O objetivo deste trabalho foi estudar o comportamento mecânico de cilindros de compósito polimérico reforçado com fibras. Para isso, foram produzidos cilindros com extremidades abertas reforçados com fibra de basalto e fibra de vidro, utilizando a técnica de enrolamento filamentar (filament winding). Estes cilindros foram submetidos a ensaio hidrostático com carregamento circunferencial, ensaio de ruptura de anel (split disk test) e ensaio de resistência ao cisalhamento interlaminar (ILSS). Uma placa do compósito de fibra de basalto foi produzida por enrolamento filamentar, para caracterização por ensaio de resistência à tração. Todos cilindros submetidos ao ensaio hidrostático apresentaram fratura localizada em uma faixa de altura do cilindro, com extensas delaminações das camadas circunferenciais. Os compósitos epóxi/fibra de basalto superaram ou igualaram os de compósito epóxi/fibra de vidro nas comparações entre resultados dos valores das propriedades mecânicas avaliadas, nas porcentagens: resistência à tração aparente de ruptura de anel em 45% e 43% em resistência específica; ILSS, em 11%; resistência/tensão de membrana de ruptura no ensaio hidrostático, em 55%. / The aim of this work was to study the mechanical behavior of fiber reinforced polymer composite cylinders. For this purpose, cylinders reinforced with basalt and glass fibers were produced, with open-ended geometry, using filament winding technique. These cylinders were submitted to hydrostatic test under circunferential loading, split disk (ring segment) test and interlaminar shear strength (ILSS). A basalt fiber composite plate was produced by filament winding for characterization by tensile strength test. All cylinders submitted to hydrostatic test presented fracture located in the height range of the cylinder, with extensive delamination of the circumferential layers. The epoxy/basalt fiber composites overcame or equated the epoxy/glass fiber composites in comparisons between results of the mechanical properties, tensile strength in split disk, in 45% and 43% in specific strength; ILSS in 11%; membrane tensile strength in the hydrostatic test, in 55%.

O objetivo deste trabalho foi estudar o comportamento mecânico de cilindros de compósito polimérico reforçado com fibras. Para isso, foram produzidos cilindros com extremidades abertas reforçados com fibra de basalto e fibra de vidro, utilizando a técnica de enrolamento filamentar (filament winding). Estes cilindros foram submetidos a ensaio hidrostático com carregamento circunferencial, ensaio de ruptura de anel (split disk test) e ensaio de resistência ao cisalhamento interlaminar (ILSS). Uma placa do compósito de fibra de basalto foi produzida por enrolamento filamentar, para caracterização por ensaio de resistência à tração. Todos cilindros submetidos ao ensaio hidrostático apresentaram fratura localizada em uma faixa de altura do cilindro, com extensas delaminações das camadas circunferenciais. Os compósitos epóxi/fibra de basalto superaram ou igualaram os de compósito epóxi/fibra de vidro nas comparações entre resultados dos valores das propriedades mecânicas avaliadas, nas porcentagens: resistência à tração aparente de ruptura de anel em 45% e 43% em resistência específica; ILSS, em 11%; resistência/tensão de membrana de ruptura no ensaio hidrostático, em 55%. / The aim of this work was to study the mechanical behavior of fiber reinforced polymer composite cylinders. For this purpose, cylinders reinforced with basalt and glass fibers were produced, with open-ended geometry, using filament winding technique. These cylinders were submitted to hydrostatic test under circunferential loading, split disk (ring segment) test and interlaminar shear strength (ILSS). A basalt fiber composite plate was produced by filament winding for characterization by tensile strength test. All cylinders submitted to hydrostatic test presented fracture located in the height range of the cylinder, with extensive delamination of the circumferential layers. The epoxy/basalt fiber composites overcame or equated the epoxy/glass fiber composites in comparisons between results of the mechanical properties, tensile strength in split disk, in 45% and 43% in specific strength; ILSS in 11%; membrane tensile strength in the hydrostatic test, in 55%.

