Tese de doutoramento. Engenharia Civil. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2013

A presente dissertação trata do projeto de um motor de combustão interna de quatro tempos, ciclo Otto, destinado à categoria de competição Formula SAE, adequado ao mercado brasileiro. Uma extensa pesquisa bibliográfica e de mercado foi realizada para o direcionamento do projeto, além de análises experimentais para obtenção de dados. No estudo experimental foi utilizado um motor monocilíndrico de 300 cc de deslocamento volumétrico, arrefecido a ar, oriundo de uma motocicleta comercial atual, denominado nesta dissertação como \"motor base\". Esse motor foi instalado em uma bancada de dinamômetro e instrumentado de forma a permitir sua avaliação mecânica e termodinâmica. Estudos de desempenho, análises de combustão e emissões também foram realizados, incluindo utilização de etanol, variações da razão ar/combustível e sobrealimentação. Igualmente, foram feitos ensaios experimentais de componentes específicos utilizados no projeto. Os dados experimentais foram utilizados como parâmetros para o projeto mecânico do novo motor Formula SAE, e para a modelagem e simulação do motor base em fluidodinâmica computacional unidimensional (CFD-1D), que foi utilizada como ferramenta auxiliar do projeto. O escopo do projeto mecânico do motor foi restrito ao bloco, virabrequim e alguns componentes de integração, uma vez que todos os demais componentes foram extraídos do motor base e de outros motores presentes no mercado nacional. O motor Formula SAE foi projetado em ambiente computacional (CAD), sendo que para o projeto mecânico do bloco e virabrequim foram realizadas simulações computacionais estruturais, utilizando o método dos elementos finitos (FEA), para verificação da distribuição de tensões nos componentes projetados. O novo motor Formula SAE apresentou vantagens significativas em relação aos custos para aquisição de peças de montagem e reposição, e proporcionou flexibilidade de montagem e operação. / The present dissertation addresses the design of a 4 stroke Otto cycle internal combustion engine dedicated to Formula SAE student program and fitted to the Brazilian market. An extensive literature review and a market benchmark were performed, in order to provide guidance to the project, and experimental analysis for data acquisition. For the experimental study, a 300 cm3 single cylinder air cooled motorcycle engine has been used, taken from a motorcycle currently in production, available in Brazilian market, called in this dissertation as \"base engine\". This engine has been installed in a dynamometer test bench and instrumented in order to allow its mechanical and thermodynamic evaluation. Performance, combustion and emissions analysis were also performed, including ethanol fueling, air/fuel ratio variation and supercharging. Experimental tests with specific engine components were performed to provide necessary design data. The experimental data were used as input parameters for the mechanical design, as well as for modeling and simulation of the base engine on one-dimensional computer fluid dynamics, which was used as an auxiliary tool for this project. The scope of mechanical design of this engine was restrict to the crankcase, crankshaft and some assembly components, since all other components were taken from the base engine and other engines from the national market. The design was assisted by computer aided design (CAD). In order to verify the crankcase and crankshaft mechanical design regarding stress distribution, computational structural analysis have been performed using the finite element method (FEA). The new Formula SAE engine presented significant advantages regarding purchasing costs of parts for assembly and maintenance, and provided assembly and operation flexibility.