Previsão do Comportamento Mecânico e Otimização de Placas em Material Compósito Híbrido Iúri Marcelo Pinheiro Figueiredo Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Aeroespacial Orientadores: Prof. Virgínia Isabel Monteiro Nabais Infante l Prof. José Firmino Aguilar Madeira ll Prof. Filipa Andreia de Matos Moleiro Duarte Júri Presidente: Prof. Fernando José Parracho Lau Orientador: Prof. Virgínia Isabel Monteiro Nabais Infante Vogal: Prof. Aurélio Lima Araújo Junho 2016 ii Agradecimentos Como autor desta dissertação desejo expressar os meus sinceros agradecimentos a todas as pessoas e instituições que me apoiaram e que contribuíram para o seu desenvolvimento, mas gostaria de destacar: A minha orientadora, Professora Virgínia Infante, pela oportunidade de realizar este trabalho e pela disponibilidade, acompanhamento e apoio ao longo de todas as etapas, principalmente na realização dos ensaios experimentais. O meu coorientador, Professor José Aguilar Madeira, pelo tempo e a ajuda imprescindível na implementação da otimização. A minha coorientadora, Professora Filipa Moleiro Duarte, pelos conselhos relacionados com a teoria de compósitos e modelos computacionais. O Capitão Diogo Duarte, por todas as boleias para a Base Aérea Nº 1 e para a Base Aérea Nº 6 e pela ajuda no processo de pós-cura e corte dos provetes. O Major Aurélio Santos, por toda a ajuda no processo de fabrico dos provetes. O Centro de Investigação da Academia da Força Aérea pelo uso dos seus equipamentos e pelo fornecimento do material necessário para produzir os provetes. A nível pessoal, gostaria de agradecer à minha família pelo apoio e dedicação incondicional. Quero agradecer também a todos os meus amigos pela compartilha e confiança que sempre me disponibilizaram, em especial ao Miguel Ferreira e à Rita Angélico. Por fim, quero agradecer à Marisa Rodrigues, sem o seu carinho e paciência, os últimos meses teriam sido mais difíceis de ultrapassar. iii iv Resumo Desde 1996, a Força Aérea Portuguesa tem feito grandes investimentos no projeto designado por Programa de Investigação e Tecnologia em Veículos Aéreos Não-Tripulados (PITVANT). Após o sucesso na construção de alguns protótipos, avalia-se agora a utilização destas aeronaves em diversas funções operacionais. Através da hibridização de compósitos de fibra de carbono, com a adição de fibras de vidro, é possível criar novos materiais compósitos leves, que são simultaneamente mais dúcteis, mais resistentes a impactos e têm um menor custo associado, podendo ter diversas aplicações em componentes estruturais dos VANT. Foram realizados um estudo computacional e um experimental a fim de determinar as deformações de provetes, em material compósito híbrido laminado, quando submetidos a diferentes esforços de flexão-torção. Os provetes foram produzidos com diferentes esquemas de laminação utilizando hand lay-up, com reforços de fibra de carbono e de fibra de vidro em uma matriz epoxídica. As propriedades elásticas das lâminas foram calculadas através um método numérico baseado na teoria de homogeneização (PREMAT). As simulações computacionais dos testes experimentais foram realizadas no ANSYS Workbench. Os resultados dessas simulações foram analisados e comparados com os resultados experimentais. A otimização dos provetes foi realizada utilizando o GLODS, um método de otimização global uni-objetivo que usa uma estratégia multistart eficaz. A função objetivo foi a minimização do valor máximo de deslocamento, que foi obtida por meio de uma interação em ciclo entre modelos GLODS e ANSYS APDL. Por fim, são obtidas duas sequências de laminado otimizadas para o provete estudado nos diferentes ensaios experimentais. Palavras-chave: Compósitos híbridos, fibras de carbono e vidro, propriedades elásticas, método dos elementos finitos, otimização. v vi Abstract Since 1996, the Portuguese Air Force has made major investments in the Program for Research and Technology in Unmanned Aerial Vehicles (PITVANT). After successfully building some prototypes, the use of these aircrafts in various operating conditions is now being evaluated. Through hybridization of carbon fiber composites, with the addition of glass fibers, it is possible to create new lightweight composite materials that are simultaneously more ductile, with more impact resistance and have lower associated costs, with the opportunity of being applied in various structural components of UAV’s. A computational and experimental study was performed in order to determine the deformations of specimens made of laminated hybrid composite materials when submitted to different bending-torsion loadings. The specimens were produced with different lamination schemes using hand lay-up, with carbon fiber and glass fiber reinforcements in an epoxy matrix. The elastic properties of the plies were calculated using a numerical method based on the homogenization theory (PREMAT). The computational simulations of the experimental tests were performed in ANSYS Workbench. The results of these simulations were analyzed and compared with the experimental results. The optimization of the specimens was carried out using GLODS, a single objective global optimization method that uses an efficient multistart strategy. The objective function was the minimization of the maximum displacement value, which was obtained through an interactive cycle between GLODS and ANSYS APDL models. Two optimized laminate stacking sequences of the specimen are obtained for the simulated experimental tests. Keywords: Hybrid composites, carbon and glass fibers, elastic properties, finite element method, optimization. vii viii Índice Agradecimentos ................................................................................................................................... iii Resumo................................................................................................................................................... v Abstract ................................................................................................................................................ vii Índice ..................................................................................................................................................... ix Lista de Figuras ................................................................................................................................... xii Lista de Tabelas .................................................................................................................................. xvi Nomenclatura ...................................................................................................................................... xix 1 Introdução ...................................................................................................................................... 