Materiais compósitos são conhecidos pela alta resistência mecânica e baixo peso, desempenho superior, resistência à corrosão e baixa densidade. A produção de um material composto possui vários processos com particularidades diferentes. O enrolamento filamentar (Filament Winding) é um processo no qual fibras de reforço contínuas são posicionadas de maneira precisa e de acordo com um padrão predeterminado para compor a forma do componente desejado. As fibras, submetidas à tração, são enroladas continuamente ao redor de um mandril que tem a forma do produto final, em geral utilizando equipamentos automáticos. No final do processo, após a cura da resina, o mandril é geralmente removido. Desta forma, é de fundamental importância que o projetista disponha de recursos computacionais adequados para o cálculo das trajetórias e sequenciamento de posicionamento das fibras. Esse trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de procedimentos matemáticos para cálculo de trajetórias geodésicas no processo de \"Filament Winding\" e implementá-los em um ambiente computacional em linguagem de alto nível Java, considerando-se os casos de revestimento circunferencial, helicoidal e polar. São desenvolvidos dois estudos de caso: tubos cônicos e vasos de pressão, e os resultados apresentados e discutidos, validando os procedimentos e ambiente implementado. / Composite materials are well known by the high strength and low weight, superior performance, resistance to the corrosion and low density. The production of a composite material part involves some processes with different requirements. The filament winding process is an automated process in which continuous reinforcement fibers are lay down in prescribed paths on the surface of a mandrel, which is generally removed after the cure of the resin. In such a way, it is fundamental that the designer uses computational resources for the calculation of the paths and sequence of the fibers. In this work is developed the mathematical procedures for calculation of geodesic trajectories in the Filament Winding process and implements them in a computational environment in high level language Java, considering the circumferential, helical and polar strategies. Two case studies are developed successfully: conical pipes and pressure vessels, and the results presented and discussed, validating the procedures and implemented environment.

Essa dissertação trata da modelagem física de filamentos de fibras visando adequá-las a aplicações em equipamentos de enrolamento filamentar - filament winding. No decorrer do trabalho é abordada a criação do subsistema para condução e posicionamento dos fios que compõem as bobinas - rovings. São feitas análises por elementos finitos e realizados testes de bancada com os componentes mecânicos visando validar o subsistema como parte integrante das máquinas de filament winding. É estudada a forma de impregnação dos fios, a tensão e o grau de espalhamento dos fios no decorrer da sua passagem pelo sistema, o qual é composto por um conjunto de polias, um tracionador e um enrolador desses fios. / This dissertation deals with the use of fiber reinforcements, in order to improve its appliance in filament winding machines. Throughout this work it is created a mechanism system to remodel the fiber filaments from rovings to the part that is been produced. Finite element analyses and experimental tests are performed to validate the system as part of the filament winding machines. Its is studied the impregnation characteristics, the tensioning and the spreading of the fibers along the designed system, which is composed by a set of pulleys and tensioners. The system is built and satisfactory results are obtained. The results obtained as well as proposals to improve the system are presented and the results discussed.