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:09:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2753.pdf: 5217992 bytes, checksum: f3ca3f9cd800720bf9f0cd2b55cac8bc (MD5) Previous issue date: 2009-11-30 / Financiadora de Estudos e Projetos / Prestressed precast concrete hollow core slabs used as floor is becoming increasingly current in Brazil. Being quickly assembled and with competitive price, this solution provides an efficient section given by the reduction of self-weight through the use of cores, but also by the possibility of reducing the height of the slab due to the application of pre-tension. In Brazil, the NBR-9062: 2006 which deals with precast concrete structures does not provide specific criteria for hollow core slabs. Meanwhile the NBR-14861: 2002 is specific to precast hollow core slabs, but only deals with general aspects of the product. In revision process since 2008, the new version of the NBR-14861 should provide both design criteria, and procedures for performance assessment and quality control to the product. In this context, the aim of this research was to investigate test procedures for performance assessment of hollow core slabs, based on international literature reference, in which are found in the bulletins of the FIB (CEB-FIP) and the European standard EN-1168: 2005, which sought to present recommendations for possible adjustments and application of these procedures for the Brazilian reality. In this study, experimental methodologies are discussed for three different purposes: a) research testing; b) product performance assessment, c) quality control tests for slab elements. Additionally, it is shown examples of these procedures based on the results of an experimental program conducted by NETRE-UFSCar, in a technological partnership between hollow core slabs manufacturers affiliated with the Brazilian precast concrete association ABCIC. Results from shear and bending tests are shown, where it was evaluated elements of slabs without cover, with cover, and non-filled cores. Additionally, these results were validated based in a comparison between results obtained from theoretical models. As the standardization of testing procedures, it was found that the testing procedure for shear is appropriate to evaluate slabs produced in Brazil. However, the procedure recommended for bending tests, with the use of short elements of slabs, was inadequate due to the great interaction between mechanisms of bending and shear. From experimental validation, it is recommended a minimum ratio between the length and height of the slab to ensure that the critical mechanism occurs by bending. / O emprego de lajes alveolares protendidas pré-fabricadas para piso está se tornando cada vez mais corrente no Brasil. Com montagem rápida e preço competitivo, esta solução proporciona uma seção eficiente dada à redução do peso próprio por meio dos alvéolos vazados, mas também pela possibilidade de diminuição da altura da laje graças à aplicação da pré-tração. No Brasil, a NBR-9062:2006 que trata das estruturas pré-moldadas de concreto não apresenta critérios específicos para lajes alveolares. Já a NBR-14861:2002 é específica para lajes alveolares pré-fabricadas, mas aborda apenas aspectos gerais de produto. Em processo de revisão desde 2008, a nova versão da NBR-14861 deverá fornecer tanto critérios de projeto, quanto procedimentos para avaliação de desempenho e controle de qualidade para produto. Neste contexto, o objetivo desta pesquisa foi investigar procedimentos de ensaios para a avaliação de desempenho de lajes alveolares, com base nas referências internacionais, que no caso são encontradas nos boletins técnicos da FIB (FIP-CEB) e na norma européia EN-1168:2005, onde se procurou apresentar possíveis recomendações para adequações e aplicação destes procedimentos para a realidade brasileira. Neste estudo são abordadas metodologias experimentais para três finalidades distintas: a) Ensaios para pesquisa; b) Ensaios para avaliação do desempenho de produto; c) Ensaios para controle de qualidade de elementos de laje. Adicionalmente, são apresentados exemplos de aplicação destes procedimentos com base nos resultados de um programa experimental realizado pelo NETPRE-UFSCar, dentro da parceria tecnológica com fabricantes de lajes alveolares associados à ABCIC. São apresentados resultados de ensaios de cisalhamento e de flexão, onde foram avaliados elementos de laje sem capa, com capa, com e sem preenchimento de alvéolos. Adicionalmente, estes resultados foram validados com base na comparação com resultados obtidos por modelos teóricos. Quanto à padronização de procedimentos de ensaios, verificou-se que o procedimento de ensaio para esforço cortante é adequado para avaliar lajes produzidas no Brasil. Entretanto, o procedimento recomendado para ensaios de flexão, com a utilização de elementos curtos de lajes, mostrou-se inadequado devido à grande interação entre mecanismos de flexão e de cisalhamento. A partir de validação experimental, recomenda-se uma relação mínima entre o comprimento e altura da laje para garantir que o mecanismo crítico ocorra por flexão.

