Uniões por prendedores são elementos amplamente utilizados na indústria aeronáutica para a união de partes constituintes da aeronave. Contudo, devido à sua geometria e aos carregamentos sofridos, estes elementos estão frequentemente sujeitos a falhas por fadiga. Assim, para um projeto e dimensionamento bem executado dessas juntas, é necessário conhecer seu comportamento mecânico e o campo de tensões ao qual estão sujeitas. O método dos elementos finitos certamente atende a estas necessidades; porém, o uso de elementos sólidos tridimensionais para a representação destas uniões pode levar a análises demasiadamente demoradas e custosas, sendo desejável o uso de modelos mais simplificados. Nesse trabalho, juntas de topo assimétricas são modeladas pelo método dos elementos finitos, utilizando tanto elementos sólidos tridimensionais quanto elementos de casca, com o objetivo de encontrar um modelo relativamente simples que apresente resultados satisfatórios e requeira um menor tempo de solução. Os resultados numéricos obtidos são comparados com resultados experimentais, que utilizam extensômetros e fotoelasticidade. / Riveted joints are structural elements widely used in the aeronautic industry to connect different parts of the aircraft. However, due to their geometry and working load, they are frequently subjected to fatigue failure. Therefore, to a well executed project of this type of joint, it is necessary to understand the mechanical behavior and the stress field to which they are subjected. The finite element method can certainly answer those needs; however, the use of tridimensional elements to represent this type of joint can lead to time consuming and expensive analysis, being desirable the use of simpler models. In this work, asymmetric butt joints are modeled using the finite element method using both, tridimensional and shell elements, with the objective of finding a model that provides satisfactory results at smaller solution time. The numerical results obtained are compared with experimental results using strain gage and photoelastic procedures.

Uniões por prendedores são elementos amplamente utilizados na indústria aeronáutica para a união de partes constituintes da aeronave. Contudo, devido à sua geometria e aos carregamentos sofridos, estes elementos estão frequentemente sujeitos a falhas por fadiga. Assim, para um projeto e dimensionamento bem executado dessas juntas, é necessário conhecer seu comportamento mecânico e o campo de tensões ao qual estão sujeitas. O método dos elementos finitos certamente atende a estas necessidades; porém, o uso de elementos sólidos tridimensionais para a representação destas uniões pode levar a análises demasiadamente demoradas e custosas, sendo desejável o uso de modelos mais simplificados. Nesse trabalho, juntas de topo assimétricas são modeladas pelo método dos elementos finitos, utilizando tanto elementos sólidos tridimensionais quanto elementos de casca, com o objetivo de encontrar um modelo relativamente simples que apresente resultados satisfatórios e requeira um menor tempo de solução. Os resultados numéricos obtidos são comparados com resultados experimentais, que utilizam extensômetros e fotoelasticidade. / Riveted joints are structural elements widely used in the aeronautic industry to connect different parts of the aircraft. However, due to their geometry and working load, they are frequently subjected to fatigue failure. Therefore, to a well executed project of this type of joint, it is necessary to understand the mechanical behavior and the stress field to which they are subjected. The finite element method can certainly answer those needs; however, the use of tridimensional elements to represent this type of joint can lead to time consuming and expensive analysis, being desirable the use of simpler models. In this work, asymmetric butt joints are modeled using the finite element method using both, tridimensional and shell elements, with the objective of finding a model that provides satisfactory results at smaller solution time. The numerical results obtained are compared with experimental results using strain gage and photoelastic procedures.

