Efeito de spring-back em compósitos curvos : uma análise estatística multivariável
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Volnei Tita
Jánes Landre Júnior
Maria Irene Yoshida
Jose Eduardo Mautone Barros
Jánes Landre Júnior
Maria Irene Yoshida
Jose Eduardo Mautone Barros
Resumo
Este trabalho investiga o efeito de spring-in em função do tempo de compósitos em L. O
efeito de spring-in representa a deformação angular medida imediatamente após a
fabricação de um compósito curvo, mas ao longo do tempo, essa deformação varia. O
principal objetivo desse estudo é reclassificar esta deformação angular como efeito de
spring-back, ou seja, como o retorno da deformação angular do spring-in ao longo do
tempo. O efeito de spring-back é medido ao longo de aproximadamente 30 meses para
diversas famílias de compósitos. Resultados estatísticos comprovaram que o grau de cura
associado à taxa de resfriamento e à rigidez extensional tem efeito significativo sobre o
spring-back. A fim de se investigar a influência das variáveis mecânicas nos efeitos de
spring-in e spring-back, calculou-se as componentes das forças e momentos a partir do
processamento de amostras em três diferentes taxas de resfriamento da autoclave, diferentes
espessuras e várias sequências de empilhamento. Esta deformação angular variável ao
longo do tempo, medida para diferentes configurações, tende a se estabilizar após
aproximadamente três anos a partir da fabricação do compósito. A variação observada na
deformação angular mostra dependência direta com o processo de cura residual da resina
que compõe a matriz polimérica epóxi de cada amostra. Treze medidas de deformação
angular foram feitas ao longo desse período de tempo, desde maio de 2015 até dezembro de
2018. As componentes de forças e momentos foram obtidas indiretamente através da Teoria
Clássica de Laminação para cada configuração de família. Propôs-se um estudo estatístico
utilizando: Análise de regressão multivariável paramétrica de forma linear e não linear,
Modelos Aditivos Generalizados (GAM) e Modelos Random Forest. As análises feitas pela
primeira abordagem estatística investigou o efeito de diversas grandezas mecânicas e
físicas, bem como a variável tempo como fatores preditivos da deformação angular. As
demais abordagens investigaram a influência dessas componentes de forças e momentos no
efeito de spring-in e spring-back. As análises de regressão multivariável encontraram uma
relação direta entre o grau de cura, espessura, rigidez e tempo como fortes influenciadores
dessas deformações angulares. A análise obtida por meio da modelagem GAM e RandomForest provaram que as componentes de forças Nx e o momento Mx mostraram uma grande
influência no efeito de spring-in e spring-back. Os modelos estatísticos GAM atestaram a
influência das componentes das forças e momentos com precisão próxima de 90%,
enquanto a Modelagem Random Forest explica a deformação angular, na média, em valores
superiores a 85%.
Abstract
This work investigates the spring-in effect as a function of time in L-shaped composites.
The spring-in effect represents the angular deformation measured immediately after the
manufacture of a curved composite, but this deformation varies over time. The main
objective of this study is to reclassify this angular deformation as a spring-back effect, that
is, as the return of angular deformation of the spring-in over time. The spring-back effect is
measured over approximately 30 months for several different composite families. Statistical
results have shown that the degree of cure associated with the cooling rate and extensional
rigidity has a significant effect on spring-back. In order to investigate the influence of
mechanical variables on spring-in and spring-back effects, forces and moments components
were calculated from samples processed from three different autoclave processing cooling
rates, different thicknesses, and several stacking sequences. This angular deformation
variable tends to stabilize after approximately three years from the manufacture of the
composite. The angular deformation observed shows direct dependence on the residual
curing process of the resin composing the epoxy polymer matrix of each sample. Thirteen
angular deformation measurements were taken over from May 2015 to December 2018.
The forces and moments components were obtained indirectly through the Classical
Lamination Theory (CLT) for each configuration family. It was proposed a statistical study
using: Linear and non-linear multivariable regression analysis, Generalized Additive
Models (GAM) and Random forest models. Analyzes made by the first statistical approach
investigated the effect of several mechanical and physical properties, as well as the time
variable as predictive factors of angular deformation. The other approaches investigated the
influence of these components of forces and moments on the spring-in and spring-back
effect. Multivariate regression analysis found a direct relationship between degree of cure,
thickness, stiffness and time as strong influencers of these angular deformations. The
analysis obtained by means of the GAM and Random Forest modeling proved that the Nx
force component and the Mx momentum component showed a great influence on the
spring-in and spring-back effect. The GAM statistical models predicted the influence of the
components of the forces and moments with accuracy close to 90%, while the Random
Forest Model explains the angular deformation, on average, in values greater than 85%.
Assunto
Engenharia mecânica, Estatística - Análise, Calorimetria, Compósitos
Palavras-chave
Spring-in, Spring-back, Dependência temporal, Grau de cura residual, Calorimetria diferencial de escaneamento, Análise estatística