A presente dissertação trata do projeto de um motor de combustão interna de quatro tempos, ciclo Otto, destinado à categoria de competição Formula SAE, adequado ao mercado brasileiro. Uma extensa pesquisa bibliográfica e de mercado foi realizada para o direcionamento do projeto, além de análises experimentais para obtenção de dados. No estudo experimental foi utilizado um motor monocilíndrico de 300 cc de deslocamento volumétrico, arrefecido a ar, oriundo de uma motocicleta comercial atual, denominado nesta dissertação como \"motor base\". Esse motor foi instalado em uma bancada de dinamômetro e instrumentado de forma a permitir sua avaliação mecânica e termodinâmica. Estudos de desempenho, análises de combustão e emissões também foram realizados, incluindo utilização de etanol, variações da razão ar/combustível e sobrealimentação. Igualmente, foram feitos ensaios experimentais de componentes específicos utilizados no projeto. Os dados experimentais foram utilizados como parâmetros para o projeto mecânico do novo motor Formula SAE, e para a modelagem e simulação do motor base em fluidodinâmica computacional unidimensional (CFD-1D), que foi utilizada como ferramenta auxiliar do projeto. O escopo do projeto mecânico do motor foi restrito ao bloco, virabrequim e alguns componentes de integração, uma vez que todos os demais componentes foram extraídos do motor base e de outros motores presentes no mercado nacional. O motor Formula SAE foi projetado em ambiente computacional (CAD), sendo que para o projeto mecânico do bloco e virabrequim foram realizadas simulações computacionais estruturais, utilizando o método dos elementos finitos (FEA), para verificação da distribuição de tensões nos componentes projetados. O novo motor Formula SAE apresentou vantagens significativas em relação aos custos para aquisição de peças de montagem e reposição, e proporcionou flexibilidade de montagem e operação. / The present dissertation addresses the design of a 4 stroke Otto cycle internal combustion engine dedicated to Formula SAE student program and fitted to the Brazilian market. An extensive literature review and a market benchmark were performed, in order to provide guidance to the project, and experimental analysis for data acquisition. For the experimental study, a 300 cm3 single cylinder air cooled motorcycle engine has been used, taken from a motorcycle currently in production, available in Brazilian market, called in this dissertation as \"base engine\". This engine has been installed in a dynamometer test bench and instrumented in order to allow its mechanical and thermodynamic evaluation. Performance, combustion and emissions analysis were also performed, including ethanol fueling, air/fuel ratio variation and supercharging. Experimental tests with specific engine components were performed to provide necessary design data. The experimental data were used as input parameters for the mechanical design, as well as for modeling and simulation of the base engine on one-dimensional computer fluid dynamics, which was used as an auxiliary tool for this project. The scope of mechanical design of this engine was restrict to the crankcase, crankshaft and some assembly components, since all other components were taken from the base engine and other engines from the national market. The design was assisted by computer aided design (CAD). In order to verify the crankcase and crankshaft mechanical design regarding stress distribution, computational structural analysis have been performed using the finite element method (FEA). The new Formula SAE engine presented significant advantages regarding purchasing costs of parts for assembly and maintenance, and provided assembly and operation flexibility.

O presente trabalho consiste basicamente num estudo experimental de juntas híbridas metal-compósito unidas mecanicamente por fixadores. Foram analisadas juntas fabricadas através de uma chapa metálica de titânio unida a uma placa em compósito de fibra de carbono e resina epóxi por fixadores de monel. As juntas avaliadas são juntas simples (\"single lap joint\"), ou seja, as mesmas foram submetidas ao simples cisalhamento. Antes, porém, dos ensaios das juntas, foram fabricados corpos-de-prova (CDPs) do compósito seguindo as especificações das normas ASTM D3039 e ASTM D3518. Os ensaios de tração e cisalhamento dos CDPs de compósito possibilitaram a determinação de propriedades mecânicas, bem como de valores de resistência. Sob posse das propriedades e resistência média, foram executadas simulações computacionais via Método dos Elementos Finitos com o intuito de prever o comportamento mecânico das juntas a serem ensaiadas seguindo a norma ASTM D5961 e, assim, delinear estratégias para os ensaios. Os ensaios das juntas foram realizados, possibilitando assim a avaliação do comportamento mecânico de juntas híbridas e de seus mecanismos de falha. Por fim, as conclusões e as perspectivas para trabalhos futuros foram apresentadas. / This work consists on an experimental investigation of hybrid joints (metal-composite) joined by fasteners. For this work, hybrid joints of titanium joined to composite (carbon fiber with epoxy resin) by monel fasteners were manufactured. Only single lap joints were investigated. However, before manufacturing specimens of joints, composite specimens were tested following the ASTM D3039 e ASTM D3518. The tensile and shear tests provided the mechanical properties and strength values of the composite. Finite element analyses of the hybrid joints were carried out, using average mechanical properties and strength values. These simulations followed the specifications of ASTM D5961 in order to predict the mechanical behavior of the joints during the experimental tests, as well as, provide a good strategy for the test setup. The experimental tests were carried out, observing the mechanical behavior and failure mechanisms of the hybrid joints. Finally, the conclusions and perspective of future works were showed.

