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A INFLUÊNCIA DA ESPESSURA DO NÚCLEO NO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE ESTRUTURAS

SANDWICH COM NÚCLEO EM ESPUMA METÁLICA

Sérgio André Ramalho Guedes

Orientador:

Renato Manuel Natal Jorge

Dissertação para grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Porto, 2017

“If I have seen further, it is by standing on the shoulders of giants.”

Sir Isaac Newton (1643 - 1727)

V

AGRADECIMENTOS

Antesdemais,gostariademostrartodaagratidãoàminhafamiliaquesempremeapoio

aolongodetodoocurso,mesmocomgrandeesforçoesacrificio.

Deumameneiraespecial,gostariadeagradeceraoProfessorDoutorRenatoNatalJorge

portodooapoioquemedeu.Especialmentepelaoportunidadequemedeuderealizarumtra-

balhoquejávinhaaserdesenvolvidopelaFEUPdesde2008.Peladisponibilidadeproporcionada

epelosdocumentosfacultadosagradeçoaomeuOrientadoremprimeirolugar.

GostariatambémdeagradeceraoDoutorMarcoParentepelaajudanassimulaçõesnu-

méricasepelaasuadisponibilidadeapresentadaaolongodosemestre.

Nãopoderiadeixardeagradeceratodososmeuscolegasquemeacompanharamaolon-

godestesanosemeajudaramaultrapassartodasasdificuldadesencontradas.Entreoutros,um

especialobrigadoparaoRafaelMachadoquemeajudouaconcluiraespecializaçãoemProjecto

eConstruçãoMecânica.

Porfimqueriaagradeceraosmeusdoisirmãosquemeauxiliaramnestalongacaminhada.

UmaagradecimentosingularparaomeuirmãoCarlosGuedespeloauxilionaorganizaçãodesta

tese.

Sérgio Guedes (Porto, 2017)

VII

RESUMO

Podemos encontrar estruturas sandwichnasmaisdiversasáreasdaengenharia.Desde

cedosepercebeuqueacombinaçãodeváriosmateriais,demaneiraaformarumasandwich,ofe-

reciaumacombinaçãodaspropriedadesdosmesmos.Assimsendo,paraaplicaçõesmaisexigen-

tesdopontodevistamecânico,autilizaçãodestetipodeestruturaspassaaserumaferramenta

muitoválida.

Combinandoaspropriedadesdechapasdealumínio(asfacesdaestruturasandwich) com

aspropriedadesdaespumametálica(núcleo)podemosobterumaestruturaextremamenteleve

eresistente.Aresistênciadaschapasdealumínioéaprincipalorigemdarigidezdaestrutura

sandwich.Analogamente,asrestantespropriedadesdaestruturaderivamdaspropriedadesda

espumametálicaque,comosabemospreviamente,éummaterialextremamente levee ideal

paraaplicaçõesondepossasersujeitoachoques,devidoàsuaaltacapacidadedeabsorçãode

energia.

As propriedades de uma estrutura sandwichcomnúcleoemespumametálicasãoideais

paraaplicaçõesnaindústriadostransportes.Porexemplo,alevezaeresistênciadestasestrutu-

rastorna-asapetecíveisparaaplicaçõesempainéistraseirosedianteirosdeumautomóvel,que

sãocomponentescríticosnumacolisão.Comestasconsideraçõesemmenteprocedemosauma

análisedainfluênciadaespessuradestasestruturasnoseucomportamentomecânico.Estaaná-

lisevemnoseguimentodeestudospréviamenteefectuadospeloDepartamentodeEngenharia

MecânciadaFaculdadedeEngenhariadoPorto.

IX

ABSTRACT

Wecanfindsandwichstructuresinalargerangeofengeneering fields. It was unders-

tood,earlyon,thatthecombinationofdiferentematerials-formingasandwich-resultedona

combinationofthepropertiesofthosesamematerials.So,forcertainapplications-wichhavea

highmechanicalrequirements-theutilizationofthiskindofstructuresbecameapowerfulltool.

Combiningthepropertiesofthealuminiumplates(the‘skin’ofthesandwichstructure)

withthepropertiesofthemetalfoam(thecore)wecanobtainahigh-resistantandlight-weigth

structure.Theresistanceofthealuminiumplatesisthemainoriginoftheoverallstructuresti-

fness.Consequently, theotherpropertiesof the sandwich structureoriginate from themetal

foampropertieswich,aswepreviouslyknow,isasuperlightweightmaterialandidealforshock

aplication,duetoitshighenergyabsorptioncapacity.

Thepropertiesofthesandwichstructurewithmetalfoamcoreareidealforaplicationson

thetransportationindustry.Thelightnessandresistanceofthisstructuresmakesitsuitablefor

usageonquarter-panelsofanautomobile,wicharecriticalcomponentsonacollision.

Withthisconsiderationsinmindweproceedtoananalisysoftheinfluenceofthecore

thiknessonthemechanicalbehaviorofthesandwichstructure.Thisanalisyscomesinlinewith

previousstudiesmadebytheMechanicalEngenneringDepartmentoftheFaculdade de Enge-

nharia da Universidade do Porto.

