DESENVOLVIMENTO DE UMA GARRA DE ENSAIO DE COMPRESSÃO
APÓS IMPACTO PARA ENSAIOS DE MATERIAIS COMPÓSITOS

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DESENVOLVIMENTO DE UMA GARRA DE ENSAIO DE COMPRESSÃO APÓS IMPACTO PARA ENSAIOS DE MATERIAIS COMPÓSITOS

  1. 1. DESENVOLVIMENTO DE UMA GARRA DE ENSAIO DE COMPRESSÃO APÓS IMPACTO PARA ENSAIOS DE MATERIAIS COMPÓSITOS ¹Universidade Federal de Campina Grande, Rua Aprigio Veloso, 882 ²Universidade Federal de Campina Grande, Rua Aprigio Veloso, 882 Resumo: Os materiais compósitos têm sido amplamente utilizados em vários setores industriais, devido às suas propriedades mecânicas superiores. Neste trabalho foi desenvolvida e testada uma garra determinada pela norma ASTM D7137/D7137M-12, para testes de materiais compósitos submetidos ao ensaio CAI (Compressão Após Impacto). Foram estudados diversos tipos de ensaios de Compressão Após Impacto realizados em materiais compósitos. Com a fabricação da garra foram feitos testes de compressão, aplicando uma carga até o corpo de prova falhar, analisando o seu comportamento quando o mesmo estiver sem um dano e quando o corpo de prova foi submetido a um impacto, isto é, com dano. Ao final, foi possível determinar a redução da resistência à compressão do corpo de prova com dano em relação ao corpo de prova sem dano. Palavras-chave: Materiais compósitos, CAI (Compressão Após Impacto), ASTM D7137-12. 1. INTRODUÇÃO Durante as últimas duas décadas, foram realizadas várias pesquisas sobre materiais compósitos aplicados em estruturas aeronáuticas, devido à grande rigidez e resistência e ao baixo peso desse tipo de estrutura. Várias dessas estruturas são fabricadas a partir de resinas reforçadas por fibra, sendo que esse material permite ser projetado, uma vez que as fibras podem ser orientadas de acordo com as características do carregamento que o mesmo deverá suportar. Entretanto, o comportamento mecânico de laminados de compósitos é bastante complexo, pois durante o processo de falha do laminado, vários fenômenos ocorrem simultaneamente. Dentre esses se destacam: ruptura da fibra; delaminações; trincas na matriz; deformações plásticas na matriz. Estes são alguns dos mecanismos de falha que podem ocorrer quando uma estrutura em compósito está submetida a certos esforços (Ribeiro, 2009). Atualmente, a quantidade de estruturas em compósitos tem aumentado de maneira significativa em praticamente todas as áreas, desde a construção civil, passando pela indústria petrolífera e, principalmente, a indústria aeronáutica, incluindo ainda a indústria dos equipamentos esportivos como bicicletas, esquis, etc. (Ribeiro, 2009). A partir desta crescente na utilização dos materiais compósitos, observa-se a importância no estudo e na avaliação do comportamento de estruturas feitas com estes materiais. Para avaliar as propriedades dos materiais compósitos, quando submetido a um esforço de compressão após um dano, foi criado o ensaio CAI (compressão após impacto), com o intuito de avaliar as propriedades de resistência após impacto para placas de material compósito. Este ensaio foi criado pela empresa Boeing Company, e a partir de 2005 a ASTM normatizou este ensaio, onde o método para impactar o corpo de prova está definido pela norma ASTM D7136, e o método para realizar o ensaio de compressão após impacto foi estabelecido pela norma ASTM D7137 (ASTM International, 2012). Com o interesse em avaliar o comportamento de materiais compósitos quando submetidos a cargas de compressão, o presente trabalho propõe o desenvolvimento e teste de uma garra de compressão após impacto para ensaio de materiais compósitos, segundo a norma ASTM D7137-12. 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA A tecnologia dos materiais compósitos teve um significante progresso no início dos anos 40, onde foi neste período que houve um grande crescimento no que diz respeito a sua aplicação em elementos estruturais. Temos várias definições atribuídas aos materiais compósitos. De uma forma geral, pode-se definir materiais compósitos como um termo genérico e amplo, que traduz a combinação de elementos com características isoladamente diferentes, a fim de obter um produto final com propriedades não encontradas nos materiais metálicos. Uma gama de aspectos de
