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.

Orientadora: Profª. Drª. Márcia Aparecida da Silva Spinacé / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia/Química, 2015. / Na atualidade, tem aumentado o debate e interesse por processos de produção limpos e economicamente viáveis de celulose nanoestruturada, devido a sua importância em diversas áreas, notoriamente, nos ramos automobilístico e aeronáutico. Um dos processos que vem ganhando destaque é o método de sonificação, de forma alternativa à extração por meio de hidrólise ácida. As fibras oriundas de resíduos agroindustriais podem ser submetidas ao processo de sonificação em diferentes condições de temperatura, quantidades e tempos, as quais também podem ser funcionalizadas, a fim de seu uso como reforço de matrizes poliméricas. Neste trabalho, estudou-se as condições de sonificação em meio aquoso para obtenção de celulose nanoestruturada, com base no resíduo têxtil. Para essa finalidade, foram preparados compósitos com o uso do polietileno de baixa densidade como matriz 3, 6 e 9 % em massa de celulose nanoestruturada com alta cristalinidade, que foi obtida por sonificação ou celulose nanoestruturada com alta cristalinidade obtida por sonificação + poli (óxido de etileno), adicionando-se o óleo mineral puro, a fim de otimizar o processamento durante a moldagem. O poli (óxido de etileno) foi usado na proporção 1:10 em função da celulose nanoestruturada com alta cristalinidade obtida por sonificação + poli (óxido de etileno), para melhorar a interação fibra-matriz. Os resultados mostraram que foi possível a obtenção da celulose nanoestruturada, por meio do método de sonificação, que é um método sem a geração de resíduos. Portanto, a celulose nanoestruturada apresentou picos cristalinos característicos dos cristais polimórficos de uma mistura de celulose I e celulose II, evidenciando um valor de cristalinidade superior a celulose nanoestruturada obtida via química, que, por sua vez, demonstrou a importância do estudo das condições de otimização desse processo mecânico. Nessa direção, a análise por espectroscopia, na região do infravermelho, indicou que não há mudanças na estrutura química da celulose nanoestruturada, após a sonificação. A análise térmica mostrou estabilidade da celulose nanoestruturada sonificada superior à fibra sem tratamento e à fibra obtida via hidrólise química, indicando a possibilidade de uso como matriz em polímeros com temperaturas de fusão superiores às poliolefinas. Já a análise morfológica mostrou a redução nas dimensões da fibra e boa dispersão das fibras após ciclos de moldagem por compressão. Sendo assim, os resultados mecânicos de tração são comparáveis aos verificados na literatura para compósitos similares obtidos por processo de ix extrusão o qual permite uma melhor mistura e dispersão dos compósitos. A celulose nanoestruturada obtida mostrou ser interessante para aplicação em compósitos poliméricos. / At the present time, it has increased the debate and interest in cleaner production processes and economically viable nanostructured cellulose, due to its importance in several areas, notably in the automotive and aeronautical branches. One process that has been gaining importance is the sonication method, the extraction alternatively by acid hydrolysis. The fibers coming from agro-industrial waste can be subjected to sonification process in different conditions of temperature, amounts and times, which can also be functionalized, in order of their use as reinforcing polymeric matrices. In this study, we studied the conditions of sonication in an aqueous medium to obtain nanostructured cellulose-based textile residue. For this purpose, composites were prepared by using low density polyethylene as the matrix 3, 6 and 9 mass% of nanostructured cellulose with high crystallinity, which was obtained by sonication or nanostructured cellulose having high crystallinity obtained by sonification + poly (oxide ethylene), adding pure mineral oil in order to optimize the processing during molding. The poly (ethylene oxide) was used at 1:10 depending on the nanostructured cellulose having high crystallinity obtained by sonification + poly (ethylene oxide) to improve fiber-matrix interactions. The results showed that it was possible to obtain nanostructured cellulose, by means of sonication method, a method that is without generating waste. Therefore, the nanostructured cellulose was characteristic peaks of crystalline polymorphic crystals of a mixture of cellulose I and cellulose II, showing a higher value crystallinity cellulose obtained via the nanostructured chemical which, in turn, has demonstrated the importance of studying optimization conditions this mechanical process. In this sense, the analysis by spectroscopy in the infrared region, indicated that no changes in the structure of the nanostructured chemical pulp, after sonication. Thermal analysis showed stability of nanostructured sonicated above the pulp fiber and untreated fiber obtained via chemical hydrolysis, indicating the possibility of use as matrix polymers with melting temperatures higher than those polyolefins. Since the morphological analysis showed a reduction in fiber dimensions and good dispersion of the fibers after compression molding cycles. Thus, the mechanical traction results are comparable to those observed in the literature for similar composites obtained by the extrusion process which allows better mixing and dispersion of the composite. The nanostructured cellulose obtained proved to be interesting for application in polymeric composites.

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.

