Caracterização do comportamento mecânico por meio de ensaios de relaxação em material compósito termoplástico de poliamida natural e fibra de carbono

Abstract

O uso de materiais compósitos termoplásticos em elementos estruturais exige o conhecimento de seu comportamento durante sua vida em serviço. O objetivo do presente trabalho consiste-se da realização de ensaios de relaxação em um material compósito termoplástico de poliamida natural e fibra de carbono, com fibras orientadas a 0º e 90º em relação à direção do carregamento. Para tal, foram confeccionados corpos de prova a partir do processo de Tailored Fiber Placement (TFP) e posterior prensagem à vácuo. A caracterização do compósito foi obtida através da obtenção de seu módulo de relaxação e comportamento viscoelástico. Além disso, modelos numéricos de relaxação foram desenvolvidos no software Abaqus, utilizando elementos de casca de deformação plana sob cargas de função de deformação, visando comparação com os resultados obtidos nos ensaios experimentais, buscando a obtenção de modelos que pudessem prever o comportamento viscoelástico. Dessa forma, os ensaios de relaxação permitiram evidenciar o fenômeno esperado. Nos corpos de prova com fibras orientadas a 0º, ocorreu relaxação média de 8,02% da força ao longo de cada ciclo de relaxação. Nos ensaios dos corpos de prova com fibras orientadas a 90º, a relaxação média foi de 13,8%, o que demonstra que as fibras orientadas no mesmo sentido do carregamento (0º) contribuem para uma redução da relaxação no compósito. Quanto à comparação dos dados experimentais ao modelo numérico de Séries de Prony, o modelo numérico com fibras orientadas a 0º apresentou resultados fidedignos aos obtidos experimentalmente, com erro médio de 0,19%. Já os resultados do modelo numérico com fibras orientadas a 90º apresentaram uma disparidade relevante, com erro médio de 6,43%

The use of thermoplastic composite materials in structural elements requires an understanding of their behavior throughout their service life. The objective of the present study is to perform relaxation tests on a thermoplastic composite material composed of natural polyamide and carbon fiber, with fibers oriented at 0º and 90º relative to the loading direction. To achieve this, test specimens were manufactured using the Tailored Fiber Placement (TFP) process, followed by vacuum pressing. The characterization of the composite was conducted by determining its relaxation modulus and viscoelastic behavior. Additionally, numerical relaxation models were developed in Abaqus software, employing shell elements with plane strain under strain function loads. These models were compared with the experimental results aiming to develop predictive models for viscoelastic behavior. Thus, the relaxation tests demonstrated the expected phenomenon. In the specimens with fibers oriented at 0º, an average relaxation of 8.02% of the force occurred throughout each relaxation cycle. In the tests of the specimens with fibers oriented at 90º, the average relaxation was 13.8%, which demonstrates that the fibers oriented in the same direction as the load (0º) contribute to a reduction in relaxation in the composite. Regarding the comparison of the experimental data with the numerical model of Prony Series, the numerical model with fibers oriented at 0º presented results that were reliable to those obtained experimentally, with an average error of 0.19%. On the other hand, the results of the numerical model with fibers oriented at 90º presented a relevant disparity, with an average error of 6.43%