  2. 2. VIII Congres so Na ciona l de Eng enharia M e câni ca, 10 a 1 5 de a gosto d e 2 014 , Ube rl ândia - M inas G erais comportamento do material podem ser manipulados no projeto de uma material compósito, como: resistência estática e à fadiga, rigidez, resistência a corrosão, resistência a abrasão, redução de peso, capacidade de trabalho a alta e baixa temperatura, isolamento ou condutividade térmica, elétrica ou acústica, dureza, ductilidade, aparência estética, entre outras. Outra vantagem do uso dos materiais compósitos em relação aos materiais metálicos, como aço e ligas metálicas, tem como base o alto módulo de elasticidade específico (módulo elástico/unidade de peso). São inúmeras as aplicações reservadas aos materiais compósitos, como nas indústrias: automobilísticas, náutica, aeronáutica, aeroespacial, química, elétrica, esportiva, móveis e produtos de uso geral, médica, entre outras. Na Fig. 1 podemos observar a aplicação destes materiais na área aeronáutica. NÃO NUMERAR AS PÁGINAS. Figura 1. Vista explodida da aeronave EMB-170, mostrando os componentes fabricados com materiais compósitos (Rezende, 2007). Uma das dificuldades principais com compósito reforçado com fibras estruturais, é que há uma queda no seu desempenho uma vez que o mesmo é submetido ao impacto. Sabe-se que um compósito submetido a um impacto terá sua resistência a compressão reduzida, tal como uma aeronave impactada por detritos na pista de voo, colisões com aves, ou impactada por projéteis balísticos, etc. O evento de impacto normalmente provoca quebra da matriz e ruptura da fibra. Sob cargas de compressão, estes mecanismos de falha interagem e os danos induzidos pelo impacto se propagam até o colapso. Com isto, temos que os níveis de carga, em materiais previamente danificados, são significativamente menores em relação a materiais não danificados. Pesquisas consideráveis têm sido dedicadas à análise experimental de Compressão Após Impacto (CAI). Os principais focos das investigações experimentais foram: 1) A caracterização do dano interior do material, devido a um impacto; 2) e, o estudo do fenômeno da correlação da redução da resistência à compressão com o dano induzido por impacto. O ensaio CAI (Compressão Após Impacto) é um método para determinar a redução da resistência à compressão de um material compósito após ter sido previamente impactado. O método consiste em submeter uma amostra (placa) de material compósito a um impacto, como ensaio de queda de peso, o que causará dano na amostra. Em seguida, a amostra é posta em uma garra CAI e fixada em uma máquina que produza forças de compressão, que levará a amostra até a falha. O ensaio de queda de peso é regido pela norma ASTM D7136 (ASTM International, 2012). O ensaio de Compressão Após Impacto é regido pela norma ASTM D7137 (ASTM International, 2012). A Figura 2 mostra os dispositivos necessários para um ensaio CAI, segundo a norma ASTM D7137.
  3. 3. VIII Congres so Na ciona l de Eng enharia M e câni ca, 10 a 1 5 de a gosto d e 2 014 , Ube rl ândia - M inas G erais Figura 2. a) Dispositivo para ensaio de queda de peso, b) garra para ensaio CAI norma ASTM D7137 (Ghelli e Minak, 2011). 3. METODOLOGIA O projeto de um dispositivo é um processo especializado na resolução de problemas. No caso desse trabalho, o processo desenvolveu-se através de uma série de fases principais e em sequência cronológica. Na Figura 3, está esquematizado o fluxograma da metodologia de projeto abordada neste estudo, com suas fases principais. Tais fases são:       Projeto Informacional: é a interpretação e a limitação dos requisitos disponíveis de forma clara e objetiva. Para tanto, reuniram-se todas as possíveis informações necessárias ao desenvolvimento do trabalho; Projeto Conceitual: busca-se apresentar na forma de croquis, diagramas, desenhos esquemáticos a visualização da(s) ideia(s) que melhor atendem a demanda de projeto; Projeto Preliminar: busca-se estabelecer materiais e espessuras que resistam aos esforços solicitados em conformidade; Projeto Detalhado: com os processos de fabricação e as normas vigentes no país, quanto à segurança operacional e a confiabilidade do produto, detalhando a documentação para a construção do protótipo; Construção do Protótipo: faz-se uso dos recursos disponíveis em termos de fabricação e montagem, para a obtenção da forma física estabelecida e dimensionada nas fases anteriores; Teste de Validação: para saber se atende as especificações de projeto e, consequentemente, a demanda inicial. No presente trabalho foram realizadas todas as etapas, desde o projeto informacional até o teste de validação.
