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https://www.repositorio.mar.mil.br/handle/ripcmb/847120
Título: | A Semi-Analytical Model for Thermo-Mechanical Stress Analysis in Composite Laminates |
Autor(es): | Prata, Danilo Moura |
Orientador(es): | Donadon, Maurício Vicente |
Palavras-chave: | Materiais compósitos Método de Rayleigh-Ritz Laminados |
Áreas de conhecimento da DGPM: | Engenharia mecânica |
Data do documento: | 2024 |
Editor: | Instituto Tecnológico da Aeronáutica (ITA) |
Descrição: | Os materiais compósitos constituídos de fibra de carbono de alto módulo e resina termo-fixa têm sido empregados em estruturas avançadas de engenharia, nos mais diversos setores, tais como exploração de petróleo, aeroespacial, energia eólica, dentre outros. Contudo, na fabricação destes materiais, durante o processo de cura responsável pela perfeita adesão entre os constituintes fibra mais matriz, ocorre o surgimento indesejado de pequenas deformações. Tais deformações resultam em tensões residuais, as quais provocam distorções geométricas na peça final, ou diminuem a resistência do material, característica essa tão buscada pelos projetistas ao se adotar os materiais compósitos. Essas tensões residuais são provenientes de efeitos de diferentes naturezas, como térmicos, químicos e até higroscópicos, que ocorrem nos constituintes do compósito devido aos gradientes térmicos e aos fenômenos do comportamento dos materiais sob condições de humidade e pressão, interação da peça com o molde e características de cada processo de fabricação. O cômputo destas tensões pode ser encontrado na literatura aberta, porém, diversos autores, têm desenvolvido metodologias adaptadas especificamente para calcular e prever essas deformações e tensões. O presente trabalho buscou desenvolver e implementar uma ferramenta computacional eficaz na simulação dos efeitos das deformações e tensões residuais de natureza térmica. A abordagem do problema utiliza do Princípio da Estacionariedade da Energia Potencial Total do sistema, permitindo tratar sistemas lineares ou não, considerando a energia interna de deformação e o potencial das forças aplicadas sobre o sistema. A busca da solução do equilíbrio deste sistema é feita através da minimização, via princípios variacionais do potencial total, utilizando o método de aproximação de Rayleigh-Ritz para a determinação dos coeficientes generalizados das séries de funções das equações de equilíbrio, valendo-se das funções de Bardell para descrever as relações deformação-deslocamento. A validação da metodologia é demonstrada pela comparação com casos em que existe solução fechada para os problemas de carregamento mecânico, solução exata para um problema de carregamento térmico, e com simulação via elementos finitos através do software comercial ABAQUS®, evidenciando a efetividade da abordagem adotada. |
Abstract: | Composite materials made up of high modulus carbon fiber and thermoset resin have been used in advanced engineering structures across a range of sectors, such as oil exploration, aerospace, wind energy, among others. However, undesired small deformations occurs during the manufacturing of these materials, in the curing process responsible for perfect adhesion between the fiber and matrix constituents. These deformations result in residual stresses that can lead to geometric distortions in the final part or reduce the material's strength, a characteristic highly valued by designers when adopting composite materials. These residuals stresses originate from effects of different natures, such as thermal, chemical and even hygroscopic, which occur in the composite constituents due to thermal gradients and material characteristics under the conditions of humidity and pressure, interaction of the part with the mold, characteristics of each manufacturing process. The analysis and calculation of these stresses can be found in specialized literature; however, several authors, have developed adapted methodologies to calculate and predict deformations and stresses. The purpose of this study was to develop and implement a computational tool to simulate the effects of thermal residual deformations and stresses. The adopted approach is based on the Principle of Stationary of the Total Potential Energy of the system, allowing the analysis of linear or non-linear systems, considering the internal deformation energy and the potential of the forces applied to the system. The solution to the equilibrium of the system is to minimize the total potential energy, using the Rayleigh-Ritz approximation method to determine the generalized coefficients of the series of functions in the equilibrium equations, using Bardell functions to describe strain-displacement relations. The validation of the methodology is demonstrated through comparison with cases where closed solutions exist for mechanical loading problems, the exact solution for a thermal loading problem, and finite element simulations using the ABAQUS® commercial software, demonstrating the effectiveness of the adopted approach. |
Tipo de Acesso: | Acesso aberto |
URI: | https://www.repositorio.mar.mil.br/handle/ripcmb/847120 |
Tipo: | Dissertação |
Aparece nas coleções: | Aeronáutica: Coleção de Dissertações |
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