Considerando a necessidade de adaptar, para mão de obra local e não especializada, os dos ciclos de desenvolvimento de projeto baseado em desempenho do material, objetiva-se comparar processos de projeto de modelos form-making, algorítmico e formfinding, e assim avaliar seus desempenhos estruturais; produzir um material compósito polimérico com fibra natural e, por último, generalizar um ciclo de desenvolvimento de projeto que englobe fabricação com materiais compósitos de morfologias oriundas de processos digitais de projeto. Deste modo, a hipótese avaliada pela tese, e que trata tanto as discussões sobre processo de projeto bem como a adaptação da fabricação para a mão de obra local é: o processo digital performático deve definir o material, além de aferir seu desempenho, já nas fases iniciais do ciclo de desenvolvimento do projeto. Para tanto, procede-se à uma abordagem de pesquisa orientada por projeto conhecida como design research, além metodologia exploratória, experimental, descritiva e de aplicação. Desse modo observou-se que os modelos de formação baseada em desempenho simulados apresentaram resultados menores na deformação máxima e energia elástica de deformação que resultam em estruturas otimizadas que necessitam de menos material para serem produzidas. Isto permitiu concluir que o ciclo de desenvolvimento de projeto proposto pela pesquisa é capaz de viabilizar formas não convencionais geradas por processos digitais de projeto e fabricadas com materiais compósitos poliméricos. / Considering the need to adapt, for local and non-specialized hand labor, the design development cycle based on material performance, this thesis aims to compare design methods through form-making, algorithmic and form-finding models, and thus to evaluate their structural performances; to produce a polymeric composite material with natural fiber and; at last, to generalize a design development cycle that encompasses fabrication with composite materials of morphologies originated by digital design. Thus, the hypothesis evaluated by this thesis, which addresses both the discussions about the design process as well as the adaptation of the manufacturing to the local workforce, is: the digital performative design must define the material, as well as measure its performance, already in the early stages of the design development cycle. In this sense, the study relied on a design driven research approach, known as design research, in addition to an exploratory, application, descriptive and experimental methodology. In this way, it was observed that, the simulated performance-based models presented lower results in the maximum deformation and elastic energy of deformation that resulted in optimized structures that requires less material to be produced. This allowed to conclude, that the design development cycle proposed by this research is capable of enabling non-conventional forms generated by digital design and fabricated with polymer composites.

In last decades, there has been a relevant growth in the application of composite materials reinforced by fibers in the several industries, especially the aeronautical, automotive, construction and offshore structures segments. How the composites exhibit relationships stiffness/weight and resistance/high weight, and other interesting features compared with other materials, they have been increasingly used to replace conventional materials. The present work has as objective to develop a study about laminated polymeric composite tubes subjected to thermomechanical loads. The laminae are composed of polymeric matrix involving unidirectional long fiber reinforcement. The walls of the studied tubes present various lamination schemes and different constituent materials. The analyses are set by analytical formulations that permits obtaining the displacements, stresses and strains, as well as verification failures in the laminae. Different empirical and semi-empirical analytical models are used for failure analyses. Effects of thermomechanical loads, such as internal pressure, bending, and temperature changes are considered. The analyzed cases consist of tubes with walls comprised of several layers with different directions of fibers, some including laminae sand impregnated with resin. The results are also compared with other available in the literature. It is verified that the Tsai-Wu criterion provides superior results to the other two failure models used in the work, especially for angles greater than 50°. Moreover, this criterion obtained an inconsistent result in the analysis of the temperature effects for the laminae [+55°/−55°]2. / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Alagoas / Nas últimas décadas, houve um grande crescimento na aplicação de materiais compósitos reforçados por fibras em diversos setores, com destaque para os segmentos aeronáutico, automotivo, construção civil e de estruturas offshore. Como os referidos compósitos apresentam relações rigidez/peso e resistência/peso elevadas, além de outras características interessantes, em comparação com outros materiais, eles têm sido cada vez mais utilizados em substituição aos materiais convencionais. O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um estudo sobre tubos de materiais compósitos poliméricos laminados submetidos a cargas termomecânicas. As lâminas são constituídas por uma matriz polimérica envolvendo fibras unidirecionais longas de reforço. As paredes dos tubos estudadas apresentam diferentes esquemas de laminação, podendo ser constituídas por diferentes materiais. As análises são feitas através de formulações analíticas que permitem a obtenção dos deslocamentos, tensões e deformações, assim como a verificação de falhas nas lâminas. Para a análise de falhas são empregados diferentes modelos analíticos empíricos e semiempíricos. Efeitos de cargas termomecânicas, tais como pressão interna, flexão e de variação de temperatura são considerados. Os casos analisados consistem de tubos com paredes constituídas por várias camadas com diferentes direções de fibras, alguns incluindo lâminas de areia impregnada com resina. Os resultados encontrados também são comparados com outros disponíveis na literatura. Verifica-se que o critério de Tsai-Wu fornece resultados superiores aos dos outros dois modelos de falha utilizados no trabalho, principalmente para ângulos superiores a 50°. Além disso, esse critério obteve resultado inconsistente na análise dos efeitos de temperatura para o laminado [+55°/−55°]2.

