Estudo de modelos mecânicos baseados em célula unitária micromecânica para uma estrutura tubular fabricada com a técnica de filament winding

Abstract

O processo de filament winding (FW) tem ganhado espaço na indústria e na academia para a fabricação de componentes de geometria axissimétrica, como cilindros ou vasos de pressão. Esta técnica possui vantagens frente a outros processos como elevado controle da posição das fibras e elevada repetibilidade. No entanto, o padrão de entrelaçamento das fibras gerado por este processo torna difícil prever numericamente a distribuição de deformações e tensões relacionadas a falha do componente. Abordagens numéricas com o detalhamento geométrico necessário para capturar respostas a nível da geometria das fibras torna o processo impraticável devido ao alto custo computacional. Assim, estratégias como análise global-local e multiescala, que necessitam da definição de um elemento de volume representativo (EVR), e modelos de célula unitária, tem sido cada vez mais estudadas como alternativa. Neste contexto, este trabalho propõe o estudo numérico do comportamento de falha de uma célula unitária construída com um padrão de entrelaçamento obtido pela técnica FW para aplicações de tubos submetidos a pressão interna, como vasos de pressão. Neste estudo são investigados diferentes modelos reduzidos baseados em uma célula unitária, que é construída com um padrão de fibras 3 x 3, considerando as interações entre os feixes de fibras que se cruzam em diferentes posições criando heterogeneidades não capturadas por teorias clássicas como a teoria de laminado. São usadas 3 modelos reduzidos além da resposta de referência do tubo completo com geometria detalhada, para comparação dos resultados. Os resultados demostram que os modelos reduzidos não são capazes de prever falha segundo o modelo completo. Além disto, os resultados também indicam que, para as relações geométricas estudadas, não é possível obter um número suficiente de células unitárias para formar um EVR.

The process of filament winding (FW) has gained space in industry and academia for the manufacture of components of axisymmetric geometry, such as cylinders or pressure vessels. This technique has advantages over other processes such as high control of the fiber position and high repeatability. However, the fiber interlacing pattern generated by this process makes it difficult to predict numerically the distribution of strains and stresses related to component failure. Numerical approaches with the geometric detail necessary to capture responses at the level of fiber geometry make the process impractical due to the high computational cost. Thus, strategies such as global-local and multiscale analysis, which require the definition of a representative volume element (RVE), and unit cell models, have been increasingly studied as an alternative. In this context, this work proposes the numerical study of the failure behavior of a unit cell built with an interlacing pattern obtained by the FW technique for applications of tubes subjected to internal pressure, such as pressure vessels. In this study, different reduced models based on a single cell, which is constructed with a 3 x 3 fiber pattern, are investigated, considering the interactions between the fiber bundles that intersect in different positions creating heterogeneities not captured by classical theories such as the theory of laminate. 3 reduced models are used in addition to the reference response of the complete tube with detailed geometry, to compare the results. The results show that the reduced models are not able to predict failure according to the complete model. In addition, the results also indicate that, for the geometric relationships studied, it is not possible to obtain a sufficient number of unit cells to form an RVE.