CoordenaÃÃo de AperfeÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Materiais compÃsitos vem sendo amplamente estudados devido aos seus inÃmeros benefÃcios em relaÃÃo aos materiais metÃlicos, principalmente a elevada razÃo resistÃncia/peso, bom iso-lamento tÃrmico e boa resistÃncia à fadiga. CompÃsitos laminados, foco do presente trabalho, sÃo produzidos pelo empilhamento de um conjunto delÃminas, cada uma composta de fibras unidirecionais ou bidirecionais imersas em uma matriz polimÃrica. As estruturas de materiais compÃsitos apresentam comportamento nÃo linear, tanto fÃsico quanto geomÃtrico. Devido à elevada resistÃncia, estruturas de material compÃsito tendem a ser bastante esbeltas, podendo apresentar grandes deslocamentos e problemas de estabilidade. Adicionalmente, a consideraÃÃo da nÃo linearidade fÃsica tambÃm à importante para a simulaÃÃo de falha de estruturas laminadas. Um dos modos de falha mais importantes destas estruturas à a delaminaÃÃo, que consiste no descolamento de duas lÃminas adjacentes. No projeto de estruturas laminadas, o MÃtodo dos Elementos Finitos à a ferramenta de anÃlise mais utilizada devido a sua robustez, precisÃo e relativa simplicidade. Afim de permitir a anÃlise nÃo linear de estruturas laminadas submetidas a grandes deslocamentos, foi desenvolvida neste trabalho uma formulaÃÃo de
elementos finitos sÃlidos laminados baseados na abordagem Lagrangiana Total. A simulaÃÃo do inÃcio e propagaÃÃo da delaminaÃÃo foi realizada neste trabalho utilizando Modelos de Zona Coesiva. Para este fim, foi desenvolvida uma formulaÃÃo de elementos isoparamÃtricos de interface com espessura nula e utilizados diferentes modelos constitutivos para representar a relaÃÃo entre as tensÃes e os deslocamentos relativos das faces da trinca coesiva, incluindo tanto o caso de modo I puro quanto de modo misto. As formulaÃÃes desenvolvidas neste trabalho foram implementadas no software de cÃdigo aberto FAST utilizando afilosofiade ProgramaÃÃo Orientada a Objetos. Estas implementaÃÃes sÃo apresentadas utilizando as convenÃÃes da UML. VÃrios exemplos foram utilizados para verificar e validar as implementaÃÃes realizadas. Excelentes resultados foram obtidos utilizando elementos sÃlidos laminados na anÃlise de estruturas de casca, mesmo empregando malhas com apenas um elemento sÃlido na espessura. No que diz respeito à delaminaÃÃo, verificou-se que o uso de Modelos de Zona Coesiva requer muito cuidado na escolha dos parÃmetros utilizados na anÃlise, principalmente no que diz respeito à relaÃÃo tensÃo-deslocamento relativo, tamanho dos elementos e mÃtodo de integraÃÃo numÃrica. Contudo, utilizando-se a integraÃÃo de Newton-Cotes e elementos de interface de tamanho adequado, obteve-se uma concordÃncia muito boa com resultados teÃricos e experimentais disponÃveis na literatura. De forma geral,verificou-se que o modelo coesivo exponencial apresenta maior robustez e eficiÃncia computacional que o modelo bilinear. / Composite materials has been widely studied thought the years because of it benefits compared
to metals (elevated resistance/weight ratio, good thermal isolation and good fatigue resistance).
Laminate composites are the focus of this work. Produced by stacked layers of fibers embed-
ded on polymeric matrices, structures of composite materials presents material and geometrical
non-linear behavior. Because of it elevated resistance, composite materials allow designers to
create very slender structures which might present large displacements and stability problems.
Additionally, considering material non-linearity is also important for collapse simulation of la-
minated structures. One of the most important failure modes on laminated structures is delami-
nation. Delamination is the detachment of adjacent layers. On laminated structures simulation,
the Finite Element Method is one of the most used analysis tool. It is a robust, precise and
relative simple operating tool. Intending analyzing non-linear behavior of laminated structures
subjected to large displacements, was developed on this work a laminated solid finite element
formulation based on Full Lagrangian formulation. Simulation of delamination beginning and
propagation was developed on this work using Cohesive Zone models. To achieve this goal, an
isoparametric formulation of interface finite elements without thickness and many constitutive
models to represent the relation tension
Ã
displacement jump (relative displacement between
crack faces) were developed. These models consider pure mode I and mixed mode. The formu-
lations developed on this work were implemented on the open source finite element code FAST
using Oriented Object Programing philosophy. These implementations are presented on UML
conventions. Many examples were tested for verifying and validating all the implementations.
Excellent results were obtained using laminated solid elements on the analysis of a shell struc-
ture, even using meshes with only one element though thickness. On the delamination analysis,
was verified that Cohesive Zone Models are very sensible related to the parameters used on the
analysis, mainly tension
Ã
displacement jump model, size of elements and numerical integra-
tion. Spite of it, using Newton-Cotes integration and interface elements of appropriate size,
good agreements were obtained compared with theoretical results obtained on literature. In
general, was observed that cohesive exponential model presents greater robustness and compu-
tational efficiency than bilinear model.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:www.teses.ufc.br:10002 |
| Date | 29 August 2014 |
| Creators | Edson Moreira Dantas JÃnior |
| Contributors | Evandro Parente Junior, AntÃnio MacÃrio Cartaxo de Melo, Roque Luiz da Silva Pitangueira |
| Publisher | Universidade Federal do CearÃ, Programa de PÃs-GraduaÃÃo em Engenharia Civil Estruturas e ConstruÃÃo Civil, UFC, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFC, instname:Universidade Federal do Ceará, instacron:UFC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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