Advanced aerospace materials, including fibre reinforced polymer and ceramic matrix composites, are increasingly being used in critical and demanding applications, challenging not only the current damage prediction, detection, and quantification methodologies, but also the residual life of the structure. The main objective of this work consists of developing theoretical and experimental studies about residual strength for composite structures, which are damaged by impact loading, aided by a SHM system, which combines different methods. For this, it is necessary: to identify, and to localize damage, as well as to calculate the severity of the damage and to predict the residual strength of the composite structure. To achieve these goals, the research methodology should consider three methods: (1) Vibration Based Method (VBM); (2) Shearography Speckle (SS) and (3) Flexural After Impact (FAI). Composite plates, made of epoxy resin reinforced by carbon or glass fibre, are evaluated. Firstly, VBM provide Frequency Response Functions to be analysed by suitable metrics (including a new metric), which are compared in terms of their capability for damage identification and global location. Afterwards, the extension of impact damage is determined by using shearography speckle. This technique has demonstrated great potential for damage detection in composite laminated structures. The identification of the damage from the measurements performed with the SS technique is based on the analysis of disturbances in the speed field caused because of the different properties of the material. These abnormal deformations can be verified as typical strains in damaged structures. SS is a laser interferometry method sensitive to displacement gradient in a surface direction out of the plane. Under the action of a smaller load, the structure is deformed and the presence of damage is shown through local peculiarities of surface deformation observed field. Finally, a flexure after impact (FAI) test is used to evaluate its limitations and potentialities as a damage tolerance technique. The residual flexural strength of damaged specimens is evaluated by quasi-static four-point bending test. A new criterion based on a relationship between damage metric from VBM and FAI analysis is presented and discussed. Thus, these results are normalized by using the maximum load and the metrics for damage analyses, i.e. if there is no damage in the structure, then the metric returns zero value. If the structure is partially damaged then the metric returns a number between one and zero. In addition, if the structure is totally damaged (i.e. residual strength is lower than specified in design), then the metric returns a value equal one. Finally, it is discussed the advantages and limitations of this combination into the context of SHM system (Structural Health Monitoring System). / Materiais compósitos estão cada vez mais sendo usados em aplicações críticas e exigentes, desafiando não apenas as metodologias atuais de previsão de dano, detecção, quantificação, mas também da vida residual da estrutura. O principal objetivo deste trabalho consiste no desenvolvimento de estudos teóricos e experimentais sobre a resistência residual de estruturas de compósito, que são danificadas pelo carregamento de impacto, auxiliado por um sistema SHM, que combina diferentes métodos. Para isso, é necessário: identificar, localizar danos, bem como determinar a severidade dos danos e estimar a resistência residual da estrutura. Para atingir esses objetivos, a metodologia de pesquisa considerou três métodos: (1) Método baseado em vibração; (2) Shearography Speckle (SS) e (3) Flexão após Impacto (FAI). Placas de compósito, fabricadas em resina epóxi reforçada por fibra de carbono ou de vidro, são avaliadas. Em primeiro lugar, o método baseado em vibração produz Funções de Resposta em Frequência, que são analisadas através de métricas adequadas (incluindo uma nova métrica), que são comparadas em termos de sua capacidade de identificação de danos e de localização global. Depois disso, a extensão de danos causados pelo impacto é determinada empregando SS. Esta técnica tem demonstrado grande potencial na detecção de dano em estruturas laminadas compósito. A identificação do dano a partir das medidas realizadas com a técnica SS tem por base a análise das perturbações no campo de curvaturas causada devido à heterogeneidade das propriedades do material. Estas deformações anormais podem ser verificadas como deformações típicas de estruturas danificadas. A SS é um método de interferometria laser sensível ao gradiente de deslocamento de uma superfície na direção fora do plano. Sob a ação de um pequeno carregamento, a estrutura é deformada e a presença de danos é revelada através de singularidades locais do campo de deformação observado na superfície. Finalmente, teste de flexão após o impacto (FAI) é usado para avaliar suas limitações e potencialidades como uma técnica de tolerância ao dano. A resistência à flexão das amostras intactas e danificadas é avaliada por ensaio de flexão em quatro-pontos quase-estático. Um novo critério baseado em uma relação entre a métrica de dano prevista pelos métodos de vibração e a análise via FAI é apresentado e discutido. Assim, estes resultados são normalizados utilizando a carga máxima e as métricas de dano, ou seja, se não houver nenhum dano na estrutura, a métrica retorna valor igual a zero. Se a estrutura é parcialmente danificada, a métrica retorna um valor entre um e zero. Além disso, se a estrutura está totalmente danificada (ou seja, a resistência residual está abaixo do especificado em projeto), a métrica retorna um valor igual a um. Por fim, discutem-se as vantagens e limitações desta combinação para o contexto de sistema SHM (Sistema de Monitoramento da Integridade Estrutural).

