Estágio realizado no INEGI e orientado pelo Eng.º P. J. R. O. Nóvoa / Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Compósitos de matriz polimérica reforçados com fibra de boro, de vidro, de aramida e de carbono estão sendo progressivamente empregados em aeronaves, mísseis e veículos espaciais com o intuito de reduzir massa e aumentar a estabilidade dimensional destas peças em diferentes faixas de temperatura e resistência ao impacto. Há uma crescente necessidade em aplicações civis e militares para materiais compósitos os quais tem características estruturais excelentes, aliada à boa resistência à penetração e alongamento após impacto. Este trabalho teve por finalidade mostrar quais são os principais materiais compósitos, aplicados em painéis balísticos, as principais técnicas de processamento e avaliar sua resistência ao impacto. Um exemplo prático de aplicação foi estudado analisando propriedades balísticas e de resistência à penetração de painéis utilizados para blindagem da porta de acesso à cabine dos pilotos de aeronaves de passageiros. Além do requisito balístico a porta tem a menor massa possível, pois se utilizou materiais compósitos de ultima geração como painel balístico laminado e autoclavado apresentando alta elongação e alto teor de fibras. Foi demonstrado quais materiais, processos de fabricação e ensaios foram utilizados para confecção do modelo de porta reforçada que hoje está em produção e equipando aeronaves comerciais nos quatro cantos do mundo.

Neste trabalho é desenvolvido um modelo de blindagem balística mista composta por uma parte cerâmica (alumina), e uma parte de compósito (polietileno de ultra alto peso molecular). Paralelamente, também foi modelada a munição à qual a blindagem objetiva proteger. O modelo foi aplicado a alvos compostos somente da base de polietileno de ultra alto peso molecular, e a alvos mistos contendo cerâmica e compósito. Quando a blindagem apresentou uma V50, velocidade com 50% de chance de penetração, da ordem de 700m/s, a simulação obteve erros inferiores a 5%. Já quando a blindagem apresentou uma V50 mais baixa, cerca de 500m/s, a simulação obteve erros maiores, superiores a 15%, mas mesmo assim foi possível prever que a blindagem não era eficiente para esse tipo de solicitação.

Uma das preocupações entre os fabricantes de aeronaves e motores refere-se falhas não contidas de rotor de turbina com liberação de fragmentos. Esses fragmentos são liberados com altos valores de velocidade e energia colocando em risco a segurança da aeronave. Este trabalho tem por objetivo analisar e desenvolver um painel blindado para proteção dos sistemas e ocupantes de uma aeronave contra fragmentos provenientes desse tipo de falha. O modelo de motor considerado é o turbofan, por ser o tipo de motor mais empregado em avião comercial. As características dos fragmentos são definidas conforme o guia FAA AC 20-128A. São analisadas diversas classes de materiais utilizadas em blindagem balística. O material escolhido deveria permitir obter um painel de proteção de baixo custo e peso e bom desempenho balístico. Com base nesses requisitos o material escolhido é a vitro-cerâmica, onde constituída por uma composição de painel blindado para o sistema vidro lítio e outra composição para o sistema vidro cálcio. Para que fosse definido que tipo de fragmento este painel blindado deveria suportar foram calculadas a massa, velocidade e energia dos fragmentos, onde foi definido que o fragmento a ser considerado seria o do tipo pequeno. Para testar a eficiência do painel blindado construído em vitro-cerâmica, foram realizados ensaios de impacto balístico conforme a norma MIL-STD-662F. Para simular o pequeno fragmento foi utilizado um projétil balístico de calibre 7,62 x 51 mm FMJ. O ensaio de impacto permitiu calcular a velociade V50 do projétil usado com modelo de fragmento. Com a velocidade V50 calculou-se a energia de impacto do simulador de fragmento contra o painel de proteção desenvolvido. A energia de impacto calculada para o projétil foi então comparada com a energia de impacto calculada para o pequeno fragmento. Conclui-se que o painel de proteção fabricado em vitro-cerâmica seria capaz de suportar o impacto da grande maioria dos pequenos fragmentos possível de serem liberado em caso de falha do motor.

