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Tipo: Dissertação
Título: Thermomechanical modeling and simulation of an electric arc welding process: a computacional analysis of the influence of the element birth and death techinique
Autor(es): Costa, Mateus Andrade de Sousa
Orientador: Marcondes, Francisco
Coorientador: Silva, Yuri Cruz da
Palavras-chave em português: Soldagem elétrica;Simulação termomecânica;Método dos elementos finitos;Tensões residuais;Técnica de elemento vivo morto
Palavras-chave em inglês: Electric welding;Thermomechanical simulation;Finite element method;Residual stresses;Element birth and death technique
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA
Data do documento: 2025
Citação: COSTA, Mateus Andrade de Sousa. Thermomechanical modeling and simulation of an electric arc welding process: a computacional analysis of the influence of the element birth and death techinique. 2025. 100 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia e Ciência de Materiais) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Resumo: A soldagem a arco desempenha um papel crucial na indústria moderna, especialmente na fabricação de estruturas e componentes complexos. Embora o processo seja amplamente utilizado e relativamente simples, não está isento de desafios. A soldagem pode introduzir tensões residuais, distorções e defeitos no material, comprometendo potencialmente a integridade estrutural, aumentando custos e exigindo retrabalho. Para enfrentar esses desafios, este estudo realiza uma análise termomecânica detalhada do processo de soldagem, explorando a modelagem computacional como alternativa viável aos métodos experimentais tradicionais. A pesquisa utiliza o software ANSYS® e o Método dos Elementos Finitos (MEF) para simular o comportamento térmico e mecânico de materiais sob condições específicas de soldagem. O estudo concentra-se na soldagem de topo de passe único em chapas e tubos, incorporando metais de adição e utilizando a Técnica de Elemento Vivo Morto (TEVM) para simular a adição de material durante a soldagem. Ao examinar diferentes ordens de elementos de malha (lineares e quadráticos), a análise avalia distribuições de temperatura, tensões residuais e deformações, considerando também a eficiência computacional. Os resultados revelaram que a TEVM aumentou a duração total do teste em 16,5%, com uma diferença significativa de temperatura (665oC com TEVM vs. 348oC sem TEVM) durante a passagem da fonte de calor. A ordem dos elementos de malha influenciou consideravelmente os resultados: elementos quadráticos reduziram o número de elementos em 85%, equilibrando precisão e eficiência computacional, enquanto elementos lineares refinados aumentaram o tempo de execução em até 90%. Para a zona afetada pelo calor (ZAC), simulações sem TEVM podem ser suficientes, mas a análise do cordão de solda exige validação adicional, especialmente em soldagem multipasse, onde o reaquecimento altera as distribuições de tensões. A metodologia foi validada por meio de comparações com dados analíticos, numéricos e experimentais disponíveis na literatura, confirmando sua robustez para análise estrutural e otimização de processos. Esta pesquisa contribui para o entendimento teórico da soldagem a arco, oferecendo um arcabouço computacional que equilibra eficazmente precisão e custo. O estudo estabelece uma base sólida para investigações futuras, sobretudo na exploração das complexidades da soldagem multipasse.
Abstract: Arc welding plays a vital role in modern industry, particularly in the fabrication of complex structures and components. While the process is widely employed and relatively straightforward, it is not without challenges. Welding can introduce residual stresses, distortions, and defects into the material, potentially compromising structural integrity, increasing costs, and necessitating rework. To address these challenges, this study conducts a detailed thermomechanical analysis of the welding process, exploring computational modeling as a viable alternative to traditional experimental methods. The research employs ANSYS® software and the Finite Element Method (FEM) to simulate the thermal and mechanical behavior of materials under specific welding conditions. The study focuses on single-pass butt welding of plates and pipes, incorporating filler metals and utilizing the Element Birth and Death Technique (EBDT) to simulate material addition during welding. By examining different mesh element orders (linear and quadratic), the analysis evaluates temperature distributions, residual stresses, and deformations while also considering computational efficiency. The results revealed that EBDT increased test duration by 16.5%, and a significantly temperature difference (665ºC with EBDT vs. 348ºC without) during heat source passage. Mesh element order notably influenced outcomes: quadratic elements reduced the element count by 85%, balancing accuracy and computational efficiency, while refined linear elements increased execution time by up to 90%. For the heat-affected zone (HAZ), simulations without EBDT may suffice, but weld bead analysis requires further validation, particularly in multi-pass welding, where reheating alters stress distributions. The methodology was validated through comparisons with analytical, numerical, and experimental data available in the literature, confirming its robustness for structural analysis and process optimization. This research contributes to the theoretical understanding of arc welding, offering a computational framework that effectively balances precision and cost. The study lays a strong foundation for future investigations, especially in exploring the complexities of multi-pass welding.
Descrição: Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/85303
ORCID do(s) Autor(es): 0009-0005-5688-0240
Currículo Lattes do(s) Autor(es): 5658515251537220
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Aparece nas coleções:DEMM - Dissertações defendidas na UFC

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