Estruturas aeronáuticas são em sua grande parte fabricadas em material compósito para que sejam atendidas as especificações de projeto. Entre essas estruturas destaca-se a estrutura sanduíche. A utilização desse tipo de estrutura requer estudos extensos em novos materiais, bem como na aplicação dos mesmos. Uma atenção especial para o núcleo dessas estruturas é necessária, pois este material é na verdade uma estrutura celular, como as espumas poliméricas. Esta dissertação busca concatenar a literatura com a prática ao estudar a calibração de modelos de material para descrever o comportamento mecânico de espumas poliméricas, bem como avaliar suas potencialidades e limitações. Estas espumas são estruturas celulares cujos mecanismos de falha consistem em respostas micro e macroscópicas. A identificação e quantificação desses comportamentos podem ser feitas através da investigação de modelos de material micro-mêcanicos ou fenomenológicos (macro-mecânicos) associados a ensaios e análises experimentais tanto do material celular quanto da estrutura na qual este material é utilizado. Cada abordagem, micro ou macro-mecânica, possui vantagens e desvantagens que no presente trabalho são discutidas para o material estudado (espuma polimérica rígida de PVC, poli-cloreto de vinila, com estrutura de células fechada e densidade de 60kg/m³). Uma série de ensaios experimentais com bases em normas é realizada e os dados coletados são comparados com dados obtidos simultaneamente através de uma técnica de correlação de imagens. Todas as informações experimentais são confrontadas e associadas aos mecanismos de falha da espuma polimérica. Finalmente, os dados experimentais são utilizados nas identificações de parâmetros de modelos de material disponíveis em um programa comercial de elementos finitos - ABAQUS. Com os modelos de material calibrados, o presente trabalho investiga a representatividade e as limitações dos mesmos quando aplicados a estruturas aeronáuticas submetidas a cargas localizadas, monotônicas ou não. Observou-se que há uma forte dependência da resposta macroscópica da espuma com sua estrutura celular quando submetida a cargas localizadas e/ou não-monotônicas. Ademais, o uso de modelos de material simplificados, e/ou com hipóteses de implementação, gera resultados duvidosos quando estes modelos são aplicados a materiais celulares com respostas complexas (mecanismos micro-mecânicos, anisotropia, viscosidade, etc.). Todavia, o presente trabalho mostra que uma calibração estratégica relevando as hipóteses de implementação e as limitações do modelo de material, fornece bons resultados macroscópicos que são fortemente influenciados pelos mecanismos de falha micro-mecânicos. / Aircraft structures are mostly made of composite material in order to achieve the specifications of a project. Among these structures one highlights the sandwich structure. The usage of this structure requires extensive studies on new materials as well as on the application of these very materials. A special attention for the cores material of these structures is needed because it is in fact a cellular structure, as the polymeric foams. This dissertation seeks to concatenate the literature and practice, studying the calibration of material models to describe the mechanical behavior of polymeric foams, as well as to analyse their potentials and limitations. These foams are cellular structures whose failure mechanisms comprise micro and macro responses. The identification and quantification of these behaviors can be done through micro-mechanical or phenomenological (macro-mechanical) material models along with experimental tests and analyses of both the cellular material and the structure in which this material is used. Each approach, micro or macro, has advantages and disadvantages that in the present work are discussed for the studied material (PVC, poly-vinyl-chloride, rigid closed-cell polymeric foam with a density of 60kg/m³). A series of experimental tests based on standard procedures are carried out and the data collected are compared with data obtained simultaneously through an image correlation technique. All the experimental information are confronted and associated to the failure mechanisms of the polymeric foam. Finally, the experimental data are used for the identification of material models parameters, currently available in the commercial finite elements software - ABAQUS. With the material models calibrated, the present work investigates the representativeness and the limitations of these very models when applied to aircraft structures submitted to monotonic or not localized loads. One has observed that there is a strong dependence of the foams macroscopic response with its cellular structure when it is submitted to localized and/or non-monotonic loads. Moreover, the usage of simplified material models, and/or with some implementation hypotheses, renders doubtful results when these models are applied to cellular materials with complex responses (micro-mechanical mechanisms, anisotropy, viscosity, etc.). Nevertheless, the present work shows that a strategic calibration taking into account the implementation hypotheses and the limitations of the material model, yields good macroscopic results that are strongly influenced by the micro-mechanical failure mechanisms.

