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Esse trabalho apresenta a validação do método numérico dos elementos finitos para estimar a resistência ao cisalhamento da interface entre camadas de um compósito polimérico de fibra de carbono. Foram realizados ensaios de Resistência ao Cisalhamento Interlaminar (ILSS, interlaminar shear strength) para validação do modelamento numérico. O método numérico consistiu no desenvolvimento de dois modelos em elementos finitos utilizando um programa comercial (ANSYS Rev. 10). O primeiro usando elementos finitos de casca tridimensional e o segundo, usando elementos finitos planos para simular o ensaio ILSS. O modelo numérico que apresentou resultados mais próximos aos experimentais, o modelo tridimensional de casca, apresentou um erro de apenas 5,6%, indicando uma aproximação bastante satisfatória. / This work presents the validation of the numerical method of finite elements to estimate the interlaminar shear strength in a carbon fiber reinforced polymeric composite. ILSS (interlaminar shear strength) tests were performed to validate the numerical modeling. The numerical method consisted of two different finite element models using a commercial software (ANSYS Rev. 10.0). The first model uses tridimensional shell finite elements and the second model, plane finite elements to simulate the ILSS test. The numerical method that presented the closest results to those from the experimental method was the tridimensional shell model, with an error deviation of only 5.6%, which indicates very good precision

Esse trabalho apresenta a validação do método numérico dos elementos finitos para estimar a resistência ao cisalhamento da interface entre camadas de um compósito polimérico de fibra de carbono. Foram realizados ensaios de Resistência ao Cisalhamento Interlaminar (ILSS, interlaminar shear strength) para validação do modelamento numérico. O método numérico consistiu no desenvolvimento de dois modelos em elementos finitos utilizando um programa comercial (ANSYS Rev. 10). O primeiro usando elementos finitos de casca tridimensional e o segundo, usando elementos finitos planos para simular o ensaio ILSS. O modelo numérico que apresentou resultados mais próximos aos experimentais, o modelo tridimensional de casca, apresentou um erro de apenas 5,6%, indicando uma aproximação bastante satisfatória. / This work presents the validation of the numerical method of finite elements to estimate the interlaminar shear strength in a carbon fiber reinforced polymeric composite. ILSS (interlaminar shear strength) tests were performed to validate the numerical modeling. The numerical method consisted of two different finite element models using a commercial software (ANSYS Rev. 10.0). The first model uses tridimensional shell finite elements and the second model, plane finite elements to simulate the ILSS test. The numerical method that presented the closest results to those from the experimental method was the tridimensional shell model, with an error deviation of only 5.6%, which indicates very good precision

This thesis addresses the influence of veil architecture on interlaminar fracture toughness (IFT) of interleaved unidirectional (UD) carbon fibre-epoxy composites with the aim to provide insights. Two nonwoven veils sets formed from polyphenylene sulfide (PPS) fibres with different diameters, with a range of increasing areal density, and a sample of polyetheretherketone (PEEK) fibres, with comparable fibre diameter, are characterised gravimetrically and by tensile tests (long and zero span). Consequently, the anisotropy and maximum stress transfer efficiency (MSTE) parameters are shown by these veils. Subsequently, the veils are interleaved within UD composites and assessed for mode I and mode II IFT. In both modes the veils show a strong dependence on areal density before a plateau at high areal densities, although the lower diameter fibres showed higher IFT values. Interpretation of the results reveal that the difference is attributable to the coverage of veils and thus, to the fraction of fibres in the propagation of crack. However, the effect of fibres is quite evident through the fibre bridging mechanism in the propagation of cracks, more significantly in mode I than in mode II. Moreover, in mode I and mode II a linkage of MSTE of veils with low data variability in IFT is observed. With regard to the anisotropy, this is notably significant only for the PEEK sample, though a statistical analysis supports that the IFT values from both types of fibres are consistent. A comparison of data revealed a slight dependence of the ratio mode II/mode I on areal density only for the larger diameter PPS fibre and the anisotropy of PEEK sample has a strong influence on this ratio. In both modes, however, data presented by this study are consistent with data provided by previous work. Subsequently, mass distribution of veil handsheets is assessed for both modes of IFT into UD composites, revealing no significant dependence of mass distribution on mode I IFT, whereas for mode II this dependence is significant due to the effect a variety of fractional open area size and the floculatted fibres. Fractographic observations via SEM (Scanning Electro Microscope) from representative interleaved composites are analysed and discussed.

