Desarrollo y validación experimental de una metodología para estudiar la propagación de grietas por fatiga en metales

Abstract

La presencia y propagación de grietas en estructuras y componentes es un reto para sectores industriales como el oil&gas, energía eólica o nuclear. El presente estudio resume la investigación realizada para desarrollar y validar un procedimiento basado en el método de los Elementos Finitos capaz de simular la propagación de grietas tridimensionales. La investigación comprende una parte experimental donde se ha caracterizado la velocidad de propagación de fisuras frente a fatiga del acero grado R5, utilizado en cadenas de fondeo offshore. Para ello se ha determinado la Ley de Paris del material mediante el ensayo de una probeta de flexión en tres puntos. Asimismo, se ha realizado un estudio estadístico para estimar la incertidumbre en la velocidad de propagación de la grieta. Los resultados experimentales han sido empleados como inputs del modelo numérico desarrollado en ANSYS APDL. Este algoritmo permite evaluar numéricamente los parámetros de la mecánica de la fractura en el frente de fisura durante su crecimiento. Esta información alimenta un algoritmo iterativo que proporciona el avance del frente de fisura. Finalmente, se ha realizado un estudio de sensibilidad para evaluar el efecto del tamaño del mallado en los resultados.

The existence and propagation of cracks in structures and components is a challenge for industrial sectors such as oil & gas, wind or nuclear. The present study summarizes the research carried out to develop and validate a procedure, based on the finite element method, able to simulate the propagation of three-dimensional cracks. This research comprises an experimental part where the fatigue crack propagation rate of the grade R5 steel, widely used in offshore mooring chains, has been characterized. For this purpose, the Paris Law of the material has been determined by testing a three point bending specimen. Furthermore, a statistical study to estimate the uncertainty in the crack propagation rate was carried out. The experimental results have been used as inputs for the numerical model developed in ANSYS APDL. This algorithm allows numerical evaluating the fracture mechanics parameters in the crack front during its growth. This information feedbacks an iterative algorithm that provides the crack front growth. Finally, a sensitivity study was carried out to evaluate the effect of the meshing size on the results.