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Magnésio e suas ligas são considerados candidatos promissores a substituírem os materiais metálicos bioinertes, como por exemplo ligas de titânio e aços inoxidáveis, utilizados atualmente na fabricação de implantes temporários para trauma. Ligas de magnésio são totalmente biodegradáveis no corpo humano, tornando desnecessária uma segunda cirurgia para explantação. Além disso, possuem módulo elástico similar ao do osso, minimizando o fenômeno de blindagem de tensões, e possuem propriedades osteocondutoras, que contribuem para a regeneração óssea. A maior barreira para a popularização da utilização das ligas de magnésio como material biodegradável para aplicações ortopédicas está relacionada ao controle das taxas de biodegradação e ao pouco conhecimento referente aos efeitos da biodegradação na integridade estrutural do material. A modelagem computacional possui papel importante no projeto de implantes ortopédicos para osteossíntese. No caso de metais biodegradáveis, uma abordagem computacional se faz necessária para auxiliar na previsão dos efeitos da degradação na integridade estrutural do implante e em sua capacidade de estabilizar a estrutura óssea fraturada. No presente trabalho, o comportamento mecânico da liga de magnésio WE43 é simulado por meio da utilização de um modelo elastoplástico de von Mises com endurecimento isotrópico, acoplado a um modelo de dano contínuo para simular, de maneira fenomenológica, a corrosão e seus impactos nas características estruturais do material. O modelo de corrosão fenomenológico é implementado através do desenvolvimento de uma sub-rotina de material do usuário (VUMAT) para utilização com o programa comercial de elementos finitos Abaqus/Explicit. A corrosão é considerada como sendo multi mecanismo, englobando os mecanismos de corrosão localizada (pitting) e o mecanismo de corrosão sob tensão. Ambos os mecanismos de corrosão são implementados utilizando uma formulação não-local média, visando reduzir a influência da geometria da malha. O modelo de corrosão localizada é calibrado com base em dados obtidos de ensaios de caracterização mecânica e de degradação in vitro de fios de magnésio WE43, e consegue, de maneira precisa, capturar tanto a redução linear da resistência mecânica do corpo de prova, assim como o a taxa de degradação não-linear, observados experimentalmente. A influência da corrosão sob tensão no padrão de corrosão e seu efeito na integridade do material foi investigado através do modelo multi mecanismo e mostrou possuir relevância secundária, quando comparada ao mecanismo de corrosão localizada, mesmo para carregamentos da ordem de 75% da tensão de escoamento do material. O modelo de corrosão foi aplicado a um estudo de caso envolvendo o ensaio de arrancamento de parafusos ortopédicos e foi capaz de capturar a perda de poder de fixação do parafuso deem razão da corrosão. O modelo numérico proposto se mostrou uma ferramenta eficiente na avaliação da integridade estrutural de ligas de magnésio biodegradáveis, podendo ser utilizado em trabalhos futuros no projeto de implantes ortopédicos. Biodegradable magnesium alloys are considered a promising candidate to replace the conventional bioinert metals, such as titanium alloys and stainless steels, used in trauma and extremities implants. Magnesium alloys are biodegradable in the human body, making a second surgery for implant removal unnecessary. Additionally, magnesium alloys have an elastic modulus similar to that of bone, which helps preventing the stress shielding effect, and presents osteoconductive properties, which contribute to bone healing. Nowadays, large-scale utilization of magnesium implants is still restricted by the high corrosion rates and its unknown effects on implant structural integrity. Computational modeling plays an important role in the development and design of orthopedic implants for osteosynthesis. In biodegradable metals, a modeling approach is required to predict the effects of degradation on the implant\'s mechanical integrity and its capacity to provide the desired stabilization of fractured bones. In this study, the mechanical behavior of magnesium WE43 alloy is modeled using the von Mises elastoplasticity model with isotropic hardening, coupled with a continuum damage mechanics model, to accounts for the effects of corrosion-induced microscale defects on the material mechanical resistance. The phenomenological corrosion model is implemented in a finite element framework through the development of a user material subroutine (VUMAT) for use with the Abaqus/Explicit. The corrosion damage is assumed to be multi-mechanism, comprising nonuniform corrosion, also known as localized pitting corrosion, as well as stress cracking corrosion. Both pitting and stress corrosion damages are implemented employing a nonlocal integral formulation to overcome the mesh-dependency. The nonlocal pitting corrosion model is calibrated based on experimental data collected from in-vitro degradation experiments and mechanical testing of magnesium WE43 alloy wire specimens and accurately captures both the linear mechanical reduction in specimen resistance, in the form of failure strength with mass loss, as well as the non-linear corrosion behavior of magnesium WE43, observed experimentally. The influence of localized stress on corrosion patterner and its influences on the mass loss at fracture were also investigated through the multi-mechanism model and showed to be of lesser relevance when compared to the pitting corrosion mechanism, even for loads on the magnitude of 75% of the material yield strength. The corrosion model was successfully applied to a case study involving the pull-out testing of an orthopedic screw and captured the loss in screw fixation strength due to corrosion. The presented numerical framework provides an efficient tool for structural integrity evaluation of biodegradable magnesium alloy and could be used in future research on the design of orthopedic implants.

