A instabilidade de placas de materiais compostos com lâminas piezoelétricas coladas em suas superfícies têm sido alvo de diversos estudos nos últimos anos. Estruturas inteligentes tentam driblar os problemas de instabilidade com a implementação de um sistema de controle que através de uma rede de sensores e atuadores piezoelétricos disposta sobre a estrutura confere robustez ao sistema estrutural. Uma técnica para aumentar as cargas de flambagem de placas de materiais compostos é proposta. A técnica utiliza tensões residuais para criar forças de tração não nulas agindo ao longo do plano da placa permitindo a aplicação de forças externas maiores que as cargas críticas de flambagem tradicionais. A idéia consiste em restringir completamente os movimentos da placa nas direções do seu plano, em todo contorno, e aplicar uma voltagem em atuadores simetricamente colados nas faces da mesma. Essa voltagem é aplicada de tal forma que os atuadores contraiam resultando em forças de tração uniformes ao longo do plano da placa.

O presente trabalho tem como objetivo desenvolver soldagem de junção de topo, no estado sólido, de placas de alumínio 7050-T7451 de espessura 0,625 pol, para aplicação aeronáutica em asas, por meio da técnica Friction Stir Welding - FSW, obtendo-se boas propriedades mecânicas, produzindo peças integrais, desta forma reduzindo peso da aeronave. O processo de FSW foi patenteado, em 1991, pelo The Welding Institute (TWI) da Inglaterra. O processo consiste na união realizada no estado sólido, não ocorrendo fusão dos materiais. A ferramenta é projetada, com uma geometria similar a um pino, tem a função de aquecer e "misturar" as bordas de duas peças que se quer unir. A ferramenta ainda tem um ombro que rotaciona sobre o material, gerando atrito e, consequentemente, gera energia térmica para plastificar o material. No desenvolvimento deste trabalho, foram realizadas as seguintes etapas: revisão bibliográfica do FSW; parâmetros de processo já definidos e realização de ensaios práticos; caracterização das juntas soldadas; ensaios mecânicos. Devido à grande espessura da chapa e usando uma ferramenta existente, a solda foi realizada dos dois lados. Por meio de inspeção visual observou-se que a solda possui bom acabamento superficial, com largura regular na impressão do ombro da ferramenta. Na região de transição entre o nugget e ZTMA fica evidente o fluxo de material entre a superfície e o interior das placas. Observa-se um refino do tamanho de grão e diminuição do tamanho dos precipitados pela análise por microscopia óptica. O gráfico dos valores de microdureza mostra-se coerente com o processo de solda realizada. Por meio de testes de tração constata-se que não houve rompimento dos corpos de prova na região da solda, evidenciando a qualidade da mesma.

Typically, aircraft wing structural panels are designed against buckling for a very large number of possible loading that may occur during the operation of the aircraft. If the optimization procedure accounts only for a limited number of design loads, the structure may be vulnerable to a specific type of loading that may cause the structure to fail. A novel approach for the optimization of plates with arbitrary shapes under uncertain loads is proposed. The geometry of the plates is defined by a single closed spline or several connected splines. The loading distribution is not considered to be uniform but it is allowed to vary within an admissible set, conferring uncertainty to the applied loads. The admissible load space comprises normal and shear loadings that can be represented through a collection of piecewise linear functions defined along the plate boundary. Therefore, the load distribution on the entire boundary of the plate is characterized by a vector of x and y components at the spline knots. A special procedure is applied to handle the constraint that the loading must be self-equilibrating. A minimax strategy is used to deal with the loading variability such that the resulting optimal design is able to withstand an entire class of linear piecewise loadings along the plate boundary. The refinement of the loading representation may be completely independent of the refinement of finite element mesh. Nevertheless, some degree of relationship is desired to simplify the numerical procedures. The validity of the proposed approach is assessed by applying it to simple cases.

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.

