Análise estrutural de molas de material compósito submetidas a esforço de torção nas configurações monolítica e sanduíche

Abstract

Este trabalho avalia, por meio de análises estruturais comparativas no software Ansys Workbench 2024 R1 (versão estudantil), o potencial de aplicação de molas compósitas do tipo sanduíche (compostas por laminados externos de fibra de vidro/epóxi e núcleo leve), em comparação aos modelos monolíticos, inteiramente compostos por material laminar. O objetivo é verificar a capacidade dessas estruturas em reduzir tensões de cisalhamento e minimizar problemas com delaminações, especialmente sob carregamentos torcionais. Também são avaliadas a rigidez, a distribuição de tensões na direção das fibras e a massa total dos modelos. Para o núcleo, são analisadas três espumas estruturais com a mesma massa específica (PVC, PET e SAN), além de cinco variações de espessura entre laminado e núcleo. Os resultados indicam que os modelos sanduíche são eficazes na redistribuição dos esforços de cisalhamento por meio do núcleo, especialmente sob torção pura. Sob carregamentos combinados, essa capacidade se reduz. As diferentes proporções de espessura permitem adaptar o desempenho estrutural conforme a aplicação desejada. Um exemplo é observado no modelo com laminados de seis milímetros de espessura (30 camadas) e 48 milímetros de núcleo, que apresenta a maior absorção de cisalhamento e a menor massa, mas com maiores tensões e deslocamentos. Dessa forma, conclui-se que a configuração sanduíche representa uma alternativa promissora aos modelos monolíticos, principalmente sob carregamentos torcionais.

This study performs comparative structural analyses using the Ansys Workbench 2024 R1 (student version) to evaluate the potential application of sandwich composite springs— comprising fiberglass/epoxy external laminates and a lightweight core—compared to monolithic models made entirely of laminated material. The objective is to assess the ability of these structures to reduce shear stresses and minimize delamination issues, especially under torsional loads. The analysis also includes stiffness, fiber-direction stress distribution, and total mass. Three structural foam cores with equal density (PVC, PET, and SAN) and five variations in laminate-to-core thickness ratios are examined. Results indicate that sandwich models are effective at redistributing shear through the core, particularly under pure torsion. Under combined loading, this capability is reduced. Different thickness ratios enable tuning of structural performance according to the intended application. For instance, the model with 6 mm thick laminates (30 layers) and a 48 mm core achieved the highest shear absorption and lowest mass, albeit with higher stresses and displacements. Therefore, the sandwich configuration proves to be a promising alternative to monolithic models, especially under torsional loading.