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Resposta ao Impacto de Painéis Sanduíche

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Resposta ao Impacto de Painéis Sanduíche
UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR
Engenharia
Resposta ao Impacto de Painéis Sanduíche
Georgino Conceição Gonçalves Serra
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Eletromecânica
(2º ciclo de estudos)
Orientador: Prof. Doutor Paulo Nobre Balbis dos Reis
Covilhã, Junho de 2013
À minha esposa, filhas e neta.
ii
Agradecimentos
Durante a realização desta dissertação foram recebidos vários apoios que auxiliaram e
estimularam a sua elaboração. O autor deseja expressar os seus agradecimentos a todas as
pessoas e instituições que possibilitaram a realização deste trabalho, nomeadamente:
- Ao orientador científico, Professor Paulo Nobre Balbis dos Reis, por toda a
disponibilidade, colaboração, dedicação e pela constante atenção e apoio que
dedicou ao longo de toda a sua execução.
- Ao Engenheiro Carlos Coelho, do Instituto Politécnico de Tomar, por todo o apoio e
disponibilidade na realização dos ensaios de impacto.
- À Escola Superior de Tecnologia de Abrantes, do Instituto Politécnico de Tomar, e
todo o seu corpo docente pelo apoio e disponibilidade na realização deste trabalho.
- À Universidade da Beira Interior por todas as facilidades concedidas para a
realização deste trabalho.
- Ao Departamento de Engenharia Electromecânica da Universidade da Beira Interior
pelo apoio e colaboração prestada ao longo da execução desta dissertação.
- À minha esposa, filhas e neta pela compreensão e apoio em todos os momentos do
meu percurso académico.
iii
Resumo
Nos últimos anos temos assistido a um aumento significativo da utilização de
compósitos sanduíche nos mais variados campos da engenharia e este fenómeno tende a
continuar. Contudo, a resistência residual destes materiais é fortemente afetada pelos
defeitos que decorrem durante o processo de fabrico e/ou de cargas de impacto que surgem
ao longo da sua vida em serviço. O presente trabalho estuda o comportamento de laminados e
compósitos sanduíche, com lâminas de GFRP e núcleos de cortiça, quando submetidos a
múltiplos impactos de baixa velocidade. Verifica-que a resistência ao impacto é maior para os
painéis sanduíche do que para os laminados, contudo, este efeito é mais significativo à
medida que a energia de impacto diminui.
Palavras-chave
Compósitos; Laminados sanduíche; Resistência ao impacto; Impacto múltiplo.
iv
Abstract
In recent years, there has been a rapid growth in the use of composites sandwich in
engineering applications and this phenomenon will be continuing. However, the residual
strength of those materials is largely affected by the damages occurred along the
manufacturing process and/or by impact loads that occur during the operational life. This
work intends to compare the effect of multi low velocity impacts on composites sandwich,
made by fibre glass/epoxy skins and cork core, relatively to the glass fibre/epoxy laminates.
It is possible to conclude that the impact strength is higher for composites sandwich,
however, this tendency increases when the impact energy decreases.
Keywords
Composites; Sandwich laminates; Impact strength; Multi impact.
v
Índice
Introdução
1
1 – Enquadramento teórico
2
1.1 – Introdução
2
1.2 – Materiais Compósitos
2
1.2.1 – Introdução
2
1.2.2 – Classificação dos Materiais Compósitos
4
1.2.3 – Fibras
5
1.2.4 – Matrizes
6
1.3 – Compósitos em Sanduíche
9
1.3.1 – Introdução
9
1.3.2 – Materiais utilizados nos painéis sanduíche
11
1.3.2.1 – Materiais utilizados nas lâminas dos painéis sanduíche
11
1.3.2.2 – Materiais utilizados nos núcleos
12
1.4 – Impacto em Compósitos sanduíche
2 – Materiais, Equipamento e Procedimento Experimental
14
20
2.1 – Introdução
20
2.2 – Manufatura dos Laminados
20
2.3 – Provetes
21
2.4 - Equipamento
22
2.5 – Procedimento Experimental
23
3 – Análise e Discussão de Resultados
24
3.1 – Introdução
24
3.2 – Apresentação e Discussão de resultados
24
4 – Conclusões Finais e Recomendações para Trabalhos Futuros
36
4.1 – Conclusões Gerais
36
4.2 – Recomendações para Trabalhos Futuros
37
Bibliografia
38
vi
Lista de Figuras
Figura 1.1 –
Evolução dos materiais ao longo do tempo [9].
3
Figura 1.2 –
Exemplos de algumas aplicações dos materiais compósitos.
3
Figura 1.3 –
Classificação dos diversos tipos de materiais compósitos [11].
4
Figura 1.4 –
Constituição típica de um painel em sanduíche.
Figura 1.5 –
(Aplicações de painéis sanduíche: a) Mosquito TT35 TA639, b) Estrutura
10
de um barco.
10
Figura 1.6 –
Diferentes configurações dos núcleos utilizados nos painéis sanduíche.
12
Figura 1.7 –
Modos de falhas em estruturas sanduíche [21, 28].
15
Figura 1.8 –
Modos de falha em estruturas sanduíche de acordo com Mines et al [38].
17
Figura 2.1 -
Preparação dos painéis sanduíche.
21
Figura 2.2 –
Dimensões dos provetes usados nos ensaios de impacto: a) sem cortiça;
b) com cortiça.
21
Figura 2.3 –
Máquina de impacto IMATEK-IM10.
22
Figura 3.1 -
Curvas força-tempo para: a) laminados; b) compósitos sanduíche.
25
Figura 3.2 -
Evolução da força máxima com a energia de impacto.
26
Figura 3.3 -
Evolução do tempo de contacto com a energia de impacto.
27
Figura 3.4 -
Curvas força-deslocamento para: a) laminados; b) compósitos sanduíche.
28
Figura 3.5 -
Evolução do deslocamento com a energia de impacto.
Figura 3.6 -
Curvas energia-tempo para: a) laminados; b) compósitos sanduíche.
29
30
Figura 3.7 -
Evolução da energia restituída com a energia de impacto.
31
Figura 3.8 -
Resistência ao impacto para os diferentes materiais.
32
Figura 3.9 -
Evolução da força máxima ao longo dos multi-impactos para as energias
16 J, 20 J e 24 J.
Figura 3.10 -
Evolução do tempo de contacto ao longo dos multi-impactos para as
energias de 16 J, 20 J e 24 J.
Figura 3.11 -
34
Evolução do deslocamento ao longo dos multi-impactos para as energias
de 16 J, 20 J e 24 J.
Figura 3.12 -
33
34
C Evolução da energia restituída ao longo dos multi-impactos para as
energias de 16 J, 20 J e 24 J.
35
vii
Lista de Tabelas
Tabela 1.1 –
Valores típicos das propriedades mecânicas de algumas fibras [5].
5
Tabela 1.2 –
Propriedades de alguns polímeros utilizados como matriz [15].
8
Tabela 1.3 –
Principais vantagens e desvantagens das estruturas sanduíche [19].
11
Tabela 1.4 –
Vantagens/desvantagens das lâminas metálicas [21].
12
Tabela 1.5 –
Algumas das propriedades das espumas mais utilizadas [16].
13
viii
Lista de Acrónimos
EN
European Standards
ISO
International Organization Standardization
EPS
Poliestireno expandido
PC
Policarbonato
PEEK
Poli-éter-éter-catano
PF
Resina Fenólica
PP
Polipropileno
PVC
Poliuretano
PPS
Polisufureto de fenileno
PRC
Particulate reinforced composites
XPS
Poliestireno extrudido
ix
Notação
Caracteres Latinos
A
Alongamento à rotura
C0
Constante de integração
E
Módulo de elasticidade
F
Força
Fmáx
Força máxima
m
Massa
t
Tempo
T
Temperatura
Tg
Temperatura de transição vítrea
V
Velocidade
V0
Velocidade inicial
X
Deflexão
N
Número de impactos
Nr
Penúltimo impacto par o qual ocorreu a falha (perfuração)
Símbolos Gregos

Coeficiente de expansão térmica

Massa específica
u
Resistência a tracção
x
Introdução
Atualmente são cada vez mais as aplicações em engenharia que utilizam elementos
estruturais de elevada resistência e rigidez específica. Neste contexto, não é de estranhar o
enorme interesse pelos materiais compósitos e em muito especial pelas estruturas em
sanduíche com lâminas em compósitos de matriz polímerica reforçada por fibras.
Apesar da grande diversidade de materiais e configurações já existentes para os
painéis sanduíche, estão constantemente a ser propostos e utilizados novos materiais bem
como novas combinações de materiais. Por outro lado, as propriedades mecânicas destes
materiais são significativamente afectadas pelos defeitos originados durante o processo de
fabrico ou pelas cargas de impacto que surgem ao longo da sua vida operacional e/ou durante
os actos de manutenção. Assim, o presente trabalho pretende estudar o comportamento de
compósitos sanduíche, com lâminas de GFRP e núcleos de cortiça, quando submetidos a
múltiplos impactos de baixa velocidade.
