Tese de mestrado. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 1998

Tese de mestrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Um motor-foguete a propelente sólido se caracteriza por operar internamente com altas temperaturas, altas pressões, altas taxas de erosão, grandes choques térmicos e com ausência de sistemas convencionais de resfriamento. Devido a esses fatores, há necessidade de proteger o tubo-motor e isto é feito por compósitos poliméricos ablativos e liners. Como material ablativo são utilizados os compósitos com matriz fenólica. Como reforço desses compósitos, foram utilizados tecidos de fibras de algodão, de amianto, de dióxido de silício e nos últimos 15 anos, quase que exclusivamente os tecidos de fibras de carbono. O objetivo deste trabalho foi obter e caracterizar pré-impregnados e compósitos carbono-fenólicos aditivados com nanopartículas de carbono, pois peças como os divergentes dos motores-foguete de alto desempenho dos boosters do Space Shuttle norte-americano utilizam esse material como proteção ablativa. Três tipos de nanopartículas de carbono foram utilizados como aditivo à matriz fenólica: grafite natural micronizado, negro de fumo tipo acetileno e negro de fumo tipo fornalha. Para o estudo foi projetada e fabricada uma impregnadeira de escala piloto. Nesse equipamento foram produzidos pré-impregnados (pre-pregs), com concentrações de 5, 10 e 15% (m/m) de aditivo. Nas mesmas condições, foi obtido também pre-preg sem aditivo. De cada concentração de aditivo foram prensados 9 placas de compósito que foram utilizadas como corpo-de-prova. Esses compósitos foram obtidos prensando os pre-pregs em uma prensa hidráulica, utilizando o processo de compressão à quente. Para caracterização dos aditivos e do tecido de fibras de carbono foram obtidos os espectros de difração de raios-X e Raman. Nos pre-pregs foram determinados: a concentração % mássica e volumétrica da matriz, reforço e aditivos; o escoamento e os voláteis. Nos compósitos foram determinados: a concentração % mássica e volumétrica da matriz, reforço e aditivos; o teor de vazios, a massa específica teórica e experimental, o coeficiente de transmissão de calor, o coeficiente de expansão térmica linear, a resistência ao cisalhamento Iosipescu e a resistência à ablação em maçarico oxiacetilênico e em tocha de plasma. Amostras do compósito foram examinadas por microscopia ótica para caracterização de trincas e vazios. Os resultados mostraram que a aditivação com nanopartículas de carbono, produziu compósitos ablativos com propriedades superiores ao material sem aditivação, entretanto, a aditivação da resina fenólica com nanopartículas de carbono impõe limites no processo de impregnação dos pre-pregs.

Propõe-se um elemento finito para placas piezelétricas com base no princípio dos deslocamentos virtuais. O elemento é derivado da teoria de placas laminadas na qual o deslocamento mecânico varia ao longo da espessura segundo a hipótese de Reissner-Mindlin e o potencial elétrico varia linearmente no interior de cada camada, com continuidade C0 nas interfaces laminares. O elemento não faz uso de integrações numéricas, não apresenta travamento associado ao cisalhamento transversal e pode ser utilizado como sensor ou atuador. Alguns resultados numéricos são apresentados para demonstrar o desempenho do elemento.

Neste trabalho se propõem a investigação numérica e experimental do comportamento estrutural de painéis reforçados laminados em materiais compósitos sujeitos a cargas de cisalhamento no plano. Os objetivos do trabalho são: (i) desenvolver um ensaio para caracterizar o comportamento no regime de pós flambagem de painéis reforçados sujeitos a cargas de cisalhamento no plano, (ii) projetar o dispositivo de ensaio, (iii) identificar os deslocamentos fora do plano do painel em pós flambagem mediante instrumentos óticos sem contato (topogrametria) e (iv) correlacionar os valores obtidos do ensaio com o modelo numérico proposto. Na parte experimental, uma metodologia de ensaio foi proposta visando obter resultados confiáveis e reprodutíveis. Foram estabelecidos: o corpo de prova, mecanismos de ensaio, instrumentação, metodologia de aquisição de dados e análise dos resultados obtidos. Na parte numérica, foi realizada uma série de modelos via elementos finitos utilizando o software ABAQUS 6.5-1, capazes de capturar o comportamento no regime da pós flambagem do painel reforçado. Não linearidade geométrica e do material, assim como interações entre falha na fibra e trincas na matriz utilizando um modelo de falha bidimensional baseado na mecânica contínua do dano, foram consideradas. Resultados preliminares na configuração estudada indicam que painéis reforçados laminados em materiais compósitos sujeitos a cargas de cisalhamento no plano possuem uma considerável capacidade de carga pós flambagem.