1 1.1 Enquadramento ..................................................................................................................... 1 1.2 Objetivos ................................................................................................................................ 3 1.3 Estrutura da tese ................................................................................................................... 3 2 Revisão bibliográfica ..................................................................................................................... 4 2.1 Introdução .............................................................................................................................. 4 2.2 Definição e vantagens dos compósitos híbridos ................................................................... 4 2.3 Classificação e características dos compósitos híbridos ...................................................... 6 2.4 Constituintes .......................................................................................................................... 7 2.4.1 Fibra de carbono ....................................................................................................... 8 2.4.2 Fibra de vidro ............................................................................................................ 9 2.4.3 Resina epóxi ........................................................................................................... 10 2.5 Aplicações na indústria aeronáutica ..................................................................................... 11 2.6 Efeito híbrido ....................................................................................................................... 13 2.7 Constantes elásticas de materiais ortotrópicos ................................................................... 15 2.8 Teoria de Deformação de Corte de Primeira Ordem ........................................................... 16 2.9 Critérios de falha ................................................................................................................. 19 2.9.1 Máxima tensão ....................................................................................................... 20 2.9.2 Máxima extensão .................................................................................................... 20 2.9.3 Tsai-Hill ................................................................................................................... 21 2.9.4 Tsai-Wu................................................................................................................... 22 2.10 Otimização ........................................................................................................................... 23 ix 3 Procedimento experimental ........................................................................................................ 26 3.1 Materiais e processo de fabrico dos provetes ..................................................................... 26 3.1.1 Materiais ................................................................................................................. 26 3.1.2 Características dos provetes híbridos .................................................................... 27 3.1.3 Processo de fabrico dos provetes híbridos ............................................................ 29 3.1.4 Propriedades elásticas das lâminas ....................................................................... 31 3.2 Ensaios experimentais ........................................................................................................ 36 3.2.1 Procedimento experimental .................................................................................... 36 3.2.2 Registo dos deslocamentos ................................................................................... 37 4 Modelação numérica ................................................................................................................... 41 4.1 Introdução ............................................................................................................................ 41 4.2 Propriedades das lâminas e geometria ............................................................................... 43 4.3 Definição do laminado ......................................................................................................... 44 4.4 Tipo de elementos escolhidos ............................................................................................. 45 4.5 Definição da malha e estudos de convergência ................................................................. 46 4.6 Condições de fronteira e carregamento .............................................................................. 49 4.7 Pós-processamento ............................................................................................................. 50 5 Apresentação, comparação e análise de resultados ............................................................... 52 5.1 Apresentação e comparação de resultados ........................................................................ 52 5.2 Análise de resultados .......................................................................................................... 55 6 Otimização .................................................................................................................................... 59 6.1 Validação do modelo ANSYS APDL .................................................................................... 59 6.1.1 Adaptação do modelo para laminados híbridos ..................................................... 60 6.1.2 Comparação de resultados .................................................................................... 62 6.2 Otimização GLODS ............................................................................................................. 64 6.3 Apresentação e análise de resultados da otimização ......................................................... 65 7 Conclusões gerais e propostas de investigação complementar ........................................... 67 7.1 Conclusões gerais ............................................................................................................... 67 7.2 Propostas de investigação complementar .......................................................................... 69 8 Referências................................................................................................................................... 70 ANEXO A .............................................................................................................................................. 77 x