Estudo da instabiliadade estrutural de tubos compósitos finos submetidos à pressão hidrostática externa

Abstract

Tubos de materiais compósitos poliméricos são amplamente utilizados como componentes estruturais em situações onde estão sujeitos a pressões externas ou cargas compressivas. Neste contexto, pode ocorrer o colapso do tubo, governado pela instabilidade ou pelo limite de resistência do material. Portanto, a predição da instabilidade é um fator crítico de projeto. Muitos parâmetros podem afetar as predições de instabilidade estrutural, e estas são normalmente realizadas por análises computacionais, incorporando no modelo geométrico as imperfeições da estrutura real. Entretanto, em um estágio inicial de projeto estes dados não estão disponíveis, exigindo abordagem alternativa para essas predições. Neste trabalho, foram estudados tubos compósitos de parede fina produzidos por enrolamento filamentar (filament winding), sujeitos à pressão hidrostática externa com o objetivo de predizer instabilidades. Algumas soluções analíticas conhecidas foram avaliadas por comparação com o método dos elementos finitos, sendo que duas delas apresentaram grandes desvios relativos. Foi então desenvolvido um procedimento numérico-experimental de caracterização das propriedades mecânicas dos materiais envolvidos por calibração com dados experimentais representativos. As variáveis do problema de instabilidade foram avaliadas por uma análise de sensibilidade, elencando-as em ordem de influência, onde se destacaram a espessura do tubo e o módulo longitudinal do tubo. As propriedades calibradas foram implementadas em análises por elementos finitos lineares e não-lineares de instabilidade, e os resultados foram comparados com dados experimentais de ensaios em câmara hiperbárica. Também foram avaliadas estimativas de amplitude de imperfeição geométrica dos tubos produzidos, implementando-as nas análises não-lineares de elementos finitos com base nos primeiros modos de instabilidade bifurcacionais de cada tubo. Os resultados obtidos apresentaram boa correlação numérico-experimental.

Polymer composite tubes are widely used as structural components in situations where they are subject to external pressures or compressive loads. In this context, the collapse of the tube may be governed by structural instability or the material strength limit. Therefore, the prediction of structural instability is a critical design factor. Many parameters can affect structural instability predictions, and these are usually performed by computational analysis, incorporating in the geometric model geometrical imperfections of the real structure. However, at an early design stage these data are not available, demanding an alternative approach for these predictions. In this work, thin-walled composite tubes produced by filament winding, subjected to external hydrostatic pressure were analyzed in order to predict instabilities. Some widely known analytical solutions were evaluated by comparison with the finite element method, and two of them presented large relative deviations. A numerical-experimental procedure was then developed to characterize the mechanical properties of the materials involved by calibration with representative experimental data. The variables of the instability problem were evaluated by a sensitivity analysis, listing them in order of influence, where tube thickness and longitudinal modulus were the most influential. The calibrated properties were implemented in linear and nonlinear finite element analyses of instability, and the results were compared with experimental data obtained in tests in a hyperbaric chamber. Geometrical imperfection amplitude estimates of the produced tubes were also evaluated, implementing them in a nonlinear finite element analysis based on the first modes of bifurcational instability of each tube. The obtained results presented good numerical-experimental correlation.