Advanced aerospace materials, including fibre reinforced polymer and ceramic matrix composites, are increasingly being used in critical and demanding applications, challenging not only the current damage prediction, detection, and quantification methodologies, but also the residual life of the structure. The main objective of this work consists of developing theoretical and experimental studies about residual strength for composite structures, which are damaged by impact loading, aided by a SHM system, which combines different methods. For this, it is necessary: to identify, and to localize damage, as well as to calculate the severity of the damage and to predict the residual strength of the composite structure. To achieve these goals, the research methodology should consider three methods: (1) Vibration Based Method (VBM); (2) Shearography Speckle (SS) and (3) Flexural After Impact (FAI). Composite plates, made of epoxy resin reinforced by carbon or glass fibre, are evaluated. Firstly, VBM provide Frequency Response Functions to be analysed by suitable metrics (including a new metric), which are compared in terms of their capability for damage identification and global location. Afterwards, the extension of impact damage is determined by using shearography speckle. This technique has demonstrated great potential for damage detection in composite laminated structures. The identification of the damage from the measurements performed with the SS technique is based on the analysis of disturbances in the speed field caused because of the different properties of the material. These abnormal deformations can be verified as typical strains in damaged structures. SS is a laser interferometry method sensitive to displacement gradient in a surface direction out of the plane. Under the action of a smaller load, the structure is deformed and the presence of damage is shown through local peculiarities of surface deformation observed field. Finally, a flexure after impact (FAI) test is used to evaluate its limitations and potentialities as a damage tolerance technique. The residual flexural strength of damaged specimens is evaluated by quasi-static four-point bending test. A new criterion based on a relationship between damage metric from VBM and FAI analysis is presented and discussed. Thus, these results are normalized by using the maximum load and the metrics for damage analyses, i.e. if there is no damage in the structure, then the metric returns zero value. If the structure is partially damaged then the metric returns a number between one and zero. In addition, if the structure is totally damaged (i.e. residual strength is lower than specified in design), then the metric returns a value equal one. Finally, it is discussed the advantages and limitations of this combination into the context of SHM system (Structural Health Monitoring System). / Materiais compósitos estão cada vez mais sendo usados em aplicações críticas e exigentes, desafiando não apenas as metodologias atuais de previsão de dano, detecção, quantificação, mas também da vida residual da estrutura. O principal objetivo deste trabalho consiste no desenvolvimento de estudos teóricos e experimentais sobre a resistência residual de estruturas de compósito, que são danificadas pelo carregamento de impacto, auxiliado por um sistema SHM, que combina diferentes métodos. Para isso, é necessário: identificar, localizar danos, bem como determinar a severidade dos danos e estimar a resistência residual da estrutura. Para atingir esses objetivos, a metodologia de pesquisa considerou três métodos: (1) Método baseado em vibração; (2) Shearography Speckle (SS) e (3) Flexão após Impacto (FAI). Placas de compósito, fabricadas em resina epóxi reforçada por fibra de carbono ou de vidro, são avaliadas. Em primeiro lugar, o método baseado em vibração produz Funções de Resposta em Frequência, que são analisadas através de métricas adequadas (incluindo uma nova métrica), que são comparadas em termos de sua capacidade de identificação de danos e de localização global. Depois disso, a extensão de danos causados pelo impacto é determinada empregando SS. Esta técnica tem demonstrado grande potencial na detecção de dano em estruturas laminadas compósito. A identificação do dano a partir das medidas realizadas com a técnica SS tem por base a análise das perturbações no campo de curvaturas causada devido à heterogeneidade das propriedades do material. Estas deformações anormais