  4. 4. VIII Congres so Na ciona l de Eng enharia M e câni ca, 10 a 1 5 de a gosto d e 2 014 , Ube rl ândia - M inas G erais Figura 3. Fluxograma da metodologia de projeto adotada nesta pesquisa. 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES Projeto Informacional da garra para ensaio de Compressão Após Impacto Para a concepção da garra que foi utilizada para realização dos ensaios de Compressão Após Impacto para materiais compósitos, foram estudados diversos modelos de garras existentes, encontradas principalmente em equipamentos desenvolvidos pela Boeing Company, Instron, Airbus Industries, ASTM e Universidade de Bologna – Itália, segundo a Fig. 4. A partir das garras estudadas, foi realizado o projeto conceitual para o desenvolvimento da garra para o ensaio de Compressão Após Impacto.
  5. 5. VIII Congres so Na ciona l de Eng enharia M e câni ca, 10 a 1 5 de a gosto d e 2 014 , Ube rl ândia - M inas G erais Figura 4. Garras estudadas para ensaio de Compressão Após Impacto. Garras da a) Boeing Company, b) Instron, c) Airbus Industries, d) ASTM e e) Universidade de Bologna – Itália. Projeto Conceitual da garra para ensaio de Compressão Após Impacto A concepção da garra de Compressão Após Impacto desenvolvida nesta pesquisa foi realizada baseada em duas das cinco garras estudadas acima, são elas: garra da ASTM e da Universidade de Bologna – Itália. E, por último, a garra desenvolvida nesta pesquisa foi baseada na garra da ASTM, pois a mesma é fruto da última versão da norma para ensaios de Compressão Após Impacto publicada pela ASTM (norma ASTM D7137-12) e que a mesma é de fácil fabricação. Com a configuração da garra definida a partir da norma ASTM D7137-12, foram feitos desenhos de cada componente da garra no software Autodesk Inventor 2011 (versão estudante). A seguir, é possível ver na Fig. 5 o conjunto montado mostrando a disposição de cada peça na garra. Figura 5. Garra disposta como um conjunto montado mostrando a disposição de cada componente.
  6. 6. VIII Congres so Na ciona l de Eng enharia M e câni ca, 10 a 1 5 de a gosto d e 2 014 , Ube rl ândia - M inas G erais Os componentes da garra indicados na Fig. 5, são: 1) dispositivo superior de fixação; 2) base superior; 3) placas laterais; 4) placas da base inferior; 5) dispositivo inferior de fixação; 6) base inferior; 7) cantoneiras com reforço; 8) placas da base inferior. Projeto Preliminar da garra para ensaio de Compressão Após Impacto Para realização da simulação foram relacionadas as peças críticas, onde observamos que os dispositivos superior e inferior de fixação da garra eram os mais solicitados mecanicamente. Foi utilizado o software Autodesk Inventor 2011 (versão estudante) para análise de tensões e deformações, nestes dispositivos. Foi aplicada uma carga de 68 kN para avaliar como os dispositivos iriam reagir, pois este valor está em torno do máximo valor que os corpos de prova suportam até o colapso, baseando-se na literatura. Para simulação, foi definido o material como aço, com uma tensão de escoamento de 210 MPa. Na Fig. 6 (a) temos a simulação em função da tensão e na Fig. 6 (b) em função do deslocamento, para o dispositivo superior de fixação. Observamos na Fig. 6 (a) que a tensão máxima ocorreu nos furos, com um valor de 149,5 MPa. Na Fig. 6 (b) o deslocamento máximo ocorreu na borda da superfície superior (em vermelho), com um valor de 0,048 mm. Na Fig. 7 (a), observamos que a tensão máxima ocorreu nos furos, com um valor em torno de 160 MPa. Na Fig. 7 (b), temos a análise em relação ao deslocamento, onde o deslocamento máximo ocorreu na borda da superfície superior (em vermelho), com um valor de 0,042 mm. Figura 6. Simulação do dispositivo superior de fixação em a) tensão e b) deslocamento. Figura 7. Simulação do dispositivo inferior de fixação em a) tensão e b) deslocamento. Projeto Detalhado e Construção do Protótipo da garra para ensaio de Compressão Após Impacto A garra desenvolvida para ensaio de Compressão Após Impacto foi fabricada na empresa Mecânica Nossa Senhora Abadia, que fica sediada no Distrito dos Mecânicos na cidade de Campina Grande – PB. O material utilizado para a confecção do conjunto de peças da garra foi um aço SAE 1020. Ao final, foi realizada uma pintura superficial contra oxidação. Figura 8.
