Homogeneização de um material composto formado por uma matriz polimérica com uma segunda fase particulada

Abstract

O estudo numérico do comportamento estrutural de materiais compostos apresenta-se, desde os últimos anos, como um campo muito fértil de pesquisas, o que justifica o crescimento exponencial de trabalhos científicos nesta área. Atualmente é possível desenhar as propriedades físicas do material adequando-os ao uso que se queira dar a eles. Especificamente quanto às propriedades mecânicas vinculadas a função estrutural que o material em estudo possa ter, estas podem, na atualidade, ser quantificadas, modificadas e otimizadas. No presente trabalho, explora-se um material composto formado por uma matriz polimérica e uma segunda fase particulada com distribuição aleatória. Para realizar esse estudo foi utilizado o método dos elementos discretos e o método dos elementos finitos. No primeiro caso é apresentado um estudo onde se realizam tentativas de determinar o elemento de volume representativo considerando o comportamento do material como não-linear. No segundo caso, aplicando o método dos elementos finitos, realiza-se um estudo considerando a matriz e a fase particulada com comportamento elástico linear, determinando o elemento de volume representativo e comparando os resultados, em termos de constantes elásticas homogeneizadas, com propostas teóricas fornecidas pela micromecânica clássica. Um estudo da convergência da malha e exercícios de otimização foram realizados sobre o composto simulado. Finalmente, realiza-se um estudo não-linear através do método dos elementos finitos, onde a matriz é elástica e a fase particulada hiperelástica, onde se determina o elemento de volume representativo e se faz aplicações para verificação da eficácia dos resultados.

The numerical study of the composite material mechanical behavior has shown lately a fertile field of research, which justifies the exponential growing of scientific works in this area. Nowadays it is possible to design the material properties adapting them to the usage that we want to give them. Specifically, regarding to the mechanical properties, there are methods that allow us to modify them in a rational way to reach different objectives. In the present work, different aspects are analyzed of a composite material built with a polymeric matrix and a second particulate phase with random distribution. The Discrete Element Method (DEM) and the Finite Element Method (FEM) were used to carry out the present work. Firstly, an application of DEM, a study of different alternatives is shown to determine the volume representative element (RVE) considering the non-linear behavior of the studied material. Secondly, an application of FEM, a study considering the matrix and particulate phase, both, with linear elastic behavior. This application consists on computing the RVE and comparing these results with analytical proposals available in the Micromechanics classical bibliography. A mesh convergence study of the FEM models used and simple applications of optimization are also presented. Finally, another application of FEM is presented. In this case a non linear study is shown, where the matrix is considered linear elastic, and the particulate phase is hyperelastic. In this case the RVE was determined and some applications to verify the consistency of the results obtained are presented.