Avaliação da influência de fabricação de componentes de TFP por FEMU e DIC

Abstract

A técnica de Tailored Fiber Placement (TFP) atrai a atenção devido a possibilidade de produção de compósitos com mudança na direção das fibras, a alta capacidade de produção e precisão. No entanto, ainda existem divergências entre resultados numéricos e experimentais do processo, devido à ausência de teorias estruturais que caracterizem precisamente o comportamento mecânico desses componentes e à alta dependência dos parâmetros de fabricação. Nesse trabalho, uma metodologia de modelamento numérico é estudada visando considerar características locais do processo de TFP. Para isto, são introduzidos coeficientes de enrijecimento em diferentes regiões do composto, que é segmentado segundo características locais de fabricação. Uma placa com furo submetida a tração, fabricada via TFP, é modelada em um software comercial de elementos finitos, utilizando elementos de casca laminada. Os coeficientes de enrijecimento modificam o módulo elástico longitudinal do compósito dos rovings. Para a determinação desses parâmetros, dados experimentais de uma curva de força-deslocamento, obtidos por extensômetros da máquina de ensaio, e de deformações locais, obtidos por medição óptica, são usados em uma otimização multi-objetiva escalarizada. A otimização é feita via Atualização por Método de Elementos Finitos (FEMU), que fornece força e deformações locais numéricos, para deslocamentos experimentais prescritos. Os resultados mostram que o uso desses coeficientes é necessário para reproduzir os dados experimentais e capturar, qualitativamente, a influência de parâmetros de fabricação.

The Tailored Fiber Placement (TFP) technique attracts attention due to the possibility of producing composites by changing the direction of the fibers, its high productivity and precision. However, there are still divergences between numerical and experimental results of the process, due to the absence of structural theories that precisely characterize the mechanical behaviors of these components and the high dependence on the manufacturing parameters. In this paper, a numerical modeling methodology is studied in order to consider local characteristics of the TFP process. For this, stiffness coefficients are introduced in different regions of the compound, which is segmented according to local manufacturing characteristics. A plate with a hole subjected to tension, manufactured via TFP, is constructed in a commercial finite element software using laminated shell elements. The stiffening coefficients modify the longitudinal elastic modulus of the composite of the rovings. For determining these parameters, experimental data of a force-displacement curve, obtained by extensometers of the testing machine, and local strains, obtained by optical measurements, are used in a scaled multi-objective optimization. The optimization is made via Finite Element Model Updating (FEMU), which provides the numerical force and local strain, for prescribed experimental displacements. The results show that the use of these coefficients is necessary to reproduce the experimental data and to capture, qualitatively, the influence of manufacturing parameters.