Este trabalho tem como principal objetivo a análise experimental comprovativa do efeito de deformação em revestimentos de alumínio quando aplicado um determinado processo de rebitagem. São objetivos secundários: identificar dentre os fatores elegíveis (diâmetro do furo, altura do escareado, material do rebite, espessura do revestimento e tipo de rebitagem - manual ou automática) aqueles que possuem influência e o grau dessa influência na deformação do revestimento. Primeiramente, foi utilizado um questionário e uma matriz de avaliação para eleger os fatores mais relevantes do processo baseado na experiência e conhecimento técnico de especialistas em processo de rebitagem e ciência dos materiais. Na segunda etapa, realizou-se a medição de corpos de prova com combinações saturadas de todos os fatores previamente eleitos baseado na técnica de Taguchi de Arranjos Ortogonais. Por último foi realizada a análise de dados utilizando o conceito da ANAVA - Análise de Variância -utilizando o software MINITABÔ. Os resultados obtidos comprovam a expansão do revestimento após a rebitagem e identifica os principais fatores e seus respectivos efeitos na expansão.

Esta dissertação tem como principal objetivo dar continuidade às análises experimentais exploratórias iniciadas em outros trabalhos semelhantes, buscando identificar os fatores contribuintes mais significativos para o fenômeno da deformação induzida em estruturas aeronáuticas. Neste trabalho foram avaliados os efeitos do nível de deformação do rebite (nível de conformação, ou de esmagamento), o efeito da inserção de pinos com interferência, a influência da anisotropia do material das chapas (direção de grão) à linha de rebitagem e o efeito da espessura para rebites de cabeça protuberante. Um experimento foi idealizado neste sentido e os resultados avaliados por meio de uma Análise de Variância (ANOVA). Uma formulação algébrica para a deformação induzida também é aqui desenvolvida.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:12:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6492.pdf: 4084307 bytes, checksum: 63c3d8389f9ed39827abea64eedbbd41 (MD5) Previous issue date: 2014-10-24 / Universidade Federal de Minas Gerais / This dissertation addressed the feasibility study of Friction Riveting technique on polycarbonate and 2024-T351 aluminum alloy spot joints. Design of experiments and Artificial Neural Network modelling were used to investigate the influence of process parameters on mechanical and microstructural properties of joints. These joints were produced at the Institute for Research Helmholtz Zentrum Geesthacht (HZG), in Germany, during the undergraduate years of the applicant. Process temperature was measured using an infrared camera. The mechanical properties of the joints were determined by tensile testing. The macro and microstructural characterization were carried out by light optical microscopy (LOM) and Vickers microhardness tests. The fracture mechanisms were investigated by optical and scanning electron microscopy (SEM). The level of PC degradation in the joining area was obtained by viscometry and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The average peak temperatures meausured during joining varied between 52% and 72% of the melting point interval of AA 2024 aluminium alloy. Strong joints with high anchoring efficiency were achieved, with ultimate tensile strength of approximately 90% of metallic rivet, and non-catastrophic ductile fracture at the metallic rivet outside the joined area. This is desirable failure type in riveted polymeric structures and an indication of high-strenght joints. The viscometry and FTIR analysis showed the absence of thermal degradation of the PC in the riveted joint. Statistical and Artificial Neural Networks modeling process showed good repeatability and reproducibility within the conditions studied. These results demonstrated the feasibility of producing spot joints of rivets 2024-T351 and PC by using the FricRiveting process. / Nesta dissertação de mestrado foi realizado um estudo da