Efeito do padrão de enrolamento em cilindros de compósitos sob compressão axial

Abstract

Estruturas cilíndricas em compósitos possuem diversas aplicações em estruturas aeroespaciais e marítimas, devido a propriedades como elevada resistência e rigidez, baixo peso e baixa susceptibilidade à corrosão. Dentre as técnicas de fabricação de compósitos, o enrolamento filamentar (EF) é dos mais adequados para estruturas cilíndricas de paredes finas. Devido ao enrolamento helicoidal, o layout final apresenta um padrão de enrolamento regular e repetitivo, onde a superfície é dividida em regiões triangulares com camadas alternadas [±𝜙] e [∓𝜙]. Este padrão não é usualmente considerado em análises numéricas e sua influência na resposta mecânica dessas estruturas delgadas ainda não é compreendida. Assim, o foco desta dissertação é avaliar, através de abordagens experimental, analítica e numérica, a influência do padrão de enrolamento em estruturas cilíndricas em compósito submetidas à compressão axial, incluindo no estudo o efeito do condicionamento higrotérmico na resistência. Foram fabricados cilindros de carbono/epóxi por EF com diferentes padrões de enrolamento, ângulo de enrolamento e dimensões, e ensaiados em compressão axial. Análises por elementos finitos de flambagem foram realizadas. Os resultados mostraram que a resposta dos cilindros frente ao carregamento em compressão axial é sensível ao padrão de enrolamento. Dentre os cilindros analisados, os que possuíam elação diâmetro/espessura maior apresentaram falha por compressão e, neste cenário, padrões com unidades triangulares maiores apresentaram maior resistência à compressão. Por outro lado, cilindros com relação diâmetro/espessura menor apresentaram falha por flambagem e, neste caso, padrões com unidades triangulares menores apresentaram maior resistência à compressão visto que as zonas de entrelaçamento atuaram como barreiras para a propagação das regiões flambadas. Resultados numéricos mostraram boas previsões a respeito da carga crítica de flambagem, comparados à análise experimental. Também foram avaliadas estimativas de amplitude de imperfeição geométrica dos cilindros, implementando-as na análise de flambagem não-linear com base nos primeiros modos de flambagem linear de cada cilindro. Os resultados mostraram boa correlação entre numérico e experimental. Por último, o condicionamento higrotérmico diminuiu em até 14,6% a resistência à compressão nas diferentes configurações de padrão de enrolamento avaliadas.

Cylindrical composite scructures have many applications in aerospace and marine structures due to properties such as high strength and stifness, low weight and low susceptibility to corrosion. Among the manufacturing techniques for composites, filament winding (FW) is one of the most suitable for thin-walled cylindrical structures. Due to the helical winding, the final layout shows a regular and repetitive winding pattern where the surface is divided into triangular regions with alternate [±𝜙] and [∓𝜙] layers. The winding pattern is not usually considered in numerical analyses, and its influence on the mechanical response of thin structures is not yet fully understood. Thus, the focus of this work is to evaluate, through experimental, analytical and numerical approaches, the influence of the winding pattern on cylindrical composite structures subjected to axial compression, including the effect of hygrothermal conditioning on axial compressive strength. Carbon/epoxy cylinders were manufactured by FW with variable winding pattern, winding angle and dimensions and tested under axial compression. Finite element analyses of buckling were implemented, where the winding pattern was modeled using an algorithm developed in Python language. In this context, the focus of the work is to evaluate, through experimental, analytical and numerical approaches, the influence of the winding pattern on cylindrical composite structures subjected to axial compression loads. In addition, considering that such structures can work in an aggressive environment during their useful life (as in submarine applications, for example), the effect of hygrothermal conditioning on axial compressive strength was also evaluated. Carbon / epoxy cylinders were manufactured by FW with different winding pattern, winding angle and dimensions, were tested in axial compression. Finite element buckling analyzes were performed. The results showed that the response of the cylinders to the load in axial compression is sensitive to the winding pattern. Among the analyzed cylinders, those with high diameter / thicker relation showed compression failure, and in this scenario, patterns with larger triangular units presented higher compressive strength. On the other hand, cylinders with smaller diameter/thickness ratio showed buckling failure and smaller triangular units presented higher compressive strength since the interlocking zones acted as barriers for the propagation of buckled regions. Numerical results showed good agreement on the critical buckling load. Estimates of geometric imperfection amplitude of the cylinders were also done by implementing them in the non-linear buckling analysis based on the first linear buckling modes of each cylinder. The results showed good correlation between numerical and experimental results. Lastly, hygrothermal conditioning decreased compressive strength by up to 14.6% in the various winding configurations evaluated.