NUMERICAL EVALUATION OF THE EFFECTS OF SEAWATER ON THE STRENGTH OF GLASS FIBER REINFORCED POLYMERS

Abstract

O uso de materiais compósitos na indústria naval tem sido considerado devido às suas aprimoradas características mecânicas e sua boa resistência à corrosão. No entanto, o seu custo em estruturas marítimas não é o mais baixo em consequência dos atuais, conservadores, fatores de segurança. A criação de um modelo numérico preciso, capaz de prever o comportamento, a longo prazo, de compósitos em ambiente marinho poderá ser uma ferramenta valiosa, pois poderá reduzir os custos das estruturas reduzindo os seusfatores de segurança.Com isto, o principal objetivo do trabalho apresentado é desenvolver um modelo numérico para prever o comportamento de polímeros reforçados com fibra de vidro expostos ao ambiente marinho. Neste trabalho, primeiramente, o critério de falha de Puck foi utilizado, uma teoria de falha para compósitos unidirecionais reforçados com fibra, que provou a sua fiabilidade em múltiplos estados de tensão, por vários investigadores. Seguidamente, a primeira lei de Fickpara a difusão foi utilizada para prever a taxa de absorção da água do mar. Por último, uma relação entre a lei de Fick e a distância de difusão foi assumida para prever a concentração de água do mar no provete. A principal metodologia de funcionamento do modelo desenvolvido é adaptar as propriedades das lâminas em função da concentração de água do mar na estrutura.Este modelo foi implementado numa análise implícita de elementos finitos no programa comercial de elementos finitos ABAQUS, através de um sub-rotina UMAT escrita em Fortran 95. O modelo foi validado com resultados de ensaios de resistência à tração executados com corpos de prova imersos por 0 e 900 dias. O modelo apresentou resultados coerentes com os dados experimentais no que diz respeito ao limite de escoamento e deslocamento na falha. O modelo previu ainda as superfícies críticas a proteger de ambientes hostis.

The employment of composite materials in the marine industry has been gradually considered due to their enhanced mechanical properties and good corrosion resistance. However, their cost in marine structures is not the lowest as a consequence of the current conservative structural safety factors. Establishing an accurate numerical model for predicting the long-term behavior of composites in the marine environment could be a valuable tool since it would reduce structural costs by reducing safety factors. Therefore, the presented work's main objective is to develop a numerical model to predict the behavior of glass fiber-reinforced polymers exposed to the marine environment. In this work, Puck's failure criterion is first applied, a failure theory for unidirectional fiber-reinforced polymer composites, which has proven its capability in multiple stress states by many researchers. Then, Fick's first diffusion law was used to predict the seawater absorption rate. Finally, a relation between Fick's law and the diffusion distance was assumed to predict the seawater concentration in the specimen. The developed model main's methodology is to adapt the lamina's material properties as a function of the seawater concentration in the structure. The model was implemented within an implicit Finite Element Analysis (FEA) in the commercially available FEA software ABAQUS via a UMAT (User Material Subroutine) written in Fortran 95. The model was validated with tensile strength tests using specimens immersed for 0 and 900 days. The model agreed well with the experimental data regarding the failure load and displacement at failure. It also predicted the most critical surfaces to protect from hostile environments.