viabilidade de fabricação de juntas híbridas de Policarbonato (PC) e Alumínio 2024-T351 através do processo de rebitagem por fricção ( Friction Riveting ). Técnicas de planejamento de experimentos aliadas à modelagem por redes neurais foram utilizadas na investigação da influência dos parâmetros de processo, nas propriedades mecânicas e microestruturais das juntas. As juntas foram produzidas no Instituto de Pesquisa Helmholtz Zentrum Geesthacht (HZG), na Alemanha, durante o período de estágio da proponente. A temperatura dos materiais durante o processamento foi medida utilizando-se uma câmera de infravermelho. As propriedades mecânicas das juntas foram determinadas por meio de ensaios de tração. As características macro e microestruturais foram avaliadas por meio de microscopia ótica e ensaios de microdureza Vickers. Os mecanismos de fratura foram investigados por análises em microscópico ótico e de varredura (MEV). O nível de degradação do PC na região da solda foi investigado por viscosimetria e espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR). As temperaturas médias atingidas na área friccionada estiveram entre 56% a 72% do intervalo de ponto de fusão da liga AA 2024. Foram produzidas juntas com alta eficiência de ancoramento do rebite metálico, com limites de resistência à tração de aproximadamente 90% da resistência mecânica do rebite, e falha dúctil não catastrófica, ocorrendo no rebite na região externa à placa de PC. As análises de viscosimetria e FTIR demonstraram a ausência de degradação térmica do PC na área de união. A modelagem estatística e via redes neurais do processo demonstraram boa repetitividade e reprodutibilidade dentro das condições estudadas. Tais resultados permitiram demonstrar a viabilidade de produzir juntas de qualidade, com rebites de 2024-T351 e placas de PC, utilizando o processo de Rebitagem por Fricção.

O presente trabalho objetiva avaliar o comportamento da solda por atrito, Friction Stir Welding (FSW), no regime de flambagem e de pós-flambagem quando esta é utilizada para unir os reforçadores em painéis aeronáuticos típicos. Para tal dois painéis aeronáuticos em alumínio equivalentes, um deles reforçado utilizando fixação por rebites e o segundo utilizando fixação por FSW foram simulados numericamente. A tecnologia FSW é um método de soldagem a frio por fricção desenvolvido pelo The Welding Institute, em 1991. A utilização deste método resulta em estruturas mais leves e mais simples comparadas ao tradicional processo de rebitagem, porém sem comprometer as propriedades mecânicas dos painéis como fazem os demais tipos de solda, já que não envolve fusão dos materiais a serem soldados. Os painéis foram modelados e simulados no software de elementos finitos ABAQUS através de análises não-lineares incluindo contanto entre as superfícies bem como falha e não-linearidade das propriedades dos materiais. Os resultados finais mostraram uma ligeira vantagem da tecnologia FSW em relação ao processo de rebitagem para os casos analisados.

Este estudo refere-se à análise de diferentes tipos de união, focando na comparação entre a utilização do processo de soldagem por fricção-mistura (Friction Stir Welding), em relação ao processo de rebitagem convencional, para união de peças em projetos aeronáuticos. Ambos os métodos de união são comparados por meio de análises de engenharia, englobando custos para os diferentes processos, análise de resistência mecânica e fadiga e aspectos referentes à produção, operação e manutenção de aeronaves. A solda por fricção-mistura apresenta inúmeras vantagens e ganhos produtivos em relação a outros tipos de solda ou à rebitagem. Ocorrendo em estado sólido, a solda por fricção-mistura não necessita de nenhum material de adição, como nos casos de soldagem por arco elétrico ou gás inerte, resultando em otimização de peso da aeronave e sendo mais "ecológica", além de não incorrer em problemas ocasionados pela fusão dos materiais base. As características mecânicas dos componentes soldados são iguais ou superiores às dos componentes rebitados.