  7. 7. VIII Congres so Na ciona l de Eng enharia M e câni ca, 10 a 1 5 de a gosto d e 2 014 , Ube rl ândia - M inas G erais Figura 8. Protótipo da garra para ensaio de Compressão Após Impacto com detalhes de cada peça. Teste da garra para ensaio de Compressão Após Impacto Foram testadas placas compósitas com cinco camadas de manta de fibra de vidro E/resina poliéster. Uma das placas foi submetida ao impacto de um projétil CBC 9 mm FMJ a uma distância de 5 m, sendo desta forma, danificada. A outra placa não foi previamente danificada. Para os ensaios, foram feitas especificações como, por exemplo, a velocidade de aplicação da carga de compressão definida pela norma ASTM D7137-12, onde este valor foi de 1,25 mm/min. No momento de fixação do corpo de prova na garra, seguimos outra especificação da norma ASTM D7137-12, onde as superfícies laterais do corpo de prova devem ficar com um espaçamento de aproximadamente 1 mm para as cantoneiras laterais. A espessura do corpo de prova foi de 5,76 mm, obedecendo a norma ASTM D7137-12, onde a espessura dos corpos de prova devem estar entre 4 e 6 mm. Resultados do ensaio de Compressão Após Impacto para o corpo de prova sem dano A Fig. 9 mostra o corpo de prova sem dano fixado na garra antes, durante e depois do ensaio. Figura 9. Corpo de prova sem dano fixado na garra mostrando a sequência da esquerda para a direita: antes, durante e depois do ensaio A Fig. 10 mostra o gráfico força x deslocamento do ensaio de Compressão Após Impacto para o corpo de prova sem dano. A partir desta figura, podemos ver que o gráfico tem um comportamento aparentemente linear (1) até atingir o pico máximo de carga (2) que foi de 67,5 kN e, após atingir o pico máximo de carga, o material tem um comportamento aparentemente frágil (3) pela forma que a falha ocorre, isto é, sem escoar. A Fig. 11 mostra o gráfico tensão x deslocamento do ensaio de Compressão Após Impacto para o corpo de prova sem dano. Pode-se notar por esta figura, que a tensão máxima que o corpo de prova resistiu (1) foi de 117, 1 MPa, dada pela Eq. (1) a seguir. = = 117,13 MPa (1)
  8. 8. VIII Congres so Na ciona l de Eng enharia M e câni ca, 10 a 1 5 de a gosto d e 2 014 , Ube rl ândia - M inas G erais . Figura 10. Gráfico força x deslocamento para o corpo de prova sem dano. Figura 11. Gráfico tensão x deslocamento para o corpo de prova sem dano. Resultados do ensaio de Compressão Após Impacto para o corpo de prova com dano A Fig. 12 mostra o corpo de prova com dano fixado na garra antes, durante e depois do ensaio.
