A análise de compósitos laminados apresenta grandes desafios, pois, diferentemente dos materiais isotrópicos homogêneos, os compósitos laminados são constituídos de materiais heterogêneos e anisotrópicos. Além disso, as distribuições de tensões interlaminares obtidas com as formulações convencionais são descontínuas e imprecisas. Sua melhoria, portanto, é imprescindível para buscar e modelar critérios de falha relacionados às estruturas formadas por compósitos laminados. Diante disso, este trabalho se concentrou no desenvolvimento e implementação computacional de um elemento finito posicional de pórtico plano laminado cuja cinemática é descrita ao longo da espessura do laminado de acordo com a teoria Layerwise. A formulação do elemento considera a não linearidade geométrica, originada pela ocorrência de grandes deslocamentos e rotações, e admite deformações moderadas, em função da lei constitutiva de Saint-Venant-Kirchhoff. O desenvolvimento deste trabalho se iniciou com uma preparação teórica sobre mecânica dos sólidos deformáveis e métodos numéricos para que fossem adquiridos os subsídios teóricos necessários ao desenvolvimento de códigos computacionais, à interpretação dos resultados e à tomada de decisões quando das análises numéricas. A formulação desenvolvida é Lagrangiana total com emprego do método dos elementos finitos baseado em posições. Inicialmente o elemento finito posicional de pórtico plano homogêneo é proposto, uma vez que sua cinemática possibilita uma expansão natural para o caso laminado. Os graus de liberdade são compostos por posições nodais e por vetores generalizados que representam o giro e a variação na altura da seção transversal. A eficiência do elemento é constatada através de análises realizadas em problemas de pórtico sujeitos a grandes deslocamentos e rotações. Os resultados obtidos apresentaram excelente concordância com soluções numéricas e analíticas disponíveis na literatura. Uma expansão natural da cinemática é empregada na formulação do elemento laminado. Os graus de liberdade do elemento são as posições nodais e as componentes de vetores generalizados associados às seções transversais de cada lâmina. Dessa forma, as lâminas têm liberdade para variação de espessura e giro independente das demais, mas com as posições compatibilizadas nas interfaces. Os resultados de análises numéricas realizadas em vários exemplos demonstram a eficiência da formulação proposta, pois as distribuições de deslocamentos e tensões ao longo da espessura do laminado apresentaram excelente concordância com as obtidas a partir de análises numéricas utilizando um elemento finito bidimensional em uma discretização bastante refinada. Os exemplos analisados contemplam problemas com seção laminada fina ou espessa. / The analysis of laminated composites presents challenges because, unlike homogeneous isotropic materials, the laminated composites are made up of heterogeneous and anisotropic materials. Moreover, the distribution of interlaminar stresses obtained with conventional formulations are discontinuous and inaccurate. His improvement is therefore essential to check and modeling failure criteria related to structures formed by laminates. Thus, this work focused on developing and computational implementation of a positional finite element of laminated plane frame whose kinematics is described throughout the thickness of the laminate according to Layerwise theory. The formulation element considers the geometric nonlinearity, caused by the occurrence of large displacements and rotations, and admits moderate deformation, in the constitutive law function of Saint-Venant-Kirchhoff. The development of this work began with a theoretical preparation on mechanics of deformable solids and numerical methods for the acquired of the theoretical support needed for the development of computational codes, interpretation of results and decision-making when of the numerical analyzes. The developed formulation is total Lagrangian with use of the finite element method based on positions. Initially the positional finite element of homogeneous plane frame is proposed, since their kinematic enables a natural expansion for the laminate case. The degrees of freedom are composed of nodal positions and generalized vectors representing the spin and the variation in the height of the cross section. The efficiency of the element is verified through analyzes performed in frame problems subject to large displacements and rotations. The results showed excellent agreement with numerical and analytical solutions available in the literature. A natural expansion of the kinematics is used in the formulation of the laminate element. The degrees of freedom of the element are the nodal positions and components of the generalized vectors associated to cross-sections of each lamina. Thus, the laminas are free for the thickness variation and for independent spin, but with the positions matched in the interfaces. The results of numerical analysis performed in various examples show the effectiveness of the proposed formulation, since the distributions of displacements and stresses through the thickness of the laminate agreed well with those obtained from numerical analysis using a discretization with two-dimensional finite elements in a very refined. The examples discussed include problems with thin or thick laminated section.