O efeito causado por reparos rebitados na integridade estrutural ée um aspecto que precisa ser avaliado para assegurar a aeronavegabilidade e operação segura da aeronave. A mensuração da degradação da vida em fadiga da aeronave provocada por reparos estruturais rebitados pode ser uma tarefa bastante árdua. As metodologias de análise que retratam com fidelidade o comportamento de reparo estrutural sob tolerância ao dano geralmente despendem um tempo considerável, tornando-se muitas vezes inviável sua utilização na indústria aeronáutica. Neste trabalho, um reparo retangular típico de fuselagem ée analisado estaticamente e sob tolerância ao dano utilizando-se como ferramentas de análise o software RAPID (Repair Assessment and Integrated Design), desenvolvido pelo FAA, modelos em elementos finitos e uma metodologia utilizada atualmente na indústria aeronáutica. O trabalho tem como finalidade avaliar a aplicabilidade do software RAPID como uma ferramenta alternativa de análise de reparos estruturais, além de estabelecer um novo procedimento de análise de reparos.

Submitted by SERGIO RICARDO DE PAIVA null (sergio.paiva@embraer.com.br) on 2018-03-01T23:18:05Z No. of bitstreams: 1 Dissertação Sergio Paiva_Versão Final_F_Alterações.pdf: 4152807 bytes, checksum: bd7266ab07460bb304ec051893e2dce2 (MD5) / Approved for entry into archive by Pamella Benevides Gonçalves null (pamella@feg.unesp.br) on 2018-03-02T12:14:34Z (GMT) No. of bitstreams: 1 paiva_sr_me_guara.pdf: 4152807 bytes, checksum: bd7266ab07460bb304ec051893e2dce2 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-02T12:14:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 paiva_sr_me_guara.pdf: 4152807 bytes, checksum: bd7266ab07460bb304ec051893e2dce2 (MD5) Previous issue date: 2018-01-26 / O processo de rebitagem é largamente utilizado na indústria aeronáutica para fabricação de fuselagens de aviões. Durante esse processo deformações locais são introduzidas nas estruturas por meio da expansão dos rebites devido sua conformação. A deformação plástica causa uma expansão no rebite e consequentemente na estrutura circundante onde o mesmo foi inserido. Este trabalho tem como objetivo analisar o efeito da anisotropia na propagação da deformação induzida em corpos de prova de ligas 2024 que passaram pelo processo de rebitagem, em chapas de alumínio termicamente tratadas. O experimento avaliou como a geometria do grão, relacionadas ao tamanho e forma dos mesmos, assim como o efeito do tratamento térmico, influenciam na expansão diametral. Foram empregados corpos de prova de liga de alumínio 2024 com tratamento térmico T3 e TO, comumente utilizadas pela indústria aeronáutica, em diferentes direções de grãos, longitudinal e transversal, onde foram cravados rebites e avaliado o alongamento dos corpos de prova pelo efeito da rebitagem. Os resultados obtidos comprovam que a anisotropia exerce uma influência significativa no fator expansão e que a deformação plástica na direção transversal de laminação foi aproximadamente 60% maior que na direção de laminação para os dois tratamentos térmicos analisados. Também foi constatado que o tratamento térmico do material influencia no fator expansão. Verificou-se que a expansão dos corpos de prova recozidos foi o dobro nas direções transversal e longitudinal quando comparados com os corpos de prova de condição envelhecida / The riveting process is wide used at Aerospace industry during airplane fuselage construction. During this process, local deformations are introduced in the structures by the rivet expansion, due the plastic deformation. The plastic deformation makes the rivet expand inside the hole and consequently, the structure around the rivet expand too. The goal of this research is to analyses the anisotropy effect in the squeezing force propagation in specimens of 2024 alloys that were submitted to the riveting process, in aluminum plates heated