Simulação da propagação de ondas ultrassônicas longitudinais em materiais estruturais aeroespaciais
Rodrigo Junqueira Leão
DISSERTAÇÃO
Português
T/UNICAMP L476s
[Simulating the propagation of longitudinal ultrasonic waves in aerospace structural materials]
Campinas, SP : [s.n.], 2012.
134 p. : il.
Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Junior
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica
Resumo: Materiais compósitos são cada vez mais utilizados na indústria aeroespacial, por apresentarem baixa relação entre massa específica e resistência mecânica. Para a realização de ensaios não destrutivos utilizando o ultrassom, faz-se necessário conhecer a velocidade com que o som se propaga...
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Resumo: Materiais compósitos são cada vez mais utilizados na indústria aeroespacial, por apresentarem baixa relação entre massa específica e resistência mecânica. Para a realização de ensaios não destrutivos utilizando o ultrassom, faz-se necessário conhecer a velocidade com que o som se propaga através desses materiais. Nem sempre é possível desenvolver protótipos reais durante o desenvolvimento de um projeto, por limitações construtivas e de custo; modelos virtuais são, pois, necessários. O objetivo deste trabalho é desenvolver modelos virtuais para avaliar a propagação de ondas em compósitos e compará-los com resultados experimentais. Uma liga de alumínio é usada inicialmente, de forma a calibrar o modelo e configurar alguns parâmetros de simulação. O material composto analisado é um laminado unidirecional, fabricado a partir de 97 camadas de material pré-impregnado (AS4/8552) da Hexcel¿. Utiliza-se o método dos elementos finitos para simular a geração, propagação e recepção de ondas ultrassônicas no modelo. O foco do estudo são ondas longitudinais de volume, embora a geração de ondas longitudinais criticamente refratadas (Lcr) também seja demonstrada. A razão é que o estudo é parte de uma pesquisa sobre o desenvolvimento de técnicas ultrassônicas para a medição de tensões em compósitos, utilizando Acustoelasticidade. A fim de permitir a medição da velocidade da onda ultrassônica em diferentes orientações, foi fabricado um corpo de prova em formato de prisma de base poligonal de 24 lados. O modelo numérico desenvolvido considera o caso ideal, onde as lâminas são perfeitamente coladas umas nas outras e não há problemas como delaminação ou vazios. Um modelo simplificado de cada lâmina foi admitido, de modo a utilizar uma malha menos refinada nas simulações e reduzir o gasto computacional. A fração volumétrica de reforço e matriz foi mantida. Um pulso de 1 MHz foi inserido no modelo e as discretizações no tempo e no espaço foram escolhidas de forma coerente. Simulações para o caso de 0º e 90º foram feitas e um modelo para os outros ângulos de orientação foi proposto. Os resultados mostram-se satisfatórios e indicam que, no futuro, o modelo simplificado adotado poderá ser estendido, levando em conta não conformidades e uma distribuição mais heterogênea das fibras, permitindo o desenvolvimento de ferramentas de inspeção aperfeiçoadas
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Abstract: The use of composite materials in the aerospace industry is increasing due to its low ratio between density and mechanical strength. To perform non-destructive testing using ultrasound, it is necessary to know the sound velocity in these materials. It is not always possible to manufacture...
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Abstract: The use of composite materials in the aerospace industry is increasing due to its low ratio between density and mechanical strength. To perform non-destructive testing using ultrasound, it is necessary to know the sound velocity in these materials. It is not always possible to manufacture physical prototypes during the development of a project because of time, construction limitation and cost; virtual models are therefore needed. The objective of this work is to develop virtual models to evaluate the wave propagation in composites and compare them with experimental results. Initially, an aluminum alloy is used in order to calibrate the model and configure some simulation parameters. The composite material analyzed is a unidirectional laminate, made from 97 layers of prepreg material (AS4/8552) from Hexcel¿. We use the finite element method to simulate the generation, propagation and reception of ultrasonic waves in the model. The focus of this study is the generation of longitudinal bulk waves, although the generation of Critically Refracted Longitudinal (Lcr) waves is also demonstrated. The reason is that the study is part of an ongoing research project on the development of ultrasonic techniques for measuring residual stress in composites, using acoustoelasticity. To enable the measurement of the ultrasonic wave velocity in different orientations, we manufactured a specimen in a prismatic shape (24-sided polygonal base). The numerical model consists of the ideal case, where the different materials are completely attached to each other and there are no problems such as delamination or voids. A simplified model of each layer was admitted, to use a less refined mesh in the simulations and reduce the computational cost. The volume fraction of reinforcement and matrix was maintained. A pulse of 1 MHz was inserted into the model and the discretization both in time and space was chosen consistently. Simulations for the case of 0° and 90° were made and a model for the other orientations was proposed. The results prove to be satisfactory and indicate that in the future, the simplified model adopted could be extended, taking into account nonconformities and a more heterogeneous distribution of the fibers, allowing the development of improved inspection tools
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