A utilização de estruturas do tipo sanduíche tem despertado grande interesse e já está bastante difundida em diversos segmentos industriais, principalmente na indústria aeroespacial, militar, naval e civil devido à sua capacidade de combinar alta rigidez à flexão e baixo peso, resultando numa estrutura altamente eficiente. Portanto, a determinação confiável das propriedades mecânicas de painéis sanduíche é de extrema importância no desenvolvimento do projeto de aplicação do mesmo. Neste trabalho foram elaborados modelos de vigas sanduíche em elementos finitos, utilizando-se o programa comercial de elementos finitos Nastran , para a predição do módulo de rigidez à flexão da estrutura (D) e o módulo de cisalhamento do núcleo (G), representando as condições a que estariam sujeitas em ensaios de flexão de 3 e 4 pontos de acordo com o descrito na norma ASTM C 393-00 Standard Test Method for Flexural Properties of Sandwich Constructions. As faces de carbono epóxi foram representadas por elementos de placa laminada (CQUAD4) e para o núcleo de espuma PVC foram utilizados elementos sólidos (CHEXA). Os resultados mostraram-se muito dispersos, indicando que o procedimento sugerido pela norma pode ser muito sensível a erros experimentais e não linearidades nas curvas carga × deslocamento. Foram ainda analisados modelos de vigas sanduíche em que os mesmos encontravam-se em condições de contorno e carregamento não simétricas em relação ao plano médio, neste tipo de configuração o efeito de enrijecimento por tensão é muito forte e os resultados indicaram que uma análise linear neste caso não é aplicável.

Neste texto, será apresentada a teoria básica da dinâmica computacional, juntamente com alguns métodos de solução para as equações diferenciais-algébricas de movimento. Neste contexto, uma melhoria de um método de ortogonalização existente para solução numérica das equações de movimento será apresentada, caracterizando a contribuição científica deste texto. Do ponto de vista aplicado, foi desenvolvido um programa computacional visando à simulação computacional de sistemas multicorpos. O método implementado neste programa permite a simulação de sistemas rígidos holonômicos arbitrários, conectados por juntas de vários tipos, onde esses sistemas rígidos podem conter cadeias fechadas. As únicas exceções referem-se a situações de contato e impacto, não incorporadas no programa desenvolvido. A simulação de sistemas flexíveis não foi implementada. Contudo, como o programa permite a criação de conjuntos mola-amortecedor lineares e angulares, a representação de barras flexíveis por meio de parâmetros concentrados é simples de ser introduzida. O programa desenvolvido permite ainda ao usuário a inserção de funções MATLAB, abrindo caminho para a implementação de controladores para os sistemas multicorpos. O programa elaborado foi validado utilizando-se alguns exemplos teste, onde cada exemplo concentra-se num aspecto distinto, como complexidade computacional do método de solução, estudo de cadeias fechadas, bem como a análise de sistemas tridimensionais, onde os resultados obtidos com o programa desenvolvido foram comparados, em termos de acurácia e eficiência, com aqueles fornecidos pelo programa comercial ADAMS. Foi realizada ainda uma aplicação do programa a um robô com três graus de liberdade, controlado pela técnica de torque computado, visando ilustrar a possibilidade de integração do programa desenvolvido com o Matlab. Por fim, cabe ressaltar que o intuito do programa implementado é que este sirva como mais uma ferramenta disponível para a análise computacional na área de robótica do Instituto. Contudo, devido à generalidade do programa, capaz de simular sistemas multicorpos além daqueles comumente encontrados no domínio da robótica, é esperado que este sirva para as inúmeras áreas onde a análise computacional de sistemas multicorpos se faz necessária.

Este trabalho compara resultados experimentais e de vários modelos numéricos utilizados para reproduzir uma junta sobreposta, unida por quinze rebites distribuídos em três carreiras. Foram confeccionados modelos numéricos 2D simples, porém significativos, variando e combinando o tipo do elemento para representar os rebites e chapas, até o modelo numérico 3D composto de elementos sólidos, que considera contato e atrito entre as chapas e os rebites. Na modelagem numérica são abordados os principais fundamentos teóricos que influenciam o comportamento deste tipo de junta, assim como, na modelagem matemática, são apresentadas as características e propriedades dos elementos utilizados para representar as chapas, os rebites e o tipo de análise empregada. É descrita a metodologia empregada no ensaio experimental e na simulação computacional. Em seguida, é apresentado e comparado o resultado analítico fazendo uso do modelo da linha neutra, com o resultado numérico para os modelos mais significativos deste trabalho. Por fim é feita uma discussão dos resultados numéricos obtidos, apresentada conclusões e propostas para desenvolvimentos futuros.

