O presente trabalho visa o estudo e análise de desempenho de diferentes critérios de falha disponíveis na literatura, a diferentes estados triaxiais de tensão. Para isso, utiliza-se um corpo de prova ad hoc, aqui denominado Bifailure, que foi projetado com a finalidade de se obter falha em estado de tensão próximo ao cisalhamento puro e em estado de tensão de alta triaxialidade, em um único teste de tração. Foram realizados ensaios experimentais e simulações numéricas com o programa comercial de elementos finitos LS-Dyna®. A fim de utilizar critérios de falha recentes, ainda não disponíveis, uma subrotina de elementos finitos foi desenvolvida e implementada. Após as simulações, concluiu-se que, dentre os critérios analisados, não houve um critério que representasse perfeitamente e simultaneamente os dois tipos de falha do espécime Bifailure. Por fim, o estudo concluiu que o grau de acuracidade de um critério de falha está relacionado ao número de parâmetros necessários e aos testes experimentais que foram realizados para sua caracterização. / The present work aims the study and analysis of performance of different failure criteria available in literature, in different triaxial stress states. For that, it is used an ad hoc specimen, here named Bifailure, that was designed with the purpose of obtain failure in a stress state near pure shear and in a stress state of high triaxiality, in a single tension test. Experimental tests and numerical simulations were done with commercial finite element software LS-Dyna®. In order to use recent failure criteria, that are still not available, a finite element subroutine was developed and implemented. After simulations, it was concluded that, among analysed criteria, there was not a criterion that represented perfectly and simultaneously the two types of failure of Bifailure specimen. Finally, the study concluded that the degree of accuracy of a failure criterion is related to the number of necessary parameters and to the experimental tests that were done for its characterization.

O presente trabalho visa o estudo e análise de desempenho de diferentes critérios de falha disponíveis na literatura, a diferentes estados triaxiais de tensão. Para isso, utiliza-se um corpo de prova ad hoc, aqui denominado Bifailure, que foi projetado com a finalidade de se obter falha em estado de tensão próximo ao cisalhamento puro e em estado de tensão de alta triaxialidade, em um único teste de tração. Foram realizados ensaios experimentais e simulações numéricas com o programa comercial de elementos finitos LS-Dyna®. A fim de utilizar critérios de falha recentes, ainda não disponíveis, uma subrotina de elementos finitos foi desenvolvida e implementada. Após as simulações, concluiu-se que, dentre os critérios analisados, não houve um critério que representasse perfeitamente e simultaneamente os dois tipos de falha do espécime Bifailure. Por fim, o estudo concluiu que o grau de acuracidade de um critério de falha está relacionado ao número de parâmetros necessários e aos testes experimentais que foram realizados para sua caracterização. / The present work aims the study and analysis of performance of different failure criteria available in literature, in different triaxial stress states. For that, it is used an ad hoc specimen, here named Bifailure, that was designed with the purpose of obtain failure in a stress state near pure shear and in a stress state of high triaxiality, in a single tension test. Experimental tests and numerical simulations were done with commercial finite element software LS-Dyna®. In order to use recent failure criteria, that are still not available, a finite element subroutine was developed and implemented. After simulations, it was concluded that, among analysed criteria, there was not a criterion that represented perfectly and simultaneously the two types of failure of Bifailure specimen. Finally, the study concluded that the degree of accuracy of a failure criterion is related to the number of necessary parameters and to the experimental tests that were done for its characterization.