Na busca de materiais de baixa densidade, alta resistência e baixo custo, o processo de Filament Winding, ou Enrolamento Filamentar, surge como uma das opções de processo automatizado para a fabricação de componentes em materiais compósitos reforçados por fibras (FRP – Fiber Reinforced Polymers). Tendo uma ampla aplicação estrutural, o tipo de fibra, o tipo de matriz, a orientação das fibras, as camadas de reforço, o mandril a ser utilizado e a otimização da trajetória de deposição das fibras são características essenciais para obtenção de uma peça com as características desejadas no processo. Dentre as necessidades para a utilização deste processo, exerce um papel de destacada influência a geração dos dados da trajetória de deposição da fibra, bem como a geração dos dados operacionais do processo. Este trabalho tem por objetivos desenvolver um programa para a geração destes dados, bem como os dispositivos necessários para a execução do processo de Filament Winding em torno CNC comercial. Os dados das trajetórias são gerados de modo integrado ao sistema CAD, representados por meio dos ângulos das trajetórias, e são alimentados em um programa computacional desenvolvido para este fim, que gera o código CN para a fabricação da peça no equipamento. Para a execução deste código na máquina CNC, foram desenvolvidos sistema de fixação do mandril e alimentador da fibra (incluindo tensionador) que possibilitam a execução do processo neste tipo de equipamento. Todo o sistema desenvolvido foi implementado e utilizado para a confecção de tubos com diferentes trajetórias de preenchimento, validando o sistema computacional e o processo desenvolvido. / In the search of low density, high strength and low cost materials, Filament Winding seems to be an option of automated process to manufacture components in Composite Materials Reinforced by Fibers (FRP – Fiber Reinforced Polymers). Due to its large application in structural engineering, aspects such as fibers, matrices, fiber paths and laminate sequence are essential characteristics to obtain the desired final part. Among the requirements to use the Filament Winding Process, the definition of the fiber paths as well as the laminate sequence play fundamental roles in order to achieve the optimum structural performance of the composite part. This work aims to develop the necessary program to generate this data and devices required for the implementation of Filament Winding process in a commercial CNC machine tool. The data of the trajectories are generated in the CAD system, represented by the angles of the trajectories, and are fed in a computer program developed for this purpose, which generates the NC code for the manufacture of the part in the machine. In order to carried out this code in the CNC machine there were developed mandrel fixation system and fiber feeder (including tensioner were deverloped) that enable to wind the part in this type of equipment. The system developed has been implemented and used for the manufacture of tube parts with different fiber paths, validating the integrated system and the process developed.

Na busca de materiais de baixa densidade, alta resistência e baixo custo, o processo de Filament Winding, ou Enrolamento Filamentar, surge como uma das opções de processo automatizado para a fabricação de componentes em materiais compósitos reforçados por fibras (FRP – Fiber Reinforced Polymers). Tendo uma ampla aplicação estrutural, o tipo de fibra, o tipo de matriz, a orientação das fibras, as camadas de reforço, o mandril a ser utilizado e a otimização da trajetória de deposição das fibras são características essenciais para obtenção de uma peça com as características desejadas no processo. Dentre as necessidades para a utilização deste processo, exerce um papel de destacada influência a geração dos dados da trajetória de deposição da fibra, bem como a geração dos dados operacionais do processo. Este trabalho tem por objetivos desenvolver um programa para a geração destes dados, bem como os dispositivos necessários para a execução do processo de Filament Winding em torno CNC comercial. Os dados das trajetórias são gerados de modo integrado ao sistema CAD, representados por meio dos ângulos das trajetórias, e são alimentados em um programa computacional desenvolvido para este fim, que gera o código CN para a fabricação da peça no equipamento. Para a execução deste código na máquina CNC, foram desenvolvidos sistema de fixação do mandril e alimentador da fibra (incluindo tensionador) que possibilitam a execução do processo neste tipo de equipamento. Todo o sistema desenvolvido foi implementado e utilizado para a confecção de tubos com diferentes trajetórias de preenchimento, validando o sistema computacional e o processo desenvolvido. / In the search of low density, high strength and low cost materials, Filament Winding seems to be an option of automated process to manufacture components in Composite Materials Reinforced by Fibers (FRP – Fiber Reinforced Polymers). Due to its large application in structural engineering, aspects such as fibers, matrices, fiber paths and laminate sequence are essential characteristics to obtain the desired final part. Among the requirements to use the Filament Winding Process, the definition of the fiber paths as well as the laminate sequence play fundamental roles in order to achieve the optimum structural performance of the composite part. This work aims to develop the necessary program to generate this data and devices required for the implementation of Filament Winding process in a commercial CNC machine tool. The data of the trajectories are generated in the CAD system, represented by the angles of the trajectories, and are fed in a computer program developed for this purpose, which generates the NC code for the manufacture of the part in the machine. In order to carried out this code in the CNC machine there were developed mandrel fixation system and fiber feeder (including tensioner were deverloped) that enable to wind the part in this type of equipment. The system developed has been implemented and used for the manufacture of tube parts with different fiber paths, validating the integrated system and the process developed.