Um estudo de otimização para a carga de flambagem em placas de materiais compostos sob combinações de carregamentos incertos é apresentada nesse trabalho. No presente estudo, ao contrário da otimização tradicional de flambagem, os casos de carregamentos aplicados não são fixos, as combinações de carregamentos são assumidas como incertas e são incorporadas como variáveis de projeto na formulação do problema de otimização. Utilizando-se a estratégia minimax mostra-se que para finalidades de otimização com funções-objetivo convexas, como por exemplo, a carga de flambagem, é suficiente considerar apenas as cargas que definem os vértices do conjunto de carregamentos aplicáveis. São consideradas placas retangulares de espessura variável sujeitas a carregamentos mecânicos arbitrários, compressões normais e de cisalhamento, definidos nas extremidades das placas, que operam em uma escala de temperatura dada, gerando tensões residuais térmicas. Observa-se que as placas podem ser altamente sensíveis aos carregamentos térmicos. Supõe-se que a distribuição de carregamento mecânico é arbitrariamente linear por partes e que a temperatura de operação está dentro da escala especificada, sendo as combinações de carregamentos auto-equilibrantes. A consideração de um grau de incerteza nos carregamentos mecânicos fornece projetos ótimos que são insensíveis a perturbações e/ou casualidades nos carregamentos aplicados. Os resultados para casos simples de placas demonstram a eficácia da estratégia proposta e o risco de utilizar projetos de estruturas em material composto sensíveis às variações nos carregamentos térmicos e mecânicos.

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.

Este trabalho apresenta os resultados obtidos para carga crítica de flambagem de placas de material composto laminado com duas bordas engastadas e duas bordas simplesmente apoiadas sujeitas a diversas combinações de carregamento. A carga crítica ée obtida através do método de Rayleigh-Ritz, utilizando uma série polinomial e uma senoidal. Foi desenvolvido um programa computacional para que os resultados numéricos fossem obtidos. Os resultados numéricos são analisados e discutidos, e são comparados com resultados apresentados pelo ESDU (Engineering Science Data Unit) e com aproximações obtidas por elementos finitos.

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 busca pelo projeto ótimo, do ponto de vista da minimização do peso estrutural, é sempre uma constante na vida de um projetista. Deste modo, com o auxílio da teoria de tração diagonal, é aqui proposta uma metodologia de análise preliminar do conjunto composto por caverna, reforçadores e revestimento para uma dada seção da fuselagem, onde a variação da distância entre cavernas, bem como a configuração de reforçadores e revestimento compatível ao dado espaçamento, proporcionam argumentos importantes à escolha do projeto final da seção de estudo. Este trabalho teve como ferramentas de auxílio: planilha desenvolvida em programa Excel, para a análise dos elementos estruturais com relação às cargas externas e, modelo de elementos finitos para a análise das tensões provenientes da pressurização no conjunto de estudo e para a análise das tensões nas cavernas advindas da inércia dos passageiros. Vale salientar que a metodologia aqui apresentada é válida somente para o trecho da fuselagem de seção constante. A configuração estrutural final é somente aplicável para a região da estação de estudo escolhida e não para a fuselagem toda.

O presente trabalho reúne elementos para o projeto da caverna de pressão traseira de uma aeronave regional, propondo soluções que atendam aos requisitos de certificação, aos requisitos de projeto e aos requisitos do operador. A preocupação do texto está centrada na análise de fadiga, tolerância ao dano e na análise dos rebites, através de modelos matemáticos e computacionais. O texto apresenta resultados de análises computacionais realizadas através do Patran/Nastran, software de análise pelo método de Elementos Finitos. O trabalho começa com uma avaliação dos requisitos de certificação e dos requisitos de operação da aeronave. Em seguida, são definidas as metodologias utilizadas para o projeto e análise da caverna. Na continuação do trabalho, são apresentados os resultados, como a escolha do material e dos rebites. A configuração escolhida ée a caverna de pressão semi-esférica, devido ao fato de ser possível otimizar o peso e o espaço disponível, mantendo uma distribuição de tensões praticamente uniforme. Além da definição do tipo da caverna de pressão, são definidas também a posição e inclinação da caverna em relação à vertical. Após as definições iniciais, são feitas análises de rebites, de concentração de tensão, análise estáticas, de fadiga e tolerância ao dano. Os efeitos do número de fileira e do diâmetro do rebite sobre a distribuição de tensões e sobre a vida em fadiga são avaliados. Além disso, a caverna de pressão traseira atendeu a todos os requisitos de tolerância ao dano sem a presença de partições, presentes na maioria das cavernas de pressão atualmente.