Development of tridimensional carbon fiber/epoxy composites reinforced through the thickness and the mechanical characterization of interlaminar fracture toughness and vibration properties - BORTOLUZZI, Daniel Brighenti (2022)
Este estudo tem como objetivo analisar a influência da inserção de z-pins retangulares com diferentes tamanhos e densidades de inserção, determinados pela matriz de experimentos de um Planejamento de Experimentos (DOE), nas propriedades mecânicas de tenacidade à fratura interlaminar em modo II e de vibrações de compósitos reforçados através da espessura fabricados por VARTM (Vacuum-assisted resin transfer molding). Para os compósitos fabricados sem molde polimérico, as propriedades de vibração dos compósitos reforçados com z-pins demonstraram que o tamanho e a densidade de inserção têm influência direta na frequência natural de vibração, no amortecimento e na amplitude de vibração. Com a otimização feita pelo método de superfície de resposta (MSR), em uma análise monoobjetiva, foi demonstrado que é possível obter reduções na amplitude máxima de vibração forçada de 115%, e em uma análise multiobjetiva foi demonstrado que com uma determinada densidade de inserção e tamanho dos z-pins têm-se 81% de redução na amplitude máxima de vibração forçada e aumentos de 25% e 11% podem ser alcançados no fator de amortecimento e na frequência natural de vibração, respectivamente. Para os compósitos fabricados com molde polimérico, a tenacidade à fratura em modo II foi investigada e os resultados mostraram que a inserção de z-pins aumentou a resistência à delaminação para todas os corpos de prova. Para a etapa NPC (Non-precracked), o maior valor de (GIIc) foi para o pino de 0,50 mm com inserção de 2%, sendo 106% superior ao corpo de prova sem reforço através da espessura. Para a etapa PC (Precracked), os pinos maiores com 1,00 mm e 1,10 mm atuaram novamente como uma influência positiva para mitigar a delaminação e atingiram valores elevados de (GIIc), 77,5% e 78,3% maiores que o corpo de prova sem pino, respectivamente. Os resultados estatísticos apontaram que para o caso NPC, o aumento da densidade de inserção sempre gera um aumento na tenacidade à fratura. A partir disto, aumentar o tamanho do pino tem pouca influência no NPC. Para a etapa PC foi demonstrado que o aumento do tamanho do pino diminui a resistência à fratura, exceto para baixa densidade de inserção. Além disso, as Redes Neurais Artificiais (Artifial Neural Network - ANN) treinadas com parte dos dados experimentais mostraram excelente capacidade preditiva das propriedades de tenacidade à fratura interlaminar. Para as respostas modais dos laminados fabricados com molde polimérico, os resultados experimentais indicaram que, na maioria dos casos, houve um aumento na frequência natural e houve uma redução, entre 60% a 70%, na amplitude de vibração para todos os corpos de prova reforçados com z-pins quando comparados aos sem reforço através da espessura. Além disso, os dados experimentais comparados com os resultados estatísticos apontaram que os z-pins tiveram uma influência positiva aumentando a frequência natural e diminuindo a amplitude de vibração forçada dos compósitos reforçados com z-pins, além disso, a ANN treinada com os dados experimentais apresentou concordância com os resultados dos testes experimentais realizados neste trabalho para se prever as respostas modais.