A análise de compósitos laminados apresenta grandes desafios, pois, diferentemente dos materiais isotrópicos homogêneos, os compósitos laminados são constituídos de materiais heterogêneos e anisotrópicos. Além disso, as distribuições de tensões interlaminares obtidas com as formulações convencionais são descontínuas e imprecisas. Sua melhoria, portanto, é imprescindível para buscar e modelar critérios de falha relacionados às estruturas formadas por compósitos laminados. Diante disso, este trabalho se concentrou no desenvolvimento e implementação computacional de um elemento finito posicional de pórtico plano laminado cuja cinemática é descrita ao longo da espessura do laminado de acordo com a teoria Layerwise. A formulação do elemento considera a não linearidade geométrica, originada pela ocorrência de grandes deslocamentos e rotações, e admite deformações moderadas, em função da lei constitutiva de Saint-Venant-Kirchhoff. O desenvolvimento deste trabalho se iniciou com uma preparação teórica sobre mecânica dos sólidos deformáveis e métodos numéricos para que fossem adquiridos os subsídios teóricos necessários ao desenvolvimento de códigos computacionais, à interpretação dos resultados e à tomada de decisões quando das análises numéricas. A formulação desenvolvida é Lagrangiana total com emprego do método dos elementos finitos baseado em posições. Inicialmente o elemento finito posicional de pórtico plano homogêneo é proposto, uma vez que sua cinemática possibilita uma expansão natural para o caso laminado. Os graus de liberdade são compostos por posições nodais e por vetores generalizados que representam o giro e a variação na altura da seção transversal. A eficiência do elemento é constatada através de análises realizadas em problemas de pórtico sujeitos a grandes deslocamentos e rotações. Os resultados obtidos apresentaram excelente concordância com soluções numéricas e analíticas disponíveis na literatura. Uma expansão natural da cinemática é empregada na formulação do elemento laminado. Os graus de liberdade do elemento são as posições nodais e as componentes de vetores generalizados associados às seções transversais de cada lâmina. Dessa forma, as lâminas têm liberdade para variação de espessura e giro independente das demais, mas com as posições compatibilizadas nas interfaces. Os resultados de análises numéricas realizadas em vários exemplos demonstram a eficiência da formulação proposta, pois as distribuições de deslocamentos e tensões ao longo da espessura do laminado apresentaram excelente concordância com as obtidas a partir de análises numéricas utilizando um elemento finito bidimensional em uma discretização bastante refinada. Os exemplos analisados contemplam problemas com seção laminada fina ou espessa. / The analysis of laminated composites presents challenges because, unlike homogeneous isotropic materials, the laminated composites are made up of heterogeneous and anisotropic materials. Moreover, the distribution of interlaminar stresses obtained with conventional formulations are discontinuous and inaccurate. His improvement is therefore essential to check and modeling failure criteria related to structures formed by laminates. Thus, this work focused on developing and computational implementation of a positional finite element of laminated plane frame whose kinematics is described throughout the thickness of the laminate according to Layerwise theory. The formulation element considers the geometric nonlinearity, caused by the occurrence of large displacements and rotations, and admits moderate deformation, in the constitutive law function of Saint-Venant-Kirchhoff. The development of this work began with a theoretical preparation on mechanics of deformable solids and numerical methods for the acquired of the theoretical support needed for the development of computational codes, interpretation of results and decision-making when of the numerical analyzes. The developed formulation is total Lagrangian with use of the finite element method based on positions. Initially the positional finite element of homogeneous plane frame is proposed, since their kinematic enables a natural expansion for the laminate case. The degrees of freedom are composed of nodal positions and generalized vectors representing the spin and the variation in the height of the cross section. The efficiency of the element is verified through analyzes performed in frame problems subject to large displacements and rotations. The results showed excellent agreement with numerical and analytical solutions available in the literature. A natural expansion of the kinematics is used in the formulation of the laminate element. The degrees of freedom of the element are the nodal positions and components of the generalized vectors associated to cross-sections of each lamina. Thus, the laminas are free for the thickness variation and for independent spin, but with the positions matched in the interfaces. The results of numerical analysis performed in various examples show the effectiveness of the proposed formulation, since the distributions of displacements and stresses through the thickness of the laminate agreed well with those obtained from numerical analysis using a discretization with two-dimensional finite elements in a very refined. The examples discussed include problems with thin or thick laminated section.

