Durante os últimos anos tem-se observado um aumento crescente no uso de materiais compósitos. Isto se deve principalmente devido às vantagens que os mesmos apresentam em relação aos materiais convencionais tais como: alta resistência e rigidez associado à elevado desempenho estrutural, baixo peso e boa resistência à corrosão e oxidação, dentre outros. Contudo, o uso de materiais compósitos em projetos estruturais exige um bom conhecimento de suas propriedades elásticas e ferramentas adequadas para análise de falhas destes materiais. Algumas ferramentas comerciais já foram desenvolvidas, entretanto estas ferramentas apresentam arquitetura fechada que, na maioria das vezes, não permitem implementações específicas para as necessidades de cada usuário. Este trabalho desenvolve um sistema computacional para cálculo de propriedades elásticas e estadas de tensão - deformação nas diferentes camadas de laminados poliméricos, utilizando plataforma JAVA em código aberto e de baixo custo. Após a entrada dos dados de materiais e seqüência das lâminas, o sistema calcula as propriedades elásticas bem como o estado de tensões e deformações nas diferentes camadas, propiciando assim a aplicação de diferentes critérios de falhas. O sistema foi validado em estudos de caso da literatura com resultados satisfatórios. / During the past years a growing increase in the use of composite materials has been observed. This is due mainly to the advantages they present in relation to conventional materials such as: high strength and stiffness associate with low weight, good resistance to corrosion and oxidation and others. However, the use of composites in structural applications demands a good knowledge of their elastic properties as well as computational tools for failure analysis of these materials. Some commercial tools have been already developed, however these packages do not allow specific users implementations. This work develops a computational system for calculation of elastic properties and stress analysis along the different layers of a polymeric laminate, using JAVA platform in open code with low cost. After the material data input and laminate sequence, the system calculates the elastic properties as well as the stress state in the different layers, thus allowing the application of different failure criteria.

Esta dissertação de mestrado apresenta a avaliação do comportamento de um modelo de elementos finitos híbrido tridimensional quando aplicado ao problema de flexão de placas laminadas. Flexão de placas compõe a análise de estruturas utilizadas em diversos campos da engenharia. Materiais laminados vem sendo cada vez mais empregados em equipamentos esportivos, construção civil, automóveis e aeronaves. A complexidade da distribuição de tensões pela espessura da placa laminada exigiu a aplicação de novos métodos numéricos para sua determinação, entre eles, o método de elementos finitos com formulação híbrida tridimensional. A formulação de elementos finitos utilizada é híbrida de tensões: os campos de tensões e deslocamentos são aproximados de forma direta e independente no interior do elemento e em seu contorno, respectivamente. As funções de aproximação de tensões escolhidas atendem à restrição de Trefftz para materiais isotrópicos e o sistema de equações é obtido através das condições de equilíbrio, para o contorno do elemento, e de compatibilidade, em seu domínio, impostas de forma ponderada. Elementos hexaédricos de oito nós com mapeamento de elemento mestre foram empregados nas análises. Dois tipos de refinamentos são permitidos pela formulação: uma maior discretizacão da malha de elementos e um aumento dos graus dos polinômios utilizados como função de aproximação. As placas analisadas são quadradas, modeladas com três dimensões, de bordos idealizados como simplesmente apoiados e carregamentos distribuídos senoidalmente. Os lados das placas assumem as dimensões iguais a 10, 20, 50 e 100 vezes maiores do que a espessura e o material alterna entre isotrópico, ortotrópico e compósito laminado. Nas análises são avaliadas a convergência do deslocamento vertical máximo, as distribuições das tensões pela superfície das placas homogêneas e distribuições das tensões pela espessura de placas compósitas laminadas. Os resultados obtidos são comparados com as soluções analíticas dadas pela utilização da teoria de placas de segunda ordem e por uma solução tridimensional exata.