Para tal, esta dissertação encontra-se organizada em 4 capítulos sendo, no capítulo 1,
feito um enquadramento teórico sobre materiais compósitos, laminados sanduíche e uma
breve revisão sobre o impacto nestes materiais. O capítulo 2 descreve as técnicas
experimentais utilizadas no trabalho, a manufactura e geometria dos corpos de prova bem
como os equipamentos utilizados. No capítulo 3 apresenta-se os resultados experimentais e a
sua discussão. Finalmente, o capítulo 4, evidência as conclusões finais e apresenta algumas
sugestões para trabalhos futuros.
1
Capítulo 1
Enquadramento teórico
1.1 – Introdução
De uma forma sucinta serão apresentados, neste capítulo, alguns conceitos
fundamentais sobre os materiais compósitos e laminados sanduiche. Especial enfoque será
dado aos seus constituintes e a forma como estes influenciam as suas propriedades
mecânicas. Finalmente será abordado o fenómeno do impacto a baixa velocidade, sua
classificação na perspectiva de vários autores, e respectivo efeito nos laminados sanduíche.
1.2 – Materiais Compósitos
1.2.1 – Introdução
Os compósitos combinam propriedades complementares de dois ou mais materiais, de
natureza distinta, as quais não são conseguidas enquanto componentes isolados. No entanto,
esta definição pode ser generalizar a todos os materiais [1-3]. Assim, compósito será um
composto constituído por dois ou mais materiais, insolúveis entre si, sendo um deles a matriz
e o outro o reforço [4, 5]. As propriedades, neste caso, são obtidas pela combinação entre
pelo menos dois materiais distintos com uma interface visivelmente clara entre os mesmos.
A combinação dos vários materiais visando obter melhores propriedades não é recente
[4-8]. Embora não exista uma certeza, a primeira aplicação de um material compósito
remonta ao ano de 450 A.C. e surgiu no âmbito da construção civil. De acordo com a Bíblia,
no Livro do Êxodo (capítulo V, versículo 6 e 7), era enorme a dificuldade de fabricar tijolos
sem palha. O sector aeronáutico introduziu os primeiros compósitos em 1938, ao utilizar
painéis de madeira tipo sanduíche de contraplacado. Mais tarde foi utilizada a fibra de
cânhamo e resina fenólica nas peças de fuselagem do Spitfire mas, no entanto, foi a década
de 50 que ficou marcada no campo aeronáutico com a introdução de novas fibras e resinas.
Apesar de tudo, só no início dos anos 70, com a crise do petróleo, é que o interesse por estes
materiais se acentuou, tendo vindo a ser aplicado daí em diante nos mais variados campos da
engenharia. A figura 1.1 ilustra, por exemplo, o interesse dos materiais compósitos ao longo
dos tempos, numa perspectiva comparativa com os restantes materiais. Actualmente têm um
2
campo de aplicação muito vasto, que abrange o sector aeroespacial, aeronáutico, automóvel,
naval, desportivo, industrial, médico e lazer (figura 1.2).
Figura 1.1 - Evolução dos materiais ao longo do tempo [9].
Figura 1.2 – Exemplos de algumas aplicações de materiais compósitos.
Face aos materiais tradicionais, podemos dizer que os compósitos apresentam as
seguintes vantagens [1, 4]:
 Maior capacidade de adaptação, substituição por um único elemento;
 Fácil monitorização dos danos ocorridos nos componentes/estruturas em pleno
serviço, dado permitirem a inclusão de sensores;
 Maior resistência à fadiga;
 Elevada resistência à corrosão;
3
 Os materiais compósitos permitem que as fibras possam ser orientadas na direcção
de maior solicitação;
 Fácil controlo de qualidade e processamento dos componentes obtidos;
 Elevada resistência e rigidez específica;
 Baixa expansão térmica e baixa condutibilidade térmica.
1.2.2 – Classificação dos Materiais Compósitos
Como foi referido no ponto anterior, os compósitos possuem dois ou mais
constituintes,
fisicamente
distintos
numa
escala
microscópica,
com
uma
interface
visivelmente clara entre eles. A matriz é o constituinte contínuo, nem sempre presente em
maior quantidade, e o reforço trata-se do constituinte disperso na matriz responsável pelas
propriedades mecânicas. Neste contexto, uma forma de classificar os materiais compósitos
baseia-se na geometria da unidade representativa de reforço e encontra-se representada na
figura 1.3 [10, 11].
Figura 1.3 – Classificação dos diversos tipos de materiais compósitos [11].
4
As fibras apresentam uma relação comprimento/diâmetro (l/d) superior a 100 m,
diâmetro inferior a 20 μm e classificam-se, de acordo com o seu comprimento, em contínuas
ou longas (quando o comprimento médio é de 200-300 mm) e curtas (quando é menor que 25
mm; Whiskers são fibras muito curtas). Neste caso, as propriedades mecânicas dos materiais
compósitos reforçados com fibras dependem não só dos seus constituintes (tipo de fibra e
resina, fracção volumétrica, tratamentos das fibras e/ou resina, orientação, diâmetro e
dimensão das fibras) mas também de outros factores, como: processo de fabrico,
temperatura, humidade, porosidade da resina, etc. [5, 12]. No caso dos compósitos
reforçados com partículas (PRC – particulate reinforced composites), as propriedades
mecânicas dependem de vários parâmetros, tais como: comprimento, forma, distribuição e
composição das partículas de reforço [7].
1.2.3 – Fibras
São as fibras, como elementos de reforço, as principais responsáveis pelas
propriedades mecânicas dos materiais compósitos. Deste modo, não será de estranhar que os
materiais escolhidos para reforço possuam propriedades mecânicas extremamente elevadas e
muitas vezes superiores às dos metais maciços de uso corrente em engenharia. As principais
fibras utilizadas no fabrico de materiais compósitos são as de vidro, carbono, aramidas e
asbestos, encontrando-se na tabela 1.1 alguns valores típicos das suas propriedades
mecânicas [5].
Tabela 1.1 – Valores típicos das propriedades mecânicas de algumas fibras 5.
Tipo de fibra
Vidro tipo E
Vidro tipo C
Vidro tipo S
Carbono/baixo módulo
Carbono/médio módulo
Carbono/alto módulo
Aramida (Kevlar 29)
Aramida (Kevlar 49)
Aramida (Kevlar 149)
Boro
Asbestos (Anfíbola)
Al2O3
SiC
Densidade
g/cm3
2.55
2.56
2.50
1.76-1.79
1.78
1.80
1.44
1.44
1.44
2.6
3.3
4.0
3.4
Diâmetro Resistência à
Filamento
tracção
m
GPa
13
10-13
10-13
7
5.1
8
12
12
12
-
3.34
3.31
4.58
3.65
5.03
2.48
3.6
3.6
3.4
3.5
4.1
2.0
2.3
Módulo
Young
GPa
Alongamento
%
81.3
96.9
228
290
340
83
124
186
420
190
470
480
4.8
4.8
5.7
1.4
1.7
0.7
4.0
2.8
2.0
-
5
Fibras de Vidro – Apresentam boas propriedades de resistência mecânica, rigidez, eléctricas
e desgaste. No entanto existem fibras de vidro que, em função da percentagem relativa
dos óxidos, apresentam características típicas para aplicações específicas [13].
Fibras de Aramída – Caracterizam-se pela excelente resistência química, mecânica, óptima
relação resistência/peso, alta tenacidade, boa resistência ao impacto e à fadiga, boa
capacidade de amortecimento de vibrações, boas características dieléctricas, elevada
resistência a solventes orgânicos, combustíveis e lubrificantes [13].
Fibras de Carbono – Apresentam baixa massa específica, elevada rigidez, elevada tensão de
rotura e baixo coeficiente de dilatação [13].
Fibras de Boro – Apresentam, de um modo geral, baixa densidade bem como elevada
resistência e rigidez. O módulo de elasticidade das fibras de boro é, por exemplo, cinco
vezes superior ao das fibras de vidro mas, as primeiras, são ligeiramente mais pesadas
[13].
Fibras Naturais – Existe nos dias de hoje uma grande variedade de fibras naturais, as quais
são utilizadas como elemento de reforço em aplicações associadas a desempenhos de
menor exigência. A sua classificação toma em conta o seu tipo botânico [14].
1.2.4 – Matrizes
O tipo de matriz pode influenciar significativamente as propriedades mecânicas dos
materiais compósitos. Apesar de suportar uma pequena fracção da carga aplicada, podemos
dizer que quando mais resistente for a matriz melhor será o desempenho do compósito [5]. O
modo de falha também é fortemente afectado pelo tipo de material utilizado na matriz, visto
este poder considerar a resistência da interface fibra/matriz [1]. À matriz cabe também a
responsabilidade de molhar completamente as fibras para, deste modo, protege-las contra
ataques químicos e/ou danos mecânicos como o desgaste. Por outro lado, elas condicionam
muitas vezes a temperatura de trabalho, as propriedades eléctricas, o processo de fabrico e a
própria qualidade do acabamento superficial da peça.
