Modelagem de fratura em materiais compósitos por métodos de elementos finitos
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Data
2016-12-06
Autores
Maciel, Maísa Milanez Ávila Dias [UNESP]
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
Composite materials have been widely used in recent years in structural applications, such as the Boeing 787 - Dreamliner. Thus, the understanding of failure methods of composites is necessary in order to predict their mechanical behavior under loading. Thereby, computational modeling has become a great advantage in the area, with new constitutive laws and more realistic models increasingly approaching to materials mechanical behavior. This work has started the development of a model for predicting the fracture of composites using open source software. It was modeled a 2D lamina of unidirectional carbon fiber and epoxy composite laminate. The lamina was considered isotropic in the simulation, in order to get used to the computational environment. Three meshes were designed in the GiD software, each one had different element sizes. The different meshes illustrated the refining effects on the simulation results and the computational cost. Seven different stress conditions were tested 20, 250, 500, 700, 1000, 1500 and 1700 MPa. The various tensile stresses show, firstly, the variation of accumulated stress in the lamina and, secondly, it showed the stress range in which the model fit the real condition. It was observed that with the decrease of elements size the computational cost increases but it showed a smooth stress transitions in the obtained map. In addition, the model was not stable in predicting stress accumulation for stresses lower than 700 MPa. Although materials, which have an elastoplastic response to stress, tend to take some time to respond to initial application of load, the Von Mises criterion is more representative for the plastic state, especially the upper boundary
A grande utilização de compósitos ocorre devido à possibilidade de aplicações estruturais, como o caso do Boeig 787, Dreamliner. Assim o estudo dos métodos de fratura de compósitos se mostra necessário, a fim de que se possa ter uma predição do comportamento mecânico desses materiais quando solicitados em serviço. Dessa forma a modelagem computacional tem tido um grande avanço com novos modelos que se aproximam cada vez mais das respostas mecânicas reais dos compósitos. Assim, neste trabalho se iniciou desenvolvimento de uma simulação computacional para a predição de fratura de compósito utilizando softwares de domínio público. A simulação retrata uma lâmina 2D de um laminado compósito de fibras de carbono unidirecionais com resina epóxi. Por se tratar do desenvolvimento de um modelo, a lâmina foi considerada isotrópica. Foram criadas três malhas no programa GiD, com diferentes tamanhos de elementos. As três malhas ilustram os efeitos de refino e o custo computacional das simulações. Foram aplicadas a essas três malhas sete tensões diferentes 20, 250, 500, 700, 1000, 1500 e 1700 MPa. As diferentes tensões mostraram, primeiramente, a variação do mapa de acúmulo de tensão com o aumento das tensões. Em segundo lugar, mostraram as faixas de tensão na qual o modelo melhor se ajusta à realidade. Foi observado que com a diminuição dos elementos de malha tem-se um aumento no custo computacional e, ao mesmo tempo, uma maior suavização das transições das tensões. Além disso o modelo não foi adequado para a predição dos mapas de tensões nas situações onde a tensão aplicada foi menor que 700 MPa, isto porque o critério de Von Mises representa melhor o estado plástico do que o elástico
A grande utilização de compósitos ocorre devido à possibilidade de aplicações estruturais, como o caso do Boeig 787, Dreamliner. Assim o estudo dos métodos de fratura de compósitos se mostra necessário, a fim de que se possa ter uma predição do comportamento mecânico desses materiais quando solicitados em serviço. Dessa forma a modelagem computacional tem tido um grande avanço com novos modelos que se aproximam cada vez mais das respostas mecânicas reais dos compósitos. Assim, neste trabalho se iniciou desenvolvimento de uma simulação computacional para a predição de fratura de compósito utilizando softwares de domínio público. A simulação retrata uma lâmina 2D de um laminado compósito de fibras de carbono unidirecionais com resina epóxi. Por se tratar do desenvolvimento de um modelo, a lâmina foi considerada isotrópica. Foram criadas três malhas no programa GiD, com diferentes tamanhos de elementos. As três malhas ilustram os efeitos de refino e o custo computacional das simulações. Foram aplicadas a essas três malhas sete tensões diferentes 20, 250, 500, 700, 1000, 1500 e 1700 MPa. As diferentes tensões mostraram, primeiramente, a variação do mapa de acúmulo de tensão com o aumento das tensões. Em segundo lugar, mostraram as faixas de tensão na qual o modelo melhor se ajusta à realidade. Foi observado que com a diminuição dos elementos de malha tem-se um aumento no custo computacional e, ao mesmo tempo, uma maior suavização das transições das tensões. Além disso o modelo não foi adequado para a predição dos mapas de tensões nas situações onde a tensão aplicada foi menor que 700 MPa, isto porque o critério de Von Mises representa melhor o estado plástico do que o elástico
Descrição
Palavras-chave
Mecânica da fratura, Análise de elementos finitos, Materiais compostos, Fracture mechanics
Como citar
MACIEL, Maísa Milanez Ávila Dias. Modelagem de fratura em materiais compósitos por métodos de elementos finitos. 2016. 61 f. Trabalho de conclusão de curso (Bacharelado - Engenharia de Materiais) - Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, 2016.