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Título: Quantificação da incerteza dos modelos de Willenborg via metodologia Fast Crack Bounds - Monte Carlo
Título(s) alternativo(s): Uncertainty quantification of Willenborg's models using the Fast Crack Bounds - Monte Carlo method
Autor(es): Santos, Bruno dos
Orientador(es): Silva Júnior, Claudio Roberto ávila da
Palavras-chave: Monte Carlo, Método de
Mecânica da fratura
Falhas estruturais
Modelos matemáticos
Processo estocástico
Metais - Fadiga
Deformações e tensões
Confiabilidade (Engenharia) - Métodos estatísticos
Monte Carlo method
Fracture mechanics
Structural failures
Mathematical models
Stochastic processes
Metals - Fatigue
Strains and stresses
Reliability (Engineering) - Statistical methods
Data do documento: 18-Out-2023
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: SANTOS, Bruno dos. Quantificação da incerteza dos modelos de Willenborg via metodologia Fast Crack Bounds - Monte Carlo. 2024. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2023.
Resumo: Nos setores industriais, o conceito de tolerância a danos é amplamente aplicado, assumindo a existência de uma trinca que eventualmente evoluirá levando a falha catastrófica do componente, tornando-se necessário o acompanhamento e monitoramento de sua evolução em situação de trabalho. Desta forma, a mecânica da fratura linear elástica fornece inúmeros modelos buscando descrever o crescimento de trinca, neste estudo, apresentou-se a utilização dos modelos de amplitude de tensão variável desenvolvidos por Willenborg, o modelo original, o modelo generalizado e o modelo modificado. Visto que o processo de propagação de trinca é não linear e determinado por inúmeros fatores, admite-se a existência da incerteza nos parâmetros de definição do modelo, tendo assim como objetivo a quantificação da incerteza do fenômeno de propagação de trincas. Para tal fim, a modelagem da incerteza foi realizada por intermédio das variáveis aleatórias e, a partir disso, os métodos de simulação de Monte Carlo e Fast Crack Bounds foram utilizados conjuntamente para se estimar os momentos estatísticos do processo estocástico “tamanho de trinca”. O desempenho da proposta foi avaliado a partir da combinação dos métodos de simulação de Monte Carlo com Runge-Kutta de quarta ordem. Assim, utilizou-se de quatro exemplos clássicos da mecânica da fratura para explorar a precisão e a eficiência da solução proposta. O trabalho identificou que a razão computacional obtida pelo Fast Crack Bounds foi de 10280,95% menor ao calculado pelo Runge-Kutta de quarta ordem, com desvios relativos de no máximo 29,94%, demonstrando a aplicabilidade e eficácia do método.
Abstract: In industrial sectors, the concept of damage tolerance is widely applied, assuming the existence of a crack that will eventually evolve and lead to the catastrophic failure of a component. Hence, it becomes necessary to monitor its evolution under working conditions. Consequently, linear elastic fracture mechanics provides numerous models seeking to describe crack growth. In this study, we explore the application of Willenborg’s variable amplitude stress models, including the original model, the generalized model, and the modified model. Since the crack propagation process is nonlinear and influenced by multiple factors, uncertainties in the model’s defining parameters are acknowledged. Therefore, the objective is to quantify the uncertainty of the crack propagation phenomenon. To achieve this, uncertainty modeling is carried out using random variables. Subsequently, the Monte Carlo simulation and Fast Crack Bounds methods are employed in conjunction to estimate the statistical moments of the stochastic process, namely, the “crack size.” The performance of the proposed approach is evaluated through the combination of Sequential Monte Carlo Simulation methods with fourth-order Runge-Kutta. To validate the proposed solution, four classical examples from fracture mechanics are employed. The results demonstrate the precision and efficiency of the Fast Crack Bounds methodology, with computational gains of at least 10280.95% over the RK4 solution and relative deviations of no more than 29.94%. These findings showcase the applicability and effectiveness of the Fast Crack Bounds method.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/33579
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