Random fatigue : a review

Abstract

Resumo: O objetivo geral deste trabalho é rever os modelos de engenharia os quais podem ser usados para predizer a fadiga do metal sob processos dinâmicos aleatórios de tensão de bandas larga e estreita. A meta específica, dada a densidade espectral de tensão, é rever as expressões existentes na literatura, as quais utilizam o algoritmo "rain fiow" de contagem de ciclos para predizer a fadiga , mas que não exija simulação do processo de tensão. Os procedimentos de projeto de fadiga são propostos para elementos estruturais sujeitos a um processo de tensão, modelado como processos gaussianos estacionários. Estes procedimentos usam dados disponíveis de amplitudes constantes do material e uma probabilidade baseada na regra de dano linear de Palmgren-Miner ou na regra de dano não linear de Morrow. A incerteza estatística no comportamento da fadiga e a incerteza não estatística nas regras de Palmgren-Miner e Morrow são implicitamente explicadas pelos índices das fórmulas na falha como uma variável aleatória. Os métodos de projetos de fadiga exigem apenas que o RMS(root mean square), o fator de irregularidade e o parâmetro de largura espectral do processo de tensão sejam especificados, além da curva S-N de amplitude constante do material. As soluções analíticas baseadas na teoria estatística de distribuição de picos de um processo aleatório estacionário e o conceito de faixa de tensão equivalente são apresentadas para uma determinação rápida da fadiga sob carregamento aleatório. A faixa de tensão equivalente pode ser diretamente calculada dos parâmetros espectrais de um espectro de energia da tensão, implicando que não seja necessário reproduzir o processo de carregamento no domínio do tempo. A fadiga do metal sob carregamento irregular dinâmico é um modo principal de falha do componente de um sistema estrutural, tais como, estruturas sujeitas aos carregamentos do vento, terremoto ou ondas oceânicas, também como veículos de vôo e automóveis

Abstract: The general goal of this work is to review the engineering models which can be used for design purposes to predict metal fatigue under narrow and wide-band random stress processes. The specifíc goal, given the stress spectral density, is to review the existing expressions in the literature which use the rain-flow cycle counting algorithm to predict fatigue, but which does not require a simulation of the stress process. The fatigue design procedures are proposed for the structural elements subjected to a stress process that is, modeled as stationary gaussian processes. These procedures use available constant amplitude material data and a modifíed probability based, Palmgren-Miner linear damage rule or Morrow's non-Jinear damage rule. Statistical uncertainty in fatigue behavior and non-statistical uncertainty in the Palmgren-Miner and Morrow rule are implicitly accounted for by treating the rules index at failure as a random variable. The fatigue design methods require only that the RMS(root mean square), irregularity factor and spectral width parameter of the stress process be specifíed in addition to the constant amplitude S-N curve for the material. The analytical Solutions based on the statistical theory of the peak distribution of a stationary random process and the concept of equivalent stress range is shown for a fast fatigue assessment under random loading. The equivalent stress range can be directly calculated ffom the spectral parameters of a stress power spectrum, implying that is not necessary to reproduce the loading process in the time domain. Metal fatigue under irregular loading is a principal mode of failure of the component of a structural system, such as, structures subjected to, wind loads, seismic loads, or ocean wave loads, as well as automotive and flight vehicles