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Fatigue life prediction of overhead conductors and their wires : experimental and numerical investigations

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MetadadosDescriçãoIdioma
Autor(es): dc.contributorCastro, Fábio Comes de-
Autor(es): dc.creatorMatos, Ian de Medeiros-
Data de aceite: dc.date.accessioned2024-10-23T15:20:41Z-
Data de disponibilização: dc.date.available2024-10-23T15:20:41Z-
Data de envio: dc.date.issued2024-07-08-
Data de envio: dc.date.issued2024-07-08-
Data de envio: dc.date.issued2024-07-08-
Data de envio: dc.date.issued2024-02-29-
Fonte completa do material: dc.identifierhttp://repositorio2.unb.br/jspui/handle/10482/48615-
Fonte: dc.identifier.urihttp://educapes.capes.gov.br/handle/capes/880674-
Descrição: dc.descriptionTese (doutorado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2024.-
Descrição: dc.descriptionO comportamento em fadiga de cabos condutores é um problema complexo, envolvendo centenas de regiões de contato, plasticidade localizada, desgaste e atrito. O aumento no poder de computação e os avanços recentes na modelagem 3D em elementos finitos (FE) de sistemas condutor-grampo motivaram pesquisadores a buscar abordagens baseadas em FE para a análise de dano por fadiga do condutor. Essas abordagens são baseadas em uma combinação de uma análise em escala global do sistema condutor-grampo, com uma análise em escala local dos fios sob fadiga por fretting. Entretanto, pesquisas ainda são necessárias para melhorar a acurácia dessas abordagens considerando diferentes geometrias de condutor, materiais de fio e condições de carregamento. Nesse contexto, essa tese visa propor novas metodologias para previsão de vida de cabos condutores e seus fios por meio de análises experimentais e numéricas. Essa tese é organizada como uma coleção de três artigos científicos do autor e de colaboradores, que já foram publicados ou estão sob processo de submissão/revisão. No primeiro artigo, ensaios de fadiga por fretting sob carregamento de amplitude constante (CAL) foram realizados utilizando fios da liga de alumínio (AA) 1120 de um condutor AAAC (Cabo de Alumínio Liga) 823 MCM. Um ensaio de tração e ensaios axiais de fadiga em corpos de prova de fio lisos e com entalhe em V também foram realizados. Os dados dos ensaios de fadiga foram utilizados para comparar o AA1120 ao AA1350 e ao AA6201, duas ligas tipicamente utilizadas para fabricação dos fios de condutores. Sob tração, o AA1120 exibiu um limite de resistência à tração intermediário aos do AA1350 e do AA6201. Para as mesmas amplitudes de tensão, os fios de AA1120 utilizados nos ensaios axiais de fadiga tiveram vidas mais longas que os fios de AA1350, mas consideravelmente mais curtas que os fios de AA6201. Entretanto, sob fadiga por fretting, tanto os fios de AA1120 quanto de AA6201 tiveram resistência à fadiga similar. Os dados dos ensaios também foram utilizados para avaliar um critério de previsão de vida para fios sob fadiga por fretting baseado na Teoria das Distâncias Críticas (TCD). A maior parte das vidas previstas estiveram dentro de fatores de 3 das vidas medidas. A acurácia das previsões foi similar à observada em estudos prévios, nos quais a mesma metodologia foi aplicada a dados de ensaios de fadiga por fretting em fios de AA1350 e AA6201. Esses resultados mostram que a metodologia pode ser uma ferramenta confiável para a análise de dano por fadiga de fios de diferentes materiais submetidos à fadiga por fretting e a CAL. No segundo artigo, ensaios de fadiga por fretting sob carregamento de amplitude variável (VAL) foram realizados em fios de AA6201-T81 de um condutor AAAC 900 MCM. A variação de amplitude foi representada a partir de um histórico de carregamento de três blocos. As condições de carregamento foram definidas utilizando-se medições de vibração de uma linha de transmissão em operação localizada na região centro-oeste do Brasil. Duas metodologias de previsão de vida de fios foram estendidas para condições de VAL e foram avaliadas utilizando os dados dos ensaios de fadiga por fretting. Uma das metodologias é o mesmo critério baseado na TCD considerado no primeiro artigo, enquanto a outra é baseada em uma curva de fadiga mestre. Ambas metodologias forneceram previsões de vida dentro de fatores de 4 das vidas medidas. A acurácia obtida nesse estudo suporta o uso das metodologias propostas para previsão de vida de fios sob condições de VAL. O terceiro artigo é focado na previsão de vida de um condutor ACSR (Cabo de Alumínio com Alma de Aço) Ibis 397,5 MCM sob sequências de carregamento high-low e low-high. Para isso, uma metodologia de previsão de vida baseada em modelagem 3D em elementos finitos de sistemas condutor-grampo foi estendida para incluir condições de VAL. Primeiramente, a metodologia foi aplicada a dados de ensaios de fadiga com CAL para avaliar se esta é capaz de descrever com acurácia a falha por fadiga do condutor ACSR Ibis. Em seguida, a metodologia foi avaliada utilizando dados de ensaios de fadiga conduzidos sob um histórico de carregamento de dois blocos. A maior parte das previsões esteve dentro de fatores de 3 das vidas medidas. Para os ensaios com VAL, a metodologia levou em consideração o efeito da sequência de carregamento na falha por fadiga de forma acurada, fornecendo estimativas de vida mais longas para os ensaios sob sequência high-low do que para aqueles sob sequência low-high. Além disso, a metodologia foi capaz de prever as posições das quebras de fios para os ensaios com VAL em acordo com as observações experimentais. Esses resultados sugerem que a metodologia pode ser estendida para condições de VAL e ser utilizada para prever acuradamente as vidas, os efeitos da sequência de carregamento e as regiões críticas para falha por fadiga de condutores.-