Motivados pelas atuais tendências e suportados pelo grande interesse de indústrias do segmento aeronáutico, estudos e desenvolvimentos vêm sendo conduzidos na área de análise estrutural de materiais compósitos. Todavia, mesmo havendo várias contribuições científicas e tecnológicas nesta área, este assunto continua sendo um campo aberto e bastante promissor para novas pesquisas, devido a sua extensa complexidade e imediata aplicação. A ausência de um modelo capaz de projetar com elevada precisão uma estrutura aeronáutica com presença de escalonamento fabricada em material compósito, que pode sofrer modo de falha translaminar, motivou o presente trabalho. É sabido que o método de elementos finitos estendidos (XFEM - eXtendend Finite Element Method, do Inglês) vem sendo usado de maneira robusta para análise de propagação de trincas em elementos estruturais tridimensionais isotrópicos durante os últimos anos, mas não em compósitos. De forma a contribuir com a pequena quantidade de trabalhos científicos referentes a métodos XFEM 3D para análise de estruturas fabricadas em materiais compósitos não convencionais, como estruturas com escalonamento de camadas e laminados espessos, é apresentada uma nova metodologia implementada como uma ferramenta computacional para analisar quase estaticamente este tipo de estrutura. O modelo é baseado no aprimoramento do \"Método da Seção de Ouro\" que é aplicado em conjunto com uma versão aprimorada do critério de falha de Puck, permitindo assim definir com precisão e baixo custo computacional a iniciação e direção de uma trinca. Esta informação é utilizada para iniciar uma rotina baseada em XFEM, que é usada para o enriquecimento dos elementos finitos que vão falhando progressivamente durante a análise. A nova metodologia (implementada computacionalmente) apresenta convergência uma ordem de grandeza maior quando comparada com o algoritmo tradicional, sendo aproximadamente 20 vezes mais eficiente em termos computacionais. O modelo é ainda avaliado quanto a seus resultados em comparação com dados provenientes de ensaios experimentais, demonstrando uma boa convergência entre as previsões computacionais e os resultados obtidos em laboratório. Supported by current trends and by the great interest of aeronautic industries, studies and developments have been made in the field of high performance composite materials. Nonetheless, even with the scientific and technological contributions, the matter is still a field wide open and promising for new research due to its high complexity and immediate application. The absence of a model capable of universally reproducing mechanical behavior of composite materials tapered structures, which can suffer translaminar failure mode, motivated the present work. It is well known that the eXtended Finite Elements Method (XFEM) has been used robustly for analysis of crack propagation in isotropic tri-dimensional structural elements lately but not for composites. In order to contribute with the scares amount of available works on 3D XFEM application on non-conventional composite material structures, such as tapered structures and thick laminates, a new methodology is presented as a computational tool for quasi-static analysis of this type of component. The model derives from \"Golden Section Method\" that is applied along with an enhanced version of Puck\'s failure criterion, which allows a low computational cost and high precision estimation of crack initiation and direction of propagation. This information is used to trigger an XFEM based routine that is applied for enriching the elements progressively during analysis. The new methodology (computationally implemented) has a convergence rate one order of magnitude greater than traditional implementation, roughly 20 times more efficient in terms of computational processing. Finally, to assure robustness, the model is validated against standardized and specifically developed experiments, showing good convergence between numerical predictions and results obtained in the laboratory.