Essa dissertação trata da modelagem física de filamentos de fibras visando adequá-las a aplicações em equipamentos de enrolamento filamentar - filament winding. No decorrer do trabalho é abordada a criação do subsistema para condução e posicionamento dos fios que compõem as bobinas - rovings. São feitas análises por elementos finitos e realizados testes de bancada com os componentes mecânicos visando validar o subsistema como parte integrante das máquinas de filament winding. É estudada a forma de impregnação dos fios, a tensão e o grau de espalhamento dos fios no decorrer da sua passagem pelo sistema, o qual é composto por um conjunto de polias, um tracionador e um enrolador desses fios. / This dissertation deals with the use of fiber reinforcements, in order to improve its appliance in filament winding machines. Throughout this work it is created a mechanism system to remodel the fiber filaments from rovings to the part that is been produced. Finite element analyses and experimental tests are performed to validate the system as part of the filament winding machines. Its is studied the impregnation characteristics, the tensioning and the spreading of the fibers along the designed system, which is composed by a set of pulleys and tensioners. The system is built and satisfactory results are obtained. The results obtained as well as proposals to improve the system are presented and the results discussed.

This research investigates composite tubes developed with hybrid preform manufacturing techniques of braiding and filament winding (FW). A quadriaxial braid-wound (QBW) preform [(±45°/0°/90°)2/(±45°/0°)] and a triaxial braided (TB60) preform [(±60°/0°)3] were developed. Quasi-isotropic (QI) fibre orientations were selected for both the lay-ups for comparison of mechanical properties. The large diameter of the tubes led to incomplete surface coverage with (±45°/0°)3 braided preforms (TB45). Circumferential distribution of multiple layers improved the coverage by reducing through the thickness resin pockets. Also addition of hoop winding improved the coverage and consolidated the braided preform. The use of braiding together with FW resulted in an improved fibre volume fraction. Also predicting surface coverage was a fundamental interest for a triaxial braided preform. An equation was proposed for cover factor estimation and was verified by using image analysis. Resin infusion of the preforms was carried out and composite tubes were fabricated. During resin infusion of braided preforms wrinkles were formed. A brief study on wrinkle formation was carried out and the reasons of wrinkle formation for braided tubes were identified based on existing literature. Longitudinal tensioning in conjunction with optimization of fibre amount in a layup and over-winding on braid was established to minimize wrinkle formation. This was primarily due to compaction of braided layers with hoop winding. Hence braid-winding has the additional advantage of manufacturing wrinkle free composite tubes. Finally composite tubes were tested under tension and torsion loads. One of the major findings was the effect of hoop winding on transverse deformation of the braid-wound tubes. As axial fibre percentage for QBW tube was less than that of TB45, the tensile strength was compromised. However presence of hoop winding resulted in lower transverse strain contributing to higher tensile modulus of QBW tubes along with lower Poisson's ratio. Although shear modulus of TB60 tube was exceptionally high for its fibre orientation, for QBW tubes, shear modulus was not significantly higher than that of other tubes. An aluminium tube was also tested for comparing the elastic properties of the QI tubes with those of an isotropic material. QBW tubes specific modulus was higher than that of the aluminium. The shear modulus of the QI and aluminium tubes was estimated by applying the theory for isotropic materials. In comparison to aluminium, for QBW tube the differences between estimated and actual shear modulus was higher. However QBW tube properties were in closer relation to those of the aluminium tube than TB60 tubes. Hence a QBW hybrid layup technique has the potential for manufacturing composite tubes without losing comparative composite material properties.

