Tensões residuais em materiais compósitos de matriz polimérica: Aplicação da Técnica do furo incremental

Abstract

As tensões residuais que surgem durante o processo de fabrico de materiais compósitos (diferença nos coeficientes de expansão térmica, etc.) podem conduzir a deformações plásticas localizadas, delaminação e a iniciação e propagação de fissuras, podendo assim afectar largamente o comportamento mecânico em serviço dos elementos estruturais compósitos, hoje em dia cada vez mais utilizados em praticamente todas as áreas da engenharia, desde a civil até à aeroespacial. O conhecimento das tensões residuais instaladas é essencial, quer na optimização das técnicas de fabrico, quer no desenvolvimento de modelos de previsão de vida dos elementos estruturais compósitos. O desenvolvimento de técnicas experimentais que permitam determiná-las com rigor assume assim um papel muito importante. Deste modo, apenas com métodos de medida fiáveis poderão ser validados experimentalmente os modelos numéricos que possam ser desenvolvidos no âmbito do comportamento mecânico dos sistemas compósitos. Foi com esse propósito que desenvolvemos este trabalho, que consistiu no estudo e desenvolvimento da técnica do furo incremental na determinação de tensões residuais em materiais compósitos de matriz polimérica. Este trabalho foi dividido em três partes principais: - Uma parte experimental, consistindo na aplicação da técnica do furo incremental a diferentes materiais, nomeadamente no apoio a trabalhos desenvolvidos no laboratório do Grupo de Tensões Residuais do Departamento de Física da Universidade de Coimbra e, especialmente, a materiais compósitos. - Uma parte numérica que consistiu na modelação por elementos finitos dos provetes dos materiais usados no estudo, essencial para a determinação das constantes de calibração necessárias ao método de cálculo das tensões residuais em materiais elásticos ortotrópicos usados neste estudo. A modelação numérica foi levada a cabo com o software comercial ANSYS 11.0, tendo sido desenvolvidas diversas macros por forma a facilmente adaptar a modelação numérica às diferentes configurações dos sistemas iii compósitos laminados (PMCs - compósitos de matriz polimérica, nomeadamente os reforçados com fibras, de carbono, por exemplo CFRP). - Finalmente uma parte de desenvolvimento de software de cálculo de tensões residuais. Neste âmbito foram desenvolvidos vários módulos usando a linguagem de programação Visual Basic.Net, por forma a serem incluídos no software “GTR – Residual Stress Group Software” desenvolvido no centro de investigação, extendendo a sua aplicabilidade também aos materiais ortotrópicos.

Residual stresses originated during the manufacture process of composite laminates, can lead to local plastic deformations, delaminations and crack initiation and propagation, largely affecting the mechanical behaviour in service of these structural composite elements, nowadays more and more used in the almost engineering applications, since the civil to the aerospace ones. It is well known that its knowledge is essential for the optimization of the processing parameters selection and lifetime prevision models development of the structural composite elements. Therefore, the development of experimental techniques for residual stress determination in composite systems should be considered a very important issue in this technological area. As the presence of residual stresses generally goes unrecognized until after malfunction or failure occurs, methods of measuring accurately residual stresses in composite elements are needed. Looking to accomplish this, we developed this study having the aim of applying the hole-drilling method in the determination of residual stresses in orthotropic composite materials. It’s possible to distinguish three major parts on this study: - One experimental part, consisting on measuring residual stresses in different materials, in support of previously works developed in the laboratory of the Residual Stress Group on Department of Physics of the University of Coimbra, and especially on composite materials. - One numerical part, consisting on modeling by finite elements technology the materials of our study, essential to determine the calibration coefficients needed for the calculation method of residual stresses in orthotropic elastic materials. All the numeric modulation was done using the commercial software ANSYS 11.0. Scripts have been made as a way to easily adapt the numeric modulation to different lay-up configurations of the laminate composite systems (PMCs - polymeric matrix composites, as an example, carbon fibers reinforced plastic CFRP). v - Finally one part of software development to calculate residual stresses. It has been developed several modulus using the programation language Visual Basic.Net in order to include on the software created on the investigation center, “GTR – Residual Stress Group Software”, an option button to the orthotropic materials case.