Simulação de campos de tensão residual induzidos por shot peening utilizando o método dos elementos finitos: uma abordagem simplificada

Abstract

A cadeia de fabricação de engrenagens de alto desempenho envolve diversas etapas sequenciais, como usinagem, corte de dentes, tratamento térmico e acabamento superficial. Esses processos, em conjunto, induzem interações complexas de cargas mecânicas e estados desconhecidos de tensões residuais. Dentre os tratamentos superficiais, o shot peening se destaca como um método eficaz para melhorar a resistência à fadiga, por meio da introdução de tensões residuais compressivas abaixo da superfície. No entanto, a previsão da distribuição final das tensões residuais ainda representa um desafio, devido à influência de parâmetros como velocidade das granalhas, ângulo de incidência e diâmetro da esfera. Investigações experimentais, embora precisas, são dispendiosas em tempo e custo, o que motiva a busca por abordagens computacionais mais eficientes. Modelos analíticos baseados na teoria de contato de Hertz fornecem uma compreensão limitada do comportamento elastoplástico e da análise dinâmica transiente envolvida no shot peening, tornando as simulações dinâmicas explícitas por elementos finitos (EF) uma alternativa promissora. Assim, este estudo propõe um modelo simplificado de shot peening para simular o campo de tensões residuais por meio do método dos elementos finitos. A metodologia foi estruturada em duas etapas principais: modelagem analítica, que abordou os comportamentos elástico-estático e elastoplástico-dinâmico com base em formulações hertzianas implementadas no MATLAB®; e simulações via EF realizadas no Ansys® Mechanical APDL, com suporte do LS-Dyna, para capturar as não linearidades geométricas e de material durante o impacto dinâmico. Um estudo de convergência de malha foi realizado para garantir a precisão dos resultados, e o modelo numérico foi validado por meio da comparação dos resultados de simulação com previsões analíticas e dados experimentais disponíveis na literatura. Em seguida, conduziu-se um estudo paramétrico para investigar a influência de variáveis-chave do processo, como velocidade da granalha, diâmetro da esfera e propriedades mecânicas do material alvo. Os resultados indicaram que o aumento da velocidade e do diâmetro das esferas ampliou a profundidade da camada de tensões residuais compressivas, embora com efeito mínimo na magnitude da tensão de pico. Adicionalmente, materiais-alvo mais rígidos apresentaram menor eficiência na geração do campo de tensões residuais compressivas (CRSF), em concordância com dados da literatura. Por fim, o modelo desenvolvido demonstrou ser uma ferramenta confiável e computacionalmente eficiente para prever os campos de tensões residuais gerados por shot peening, possibilitando a otimização do processo com menor dependência de ensaios experimentais.