O desenvolvimento da tecnologia dos compósitos poliméricos avançados tem como uma de suas finalidades, formar um conjunto de materiais que combinem alta resistência, alta rigidez e baixa massa específica. Esta combinação de propriedades é resultante da união de reforços de fibras com polímeros, tornando os compósitos particularmente atrativos como substituintes das ligas metálicas em aplicações aeronáuticas e espaciais. Os compósitos obtidos com termoplásticos de engenharia, em comparação aos compósitos termorrígidos, podem apresentar maior rigidez, maior resistência ao impacto, maior temperatura de serviço, menor absorção de água, menor custo de processamento, baixo custo de transporte e estocagem, maior facilidade na execução de reparos, maiores possibilidades de integração e possibilidade de reciclar rejeitos. Dentre os processos de conformação disponíveis para compósitos termoplásticos, a moldagem por conformação a quente com molde híbrido metal-borracha vem sendo muito utilizado devido ao seu baixo custo e elevada produtividade. Neste processo, o ciclo térmico e as cargas mecânicas envolvidas podem afetar a cinética de cristalização e causar deslocamentos da fibra em relação à matriz ou o aparecimento de vazios. Portanto, as propriedades da peça final podem ser afetadas. O objetivo deste trabalho é avaliar a influência dos parâmetros de processamento, com ênfase nas variações de temperatura, nas propriedades mecânicas tais como módulo elástico e resistência obtidos por flexão e módulo elástico obtido por compressão para laminados de compósitos termoplásticos de poli(éter-imidia) (PEI) reforçado com fibra de carbono e poli(sulfeto de fenileno) (PPS) reforçado com fibra de carbono e de vidro. As propriedades mecânicas, cristalinidade e qualidade de compactação foram avaliadas e correlacionadas antes e depois do processamento por moldagem por compressão a quente em molde híbrido metal-borracha. As conclusões mostraram que os ciclos térmicos do processo de conformação utilizando os moldes mais frios, 50C e 100C para os compósitos de PEI e PPS, respectivamente, causaram um decremento nas propriedades medidas em flexão.

Quando peças aeronáuticas são danificadas, muitas vezes é mais econômico repará-las do que substituí-las. No intuito de analisar o efeito de discrepâncias na posição nominal de orifícios em juntas mecânicas de compósitos laminados, este trabalho compara duas técnicas de reparo estrutural, sendo elas denominadas reparo convencional e reparo por spot-face, com o objetivo de restaurar as propriedades mecânicas de modo a não refugar a peça. O método convencional usa tecido seco picado na região interna do orifício, com o acréscimo de uma camada de material pré-impregnado em cada lado do laminado. Esta técnica é largamente utilizada em função de sua eficiência na restauração das propriedades mecânicas. O método spot-face consiste em preencher a região do orifício com um empilhamento de camadas de nivelamento, seguida de camadas de reparo de material pré-impregnado. A resina adesiva é responsável pela colagem desta estrutura no orifício da peça. Esta técnica é mais simples e mais rápida do que o reparo convencional. Este trabalho compara a resistência de juntas reparadas pelos dois processos. O ensaio de bearing foi o escolhido para avaliar a resistência mecânica dos orifícios de juntas de compósitos reparados. Os corpos-de-prova foram fabricados com materiais pré-impregnados de carbono e fibra de vidro e resina epóxi com orifício de diâmetro 3/16"(5,1mm). O uso da técnica spot-face nos reparos em peças de carbono não leva a uma perda considerável das propriedades mecânicas. Por se uma técnica mais rápida do que a convencional, o seu uso reduz consideravelmente o tempo gasto comparado ao reparo convencional. Quanto ao uso do método spot-face em peças reparadas com fibra de vidro, é necessário um critério mais rigoroso para sua utilização, já que ocorre uma queda média de resistência a bearing em relação à técnica convencional de 12,7%.

Uma formulação de cascas finas junto com a teoria clássica de materiais compósitos, é apresentada. A aplicação é feita para flambagem de cascas cilíndricas laminadas sujeitas a cargas axiais. O problema de autovalor foi formulado e os casos críticos para vários valores de semi-ondas na direção axial e semi-ondas na direção circunferencial são apresentados. Os resultados obtidos são comparados com soluções analíticas, com outros resultados numéricos e com o programa Nastran aplicado para elementos de flexão incompletos que não satisfazem a continuidade C1.

Neste trabalho é estabelecido um procedimento para a obtenção dos campos eletromagnéticos em estruturas com múltiplas camadas, anisotrópicas ou não, e respectivas funções de Green. Os cálculos são efetuados no domínio de Fourier com auxílio da programação simbólica do Mathematica. Análises das características de irradiação são realizadas para dipolos de meia onda e antenas de microfita retangulares e circulares, sobre substratos isotrópicos. Síntese de redes de antenas circulares, para aplicação em satélites de órbita baixa, também são contemplados. Empregando o formalismo desenvolvido, um programa em linguagem simbólica é implementado para a obtenção das funções de Green espectrais de estruturas com substratos anisotrópicos. Este programa é usado na análise do comportamento de um dipolo elétrico curto impresso sobre um substrato de ferrite polarizado. O método dos momentos é estruturado para a análise rigorosa de antenas de microfita alimentadas por acoplamento eletromagnético. Aplicação para um dipolo elétrico imerso em camadas biaxiais é efetuada e efeitos sobre a impedância de entrada são estudados. Resultados teóricos são comparados com os simulados por programas comerciais. Experimentos são realizados com um protótipo construído. Boa concordância entre os resultados experimentais e os previstos pelos programas desenvolvidos validam o procedimento estabelecido.

