Um Novo Método para Modelar Delaminação em Compósitos

A Delaminação em materiais compósitos é um problema sério que pode levar à falha estrutural. Esse problema acontece quando as camadas, ou lâminas, de um laminado compósito se separam. Os engenheiros precisam de modelos precisos para prever quando e como essas separações vão acontecer, garantindo a segurança e a confiabilidade das estruturas compósitas.

Um jeito comum de modelar a delaminação é usando Elementos Coesivos, que são componentes especiais usados na análise de elementos finitos. Porém, esses elementos coesivos geralmente têm limitações quanto ao tamanho da malha, o que pode afetar a precisão. Este artigo discute o desenvolvimento de um novo método para superar essas limitações.

#Delaminação em Materiais Compósitos

Os materiais compósitos são feitos de diferentes materiais, geralmente fibras embutidas em uma matriz. Esses materiais são escolhidos por sua resistência e leveza. No entanto, quando submetidos a estresse, as camadas podem se separar, levando à delaminação. Prever esse comportamento é crucial para os designers e engenheiros.

#Importância da Modelagem Precisa

Entender e prever a delaminação é essencial para projetar estruturas seguras. Modelar com precisão como e quando a delaminação ocorre ajuda os engenheiros a evitar falhas inesperadas. Isso é particularmente importante em indústrias como a aeroespacial e automotiva, onde a segurança é fundamental.

#Desafios com os Modelos Atuais

Os elementos coesivos tradicionais foram amplamente utilizados, mas têm problemas. O tamanho da malha deve ser muito menor que o tamanho da zona coesiva, que é a área ao redor da ponta da trinca. Essa exigência coloca um limite rigoroso na densidade da malha, tornando as simulações complexas e demoradas.

#Limitações dos Elementos Coesivos

1. Tamanho da Malha: O tamanho dos elementos deve ser significativamente menor que o tamanho da zona coesiva, o que pode levar a malhas excessivamente densas e maior tempo de cálculo.

2. Altos Gradientes de Estresse: Durante a delaminação, podem surgir altos gradientes de estresse, necessitando de soluções de malha fina, complicando ainda mais o processo de modelagem.

3. Sem Diretrizes Universais: Não há consenso claro na literatura sobre quão fina a malha deve ser. Alguns estudos sugerem usar pelo menos dois ou três elementos coesivos dentro da zona coesiva.

4. Sobrecarga de Cargas: Se a malha for muito grosseira, as simulações podem prever cargas máximas muito superiores aos valores reais.

Esses desafios levaram os pesquisadores a buscar melhores métodos para modelar a delaminação sem restrições de densidade de malha.

#Desenvolvimento de um Novo Método de Modelagem

Para resolver esses problemas, este trabalho apresenta um novo método que utiliza um conjunto de elementos de casca triangular para lâminas compósitas e um novo elemento coesivo estrutural para modelar suas interfaces. Essa abordagem permite tamanhos de elementos maiores enquanto mantém a precisão.

#Elementos Propostos

• Elemento de Casca Triangular Kirchhoff-Love: Esse elemento de casca é projetado para uso com materiais dispostos em camadas. Ele simplifica a modelagem das lâminas compósitas, reduzindo a complexidade.

• Elemento Coesivo Estrutural: Esse elemento é usado para capturar a delaminação entre as camadas. Ele se adapta aos elementos de casca e permite tamanhos de malha maiores enquanto fornece previsões precisas.

#Verificação e Validação

Para validar o método, vários problemas de referência comuns foram testados. Isso incluiu diferentes modos de delaminação, como Modo I, Modo II e cenários de modo misto.

#Problemas de Referência

1. Viga de Duplo Cantiléver (DCB): Um teste padrão que mede a delaminação do Modo I.
2. Flexão com Furo na Extremidade (ENF): Um teste que foca na delaminação do Modo II.
3. Flexão de Modo Misturado (MMB): Uma combinação de ambos os modos, permitindo um cenário de carregamento mais complexo.
4. Flexão de Perna Única (SLB): Um teste de laminado multidirecional que examina a delaminação em uma disposição mais complexa.

Os resultados desses testes mostraram que os novos elementos podiam manter a precisão enquanto permitiam tamanhos de elementos até dez vezes maiores do que os modelos de elementos coesivos tradicionais. Essa redução no tamanho da malha levou a uma diminuição significativa no tempo computacional, com mais de 90% menos uso de CPU.

#Benefícios do Novo Método

A técnica de modelagem proposta oferece várias vantagens em relação aos métodos existentes:

1. Tamanhos de Elementos Maiores: A capacidade de usar elementos maiores simplifica o processo de modelagem, tornando-o menos demorado e mais eficiente.

2. Redução do Tempo Computacional: O método permite simulações mais rápidas, o que pode ser crítico em projetos que exigem rapidez ou quando muitas iterações são necessárias.

3. Previsões Precisos: Apesar de usar elementos maiores, o método mantém um alto nível de precisão, combinando de perto as previsões com resultados experimentais e analíticos.

4. Versatilidade: A abordagem pode ser aplicada a laminados unidirecionais e multidirecionais, tornando-a amplamente aplicável no campo dos compósitos.

#Aplicações Potenciais

Esse novo método de modelagem pode ser benéfico em várias indústrias onde compósitos são usados. Sua capacidade de prever a delaminação com precisão, enquanto reduz a carga computacional, pode aprimorar os processos de design e resultar em estruturas compósitas mais seguras.

#Indústria Aeroespacial

Na aeroespacial, a economia de peso é crucial. Compósitos são frequentemente usados em peças de aeronaves para reduzir peso enquanto mantêm a resistência. A modelagem precisa da delaminação pode garantir que os padrões de segurança sejam atendidos sem adicionar peso desnecessário.

#Setor Automotivo

Com a pressão por veículos mais leves, a indústria automotiva está cada vez mais dependente de materiais compósitos. Esse novo método pode ajudar os engenheiros a projetar peças que sejam leves e resilientes, melhorando o desempenho geral do veículo.

#Engenharia Civil

Na construção, compósitos são usados para várias aplicações, incluindo pontes e edifícios. Entender a delaminação potencial pode prevenir falhas estruturais, aumentando a segurança para os usuários.

#Conclusão

A nova abordagem para modelar a delaminação em materiais compósitos oferece uma solução promissora para os desafios enfrentados com elementos coesivos tradicionais. Ao utilizar uma combinação de elementos de casca triangular e elementos coesivos estruturais, este método supera as limitações relacionadas à densidade da malha e ao tempo computacional.

#Trabalho Futuro

Pesquisas em andamento visam melhorar ainda mais o modelo incluindo fatores como danos intralaminares. Isso vai aprimorar a capacidade de prever não apenas a delaminação entre as camadas, mas também falhas potenciais dentro das próprias camadas.

Em conclusão, o desenvolvimento deste método de modelagem marca um avanço significativo no campo dos materiais compósitos. Ele tem o potencial de impactar muito a maneira como os engenheiros abordam a delaminação, levando a designs mais seguros e eficientes em várias indústrias.