Desenvolvimento de um critério para previsão da resistência residual de estruturas em material compósito danificadas por impacto

Resumo

Monitoramento da Integridade Estrutural (SHM - "Structural Health Monitoring") é uma área de crescente interesse que utiliza abordagens inovadoras. Por outro lado, sabe-se que as tarefas de manutenção e reparos representam cerca de um quarto dos custos operacionais das aeronaves comerciais. Dessa forma, um sistema SHM instalado na estrutura não somente pode garantir maior segurança e confiabilidade, mas também maximizar o número de períodos de inspeção adequado para aviões. Portanto, o sistema SHM pode substituir o plano de manutenção tradicional, reduzindo os custos operacionais do avião e prevenindo manutenções desnecessárias. Tal sistema deve informar em tempo real, durante a vida da estrutura, um diagnóstico do estado e a condição da mesma, que deve estar de acordo com o especificado pelo projeto estrutural inicial. No entanto, o estado do material e a condição da estrutura são modificados em função do tempo, devido ao efeito de envelhecimento, ambiente e cargas em serviço. Baseado no completo histórico de ocorrência, o sistema SHM também pode realizar um prognóstico da estrutura, por exemplo, uma previsão da resistência residual. Diante desse cenário, o principal objetivo deste trabalho consiste no desenvolvimento de um critério para previsão da resistência residual de estruturas em material compósito danificadas por carregamento de impacto. Para o desenvolvimento deste critério, será necessário: identificar e localizar danos, bem como calcular a severidade do dano para estimar a resistência residual da estrutura em compósito. Para atingir este objetivo, será utilizada uma metodologia de pesquisa baseada em 3 (três) Grupos de atividades: (1) Antes do Teste de Impacto; (2) Durante o Teste de Impacto (tempo real) e (3) Após o Impacto. O Primeiro Grupo, intitulado "Antes do Impacto", consiste primeiramente em revisões bibliográficas referentes a modelos matemáticos empregados para o monitoramento da integridade estrutural utilizando sensores/atuadores piezelétricos. Com base nesta revisão, realizar-se-ão análises numéricas dinâmicas através do programa ABAQUS, com o auxilio de "macros" em linguagem Python. Sensores/atuadores piezelétricos serão colados em posições estratégicas em placas de material compósito. Em seguida, análises experimentais (ensaio modal) serão realizadas em placas intactas contendo sensores/atuadores piezelétricos colados. Então, verificar-se-á a consistência dos modelos computacionais com relação aos resultados experimentais para essas estruturas. Havendo uma convergência aceitável entre os resultados, avança-se para o Segundo Grupo de atividades. Este grupo, intitulado "Durante o impacto - real time" consiste na realização de simulações de impacto em materiais compósitos, visando obter uma previsão do comportamento das mesmas. Vale ressaltar que os modelos de material serão implementados através de sub-rotinas Fortran (UMAT e/ou VUMAT) junto ao programa ABAQUS. Após as simulações, serão realizados ensaios de impacto em estruturas em material compósito, empregando sensores piezelétricos para monitoramento em tempo real do experimento. O Terceiro Grupo de atividades, intitulado "Após Impacto", visa realizar análises experimentais e computacionais das placas danificadas sob impacto a fim de avaliar o comportamento dinâmico das mesmas, empregando sensores/atuadores piezelétricos. Em seguida, será desenvolvida uma metodologia para localização e quantificação da severidade do dano/falha nas estruturas analisadas, utilizando resultados experimentais e numéricos das placas intactas e danificas. Por fim, será proposto um critério para prever a resistência residual das estruturas danificadas por carregamento de impacto. Tal critério visa quantificar o máximo carregamento de flexão sob 4-Pontos a ser suportado pelas placas em material compósito danificadas por carregamento de impacto.