Estudo e otimização de materiais compósitos laminados de rigidez axial variável discreta: avaliação experimental e numérica por finite element method - ANSYS

Abstract

O uso de materiais compósitos tem crescido na indústria aeronáutica devido à sua alta rigidez e baixo peso, e uma das abordagens para otimizar ainda mais o seu desempenho é o estudo de compósitos de rigidez variável (VSC), ou compósitos de ângulo de fibra variável (VA). Esses materiais são caracterizados pela variação na orientação das fibras, o que permite otimizar a rigidez e a resistência em regiões específicas. Diferentemente dos compósitos tradicionais com alinhamento uniforme de fibras, os compósitos VA permitem que as fibras sigam caminhos curvos ou não lineares, melhorando o desempenho ao ajustar as propriedades mecânicas para requisitos específicos. Uma abordagem de fabricação mais simples envolve patches discretos com orientações de fibra constantes, dispostos de forma escalonada, evitando maquinários complexos de deposição de fibras, reduzindo custos e distribuindo cargas e tensões de maneira mais uniforme. Nesse contexto, o presente estudo adota uma metodologia numérico-experimental. A caracterização das propriedades estruturais do laminado foi realizada por meio de ensaios de tração em corpos de prova e determinação de densidade. As análises numéricas (simulações) de uma placa compósita foram conduzidas utilizando o Método dos Elementos Finitos (FEM) com integração Python-ANSYS e, para validação, utilizou-se a Análise Modal Experimental (AME). Os resultados demonstraram que a variação do ângulo das fibras permite a manipulação da frequência natural da estrutura e o reposicionamento das linhas e picos modais. A aplicação de um algoritmo de otimização possibilitou a minimização da frequência natural do painel, conferindo um alto nível de flexibilidade para a customização do seu comportamento dinâmico. Os testes experimentais, por sua vez, atestaram a veracidade das simulações, indicando uma discrepância aceitável entre os resultados e justificando a confiabilidade dessa metodologia para a mitigação de fenômenos aeroelásticos.

The use of composite materials has grown in the aeronautical industry due to their high stiffness and low weight. One of the approaches to further optimize their performance is the study of variable stiffness composites (VSC), or variable tow angle (VA) composites. These materials are characterized by varying fiber orientations, which allows for the optimization of stiffness and strength in specific regions. Unlike traditional composites with uniform fiber alignment, VA composites enable fibers to follow curved or non-linear paths, improving performance by tailoring mechanical properties to specific requirements. A simpler manufacturing approach involves discrete patches with constant fiber orientations arranged in a staggered fashion, which avoids complex deposition machinery, reduces costs, and distributes loads and stresses more uniformly. In this context, the present study employs a coupled numerical-experimental methodology. The structural properties of the laminate were initially characterized through uniaxial tensile testing on coupon specimens and density determination. Subsequent numerical simulations of the composite plate were executed using the Finite Element Method (FEM) integrated with Python-ANSYS scripting. For rigorous validation of these models, Experimental Modal Analysis (EMA) was conducted. The results demonstrated that varying the fiber angle allows for the manipulation of the structure’s natural frequency and the repositioning of modal lines and peaks. The application of an optimization algorithm made it possible to minimize the panel’s natural frequency, providing a high level of flexibility for customizing its dynamic behavior, which is crucial for mitigating aeroelastic phenomena. The experimental tests, in turn, attested to the veracity of the simulations, indicating an acceptable discrepancy between the results and justifying the reliability of this methodology.