A Semi-Analytical Model for Thermo-Mechanical Stress Analysis in Composite Laminates

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Prata, Danilo Moura
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Instituição de defesa: Instituto Tecnológico da Aeronáutica (ITA)
• Palavras-chave em Português: Materiais compósitos; Método de Rayleigh-Ritz; Laminados; Engenharia mecânica
• Link de acesso: https://www.repositorio.mar.mil.br/handle/ripcmb/847120

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.