Dentro dos vários materiais passíveis de serem usados como matriz, os plásticos são
aqueles que assumem maior expressão e, face às especificidades das aplicações, podemos
recorrer tanto às resinas termoendurecíveis como aos termoplásticos. Apesar da sua elevada
aplicação em compósitos estruturais, as resinas termoendurecíveis apresentam alguns
inconvenientes ao nível do fabrico e tempo de vida dos produtos, reflectindo-se
posteriormente nos custos finais. Ao invés, as resinas termoplásticas contrapõem vantagens
extremamente atractivas, como é o caso de um baixo custo de fabrico, elevada tenacidade,
6
boa tolerância ao dano e resistência ao impacto, fácil controle de qualidade e possibilidade
de serem recicláveis. Desta forma, ao longo dos últimos anos, os termoplásticos têm vindo a
assumir-se como uma alternativa muito promissora. A tabela 1.2 apresenta as principais
propriedades, físicas e mecânicas, de alguns polímeros utilizados como matriz.
Matrizes Termoendurecíveis
São polímeros cujas moléculas formam estruturas tridimensionais bastante rígidas.
São fornecidas para processamento sob a forma de uma mistura de dois ou três componentes
e, nalguns casos, é vulgar o recurso ao calor para acelerar o processo de cura.
Poliésteres insaturados – São as mais utilizadas no fabrico de materiais compósitos, devido ao
seu baixo custo, facilidade de processamento e bom compromisso entre propriedades
mecânicas, eléctricas e químicas [2].
Resinas de vinitester – Excelente resistência química, elevada tensão de rotura, baixa
viscosidade e processo de cura rápido [2].
Resinas fenólicas – Excelente comportamento ao fogo e baixa emissão de fumos [2].
Resinas epóxidicas – Elevada resistência mecânica, resistência à abrasão, resistência química
(sobretudo em meios alcalinos) e boas propriedades de adesão às fibras. Apresentam grande
estabilidade dimensional, baixa absorção de água e podem ser utilizadas até uma
temperatura máxima de 220 ºC [2].
Poliimidas termoendurecíveis – Elevada resistência térmica (260 ºC em funcionamento
continuo, e 460 ºC para períodos curtos), elevada resistência mecânica, boa resistência ao
impacto e à oxidação, boa capacidade de adesão e baixo coeficiente de atrito [2].
Matrizes Termoplásticas
Os termoplásticos são formados a partir de macromoléculas individuais e lineares sem
qualquer reticulação entre si. Estas macromoléculas mantêm-se unidas devido às ligações
secundárias (do tipo van der Waals e de hidrogénio) que se estabelecem entre si.
Polipropileno (PP) – Apresenta boa resistência ao impacto e excelente resistência aos ataques
químicos (ácidos, álcalis e sais). A temperatura típica de processamento é da ordem dos
200 ºC [2].
Poliamida (PA) - Apresenta baixo coeficiente de atrito, grande resistência ao desgaste, boa
resistência térmica e uma boa resistência mecânica. As poliamidas são, no entanto,
fortemente higroscópicas [2].
7
8
1200
Policarbonato (PC)
1350
Polyethersulfone (PES)
1200
1300
1200
1200
1100
1400
Poliéster
Fenólica
Epóxida DGEBA
Epóxida DGEBF
Silicone
Poliamida
Matrizes termoendurecíveis
1300 a 1400
Polisulfureto de fenileno
(PPS)
(PEEK)
1300 a 1350
1100
Poliamida (PA)
Poli-eter-eter-cetona
900
[kg/m3]
Polipropileno (PP)
Matrizes termoplásticas
Material
Massa
específica, 
0.035
0.07
2.2
0.0125
0.09
0.07
0.08
0.085
0.08
0.1
0.055 a 0.07
0.07
0.03
4.0 a 19
4.1
3.0
3.0
4.0
3.0
3.4
3.5 a 4.4
2.1 a 3.5
2.0
1.2
Módulo de
Resistência a
elasticidade, E
tracção, u [GPa]
[GPa]
1
-
5.0
8.0
2.5
2.5
60
110
50
125
200
20 a 400
Alongamento à
rotura, A [%]
80
-
-
-
10
80
60
-
50
-
80
90
[10-6/ºC]
Coeficiente
expansão
térmica, 
Tabela 1.2 – Propriedades de alguns polímeros utilizados como matriz [15].
-
-
-
180
-
-
-
85
143
150
50
-10
250 a 300
100 a 350
-
125
120 a 200
60 a 200
180
240
140 a 250
-
170
70 a 140
Temperatura de
Temperatura
transição vítrea, Tg
limite de
[ºC]
utilização, T [ºC]
Policarbonato (PC) – É um polímero dimensionalmente estável, transparente, incolor, pouco
higroscópico, retardador de chama, com boa resistência ao impacto, térmica, química e à
exposição dos agentes ambientais. A temperatura típica de processamento é da ordem dos
200 ºC [2].
Poli-éter-éter-cetona (PEEK) – Apresenta temperatura de transição vítrea, (Tg), próxima dos
143 ºC e, relativamente às resinas epóxidicas, apresenta maior tenacidade e menor
absorção de água [2].
Poliimidas termoplásticas – Apresentam elevada resistência mecânica, rigidez a altas
temperaturas, estabilidade dimensional e boas propriedades eléctricas. São também
retardadoras de chama e resistem bem a agentes químicos [2].
Polisufureto de fenileno (PPS) – Apresenta elevada resistência mecânica, excelente
resistência química e pode ser usado até uma temperatura máxima de 225 ºC [2].
1.3 – Compósitos Sanduíche
1.3.1 – Introdução
Os compósitos sanduíche consistem numa estrutura composta por três camadas, sendo
duas delas constituídas por lâminas finas de um material denso, rígido e resistente, as quais
são separadas por uma camada de baixa densidade com menor rigidez e resistência do que as
lâminas. A figura 1.4 ilustra uma constituição típica de um painel sanduíche, todavia, as
diferentes tipologias e formas estruturais podem ser obtidas através da combinação das
diferentes formas do material do núcleo [16].
Podemos dizer que estas estruturas sanduíche surgiram pela primeira vez em 1820,
pelas mãos de Delau [17], mas a sua patente data de 1924 e foi concedida a Von Kármán e
Stock. Em 1938 foi apresentado em Paris, no “Salon d’Aeronautique”, um monoplano com as
asas em estrutura sanduíche. Todavia, a notoriedade a nível mundial dos painéis sanduíche
deu-se com a aeronave “Mosquito” (figura 1.5), através da introdução de lâminas de madeira
folheada com um núcleo em madeira de balsa como consequência da escassez de outros
materiais em Inglaterra durante a II guerra [17, 18]. Posteriormente surgiram os favos de mel
como material para os núcleos destas estruturas mas, devido ao seu elevado custo, com
aplicação direccionada para a indústria aeroespacial. Nos anos 1950 estas estruturas
estenderam-se à indústria naval (figura 1.4) e assumiram definitivamente grande importância
no sector naval e aeroespacial como resultado da sua leveza e durabilidade [17]. Os finais dos
anos 1950 e inícios de 1960 ficaram caracterizados pelo aparecimento de diferentes plásticos
celulares mas foi nos anos de 1960 que surgiram os núcleos de espumas. Deste modo permitiase obter maiores relações de rigidez, torção e resistência específica. Estavam então criadas
9
as condições para outros campos de aplicações, com especial enfoque o sector da construção,
automóvel, etc.
Figura 1.4 - Constituição típica de um painel sanduíche.
a)
b)
Figura 1.5 – Aplicações de painéis sanduíche: a) Mosquito TT35 TA639, b) Estrutura de um barco.
Se a grande quantidade de materiais que se podem utilizar numa estrutura sanduíche
constitui uma vantagem ela é, ao mesmo tempo, uma grande desvantagem. Na verdade
podemos tirar vantagens da sua elevada resistência e rigidez específica, bom comportamento
à flexão, baixo peso, boa resistência ao impacto e bom isolamento térmico e acústico. Por
outro lado, surgem problemas ao combinar materiais com diferentes propriedades (por
exemplo: temperatura, problemas de fadiga, incompatibilidade de materiais, etc.). Neste
contexto, os projectistas adoptam critérios muito conservadores conduzindo a um aumento do
10
peso da estrutura. Por último, a difícil reciclagem destas estruturas no fim de vida, ou os
desperdícios que surgem durante o processo de manufactura, conduzem a problemas
ambientais. A título de síntese, a tabela 1.3 apresenta as principais vantagens e desvantagens
das estruturas sanduíche.
