Análisis de fatiga en uniones metálicas mediante el entorno Salomé-Meca

Abstract

Con la evolución en el uso de los materiales y técnicas de diseño se están construyendo estructuras cada vez más esbeltas y flexibles. Por sus características, estas estructuras requieren técnicas computacionales avanzadas para la evaluación del Estado Límite de Fatiga. En sus recientes recomendaciones, el International Institute of Welding propone distintos enfoques para abordar el cálculo del daño por fatiga, pudiéndose diferenciar los enfoques basados en las curvas S-N y en la Mecánica de la Fractura.

La atención se concentra en la evaluación del daño por fatiga en uniones metálicas, estudiando en detalle el análisis de un puente de ferrocarril de alta velocidad donde se comparan los distintos métodos propuestos. Para realizar todos los cálculos se utilizará el entorno de software libre desarrollado por Electricidad de Francia conocido como Salomé-Meca. El interés de este proyecto radica en la evaluación de las posibilidades que ofrece el software libre para la evaluación del daño por fatiga, aspecto poco explorado en la literatura actual.

Como primera aproximación al software se han realizado varios modelos de calibración, comprobando la capacidad para la evaluación del daño por fatiga según los distintos enfoques. A continuación, se ha propuesto un puente de ferrocarril para su estudio, determinando un detalle concreto donde se evaluará el daño por fatiga. Se llevarán a cabo análisis basados en las tensiones determinadas en el Hot-Spot y en el Notch, ambos enmarcados en el uso de las curvas S-N. Por otra parte, se llevará a cabo un análisis basado en la Mecánica de la Fractura. Como conclusión se comprueba la posibilidad de evaluar todos los métodos propuestos para el análisis de fatiga mediante el software Salomé-Meca, destacando las ventajas del método basado en la Mecánica de la Fractura frente a los métodos basados en las curvas S-N.

The new Recommendations for fatigue analysis developed by the International Institute of Welding (IIW-1823-0, december 2008) have introduced new concepts and evaluation techniques to verify the Fatigue Limit State. The SN-curves and the direct crack growth based on Fracture Mechanics have been updated with new curves, post-welding curves, and requirements for numerical methodsd. Two SN methods have been included: the hot-spot stress and the notch stress. The three referenced methods requiere numerical solutions, for which fine meshes for accurate evaluation are required. In this work the three basic techniques are explored in the context of a particular tubular welded connetion in a steel bow-string bridge for high-speed train. Fatigue damage index is evaluated by SN curves (hot-spot or notch stress approach) and by crack propagation (Paris law) under variable amplitude load. The stress history for 50 or 100 years comes from the direct simulation of a high-speed train traversing the bridge. The Rainflow cycle counter algorithm has been used to identify the constant-amplitude ranges and number of cycles, for both hot-notch stress or stress intensity factors at crack tips. The three evaluation techniques have been compared and contrasted. It has been observed that, as pointed in the literature, notch stress curves provides more optimistic prediction, in contrast with SN evaluation based on hot-spot stress or crack propagation. This work suggests the revision of notch-stress curve and the limitations of FAT 200 or FAT 225 curves. All the numerical tests are carried out with software Code-Aster, from Electricitè de France. Through extensive tests, it is shown that Code-Aster is provided with adequate tools (such as specific error estimators for crack in X-FEM and mesh refinement) to obtain the fatigue verifications according to IIW requirements.

Fatigue, notch stress, hot spot point, fracture mechanics, SN curves, Rainflow analysis, DNV, fatiga, International Institute of Welding, Palmgren-Miner, damage index, crack propagation, Salome-Meca, Code-Aster