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Publication
Study of simple and complex structures in composite materials
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
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Abstract(s)
Abstract
The use of composite materials has been increasing exponentially in various engineering fields, not only in fiber-based materials but also in advanced particle composites, such as Functionally Graded Materials (FGM). This work focuses on fiber-based materials, which, by considering the appropriate fiber direction within each layer, can achieve different mechanical properties, leading to widespread use. However, due to the heterogeneous and orthotropic nature of these materials, failure prediction becomes challenging. Combining analytical methods (often using symbolic computing platforms) and/or numerical methods allows for failure prediction. Despite using a single or combined method approach, verifying the results with alternative references is crucial. This study aimed to develop and implement a numerical-analytical and experimental approach to characterize the mechanical behavior of fiber-based composite plates with an epoxy matrix. The study considered carbon fiber/epoxy plates with varying numbers of layers and fiber orientations. Four approaches were employed: the first and second approaches, based on the Finite Element Method (FEM) using ANSYS Mechanical Parametric Design Language (Mechanical APDL) and ANSYS WORKBENCH, respectively; the third approach involved analytical results obtained through the MAPLESOFT symbolic computing software; the fourth approach relied on experimental tensile tests of the composite plates, using strain gauges to measure resulting strains from a bi-axial tensile device. Additionally, a three-dimensional static study of a triathlon guide was calculated using Solidworks Simulation FEM software. The results indicate that while some numerical methods can predict failure in composite materials with reasonable accuracy, this prediction is fundamentally linked to the failure criterion used in the analysis.
O uso de materiais compósitos tem aumentado exponencialmente nas mais variadas áreas da engenharia, não apenas em relação a materiais à base de fibra, mas também a compósitos de partículas, como os conhecidos Materiais Funcionalmente Graduados (FGM). Este trabalho é especificamente focado em materiais fibrosos que, ao considerar a direção da fibra dentro de cada camada, permite atingir diferentes valores de propriedades mecânicas e, portanto, um uso generalizado. No entanto, devido à natureza heterogênea e ortotrópica desses materiais, a previsão de falha torna-se complexa. O uso combinado de métodos analíticos (frequentemente realizados usando plataformas de computação simbólica) e/ou métodos numéricos permite prever a falha. Apesar de usar uma abordagem de métodos únicos ou combinados, é necessário verificar os resultados obtidos com referências alternativas. Este estudo teve como objetivo desenvolver e implementar uma abordagem numérico-analítica e experimental para caracterizar o comportamento mecânico de placas compósitas à base de fibra com matriz epóxi. O estudo considerou placas de fibra de carbono/epóxi com diferentes números de camadas e orientações de fibra. Quatro abordagens foram empregadas: a primeira e a segunda abordagens, baseadas no Método de Elementos Finitos (FEM) usando ANSYS Mechanical Parametric Design Language (Mechanical APDL) e ANSYS WORKBENCH, respectivamente; a terceira abordagem envolveu resultados analíticos obtidos através do software de computação simbólica MAPLESOFT; a quarta abordagem baseou-se em ensaios de tração experimentais das placas, utilizando extensómetria para medir as deformações resultantes, assim como um dispositivo de tração bi-axial. Posteriomente, um estudo estático tridimensional de um guiador de triatlo foi calculado usando o software FEM Solidworks Simulation. Os resultados mostram que, embora alguns métodos numéricos possam prever a falha no contexto de materiais compósitos com alguma precisão, essa previsão está fundamentalmente ligada ao critério de falha adotado na análise.
O uso de materiais compósitos tem aumentado exponencialmente nas mais variadas áreas da engenharia, não apenas em relação a materiais à base de fibra, mas também a compósitos de partículas, como os conhecidos Materiais Funcionalmente Graduados (FGM). Este trabalho é especificamente focado em materiais fibrosos que, ao considerar a direção da fibra dentro de cada camada, permite atingir diferentes valores de propriedades mecânicas e, portanto, um uso generalizado. No entanto, devido à natureza heterogênea e ortotrópica desses materiais, a previsão de falha torna-se complexa. O uso combinado de métodos analíticos (frequentemente realizados usando plataformas de computação simbólica) e/ou métodos numéricos permite prever a falha. Apesar de usar uma abordagem de métodos únicos ou combinados, é necessário verificar os resultados obtidos com referências alternativas. Este estudo teve como objetivo desenvolver e implementar uma abordagem numérico-analítica e experimental para caracterizar o comportamento mecânico de placas compósitas à base de fibra com matriz epóxi. O estudo considerou placas de fibra de carbono/epóxi com diferentes números de camadas e orientações de fibra. Quatro abordagens foram empregadas: a primeira e a segunda abordagens, baseadas no Método de Elementos Finitos (FEM) usando ANSYS Mechanical Parametric Design Language (Mechanical APDL) e ANSYS WORKBENCH, respectivamente; a terceira abordagem envolveu resultados analíticos obtidos através do software de computação simbólica MAPLESOFT; a quarta abordagem baseou-se em ensaios de tração experimentais das placas, utilizando extensómetria para medir as deformações resultantes, assim como um dispositivo de tração bi-axial. Posteriomente, um estudo estático tridimensional de um guiador de triatlo foi calculado usando o software FEM Solidworks Simulation. Os resultados mostram que, embora alguns métodos numéricos possam prever a falha no contexto de materiais compósitos com alguma precisão, essa previsão está fundamentalmente ligada ao critério de falha adotado na análise.
Description
Keywords
Fiber based materials; Composite failure criteria; User Programmable Feature (UPF) Materiais fibrosos; Critérios de falha em materiais compósitos