Tabela 1.3 – Principais vantagens e desvantagens das estruturas sanduíche 19.
Vantagens
Desvantagens
Alta resistência específica
Perigoso para a saúde durante a construção
Alta rigidez específica
Fracas possibilidades de reciclagem e de
Reparação (compósitos)
Baixo peso
Falta de informação dos engenheiros
Isolamento térmico e acústico
Problemas de temperatura/resistência ao
fogo
Capacidade de resistência à corrosão
Mudança de mentalidades
Facilidade de construção de formas completas
Controlo de qualidade
Capacidade de absorção de energia
Variedade de critérios de rotura
Poucas peças estruturais necessárias
Incompatibilidade de materiais
Múltiplas possibilidades de escolha de materiais
1.3.2 – Materiais utilizados nos painéis sanduíche
A selecção dos materiais a utilizar nas estruturas sanduíche depende muito das
especificações do projecto e revela-se uma tarefa bastante difícil. De um modo geral deve-se
combinar diferentes materiais, para o núcleo e lâminas, de modo a evidenciar as suas
propriedades positivas e, ao mesmo tempo, eliminar as suas propriedades negativas.
1.3.2.1 – Materiais utilizados nas lâminas dos painéis sanduíche
As lâminas ao absorver os esforços de flexão da estrutura acabam por trabalhar à
compressão e à tração, enquanto o núcleo suporta os esforços de corte e torção para evitar o
deslizamento das lâminas. Deste modo, as lâminas devem apresentar uma elevada
resistência, resistência ao impacto, resistência à corrosão e ao desgaste [20]. Para cumprir
estas especificidades é típico o recurso a materiais metálicos (onde predomina o aço, o aço
11
inoxidável, as ligas de alumínio e cobre) e não metálicos (madeira e seus derivados, materiais
compósitos reforçados com fibras, o amianto de cimento e o cartão impregnado em resina)
[18]. A tabela 1.4 enuncia, por exemplo, algumas vantagens e desvantagens das lâminas
metálicas face às não metálicas.
Tabela 1.4 – Vantagens/desvantagens das lâminas metálicas 21.
Vantagens
Desvantagens
Elevado desempenho ao nível de rigidez
e resistência
Elevada densidade
Baixo custo
Problemas de fabrico em presença de
geometrias complexas
Bom acabamento
Corrosão
Boa resistência a impacto
1.3.2.2 – Materiais utilizados nos núcleos
De acordo com Almeida [16], os núcleos dos painéis sanduíche podem apresentar
diferentes configurações: núcleos homogéneos e núcleos não homogéneos ou estruturados
(núcleos canelados, núcleos de favos de mel e os painéis em que as lâminas são suportadas
apenas por elementos pontuais), conforme ilustra a figura 1.6. Outra divisão apresentada por
Soares [21] dá a existência de três grupos: em ninho de abelha, sólida e treliça.
Figura 1.6 – Diferentes configurações dos núcleos utilizados nos painéis sanduíche.
12
No caso dos núcleos homogéneos (sólidos), estes podem ser constituídos por espumas,
lãs, diferentes tipos de plásticos expandidos ou madeira de balsa [18]. Seguidamente faz-se
uma breve descrição dos materiais mais típicos, os quais caracterizam-se por uma baixa
densidade, alguma rigidez e resistência ao corte (rigidez no sentido perpendicular às faces),
isolamento térmico e acústico [18, 21].
Espumas – Os materiais mais utilizadas são o poliuretano, o PVC, a resina fenólica (PF) e o
poliestireno expandido (EPS) ou o extrudido (XPS) [16, 19]. As espumas são sensíveis à
temperatura, evidenciando um comportamento flexível e viscoelástico para as altas
temperaturas e tornando-se quebradiças, rígidas e resistentes para as temperaturas mais
baixas. As suas propriedades mecânicas dependem da densidade da espuma, variando
também com a temperatura e com a humidade. Uma das grandes desvantagens das
espumas é o seu comportamento ao fogo, uma vez que se tornam combustíveis em virtude
da sua base orgânica [16]. A tabela 1.5 sintetiza algumas propriedades das espumas mais
utilizadas.
Tabela 1.5 – Algumas propriedades das espumas mais utilizadas 16.
Propriedade
Poliuretano
Poliestireno
expandido
Poliestireno
extrudido
Espuma
fenólica
Densidade [kg/m3]
35-59
15-20
30-50
NE
Condutividade térmica [W/mºC]
0.022-0.320
0.033-0.039
0.025-0.036
NE
Estabilidade dimensional [⁰C]
100
80
130
Temperatura de ignição [⁰C]
300
Pouco mais que 300
530-580
Temperatura de decomposição [⁰C]
150-200
300
350-500
NE – Não encontrado
Materiais inorgânicos – Os núcleos de materiais inorgânicos mais usuais são constituídos por
fibras (de lã mineral, rocha e vidro) ligadas através de aglutinadores orgânicos ou
inorgânicos [16]. A principal vantagem destes materiais é a sua elevada resistência ao
fogo.
Madeira de balsa – Existe principalmente na América Central com especial incidência nas
florestas tropicais. É a madeira mais leve, apresentando uma densidade, quando seca,
entre os 100–200 kg/m³.
No caso dos núcleos estruturados, os núcleos canelados ou em ninho de abelha são os
mais comuns. No primeiro caso, podem apresentar-se de diversas formas, mas caracterizamse essencialmente por serem células abertas na direcção das lâminas. Por sua vez, os ninhos
13
de abelha são constituídos por células abertas na direção transversal às lâminas,
proporcionando um suporte bidirecional das mesmas. As suas boas propriedades mecânicas e
a sua densidade reduzida conferem a este tipo de núcleos um bom desempenho por unidade
de peso [16]. Os materiais mais típicos são: metais (alumínio e aço inoxidável), compósitos
(com fibras de aramida, carbono e vidro), plásticos (polipropileno e policarbonato), cerâmicos
ou até mesmo cartão.
1.4 – Impacto em Compósitos Sanduíche
Em questões de projecto deve garantir-se que qualquer componente e/ou estrutura
desempenhe as funções para a qual foi concebida sem ocorrer falha em serviço. Para tal,
revela-se necessário um dimensionamento que tome em consideração todos os modos de
ruína. O conhecimento do tipo de cargas aplicadas revela-se, neste caso, de extrema
importância. Se a nossa atenção recai de imediato nas cargas estáticas e nas solicitações
dinâmicas, não devemos menosprezar também o efeito das cargas de impacto, onde a força é
exercida num curto espaço de tempo.
Verifica-se que a velocidade de impacto e o tempo de atuação da carga se encontram
estritamente relacionados. Alguns autores defendem que as solicitações de impacto dividemse em impacto de baixa velocidade e impacto de alta velocidade [22, 23]. Estes dois
fenómenos diferem em termos do comportamento do material e do dano que provocam.
Impacto de baixa velocidade é definido por Hogg et al [22] quando se situa entre 1 a
10 m/s. Por outro lado, impactos superiores a 100 m/s são classificados como testes balísticos
e para uma velocidade superior a 1000 m/s são denominados de impactos a hiper-velocidade.
Zukas et al [24] defendem que o impacto de baixa velocidade ocorre para velocidades
menores que 250 m/s. Na gama dos 0.5 aos 2 km/s o impacto é de alta velocidade, enquanto
que para velocidades superiores a 2 km/s já é a hiper-velocidade. Finalmente para
velocidades superiores a 12 Km/h a propagação da energia ocorre a uma taxa tão elevada que
ocorre vaporização dos materiais no instante da colisão. Ruiz e Harding [25] consideram que
existem impactos para velocidades da ordem dos 300 m/s (onde o impactor penetra/perfura a
superfície de embate com danos confinados a uma pequena área), impactos para velocidades
no intervalo dos 50 a 300 m/s (onde as ondas de tensão têm origem no ponto de impacto mas
de imediato transmitem a carga à restante estrutura) e finalmente para velocidades abaixo
dos 50 m/s (onde ocorrem múltiplas reflexões nas fronteiras da estrutura até se atingir o
equilíbrio quasi-estático). Uma classificação com base nas deformações foi proposta por
Olsson [26], enquanto Swanson [27] considera as ondas de tensão originadas na estrutura
como a principal forma de classificar o impacto.
14
No caso das estruturas em sanduíche existem diferentes modos de falha, conforme
ilustra a figura 1.7.
Espessura insuficiente das faces e/ou resistência
das faces. Pode ocorrer tanto na face à tração
como na face à compressão.
Falha das Faces
Ocorre quando a resistência do núcleo ao corte
ou a espessura do painel são insuficientes.
Falha devido a Esforço Transverso
Ocorre quando a espessura do painel ou a
resistência do núcleo ao corte são demasiado
Esmagamento local do Núcleo
baixas.
Ocorre quando a resistência à compressão do
material do núcleo é demasiado baixa.
Engelhamento Local
Pode ser consequência do engelhamento local.