  9. 9. VIII Congres so Na ciona l de Eng enharia M e câni ca, 10 a 1 5 de a gosto d e 2 014 , Ube rl ândia - M inas G erais Figura 12. Corpo de prova com dano fixado na garra mostrando a sequência da esquerda para a direita: antes, durante e depois do ensaio. A Fig. 13 mostra o gráfico força x deslocamento para o corpo de prova com dano. Pode-se observar por esta figura que, em (1) vemos um leve encurvamento no início do gráfico, que não foi apresentado no corpo de prova sem dano. Este encurvamento, segundo a literatura, é devido ao dano do corpo de prova. Em (2) temos a força máxima suportada pelo corpo de prova com dano, que é de aproximadamente 38,75 kN. Temos em (3) uma queda na carga, onde o material se comporta aparentemente frágil. Na Fig. 14 temos o gráfico tensão x deslocamento para o corpo de prova com dano. Temos a partir da Fig. 13 que o corpo de prova com dano resistiu uma força máxima bem menor em relação ao corpo de prova sem dano, como esperado. Com o valor da força máxima suportada, podemos calcular a tensão máxima de ruptura (1) do compósito, na Fig. 14, pela Eq. (2) a seguir. = = 67,27 MPa Figura 13. Gráfico força x deslocamento para o corpo de prova com dano. (2)
  10. 10. VIII Congres so Na ciona l de Eng enharia M e câni ca, 10 a 1 5 de a gosto d e 2 014 , Ube rl ândia - M inas G erais Figura 14. Gráfico tensão x deslocamento para o corpo de prova com dano. Comparando a resistência da carga de compressão entre o corpo de prova sem dano e o corpo de prova com dano, observamos que houve uma considerável redução. A força máxima que a placa sem dano resistiu foi de 67,5 kN e a força máxima que a placa com o dano resistiu foi de 38,75 kN. Dessa forma, houve uma redução de 42,59 % da resistência da placa com dano em relação à placa sem dano. A Eq. (3) mostra o cálculo da redução da resistência. X= x100 = 42,59% (3) 5. CONCLUSÃO Foi possível o desenvolvimento da garra para ensaio de Compressão Após Impacto em materiais compósitos. A partir dos resultados obtidos e da comparação com outras literaturas foi observado que a curva gerada pela máquina de ensaio, com a garra no ensaio de Compressão Após Impacto obteve resultados similares aos de outras literaturas, podendo a garra desenvolvida neste trabalho ser utilizada para a realização de ensaios de Compressão Após Impacto. 6. REFERÊNCIAS Ribeiro, M.L., 2009, “Programa para análise de juntas coladas: compósito/compósito e metal/compósito. Dissertação de Mestrado, Universidade São Paulo, Brasil. ASTM International, 2012, “ ASTM D7137/7137M-12 – Standard Method for Compressive Residual Strength Properties of Damaged Polymer Matrix Composite Plates”, West Conshohocken, United States. Rezende, M.C, 2007, “Fractografia de Compósitos Estruturais”, Polímeros: Ciência e Tecnologia, Vol. 17, No. 3. ASTM International, 2012, “ASTM D7136/7136M-12 – Standard Test Method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-Weight Impact Event”, West Conshohocken, United States. Ghelli, D. and Minak, G., 2011, “Low velocity impact and compression after impact tests on thin carbon/epoxy laminates”, International Journal Composites Part B: Engineering, Vol. 42, Issue 7, pp. 2067-2079. 7. RESPONSABILIDADE AUTORAL “Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo deste trabalho”.
  11. 11. VIII Congres so Na ciona l de Eng enharia M e câni ca, 10 a 1 5 de a gosto d e 2 014 , Ube rl ândia - M inas G erais DEVELOPMENT OF A CLAW TO COMPRESSION AFTER IMPACT TEST FOR COMPOSITE MATERIALS TESTS ¹Universidade Federal de Campina Grande, Rua Aprigio Veloso, 882 ²Universidade Federal de Campina Grande, Rua Aprigio Veloso, 882 Abstract. The composite materials have been largely used in several industrial sectors, due to their upper mechanical properties. In this work was developed and tested a claw determined by the ASTM D7137/D7137-12 standard, to composite materials tests submitted to CAI (Compression After Impact) test. Several kinds of Compression After Impact tests performed in composite materials have been studied. With manufacturing of the claw were made compression tests, applying a load up to the specimen fails, analyzing its behavior when the specimen will be without and with damage. At the end, it was possible to determine the compressive strength reduction of the specimen with damage compared to specimen without damage. Keywords: Composite materials, CAI (Compression After Impact), ASTM D7137-12.

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