Nesta tese, são analisados os efeitos da tração diagonal em vigas reforçadas e de alma plana. Modifica-se o processo analítico de obtenção do ângulo de tração diagonal originalmente proposto na Ref. 1 (aqui denominado Método NACA-TN-2661 ou Método 1). O processo modificado (aqui denominado Método 5) inclui no cálculo do ângulo de tração diagonal considerações que não foram abordadas no Método 1: a) Contribuição da tensão de cisalhamento atuante em um elemento com inclinação na alma; b) Contribuição do efeito da flexão secundária sobre a mesa. Além das considerações acima citadas, a determinação do ângulo é feita aplicando-se o princípio da energia potencial total mínima diretamente sobre o sistema em campo de tração diagonal parcial. A aplicação do Método 5 conduz a resultados diferentes para os valores do ângulo de tração diagonal calculados com o Método 1 e, conseqüentemente, modifica a distribuição de tensões entre os componentes da viga: alma, reforçadores e mesas. Com o Método 1 obtém-se, em alguns casos, valores de tensões superiores àqueles obtidos com o Método 5 (e.g. tensões nos reforçadores), mas inferiores em outras situações (e.g. tensões nas mesas em compressão e na alma). Portanto, durante o dimensionamento e análise de uma viga de alma plana reforçada sob campo de tração diagonal, é necessário avaliar em detalhes, à luz das constatações desta tese, os resultados obtidos com o Método NACA-TN-2661. Recomenda-se a elaboração de ensaios em laboratório visando a validação ou a re-alimentação das evidências teóricas deste trabalho.

Um estudo de otimização para a carga de flambagem em placas de materiais compostos sob combinações de carregamentos incertos é apresentada nesse trabalho. No presente estudo, ao contrário da otimização tradicional de flambagem, os casos de carregamentos aplicados não são fixos, as combinações de carregamentos são assumidas como incertas e são incorporadas como variáveis de projeto na formulação do problema de otimização. Utilizando-se a estratégia minimax mostra-se que para finalidades de otimização com funções-objetivo convexas, como por exemplo, a carga de flambagem, é suficiente considerar apenas as cargas que definem os vértices do conjunto de carregamentos aplicáveis. São consideradas placas retangulares de espessura variável sujeitas a carregamentos mecânicos arbitrários, compressões normais e de cisalhamento, definidos nas extremidades das placas, que operam em uma escala de temperatura dada, gerando tensões residuais térmicas. Observa-se que as placas podem ser altamente sensíveis aos carregamentos térmicos. Supõe-se que a distribuição de carregamento mecânico é arbitrariamente linear por partes e que a temperatura de operação está dentro da escala especificada, sendo as combinações de carregamentos auto-equilibrantes. A consideração de um grau de incerteza nos carregamentos mecânicos fornece projetos ótimos que são insensíveis a perturbações e/ou casualidades nos carregamentos aplicados. Os resultados para casos simples de placas demonstram a eficácia da estratégia proposta e o risco de utilizar projetos de estruturas em material composto sensíveis às variações nos carregamentos térmicos e mecânicos.

O presente trabalho surgiu da necessidade da Embraer de que o aplicativo WSDS (Wing Structure Design System) aumentasse seu nível de aderência ao processo de dimensionamento estrutural de asas realizado na empresa, através de uma análise estrutural mais acurada das espessuras dos painéis de revestimento da asa. Para solucionar esse problema utilizou-se recursos disponíveis no domínio dos Sistemas Especialistas, em uma abordagem de Engenharia Baseada no Conhecimento. Assim, para se armazenar parte do conhecimento da Embraer a respeito de dimensionamento estrutural de uma asa, esse trabalho desenvolveu e implementou o Sistema Baseado no Conhecimento chamado SASP (Structural Analysis of Skin Panels). Esse sistema refina o cálculo da espessura dos painéis de revestimento de uma asa realizado pelo PDO (Preliminary Design Optimization). Foram realizados estudos de caso com asas de duas aeronaves da Embraer. A análise dos resultados obtidos mostrou que há limitações na forma como o módulo PDO do WSDS realiza a busca por uma configuração mais leve para a estrutura da asa. O principal problema encontrado foi a forma como o PDO realiza as distribuições de esforços na seção transversal da baia, que utiliza um retângulo como aproximação da seção transversal das baias da asa. Os estudos de sensibilidade realizados com o SASP indicaram que são necessárias várias iterações para que o sistema alcance resultados mais acurados e que a escolha do correto método de análise do painel de revestimento tem grande influência no resultado final. O presente trabalho contribuiu também para desenvolvimento de um modelo generativo de asa, aproximando o resultado encontrado pelo PDO do resultado real, melhorando a precisão de análises preliminares realizadas pela Embraer.