XI

AGRADECIMENTOS V

RESUMO VII

ABSTRACT IX

ÍNDICE XI

LISTA DE FIGURAS XV

LISTA DE TABELAS XIX

NOMENCLATURA XXI

1. INTRODUÇÃO 1

1.1 NOTAINTRODUTÓRIA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 APRESENTAÇÃOEOBJECTIVOSDATESE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 ORGANIZAÇÃODATESE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

REFERÊNCIAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2. REVISÃO DO ESTADO DA ARTE 5

2.1 BREVEINTRODUÇÃOHISTÓRICASOBRESEGURANÇARODOVIÁRIA. . . . . . . . . 5

2.2 ESTRUTURASANDWICH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3 ORIGEM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.4 ACTUALIDADE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

REFERÊNCIAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3. ESTRURA SANDWICH COM COM NÚCLEO EM ESPUMA METÁLICA 13

3.1 FACES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.2 NÚCLEO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.3 ADESIVO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.4 CONSIDERAÇÕESESTRUTURAISEMODOSDEFALHA. . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.5 ESTRUTURADAESPUMADONÚCLEO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.5.1 ESPUMASMETÁLICASDECÉLULAABERTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.5.2 ESPUMASMETÁLICASDECÉLULAFECHADA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.5.3 PROCESSODEFABRICODAESPUMA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.5.4 APLICAÇÕES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.6 ESTRUTURADACHAPADASFACES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

ÍNDICE

XII

3.6.1 PROCESSODEFABRICODACHAPA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.6.2 APLICAÇÕES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

REFERÊNCIAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4. ESTUDO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DA ESTRUTURA SANDWICH 37

4.1 ENSAIODEFLEXÃODETRÊSPONTOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.2 ENSAIOUCB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.3 COMPARAÇÃOEDISCUSSÃODERESULTADOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

REFERÊNCIAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

5. CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS 59

5.1 CONCLUSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.2 TRABALHOSFUTUROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

XV

Figura 1: Amostra da estrutura sandwich a estudar.[1] 2

Figura 2: Constituintes de uma estrutura sandwich [5] 8

Figura 3: Influência da espessura em algumas propriedades mecânicas [7] 8

Figura 4: Viga com perfil em I [7] 10

Figura 5: Exemplo de materiais para as faces de uma estruturas sandwich. [4, 5] 14

Figura 6: Exemplos de materiais utilizados como núcleo numa estrutura sandwich. [8, 9, 10] 14

Figura 7: Possiveis falhas de um adesivo. [7] 16

Figura 8: Célula aberta vs. Célula fechada [15] 19

Figura 9: Espuma metálica de célula aberta.[20] 21

Figura 10: Espuma metálica de célula fechada.[20] 22

Figura 11: Diferentes processos de fabrico da espuma metálica. [19] 23

Figura 12: Processo fabrico de insuflação de ar através de uma liga metálica no estado liquido.

[19] 24

Figura 13: Processo fabrico de espuma metálica, mistura de um agente no metal no estado li-

quido controlando a pressão no arrefecimento.[19] 26

Figura 14: Consolidação de um pó metálico com um agente seguido de um aquecimento até

que o agente liberte o hidrogénio contido nele, expandindo o material.[19] 27

Figura 15: Processso de ‘Investment Casting’[12] 29

Figura 16: Aplicações, propriedades e funções das espumas metálicas. [20] 31

Figura 17: Processo de Laminagem. 32

Figura 18: Latas de refrigirantes em Aluminio. [21] 33

Figura 20: Carroceria em alumínio do Jaguar XE. [23] 34

Figura 19: Fuselagem de uma aeronave em alumínio. [22] 34

Figura 21: Algumas aplicações na construção civil de estruturas em alumínio. [24, 25] 35

Figura 22: Configuração do ensaio de flexão de três pontos. [1] 38

Figura 23: Modelo numérico - Ensaio de flexão de três pontos 38

Figura 24: Detalhe da convergência da malha para o interior do provete. 39

Figura 25: Ensaio de tracção do aluminio EN AW 5754. [1] 41

Figura 26: Curva de tensão - deformação ensaio de compressão da espuma metálica. [3] 42

LISTA DE FIGURAS

XVI

Figura 27: Curva força - deformação obtida pela simulação numérica. 45

Figura 28: Configuração do ensaio UCB. [1] 47

Figura 29: Modelo numérico - ensaio UCB 48

Figura 30: Resultados do ensaio UCB. Curva força - deformação. 52

Figura 31: Ensaio UCB realizado em 2014. Detalhe de separação de camadas. [1] 53

Figura 32: Gráfico Força máxima - espessura dos resultados das simulações numéricas 55

Figura 33: Gráfico Força máxima - peso dos resultados das simulações numéricas. 55