Tensões residuais provenientes da fabricação estão sempre presentes em laminados de material compósito polimérico afetando adversamente a resistência e o comportamento elástico de tal tipo de estrutura. Ao invés dos efeitos deletérios, as tensões residuais podem ser intencionalmente introduzidas para melhorar a resposta estrutural. No entanto, a implementação prática deste conceito depende fortemente da determinação precisa da magnitude do campo de tensões residuais no laminado. O estudo da variação da curvatura de laminados não-simétricos em função da temperatura permite a determinação indireta das tensões residuais e a caracterização do comportamento termomecânico do material. No presente trabalho, um método experimental baseado no uso de uma câmara fotográfica digital, técnicas de processamento de imagens, e uma câmara de ensaios climáticos é proposto para realizar tais estudos. O método é utilizado em experimentos restritos a um intervalo onde os efeitos da temperatura nas propriedades do material podem ser negligenciados. Os dados experimentais obtidos são usados para o ajuste de resultados de simulação provenientes de modelos elásticos onde fatores com alto grau de incerteza e de difícil determinação, como as variações das propriedades do material com tempo, temperatura e umidade, além da falta de homogeneidade do laminado, não são considerados. O uso do ponto onde a curva curvatura-temperatura ajustada cruza o eixo da temperatura como base para um procedimento que permita uma determinação mais precisa das tensões residuais é apresentado e discutido. Como contribuição, o trabalho demonstra a eficácia do método de medida por processamento digital de imagens, descreve um procedimento experimental para caracterização do comportamento termomecânico de laminados em material compósito, apresenta um tratamento para a determinação precisa das tensões residuais em laminados não-simétricos e discute a aplicação do método de medida como uma ferramenta para a avaliação das tensões residuais em laminados simétricos.

O objetivo deste trabalho é utilizar a teoria clássica de placas laminadas para determinar a carga de flambagem de placas retangulares engastadas em todas as bordas sujeitas a forças de membrana normais e tangenciais uniformemente distribuídas, sem nenhuma restrição ao esquema de laminação. A análise é baseada no método de Galerkin com diferentes tipos de aproximações, implementada em linguagem MATLAB. A solução é comparada com a dos ábacos do ESDU e do software MSC/NASTRAN.

Quando materiais compósitos são fabricados a altas temperaturas e posteriormente resfriados à temperatura ambiente, aparecem nos materiais tensões residuais térmicas. Este estado de tensões sempre persiste no material e pode influenciar significativamente nas propriedades elásticas e de resistência da estrutura. O presente trabalho tem como objetivo avaliar de forma experimental o efeito das tensões residuais térmicas nas propriedades elásticas de laminados simétricos reforçados. A pesquisa é focada na análise de placas quadradas de carbono/epóxi nas quais foram colados de forma simétrica reforçadores com diferentes geometrias (em forma de quadro, longitudinal e diagonal). Estes reforços foram colados seguindo duas metodologias diferentes. A primeira metodologia consistiu em colar os reforçadores nas placas à temperatura ambiente. A segunda metodologia consistiu em co-curar os reforçadores à temperatura de 177oC (cura). O trabalho experimental baseou-se na realização de ensaios de flexibilidade, vibração livre e flambagem. Para os ensaios de flexibilidade foi aplicada a técnica de topogrametria, a qual permite determinar com exatidão o valor dos deslocamentos fora do plano quando uma força estática transversal é aplicada. Nos ensaios de vibração livre, foram determinadas as freqüências naturais de vibração mediante o uso de um analisador de sinais dinâmicos. Já os testes de flambagem e pós-flambagem foram realizados aplicando uma força de compressão utilizando uma máquina universal de ensaios INSTRON. Os deslocamentos transversais produzidos pela aplicação do carregamento foram obtidos com auxílio da topogrametria. Todos os resultados experimentais foram comparados com resultados numéricos obtidos com auxílio do software comercial ABAQUS. Os resultados comprovam a influência das tensões térmicas residuais nas propriedades elásticas estudadas, assim como a influência da geometria do reforço utilizado na fabricação das placas.

A instabilidade de placas laminadas se tornou um problema de grande importância no projeto de estruturas leves e seguras. Desta forma, o estudo de métodos e o desenvolvimento de programas computacionais para a obtenção de cargas críticas de flambagem neste tipo de estrutura são muito úteis. Este trabalho apresenta o estudo da aplicação da série trigonométrica de duplo seno na obtenção de cargas críticas de laminados retangulares simétricos, com os bordos simplesmente apoiados, baseado nas hipóteses de Kirchhoff, utilizando o método de Rayleigh-Ritz. Um programa computacional no Matlab 6.5 foi desenvolvido e validado por comparação com resultados encontrados na literatura. Em seguida, comparou-se os resultados do programa com os resultados obtidos pelo método dos elementos finitos utilizando-se o Nastran. Verificou-se que a série de duplo seno não ée adequada para a solução de laminados altamente anisotrópicos.