O trabalho visou realizar um estudo sobre o comportamento mecânico e de inflamabilidade de estruturas aeronáuticas de interior fabricadas a partir de compósitos reforçados por fibras naturais, especificamente compósitos de resina fenólica com fibras de algodão e de sisal, verificando assim, a possibilidade de substituir compósitos sintéticos. Num primeiro momento, análises experimentais foram executadas para determinar as propriedades mecânicas dos materiais. Em seguida, análises computacionais foram realizadas, empregando as propriedades referentes aos compósitos sintéticos e reforçados por fibras naturais, utilizando critérios de falha e tendo como referência o desempenho do compósito sintético para uma dada estrutura aeronáutica de interior. Além disso, foram efetuadas análises do seu comportamento quanto à inflamabilidade. A incorporação de retardantes de chama foi necessária para que os compósitos reforçados por fibras naturais atendessem aos requisitos de certificação aeronáutica. Após o processo de aditivação, observou-se um aumento do módulo de elasticidade à flexão (55% para o compósito de algodão, 16% para o compósito de sisal) e a diminuição da tensão de ruptura à flexão dos compósitos reforçados por fibras naturais analisados (45% para o compósito de algodão, 55% para o compósito de sisal). No entanto, com o aumento da espessura da estrutura aeronáutica adotada (5,2% para o compósito de algodão, 10,7% para o compósito de sisal), conclui-se que a substituição do compósito sintético pelo natural seria viável. Isto acarretaria em um aumento de massa em 6,2%, caso a estrutura fosse fabricada em compósito reforçado por fibra de sisal. Finalmente, constatou-se que a fração mássica de aditivo utilizada tem grande potencial de otimização e, que a eficiência dos compósitos reforçados por fibras naturais ainda pode ser melhorada. / This dissertation has aimed to study the mechanical behavior and the flammability of aeronautical interior structures manufactured from composites reinforced by natural fibers, specifically phenolic resin and cotton and sisal fibers composites, verifying the possibility of synthetic composites replacement. Firstly, experimental analyses were performed to determine the mechanical properties of the materials. Then, computational analyses were carried out, using properties of synthetic composites and composites reinforced by natural fibers. Also, failure criteria were applied, considering the synthetic composite performance of an interior aeronautical structure as reference. Furthermore, the behavior regarding flammability was analyzed. The addition of flame retardants was necessary for the composites reinforced by natural fibers in order to attend the aeronautical certification requirements. After the addition of flame retardants, an increase in the flexural modulus of elasticity (55% for the cotton composite, 16% for the sisal composite) and a decrease in the flexural stress at break (45% for the cotton composite, 55% for the sisal composite) were observed. However, with an increase of the thickness of the aeronautical structure (5.2% for the cotton composite, 10.7% for the sisal composite), it was concluded that the replacement would be feasible, which would lead to a increase of the mass equal 6.2% for the sisal fiber composite. Finally, it was evidenced that the used flame retardant mass fraction has a great potential for optimization and that the natural composites efficiency can be improved.

O trabalho visou realizar um estudo sobre o comportamento mecânico e de inflamabilidade de estruturas aeronáuticas de interior fabricadas a partir de compósitos reforçados por fibras naturais, especificamente compósitos de resina fenólica com fibras de algodão e de sisal, verificando assim, a possibilidade de substituir compósitos sintéticos. Num primeiro momento, análises experimentais foram executadas para determinar as propriedades mecânicas dos materiais. Em seguida, análises computacionais foram realizadas, empregando as propriedades referentes aos compósitos sintéticos e reforçados por fibras naturais, utilizando critérios de falha e tendo como referência o desempenho do compósito sintético para uma dada estrutura aeronáutica de interior. Além disso, foram efetuadas análises do seu comportamento quanto à inflamabilidade. A incorporação de retardantes de chama foi necessária para que os compósitos reforçados por fibras naturais atendessem aos requisitos de certificação aeronáutica. Após o processo de aditivação, observou-se um aumento do módulo de elasticidade à flexão (55% para o compósito de algodão, 16% para o compósito de sisal) e a diminuição da tensão de ruptura à flexão dos compósitos reforçados por fibras naturais analisados (45% para o compósito de algodão, 55% para o compósito de sisal). No entanto, com o aumento da espessura da estrutura aeronáutica adotada (5,2% para o compósito de algodão, 10,7% para o compósito de sisal), conclui-se que a substituição do compósito sintético pelo natural seria viável. Isto acarretaria em um aumento de massa em 6,2%, caso a estrutura fosse fabricada em compósito reforçado por fibra de sisal. Finalmente, constatou-se que a fração mássica de aditivo utilizada tem grande potencial de otimização e, que a eficiência dos compósitos reforçados por fibras naturais ainda pode ser melhorada. / This dissertation has aimed to study the mechanical behavior and the flammability of aeronautical interior structures manufactured from composites reinforced by natural fibers, specifically phenolic resin and cotton and sisal fibers composites, verifying the possibility of synthetic composites replacement. Firstly, experimental analyses were performed to determine the mechanical properties of the materials. Then, computational analyses were carried out, using properties of synthetic composites and composites reinforced by natural fibers. Also, failure criteria were applied, considering the synthetic composite performance of an interior aeronautical structure as reference. Furthermore, the behavior regarding flammability was analyzed. The addition of flame retardants was necessary for the composites reinforced by natural fibers in order to attend the aeronautical certification requirements. After the addition of flame retardants, an increase in the flexural modulus of elasticity (55% for the cotton composite, 16% for the sisal composite) and a decrease in the flexural stress at break (45% for the cotton composite, 55% for the sisal composite) were observed. However, with an increase of the thickness of the aeronautical structure (5.2% for the cotton composite, 10.7% for the sisal composite), it was concluded that the replacement would be feasible, which would lead to a increase of the mass equal 6.2% for the sisal fiber composite. Finally, it was evidenced that the used flame retardant mass fraction has a great potential for optimization and that the natural composites efficiency can be improved.

