Análise numérica e experimental de flambagem em cilindros de paredes finas - Campos, Eduardo Felipe de [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2017)
Estruturas de paredes finas são muito utilizadas na engenharia moderna devido sua boa relação entre peso e resistência. Sua aplicação vai desde obras civis, como cúpulas em edifícios e pontes, até estruturas aeronáuticas e equipamentos industriais. Uma geometria que é muito comum de ser encontrada nas estruturas de paredes finas são os cilindros, como pode ser observado no corpo dos aviões, tubulações e vasos de pressão. Submetidas a esforços compressivos, essas estruturas ficam suscetíveis ao fenômeno de instabilidade ou flambagem, podendo entrar em colapso repentinamente, mesmo antes de apresentar altas tensões. Assim, compreender o comportamento da instabilidade se torna crucial em um projeto de estruturas de paredes finas. Um dos fatores que influenciam no comportamento da instabilidade é a imperfeição geométrica da estrutura, e qualquer processo de fabricação possui erros associados ao processo. Para iniciar o estudo foi necessário medir os defeitos devido ao processo de fabricação do cilindro. Duas alternativas para realizar as medidas foram propostas, a primeira utilizando LVDTs, que medem a variação do raio do cilindro ao longo de toda sua extensão, e a segunda o fotoprocessamento. Ambos os métodos nos deram uma nuvem de pontos que foram processadas para obter a estrutura 3D CAD, possibilitando sua análise pelo método de elementos finitos e obtenção das respectivas cargas de flambagem numéricas. Além do método numérico foi realizado um ensaio experimental visando validar a análise numérica. O cilindro foi fechado com duas tampas e montado em uma bancada experimental, instrumentado com LVDTs, manômetro e por fim, uma bomba de vácuo foi ligada a uma das tampas. A bomba criou vácuo dentro do cilindro até o mesmo sofrer colapso. As cargas de flambagem numéricas foram superiores a encontrada experimentalmente em 14,48% a geometria foto, 11,72% da geometria LVDT e 39,98% a do cilindro referência. Os resultados mostram que as imperfeições geométricas são de grande relevância na resistência a instabilidade de uma estrutura, e também que grandes imperfeições geométricas tendem a ser o local onde ocorrem as ondas de flambagem. Em relação ao método de medição por fotoprocessamento os resultados mostram que é interessante estudar a técnica para aplicações na área de instabilidade.

Thin-walled structures are widely used in modern engineering because of their good weight-to-strength ratio. Its application ranges from civil works, such as domes in buildings and bridges, to aeronautical structures and industrial equipment. One geometry that is very common to be found in thin-walled structures is the cylinder, as can be seen in the body of airplanes, pipes and pressure vessels. Under compressive stresses, these structures are susceptible to the buckling phenomenon, which can suddenly collapse, even before presenting high stresses. Therefore, understanding the behavior of instability becomes crucial in designing thin-walled structures. One of the factors influencing the behavior of instability is the geometric imperfection of the structure, and any manufacturing process has errors associated with the process. To begin the study it was necessary to measure the defects due to the cylinder manufacturing process. Two alternatives to carry out the measurements were proposed, the first using LVDTs, which measure the variation of the cylinder radius along its length, and the second the photoprocessing. Both methods gave us a point cloud that were processed to obtain the 3D CAD structure, allowing its analysis by the finite element method and obtaining the respective numerical buckling loads. In addition to the numerical method, an experimental test was carried out to validate the numerical analysis. The cylinder was closed with two flat heads and mounted on an experimental bench, instrumented with LVDTs, manometer and finally, a vacuum pump was attached to one of the flat heads. The pump has created a vacuum inside the cylinder until it collapses. Numerical buckling loads were greater than that found experimentally at 14.48 % photo geometry, 11.72 % LVDT geometry and 39.98 % a reference cylinder. The results show that the geometric imperfections are of great relevance in the resistance to buckling of a structure, and also that great geometric imperfections tend to be the place where the buckling waves occur. Regarding the method of measurement by photoprocessing the results show that it is interesting to study the technique for applications in the area of instability.
Numerical and experimental analysis of buckling in cylindrical shells
Keywords: Instabilidade; Flambagem; Elementos Finitos; Instability; Buckling; Finite element method