treatment. The research analyzed the grain geometry related to size and form, and how the heat treatment effect influences the hole diameter expansion. It was used specimens of aluminum alloy 2024 T3 and TO, commonly used in aerospace industry, in different grains directions, longitudinal and transversal. Rivets were installed and the specimen stretching was analyzed. The results prove that the anisotropy have a significative influence in the expansion factor, the plastic deformation in the transversal rolled direction was about 60% bigger than rolled direction for the two heat treatment analyzed. Also, it was verified that the material heat treatment influences the factor expansion. According the results the expansion in the relieved specimens condition were the double in the transversal and longitudinal direction than the aging specimens condition

Durante sua vida em serviço, uma aeronave está sujeita a inúmeros fatores que podem levar a danos estruturais. Quando isso acontece, uma solução possível é a instalação de reparos estruturais rebitados. A instalação de tais reparos com objetivo de restaurar a resistência estática da estrutura cria um novo problema de fadiga na estrutura, ao introduzir concentradores de tensão (furos rebitados), que anteriormente não existia. Tradicionalmente, para se levar em conta o espalhamento estatístico inerente ao comportamento da iniciação de trincas por fadiga em estruturas metálicas, faz-se uso de coeficientes de segurança conhecidos como scatter factors (em inglês, fatores de dispersão estatística), com valor variando entre três e quatro, para dividir a vida obtida através de uma curva S-N e estabelecer a vida em fadiga do reparo. Este trabalho pretende, utilizando a simulação de Monte Carlo, mostrar que probabilidades inaceitáveis de iniciação de trincas por fadiga podem ser obtidas quando são utilizados fatores de segurança pré-estabelecidos para determinar a vida de um reparo. Um estudo de caso é apresentado para demonstrar este fato. Além disso, são realizados estudos paramétricos, utilizando a simulação de Monte Carlo, para investigar a influência dos parâmetros de entrada na simulação - quantidade de furos na fileira mais externa do reparo, variação da vida média (obtida através de curva S-N) e variação dos desvios padrões - nas vidas em fadiga obtidas através do modelo de iniciação probabilística de trincas. Os resultados obtidos através destes estudos indicam que a variação da vida média apenas desloca o resultado no eixo x de uma distribuição normal, enquanto o aumento do número de furos na fileira mais externa e o aumento dos desvios padrões aumentam as probabilidades de iniciação de trincas por fadiga de forma prematura. Em outro estudo paramétrico, alterou-se a seqüência de números randômicos e pode-se mostrar que a distribuição de probabilidades de iniciação da primeira trinca sofre modificações que são tão maiores quanto menores se tornam as probabilidades de iniciação. Recomendou-se, portanto, o uso da distribuição mais conservativa. São apresentados, também, dois gráficos das probabilidades de iniciação de trincas por fadiga em reparos rebitados, com vidas calculadas utilizando-se fatores de segurança com valores três e quatro, respectivamente, variando o número de furos na fileira crítica e os desvios padrões. Estes gráficos apresentam probabilidades inaceitáveis de iniciação de trincas para um conjunto específico de número de furos e desvios padrões para ambos os fatores de segurança. Os resultados deste trabalho indicam que a vida em fadiga de um reparo estrutural não deve ser estabelecida da maneira tradicional, fazendo-se uso dos fatores de dispersão estatística pré-estabelecidos, mas sim através de estudo probabilístico, utilizando-se curvas de probabilidade acumulada de iniciação da primeira trinca de fadiga, de modo a garantir a segurança e a confiabilidade da estrutura.

