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Título: Comportamento mecânico de compósitos poliméricos híbridos: estudos experimentais, analíticos e numéricos
Autor(es): Batista, Ana Cláudia de Melo Caldas
Palavras-chave: Tecidos híbridos;Descontinuidade geométrica;Anisotropia;Hibridização
Data do documento: 12-Jun-2017
Citação: BATISTA, Ana Cláudia de Melo Caldas. Comportamento mecânico de compósitos poliméricos híbridos: estudos experimentais, analíticos e numéricos. 2017. 223f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2017.
Resumo: Hybrid synthetic fiber-based fabrics have been developed by the industrial sector as a new reinforcement alternative for polymer composites. In this respect, there is a need to know the mechanical characteristics of these hybrid polymer composite fabrics, which have been little studied to date. Under project conditions, three characteristics are significant: anisotropy, geometric discontinuities and type of hybridization. This thesis aims to investigate all of these influences by studying two composite laminates, using two fabrics: a hybrid carbon/glass fiber fabric and a hybrid carbon/aramid fiber fabric, both with epoxy vinyl ester resin as matrix. The manufacturing process used was hand lay-up to obtain the laminates. Uniaxial tensile tests were conducted on test specimens so that all the different types of fibers were oriented in the direction of the applied load, in addition to fiber orientation at ±45° in order to determine the shear behavior of the laminates. The tests were carried out in both the original condition (without hole) and with geometric discontinuity (characterized as a central hole, whose diameter was variable for orientation of high mechanic performance fiber). A number of studies on ultimate strength and fracture mechanics characteristics (macroscopic and microscopic) have been conducted. To determine the influence of the w/D ratio (width of test specimen/diameter of the hole), an analytical study was performed based on stress concentration using Point Stress Criterion (PSC) and Average Stress Criterion (ASC) failure theories, as well as a numerical study using the Finite Elements Method. In these studies, the primary objective is to determine the stress concentration factor (K) of the proposed materials, using both the influence of elastic modulus and geometric parameters. The studies showed that mechanical behavior and fracture characteristics were strongly influenced by anisotropy, hybridization and geometric discontinuity. The analytical and numerical models obtained results showing good agreement with those reported in the literature.
metadata.dc.description.resumo: Os tecidos híbridos a base de fibras sintéticas vêm sendo desenvolvidos pelo setor industrial como nova alternativa de reforço para compósitos poliméricos. Neste sentido, surge a necessidade do conhecimento das características mecânicas desses compósitos poliméricos com tecidos híbridos, que até o presente momento foram pouco estudados. Em determinadas condições de projetos, três características são significativas: anisotropia, presença de descontinuidades geométricas e forma de hibridização. Esta tese busca contemplar todas essas influências com o estudo de dois laminados compósitos, utilizando dois tecidos: o tecido híbrido de fibras de Carbono/Vidro e o tecido híbrido de fibras de Carbono/Aramida, ambos tendo como matriz a resina epóxi Éster Vinílica. Para obtenção dos laminados foi utilizado o processo de fabricação de laminação manual (Hand-lay-up). Para o estudo proposto foram realizados os ensaios de tração uniaxial nos corpos de provas de forma que todos os diferentes tipos de fibras tivessem sua orientação coincidente com a direção da carga aplicada, além da orientação das fibras a ±45° com o objetivo de conhecer o comportamento ao cisalhamento para ambos os laminados. Os ensaios foram realizados, tanto para a condição original (sem furo) quanto para a condição com a descontinuidade geométrica (caracterizada como um furo central, que para a orientação de fibra de melhor desempenho mecânico teve seu diâmetro variável). Estudos das propriedades de resistência última, rigidez e características da fratura mecânica (macroscópica e microscópica) foram desenvolvidos. Para influência da relação w/D (largura do CP/diâmetro do furo) foi realizado um estudo analítico tendo como base a avaliação do fenômeno da concentração de tensão a partir dos critérios de falhas: Critério da Tensão Pontual (Point Stress Criterion -PSC) e Critério da Tensão Média (Average Stress Criterion - ASC), assim como um estudo numérico utilizando o Método de Elementos Finitos. Nesses estudos o objetivo central foi à determinação do fator de concentração de tensão (K) dos materiais propostos, usando tanto a influência dos módulos elásticos quanto unicamente dos parâmetros geométricos. Os estudos mostraram que o comportamento mecânico e característica da fratura foram fortemente influenciados pela anisotropia e hibridização e a descontinuidade geométrica. Os modelos analíticos e numéricos obtiveram resultados em concordância com os encontrados na literatura. Palavras chaves: Tecidos híbridos, descontinuidade geométrica, anisotropia, hibridização.
URI: https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/23751
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