Estudo da simulação viscoelástica do fenômeno de propagação de ondas em termoplásticos para aplicações na detecção de dano

Abstract

A importância de detecção de defeitos no ramo de dutos para águas profundas cresce a cada dia e tem seu foco de estudos não mais exclusivamente para metais, mas também para polímeros em geral. A utilização de ondas guiadas através de ensaios não-destrutivos (ENDs) em polímeros pode auxiliar na detecção de avarias inesperadas nas camadas externas dos dutos evitando alagamento e corrosão excessiva das camadas internas. Porém, este tipo de material tem dificuldades técnicas relacionadas ao seu comportamento mecânico que normalmente possui alta sensibilidade à velocidade de deformação. O estudo das características dos materiais poliméricos na simulação de sua condição de uso é de suma importância para que simulações numéricas representem constitutivamente respostas realísticas. A rigor, a escolha do modelo de material também é importante uma vez que impacta diretamente na qualidade da capacidade preditiva do fenômeno de propagação de onda, que está, mesmo que indiretamente, correlacionado à detecção de falhas. Assim, este trabalho buscou estudar a melhor estratégia para obter dados experimentais e simular a propagação de uma onda tipicamente usada na detecção de dano em estruturas. Para isto, este trabalho foi dividido em uma parte experimental e uma numérica, buscando uma adequada caracterização experimental do material frente suas características viscoelástica, para então aplicar no fenômeno dinâmico do problema. Amostras foram retiradas de uma capa de duto para que testes de relaxação e análises dinâmico-mecânicas fossem feitas. As propriedades viscoelásticas obtidas a partir desses ensaios foram então utilizadas em modelos constitutivos correlatos, onde foram realizadas simulações numéricas de propagação de uma onda em uma haste termoplástica de geometria definida, utilizando um software de elementos finitos comercial. Os resultados numéricos foram comparados com resultados experimentais, permitindo avaliar qual a melhor estratégia de simulação do fenômeno, frente às diferentes metodologias experimentais e numéricas.

The importance of defects detection on the deep water field grows each day and has its focus not exclusively aimed to metals, but also to polymers in general. The usage of guided waves in non-destructive tests (NDTs) with polymers can assist the detection of unexpected damage on the external layers of the pipes, avoiding corrosion and excessive overflow in the inside layers. However, this kind of material has technical difficulties due to its mechanical behavior that is highly sensitive to deformation speed. The study of the polymeric material characteristics on its usage condition simulations is very important so that numerical simulations could represent realistic constitutive answers. The election of the material model is also important, once it impacts directly on the quality of wave propagation phenomena prediction, which is indirectly correlated to the damage detection. This work proposes a study on the best strategy to obtain experimental data, and simulate the propagation of common waves used on damage detection. To reach the objective, this work was divided into an experimental and a numerical part, seeking an appropriate experimental material characterization related to its viscoelastic characteristics, so that the dynamical phenomena problem could be explained. Specimens were made from the external layer of a pipe, so that relaxation tests and dynamical mechanical analyses could be performed. The viscoelastic properties obtained from these experiments were used on constitutive models, where thermoplastic rod wave propagation numerical simulations were made from a defined geometry, using a finite element commercial software. The numerical results were then compared experimental data, allowing the evaluation of the best strategy to simulate the phenomena.