Neste trabalho buscou-se propor e implementar um modelo de material capaz de prever o comportamento mecânico de estruturas em compósitos poliméricos reforçados (CPR). Inicialmente fez-se um levantamento bibliográfico sobre os modos de danificação intralaminar e falhas interlaminares bem como sobre formas de abordagem (analítica e numérica) para tratar esses problemas. Em seguida, foram apresentadas em detalhes as etapas experimentais executadas, descrevendo todo o procedimento de fabricação dos corpos-de-prova e os resultados obtidos a partir dos ensaios quase-estáticos de tração, compressão, cisalhamento e flexão. Com base nesses resultados e em informações provenientes da literatura, propõem-se alguns modelos de material que foram implementados em sub-rotinas FORTRAN. Tais modelos são posteriormente compilados em conjunto com um programa de elementos finitos (ABAQUS®) a fim de serem avaliados e terem seus parâmetros calibrados. Numa primeira fase, através de simulações computacionais dos ensaios de tração e compressão avaliou-se os modelos de material implementados. Numa segunda fase, os parâmetros foram calibrados tomando como base três estudos de caso (flexão, endentação e teste de impacto) envolvendo seqüências de empilhamento distintas. Após a simulação computacional desses estudos, apresentou-se a proposta de uma metodologia para avaliar problemas de impacto a baixa velocidade em estruturas laminadas. Conclui-se assim que o presente projeto de pesquisa traz contribuições inovadoras, mas também apresenta várias perspectivas de trabalhos futuros. / In this work, material models were proposed to predict the mechanical behavior of composite structures. First of all, it was done a study about damage intra-ply and inter-ply (delamination) on composite materials and about analytical and numerical approaches to solve problems of progressive damage on composite structures was performed. After, many specimens were manufactured and experimental tests (tensile, compression, shear and flexural tests) were carried out. Experimental results and information from literature were used to develop some material models, which were implemented using FORTRAN compiler. These material models were compiled with a commercial finite element program (ABAQUS®) in order to evaluate and calibrate parameters of the models. In the first step, computational simulations of tensile and compression test were carried out to evaluate material models implemented. In the second step, the parameters of the material models were calibrated using three case studies (flexural, indentation and impact test) with some staking sequences. After that, a methodology was proposed to evaluate impact problems on composite structures under low velocity. Therefore, this research project not only shows new contributions but also suggests many future investigations.

Neste trabalho buscou-se propor e implementar um modelo de material capaz de prever o comportamento mecânico de estruturas em compósitos poliméricos reforçados (CPR). Inicialmente fez-se um levantamento bibliográfico sobre os modos de danificação intralaminar e falhas interlaminares bem como sobre formas de abordagem (analítica e numérica) para tratar esses problemas. Em seguida, foram apresentadas em detalhes as etapas experimentais executadas, descrevendo todo o procedimento de fabricação dos corpos-de-prova e os resultados obtidos a partir dos ensaios quase-estáticos de tração, compressão, cisalhamento e flexão. Com base nesses resultados e em informações provenientes da literatura, propõem-se alguns modelos de material que foram implementados em sub-rotinas FORTRAN. Tais modelos são posteriormente compilados em conjunto com um programa de elementos finitos (ABAQUS®) a fim de serem avaliados e terem seus parâmetros calibrados. Numa primeira fase, através de simulações computacionais dos ensaios de tração e compressão avaliou-se os modelos de material implementados. Numa segunda fase, os parâmetros foram calibrados tomando como base três estudos de caso (flexão, endentação e teste de impacto) envolvendo seqüências de empilhamento distintas. Após a simulação computacional desses estudos, apresentou-se a proposta de uma metodologia para avaliar problemas de impacto a baixa velocidade em estruturas laminadas. Conclui-se assim que o presente projeto de pesquisa traz contribuições inovadoras, mas também apresenta várias perspectivas de trabalhos futuros. / In this work, material models were proposed to predict the mechanical behavior of composite structures. First of all, it was done a study about damage intra-ply and inter-ply (delamination) on composite materials and about analytical and numerical approaches to solve problems of progressive damage on composite structures was performed. After, many specimens were manufactured and experimental tests (tensile, compression, shear and flexural tests) were carried out. Experimental results and information from literature were used to develop some material models, which were implemented using FORTRAN compiler. These material models were compiled with a commercial finite element program (ABAQUS®) in order to evaluate and calibrate parameters of the models. In the first step, computational simulations of tensile and compression test were carried out to evaluate material models implemented. In the second step, the parameters of the material models were calibrated using three case studies (flexural, indentation and impact test) with some staking sequences. After that, a methodology was proposed to evaluate impact problems on composite structures under low velocity. Therefore, this research project not only shows new contributions but also suggests many future investigations.