No presente trabalho é proposto um método para estabelecer um critério de falha da camada polimérica externa dos cabos umbilicais usados em operações offshore. O método proposta baseia-se na determinação do incremento da quantidade de água absorvida pela camada polimérica externa do cabo devido à deterioração provocada pelos carregamentos cíclicos e o envelhecimento originados pelo meio marinho. Este método propõe a realização de um ensaio de fadiga à tração uniaxial no polímero que compõe a camada externa do cabo. O teste é feito simulando as solicitações a que é submetida a camada externa do umbilical durante os ensaios de fadiga feitos, segundo a norma API 17E, durante o processo de homologação do cabo. Além disso, se propõe fazer um ensaio de envelhecimento artificial no polímero da camada externa simulando as condições de serviço do cabo no meio marinho. Com o fim de avaliar a influência dos carregamentos cíclicos e o os agentes do meio marinho nas propriedades do polímero, são feitos ensaios de absorção de água segundo a norma ASTM D 570, ensaios de tração segundo a norma ASTM D 638, ensaios de dureza segundo a norma ASTM D 2240 e observações num microscópio eletrônico de varredura. Finalmente a partir do incremento de massa sofrido pelo polímero no ensaio de absorção de água foi estimado o dano no material da camada externa do cabo. Os resultados obtidos no trabalho mostraram que os carregamentos cíclicos e o meio marinho aceleraram o processo de degradação da camada polimérica externa do umbilical demonstrando assim a eficiência do método proposto. / In the present work is proposed a method to establish a failure criterion of the polymeric external layer of umbilical cables used in offshore operations. The proposed method is based on the determination of the increment of the quantity of absorbed water by the polymeric external layer of the cable due to deterioration caused by cyclic loads and the aging process originated by the marine environment. The method proposes to carry out a uniaxial fatigue test on the polymer that composes the external layer of the cable. This test is made simulating the cyclical deformation that the external layer is submitted in the umbilical during the fatigue test done, according to the API 17E standard, during the process of cable homologation. It is also intended to make an artificial aging test in the polymeric external layer simulating the service conditions of the cable in the marine environment. In order to evaluate of the cyclical loads and the sea set aging influence on the properties of the polymer, carry out water absorption test according to the ASTM D 570 standard, traction test according to the ASTM D 638 standard, hardness test according to the ASTM D 2240 standard and observations in an scanning electron microscopy. Finally starting from the mass increment suffered by the polymer in the water absorption test it was estimated the damage in the external layer material of the cable. The results obtained in this work showed that the cyclical loads and marine environment accelerated the degradation process of polymeric external layer of umbilical cable demonstrating the efficiency of the proposed method.

Materiais compósitos laminados possuem uma alta eficiência estrutural, mas que é comprometida pela baixa resistência a cargas de impacto. O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de uma metodologia de simulação numérica para a estimativa de danos causados por cargas de impacto a baixas velocidades em placas de material compósito laminado. Ensaios experimentais foram realizados em placas reforçadas com tecidos de fibra de carbono e matriz de resina epóxi. Foram avaliadas três espessuras. Os carregamentos de impacto com uma massa em queda livre foram pontuais e transversais à placa, com intervalos de energia variando entre 5J e 94J, com velocidades inferiores a 6 m/s. As simulações numéricas utilizaram um programa comercial de elementos finitos com integração explícita. Foram avaliados dois critérios de falha da lâmina. O primeiro é o critério de máxima tensão. O segundo é uma proposta de modificação no critério de falha de Hashin, para sua aplicação em laminados reforçados com tecidos bidirecionais. Também foram avaliados quatro diferentes critérios de degradação da lâmina. As evoluções das forças de contato entre o impactador e a placa foram muito bem representadas numericamente. As áreas e os comprimentos dos danos numéricos foram similares ou maiores que os medidos nos resultados experimentais. / Laminate composite materials have high structural efficiency, however it is jeopardized due the low strength to impact loads. The objective of this work is to develop a numerical simulation methodology that estimates the damage in laminate plates caused by low velocity impact. Experimental tests were performed on laminate plates reinforced with weaven carbon fibers and epoxi resine. Three thickness plates were evaluated. The impact loads were transversal and punctual. They were done with drop-test, the impact energy range is between 5J and 94J, and the velocities were lower than 6m/s. The numerical simulations were done with FEM commercial code with explict integration. Two lamina failure criteria were evaluated. The first is the maximum stress. The second is a proposed modification of the Hashin failure criterion in order to be applied on the fabric laminates. Four lamina degradation criteria were evaluated too. The numerical contatct loads between the plate and impactor were well represented. The numerical damaged areas and lengths were similar or greater than the experimental results.