Descrição: dc.descriptionCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).-
Descrição: dc.descriptionThe fatigue behavior of overhead conductors is a complex problem, involving hundreds of contact regions, localized plasticity, wear, and friction. The increase in computing power and the recent advances in finite element (FE) 3D modeling of conductor-clamp systems have motivated researchers to pursue FE-based approaches for the fatigue damage analysis of the conductor. These approaches are based on a combination of a global-scale analysis of the conductor-clamp system with a local-scale analysis of the wires under fretting fatigue. However, research is still required to improve the accuracy of these approaches considering different conductor geometries, wire materials, and loading conditions. In this context, this thesis aims to propose new methodologies for life prediction of overhead conductors and their wires by means of experimental and numerical analyses. This thesis is organized as a collection of three research papers by the author and collaborators, which have already been published or are under the process of submission/review. In the first paper, fretting fatigue tests under constant amplitude loading (CAL) were performed using 1120 aluminum alloy (AA) wires of an AAAC (All Aluminum Alloy Conductor) 823 MCM conductor. A tension test and axial fatigue tests on smooth and V-notched wire specimens were also carried out. The fatigue test data were used to compare the AA1120 with the AA1350 and AA6201, two alloys typically used to manufacture the wires of conductors. Under tension, the AA1120 displayed an intermediate ultimate tensile strength between the ones from the AA1350 and the AA6201. For the same stress amplitudes, the AA1120 wires used in the axial fatigue tests had longer lives than the AA1350 wires but considerably shorter lives than the AA6201 wires. However, under fretting fatigue, both AA1120 and AA6201 wires had similar fatigue strength. The test data were also used to evaluate a life prediction criterion for wires under fretting fatigue based on the Theory of Critical Distances (TCD). Most of the predicted lives were within a factor of 3 of the measured lives. The accuracy of the predictions was similar to that observed in previous studies, in which the same methodology was applied to data from fretting fatigue tests on AA1350 and AA6201 wires. These results show that the methodology can be a reliable tool for the fatigue damage analysis of wires made of different materials subjected to fretting fatigue and CAL. In the second paper, fretting fatigue tests under variable amplitude loading (VAL) were carried out on AA6201-T81 wires of an AAAC 900 MCM conductor. The amplitude variation was represented by a three-block loading history. The loading conditions were defined using vibration measurements from an operating transmission line located in the center-west region of Brazil. Two methodologies for life prediction of wires were extended to VAL conditions and were evaluated using the fretting fatigue test data. One of the methodologies is the same TCD based criterion considered in the first paper, while the other is based on a master fatigue curve. Both methodologies provided life predictions within factors of 4 of the measured lives. The accuracy achieved in this study supports the use of the proposed methodologies for predicting the lives of wires under VAL conditions. The third paper is concerned with the life prediction of an ACSR (Aluminum Conductor Steel Reinforced) Ibis 397.5 MCM conductor under high-low and low-high loading sequences. To this end, a life prediction methodology based on finite element 3D modeling of conductorclamp systems was extended to include VAL conditions. Firstly, the methodology was applied to CAL fatigue test data to assess whether it can accurately describe the fatigue failure of the ACSR Ibis conductor. Subsequently, the methodology was evaluated using the data from fatigue tests conducted under a two-block loading history. Most life predictions were within factors of 3 of the measured lives. For the VAL tests, the methodology accurately took into account the effect of loading sequence on fatigue failure, providing longer life estimates for the tests under high-low sequence than for those under low-high sequence. Additionally, the methodology was capable of predicting the positions of the wire breaks for the VAL tests in accordance with the experimental observations. These results suggest that the methodology can be extended to VAL conditions and be used to accurately predict the lives, the loading sequence effects, and the fatigue critical regions of conductors.-
Descrição: dc.descriptionFaculdade de Tecnologia (FT)-
Descrição: dc.descriptionDepartamento de Engenharia Mecânica (FT ENM)-
Descrição: dc.descriptionPrograma de Pós-Graduação em Ciências Mecânicas-
Formato: dc.formatapplication/pdf-
Idioma: dc.languageen-
Direitos: dc.rightsAcesso Aberto-
Direitos: dc.rightsA concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.-
Palavras-chave: dc.subjectCabos condutores-
Palavras-chave: dc.subjectFadiga (Mecânica)-
Palavras-chave: dc.subjectElementos finitos-
Título: dc.titleFatigue life prediction of overhead conductors and their wires : experimental and numerical investigations-
Título: dc.titlePrevisão de vida à fadiga de cabos condutores e seus fios : investigações experimentais e numéricas-
Tipo de arquivo: dc.typelivro digital-
Aparece nas coleções:Repositório Institucional – UNB

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