Estudo do módulo residual baseado no acúmulo de dano em compósitos laminados processados VARTM

Abstract

Os compósitos são materiais que visam associar baixa massa específica e alta resistência mecânica. Devido a esses fatores, esses são considerados uma importante alternativa para o desenvolvimento de meios de transportes mais ágeis e sustentáveis. Elementos estruturais reforçados com fibra de carbono são amplamente utilizados no setor aeronáutico, e em geral, estão continuamente sendo submetidos a carregamentos cíclicos, responsáveis na maior parte das vezes pela perda de propriedades mecânicas e/ou da integridade da estrutura. Nesse trabalho, a perda de integridade foi monitorada através do decaimento do módulo elástico dinâmico, utilizando-se de técnica de excitação por impulso (IET). Para tanto, uma placa laminada de compósito carbono-epóxi processada via moldagem por transferência de resina com vácuo assistido (VARTM), foi cortada em corpos de prova padrão (ASTM D3039/ASTM D5379) e caracterizada por tração, cisalhamento e fadiga. Foram ensaiados em tração três corpos de prova. Para o corpo de prova CP8 que apresentou melhor coeficiente de determinação (R2), a resistência a tração foi de 670,1 MPa, com módulo elástico de 55,5 GPa respectivamente. O coeficiente de Poisson obtido foi de 0,3712. Com base no cisalhamento Iosipescu foi utilizado 0,7 GPa como valor numérico de módulo cisalhante. O material também foi caracterizado em fadiga. Os valores encontrados nos testes de fadiga axial se mostraram consistentes e similares aos da literatura. Com relação ao ensaio de fadiga acompanhada pelo IET, as três fases descritas na literatura foram observadas apenas para o corpo de prova ensaiado em baixa tensão (CP4). Apesar das similaridades, também houve discordâncias. Alguns autores relataram que a queda percentual modular na 1° região varia entre 2% à 5%, para um compósito vidro- epóxi unidirecional. Entretanto foi observado uma queda percentual modular maior que 10% nessa mesma região. Com base nas informações obtidas através do ensaio de fadiga acompanhada pelo IET, foi possível propor novas curvas através de extrapolação numérica. Essas curvas foram validadas por simulações baseadas no método dos elementos finitos (FEM). Comparando as curvas simuladas e experimentais, observou-se grande concordância entre os resultados obtidos. Com os dados simulados, foi possível aplicar o critério de máxima tensão na análise de falha do componente compósito. Observa-se que até em 42 % da máxima tensão em tração, o módulo se mantém totalmente íntegro, implicando que, para valores de tensão menores que 281,5 MPa, não há falha no componente mecânico.

Composites are materials that associate low specific mass with high mechanical resistance. Due to this factor, these materials have been presented as an important alternative in the development of more agile and sustainable transport. Structural elements reinforced with carbon fiber are widely used in the aeronautical sector and, in general, are being continuously subjected to cyclic loads, which in most cases are responsible for the loss of mechanical properties and/or integrity of the structure. In this work, the loss of integrity was monitored through the decay of the dynamic elastic modulus using the impulse excitation technique (IET). For this purpose, a carbon-epoxy composite laminate plate processed via vacuum-assisted resin transfer molding (VARTM) was cut into standard specimens (ASTM D3039/ASTM D5379) and characterized for tensile, shear and fatigue. Three specimens were tested in tensile test. For the specimen CP8 that presented the best coefficient of determination (R2), the tensile strength was 670.1 MPa, with modulus of elasticity of 55.5 GPa respectively. The Poisson coefficient obtained was 0.3712. Based on the Iosipescu shear, 0.7 GPa was used as the numerical value of the shear modulus. The material was also characterized in fatigue. The values found in the axial fatigue tests were consistent and similar to those in the literature. Regarding the fatigue test with IET, the three phases described in the literature were observed only for the specimen tested at low tension (CP4). Despite the similarities, there were also disagreements. Some authors have reported that the modular percentage drop in the 1st region ranges from 2% to 5% for a unidirectional glass-epoxy composite. However, a modular percentage drop greater than 10% was observed in this same region. Using the information obtained through the fatigue test accompanied by the IET, it was possible to propose new curves through numerical extrapolation. These curves were validated through simulations based on the finite element method (FEM). Comparing the simulated and experimental curves, a great agreement between the obtained results was observed. With the simulated data, it was possible to apply the maximum stress criterion in the failure analysis of the composite component. It is observed that even at S = 42% of the maximum tensile stress, the module remains completely intact, implying that, for stress values lower than 281.5 MPa, there is no failure in the mechanical component.