No presente trabalho é proposto um método para estabelecer um critério de falha da camada polimérica externa dos cabos umbilicais usados em operações offshore. O método proposta baseia-se na determinação do incremento da quantidade de água absorvida pela camada polimérica externa do cabo devido à deterioração provocada pelos carregamentos cíclicos e o envelhecimento originados pelo meio marinho. Este método propõe a realização de um ensaio de fadiga à tração uniaxial no polímero que compõe a camada externa do cabo. O teste é feito simulando as solicitações a que é submetida a camada externa do umbilical durante os ensaios de fadiga feitos, segundo a norma API 17E, durante o processo de homologação do cabo. Além disso, se propõe fazer um ensaio de envelhecimento artificial no polímero da camada externa simulando as condições de serviço do cabo no meio marinho. Com o fim de avaliar a influência dos carregamentos cíclicos e o os agentes do meio marinho nas propriedades do polímero, são feitos ensaios de absorção de água segundo a norma ASTM D 570, ensaios de tração segundo a norma ASTM D 638, ensaios de dureza segundo a norma ASTM D 2240 e observações num microscópio eletrônico de varredura. Finalmente a partir do incremento de massa sofrido pelo polímero no ensaio de absorção de água foi estimado o dano no material da camada externa do cabo. Os resultados obtidos no trabalho mostraram que os carregamentos cíclicos e o meio marinho aceleraram o processo de degradação da camada polimérica externa do umbilical demonstrando assim a eficiência do método proposto. / In the present work is proposed a method to establish a failure criterion of the polymeric external layer of umbilical cables used in offshore operations. The proposed method is based on the determination of the increment of the quantity of absorbed water by the polymeric external layer of the cable due to deterioration caused by cyclic loads and the aging process originated by the marine environment. The method proposes to carry out a uniaxial fatigue test on the polymer that composes the external layer of the cable. This test is made simulating the cyclical deformation that the external layer is submitted in the umbilical during the fatigue test done, according to the API 17E standard, during the process of cable homologation. It is also intended to make an artificial aging test in the polymeric external layer simulating the service conditions of the cable in the marine environment. In order to evaluate of the cyclical loads and the sea set aging influence on the properties of the polymer, carry out water absorption test according to the ASTM D 570 standard, traction test according to the ASTM D 638 standard, hardness test according to the ASTM D 2240 standard and observations in an scanning electron microscopy. Finally starting from the mass increment suffered by the polymer in the water absorption test it was estimated the damage in the external layer material of the cable. The results obtained in this work showed that the cyclical loads and marine environment accelerated the degradation process of polymeric external layer of umbilical cable demonstrating the efficiency of the proposed method.

Materiais compósitos laminados possuem uma alta eficiência estrutural, mas que é comprometida pela baixa resistência a cargas de impacto. O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de uma metodologia de simulação numérica para a estimativa de danos causados por cargas de impacto a baixas velocidades em placas de material compósito laminado. Ensaios experimentais foram realizados em placas reforçadas com tecidos de fibra de carbono e matriz de resina epóxi. Foram avaliadas três espessuras. Os carregamentos de impacto com uma massa em queda livre foram pontuais e transversais à placa, com intervalos de energia variando entre 5J e 94J, com velocidades inferiores a 6 m/s. As simulações numéricas utilizaram um programa comercial de elementos finitos com integração explícita. Foram avaliados dois critérios de falha da lâmina. O primeiro é o critério de máxima tensão. O segundo é uma proposta de modificação no critério de falha de Hashin, para sua aplicação em laminados reforçados com tecidos bidirecionais. Também foram avaliados quatro diferentes critérios de degradação da lâmina. As evoluções das forças de contato entre o impactador e a placa foram muito bem representadas numericamente. As áreas e os comprimentos dos danos numéricos foram similares ou maiores que os medidos nos resultados experimentais. / Laminate composite materials have high structural efficiency, however it is jeopardized due the low strength to impact loads. The objective of this work is to develop a numerical simulation methodology that estimates the damage in laminate plates caused by low velocity impact. Experimental tests were performed on laminate plates reinforced with weaven carbon fibers and epoxi resine. Three thickness plates were evaluated. The impact loads were transversal and punctual. They were done with drop-test, the impact energy range is between 5J and 94J, and the velocities were lower than 6m/s. The numerical simulations were done with FEM commercial code with explict integration. Two lamina failure criteria were evaluated. The first is the maximum stress. The second is a proposed modification of the Hashin failure criterion in order to be applied on the fabric laminates. Four lamina degradation criteria were evaluated too. The numerical contatct loads between the plate and impactor were well represented. The numerical damaged areas and lengths were similar or greater than the experimental results.