Ocorre quando o módulo de corte do núcleo ou a
resistência ao corte do adesivo é demasiado
Engelhamento geral
baixa.
Falha à compressão do núcleo, ou falha nos
adesivos. Verifica-se dependendo da resistência
relativa do núcleo à compressão em comparação
Engelhamento de faces
com a resistência dos adesivos em tensão no
plano.
Ocorre quando as faces são muito finas em
relação ao tamanho da célula. Este efeito
provoca falha ao propagar-se para as células
Instabilidade local
adjacentes.
Figura 1.7 - Modos de falhas em estruturas sanduíche [21, 28].
15
Na verdade os painéis sanduíche apresentam danos bem mais complexos do que os
ocorridos nas estruturas convencionais laminadas. No caso dos compósitos sanduíche, os danos
ocorridos nas lâminas dão-se ao nível de fendas na matriz, fractura ou encurvadura da fibra e
delaminações [29]. Além destes danos típicos, outros modos adicionais podem ocorrer como o
esmagamento do núcleo e o descolamento das lâminas. Muitas vezes, os danos não podem ser
caracterizados como sendo uniformes ao longo da espessura. Por outro lado, defeitos de
fabrico ou defeitos induzidos em serviço por cargas acidentais também resultam num estado
de dano assimétrico, originando uma redistribuição das tensões.
As cargas de impacto, em particular, induzem danos localizados nas lâminas, no
núcleo ou na interface núcleo/lâmina. A sua severidade depende de uma multiplicidade de
factores, tais como: lay-up das lâminas e sua espessura, material do núcleo e sua espessura,
propriedades da interface lâmina/núcleo, técnicas de fabrico, velocidade de impacto e
energia, geometria do impactor, temperatura, condições de fronteira e factores ambientais.
O limiar de iniciação dos danos, bem como o seu tamanho, depende das propriedades do
material do núcleo e a sua relação com as propriedades das lâminas. A sua avaliação pode ser
efectuada através de diferentes técnicas: inspeção ultra-sons, raios-X, micrografia,
termografia, shearografia e “deply technique” [30, 31].
No caso particular dos impactos de baixa velocidade em sanduíches com lâminas de
carbono/epóxi e núcleos em favo de mel, o dano é tipicamente confinado à lâmina do topo
(impactada), à interface da lâmina superior com o núcleo e ao núcleo. A lâmina inferior
geralmente não apresenta qualquer dano. O dano é basicamente composto por cinco modos
de falha: encurvadura do núcleo, delaminação na lâmina impactada, fendas no núcleo, fendas
na matriz e rotura de fibras na lâmina [32]. O dano na lâmina impactada consiste
principalmente em fissuras na matriz e algumas fibras partidas, de forma semelhante ao que
ocorre nos laminados [33]. De acordo com a literatura os danos ao nível das lâminas
impactadas aumentam quase linearmente com a energia de impacto até atingirem um valor
máximo [32]. Atingida a saturação, os danos tornam-se visíveis e a delaminação
núcleo/lâmina permanece constante [32]. Em termos de núcleo, e em particular para o caso
dos favos de mel, o dano dá-se por esmagamento ou deformação das paredes das células em
torno da região de impacto. Em caso de núcleos com paredes celulares mais espessas a falha
geralmente ocorre pela fractura da parede celular. No caso dos núcleos de espuma, a
interface núcleo/lâmina impactada pode descolar-se na região em torno do impacto e o
núcleo apresentará uma deformação permanente. Bernard e Lagace [34] observaram, por
exemplo, que a descolagem interfacial varia em função do tipo de material do núcleo. A
resistência residual à compressão após impacto aumenta quando os núcleos promovem um
maior apoio às lâminas, embora as áreas delaminadas sejam maiores. Por exemplo, de acordo
com Rhodes [35], a resistência residual de sanduíches de grafite/epóxi e kevlar/epóxi é
16
bastante afetada quando a estrutura é previamente impactada com níveis de energia bem
abaixo daqueles que produzem danos visíveis.
Mines et al [36] examinaram o comportamento estático e ao impacto de compósitos
sanduíche e identificaram basicamente quatro modos de falha: falha à compressão da lâmina
superior seguida pelo esmagamento ou rotura por corte do núcleo, falha por esmagamento da
lâmina superior, falha ao corte do núcleo e falha da lâmina inferior devido às cargas de
tração. De acordo com estes autores, as sanduíches com lâminas em fibras de carbono ou
fibras de vidro exibem o modo I de falha (a resistência à compressão foi menor do que a
resistência à tração), enquanto as sanduíches com lâminas em tecidos de aramida exibiram
falhas em modo II como resultado da baixa resistência à compressão das fibras de aramida.
Por outro lado, o aumento da espessura das lâminas não melhora necessariamente a
resistência ao impacto de uma estrutura sanduíche, mas o aumento da resistência ao
esmagamento do material do núcleo geralmente melhora a resistência ao impacto [32].
Figura 1.8 - Modos de falha em estruturas sanduíche de acordo com Mines et al [38].
Verifica-se que a resposta ao impacto de compósitos sanduíche é fundamentalmente
dominada pelo material do núcleo. Neste caso, as leis de contacto que definem a relação
força de contacto versus indentação durante o impacto são bastante diferentes das
observadas para os compósitos laminados [32]. Aqui, a indentação é definida como o
deslocamento relativo entre o indentador e alvo [32].
17
Durante o impacto o alvo sofre uma deformação generalizada bem como uma
deformação localizada na vizinhança do ponto de impacto. A teoria clássica das vigas, assim
como a teoria das placas e cascas, não considera geralmente a deformação local junto do
ponto de impacto. Neste caso, a deformação localizada de um painel sanduíche pode ser
estimada a partir da análise numérica, em larga escala, considerando um problema de
contacto dinâmico [37] ou através da introdução de uma lei de contacto que toma em conta o
efeito de deformação inelástica e o dano induzido na zona de impacto. Assim a lei de
contacto é tipicamente uma função não-linear, exibindo diferentes características durante o
carregamento/descarregamento e, geralmente, requer a validação experimental [32].
Sun e Wu [38] apresentaram resultados experimentais para impactos a baixa
velocidade em painéis sanduíche (com lâminas de AS4/3501-6 grafite/epóxi e núcleos de favo
de mel em alumínio ou espuma Rohacell) com impactores cilíndricos e esféricos. Expressões
bilineares e linear-quadráticas foram introduzidas para descrever a componente de
carregamento da lei de contacto tendo em conta os núcleos em favo de mel e de espuma,
respetivamente. Por sua vez, leis de potência foram introduzidas para caracterizar a
componente de descarga da lei de contacto. Em ambos os casos as leis assumidas ajustaramse bastante bem aos resultados experimentais. Segundo Abrate [32] o comportamento
mecânico do material do núcleo deve estar bem caracterizado de modo a estimar a extensão
dos danos. Hiel et al [39] notaram que os danos no núcleo de espuma de compósitos podem
ser, por vezes, limitados a uma pequena região semi-hemisférica junto da lâmina superior.
Neste caso torna-se necessário o recurso a um critério de falha tridimensional de modo a
avaliar, para um dado impacto, a probabilidade de falha da espuma.
Todas estas abordagens analíticas assumem que os danos promovidos pelas cargas de
impacto restringem-se essencialmente ao material do núcleo e à lâmina superior. Em caso de
maiores danos, envolvendo ambas as lâminas e/ou penetração de projécteis, as técnicas
mencionadas anteriormente deixam de ser válidas ou exigem alterações significativas. No
entanto, estes eventos promovem um orifício ao longo da espessura com menores danos nas
suas imediações.
Do ponto de vista da resistência residual, Hiel et al [39] mostraram que, para uma
determinada gama de tamanho dos danos, os modos de falha e a resistência residual dos
compósitos sanduíche foram análogos aos de um painel contendo um furo circular penetrante
de igual tamanho. Deste modo, a resistência residual da lâmina superior pode ser estimada
através dos métodos disponíveis para a previsão da resistência residual de compósitos que
contenham furos penetrantes. Saczalski et al [40], com base num elevado número de testes
experimentais, obtiveram polinómios estatisticamente fiáveis para a resistência residual,
profundidade da indentação e a área danificada em função da configuração dos laminados
sanduíche (espessura do núcleo, espessura das lâminas) e energia de impacto. De acordo com
McGowan e Ambur [41], a profundidade da indentação não deve ser o único parâmetro
18
utilizado na medida de extensão do dano, pois não conduz a resultados suficientemente
fiáveis e realistas. Kassapoglou [42] desenvolveu um modelo para compósitos sanduíche com
delaminações elípticas, o qual prevê a sua falha quando a tensão na extremidade da
delaminação atinge um valor limite baseado no critério de falha de von Mises. Este modelo
também define o tamanho limite da delaminação para que a falha da sanduíche em
compressão mude de encurvadura global para encurvadura local da delaminação. O mesmo
autor verificou também que a complexidade geométrica, fendas na matriz, indentação e
delaminações resultantes do impacto também podem ser incluídos nos modelos usando uma
única delaminação elíptica equivalente [43]. Por outro lado, os métodos simplificados para
prever a falha por compressão desenvolvidos por Kassapoglou podem ser limitados na sua
aplicação devido à dependência que mostraram ter com o material e geometria dos laminados
sanduiche [44]. Minguet [39] apresentou uma abordagem diferente para a modelação da
resistência residual de estruturas sanduíche danificadas. Este autor usou a profundidade da
indentação como parâmetro avaliador da carga de encurvadura do painel danificado. O núcleo
é modelado como um material geralmente ortotrópico, onde a relação tensão-deformação é
linear até a tensão provocar o esmagamento do núcleo. Uma vez esmagado o núcleo, este
suporta uma tensão constante inferior à de esmagamento. O modelo, para estabelecer o dano
inicial após impacto, considera a indentação da lâmina e os danos no núcleo mas negligência
os efeitos das delaminações e as fendas na matriz.
