Estudo analítico e numérico da flambagem de laminados duplo-duplo sob cargas axiais e de cisalhamento

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Tese de doutorado

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Membros da banca

Paulo Cesar de Matos Rodrigues
Frederico de Castro Magalhães
Igor Cezar Pereira
Rodrigo Teixeira Santos Freire

Resumo

Laminados duplo-duplo (DD), introduzidos em 2021 como uma alternativa aos laminados quase isotrópicos convencionais amplamente utilizados em aplicações aeroespaciais, consistem em sublaminados repetidos com dois grupos de ângulos balanceados. Essas configurações oferecem maior flexibilidade de projeto e facilidade de fabricação, despertando um crescente interesse da comunidade científica. Esta tese apresenta expressões de forma fechada para a análise de flambagem de placas de laminados DD de carbono/epóxi submetidas a cargas de compressão e de cisalhamento, considerando diferentes condições de contorno. Para o caso de carregamento por cisalhamento, a análise concentra-se em placas longas. Também é proposta uma estratégia de otimização com o objetivo de maximizar a resistência à flambagem por cisalhamento, considerando um espaço de projeto constituído por pré-impregnados de carbono/epóxi disponíveis comercialmente. As expressões de forma fechada são obtidas a partir de matrizes de rigidez adimensionais, normalizadas pela espessura do laminado e pelo módulo de Tsai. Um estudo comparativo de flambagem com laminados quase isotrópicos é realizado, avaliando a homogeneização e a influência do número de repetições nos termos de acoplamento 𝐷16 e 𝐷26. Para auxiliar no desenvolvimento de projetos, elabora-se um algoritmo capaz de identificar as sequências de empilhamento que maximizam as cargas de flambagem por cisalhamento. O algoritmo considera o módulo de Tsai, o conceito de camada mestre e tem como critério principal a maximização de 𝐷22. A validação por meio de análises de elementos finitos mostra que, para laminados que satisfazem as condições de homogeneização, as diferenças nas cargas de flambagem permanecem abaixo de 8%, com modos de flambagem consistentes. O algoritmo identifica com sucesso sequências de empilhamento próximas da solução ótima, com um erro de previsão de 8,2%.

Abstract

Double-double (DD) laminates, introduced in 2021 as an alternative to conventional quasi-isotropic laminates widely used in aerospace applications, consist of repeated sublaminates with two groups of balanced angles. These configurations offer greater design flexibility and ease of manufacturing, attracting growing research interest. This thesis presents closed-form expressions for the buckling analysis of carbon/epoxy DD laminate plates subjected to compressive and shear loads, considering various boundary conditions. For shear loading, the analysis focuses on long plates. An optimization strategy is also proposed to maximize shear buckling performance, using a design space based on commercially available carbon/epoxy pre-pregs. The closed-form solutions are derived from dimensionless stiffness matrices normalized by laminate thickness and Tsai’s modulus. A comparative buckling study with quasi-isotropic laminates is conducted, evaluating homogenization behavior and the effect of repetition count on coupling terms 𝐷16 e 𝐷26. To support the design process, an algorithm is developed to identify stacking sequences that maximize shear buckling loads. The algorithm incorporates Tsai’s modulus, the master ply concept, and the maximization of 𝐷22 as its primary criterion. Validation through finite element analysis shows that, for laminates satisfying homogenization conditions, differences in buckling loads remain below 8%, with consistent buckling modes. The algorithm successfully identifies near-optimal stacking sequences with a prediction error of 8.2%.

Assunto

Engenharia mecânica, Método dos elementos finitos, Compósitos, Materiais laminados, Cisalhamento, Flambagem (Mecânica)

Palavras-chave

Placas de compósitos laminados, Flambagem de placas, Compósitos duplo-duplo, Solução analítica, Método dos elementos finitos

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