da intersecção entre elas, a interseção do elemento inclinado em casca deve ser coincidente com a projeção do pé da solda do modelo sólido e a espessura do elemento pode ser definida com o mesmo valor da profundidade de garganta (AYGÜL, 2012).

Figura 16 - Modelagem da solda utilizando elementos oblíquos em casca

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Chattopadhyay et al (2011), propõe uma série de regras a serem seguidas na modelagem inteiramente em casca para juntas do tipo T (como a ilustrada na Figura 17Ϳ. A ilustração das etapas pode ser constatada com auxílio da Figura 18

Figura 17 - Junta T e suas principais dimensões

Fonte: Chattopadhyay et al (2011)

• Conectar plano médio dos componentes da junta e adicionar um layer de elementos inclinados em casca para representação do cordão de solda;

• A primeira e segunda coluna de elementos adjacentes à linha de intersecção devem ser do tamanho ሺݐ_௣൅ ݄ሻ ͶΤ na direção ݔ e ሺݐ ൅ ݄ሻ ͶΤ na direção ݕ e os elementos em casca simulando a solda devem ser conectados a cada componente da junta na porção medial da perna do filete. Recomenda-se que sua espessura seja uniforme e igual a espessura da menor chapa da junta. Todos os elementos do modelo deverão ter o mesmo comprimento na direção ܼ correspondendo a uma medida menor ou igual a metade do comprimento da perna do filete de solda

• Os elementos da terceira coluna simulando a chapa principal e a chapa anexa devem ser de comprimento igual à metade do comprimento da perna do filete de solda para que o nó do elemento coincida com o posicionamento do pé da solda. Isso eliminará a necessidade de interpolação ou tratamento pós- processamento para obtenção das tensões na região de interesse;

• A dimensão em ܼ das duas primeiras colunas de elementos adjacentes à intersecção das chapas é ditada pelo menor elemento na região não devendo ser maior que a metade da perna da solda.

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Figura 18 - Representação do modelo em casca de uma junta em "T"

Fonte: Chattopadhyay et al (2011)

Modelagem da solda utilizando elementos rígidos: Sugerida por Fayard et al. (1996), a proposta do desenvolvimento dessa técnica é a obtenção do valor da tensão hot spot no pé da solda através da leitura direta da tensão no centro de um elemento de tamanho E2 do modelo. Permite a representação da rigidez local da junta provocada pelo cordão através da modelagem de elementos rígidos de ligação, entre as duas chapas, definidos por pares de nós distribuídos ao longo de todo o comprimento do cordão, conforme ilustrado na Figura 19.

Figura 19As dimensões dos elementos E1 e E2 são escolhidas de forma com que o seu

centro de gravidade se dê no mesmo ponto de projeção do pé da solda de um modelo sólido (AYGÜL, 2012).

Figura 19 - Modelagem da solda utilizando elementos rígidos

Fonte: Aygül (2012)

Modelagem da solda utilizando incremento da espessura: Sugerida por Niemi (1995), a técnica consiste na utilização de um incremento de espessura do elemento em casca na região de intersecção da junta soldada. Apesar desse autor não mencionar a espessura e tamanho desses elementos, Eriksson et al (2003) apud Aygül (2012) sugere a proporção ilustrada na Figura 20.

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Figura 20 - Modelagem da solda utilizando incremento da espessura

Fonte: Aygül (2012)

Modelagem da solda utilizando elementos sólidos: Comumente utilizada devido a simplicidade do trabalho de modelagem e acuracidade nos resultados, pois o cordão de solda pode ter sua rigidez mais aproximada a partir de modelos sólidos. No entanto, alguns procedimentos devem ser realizados caso o cordão de solda for modelado como elemento sólido sobre uma chapa modelada em elementos de casca, uma das razões é que há incompatibilidade no número de graus de liberdade dos nós. Softwares de elementos finitos em geral executam esse procedimento automaticamente (AYGÜL, 2012).