Metodologia para análise de sensibilidade e valores admissíveis de projeto em base B para resistência de laminados com furos circulares
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Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Methodology for sensitivity analysis and B-Basis allowable design values for the strength of laminates with circular holes
Primeiro orientador
Membros da banca
Rodrigo Guerra Peixoto
Maurício Vicente Donadon
Maurício Vicente Donadon
Resumo
A crescente demanda por previsões do comportamento de trincas em materiais compósitos tem
impulsionado avanços significativos nos estudos de falha, especialmente na área da Mecânica
da Fratura Linear Elástica. Os métodos tradicionais fundamentam-se na Teoria Clássica de
Laminados e nos critérios de falha de Tsai-Wu, que abordam a Falha da Primeira Camada e
a Falha da Última Camada, incluindo suas respectivas superfícies de falha. Contudo, a necessidade
de múltiplos testes associados a esses métodos resulta em altos custos e demanda
significativa de mão de obra. Para contornar essa limitação, foi desenvolvida uma abordagem
que utiliza o módulo longitudinal E1 como único parâmetro para determinar as propriedades
elásticas dos laminados. Essa metodologia não apenas simplifica os procedimentos de teste,
mas também pode ser expandida para prever a resistência de laminados entalhados sob cargas
de tração e compressão. Apesar da eficácia dessa abordagem, ela ainda depende de diversos
parâmetros do material, como a resistência longitudinal F1 e a tenacidade à fratura G0, além
de fatores geométricos como o diâmetro D e a largura W. Assim, este estudo visa desenvolver
uma modelagem em Mecânica da Fratura Finita para determinar tensões de falha em tração
e compressão, comparando e identificando as limitações do método aplicado com a literatura.
Também é avaliada a sensibilidade global da tensão de falha, considerando diferentes sistemas
de materiais e utilizando índices de Sobol. Por fim, um modelo substituto baseado em aprendizado
de máquina é proposto para gerar valores admissíveis de projeto em base B, com o intuito
de reduzir os custos computacionais e acelerar o processo de análise. Os resultados indicam que
os parâmetros mais influentes dependem do laminado e são governados principalmente pelo
diâmetro do furo.
Abstract
The increasing demand for predictions of crack behavior in composite materials has driven
significant advancements in failure studies, particularly in the area of Linear Elastic Fracture
Mechanics (LEFM). Traditional methods are based on Classical Laminate Theory (CLT) and
the Tsai-Wu failure criteria, which address First Ply Failure (FPF) and Last Ply Failure (LPF),
including their respective failure surfaces. However, these methods rely on multiple tests, resulting in significant costs. To overcome this limitation, an approach has been developed using the
longitudinal modulus E1 as a single parameter to determine the elastic properties of laminates.
This methodology not only simplifies testing procedures but can also be extended to predict
the strength of notched laminates under tensile (Open-Hole Tension - OHT) and compressive
(Open-Hole Compression - OHC) loadings. Despite the effectiveness of this approach, it still
depends on several material parameters, such as longitudinal strength F1 and fracture toughness
G0, as well as geometric factors like diameter D and width W. Therefore, this study aims to
develop a finite fracture mechanics model to determine failure stresses in tension and compression (OHT and OHC), comparing the obtained results with data available in the literature
and identifying the limitations of the applied method. The global sensitivity of failure stress is
evaluated, considering different material systems and using Sobol indices. Finally, a surrogate
model based on machine learning is proposed to generate B-basis design allowable values,
aiming to reduce computational costs and accelerate the analysis process. The results indicate
that the most influential parameters are laminate-dependent and are mainly governed by the
hole diameter.
Assunto
Engenharia de estruturas, Materiais laminados, Deformações e tensões, Mecânica da fratura
Palavras-chave
Materiais compósitos, Laminados de furo central, Teoria dos invariantes, Índices de sobol, Modelo substituto