Abordagem multiescala para a simulação de fadiga em polímeros termoplásticos

Abstract

Em projetos de engenharia mecânica um dos maiores determinantes para a vida útil da estrutura é a fadiga mecânica. Esse é o caso dos implantes e próteses ortopédicas, muitos são feitos, ou incorporam, materiais poliméricos termoplásticos. Em diversos materiais semicristalinos, a fadiga mecânica é dominada pelo processo de nucleação, em consequência do acúmulo de deformações inelásticas localizadas e formação de crazes. Para simular o fenômeno local de nucleação nos polímeros, um modelo multiescala disponível na literatura foi escolhido, reproduzido e suas características analisadas e comparadas com evidências experimentais. Nesse modelo é considerado um Elemento de Volume Representativo (EVR) composto por uma matriz com uma pequena fração volumétrica de inclusões dúcteis acumuladoras de dano. A homogeneização foi formulada conforme o método Mean-Field Homogeneization (MFH), com o conceito de Linear Comparison Composites (LCC) e solução semi-analítica de MoriTanaka. Foram realizadas simulações de validação para o modelo constitutivo homogêneo das fases. O comportamento mecânico é limitado a pequenas deformações e desconsidera a geração de calor. As curvas preditivas de fadiga para o High Density Polyethylene (HDPE) foram reproduzidas e a contribuição desse trabalho foca na análise de sensibilidade aos efeitos da solicitação e aos parâmetros da inclusão

Abstract: In mechanical engineering projects, mechanical fatigue is one of the most frequent sources of failure of devices submitted to cyclic loads. This is the case of orthopedic implants and protheses, many of which are made of, or incorporate, polymeric materials. In large semi-crystalline polymers, mechanical fatigue is dominated by the nucleation process as a consequence of localized inelastic strain accumulation and craze formation. To simulate the local nucleation phenomenon in polymers, a multiscale model available in the literature was chosen, reproduced and his features analyzed and compared with experimental evidences. In this model it is considered an Representative Volume Element (RVE) composed by a matrix with a small volume fraction of ductile damaging inclusions. A homogenization scheme is formulated according to the Mean Field Homogenization (MFH) approach, with Linear Comparison Composite concept and the Mori-Tanaka solution. Validation simulations were carried out for the constitutive homogeneous model of phases. The mechanical behavior is limited to small deformations and disregards heat generation. The predictive fatigue life curves for High Density Polyethylene (HDPE) were reproduced and the contribution of this work focuses on the sensitivity analysis and applicability of the model to load effects and inclusion material parameters.