Determinação de Tensões Residuais em Laminados Fibra-Metal (CFRP – Aço)

Abstract

O trabalho realizado aborda a implementação do método do furo incremental em laminados híbridos fibra-metal CFRP-aço como ferramenta experimental para a determinação das tensões residuais através das camadas do laminado, a partir das deformações causadas pela relaxação das tensões residuais devido à presença do furo. Neste trabalho foram utilizados provetes semelhantes com a configuração CFRP-aço [02/aço]s. Visto tratar-se de um material laminado, em que as camadas do polímero reforçado com fibras têm características ortotrópicas, houve necessidade de se proceder a uma simulação numérica através do método dos elementos finitos para determinar os coeficientes de calibração necessários para o cálculo das tensões residuais. O cálculo das tensões baseou-se no chamado método integral iterativo não regularizado. Foi objetivo principal do trabalho implementar o método integral com regularização de Tikhonov para a determinação das tensões residuais não uniformes libertadas, visto ser uma ferramenta essencial para suavização e eliminação de dispersão nos resultados de problemas numéricos inversos, comparando os resultados obtidos com os dois métodos: método integral regularizado e não regularizado.A implementação dos métodos foi realizada utilizando a linguagem de programação Python, por forma a obter-se computacionalmente a distribuição das tensões residuais através das camadas do laminado fibra-metal.Os resultados obtidos permitiram validar a utilização do método do furo incremental, aliado ao método integral com regularização de Tikhonov para o cálculo de tensões residuais não uniformes em laminados fibra-metal. Apesar de alguma dispersão observada nas tensões residuais determinadas em profundidades mais elevadas, os métodos utilizados permitiram determinar o perfil de tensões residuais ao longo da espessura de vários furos em provetes de CFRP-Aço. Houve uma concordância entre os resultados obtidos pelos métodos utilizados, identificando claramente as singularidades nas interfaces entre as camadas de fibras orientadas e na interface fibra-metal.

The work conducted addresses the implementation of the incremental hole drilling method in CFRP-steel laminates as an experimental tool for the determination of residual stresses through the laminated layers, from the deformations caused by the relaxation of residual stresses due to the presence of the hole. Since it is a laminate material, in which the fibre-reinforced polymer layers have orthotropic characteristics, it was necessary to carry out a numerical simulation using the finite element method to determine the necessary calibration coefficients for the calculation of the residual stresses. The stress calculation was based on the so-called iterative integral method. In this work, the integral method with Tikhonov regularization was used to determine the non-uniform residual stresses released, as it is an essential tool for smoothing and elimination of scattering in the results of inverse numerical problems.The implementation of the methods was carried out using Python programming language, to computationally obtain the distribution of residual stresses through the layers of the fibre-metal laminate.The obtained results contribute towards validating the use of the incremental hole drilling method, combined with the integral method with Tikhonov regularization, for the calculation of non-uniform residual stresses in fibre-metal laminates. Despite some observed scattering in the residual stresses determined at deeper depths, the methods used allowed the determination of profiles of residual stresses along the thickness of several holes in CFRP-Steel specimens. There was an agreement between the results obtained by the methods used, clearly identifying the singularities at the interfaces between the layers of oriented fibres and in the fibre-metal interface.