19
Capítulo 2
Material, Equipamento e Procedimento
Experimental
Este capítulo aborda o fabrico dos materiais estudados no presente trabalho, o
equipamento utilizado e todo o procedimento experimental que esteve na base dos ensaios
realizados.
2.1 - Introdução
O objectivo deste estudo visa melhorar a compreensão do comportamento ao impacto
de painéis sanduíche com núcleo de cortiça. Com vista a atingir este objectivo, foi realizado
um vasto trabalho experimental. Nos pontos seguintes é feita uma descrição sumária dos
materiais, provetes, equipamentos e procedimentos experimentais.
2.2 – Manufatura dos Laminados
Com o intuito de comparar o comportamento ao impacto, foram fabricados laminados
de fibra de vidro e painéis sanduíche com resina epóxi SR 1500 e um endurecedor SD 2503,
ambos fornecidos pela Sicomin.
Os laminados foram construídos com 8 camadas de tecido de vidro, 3366-685 (120
2
g/m Plain), impregnadas manualmente uma a uma de modo a promover uma distribuição
uniforme da matriz no tecido. Seguidamente este conjunto era colocado num saco, selado a
quente, e sujeito a vácuo durante 10 horas numa prensa hidráulica à pressão de 2.5 bar.
Ainda à temperatura ambiente e à mesma pressão a placa mantinha-se mais 14 horas na
prensa. Finalmente as placas foram introduzidas numa estufa à temperatura de 402 ºC
durante 24 horas.
Por sua vez, os painéis sanduíche foram manufacturados com o mesmo procedimento,
sendo as lâminas (superior e inferior) constituídas por quatro camadas de tecido de vidro
3366-685 e o núcleo por uma placa de cortiça com 2 mm de espessura. A placa do núcleo foi
coberta com resina sendo, seguidamente, impregnadas as várias camadas do tecido de vidro
manualmente. Para melhorar a aderência entre as lâminas e o núcleo, as placas de cortiça
foram previamente secas numa estufa (Heraus, modelo UT 6060) durante 2 horas a 80 ºC. A
figura 2.1 ilustra alguns passos do processo de fabrico dos painéis sanduíche.
20
Figura 2.1 - Preparação dos painéis sanduiche.
2.3 – Provetes
Os provetes foram obtidos a partir dos laminados descritos anteriormente. A
geometria, ilustrada na figura 2.2, foi obtida com recurso a uma serra eléctrica havendo, no
entanto, um cuidado especial com a velocidade de avanço. De modo a evitar o aquecimento,
e consequentes alterações das propriedades mecânicas, foi utilizado ar comprimido seco.
5 mm
3 mm
100 mm
100 mm
100 mm
a)
b)
Figura 2.2 - Dimensões dos provetes usados nos ensaios de impacto: a) sem cortiça; b) com cortiça.
21
2.4 – Equipamento
Os ensaios foram realizados numa máquina de impacto da marca IMATEK, modelo
IM10, ilustrada na figura 3.3. O seu funcionamento baseia-se na queda livre de um impactor,
o qual se encontra instrumentado com uma célula de carga piezoeléctrica permitindo, deste
modo, que o sistema de aquisição de dados possa recolher até 32000 pontos por segundo.
Esta máquina é constituída por uma torre com duas colunas-guia onde se desloca, com
recurso a rolamentos, um carro que suporta o impactor. Este pode, assim, ser elevado até
uma dada altura e, de seguida, solto na direcção vertical com reduzido atrito nas colunasguia. A massa do conjunto pode ainda ser alterada pela adição de pesos até um total de 30
kg. A máquina está equipada também com um dispositivo de prevenção de segundo impacto.
A energia de impacto é completamente fornecida pela gravidade e controlada pelo
ajustamento da altura de queda, até um máximo de 2.5 metros. A velocidade é medida no
início do contacto e a força pela célula de carga. A dupla integração da curva de carga em
função do tempo fornece a variação da deflexão com a carga:
Figura 2.3 - Máquina de impacto IMATEK-IM10.
22
F (t )  m
d 2x
dt 2
(2.1)
onde F(t) é a força lida pela célula de carga, m é a massa do impactor e d2x/dt2 é a
aceleração. A partir desta equação pode então calcular-se a velocidade pela seguinte
expressão matemática:
V (t )  

1
F (t )dt  C0
m
(2.2)
onde V(t) é a velocidade da célula de carga e C0 é a constante de integração e V0 é a
velocidade inicial, ou seja, as condições iniciais de fronteira, onde C0 = V0, para t = 0. Da
equação 3.2 podemos finalmente calcular a deflexão, usando a seguinte expressão:
 1
X (t )   
 m

 F (t )dtdt   V t
o
(2.3)
onde X(t) é a deflexão em função do tempo. Estas integrações numéricas são realizadas
automaticamente pelo “software” Impact Versão 1.3, o qual permite ainda o armazenamento
de dados como a aceleração, o deslocamento, a energia, a força, o tempo e a velocidade.
2.5 – Procedimento Experimental
Os ensaios foram realizados na máquina de impacto IMATEK, modelo IM10, realizados
à temperatura ambiente e segundo o procedimento descrito na norma EN ISO 6603-2. Para
cada condição de ensaio foram ensaiados 3 provetes, com as geometrias descritas em 2.2,
tendo sido os dados posteriormente tratados em função dos respectivos valores médios.
Os ensaios foram realizados com um impactor hemisférico de diâmetro 12 mm, uma
massa total de queda de 2,925 kg e os provetes encontravam-se encastrados. Foram utilizados
os níveis de energia de 16 J, 20 J, 24 J, 28 J, 32 J, 36 J, 40 J, 44 J, 48 J, 50 J e 54 J visando
comparar a taxa de recuperação elástica e o respetivo número de impactos até ocorrer a
penetração total do impactor nos vários materiais estudados.
23
Capítulo 3
Análise e Discussão de Resultados
3.1 - Introdução
É reconhecido o facto das propriedades mecânicas dos materiais compósitos serem
significativamente afectadas pelos defeitos originados durante o processo de fabrico ou pelas
cargas de impacto que surgem ao longo da sua vida operacional e/ou durante os actos de
manutenção. Apesar destes danos não serem na maioria das vezes visíveis, eles promovem
uma diminuição significativa na resistência residual dos laminados.
Por outro lado, os compósitos sanduíche ao permitirem elevadas relações de rigidez,
torção e resistência específica reúnem condições para uma vasta aplicação nos mais variados
campos da engenharia. Neste contexto, o presente capítulo discute a melhoria da resistência
ao impacto de um compósito sanduíche, com núcleo de cortiça, relativamente aos laminados
simples produzidos com o mesmo material e configuração do utilizado nas lâminas da
sanduíche.
3.2 – Apresentação e Discussão de Resultados
Inicialmente será abordado o benefício da introdução de um núcleo de cortiça, entre
lâminas de fibra de vidro e resina epóxi, relativamente a laminados do mesmo material e
configuração (fibra de vidro/resina epóxi) através da análise das curvas força/tempo,
força/deslocamento e energia/tempo para vários níveis de energia. Os ensaios de impacto
decorreram segundo o procedimento experimental descrito no capítulo anterior e os
resultados encontram-se expressos ao nível das curvas médias.
Numa primeira análise pode observar-se que o traçado das curvas apresenta um
andamento semelhante ao observado na bibliografia [46-51]. As curvas manifestam algumas
oscilações que, segundo Schoeppner e Abrate [52], são devidas à resposta da onda elástica
que se cria e às próprias vibrações dos provetes. Estas, por sua vez, dependem da rigidez bem
como da massa do provete e do impactor e que, de acordo com Belingardi e Vadori [53], são
excitadas pela rápida variação das grandezas cinemáticas no instante da colisão.