Este trabalho apresenta o modelamento da resposta dinâmica do concreto armado, quando impactado por projéteis cônicos, ogivais e semi-esféricos, utilizando-se o Método de Elementos Finitos. Foram utilizados os modelos de material JH2 e Johnson-Cook para modelar o comportamento do concreto e do projétil, respectivamente. Foram utilizados resultados da literatura para validação do modelo para velocidades de impacto na faixa de 381 a 1058 m/s. Foi desenvolvido ainda um aparato de ensaios para validar o modelo para impactos na ordem de 240 m/s, utilizando-se câmeras de alta velocidade para medir o ângulo, velocidade de impacto e velocidade residual. O modelo conseguiu, de forma satisfatória, prever as velocidades residuais.

Compósitos híbridos polímero/cerâmica têm sido bastante utilizados em painéis de blindagem balística por serem materiais que possuem capacidade de absorver impactos de alta velocidade. A eficiência de absorver impactos sucessivos e a extensão dos danos colaterais do impacto está relacionada a diversos fatores entre eles, um que tem um papel fundamental, é a interface da camada cerâmica com a camada polimérica. A natureza do adesivo utilizado e das interações estabelecidas, aliada a força de adesão e, as morfologias da camada interfacial, entre outras variáveis, podem determinar a intensidade da propagação de energia residual. Estes fatos podem afetar os modos de fragmentação da cerâmica, a capacidade do material resistir a um segundo impacto e, sobretudo interferir no tamanho e na geometria do cone residual resultante da deformação plástica da camada polimérica. Neste trabalho, analisa-se a influência da interface adesiva no desempenho balístico de materiais híbridos constituídos de compósito de fibras de polietileno de ultra-alta massa molar (UHMWPE) /matriz polimérica (Dyneema ), tecido de fibras de aramida (Kevlar ) e a cerâmica alumina. São avaliados adesivos de natureza química distinta, à base de poliuretano, epóxi e silano. A alumina é preparada e caracterizada por ensaios de massa específica, resistência à flexão, dureza Vickers, difração de raios X e Microscopia eletrônica de varredura (MEV), cujos resultados indicam que a mesma possui propriedades adequadas para aplicação balística. A caracterização da interface adesiva é realizada por meio do teste de resistência ao despelamento (T-Peel) e a superfície pós-teste é caracterizada por microscopia óptica e espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR). Estes testes ressaltam que no compósito utilizando Dyneema , a resistência ao despelamento foi parecida para todos os adesivos utilizados indicando que o rompimento ocorre entre as camadas do substrato polimérico. Já para as amostras com Kevlar , o adesivo PU hot melt apresenta maior adesão enquanto que o adesivo a base de silano é o menos eficiente dentre os utilizados. Ensaios balísticos foram realizados em painéis montados com adesivos selecionados no ensaio de adesão: PU hot melt (maior aderência), silano (menor aderência) e epóxi (intermediária). O desempenho dos painéis balísticos, no que diz respeito à extensão dos danos colaterais, varia de acordo com os adesivos utilizados. A força adesiva, assim como a rigidez do adesivo, influencia na transferência de energia de impacto e consequentemente nas dimensões da deformação da camada posterior e na integridade da placa cerâmica adjacente à que sofreu o impacto.

