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

Processo: 12/01047-8
Linha de fomento:Bolsas no Brasil - Doutorado
Vigência (Início): 01 de outubro de 2012
Vigência (Término): 31 de janeiro de 2016
Área do conhecimento:Engenharias - Engenharia Aeroespacial - Estruturas Aeroespaciais
Pesquisador responsável:Volnei Tita
Beneficiário:Ricardo de Medeiros
Instituição-sede: Escola de Engenharia de São Carlos (EESC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
Assunto(s):Método dos elementos finitos   Materiais compósitos

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.

Matéria(s) publicada(s) na Agência FAPESP sobre a bolsa:
Pesquisas com apoio da FAPESP ganham Prêmio Tese de Destaque USP  

Publicações científicas (8)
(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)
DOS SANTOS SOUZA, LUIZ FERNANDO; VANDEPITTE, DIRK; TITA, VOLNEI; DE MEDEIROS, RICARDO. Dynamic response of laminated composites using design of experiments: An experimental and numerical study. MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING, v. 115, p. 82-101, JAN 15 2019. Citações Web of Science: 1.
DE MEDEIROS, RICARDO; VANDEPITTE, DIRK; TITA, VOLNEI. Structural health monitoring for impact damaged composite: a new methodology based on a combination of techniques. STRUCTURAL HEALTH MONITORING-AN INTERNATIONAL JOURNAL, v. 17, n. 2, p. 185-200, MAR 2018. Citações Web of Science: 3.
DE MEDEIROS, RICARDO; SARTORATO, MURILO; VANDEPITTE, DIRK; TITA, VOLNEI. A comparative assessment of different frequency based damage detection in unidirectional composite plates using MFC sensors. Journal of Sound and Vibration, v. 383, p. 171-190, NOV 24 2016. Citações Web of Science: 10.
BRITO-SANTANA, HUMBERTO; DE MEDEIROS, RICARDO; RODRIGUEZ-RAMOS, REINALDO; TITA, VOLNEI. Different interface models for calculating the effective properties in piezoelectric composite materials with imperfect fiber-matrix adhesion. COMPOSITE STRUCTURES, v. 151, p. 70-80, SEP 1 2016. Citações Web of Science: 11.
TITA, VOLNEI; DE MEDEIROS, RICARDO; MARQUES, FLAVIO D.; MORENO, MARIANO E. Effective properties evaluation for smart composite materials with imperfect fiber-matrix adhesion. JOURNAL OF COMPOSITE MATERIALS, v. 49, n. 29, p. 3683-3701, DEC 2015. Citações Web of Science: 4.
SARTORATO, MURILO; DE MEDEIROS, RICARDO; TITA, VOLNEI. A finite element formulation for smart piezoelectric composite shells: Mathematical formulation, computational analysis and experimental evaluation. COMPOSITE STRUCTURES, v. 127, p. 185-198, SEP 1 2015. Citações Web of Science: 19.
DE MEDEIROS, RICARDO; RODRIGUEZ-RAMOS, REINALDO; GUINOVART-DIAZ, RAUL; BRAVO-CASTILLERO, JULIAN; OTERO, JOSE A.; TITA, VOLNEI. Numerical and analytical analyses for active fiber composite piezoelectric composite materials. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, v. 26, n. 1, p. 101-118, JAN 2015. Citações Web of Science: 8.
FLOR, FELIPE RENDEIRO; DE MEDEIROS, RICARDO; TITA, VOLNEI. Numerical and Experimental Damage Identification in Metal-Composite Bonded Joint. JOURNAL OF ADHESION, v. 91, n. 10-11, SI, p. 863-882, 2015. Citações Web of Science: 4.
Publicações acadêmicas
(Referências obtidas automaticamente das Instituições de Ensino e Pesquisa do Estado de São Paulo)
MEDEIROS, Ricardo de. Desenvolvimento de um critério para previsão da resistência residual de estruturas em material compósito danificadas por impacto. 2016. Tese de Doutorado - Universidade de São Paulo (USP). Escola de Engenharia de São Carlos São Carlos.

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