Uma análise detalhada da figura 3.1 revela que, nos ensaios realizados em laminados
com energias de impacto até 28 J e nas sanduíches com energias de impacto até 32 J, a força
cresce até um determinado valor máximo, Fmáx, a partir do qual volta a diminuir até atingir
novamente o zero. Neste instante o impactor deixou de ter contacto com a placa.
24
Energia de Impacto
a)
Energia de Impacto
b)
Figura 3.1 – Curvas força-tempo para: a) laminados; b) compósitos sanduíche.
Por sua vez, no que diz respeito às curvas obtidas nos ensaios com laminados para
energias superiores a 32 J e no caso das sanduíches para valores superiores a 36 J, o
comportamento descrito anteriormente mantem-se mas com a particularidade de ocorrer um
patamar da força (força mais ou menos constante em torno de um valor médio) como
25
resultado de um maior dano [49]. Este comportamento, que difere das curvas anteriormente
descritas, está relacionado com o surgimento de maiores danos apesar de ainda não se
verificar perfuração [49, 51]. Pela análise das figuras, também se pode observar que o valor
de Fmáx é muito dependente da energia de impacto. Alguns autores verificaram que a força
máxima aumenta com a energia de impacto [49-51, 54] e esta tendência também se
manifesta neste estudo, para ambos os materiais, conforme ilustra a figura 3.2.
Figure 3.2 – Evolução da força máxima com a energia de impacto.
De acordo com Hosur et al [47] a força máxima aumenta quase linearmente com a
energia de impacto, o que também aqui acontece. No caso dos laminados, e até uma energia
de 28 J, os dados podem ser ajustados por regressão linear (y = 0.2606.x+1.9755) com um
coeficiente de correlação de 0.999 enquanto nos compósitos sanduíche, e até uma energia de
32 J, o coeficiente de correlação é de 0.997 (y = 0.1699.x+2.6124). As diferenças observadas
podem ser justificadas pelas diferentes propriedades, tanto à tração como ao corte, dos
materiais ensaiados [48]. Outra evidência apresentada na figura 3.2 é o facto da força
máxima aumentar até 36 J, em ambos os materiais, mas, após este valor, este parâmetro não
mostra ser afetado significativamente pela energia. Semelhante comportamento foi
observado por Reis et al [51] bem como Found e Howard [55] e pode ser justificado pela
enorme saturação de danos existente nos corpos de prova. Finalmente esta figura também
ilustra que os compósitos sanduíche apresentam, para todos os níveis de energia, menores
forças máximas. Para a energia de impacto de 16 J, por exemplo, o valor de Fmáx ocorrido nos
laminados é 13.9% maior que o observado nos painéis sanduíche, enquanto que esta diferença
é de apenas 8% para uma energia de 36 J. O facto dos valores mais baixos da força máxima
26
ocorrerem nas sanduíches deve-se à introdução da cortiça, a qual apresenta boas
características de amortecimento e boa tolerância ao dano promovido por cargas de impacto
[56, 57]. Dentro desta gama de energias (16 e 36 J) também se observa que Fmáx aumenta
48.5% nos laminados de fibra de vidro/epóxi ao invés dos 55.6% observados para as
sanduíches.
O tempo de contacto também foi analisado e encontra-se apresentado na figura 3.3.
Verifica-se que este parâmetro aumenta com o aumento da energia de impacto e é mais
elevado no caso dos painéis sanduíche. Este fenómeno é justificado mais uma vez pelas
propriedades intrínsecas à cortiça [56, 57]. Todavia, para os valores mais altos de energia, ele
aproxima-se do tempo de contacto observado nos laminados. Por exemplo, para uma energia
de 16 J, o tempo de contacto nos painéis sanduíche é 12.8% mais elevado do que o ocorrido
nos laminados mas, para energias de impacto superiores a 44 J, ambos os materiais
apresentam valores muito semelhantes.
Figure 3.3 – Evolução do tempo de contacto com a energia de impacto.
A figura 3.4 ilustra o andamento das curvas força-deslocamento, para ambos os
materiais, e caracteriza-se pelo crescimento simultâneo de ambos os parâmetros, até um
valor máximo, seguindo-se da sua diminuição. Este decréscimo, após Fmáx, significa que o
impactor se afasta da placa. Todavia, no que diz respeito às curvas obtidas com laminados
para energias superiores a 32 J e em sanduíches para valores superiores a 36 J, a força
permanece mais ou menos constante e o deslocamento aumenta. Este patamar coincide com
o observado no gráfico força/tempo e é resultado do maior dano ocorrido.
27
Energia de Impacto
a)
Energia de Impacto
b)
Figura 3.4 – Curvas força-deslocamento para: a) laminados; b) compósitos sanduíche.
O aumento da energia de impacto promove também maiores deslocamentos bem
como maiores danos. Este comportamento encontra-se ilustrado na figura 3.5, onde os painéis
sanduíche apresentam sempre maior deslocamento do que o observado nos laminados, exceto
para as energias de impacto mais elevadas onde o deslocamento é semelhante para ambos os
materiais. Por exemplo, para uma energia de 16 J, o deslocamento nos painéis sanduíche é
28
17.8% mais elevado do que o ocorrido nos laminados mas, para energias de impacto superiores
a 44 J, ambos os materiais apresentam valores muito semelhantes. Este fenómeno é idêntico
ao observado na figura 3.3 para a evolução do tempo de contacto com a energia de impacto.
Figure 3.5 – Evolução do deslocamento com a energia de impacto.
Finalmente a figura 3.6 ilustra a variação da energia com o tempo. O traçado das
curvas revela-se muito semelhante e pauta-se pelo aumento da energia com o tempo até um
valor máximo ficando, posteriormente, constante depois de ter decrescido uma determinada
quantia. O pico representa a energia de impacto, que é a energia fornecida ao laminado, e o
decréscimo corresponde à recuperação elástica depois do impacto. Se o material fosse
totalmente elástico a curva voltaria novamente a zero. Neste caso, parte da energia de
impacto não foi absorvida de forma elástica traduzindo-se em forma de dano.
A figura 3.7 compara a recuperação elástica, em função da energia de impacto, para
cada material estudado. A energia elástica foi determinada como a diferença da energia
absorvida (valor do patamar) com a energia de impacto (valor de energia no pico) [49-51]. Os
valores médios representados, em termos de percentagem, mostram que o aumento da
energia de impacto promove uma diminuição da energia restituída e, consequentemente,
maiores danos em ambos os materiais. Em termos de laminados de fibra de vidro/epóxi
verifica-se que a energia restituída diminui quase linearmente (y = -1.0058.x+54.162), cujo
polinómio foi obtido por regressão linear com um coeficiente de correlação de 0.994. Por
exemplo, comparando a energia restituída entre as energias de impacto de 12 J e 50 J, ocorre
uma diminuição da ordem dos 88.2%. No caso dos painéis sanduíche também se verifica uma
29
diminuição da ordem dos 72.6%, entre as energias de impacto de 16 J e 54 J, mas não existe
qualquer linearidade neste decréscimo.
Energia de Impacto
a)
Energia de Impacto
b)
Figura 3.6 – Curvas energia-tempo para: a) laminados; b) compósitos sanduíche.
30
Figure 3.7 – Evolução da energia restituída com a energia de impacto.
Na verdade existe um decréscimo mas, entre as energias de impacto de 36 J e 44 J,
existe uma ligeira tendência para a ocorrência de um patamar. Este fenómeno pode ser
explicado através do dano ocorrido ao nível do material do núcleo. Mais detalhadamente,
verifica-se que os laminados sanduíche até à energia de impacto de 28 J apresentam energias
restituídas inferiores à dos laminados. Por exemplo, para a energia de impacto de 16 J esta
diferença é de 20.3% enquanto para energia de 28 J é de apenas 17.2%. Seguidamente, entre
as energias de 32 J e 40 J, a energia restituída é muito semelhante à observada nos
laminados. Pode-se dizer mesmo que os resultados se misturam entre si. Finalmente para
energias de impacto superiores a 44 J a energia restituída dos painéis sanduíche é superior à
dos laminados fibra de vidro/epóxi. Como termo de comparação, a energia restituída dos
laminados impactados a 44 J e muito semelhante à observada nas sanduíches impactadas a 54
J. Este comportamento encontra-se fortemente condicionado pelas propriedades intrínsecas à
cortiça, onde a sua estrutura alveolar promove fortes benefícios ao nível do amortecimento e
boa tolerância ao dano promovido por cargas de impacto [56, 57].
O efeito dos multi-impactos foi analisado em termos de resistência ao impacto. A
figura 3.8 representa os resultados em termos de energia de impacto versus número de
impactos até ocorrer falha (N) e foi adotada a mesma representação usada nos ensaios de
fadiga (curvas SN). Para ambos os materiais, a falha foi considerada quando ocorreu
perfuração, ou seja, quando o impactor atravessou completamente os corpos de prova.
