A interação dinâmica resultante do impacto de esferas de aço contra chapas de alumínio é estudada através da representação numérica de testes experimentais, os quais imitam freqüentes colisões de pequenos fragmentos contra a fuselagem de aeronaves. Importância é dada à modelagem do comportamento visco-plástico do material da chapa, o que conduz à proposição de uma modificação no método de caracterização dinâmica mecânica de material, realizado através de um equipamento denominado Barra de Hopkinson. Adicionalmente, a influência de possíveis erros na seleção de parâmetros de simulação, relacionados ao contato, amortecimento estrutural e principalmente ao material, é discutida através de análises numéricas de sensibilidade. Testes de impacto foram conduzidos de forma a se obter a velocidade balística das chapas. O deslocamento máximo permanente das chapas a baixas velocidades também foi medido. O método de caracterização dinâmica de material proposto é então avaliado pela comparação dos resultados de simulações numéricas frente aos dados experimentais obtidos nos testes de impacto. As predições de deslocamento máximo permanente, para testes sem perfuração da chapa, e de velocidade balística, para testes de perfuração total, indicaram uma boa concordância numérico-experimental, respeitadas as observações realizadas acerca dos parâmetros envolvidos. / Dynamic interaction present on impact of steel spheres against aluminum panels is studied through a numerical model of experimental tests, which reproduce common collisions of small debris against airplane fuselages. This thesis emphasizes the panel-material visco-plastic behaviour modeling, which leads to a modification of the material dynamic characterization method, based on a Split Hopkinson Pressure Bar. Influence of possible errors in some numerical simulations parameters, related to contact, structural damping and material behaviour is also discussed by sensitivity numerical analyses. Impact tests were conducted to obtain the ballistic velocity of the panels. Also, the final maximum plate deformation at low velocities was measured. The proposed dynamic characterization method is explored by comparing the numerical simulation and the impact tests. The predicted maximum impact point displacement, for no perforation cases, and the ballistic velocity, for total perforation tests, present a good numerical-experimental agreement, bearing in mind the observations about the various used parameters.

A interação dinâmica resultante do impacto de esferas de aço contra chapas de alumínio é estudada através da representação numérica de testes experimentais, os quais imitam freqüentes colisões de pequenos fragmentos contra a fuselagem de aeronaves. Importância é dada à modelagem do comportamento visco-plástico do material da chapa, o que conduz à proposição de uma modificação no método de caracterização dinâmica mecânica de material, realizado através de um equipamento denominado Barra de Hopkinson. Adicionalmente, a influência de possíveis erros na seleção de parâmetros de simulação, relacionados ao contato, amortecimento estrutural e principalmente ao material, é discutida através de análises numéricas de sensibilidade. Testes de impacto foram conduzidos de forma a se obter a velocidade balística das chapas. O deslocamento máximo permanente das chapas a baixas velocidades também foi medido. O método de caracterização dinâmica de material proposto é então avaliado pela comparação dos resultados de simulações numéricas frente aos dados experimentais obtidos nos testes de impacto. As predições de deslocamento máximo permanente, para testes sem perfuração da chapa, e de velocidade balística, para testes de perfuração total, indicaram uma boa concordância numérico-experimental, respeitadas as observações realizadas acerca dos parâmetros envolvidos. / Dynamic interaction present on impact of steel spheres against aluminum panels is studied through a numerical model of experimental tests, which reproduce common collisions of small debris against airplane fuselages. This thesis emphasizes the panel-material visco-plastic behaviour modeling, which leads to a modification of the material dynamic characterization method, based on a Split Hopkinson Pressure Bar. Influence of possible errors in some numerical simulations parameters, related to contact, structural damping and material behaviour is also discussed by sensitivity numerical analyses. Impact tests were conducted to obtain the ballistic velocity of the panels. Also, the final maximum plate deformation at low velocities was measured. The proposed dynamic characterization method is explored by comparing the numerical simulation and the impact tests. The predicted maximum impact point displacement, for no perforation cases, and the ballistic velocity, for total perforation tests, present a good numerical-experimental agreement, bearing in mind the observations about the various used parameters.