O objetivo deste trabalho é utilizar a teoria clássica de placas laminadas para determinar a carga de flambagem de placas retangulares engastadas em todas as bordas sujeitas a forças de membrana normais e tangenciais uniformemente distribuídas, sem nenhuma restrição ao esquema de laminação. A análise é baseada no método de Galerkin com diferentes tipos de aproximações, implementada em linguagem MATLAB. A solução é comparada com a dos ábacos do ESDU e do software MSC/NASTRAN.

O presente trabalho trata de uma análise comparativa das diferentes soluções de projeto para painéis de revestimento de asa, tendo como objetivo o projeto preliminar dos painéis de revestimento da asa de um avião militar de treinamento proposto pela Embraer e desenvolvido por um grupo de alunos do Programa de Especialização em Engenharia (PEE). Estudaram-se as três principais soluções de projeto, praticadas atualmente pela indústria aeronáutica: painéis de revestimento de chapa com reforçadores cravados, revestimento usinado com perfis reforçadores integrados e painéis de revestimento de material composto. Todo o desenvolvimento do projeto leva em conta aspectos referentes às características da aeronave, requisitos estruturais (tensões, estabilidade e fadiga), processos de fabricação (peças primárias e montagens), peso, manutenção e etc. As análises estruturais necessárias para a obtenção das dimensões preliminares e concepção inicial dos painéis de revestimento foram baseadas no método de elementos finitos, com o auxilio de diversas ferramentas computacionais específicas.

A determinação dos esforços primários via NASTRAN, ao contrário do que ocorre ao se utilizar a teoria do engenheiro que faz uso extensivo de larguras efetivas de chapa, baseia-se na hipótese de que os painéis não flambam. A redistribuição das tensões ocorre apenas levando-se em conta os efeitos da tração diagonal, enquanto a flambagem dos painéis não é levada em conta neste estudo. Sabendo-se que ao não considerar a flambagem, erros podem ser cometidos, este trabalho realiza uma comparação entre duas análises da estrutura primária: análise usando NASTRAN, levando-se em conta a redistribuição de tensão devido à tração diagonal - sem considerar a flambagem dos painéis; e análise da teoria do engenheiro considerando a flambagem dos painéis, através do uso de larguras e áreas efetivas dos painéis flambados, também se levando em conta a redistribuição de tensões devido à tração diagonal. Aqui se apresenta a questão de como devem ser utilizados os resultados obtidos através de uma análise de uma fuselagem semi-monocoque pelo NASTRAN, face ao fato de que existe a possibilidade real de flambagem de chapas dessa estrutura.

O objetivo deste trabalho é desenvolver uma metodologia analítica implementada em computador para a determinação das tensões atuantes e a análise preliminar da estrutura principal de ligação asa-fuselagem. Um estudo de caso para um avião de referência é apresentado. No caso apresentado, o wing-stub é subdividido em duas seções, transversal e longitudinal. As seções carregam forças da fuselagem e da asa, as quais são independentemente consideradas. O envelope de cargas utilizado é aquele de um avião similar. Planilhas interativas e interdependentes são utilizadas para obtenção das tensões no wing-stub e para a verificação da estabilidade estrutural dos painéis reforçados da estrutura. O wing-stub do avião de referência é do tipo totalmente molhado, com longarinas, painéis superior e inferior com reforçadores sem flange e nervuras internas construídas em placas planas. A análise preliminar proposta neste trabalho não considera furos para alívio de peso e alocação de sistemas.