The mechanical characterization of the interfacial shear strength (IFSS) of carbon nanotube (CNT) coated carbon fibers and the interlaminar fracture toughness of woven fabric carbon fiber/epoxy composites toughened with CNT/epoxy interleave films is presented. The deposition of multiwalled carbon nanotubes (MWCNT) onto the surface of carbon fibers through thermal chemical vapor deposition (CVD) was used in an effort to produce a graded, multifunctional interphase region used to improve the interfacial strength between the matrix and the reinforcing fiber. Characterization of the IFSS was performed using the single-fiber fragmentation test. It is shown that the application of a MWCNT coating improves the interfacial shear strength between the coated fiber and matrix when compared with uncoated fibers. The effect of CNT/epoxy thin interleave films on the Mode I interlaminar fracture toughness of woven fabric carbon/epoxy composites is examined using the double-cantilever beam (DCB) test. Initiation fracture toughness, represented by critical strain energy release rate (GIC), is shown to improve over standard un-toughened composites using amine-functionalized CNT/epoxy thin films. Propagation fracture toughness is shown to remain unaffected using amine-functionalized CNT/epoxy thin films with respect to standard un-toughened composites.

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Composite laminates are increasingly being used as primary load bearing members in<br />structures.  However, because of the directional dependence of the properties of<br />composite materials, additional failure modes appear that are absent in<br />homogeneous, isotropic materials.  Therefore, a stress analysis of a composite<br />laminate is not complete without an accurate representation of the transverse<br />(out-of-plane) stresses.<br /><br />Stress recovery is a common method to estimate the transverse stresses from a<br />plate or shell analysis.  This dissertation extends stress recovery to problems<br />in which geometric nonlinearities, in the sense of von K\\\'rm\\\'{a}n,  are<br />important.  The current work presents a less complex formulation for the stress<br />recovery procedure for plate geometries, compared with other implementations,<br />and results in a post-processing procedure which can be applied to data from<br />any plate analyses; analytical or numerical methods, resulting in continuous or<br />discretized data.<br /><br />Recovered transverse stress results are presented for a variety of<br />geometrically nonlinear example problems: a semi-infinite plate subjected to<br />quasi-static transverse and shear loading, and a finite plate subjected to both<br />quasi-static and dynamic transverse loading.  For all cases, the corresponding<br />results from a fully three-dimensional stress analysis are shown alongside the<br />distributions from the stress recovery procedure.  Good agreement is observed<br />between the stresses obtained from each method for the cases considered.<br />Discussion is included regarding the applicability and accuracy of the<br />technique to varying plate geometries and varying degrees of nonlinearity, as<br />well as the viability of the procedure in replacing a three-dimensional<br />analysis in regard to the time required to obtain a solution.<br /><br />The proposed geometrically nonlinear stress recovery procedure results in<br />estimations for transverse stresses which show good correlation to the<br />three-dimensional finite element solutions.  The procedure is accurate for<br />quasi-static and dynamic loading cases and proves to be a viable replacement<br />for more computationally expensive analyses. / Ph. D.

[pt] Materiais compósitos pultrudados poliméricos reforçados com fibra de vidro (PRFV) são aplicados em diversos setores da indústria por apresentarem boas resistências mecânicas, baixo peso específico e alta resistência à corrosão. A exposição a ambientes agressivos tais como imersão em água, condicionamento sob alta umidade relativa, temperatura baixa e elevada, ciclos térmicos e úmidos, bem como a combinação desses efeitos, tornou-se cada vez mais objeto de estudo para esses tipos de materiais. A compreensão dos efeitos das condições ambientais no comportamento do material é essencial para avaliar seu desempenho e, desta forma, garantir a segurança necessária ao projeto estrutural. Com o objetivo de compreender melhor a influência de diferentes condições ambientais nas propriedades do material compósito PRFV, foram estudados os efeitos da temperatura e umidade, além da ação combinada dessas duas condições, nas suas propriedades físicas, químicas, térmicas e mecânicas. Neste estudo, foram levados em conta aspectos importantes que influenciam o comportamento do material, como a resina utilizada, o grau de cura, e características químicas e físicas do material. Os ensaios experimentais foram conduzidos em quatro condições ambientais: (i) exposição a temperaturas moderadas/elevadas (70 graus C à 330 graus C), (ii) imersão em água deionizada (25 graus C, 55 graus C e 70 graus C), (iii) exposição à névoa salina em câmaras de envelhecimento higrotérmico (35 graus C, 55 graus C e 70 graus C), e (iv) exposição a ambiente externo real. Além disso, foram aplicados modelos teóricos para avaliação dos resultados. Foi observado que a temperatura, o tempo de condicionamento e a umidade são fatores preponderantes no comportamento do material. Adicionalmente, uma questão importante para o estudo de pultrudados reside na compreensão das propriedades interlaminares do material. Nesse contexto, a fratura interlaminar, associada às fissuras no plano longitudinal entre as camadas do material, é uma das principais causas de falha em compósitos pultrudados. Consequentemente, a análise da fratura em modo II, que avalia o mecanismo da propagação da fissura no plano interlaminar, vem ganhando espaço no estudo de materiais compósitos. A análise de fratura em modo II não é trivial ou normatizada para compósitos pultrudados PRFV, de forma que poucos dados e conclusões efetivas foram obtidos até o momento a esse respeito. Com o objetivo de suprir essa lacuna, realizou-se uma extensa investigação experimental, culminando na proposição de uma nova metodologia para avaliação da fratura em modo II em materiais compósitos poliméricos pultrudados reforçados com fibra de vidro (PRFV). / [en] Pultruded glass-fiber reinforced polymer (GFRP) composites are applied in various industrial sectors due to their good mechanical strength, low specific weight, and high resistance to corrosion. Exposure to aggressive environments has become an increasingly studied topic for these materials, such as immersion in water, conditioning under high relative humidity, low and high temperatures, thermal and humid cycles, as well as the combination of these effects. Understanding the effects of environment condition on material behavior is essential to evaluate its performance and ensure the necessary safety for structural design. In order to better understand the influence of environmental conditions on the properties of GFRPs, the effects of temperature and humidity, as well as the combined action of these two effects, on their physical, chemical, thermal, and mechanical properties were studied. Important aspects that influence the material s behavior were considered, such as the resin used, the degree of curing, and the chemical and physical characteristics of the material. Experimental tests were conducted under four environmental conditions: (i) exposure to moderate/high temperatures (70 degrees C to 330 degrees C), (ii) immersion in deionized water (25 degrees C, 55 degrees C, and 70 degrees C), (iii) exposure to salt spray in hygrothermal aging chambers (35 degrees C, 55 degrees C, and 70 degrees C), and (iv) exposure to real outdoor environment. In addition, theoretical models were applied to evaluate the results. It was observed that temperature, conditioning time, and moisture are predominant factors in material behavior. Additionally, a important issue for the study of pultruded composites lies in understanding the interlaminar properties of the material. In this context, interlaminar fracture, associated with longitudinal cracks between the layers of the material, is one of the main causes of failure in pultruded composites. Consequently, mode II fracture analysis, which evaluates the mechanism of crack propagation in the interlaminar plane, has been gaining ground in the study of composite materials. Mode II fracture analysis is not trivial or standardized for pultruded GFRP composites, so few data and effective conclusions have been obtained in this regard so far. In order to fill this gap, an extensive experimental investigation was carried out, culminating in the proposal of a new methodology for evaluating mode II fracture in pultruded GFRPs.

