A Boundary Element Formulation for Frictional Contact and Centrifugal Forces in Orthotropic Materials

Abstract

Esta tese apresenta uma nova formulação do Método dos Elementos de Contorno (MEC) para a análise de problemas de contato com atrito bidimensional em materiais ortotrópicossob condições de fadiga por fretting e carregamento centrífugo. O contorno é discretizadoutilizando elementos quadráticos descontínuos, e os deslocamentos e trações nodais sãoexpressos em um sistema de referência local normal-tangente. Adota-se uma estratégia decontato nó a nó, enquanto a compatibilidade de deslocamento e o equilíbrio de forças sãoimpostos para descrever com precisão a evolução das regiões de contato.Uma contribuição fundamental deste trabalho é a incorporação direta de forças de corpocentrífugas por meio da integração radial, evitando a necessidade de discretização do domínio,pontos internos ou interpolação por funções de base radial. Essa abordagem resulta em umaformulação simplificada e computacionalmente eficiente dentro do escopo do MEC.A metodologia proposta é validada por meio de quatro aplicações numéricas. Primeiro,um problema de contato plano entre corpos ortotrópicos demonstra excelente concordânciacom os resultados disponíveis na literatura. Segundo, um problema de fretting isotrópicoconfirma a capacidade da formulação em capturar com precisão o carregamento cíclico incre-mental, com resultados em estreita concordância com as soluções analíticas e de elementosfinitos. Terceiro, a análise de um segmento de disco rotativo verifica a representação corretados efeitos centrífugos. Finalmente, uma junta tipo rabo de andorinha com superfícies decontato inclinadas e coeficientes de atrito variáveis ilustra a robustez do método, sua baixasensibilidade ao refinamento de malha e revela uma relação inversa entre a tensão normal e oatrito.Os resultados demonstram que a formulação proposta é uma ferramenta precisa, eficientee robusta para a análise de problemas de contato com atrito, fornecendo uma estruturaconsistente para aplicações de engenharia envolvendo materiais anisotrópicos e condiçõescomplexas de carregamento.