The employment of composite materials in the aerospace industry has been gradually considered due to the fundamental lightweight and strength characteristics that these type of materials offer. The science material and technological progress that has been reached, matches perfectly with the requirements for high-performance materials in aircraft and aerospace structures, thus, the development of primary structure elements applying composite materials became something very convenient. It is extremely important to pay attention to the failure modes that influence composite materials performances, since, these failures lead to a loss of stiffness and strength of the laminate. Delamination is a failure mode present in most of the damaged structures and can be ruinous, considering that, the evolution of interlaminar defects can carry the structure to a total failure followed by its collapse. Different techniques are usually adopted to accurately predict the behavior of damaged structures but, due to the complex nature of failure phenomena, there is not an established pattern. The present research project aims to develop a delamination propagation model to estimate a progressive interlaminar delamination failure in laminated composite materials and to allow the prediction of material\'s degradation due to the delamination phenomenon. Experimental tests assisted by ASTM Standards were performed to determine material\'s parameter, like the strain energy release rate, using GFRPs laminated composites. The delamination propagation model proposed was implemented as subroutines in FORTRAN language (UMAT-User Material Subroutine) with formulations based on the Fracture Mechanics. Finally, the model was compiled beside with the commercial Finite Element program ABAQUSTM. O emprego de materiais compósitos na indústria aeroespacial tem sido gradualmente utilizado devido às suas características fundamentais, como peso leve e alta rigidez, que este tipo de material oferece. Tanto a ciência do material como o desenvolvimento tecnológico que se tem logrado, possibilitaram que estes materiais cumprissem com os requisitos de desempenho para aplicações em estruturas aeronáuticas e aeroespaciais, por tanto, o desenvolvimento de elementos de estruturas primárias usando materiais compósitos, passou a ser muito conveniente. É de extrema importância prestar atenção aos modos de falha que comprometem a performance dos materiais compósitos, uma vez que, estas falhas levam a uma perda de resistência e rigidez do laminado. A delaminação é um modo de falha presente na maioria de estruturas danificadas e pode ser desastroso, considerando que, a evolução dos defeitos interlaminares podem levar a estrutura a falhar seguido pelo colapso estructural. Diferentes técnicas são geralmente adotadas para prever, de maneira correta, o comportamento de estruturas danificadas, porém, devido à natureza complexa do fenômeno de falha, não existe um padrão estabelecido. O presente trabalho de pesquisa visa desenvolver um modelo de delaminação e de propagação da delaminação para estimar a evolução da falha interlaminar em materiais compósitos laminados e permitir a predição do comportamento do material com a evolução da delaminação. Ensaios experimentais auxiliados por normas ASTM foram realizados para determinar parâmetros do material, tais como, as taxas de liberação de energia de deformação, usando materiais compósitos laminados de matriz polimérica reforçada com fibra de vidro. O modelo de propagação da delaminação proposto, foi implementado como uma sub-rotina em linguagem FORTRAN (UMAT – User Material) com formulações baseadas na Mecânica da Fratura. Finalmente, o modelo foi compilado com o software comercial de Elementos Finitos, ABAQUSTM.

Recentes melhorias nos processos de fabricação e nas propriedades dos materiais associadas a excelentes características mecânicas e baixo peso tornaram os materiais compósitos muito atrativos para aplicação em estruturas aeronáuticas. No entanto, mesmo novos projetos ainda são muito conservadores, pois os fenômenos de falha dos compósitos são muito complexos. Então, é estratégico entender melhor, bem como prever esses complexos mecanismos de falha, desenvolvendo modelos de materiais mais precisos que venham a diminuir o número de ensaios experimentais, gerando rapidez e economia aos projetos estruturais. Assim, este trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo de material baseado na Mecânica do Dano Contínuo para simular a falha progressiva de estruturas laminadas de carbono/epóxi quando submetidas a carregamentos quase estáticos e de impacto. Várias análises numéricas foram realizadas via elementos finitos, a fim de prever a falha dessas estruturas de material compósito sob essas solicitações. O modelo de dano proposto foi implementado como sub-rotinas em linguagem FORTRAN (UMAT-User Material Subroutine e, VUMAT-User Material Subroutine para simulações explícitas), que foram compiladas junto ao programa comercial de Elementos Finitos ABAQUSTM. Além disso, ensaios experimentais foram realizados, a fim de calibrar parâmetros relacionados ao modelo de material, bem como avaliar as potencialidades e as limitações do modelo de material proposto. Recent improvements in manufacturing processes and material properties associated to excellent mechanical characteristics and low weight have become composite materials very attractive for application on civil aircraft structures. However, even new designs are still very conservative, because the composite structure failure phenomena are very complex. So, it is strategic to known better and to predict these complex failure mechanisms, developing more accuracy material models, which reduce the number of experimental tests, inducing a fast and economic structural design. Thus, this work show the development of a material model based on Continuum Damage Mechanics to simulate the progressive failure of carbon/epoxy laminate structures under quasi-static and impact loadings. Several numerical analyses were performed via Finite Element Method in order to predict the damage on composite structures under these conditions. The proposed damage model was implemented as a UMAT (User Material Subroutine) and VUMAT (User Material Subroutine for explicit simulations), which were linked to ABAQUSTM. Moreover, experiments were carried out in order to calibrate the material model parameters and to evaluate the potentialities and limitation of the proposed material model, as well.