Submitted by Regina Correa (rehecorrea@gmail.com) on 2016-10-03T18:50:36Z No. of bitstreams: 1 DissNZB.pdf: 8463882 bytes, checksum: 493c4ee9ac0735d4fab21c75b50bef13 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-10-10T14:21:16Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissNZB.pdf: 8463882 bytes, checksum: 493c4ee9ac0735d4fab21c75b50bef13 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-10-10T14:21:24Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissNZB.pdf: 8463882 bytes, checksum: 493c4ee9ac0735d4fab21c75b50bef13 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-10-10T14:21:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissNZB.pdf: 8463882 bytes, checksum: 493c4ee9ac0735d4fab21c75b50bef13 (MD5) Previous issue date: 2015-12-18 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Friction Riveting is an innovative spot joining technology for metal-polymer hybrid structures. This MSc thesis provided for the first time in the literature, a fundamental understanding on the Friction Riveting process for metal-thermoset composites joints. Joints of Ti-6Al-4V rivet and pultruded glass fiber reinforced thermoset polyester part were produced under three joining conditions with different heat input. Thorough analytical techniques were used to understand the physics of the process and the effect of the energy input on the final microstructure of the joined parts, the physico-chemical changes in the composite and the local and global mechanical properties of the joints. The process temperature reached values up to 761 ± 2°C indicating intrinsic degradation of the composite, formation of a softened/molten glass interlayer between the rivet and the composite and complex metallurgical transformations in the metallic rivet. Through monitoring of the process temperature and torque, an unstable friction regime was observed for FricRiveting of pultruded thermoset composites leading to distinguished extents of composite degradation. The microstructure of the Ti-6Al-4V alloy changed across the length of the rivet, from the equiaxed morphology to acicular structures in the rivet tip, where plastic deformation occurred. Three microstructural zones were proposed for each joint part including two thermo-mechanically affected zones and a heat affected zone. Microhardness mapping was performed in the metallic rivet evidencing an increase from the center to the tip of the rivet, with a hardness increment of over 20% compared to the base material (HVTi6Al4V= 300- 320 HV). The glass interphase consolidated in the metallic surface reached values of up to 974 HV followed by a drastic decrease to 24 HV in the polyester matrix located out of the joint area. The ultimate bearing strength ranged between 60 MPa and 166 MPa. Lesser composite degraded areas led to stronger joints. Two failure modes were observed combining initial composite bearing followed by final failure through shear of the rivet with partial rivet pullout or by full rivet pull-out. Complex failure micro-mechanisms were observed including the combination of cohesive and adhesive failures through the glass layer and the damaged composite interface. Friction-riveted joints achieved an ultimate lap shear strength of up to 80% to that of a similar bolted joint. A case study for a presumptive truss bridge application of friction-riveted joints showed a necessary of 92 rivets per truss node, 43% less than previous studies and with potential for further optimization. / Rebitagem por Fricção é uma tecnologia de união pontual inovadora para estruturas híbridas metal-polímero. Esta tese de mestrado apresenta pela primeira vez na literatura um entendimento aprofundado do processo de Rebitagem por Fricção para juntas de metal e compósito termofixo. Juntas de rebite de Ti-6Al-4V e componente pultrudado de poliéster termofixo reforçado com fibra de vidro foram produzidas seguindo três condições de processo com diferentes aportes térmicos. Diversas técnicas analíticas foram utilizadas para entender a física do processo e o efeito do aporte térmico na microestrutura final dos componentes unidos, mudanças físico-químicas no compósito, formação de camada vítrea intermediária entre o compósito e o rebite metálico e transformações metalúrgicas. Através do monitoramento da temperatura processual e do torque, um regime friccional não estável foi observado para a Rebitagem por Fricção de compósito pultrudado termofixo resultando em distintas extensões da degradação do compósito. A microestrutura da liga de Ti-6Al-4V transforma-se ao longo da secção transversal do rebite, de uma morfologia equiaxial no centro do rebite para uma estrutura acicular em sua extremidade, onde ocorre deformação plástica. Três zonas microestruturais foram propostas para cada componente da junta incluindo duas zonas termo mecanicamente afetadas e uma termicamente afetada. Mapa de microdureza foi realizado no rebite metálico evidenciando um aumento do centro para a extremidade do mesmo, próximo a 20% comparado com o material de base (HVTi6Al4V= 300-320 HV). A interfase vítrea consolidada na superfície do rebite metálico apresentou dureza em torno de 974 HV seguido de um drástico decaimento para 24 HV na matriz de poliéster localizada fora da região de união. A tensão máxima de apoio variou entre 60 e 166 MPa. Juntas com menor área degradada apresentaram os melhores desempenhos mecânicos em ensaio quase estático de cisalhamento. Dois modos de falha foram observados combinando um modo de falha inicial por deformação plástica severa no compósito seguida de falha final por cisalhamento no rebite metálico com parcial remoção do mesmo ou por remoção completa do rebite. Complexos micro mecanismos de falha foram observados incluindo a combinação de falha adesiva e coesiva através da interface entre interfase vítrea e compósito degradado. Juntas rebitadas por fricção atingiram resistência ao cisalhamento de 80% da obtida para juntas parafusadas. O estudo de caso para uma ponte hipotética treliçada revelou um número necessário de rebites de até 92 rebites por nó da ponte, 43% a menos que o encontrado em trabalhos anteriores, com potencial para futuras optimizações.

