Comportamento ao corte e à torção de compósitos

Mestrado em Engenharia Mecânica O conhecimento do comportamento ao corte da camada dos laminados compósitos é essencial para o projecto com estes materiais, cujas aplicações estruturais têm vindo a aumentar significativamente. A revisão do estado do conhecimento na caracterização do comportamento ao corte revela que, apesar do número considerável de ensaios normalizados existentes, nenhum é universalmente aceite, tendo todos eles limitações relevantes. Neste trabalho recorreu-se a ensaios de tracção de laminados [±45º]n e a ensaios de torção de laminados unidireccionais [0º]n para caracterizar o comportamento ao corte da camada de um material carbono/epóxido. Nos ensaios de tracção de laminados [±45º]n verificaram-se dificuldades na obtenção do módulo de corte devido à zona linear inicial ser muito limitada, facto que esteve na base de uma dispersão estatística apreciável. De resto, observou-se o fenómeno típico de encruamento artificial induzido pela rotação das camadas. Por seu turno, as resistências ao corte, calculadas de acordo com as normas actuais a 5 % de deformação de corte, revelaram-se muito consistentes. O ensaio de torção mereceu especial atenção neste trabalho, tendo sido objecto de um estudo numérico inicial no intuito de definir dimensões do provete que permitissem estimar não apenas o módulo de corte, mas também a resistência ao corte. Os valores do módulo de corte revelaram-se cerca de 10 % inferiores aos medidos nos ensaios de tracção de laminados [±45º]n, mas a dispersão estatística foi muito inferior. Face às limitações da teoria da torção em lidar com o comportamento não-linear observado, realizaram-se simulações com modelos de elementos finitos de placas isotrópicas com uma aproximação elasto-plástica de von Mises. Conseguiram-se boas aproximações às curvas carga-deslocamento experimentais, tendo estas análises indicado valores de tensões e deformações de rotura que dão uma visão mais realista do comportamento ao corte da camada. The ply shear stress-strain behavior is essential for the design of laminated composites structures, which have found increasing applications. The state-of-the-art review shows that several standard test methods are available to measure the ply shear stress-strain behavior, however, none of those tests is widely accepted and all tests have significant limitations. In this work tensile tests on [±45º]n laminates and torsion tests on [0º]n unidirectionals were employed to characterize the ply shear stress-strain behavior of a carbon/epoxy material. In tensile tests on [±45º]n laminates there were significant difficulties in obtaining the shear modulus because of the very limited initial linear elastic region. This resulted in considerable scatter. The artificial strain hardening associated with ply rotation was observed. Shear strengths, computed according to existing standards at 5 % shear deformation, were, in turn, quite consistent. The torsion test received special attention in this work. A numerical study was first conducted in order to define a specimen geometry that provided estimates of both shear modulus and shear strength. Measured shear moduli were about 10 % lower than those obtained in tensile tests on [±45º]n laminates, but scatter was much lower. Due to the limitations of torsion theory in dealing with the non-linear behavior observed, finite element models of isotropic plates and elastic-plastic von Mises yielding were performed. Good approximations to experimental load-displacement curves were obtained. Moreover, these analyses gave a more realistic view of the ply shear stress-strain behavior.