Análise do comportamento térmico da microestrutura de materiais compósitos durante o processo de fabricação via prensagem por pratos quentes

Abstract

O presente trabalho é focado na implementação de uma metodologia numérica para estudar o processo de fabricação de placas compósitas estruturais laminadas unidirecionais de fibra de carbono-PEEK via prensagem a quente; em particular, serão estudadas distribuições de temperatura e tensões térmicas residuais em função da espessura do compósito e das curvas de aquecimento e resfriamento para diferentes casos de distribuições não uniformes de fibras. Através de uma rotina numérica desenvolvida em Python/MATLAB® com base em trabalhos anteriores da literatura, utilizando otimização quasi-Newton com a aproximação L-BFGS-B da matriz Hessiana da distância mínima entre conjuntos de fibras gerados aleatoriamente, são gerados Elementos Representativos de Volume (RVE) com fibras distribuídas de maneira não uniforme para diferentes níveis de fração volumétrica de fibras e diferentes níveis de dispersão de não uniformidade na matriz. Esses RVE são implementados no ANSYS Workbench® por meio de automação com script em Python, onde são simuladas as pressões mecânicas externas aplicadas e a temperatura das placas usadas durante o processo de fabricação, necessárias para a consolidação da matriz. A partir das simulações, distribuições médias de temperatura e campos de tensões são obtidas através de várias fatias do cupom simulado para diferentes valores de pressão, curvas de temperatura e espessuras comparadas. Também são apresentados o tamanho das fatias e o número de realizações necessárias para a convergência estatística dos resultados.

The present work is focused on implementing a numerical ethodology to study the manufacturing process of structural laminated unidirectional carbon fibre-PEEK composite plates via hot pressing; in particular, temperature distributions and residual thermal stresses will be studied as a function of composite thickness and heating and cooling curves for different cases of non-uniform fibre distributions. Through the numerical routine developed in Python/MATLAB® based on previous works from the literature using quasi-Newton optimization with L-BFGS-B approximation of Hessian matrix of the minimum distance between randomly generated sets of fibres, Representative Volume Elements (RVE) with non-uniform distributed fibres are generated for different levels of fibre volume fraction and the different levels of non-uniformity dispersion in the matrix. These RVE are implemented in ANSYS Workbench ® through Python scripting automatization where the external applied mechanical pressure and temperature of the plates used during the manufacturing process necessary for matrix consolidation are simulated. From the simulations, average temperature and stress field distributions are obtained through several slices of the simulated coupon for different values of pressure, temperature curves and thicknesses are compared. The size of the slices and number of realizations needed for statistical convergence of the results are also shown.