Efeito do escalonamento na resistência à tração de compósitos termoplásticos de fibra de carbono

Abstract

Em projetos de estruturas fabricadas com materiais compósitos, é comum se deparar com a necessidade de variar a espessura do laminado, para atender uma exigência do projeto em termos geométricos ou para melhorar o desempenho mecânico. Esta variação da espessura (ou escalonamento) pode ser feita por meio da interrupção ou adição de camadas em diferentes posições no laminado. Uma característica negativa e inerente a esta construção é a possibilidade de ser formar defeitos tais como porosidade ou áreas ricas em resina na região do escalonamento e consequente descontinuidades geométricas que podem causar falha interlaminar prematura na interface entre as camadas interrompidas e contínuas. Assim, este trabalho tem como objetivo estudar o efeito do escalonamento e sua influência nas propriedades mecânicas finais do compósito termoplástico reforçado com fibra de carbono. Para tal, uma comparação numérico-experimental foi inicialmente realizada para possibilitar uma avaliação mais ampla das possíveis configurações de escalonamento. Corpos de prova com escalonamento interno foram fabricados e a máquina de tração INSTRON 8801 equipada com equipamento de Correlação Digital de Imagens (CDI) foi utilizada para realizar os ensaios. Para efeito de validação numérico-experimental e análise de outras configurações de escalonamento, foi criado um modelo representativo do corpo de prova em três dimensões (3D), utilizando o método de elementos finitos para calcular tensões, deformações e deslocamentos. Os resultados numéricos são condizentes com os resultados experimentais, validando o modelo numérico. O critério de falha de Tsai Wu foi implementado na análise numérica para verificar a ocorrência da primeira falha nos drop-off. Os resultados das simulações mostram que a orientação e a posição dos drop-off influenciam as tensões desenvolvidas, as deformações, o deslocamento e a resistência do compósito. De maneira geral, as primeiras falhas ocorrem na interface entre as camadas interrompidas e as contínuas, ao final da região de transição da espessura maior para a menor. As tensões e as deformações aumentam com a redução da espessura e a resistência do compósito aumenta quando os drop-off mais próximos da espessura menor estiverem posicionados acima do eixo médio e orientados a ±45°.