Desenvolvimento de um elemento finito para análise de compósitos inteligentes: formulação, implementação e avaliação

• Main Author: Murilo Sartorato
• Other Authors: Volnei Tita
• Language: Portuguese
• Published: Universidade de São Paulo 2013
• Subjects: Cascas laminadas; Compósitos inteligentes piezoelétricos; Fibras piezoelétricas; Materiais inteligentes; Método dos Elementos Finitos; Finite Element Method; Laminated shells; Piezoelectric fibers; Smart composites; Smart materials
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18148/tde-17112017-173652/

O presente trabalho visa o desenvolvimento de uma formulação de um elemento finito de casca com capacidade de prever o comportamento de materiais compósitos inteligentes. Além disso, tem-se a implementação da referida formulação junto ao pacote comercial de elementos finitos Abaqus™, através de sub-rotinas em Fortran via sua ferramenta UEL (User Element). De posse da formulação implementada, realiza-se a avaliação de suas potencialidades e limitações através de estudos de casos. Para selecionar de forma criteriosa a formulação a ser avaliada, executa-se, inicialmente, uma revisão bibliográfica aprofundada sobre trabalhos relevantes na área. Posteriormente apresenta-se a fundamentação teórica da formulação selecionada, bem como uma discussão acerca dos diferentes modelos matemáticos existentes para piezeletricidade linear. Há também uma descrição sobre modelos de casca e do comportamento mecânico de materiais laminados. Além disso, tem-se que as particularidades existentes devido ao acoplamento piezoelétrico e a utilização da ferramenta UEL são discutidas. A metodologia utilizada no trabalho é abordada, evidenciando-se as diferentes etapas empregadas. Por fim, sete estudos de casos são investigados, comparando os resultados providos pelo elemento implementado via UEL com resultados da literatura, bem como, com resultados de experimentos realizados pelo Grupo de Estruturas Aeronáuticas da EESC/USP. Concluindo o trabalho, perspectivas futuras de novos projetos de pesquisas, fruto do presente trabalho, são apresentadas. Por fim, com base na análise dos resultados, conclui-se que a formulação proposta é capaz de simular o comportamento de estruturas fabricadas a partir de materiais compósitos inteligentes. No entanto, trabalhos futuros devem ser realizados com o intuito de melhorar a precisão dos resultados obtidos via UEL, sem gerar um elevado custo computacional. === The present work aims at the development of a shell finite element formulation in order to simulate the behavior of smart composite materials. Furthermore, the referred formulation is implemented within the commercial finite element package Abaqus™ by using Fortran subroutines through its UEL (User Element) tool. Based on the implemented formulation, case studies are used to evaluate its potentialities and limitations. A deep review of works in the area is carried out in order to perform a careful selection of the finite element formulation, which is implemented. After that, the theory for the selected formulation is presented, as well as a discussion of the different existing mathematical models for linear piezoelectricity. Also, a description of the mechanical behavior of laminated shells is shown. Besides, the particularities of the piezoelectric coupling and its implementations by using UEL tool are discussed. The used methodology is addressed, detailing its phases. Finally, seven case studies are investigated, comparing results provided by simulations by using the implemented element with results found in the literature and experimental results from experiments performed by the Aeronautical Structures Group of the EESC/USP. In conclusion, based on the analysis of the aforementioned results, it is established that the proposed formulation is capable of simulating the behavior of smart composite structures. However, future works should be introduced to enhance the precision of the solutions obtained through the UEL tool, without increasing the inherent computational cost.