O objetivo do presente trabalho ée o de analisar os efeitos do campo de tração diagonal no dimensionamento de um revestimento integral de uma asa. Para isso foi desenvolvida uma ferramenta de análise preliminar do caixão central. Os cálculos foram realizados através de uma planilha eletrônica, com o auxílio de uma linguagem de programação, para a automatização dos mesmos. Basicamente essa ferramenta fornece as tensões atuantes, os parâmetros para a análise de flambagem dos painéis, análise de tração diagonal e de falha dos componentes estruturais. Foram analisados dois casos, o primeiro sem a ocorrência de flambagem e o segundo com a flambagem do revestimento superior na condição última de carregamento, que forneceram os parâmetros necessários para a comparação.

Neste trabalho foi estudado o comportamento dinâmico de um painel de carbono/epoxi sujeito a vários níveis de cargas de cisalhamento. O estudo foi feito através da análise modal experimental do painel. Com o estudo de técnicas de medição de vibração, foram obtidas funções de resposta em frequência de boa qualidade. Com os dados das funções de resposta em frequência, os parâmetros modais foram calculados utilizando o software LMS Test.LabTM. As análises foram feitas considerando as variações das frequências naturais e dos modos de vibrar para vários níveis de carregamento. Foram feitos três experimentos principais. No primeiro o painel foi excitado em uma região afastada dos reforçadores. No segundo experimento o painel foi excitado próximo aos reforçadores. E no último experimento o painel foi dividido em seções delimitadas pelos reforçadores e cada uma foi analisada independentemente. Com a análise modal experimental para várias condições de carregamento foi possível observar a variação do comportamento dinâmico com o aumento da carga de cisalhamento. Frequências naturais e modos de vibrar pré e pós flambagem foram obtidos. Foi observada a perda de efetividade dos reforçadores com o aumento da carga de cisalhamento e também o campo de tração diagonal no painel.

Placas retangulares reforçadas em uma direção e sujeitas à flambagem por compressão, na mesma direção dos reforçadores, são estruturas de aplicação usual principalmente no extradorso ou intradorso de asas de aeronaves. Devido à excentricidade dos reforçadores, alguns cuidados devem ser tomados na aplicação da carga na análise linear de flambagem. Se uma placa carregada não permanece plana antes de flambar, a flambagem pode fisicamente não ocorrer e, consequentemente, a carga de flambagem determinada numa análise linear será ilusória. Este trabalho apresenta uma expressão analítica, com base na linearização do problema em relação ao campo de deslocamentos, para a carga na qual placas reforçadas flambam globalmente, comparando-a a resultados rigorosos.

Este trabalho envolve o processamento de compósitos carbono/epóxi pelo uso da técnica VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding). A simulação do fluxo de resina na impregnação do reforço foi realizada pelo uso de um programa comercial, RTM-Worx, visando a obtenção de uma placa e de uma seção em C. Para a realização da simulação foram determinadas experimentalmente a viscosidade da resina epóxi utilizada e a permeabilidade e a fração volumétrica da preforma de tecido de carbono utilizada como reforço. Por meio da simulação do fluxo de resina foram analisadas três estratégias de posicionamento dos canais de injeção e de vácuo no molde para a obtenção de uma viga de seção C. A partir da seleção da melhor proposição este componente foi obtido experimentalmente. Os resultados obtidos mostram que o ensaio de permeabilidade unidirecional realizado apresentou-se adequado, com um bom ajuste linear dos dados. No entanto, os tempos de preenchimento estimados nas simulações foram menores que os experimentais (6% menor para a placa e 11% para a seção em C). Verificou-se ainda que apesar das aproximações feitas nos dados de entrada do programa RTM-Worx, os desvios das simulações foram relativamente pequenos e na faixa normalmente observada em trabalhos da literatura. A etapa de pré-formagem mostrou-se também fundamental para a qualidade final da peça.

O presente trabalho tem como objetivo a aplicação de elementos finitos híbridos tridimensionais (também chamados de quase-Trefftz) na análise de uma estrutura tipicamente aeronáutica (painel reforçado sujeito a diversos tipos de carregamento) fabricada de material compósito. Elementos de Trefftz são elementos finitos híbridos onde as tensões são aproximadas no domínio do elemento através de polinômios hierárquicos harmônicos e ortogonais derivados dos potenciais de Papkovitch-Neuber, os quais devem satisfazer localmente as equações diferenciais de Navier e os deslocamentos são aproximados na sua fronteira estática por polinômios. Elementos quase-Trefftz são elementos que usam funções de aproximação de tensões que são "a priori" solução da equação de Navier para materiais isotrópicos, posteriormente adaptados para materiais compósitos. Para tal análise, um modelo local representando a interface entre o revestimento e o reforçador do painel foi desenvolvido. Através dos resultados pode ser verificada a eficiência do elemento quase-Trefftz. Em uma estrutura tipicamente aeronáutica, o elemento proposto gerou bons resultados quando comparado a um elemento finito tridimensional convencional, mesmo em meio a malhas grosseiras. O elemento também apresentou baixa sensibilidade à distorção da malha, o que possibilita a sua utilização em geometrias complexas ou que apresentam singularidades, tais como trincas, reentrâncias ou furos.