Para a indústria aeronáutica e aeroespacial os materiais compósitos são considerados materiais estratégicos, pois permitem redução de peso estrutural da aeronave ou veículo espacial mantendo o desempenho mecânico exigido para suportar as diversas situações de carregamento mecânico. É essencial, portanto, obter parâmetros para definir as propriedades mecânicas dos vários tipos de compósitos que serão utilizados por projetistas nas diversas áreas onde são empregados. As propriedades mecânicas de compósitos estruturais dependem, dentre outros fatores, da matriz com a qual são manufaturados. O empilhamento de camadas de fibras de reforço faz com que a região interlaminar seja o ponto de menor resistência mecânica em compósitos aeroespaciais. Uma das propriedades dos compósitos de matriz polimérica ou mesmo matriz de Carbono Reforçado com Fibras de Carbono (CFRC) é possuir baixa resistência ao cisalhamento interlaminar, e como conseqüência, apresentam baixa tenacidade à fratura interlaminar. É importante a determinação da tenacidade à fratura quando a solicitação mecânica se baseia na tração (descolamento) interlaminar. Neste caso a propriedade determinada é a taxa de liberação de energia de deformação interlaminar (GIc). O trabalho pretende desenvolver uma metodologia para essa finalidade

A utilização de materiais compósitos tem-se tornado cada vez mais frequente em função das excelentes propriedades físicas e estruturais, aliadas à baixa densidade que apresentam. O aumento dos campos de aplicação dos materiais compósitos somente foi possível devido à evolução dos reforços utilizados. A utilização de tecidos tri direcionais como reforços de materiais compósitos melhoram o desempenho e possibilitam sua utilização em campos cada vez mais exigentes, principalmente por reduzir a incidência de falhas por delaminação. Este estudo apresenta o desenvolvimento de um tecido multicamadas tri direcional em fibra de carbono, composto por 6 camadas entrelaçadas entre si, que possa ser utilizado como reforço de materiais compósitos. Utilizando-se o tecido desenvolvido neste trabalho, foram produzidos placas de compósitos pelo processo de saco de vácuo. As propriedades dos compósitos obtidos foram avaliadas por ensaios destrutivos e não destrutivos. Para avaliação das propriedades dinâmico-mecânicas, foi utilizado ensaio não destrutivo de vibração livre amortecida. Os resultados obtidos foram comparados com resultados reportados em literatura para compósitos similares. Para as propriedades de cisalhamento, foi utilizado ensaio de resistência ao cisalhamento, modo Iosipescu, que é um ensaio destrutivo. Os resultados obtidos também foram comparados com os reportados em literatura para compósitos similares. Apesar da baixa uniformidade apresentada pelo tecido, uma vez que o mesmo foi desenvolvido utilizando-se um tear artesanal, os resultados obtidos para os compósitos produzidos com o tecido desenvolvido neste trabalho se mostraram semelhantes aos obtidos em literatura. O que permite afirmar que o tecido multicamadas tri direcionais pode ser utilizado para a fabricação de peças estruturais.