Avaliação da direção de fibras de reforço de um material hiperelástico anisotrópico

Abstract

O estudo de materiais hiperelásticos, caracterizados pela sua elevada capacidade de se deformar elasticamente e cujo comportamento pode ser associado a materiais amplamente empregados na indústria, como a borracha, e também a tecidos biológicos e músculos, evolui constantemente à medida em que se busca aprimorar as propriedades de tais materiais através de métodos de manufatura cada vez mais avançados. Neste projeto, é realizado um estudo preliminar a respeito da direção das fibras de um material hiperelástico anisotrópico, neste caso um tecido biológico, a fim de obter a configuração que gera a menor tensão média de uma geometria básica submetida à condição de deformação uniaxial. O problema é simulado via o Método dos Elementos Finitos utilizando uma rotina de material hiperelástico anisotrópico definida pelo usuário com o modelo de Hoss-Marczak modificado implementado no software Abaqus. Através de uma rotina em linguagem Python, realizam-se simulações variando o ângulo das fibras de reforço do material, visando a minimização da tensão na direção de aplicação do deslocamento prescrito. Os resultados encontrados demonstram uma maior rigidez da estrutura para o caso das fibras orientadas a 0º e menor tensão na direção do deslocamento prescrito para fibras a 60º.

The study of hyperelastic materials, characterized by its high capacity of deforming itself elasticly and whose behavior can be associated to widely used materials in industry, such as rubber, and also to biological tissues and muscles, develops constantly as it seeks to improve these materials properties through increasingly more advanced manufacturing methods. The present project aims to carry out a preliminary study regarding the direction of the fibers of an anisotropic hyperelastic material, in this case a biological tissue, in order to obtain the configuration that generates the lowest average stress of a basic geometry subjected to the condition of uniaxial deformation. The problem is simulated via Finite Element Method using a user-defined anisotropic hyperelastic material subroutine with the modified Hoss-Marczak model implemented in the Abaqus software. Through a routine in Python language, simulations are carried out by varying the angle of the reinforcement fibers of the material, aiming at minimizing the stress in the direction of application of the prescribed displacement. The founded results demonstrate a greater rigidity of the structure for the case of fibers oriented at 0º and less stress in the direction of the prescribed displacement for fibers at 60º