Nova abordagem para caracterizar o comportamento cíclico de materiais viscoelásticos através do controle de energia: estudo de caso do UHMWPE

Abstract

Ensaios de fadiga tradicionalmente são efetuados com controle de carga, indiretamente tensão, ou com controle de deslocamento, que pode levar a se considerar controle de deformação. No entanto, no caso de materiais poliméricos, com comportamento fortemente viscoelástico, essas estratégias apresentam inconvenientes, que podem ser superados, caso se adote um procedimento simultâneo, qual seja, de usar uma variável de controle baseada em energia, no caso deste trabalho usando o conceito da integral J. Um trabalho preliminar foi uma exaustiva pesquisa em bancos de patentes, sobre máquinas de ensaio de fadiga, buscando propostas para controle em energia, a qual levou a um resultado nulo. Nesta pesquisa, desenvolveu-se um novo tipo de controle chamado 'controle J' para ensaios cíclicos, em que J epresenta a variação da energia dissipada em relação ao dano. Ao adotar essa nova abordagem, para caracterizar o comportamento cíclico de materiais viscoelásticos, torna-se necessário calcular a energia dissipada, em tempo real, bem como o dano atuante no material. Na mecânica da fratura esse dano é tipicamente caracterizado pelo crescimento progressivo de uma trinca existente. No entanto, devido ao seu comportamento viscoelástico, o dano nos polímeros pode manifestar-se de forma distinta, não necessariamente como uma trinca, mas sim como alterações na estrutura das macromoléculas. Essas alterações podem ser detectadas por mudanças no módulo complexo, mas devido ao comportamento viscoelástico, torna-se necessário desacoplar as componentes do módulo complexo a partir do ângulo de fase, o que pode ser realizado utilizando a transformada discreta de Fourier em tempo real. Dessa forma, é possível calcular e utilizar o controle J como variável de controle do ensaio, corrigindo o parâmetro físico adotado, que consiste em um controle de deslocamento para iniciar o ensaio. Com o auxílio de um feedback calculado em um instante (i) para retroalimentar o sistema do ensaio, é viável ajustar a solicitação de entrada e manter o valor de J constante ciclo a ciclo. Para estabelecer J constante foi implementada uma metodologia de caracterização de materiais viscoelásticos programada em Python, e um template especialmente desenvolvido para esse novo tipo de controle na execução do ensaio em uma máquina MTS Acumen de 3 kN. Previamente conduziu-se uma série de ensaios fundamentados nos dois conceitos já existentes, além de ensaios DMA, que contribuíram para o entendimento do comportamento do material e seus parâmetros associados. Posteriormente, uma série de experimentos foram realizadas usando corpos de prova de pequenas dimensões feitos de UHMWPE. Os resultados obtidos com o controle J evidenciam uma variação constante da energia dissipada em relação ao dano. Paralelamente, por meio dos resultados do ensaio DMA, obteve-se um outro resultado relevante para esta pesquisa: a implementação do fator de dano (D) no modelo de Huet-Sayegh.

Abstract: Fatigue tests are traditionally performed with load control, indirectly stress, or with displacement control, which can lead to considering strain control. However, in the case of polymeric materials, with strongly viscoelastic behavior, these strategies present drawbacks, which can be overcome if a simultaneous procedure is adopted, that is, to use an energy-based control variable, in the case of this work using the concept of the integral J. A preliminary work was an exhaustive research in patent banks, on fatigue testing machines, seeking proposals for control in energy, which led to a null result. In this research, a new type of control called 'control J' was developed for cyclic tests, in which J represents the variation of the energy dissipated in relation to the damage. When adopting this new approach, to characterize the cyclic behavior of viscoelastic materials, it becomes necessary to calculate the dissipated energy, in real time, as well as the acting damage to the material. In fracture mechanics, this damage is typically characterized by the progressive growth of an existing crack. However, due to their viscoelastic behavior, damage to polymers can manifest itself distinctly, not necessarily as a crack, but rather as changes in the structure of macromolecules. These changes can be detected by changes in the complex modulus, but due to the viscoelastic behavior, it becomes necessary to decouple the components of the complex module from the phase angle, which can be accomplished using the discrete Fourier transform in real time. Thus, it is possible to calculate and use control J as a control variable of the test, correcting the physical parameter adopted, which consists of a displacement control to start the test. With the aid of a textitfeedback calculated in an instant (i) to feed back the assay system, it is feasible to adjust the input request and keep the J value constant cycle by cycle. To establish J constant, a methodology for characterization of viscoelastic materials programmed in Python was implemented, and a textittemplate specially developed for this new type of control in the execution of the test in a 3 kN MTS Acumen machine. Previously, a series of tests based on the two existing concepts was conducted, in addition to DMA tests, which contributed to the understanding of the behavior of the material and its associated parameters. Subsequently, a series of experiments were carried out using small specimens made of textitUHMWPE. The results obtained with control J show a constant variati on of the energy dissipated in relation to the damage. In parallel, through the results of the DMA assay, another relevant result was obtained for this research: the implementation of the damage factor (D) in the Huet-Sayegh model.