O semieixo automotivo é um componente usualmente metálico pelo qual o torque é transmitido do diferencial para as rodas do veículo. Diferentemente dos semieixos convencionais, os fabricados em materiais compósitos possuem algumas variáveis de projeto que devem ser levadas em consideração, como a orientação das fibras, a sequência de empilhamento, a espessura e o número de camadas. Neste trabalho, cilindros compósitos para aplicação em semieixos de transmissão foram processados por enrolamento filamentar com o objetivo de substituir peças em aço convencional por compósito laminado em fibra de carbono com matriz epóxi. Para tal, os parâmetros da aplicação do semieixo em compósito, como frequência natural, torque critico de flambagem e capacidade de transmissão de torque foram considerados. Foi realizado um ensaio preliminar de torção e foram selecionados três laminados: [±22/±45], [±89/±45] e [±45]2. Cilindros de carbono/epóxi foram fabricados pelo processo de enrolamento filamentar e ensaios de compressão radial e longitudinal dos cilindros foram realizados. Análises mecânicas foram realizadas por meio de abordagens analíticas e numéricas, sendo que a última foi baseada no método dos elementos finitos. Os resultados analíticos foram comparados com os numéricos e experimentais, apresentando uma boa correlação entre eles. O cilindro com o laminado [±45]2 apresentou o melhor desempenho de resistência sob torção. Para torque critico de flambagem, assim como em compressão radial e longitudinal, o laminado [±45]2 apresentou um desempenho satisfatório para a aplicação, apesar de não ser o melhor desempenho dentre os laminados. Conclui-se que o laminado [±45]2 é o que apresenta melhor desempenho, em geral e que a redução de massa do semieixo desenvolvido em compósito utilizando este laminado, em relação ao de aço é de 47%. / The automotive half shaft is usually a metallic-based component in which the torque is transmitted from the differential to the wheels. Unlike conventional half shafts, in composite half shafts there are several parameters to be improved, namely fiber orientation, stacking sequence, thickness and number of layers. In this study, composite cylinders for application in half shafts have been processed by filament winding in order to replace conventional steel parts by laminated composites with carbon fiber reinforced epoxy composites. For that, it must satisfy several parameters of the composite half shaft, such as critical speed, critical buckling torque and load carrying ability. A preliminary torsional test has been performed and three laminates were selected: [±22/±45], [±89/±45] and [±45]2. Carbon/epoxy cylinders were manufactured by filament winding process and radial and longitudinal compression tests were performed. Mechanical analysis has been accomplished by using analytical and numerical approaches, since the last one is based on the finite element method. Analytical results were compared with the numerical and experimental ones, presenting a good correlation between them. The cylinder [±45]2 has the best performance under torsional loading. For critical buckling torque, as well as radial and longitudinal compression, the laminate [±45]2 presented a satisfactory performance for the application, but not the best performance within the laminates. The main conclusion is that the laminate [± 45]2 has the best performance and the weight reduction of the composite half shaft developed using this laminate is of 47%, when compared to a steel-based shaft.

Materiais compósitos são conhecidos pela alta resistência mecânica e baixo peso, desempenho superior, resistência à corrosão e baixa densidade. A produção de um material composto possui vários processos com particularidades diferentes. O enrolamento filamentar (Filament Winding) é um processo no qual fibras de reforço contínuas são posicionadas de maneira precisa e de acordo com um padrão predeterminado para compor a forma do componente desejado. As fibras, submetidas à tração, são enroladas continuamente ao redor de um mandril que tem a forma do produto final, em geral utilizando equipamentos automáticos. No final do processo, após a cura da resina, o mandril é geralmente removido. Desta forma, é de fundamental importância que o projetista disponha de recursos computacionais adequados para o cálculo das trajetórias e sequenciamento de posicionamento das fibras. Esse trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de procedimentos matemáticos para cálculo de trajetórias geodésicas no processo de \"Filament Winding\" e implementá-los em um ambiente computacional em linguagem de alto nível Java, considerando-se os casos de revestimento circunferencial, helicoidal e polar. São desenvolvidos dois estudos de caso: tubos cônicos e vasos de pressão, e os resultados apresentados e discutidos, validando os procedimentos e ambiente implementado. / Composite materials are well known by the high strength and low weight, superior performance, resistance to the corrosion and low density. The production of a composite material part involves some processes with different requirements. The filament winding process is an automated process in which continuous reinforcement fibers are lay down in prescribed paths on the surface of a mandrel, which is generally removed after the cure of the resin. In such a way, it is fundamental that the designer uses computational resources for the calculation of the paths and sequence of the fibers. In this work is developed the mathematical procedures for calculation of geodesic trajectories in the Filament Winding process and implements them in a computational environment in high level language Java, considering the circumferential, helical and polar strategies. Two case studies are developed successfully: conical pipes and pressure vessels, and the results presented and discussed, validating the procedures and implemented environment.