Neste trabalho propõe-se o projeto e a análise estrutural de uma haste femoral de implante de quadril em material compósito polimérico. No trabalho, realizaram-se algumas etapas com a finalidade de obter parâmetros confiáveis de comportamento do material, visando à consistência dos resultados numéricos e experimentais. Primeiramente, faz-se um levantamento bibliográfico sobre o comportamento mecânico dos materiais compósitos poliméricos reforçados, como também dos critérios de falha existentes para este tipo de material. Em seguida, apresentam-se as etapas experimentais com a descrição dos procedimentos de fabricação dos corpos-de-prova e os resultados obtidos a partir dos ensaios quase-estáticos de tração do poliuretano derivado de óleo de mamona. A etapa seguinte foi desenvolver um dispositivo de ensaio monotônico quase-estático para a haste femoral em poliuretano com o objetivo de levantar a curva força-deslocamento seguindo as especificações das normas ISO 7206-3 e ISO 7206-4. Com base nos resultados experimentais obtidos, foi possível propor um reforço estrutural, na forma de tubo, na haste femoral em poliuretano e adotar uma análise de falha progressiva para determinar o seu comportamento mecânico. Para esta finalidade foi implementado um modelo de material em sub-rotina FORTRAN, compilada em conjunto com um programa de elementos finitos (ABAQUS). Concluiu-se, que o modelo de material implementado e o reforço estrutural proposto para a haste femoral traz contribuições inovadoras, visto que se pode prever com mais precisão o comportamento mecânico da haste femoral reforçada com o tubo em material compósito polimérico. / A design and structural analysis of a femoral stem using a polymeric composite material is proposed in this work. The work had some steps in order to achieve trusty parameters for the material behavior aiming the consistence of numerical and experimental results. In the first step, a bibliographic review of mechanical behavior of reinforced polymeric composite materials as well as failure criterion was done. Following experimental steps are presented with specimen manufacturing procedure description and the results obtained from quasi-statics tension tests of polyurethane derivated from castor oil. The next step was the development of a monotonic quasistatic test device for the polyurethane femoral stem aiming to determine the forcedisplacement curve according to ISO 7206-3 and ISO 7206-4 standards. Considering the experimental results obtained it was possible to propose a structural reinforcement, which consists on a tube, in the polyurethane femoral stem and to adopt a progressive failure analysis in order to determine its mechanical behavior. A material model using FORTRAN sub-routine was developed and compiled joint with a finite element program (ABAQUS). The conclusion is that the model developed and the structural proposed reinforcement for the femoral stem bring innovation for this contribution once it is possible to preview accurately the mechanical behavior of the reinforced femoral stem with tube in polymeric composite material.

Neste trabalho propõe-se o projeto e a análise estrutural de uma haste femoral de implante de quadril em material compósito polimérico. No trabalho, realizaram-se algumas etapas com a finalidade de obter parâmetros confiáveis de comportamento do material, visando à consistência dos resultados numéricos e experimentais. Primeiramente, faz-se um levantamento bibliográfico sobre o comportamento mecânico dos materiais compósitos poliméricos reforçados, como também dos critérios de falha existentes para este tipo de material. Em seguida, apresentam-se as etapas experimentais com a descrição dos procedimentos de fabricação dos corpos-de-prova e os resultados obtidos a partir dos ensaios quase-estáticos de tração do poliuretano derivado de óleo de mamona. A etapa seguinte foi desenvolver um dispositivo de ensaio monotônico quase-estático para a haste femoral em poliuretano com o objetivo de levantar a curva força-deslocamento seguindo as especificações das normas ISO 7206-3 e ISO 7206-4. Com base nos resultados experimentais obtidos, foi possível propor um reforço estrutural, na forma de tubo, na haste femoral em poliuretano e adotar uma análise de falha progressiva para determinar o seu comportamento mecânico. Para esta finalidade foi implementado um modelo de material em sub-rotina FORTRAN, compilada em conjunto com um programa de elementos finitos (ABAQUS). Concluiu-se, que o modelo de material implementado e o reforço estrutural proposto para a haste femoral traz contribuições inovadoras, visto que se pode prever com mais precisão o comportamento mecânico da haste femoral reforçada com o tubo em material compósito polimérico. / A design and structural analysis of a femoral stem using a polymeric composite material is proposed in this work. The work had some steps in order to achieve trusty parameters for the material behavior aiming the consistence of numerical and experimental results. In the first step, a bibliographic review of mechanical behavior of reinforced polymeric composite materials as well as failure criterion was done. Following experimental steps are presented with specimen manufacturing procedure description and the results obtained from quasi-statics tension tests of polyurethane derivated from castor oil. The next step was the development of a monotonic quasistatic test device for the polyurethane femoral stem aiming to determine the forcedisplacement curve according to ISO 7206-3 and ISO 7206-4 standards. Considering the experimental results obtained it was possible to propose a structural reinforcement, which consists on a tube, in the polyurethane femoral stem and to adopt a progressive failure analysis in order to determine its mechanical behavior. A material model using FORTRAN sub-routine was developed and compiled joint with a finite element program (ABAQUS). The conclusion is that the model developed and the structural proposed reinforcement for the femoral stem bring innovation for this contribution once it is possible to preview accurately the mechanical behavior of the reinforced femoral stem with tube in polymeric composite material.