podem ser verificadas como deformações típicas de estruturas danificadas. A SS é um método de interferometria laser sensível ao gradiente de deslocamento de uma superfície na direção fora do plano. Sob a ação de um pequeno carregamento, a estrutura é deformada e a presença de danos é revelada através de singularidades locais do campo de deformação observado na superfície. Finalmente, teste de flexão após o impacto (FAI) é usado para avaliar suas limitações e potencialidades como uma técnica de tolerância ao dano. A resistência à flexão das amostras intactas e danificadas é avaliada por ensaio de flexão em quatro-pontos quase-estático. Um novo critério baseado em uma relação entre a métrica de dano prevista pelos métodos de vibração e a análise via FAI é apresentado e discutido. Assim, estes resultados são normalizados utilizando a carga máxima e as métricas de dano, ou seja, se não houver nenhum dano na estrutura, a métrica retorna valor igual a zero. Se a estrutura é parcialmente danificada, a métrica retorna um valor entre um e zero. Além disso, se a estrutura está totalmente danificada (ou seja, a resistência residual está abaixo do especificado em projeto), a métrica retorna um valor igual a um. Por fim, discutem-se as vantagens e limitações desta combinação para o contexto de sistema SHM (Sistema de Monitoramento da Integridade Estrutural).

Estruturas aeronáuticas são em sua grande parte fabricadas em material compósito para que sejam atendidas as especificações de projeto. Entre essas estruturas destaca-se a estrutura sanduíche. A utilização desse tipo de estrutura requer estudos extensos em novos materiais, bem como na aplicação dos mesmos. Uma atenção especial para o núcleo dessas estruturas é necessária, pois este material é na verdade uma estrutura celular, como as espumas poliméricas. Esta dissertação busca concatenar a literatura com a prática ao estudar a calibração de modelos de material para descrever o comportamento mecânico de espumas poliméricas, bem como avaliar suas potencialidades e limitações. Estas espumas são estruturas celulares cujos mecanismos de falha consistem em respostas micro e macroscópicas. A identificação e quantificação desses comportamentos podem ser feitas através da investigação de modelos de material micro-mêcanicos ou fenomenológicos (macro-mecânicos) associados a ensaios e análises experimentais tanto do material celular quanto da estrutura na qual este material é utilizado. Cada abordagem, micro ou macro-mecânica, possui vantagens e desvantagens que no presente trabalho são discutidas para o material estudado (espuma polimérica rígida de PVC, poli-cloreto de vinila, com estrutura de células fechada e densidade de 60kg/m³). Uma série de ensaios experimentais com bases em normas é realizada e os dados coletados são comparados com dados obtidos simultaneamente através de uma técnica de correlação de imagens. Todas as informações experimentais são confrontadas e associadas aos mecanismos de falha da espuma polimérica. Finalmente, os dados experimentais são utilizados nas identificações de parâmetros de modelos de material disponíveis em um programa comercial de elementos finitos - ABAQUS. Com os modelos de material calibrados, o presente trabalho investiga a representatividade e as limitações dos mesmos quando aplicados a estruturas aeronáuticas submetidas a cargas localizadas, monotônicas ou não. Observou-se que há uma forte dependência da resposta macroscópica da espuma com sua estrutura celular quando submetida a cargas localizadas e/ou não-monotônicas. Ademais, o uso de modelos de material simplificados, e/ou com hipóteses de implementação, gera resultados duvidosos quando estes modelos são aplicados a materiais celulares com respostas complexas (mecanismos micro-mecânicos, anisotropia, viscosidade, etc.). Todavia, o presente trabalho mostra que uma calibração estratégica relevando as hipóteses de implementação e as limitações do modelo de material, fornece bons resultados macroscópicos que são fortemente influenciados pelos mecanismos de falha micro-mecânicos. / Aircraft structures are mostly made of composite material in order to achieve the specifications of a project. Among these structures one highlights the sandwich structure. The usage of this structure requires extensive studies on new materials as well as on the application of these very materials. A special attention for the cores material of these structures is needed because it is in fact a