Residual Stress Measurement of Fibre Metal Laminates (FML) using Incremental Hole-Drilling Technique

Abstract

O presente trabalho teve como objetivo ampliar a área de aplicação da técnica do furo incremental (TFI) e permitir uma determinação viável de tensões residuais em laminados de fibra metal (anisotrópicos e em camadas). O denominado método integral, de acordo com os últimos desenvolvimentos na área, foi implementado com um método numérico para a resolução do sistema final de equações lineares em Python. Foi possível obter tensões residuais não uniformes em amostras de um componente híbrido feito de metal e polímero reforçado com fibra de vidro (GFRP/Steel). Para a técnica TFI, deformações aliviadas, causadas pelas tensões residuais relaxadas durante o processo de furação, e os coeficientes de calibração necessários, que relacionam essas duas variáveis, precisam de ser determinados. O procedimento experimental da técnica TFI foi realizado com o objetivo de determinar as deformações aliviadas em amostras de GFRP/Steel. A determinação dos coeficientes de calibração foi feita por simulação numérica utilizando o método dos elementos finitos através do software ANSYS. Por fim, é realizada uma comparação dos resultados obtidos com outras técnicas e métodos, nas mesmas amostras, para a avaliação e validação do método proposto nesta tese.Os resultados obtidos permitiram concluir que a técnica do furo incremental pode ser utilizada para a medição de tensões residuais não uniformes em laminados de fibra metal. Apesar de alguma dispersividade observada nas tensões residuais determinadas para camadas profundas, o método utilizado nesta dissertação de mestrado permitiu determinar o perfil de tensões residuais ao longo da espessura de uma amostra de GFRP/Steel, concordando positivamente com os resultados obtidos por outras técnicas e métodos, identificando claramente as singularidades nas interfaces entre as fibras orientadas e a fibra-metal.

The present work aimed to broad the scope of application of the incremental hole drilling technique (IHD) and to enable reliable residual stress measurements on anisotropic and layered materials, such as fibre-metal laminates (FMLs). The so-called integral method, according to the last developments in the field, was implemented with a numerical method for the resolution of the final system of linear equations using Python. It was possible to obtain non uniform residual stresses in samples of a hybrid component made by metal and glass fibre reinforced polymer (GFRP/Steel). For IHD technique, relieved strains, caused by relaxed residual stresses during the incremental drilling process, and the necessary calibration coefficients, that relate these two variables, needed to be determined. Experimental IHD procedure was performed with the purpose of determining relieved strains in GFRP/Steel samples. Determination of calibration coefficients was done by a numerical simulation using the finite element method, through ANSYS software. Finally, a comparation of the results, obtained with other techniques and methods in the same samples, is performed for assessment and validation of the method studied in this thesis.The results obtained allowed to conclude that the incremental hole drilling technique can be used for measuring non uniform residual stresses in FMLs. Despite some observed scattering in the residual stresses determined for deeper layers, the method used in this thesis allowed to determine the residual stress profile through the thickness of a GFRP/steel sample, agreeing well with the results obtained by other techniques and methods, clearly identifying the singularities at the interfaces between cross-ply fibres and fibres-metal.