Formulação numérica de estruturas compósitas amortecidas utilizando as teorias da Deformação Cisalhante de Primeira Ordem e de Alta Ordem

Abstract

Materiais compósitos vêm sendo largamente utilizados no projeto de estruturas aeronáuticas devido ao seu baixo peso e alta resistência mecânica. Porém, estruturas compósitas são expostas a perturbações estáticas e/ou dinâmicas. Assim, um grande esforço de pesquisa é empreendido no desenvolvimento de ferramentas numéricas para a análise e projeto de estruturas compósitas amortecidas. Neste sentido, este artigo apresenta a formulação numérica, via Método dos Elementos Finitos (MEF), de estruturas compósitas não amortecidas e amortecidas por tratamentos internos. Materiais viscoelásticos são os dispositivos utilizados como tratamento interno e são aplicados na forma de uma camada contínua inserida internamente ao estratificado. O amortecimento intrínseco do material compósito é considerado nos estudos realizados. São implementadas numericamente as teorias da Deformação Cisalhante de Primeira Ordem (FSDT) e Alta Ordem (HSDT). Elas se distinguem pela ordem das funções utilizadas na aproximação matemática do campo de deslocamentos mecânicos. Ambas as teorias são implementadas computacionalmente utilizando o elemento finito de placa, chamado Serendipity, dotado de 8 nós, 5 ou 11 graus de liberdade por nó, conforme a teoria utilizada, ou seja, FSDT ou HSDT respectivamente. Os resultados são comparados com os disponíveis na literatura científica, discutindo‐se as vantagens e desvantagens da utilização de cada teoria na modelagem de estruturas compósitas e sanduíches amortecidas.

Composite materials have been used in the design of the aircrafts structures because their low weight and high mechanical strength. However, structures made in composite material are exposed to dynamical and/or static loading environments. Therefore, a major research effort is undertaken in the development of tools numerical for analysis and design of composite structures. This paper presents a numerical formulation of the composite structures using the Finite Element Method (FEM ). The damped composite structures, using inserted viscoelastic devices, and undamped composite structures are formulated by FEM . Viscoelastic materials are applied as continuous layers inserted on composite structures. The intrinsic damping of the composite material is included in the studies, too. The First‐order (FSDT ) and Higher‐order Shear Deformation (HSDT ) theories are formulated. They are distinguished by order of the approximation functions used in the mechanical displacements field. Both theories are computationally implemented using the Serendipity finite element. This is a rectangular finite element with 8 nodes, 5 or 11 degrees of freedom per node. The results are compared with papers predictions. The advantages and disadvantages of using each theory in the modeling of composite (thin or thick) and thick sandwiches structures, including the intrinsic and the viscoelastic damping, are discusses.