Comparando as curvas, é possível observar que a resistência ao impacto é maior para
os compósitos sanduíche do que para os laminados, contudo, este efeito é mais significativo à
31
medida que a energia de impacto diminui. Verifica-se mesmo que, para os níveis de energia
de impacto mais elevados, a resistência ao impacto é muito semelhante para ambos os
materiais. Por outro lado, para uma energia de 16 J, a resistência ao impacto dos painéis
sanduíche é sensivelmente 1.9 vezes maior que a observado nos laminados fibra de
vidro/epóxi.
Figure 3.8 – Resistência ao impacto para os diferentes materiais.
A evolução da força máxima ao longo dos multi-impactos foi analisada para ambos os
materiais e encontra-se representada na figura 3.9. Neste caso, N representa o número de
impactos instantâneos e Nr o número de impacto para o qual ocorreu a falha (perfuração).
Apesar da figura ilustrar o comportamento observado para as energias de impacto de 16 J, 20
J e 24 J ele revela-se representativo das restantes energias. À excepção dos ensaios onde
decorreram apenas dois impactos, para os quais foram ajustados polinómios de primeira
ordem por regressão linear, nos restantes verificou-se que os dados se ajustavam a um
polinómio do segundo grau com coeficientes de correlação que variaram entre 0.995 e os
0.998 para os laminados e entre 0.99 e os 0.995 para os painéis sanduíche. Tal como foi
observado na figura 3.2, também aqui se verifica que a evolução da força máxima é sempre
superior nos laminados em relação à observada nos compósitos sanduíche. Por outro lado,
comparando a força máxima entre o primeiro e o último impacto, verifica-se que esta
diferença é superior nos laminados relativamente à sanduíche. Por exemplo, para a energia
de 24 J, esta diferença é de 49.6% para os laminados e de 41.5% para os compósitos
sanduíche.
32
Figure 3.9 – Evolução da força máxima ao longo dos multi-impactos para as energias de 16 J, 20 J e 24 J.
A evolução do tempo de contacto também foi estudada e, para ambos os materiais,
encontra-se representada na figura 3.10. Neste caso N representa o número de impactos
instantâneos e Nr o penúltimo impacto antes de ocorrer a falha (perfuração). Pela referida
figura verifica-se que existem dois comportamentos distintos. Ao nível dos compósitos
sanduíche os dados podem ser ajustados por um único polinómio do segundo grau, com um
coeficiente de correlação de 0.994, mostrando, neste caso, que a sua evolução é
independente da energia de impacto. Contrariamente, a evolução do tempo de contacto nos
laminados fibra de vidro/epóxi revela-se dependente da energia de impacto. Neste caso, cada
nível de energia é ajustado por um polinómio do segundo grau e verifica-se que à medida que
a energia de impacto aumenta maior é o tempo de contacto, ou seja, maior dano. Na verdade
a introdução do núcleo de cortiça aumenta o tempo de contacto, tal como observado na
figura 3.3, e pode ser explicado pela sua estrutura alveolar [56, 57].
A figura 3.11 ilustra a evolução do deslocamento onde, mais uma vez, N representa o
número de impactos instantâneos e Nr o penúltimo impacto antes de ocorrer a falha
(perfuração). Para ambos os materiais, e para cada nível de energia, os valores podem ser
ajustados por polinómios de segunda ordem com coeficientes de correlação que variaram
entre 0.991 e os 0.998 para os laminados e entre 0.993 e os 0.995 para os painéis sanduíche.
Tal como se verificou na figura 3.5, também aqui o deslocamento do impactor observado ao
longo dos multi-impactos é sempre maior nas sanduíches do que nos laminados. Comparando
o deslocamento máximo entre o último e o primeiro impacto, por exemplo para uma energia
de 24 J, existe uma diferença de 58.6% para os laminados enquanto que nos compósitos
sanduíche é de 66.9%.
33
Figure 3.10 – Evolução do tempo de contacto ao longo dos multi-impactos para as
energias de 16 J, 20 J e 24 J.
Figure 3.11 – Evolução do deslocamento ao longo dos multi-impactos para as
energias de 16 J, 20 J e 24 J.
Finalmente a evolução da energia restituída ao longo dos multi-impactos encontra-se
ilustrada na figura 3.12, onde N representa o número de impactos instantâneos e N r o
34
penúltimo impacto antes de ocorrer a falha (perfuração). Para cada um dos materiais a
evolução deste parâmetro pode ser ajustada por um polinómio do terceiro grau, com um
coeficiente de correlação de 0.985 para os laminados e de 0.987 para os compósitos
sanduíche. Pode-se verificar a existência de três estágios, para ambos os materiais, os quais
estão relacionados com os diferentes mecanismos de dano que vão ocorrendo ao longo dos
multi-impactos. O primeiro estágio, no caso dos laminados, decorre durante os primeiros 40%
de vida à fadiga e assiste-se a perdas de energia restituída na ordem dos 29.8%, ao que se
segue um decréscimo lento (13.1%) até sensivelmente os 70% da vida à fadiga. Finalmente, no
terceiro estágio, ocorre novamente um decréscimo rápido da energia restituída, culminando
com o colapso. Ao nível dos compósitos sanduíche verificamos um primeiro estágio muito mais
curto, que decorre mais ou menos durante os primeiros 20% de vida à fadiga, e também com
um decréscimo da energia restituída muito menor (na ordem dos 15.3%). O segundo estágio,
comparativamente aos laminados, revela-se mais longo (até cerca dos 56% da vida à fadiga) e
apresenta um decréscimo apenas de 8%.
Figure 3.12 – Evolução da energia restituída ao longo dos multi-impactos para as
energias de 16 J, 20 J e 24 J.
35
Capítulo 4
Conclusões Finais e Recomendações para
Trabalhos Futuros
De acordo com os objetivos inicialmente estabelecidos, esta tese apresentou uma análise e
discussão de resultados que conduziu a algumas conclusões. Neste capítulo, serão então
abordadas as principais conclusões.
Numa fase seguinte são apresentadas algumas sugestões para trabalhos futuros.
4.1 – Conclusões Gerais
1 - O valor da força máxima é muito dependente da energia de impacto e aumenta, quase
linearmente, até 28 J no caso dos laminados e 32 J nos compósitos sanduíche. No
entanto, os painéis sanduíche apresentam, para todos os níveis de energia, menores
forças máximas.
2 - O tempo de contacto aumenta com o aumento da energia de impacto e é mais elevado
no caso dos painéis sanduíche.
3 - O aumento da energia de impacto promove maiores deslocamentos, contudo, estes
valores são sempre maiores nos compósitos sanduíche do que nos laminados.
4 - O aumento da energia de impacto promove uma diminuição da energia restituída e,
consequentemente, maiores danos em ambos os materiais. Em termos de laminados
fibra de vidro/epóxi verifica-se que a energia restituída diminui quase linearmente, no
entanto, esta tendência não é observada para os compósitos sanduíche.
5 - A resistência ao impacto é maior para os compósitos sanduíche do que para os
laminados, contudo, este efeito é mais significativo à medida que a energia de impacto
diminui.
6 - À excepção dos ensaios onde decorreram apenas dois impactos, para ambos os
materiais, a evolução da força máxima ao longo dos multi-impactos varia segundo um
polinómio do segundo grau.
7 - A evolução do tempo de contacto ao longo dos multi-impactos, para os compósitos
sanduíche, pode ser ajustada por um único polinómio do segundo grau. Todavia, no
caso dos laminados, esta evolução revela-se dependente da energia de impacto. Neste
caso, cada nível de energia é ajustado por um polinómio do segundo grau e verifica-se
que quanto mais alto for o seu valor maior é o tempo de contacto.
36
8 - A evolução do deslocamento para ambos os materiais, e para cada nível de energia,
pode ser ajustada por polinómios de segunda ordem. No entanto, o deslocamento do
impactor observado ao longo dos multi-impactos é sempre maior nas sanduíches do que
nos laminados.
9 - A evolução da energia restituída ao longo dos multi-impactos, para cada um dos
materiais, pode ser ajustada por um polinómio do terceiro grau. Verifica-se a existência
de três estágios, os quais estão relacionados com os diferentes mecanismos de dano
que vão ocorrendo. Ao nível dos compósitos sanduíche, o primeiro estágio é muito mais
curto e, também, com um menor decréscimo da energia restituída face aos laminados.
Por sua vez, o segundo estágio, revela-se mais longo.
4.2 – Recomendações para Trabalhos Futuros
Na sequência do presente trabalho surgiram alguns aspectos que se revelaram
interessantes para uma abordagem mais detalhada. De seguida, são referidos sumariamente
aqueles que poderão vir a ser alvo de estudo:
1 - Estudar o comportamento ao impacto de laminados que envolvam menores níveis de
energia de impacto.
2 - Efectuar uma análise de dano mais detalhada, especialmente ao nível dos compósitos
sanduíche.
3 - Estudar a tenacidade à fractura dos painéis sanduíche.
4 - Estudar os efeitos ambientais na resistência ao multi-impacto.
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