Neste trabalho foi realizado um estudo numérico e experimental da resistência ao impacto de laminados compósitos carbono/epóxi quando sujeitos aos efeitos da curvatura e pressão interna simultaneamente. Este projeto pode ser dividido em três partes principais: (i) Desenvolvimento de modelos numéricos que permitam prever o comportamento de cascas laminadas internamente pressurizadas sujeitas a cargas de impacto; (ii) Projeto, fabricação e integração de um câmara de pressurização à torre de impacto em queda-livre disponível no Laboratório de Estruturas Aeroespaciais do ITA; e (iii) os ensaios de impacto com diferentes curvaturas e níveis de pressurização interna para validação dos modelos numéricos. Os modelos numéricos foram desenvolvidos utilizando o ABAQUS 6.10-1 no modo "Dynamic Explicit" sendo considerada a degradação do material e seus modos de falha através do uso de modelos constitutivos de dano. O carregamento de impacto no corpo de prova (CDP) foi aplicado utilizando uma torre de impacto em queda livre instrumentada e existente no Laboratório de Estruturas Aeroespaciais do ITA. A partir dos resultados experimentais os modelos numéricos foram validados. Com base nos resultados encontrados ficou clara a importância de se considerar modos de falha como delaminação e a pressurização interna para uma representação numérica qualitativa de estruturas aeronáuticas de material compósito sujeitas a carregamentos de impacto.

This work investigates the numerical prediction of the compression after impact behavior of woven composite laminates. Intralaminar and interlaminar damage prediction of the composites lay-ups are evaluated using a proposed damage model implemented as user defined material on ABAQUS Explicit multipurpose FEM code. The numerical models are developed using finite elements method with two different modeling approaches. The Single Shell Model (SSM) used only shell elements to model the laminates and the delamination effects are neglected. To add the delamination effects on the numerical model the Split Shell Model (SpSM) is developed using a delamination contact-logic to predict the out-of-plane effects using the shell elements to model the sub-laminates. An experimental programme is carried out to validate the proposed damage modeling methodology. The proposed damage model and the modeling methodologies prove to be capable of reproducing experimental results with good accuracy for the impact tests and Compression After Impacts (CAI) tests.

Este trabalho apresenta uma caracterização experimental dos efeitos da curvatura e pressurização na resistência residual de laminados compósitos submetidos à compressão após impacto (Compression After Impact - CAI). Laminados de carbono epóxi foram fabricados com três diferentes curvaturas (k=0,01 m-1, k=0,005 m-1, k=0 m-1) e posteriormente impactados em três diferentes níveis de energias denominadas (baixa, média e alta). Os ensaios de impacto foram realizados no laboratório de estruturas aeronáuticas do ITA utilizando uma torre de impacto em queda livre. Após os ensaios de impacto os laminados forma inspecionados com tecnologia ultrassônica a fim de caracterizar o dano. Um dispositivo de CAI foi projetado e fabricado para avaliar a tolerância ao dano dos laminados compósitos submetidos a cargas de impacto. Os resultados experimentais indicam que a resistência residual à compressão dos laminados curvos foi significamente afetada pela curvatura do laminado. Modelos teóricos foram propostos para prever a resistência residual a compressão após impacto e validados com os resultados experimentais.

O presente trabalho tem o objetivo de auxiliar os especialistas em análise de falhas de filamento das lâmpadas incandescentes de tungstênio, usada em painel de múltiplo alarme de aeronaves. Este estudo foi embasado em sete ensaios realizados em lâmpadas incandescentes modelo 327, em laboratórios. Foram realizados ensaios de envelhecimento do filamento das lâmpadas, Espectrometria da Energia Dispersiva de Raio - X, Alta tensão, Vibração, Impacto, Esterioscópico óptico e Microscópico Eletrônico de Varredura. Esses ensaios foram de extrema importância para dar base para responder qual (is) as lâmpadas estavam acesas ou apagadas após impacto. Descreve e ilustram lâmpadas elétricas quentes e frias, novas e envelhecidas, sujeitas a impactos controlados, que simulam o choque da aeronave. Todos os instrumentos utilizados foram calibrados antes da realização dos mesmos. Após análise realizadas nos filamentos, foram definidos padrões de lâmpadas em diversas condições para estabelecer qual (is) estavam (acesas ou apagadas) no circuito do sistema no momento do impacto.