Composite laminates are being more employed as fundamental structures due to its low weight and high stiffness. An example of this innovation is the primary structures of modern aircraft, which are lighter than the material formerly used. To predict the material response as load gradually increases can be quite demanding due to composite\'s complex failure mechanism. Hence superior computational models should be further investigated to precisely predict the mechanical behavior of composite media. This dissertation addresses an extended finite element procedure based on the layerwise displacement theory to simulate purely mode I delamination failure in composite laminates. The present model has the potential to perform structural analyzes in a pre-delaminated structure and also considering progressive failure. The type of element to be employed at the discretion of the model is the rectangular 4-node iso-parametric homogeneous element whose displacement field is approximated based in the layerwise theory. There are four types of degrees of freedom, one displacement in each direction, and one degree of freedom associated to the strong discontinuity. Numerical examples already solved in the bibliography are suggested in this dissertation, which demonstrate the potential of the model developed to accurately simulate pure mode I delamination in case of the investigation here is further elaborated. In addition, one possibility of future development of this dissertation is the modeling of fracture mode I without the need to discretize the cohesive planes as realized in traditional Cohesive Zone Methods. / Compósitos laminados estão sendo mais empregados como estruturas fundamentais devido ao seu baixo peso e alta rigidez. Um exemplo dessa inovação são as estruturas primárias das aeronaves modernas, que são mais leves do que as os materiais empregados antigamente. Prever a resposta do material à medida que a carga aumenta gradualmente pode ser difícil devido ao complexo mecanismo de falha dos compósitos. Portanto, modelos computacionais mais refinados devem ser investigados a fim de se prever um comportamento mecânico mais preciso. Esta dissertação aborda um procedimento de elementos finitos estendido baseado na teoria de deslocamento layerwise para simular falhas de delaminação modo I em laminados compósitos. O modelo abordado tem potencial para realizar análises em uma estrutura prédelaminada além de falha progressiva. O tipo de elemento a ser empregado na discrição do modelo é o isoparamétrico, homogêneo de 4 nós, retangular, e o campo de deslocamento é baseado na teoria layerwise. Existem quatro tipos de graus de liberdade, um deslocamento em cada direção, e um grau de liberdade associado à forte. Sugere-se nesse trabalho, exemplos, que são comparados com a bibliografia, e que apontam que o modelo desenvolvido nesta dissertação tem o potencial de simular o fenômeno de delaminação em modo I com acurácia, caso o estudo nessa dissertação seja estendido. Além disso, uma possibilidade de desenvolvimento futuro desse trabalho é a modelagem da fratura modo I sem a necessidade de discretizar os planos coesivos entre as lâminas, como realizado em métodos coesivos tradicionais.

Composite laminates are being more employed as fundamental structures due to its low weight and high stiffness. An example of this innovation is the primary structures of modern aircraft, which are lighter than the material formerly used. To predict the material response as load gradually increases can be quite demanding due to composite\'s complex failure mechanism. Hence superior computational models should be further investigated to precisely predict the mechanical behavior of composite media. This dissertation addresses an extended finite element procedure based on the layerwise displacement theory to simulate purely mode I delamination failure in composite laminates. The present model has the potential to perform structural analyzes in a pre-delaminated structure and also considering progressive failure. The type of element to be employed at the discretion of the model is the rectangular 4-node iso-parametric homogeneous element whose displacement field is approximated based in the layerwise theory. There are four types of degrees of freedom, one displacement in each direction, and one degree of freedom associated to the strong discontinuity. Numerical examples already solved in the bibliography are suggested in this dissertation, which demonstrate the potential of the model developed to accurately simulate pure mode I delamination in case of the investigation here is further elaborated. In addition, one possibility of future development of this dissertation is the modeling of fracture mode I without the need to discretize the cohesive planes as realized in traditional Cohesive Zone Methods. / Compósitos laminados estão sendo mais empregados como estruturas fundamentais devido ao seu baixo peso e alta rigidez. Um exemplo dessa inovação são as estruturas primárias das aeronaves modernas, que são mais leves do que as os materiais empregados antigamente. Prever a resposta do material à medida que a carga aumenta gradualmente pode ser difícil devido ao complexo mecanismo de falha dos compósitos. Portanto, modelos computacionais mais refinados devem ser investigados a fim de se prever um comportamento mecânico mais preciso. Esta dissertação aborda um procedimento de elementos finitos estendido baseado na teoria de deslocamento layerwise para simular falhas de delaminação modo I em laminados compósitos. O modelo abordado tem potencial para realizar análises em uma estrutura prédelaminada além de falha progressiva. O tipo de elemento a ser empregado na discrição do modelo é o isoparamétrico, homogêneo de 4 nós, retangular, e o campo de deslocamento é baseado na teoria layerwise. Existem quatro tipos de graus de liberdade, um deslocamento em cada direção, e um grau de liberdade associado à forte. Sugere-se nesse trabalho, exemplos, que são comparados com a bibliografia, e que apontam que o modelo desenvolvido nesta dissertação tem o potencial de simular o fenômeno de delaminação em modo I com acurácia, caso o estudo nessa dissertação seja estendido. Além disso, uma possibilidade de desenvolvimento futuro desse trabalho é a modelagem da fratura modo I sem a necessidade de discretizar os planos coesivos entre as lâminas, como realizado em métodos coesivos tradicionais.