Recent improvements in manufacturing processes and materials properties associated with excellent mechanical characteristics and low weight have became composite materials very attractive for application on civil aircraft structures. However, even new designs are still very conservative, because the composite structure failure phenomena are very complex. Several failure criteria and theories have been developed to describe the damage process and how it evolves, but the solution of the problem is still open. Moreover, modern manufacturing processes, e.g. filament winding, have been used to produce a wide variety of structural shapes. Therefore, this work presents the development of a damage model and its application to simulate the progressive failure of flat composite laminates as well as for composite cylinders made by filament winding process. The proposed damage model has been implemented as a UMAT (User Material Subroutine) and VUMAT (User Material Subroutine for explicit simulations), which were linked to ABAQUSTM Finite Element (FE) commercial package. Progressive failure analyses have been carried out using FE Method in order to simulate the failure of filament wound composite structures under different quasi-static and impact loading conditions. In addition, experiments have been performed not only to identify parameters related to the material model but also to evaluate both the potentialities and the limitations of the proposed model. / As recentes melhorias nos processos de fabricação e nas propriedades dos materiais associadas a excelentes características mecânicas e baixo peso tornam os materiais compósitos muito atrativos para aplicação em estruturas aeronáuticas. No entanto, mesmo novos projetos, ainda são muito conservadores, pois os fenômenos de falha dos compósitos são muito complexos. Vários critérios e teorias de falha têm sido desenvolvidos para descrever o processo de dano e sua evolução, mas a solução do problema ainda está em aberto. Além disso, técnicas modernas de fabricação, como o enrolamento filamentar (filament winding) vêm sendo utilizadas para produzir uma ampla variedade de formas estruturais. Assim, este trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo de dano e a sua aplicação para simular a falha progressiva de estruturas planas e cilíndricas fabricadas em material compósito através do processo de filament winding. O modelo de dano proposto foi implementado como sub-rotinas em linguagem FORTRAN (UMAT-User Material Subroutine e, VUMAT-User Material Subroutine para simulações explícitas), que foram compiladas junto ao programa comercial de Elementos Finitos ABAQUSTM. Várias análises numéricas foram realizadas via elementos finitos, a fim de prever a falha dessas estruturas de material compósito sob diferentes condições de carregamentos quase-estáticos e de impacto. Além disso, vários ensaios experimentais foram realizados, a fim de identificar os parâmetros relacionados com o modelo de material, bem como avaliar as potencialidades e as limitações do modelo proposto.

Recentes melhorias nos processos de fabricação e nas propriedades dos materiais associadas a excelentes características mecânicas e baixo peso tornaram os materiais compósitos muito atrativos para aplicação em estruturas aeronáuticas. No entanto, mesmo novos projetos ainda são muito conservadores, pois os fenômenos de falha dos compósitos são muito complexos. Então, é estratégico entender melhor, bem como prever esses complexos mecanismos de falha, desenvolvendo modelos de materiais mais precisos que venham a diminuir o número de ensaios experimentais, gerando rapidez e economia aos projetos estruturais. Assim, este trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo de material baseado na Mecânica do Dano Contínuo para simular a falha progressiva de estruturas laminadas de carbono/epóxi quando submetidas a carregamentos quase estáticos e de impacto. Várias análises numéricas foram realizadas via elementos finitos, a fim de prever a falha dessas estruturas de material compósito sob essas solicitações. O modelo de dano proposto foi implementado como sub-rotinas em linguagem FORTRAN (UMAT-User Material Subroutine e, VUMAT-User Material Subroutine para simulações explícitas), que foram compiladas junto ao programa comercial de Elementos Finitos ABAQUSTM. Além disso, ensaios experimentais foram realizados, a fim de calibrar parâmetros relacionados ao modelo de material, bem como avaliar as potencialidades e as limitações do modelo de material proposto. / Recent improvements in manufacturing processes and material properties associated to excellent mechanical characteristics and low weight have become composite materials very attractive for application on civil aircraft structures. However, even new designs are still very conservative, because the composite structure failure phenomena are very complex. So, it is strategic to known better and to predict these complex failure mechanisms, developing more accuracy material models, which reduce the number of experimental tests, inducing a fast and economic structural design. Thus, this work show the development of a material model based on Continuum Damage Mechanics to simulate the progressive failure of carbon/epoxy laminate structures under quasi-static and impact loadings. Several numerical analyses were performed via Finite Element Method in order to predict the damage on composite structures under these conditions. The proposed damage model was implemented as a UMAT (User Material Subroutine) and VUMAT (User Material Subroutine for explicit simulations), which were linked to ABAQUSTM. Moreover, experiments were carried out in order to calibrate the material model parameters and to evaluate the potentialities and limitation of the proposed material model, as well.

