Estudo do desalinhamento das fibras nas propriedades mecânicas de compósitos estruturais de pás eólicas

• Main Author: André Santiago Barros
• Other Authors: Eduardo Abramof
• Language: Portuguese
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais 2009
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19@80/2010/01.15.11.17

Este trabalho apresenta o estudo da influência da ondulação nas propriedades mecânicas de componentes estruturais de pás eólicas processados por infusão a vácuo. Para isso, defeitos de desalinhamento de fibra do tipo ondulação fora do plano, comumente encontrados no processamento dos componentes, foram induzidos em laminados reforçados com fibras de vidro e carbono, para serem comparados com laminados de controle, sem a presença de defeitos. Com o desenvolvimento de um dispositivo especial, laminados com diferentes severidades (S = 2,5 até 20 %) foram fabricados e usinados para a obtenção de corpos-de-prova para ensaios estáticos de tração longitudinal (0°, carga aplicada na direção da fibra) e compressão longitudinal (0°), e para ensaios dinâmicos de fadiga em tração tração. As normas ISO 527-5, ISO 14126 e ASTM 3479 foram respectivamente utilizadas como referência para esses ensaios. Os ensaios estáticos e dinâmicos foram realizados em máquinas universais servo-hidráulicas e os dados de elongação, carga e número de ciclos adquiridos foram utilizados para determinar a resistência à tração, a resistência à compressão, a deformação na ruptura e a vida em fadiga. Durante o ensaio de tração longitudinal foi possível determinar o módulo de elasticidade e o coeficiente de Poisson, utilizando dispositivos sensíveis à deformação na região elástica do tipo strain gauges. A presença de ondulação nos laminados de vidro e carbono afetou negativamente a resistência à tração, com 25 % de decréscimo para os laminados de vidro com S = 20 % e 13 % para os laminados de carbono com S = 12,5 %. A queda da resistência à compressão se mostrou bastante acentuada, devido ao desalinhamento da fibra favorecer o modo de falha por dobramento. Ao se comparar a família de controle com a de S = 20 %, essa redução chegou a 84 % para os laminados de vidro e a 70 % para os de carbono. A análise do ensaio de fadiga comprova o efeito deletério da ondulação sobre a vida útil do laminado em esforços severos. Para uma tensão aplicada no valor de 65 % da tensão de ruptura, a vida em fadiga da família de referência (S = 0) do laminado de vidro foi de 60.000 ciclos. Aplicando-se o mesmo valor de tensão, a vida foi reduzida para 30.000 ciclos para a família com S = 10 % e para 1.500 ciclos para S = 20 %. Os resultados dos ensaios mecânicos mostram que a ondulação da fibra influencia negativamente nas propriedades mecânicas do laminado, evidenciando uma fratura catastrófica e precoce, localizada na região central do defeito, resultando em um local propício ao início de trincas em um componente estrutural sob carregamento severo. Em suma, este estudo permitiu quantificar os efeitos do desalinhamento de fibra tipo ondulação fora do plano nas propriedades mecânicas dos componentes estruturais de pás eólicas. === This work presents the study of waviness influence on the mechanical properties of wind blades structural components fabricated by vacuum infusion. For this purpose, out-of-plane waviness, which is a common manufacturing defect, was induced on glass and carbon reinforced plastics (GRP and CRP) and compared with control laminates without waviness (wave-free control specimens). With a special device, different severities varying from 2,5 to 20 % were intentionally induced in the laminates Specimen families with different severities were machined for statics longitudinal tensile test (0°, load applied on fiber direction) and longitudinal compression test (0°), and tensile-tensile fatigue dynamic test, R = 0,1. ISO 527-5, ISO 14126 and ASTM 3479 norms were respectively used for the tests. Both static and dynamic tests were performed on servo-hydraulic machines. Elongation, load and cycles number until brake were acquired and used to determine the tensile strength, the compression strength, the strain at break and fatigue life. During the longitudinal tensile test it was possible to determine the Young modulus and the Poisson coefficient using strain gauges extensometers. The waviness on GRP and CRP affects negatively the tensile strength, with a reduction of 25 % for GRP with S = 20 %, and of 13 % for CRP with S = 12,5 %. The drop of compression strength was significant due to the fact that the fiber misalignment leads to a buckling compression failure. Comparing the control laminate with the S = 20 % one, this reduction was 84 % for GRP and 70 % for CRP. The fatigue analysis proved that the out-of-plane waviness reduces substantially the composite life time under severe strengths. For an applied load of 65 % of control glass laminate tensile strength, the fatigue life for the control group was 60.000 cycles. Applying the same load, the fatigue life was reduced to 30.000 cycles for S = 10 % family and to 1.500 for S = 20 %. The mechanical tests results showed the negative influence of the waviness on the composite mechanical properties, and demonstrated the existence of a catastrophic and premature failure, localized on the central region of the wave, which can turns in a potential area for crack initiation of a structural component with severe load. In summary, this study allowed quantifying the effects of out-of-plane waviness on the mechanical properties of wind blade structural components.