Os biopolímeros surgem como materiais alternativos no atendimento aos requisitos de desempenho que a área médica tem exigido para implantes ósseos. Nesse contexto o polímero poliuretano derivado de óleo de mamona (Ricinus communis) tem obtido lugar de destaque. Mesmo assim, esse material, considerado um biopolímero regenerador ósseo, ainda necessita de investigação mecânica consistente para uma aplicação de forma confiável. No entanto, há uma grande dificuldade em se prever o comportamento mecânico das estruturas fabricadas por biopolímeros. Diante desse fato, o presente projeto de pesquisa visa através de ensaios experimentais em amostras padronizadas para ensaios de tração e compressão, bem como, ensaios normalizados para próteses de quadril, adquirir propriedades de material adequadas para a implementação dos modelos computacionais, assim como dados de comportamento mecânico sob solicitação. De posse desses dados, através do método dos elementos finitos, são realizadas simulações computacionais com o objetivo de verificar a capacidade do modelo de material de Drucker-Prager representar o comportamento mecânico do biopolímero. Este modelo é aplicado inicialmente na simulação dos ensaios de tração e compressão e posteriormente nas simulações das próteses em biopolímero, onde carregamentos mais complexos estão presentes. Os resultados obtidos nas simulações são analisados e discutidos para fins de validação do uso deste modelo de material em estruturas fabricadas com o biopolímero. / Biopolymers have been widely used as alternative materials to attend the performance requirements that medical area has demanded to bone implants. In this way, the Castor Oil Polyurethane (Ricinus communis) has taken a distinct place. Nevertheless, this material, considered bone constructive, still needs a consisting mechanical investigation for a reliable application, despite the great difficulty to predict the mechanical behavior of biopolymer structures. Face this fact, this work intends through experiments in normalized specimens for tensile and compressive tests, as well as normalized tests for hip implants, to obtain material properties and mechanical behavior data required to implement computational models of the hip prosthesis. Using the finite element method, computational simulations are carried out to verify the capability of Drucker-Prager material model to represent the biopolymer mechanical behavior. This model is first applied in tensile and compressive tests simulations, and further in prosthesis biopolymer simulations, where more complex loadings are present. The results of these simulations are analyzed and discussed in order to validate the use of this material model in biopolymers structures.

Os biopolímeros surgem como materiais alternativos no atendimento aos requisitos de desempenho que a área médica tem exigido para implantes ósseos. Nesse contexto o polímero poliuretano derivado de óleo de mamona (Ricinus communis) tem obtido lugar de destaque. Mesmo assim, esse material, considerado um biopolímero regenerador ósseo, ainda necessita de investigação mecânica consistente para uma aplicação de forma confiável. No entanto, há uma grande dificuldade em se prever o comportamento mecânico das estruturas fabricadas por biopolímeros. Diante desse fato, o presente projeto de pesquisa visa através de ensaios experimentais em amostras padronizadas para ensaios de tração e compressão, bem como, ensaios normalizados para próteses de quadril, adquirir propriedades de material adequadas para a implementação dos modelos computacionais, assim como dados de comportamento mecânico sob solicitação. De posse desses dados, através do método dos elementos finitos, são realizadas simulações computacionais com o objetivo de verificar a capacidade do modelo de material de Drucker-Prager representar o comportamento mecânico do biopolímero. Este modelo é aplicado inicialmente na simulação dos ensaios de tração e compressão e posteriormente nas simulações das próteses em biopolímero, onde carregamentos mais complexos estão presentes. Os resultados obtidos nas simulações são analisados e discutidos para fins de validação do uso deste modelo de material em estruturas fabricadas com o biopolímero. / Biopolymers have been widely used as alternative materials to attend the performance requirements that medical area has demanded to bone implants. In this way, the Castor Oil Polyurethane (Ricinus communis) has taken a distinct place. Nevertheless, this material, considered bone constructive, still needs a consisting mechanical investigation for a reliable application, despite the great difficulty to predict the mechanical behavior of biopolymer structures. Face this fact, this work intends through experiments in normalized specimens for tensile and compressive tests, as well as normalized tests for hip implants, to obtain material properties and mechanical behavior data required to implement computational models of the hip prosthesis. Using the finite element method, computational simulations are carried out to verify the capability of Drucker-Prager material model to represent the biopolymer mechanical behavior. This model is first applied in tensile and compressive tests simulations, and further in prosthesis biopolymer simulations, where more complex loadings are present. The results of these simulations are analyzed and discussed in order to validate the use of this material model in biopolymers structures.