Recent improvements in manufacturing processes and materials properties associated with excellent mechanical characteristics and low weight have became composite materials very attractive for application on civil aircraft structures. However, even new designs are still very conservative, because the composite structure failure phenomena are very complex. Several failure criteria and theories have been developed to describe the damage process and how it evolves, but the solution of the problem is still open. Moreover, modern manufacturing processes, e.g. filament winding, have been used to produce a wide variety of structural shapes. Therefore, this work presents the development of a damage model and its application to simulate the progressive failure of flat composite laminates as well as for composite cylinders made by filament winding process. The proposed damage model has been implemented as a UMAT (User Material Subroutine) and VUMAT (User Material Subroutine for explicit simulations), which were linked to ABAQUSTM Finite Element (FE) commercial package. Progressive failure analyses have been carried out using FE Method in order to simulate the failure of filament wound composite structures under different quasi-static and impact loading conditions. In addition, experiments have been performed not only to identify parameters related to the material model but also to evaluate both the potentialities and the limitations of the proposed model. / As recentes melhorias nos processos de fabricação e nas propriedades dos materiais associadas a excelentes características mecânicas e baixo peso tornam os materiais compósitos muito atrativos para aplicação em estruturas aeronáuticas. No entanto, mesmo novos projetos, ainda são muito conservadores, pois os fenômenos de falha dos compósitos são muito complexos. Vários critérios e teorias de falha têm sido desenvolvidos para descrever o processo de dano e sua evolução, mas a solução do problema ainda está em aberto. Além disso, técnicas modernas de fabricação, como o enrolamento filamentar (filament winding) vêm sendo utilizadas para produzir uma ampla variedade de formas estruturais. Assim, este trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo de dano e a sua aplicação para simular a falha progressiva de estruturas planas e cilíndricas fabricadas em material compósito através do processo de filament winding. O modelo de dano proposto foi implementado como sub-rotinas em linguagem FORTRAN (UMAT-User Material Subroutine e, VUMAT-User Material Subroutine para simulações explícitas), que foram compiladas junto ao programa comercial de Elementos Finitos ABAQUSTM. Várias análises numéricas foram realizadas via elementos finitos, a fim de prever a falha dessas estruturas de material compósito sob diferentes condições de carregamentos quase-estáticos e de impacto. Além disso, vários ensaios experimentais foram realizados, a fim de identificar os parâmetros relacionados com o modelo de material, bem como avaliar as potencialidades e as limitações do modelo proposto.

Recentes melhorias nos processos de fabricação e nas propriedades dos materiais associadas a excelentes características mecânicas e baixo peso tornaram os materiais compósitos muito atrativos para aplicação em estruturas aeronáuticas. No entanto, mesmo novos projetos ainda são muito conservadores, pois os fenômenos de falha dos compósitos são muito complexos. Então, é estratégico entender melhor, bem como prever esses complexos mecanismos de falha, desenvolvendo modelos de materiais mais precisos que venham a diminuir o número de ensaios experimentais, gerando rapidez e economia aos projetos estruturais. Assim, este trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo de material baseado na Mecânica do Dano Contínuo para simular a falha progressiva de estruturas laminadas de carbono/epóxi quando submetidas a carregamentos quase estáticos e de impacto. Várias análises numéricas foram realizadas via elementos finitos, a fim de prever a falha dessas estruturas de material compósito sob essas solicitações. O modelo de dano proposto foi implementado como sub-rotinas em linguagem FORTRAN (UMAT-User Material Subroutine e, VUMAT-User Material Subroutine para simulações explícitas), que foram compiladas junto ao programa comercial de Elementos Finitos ABAQUSTM. Além disso, ensaios experimentais foram realizados, a fim de calibrar parâmetros relacionados ao modelo de material, bem como avaliar as potencialidades e as limitações do modelo de material proposto. / Recent improvements in manufacturing processes and material properties associated to excellent mechanical characteristics and low weight have become composite materials very attractive for application on civil aircraft structures. However, even new designs are still very conservative, because the composite structure failure phenomena are very complex. So, it is strategic to known better and to predict these complex failure mechanisms, developing more accuracy material models, which reduce the number of experimental tests, inducing a fast and economic structural design. Thus, this work show the development of a material model based on Continuum Damage Mechanics to simulate the progressive failure of carbon/epoxy laminate structures under quasi-static and impact loadings. Several numerical analyses were performed via Finite Element Method in order to predict the damage on composite structures under these conditions. The proposed damage model was implemented as a UMAT (User Material Subroutine) and VUMAT (User Material Subroutine for explicit simulations), which were linked to ABAQUSTM. Moreover, experiments were carried out in order to calibrate the material model parameters and to evaluate the potentialities and limitation of the proposed material model, as well.