cellular structure, as the polymeric foams. This dissertation seeks to concatenate the literature and practice, studying the calibration of material models to describe the mechanical behavior of polymeric foams, as well as to analyse their potentials and limitations. These foams are cellular structures whose failure mechanisms comprise micro and macro responses. The identification and quantification of these behaviors can be done through micro-mechanical or phenomenological (macro-mechanical) material models along with experimental tests and analyses of both the cellular material and the structure in which this material is used. Each approach, micro or macro, has advantages and disadvantages that in the present work are discussed for the studied material (PVC, poly-vinyl-chloride, rigid closed-cell polymeric foam with a density of 60kg/m³). A series of experimental tests based on standard procedures are carried out and the data collected are compared with data obtained simultaneously through an image correlation technique. All the experimental information are confronted and associated to the failure mechanisms of the polymeric foam. Finally, the experimental data are used for the identification of material models parameters, currently available in the commercial finite elements software - ABAQUS. With the material models calibrated, the present work investigates the representativeness and the limitations of these very models when applied to aircraft structures submitted to monotonic or not localized loads. One has observed that there is a strong dependence of the foams macroscopic response with its cellular structure when it is submitted to localized and/or non-monotonic loads. Moreover, the usage of simplified material models, and/or with some implementation hypotheses, renders doubtful results when these models are applied to cellular materials with complex responses (micro-mechanical mechanisms, anisotropy, viscosity, etc.). Nevertheless, the present work shows that a strategic calibration taking into account the implementation hypotheses and the limitations of the material model, yields good macroscopic results that are strongly influenced by the micro-mechanical failure mechanisms.

O presente trabalho consiste basicamente num estudo experimental de juntas híbridas metal-compósito unidas mecanicamente por fixadores. Foram analisadas juntas fabricadas através de uma chapa metálica de titânio unida a uma placa em compósito de fibra de carbono e resina epóxi por fixadores de monel. As juntas avaliadas são juntas simples (\"single lap joint\"), ou seja, as mesmas foram submetidas ao simples cisalhamento. Antes, porém, dos ensaios das juntas, foram fabricados corpos-de-prova (CDPs) do compósito seguindo as especificações das normas ASTM D3039 e ASTM D3518. Os ensaios de tração e cisalhamento dos CDPs de compósito possibilitaram a determinação de propriedades mecânicas, bem como de valores de resistência. Sob posse das propriedades e resistência média, foram executadas simulações computacionais via Método dos Elementos Finitos com o intuito de prever o comportamento mecânico das juntas a serem ensaiadas seguindo a norma ASTM D5961 e, assim, delinear estratégias para os ensaios. Os ensaios das juntas foram realizados, possibilitando assim a avaliação do comportamento mecânico de juntas híbridas e de seus mecanismos de falha. Por fim, as conclusões e as perspectivas para trabalhos futuros foram apresentadas. / This work consists on an experimental investigation of hybrid joints (metal-composite) joined by fasteners. For this work, hybrid joints of titanium joined to composite (carbon fiber with epoxy resin) by monel fasteners were manufactured. Only single lap joints were investigated. However, before manufacturing specimens of joints, composite specimens were tested following the ASTM D3039 e ASTM D3518. The tensile and shear tests provided the mechanical properties and strength values of the composite. Finite element analyses of the hybrid joints were carried out, using average mechanical properties and strength values. These simulations followed the specifications of ASTM D5961 in order to predict the mechanical behavior of the joints during the experimental tests, as well as, provide a good strategy for the test setup. The experimental tests were carried out, observing the mechanical behavior and failure mechanisms of the hybrid joints. Finally, the conclusions and perspective of future works were showed.