O presente trabalho, inicialmente, apresenta uma revisão a cerca de vários métodos de análise de fadiga e tolerância ao dano em materiais compósitos e, em particular, o conceito de elemento crítico e o método da resistência residual é estudado e aplicado à análise de materiais compósitos poliméricos, reforçados por fibras contínuas, sob cargas cíclicas. Casos de laminados com concentradores de tensão são também abordados, principalmente, devido ao crescente emprego de materiais compósitos. Diante do contexto apresentado, o presente trabalho buscou desenvolver uma ferramenta computacional, que fosse capaz de prever de forma consistente tanto a vida em fadiga de estruturas em material compósito como a resistência residual dessas estruturas sob a ação de carregamentos cíclicos. Dessa forma, um modelo baseado na resistência residual, que envolve integração numérica, é implementado em um programa computacional denominado SAFECom (Sistema de Análise de Fadiga de Estruturas em Compósito), o qual é aplicado a alguns estudos de casos. O SAFECom foi, então, avaliado, comparando resultados obtidos com dados da literatura. Verifica-se uma boa convergência entre os resultados nessa fase de avaliação. Por fim, são listadas possibilidades de aprimoramento do programa, que podem torná-lo aplicável a outros estudos de casos não abordados no presente trabalho, além da avaliação do mesmo através de ensaios experimentais. / This work firstly presents an overview about various methods of analysis of fatigue and damage tolerance of composite materials and, in particular, the concept of critical element and the method of residual strength are studied and applied to the analysis of polymer composites reinforced by continuous fibers under cyclic loading. Cases of laminates with stress concentrators are also addressed, mainly due to increasing use of composite materials. In this context, this work aimed to develop a computational tool that was able to consistently predict both the fatigue life of structures in composite material and the residual strength of these structures under the action of cyclic loads. Thus, a model based on residual strength, which involves numerical integration, is implemented in a computer program called SAFECom (System of Analysis of Fatigue for Composites), which is applied to some case studies. The SAFECom is evaluated by comparing results obtained from literature data. There is a good convergence between the results of this assessment. Finally, possibilities for improvement are listed on the program that can make it applicable to other case studies, which were not covered in this study, in addition to its evaluation by experimental tests.

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.

O presente trabalho, inicialmente, apresenta uma revisão a cerca de vários métodos de análise de fadiga e tolerância ao dano em materiais compósitos e, em particular, o conceito de elemento crítico e o método da resistência residual é estudado e aplicado à análise de materiais compósitos poliméricos, reforçados por fibras contínuas, sob cargas cíclicas. Casos de laminados com concentradores de tensão são também abordados, principalmente, devido ao crescente emprego de materiais compósitos. Diante do contexto apresentado, o presente trabalho buscou desenvolver uma ferramenta computacional, que fosse capaz de prever de forma consistente tanto a vida em fadiga de estruturas em material compósito como a resistência residual dessas estruturas sob a ação de carregamentos cíclicos. Dessa forma, um modelo baseado na resistência residual, que envolve integração numérica, é implementado em um programa computacional denominado SAFECom (Sistema de Análise de Fadiga de Estruturas em Compósito), o qual é aplicado a alguns estudos de casos. O SAFECom foi, então, avaliado, comparando resultados obtidos com dados da literatura. Verifica-se uma boa convergência entre os resultados nessa fase de avaliação. Por fim, são listadas possibilidades de aprimoramento do programa, que podem torná-lo aplicável a outros estudos de casos não abordados no presente trabalho, além da avaliação do mesmo através de ensaios experimentais. / This work firstly presents an overview about various methods of analysis of fatigue and damage tolerance of composite materials and, in particular, the concept of critical element and the method of residual strength are studied and applied to the analysis of polymer composites reinforced by continuous fibers under cyclic loading. Cases of laminates with stress concentrators are also addressed, mainly due to increasing use of composite materials. In this context, this work aimed to develop a computational tool that was able to consistently predict both the fatigue life of structures in composite material and the residual strength of these structures under the action of cyclic loads. Thus, a model based on residual strength, which involves numerical integration, is implemented in a computer program called SAFECom (System of Analysis of Fatigue for Composites), which is applied to some case studies. The SAFECom is evaluated by comparing results obtained from literature data. There is a good convergence between the results of this assessment. Finally, possibilities for improvement are listed on the program that can make it applicable to other case studies, which were not covered in this study, in addition to its evaluation by experimental tests.

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.