Neste trabalho estuda-se o comportamento de laminados fibra-metal em regime de impacto, a partir de uma abordagem teórica, numérica e experimental. Os materiais estudados consistem em camadas finas intercaladas de alumínio 2024-T4 e de um novo material termoplástico de polipropileno (PP) de alta resistência mecânica. Eventos de impacto de baixa e alta velocidade contra placas destes laminados foram realizados a partir de um martelo de impacto e de um canhão pneumático, respectivamente. Nestes experimentos buscou-se identificar as condições limite de ruptura e perfuração das amostras, assim como parâmetros de comportamento do material. O laminado fibra metal de PP (ou TFML) e seus constituintes foram caracterizados a taxas de deformação entre 10-4 / s e 102 / s, utilizando-se máquinas de ensaio universal comerciais e um dispositivo desenvolvido especificamente para este estudo, capaz de caracterizar materiais em taxas intermediárias de deformação. Os modelos teóricos de Jones e Reid-Wen foram adaptados para utilização com TFMLs, sendo capazes de identificar o comportamento do material em regime de baixa e alta velocidade de impacto, respectivamente. Um modelo numérico do TFML em regime de impacto foi desenvolvido utilizando o programa comercial LSDyna. Resultados experimentais e teóricos foram confrontados com esse, apresentado boa correlação na predição do limiar de falha e limite balístico do material. Uma vez que o comportamento do TFML ao impacto foi modelado, buscou-se identificar o efeito da distribuição de camadas e composição de constituintes no comportamento do material ao impacto. Estudos também foram conduzidos com o intuito de identificar a influência da taxa de deformação, geometria do indentador e localização do impacto no comportamento dos laminados. Por fim, uma configuração de TFML foi proposta visando melhoria de seu desempenho ao impacto. / In this work, the behaviour of fibre-metal laminates under impact loading is studied by using theoretical, numerical and experimental approaches. The material is a combination of thin aluminium 2024-T3 layers and an innovative high strength thermoplastic polypropylene material. Low and high velocity impact events were performed using a falling weight machine and a gas-gun projectile launcher, respectively. The thermoplastic fibre-metal laminates (or TFML) and its constituents were mechanically characterized in the range of strain rates between 10-4 / s and 102 / s , using commercial universal testing machines and a specifically designed rig for tensile tests at intermediate strain rates. The Jones and Reid-Wen theoretical models were adapted to be used with TFML plates. A finite element model of the TFML under impact events was developed using LS-Dyna software. The numerical model revalled results that were compared with the theoretical models and the experimental data, providing reasonably similar results. Once the TFML impact behaviour was identified and modelled, the effect of the layers distribution and constituent composition on the TFML impact response was studied. Studies of the strain rate effect, identor geometry and the impact location were also performed. Finally, a TFML configuration was suggested in order to improve the TFML impact performance.

Neste trabalho estuda-se o comportamento de laminados fibra-metal em regime de impacto, a partir de uma abordagem teórica, numérica e experimental. Os materiais estudados consistem em camadas finas intercaladas de alumínio 2024-T4 e de um novo material termoplástico de polipropileno (PP) de alta resistência mecânica. Eventos de impacto de baixa e alta velocidade contra placas destes laminados foram realizados a partir de um martelo de impacto e de um canhão pneumático, respectivamente. Nestes experimentos buscou-se identificar as condições limite de ruptura e perfuração das amostras, assim como parâmetros de comportamento do material. O laminado fibra metal de PP (ou TFML) e seus constituintes foram caracterizados a taxas de deformação entre 10-4 / s e 102 / s, utilizando-se máquinas de ensaio universal comerciais e um dispositivo desenvolvido especificamente para este estudo, capaz de caracterizar materiais em taxas intermediárias de deformação. Os modelos teóricos de Jones e Reid-Wen foram adaptados para utilização com TFMLs, sendo capazes de identificar o comportamento do material em regime de baixa e alta velocidade de impacto, respectivamente. Um modelo numérico do TFML em regime de impacto foi desenvolvido utilizando o programa comercial LSDyna. Resultados experimentais e teóricos foram confrontados com esse, apresentado boa correlação na predição do limiar de falha e limite balístico do material. Uma vez que o comportamento do TFML ao impacto foi modelado, buscou-se identificar o efeito da distribuição de camadas e composição de constituintes no comportamento do material ao impacto. Estudos também foram conduzidos com o intuito de identificar a influência da taxa de deformação, geometria do indentador e localização do impacto no comportamento dos laminados. Por fim, uma configuração de TFML foi proposta visando melhoria de seu desempenho ao impacto. / In this work, the behaviour of fibre-metal laminates under impact loading is studied by using theoretical, numerical and experimental approaches. The material is a combination of thin aluminium 2024-T3 layers and an innovative high strength thermoplastic polypropylene material. Low and high velocity impact events were performed using a falling weight machine and a gas-gun projectile launcher, respectively. The thermoplastic fibre-metal laminates (or TFML) and its constituents were mechanically characterized in the range of strain rates between 10-4 / s and 102 / s , using commercial universal testing machines and a specifically designed rig for tensile tests at intermediate strain rates. The Jones and Reid-Wen theoretical models were adapted to be used with TFML plates. A finite element model of the TFML under impact events was developed using LS-Dyna software. The numerical model revalled results that were compared with the theoretical models and the experimental data, providing reasonably similar results. Once the TFML impact behaviour was identified and modelled, the effect of the layers distribution and constituent composition on the TFML impact response was studied. Studies of the strain rate effect, identor geometry and the impact location were also performed. Finally, a TFML configuration was suggested in order to improve the TFML impact performance.