[pt] A indústria de transporte tem enfrentado rigorosas políticas econômicas e ambientais para a redução do consumo de combustível e consequentemente redução na emissão de CO2. Uma solução promissora para suprir tais exigências encontra-se na redução do peso da estrutura de carros e aviões através do uso de estruturas híbridas. Técnicas de união convencionais geralmente são inadequadas para produzir juntas híbridas de metal e polímero. Sendo assim, tecnologias de junção inovadoras estão sendo desenvolvidas para surprir tais limitações, como por exemplo: União pontual por fricção (FSpJ), rebitagem por fricção (FricRiveting) e união por energia ultra-sônica (U-Joining). Esta dissertação de mestrado foi desenvolvida para avaliar juntas híbridas produzidas com baixo (BAE) e alto aporte energético (AAE). O monitoramento da temperatura, a análise microestrutural, a resistência mecânica e os respectivos modos de falhas das juntas foram avaliados para as três técnicas de fricção. Neste contexto, técnicas de microscopia, microtomografia de raio-x e ensaios de resistência mecânica foram escolhidas para tal finalidade. Juntas de AAE produzidas por união pontual de fricção apresentaram 43 porcento maior resitência mecânica comparado com juntas de BAE e ambas falharam no centro da área de junção. Juntas de AAE produzidas por rebitagem apresentaram 46 porcento maior resitência mecânica e falha do rebite metálico fora da placa polimérica, comparado com juntas de BAE que teve o rebite metálico arrancado da placa polimérica. A resitência ao cisalhamento das juntas de AAE (fratura da placa polimérica) produzidas por energia ultra-sônica foi 85 porcento maior que as juntas de BAE (fratura dos pinos combinado com falhas coesivas e adesivas). / [en] The transportation industry has been facing stringent environmental regulations to decrease fuel consumption and CO2 emissions. A promising solution to fulfill these demands is decreasing the structural weight of vehicles and airplanes by combining lightweight alloys and fiber-reinforced polymers in hybrid structures. Conventional joining technologies are usually inadequate to produce high performance joints. To overcome these limitations, advanced joining technologies are under development such as: Friction Spot Joining (FSpJ), Friction Riveting (FricRiveting) and Ultrasonic Joining (U-Joining). This master dissertation was devised to evaluate FSp, FricRiveting and U-Joining joints produced with different heat input levels (low and high) in terms of process temperature development, microstructural features, quasi-static mechanical performance and the respective failure mechanisms. In this context, microscopy techniques (i.e. optical, confocal laser and scanning electron), X-Ray micro-computed tomography (microCT), lap shear and T-Pull testing were chosen for this purpose. FSp joints produced under HHI joining condition achieved an ultimate lap shear force (ULSF) 43 percent higher than LHI joints, whereas HEI joints produced by FricRiveting process achieved ultimate tensile force (UTF) 46 percent higher than LEI joints. The lap shear strength of ultrasonically joined joints produced under HEI joining condition was up to 85 percent higher than LEI joints. FSp joints failured in the center of the overlap area while friction-riveted joints failured through the rivet (HEI) and full rivet pull-out (LEI). Ultrasonically joined joints failured through the polymer (HEI), whereas LEI joints failured through a combination of shearing of the metallic pins and a mixed cohesive (CF) and adhesive (AF) failure.