Figura 34: Gráfico Força máxima - momento de inércia dos resultados das simulações numéri-

cas. 56

XIX

Tabela 1:Propriedades de alguns adesivos [6] 15

Tabela 2: Modos de falha de uma estrutura sandwich. [13] 18

Tabela 3: Numero de elementos utilizados na simulação numérica. 40

Tabela 4:Propriedades das faces em alumínio. [3] 40

Tabela 5:Constantes elásticas e plásticas da espuma metálica de célula fechada (ALPORAS) [3]

42

Tabela 6: Deformadas da simulação numérica 43

Tabela 7: Deformadas da simulação numérica do ensaio UCB. 50

LISTA DE TABELAS

XXI

NOMENCLATURA

Lista de abreviaturas

PUR – Poliuretano

PS–Poliestireno

UCB –UnconstrainedCylindricalBending

F3P–Flexãoem3Pontos

Lista de simbolos

ρ Densidade

ρ ̅ DensidadeRelativaα Pârametro interno do material

εY DeformaçãosegundooeixoY

σ Tensordastensões

E MódulodeYoung

ϑ CoeficientedePoissonϑpCoeficientedePoissonPlástico

kMódulodecompressibilidade

F Força aplicada

d Deslocamento uniaxial

m Massa

Iz Momento de Inércia

eEspessuradonúcleo

1

A INFLUÊNCIA DA ESPESSURA DO NÚCLEO NO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE ESTRUTURAS SANDWICH COM NÚCLEO EM ESPUMA METÁLICA

1. INTRODUÇÃO

Nestecapítuloinicialiremosrealizarumenquadramentodotemadestatesebemcomo

umabrevedescriçãodosobjectivosprincipaisdamesma.Asprincipaismotivaçõesquelevaram

aelaboraçãodestatesetambémserãoumtemaabordadonestecapítulo.Paratalapresenta-se

umabrevenotaintrodutóriaqueculminaránaapresentaçãoeobjectivosarealizarnotrabalho

deinvestigaçãoefectuadoaolongodestatese.Deformaafacilitaraleituradodocumento,fare-

mostambémumadescriçãodaorganizaçãodetodososconteúdospresentesnestatese.

1.1 NOTA INTRODUTÓRIA

A realizaçãodesta tesevemno seguimentodoprogramadeestudosdaFaculdadede

EngenhariadaUniversidadedoPortorelativoaoMestradoIntegradoemEngenhariaMecânica.

A sua elaboração incide no estudo do comportamento mecânico de uma estruturas sandwich

comnúcleoemespumametálica,comespecialinteressenavariaçãodaespessuradonúcleo.A

presentetesevemaindanoseguimentodoestudorealizadoem2014emtesededoutoramento

pelooEng.HelderMata,emcolaboraçãocomoProf.DoutorRenatoNatalJorge.

Asprincipaismotivaçõesque levaramàrealizaçãodapresenteteseestãorelacionadas

comacrescentepotencialidadedeutilizaçãodestetipodeestruturas.Umadaspossíveisaplica-

çõesdestespainéissandwichpassamporcomponentesdeautomóveis,comojáveioasertes-

tadonoestudoefectuadopelaFaculdadedeEngenhariadaUniversidadedoPortodesde2008.

Comacrescentepopulaçãomundialeinerentementeousodeautomóveis,vemváriosproble-

masassociados.Asegurançadospassageiroseaeficiênciaenergéticadestesveiculoséumtema

quevemsidoabordadoaolongodosultimosanos.Comodescobrimentodeummaterialcom

altaabsorçãodeenergiaebaixadensidaderelativa(espumametálica),ficouclaraasuautilidade

naindústriaautomóvel.Éagorapossivelestudarasparticularidadesdestematerial,queremter-

mosdesegurançarodoviária,queremtermosenergéticos.

Afaltadeinformaçãosobreestetipodeestruturaleva-nosaestudarassuasproprieda-

deseparticularidades.Comarealizaçãodestatesepretende-sedaraconhecerainfluênciada

espessuradonúcleoemespumametálicanarigidezdaestruturasandwich.

2

INTRODUÇÃO

1.2 APRESENTAÇÃO E OBJECTIVOS DA TESE

Apósumabreveintroduçãoeavaliadasasmotivaçõesquenoslevaramàrealizaçãodesta

tesepodemospassaràdescriçãodosobjectivosinicialmentepretendidos.

A presente tese tem por base o estudo do comportamento mecânico de uma estrutura

sandwich comnúcleoemespumametálicas. Estasestruturas caracterizam-sepor seremuma

opçãoatractivaparaváriasaplicaçõesestruturais,principalmenteligadasaoramodasindústrias

automóvel,aeronáuticaeaeroespacial.Aestruturaéformadaporumnúcleoporosodealumínio,

combaixadensidaderelativa,porduasfaces,tambémemalumínio, ligadosporumadesivoà

basedepoliuretano.

Figura 1: Amostradaestruturasandwichaestu-

dar.[1]

Combasenapoucainformaçãorelativaaestetipodeestruturaseconsiderando-acomo

umasoluçãomuitoatrativaparacombateracrescentesinistralidadenasestradas,estatesepro-

curaestabelecerlinhasdeinvestigaçãoquenospermita:

• atravésdesimulaçõesnuméricas,estabelecerumarelaçãoentrepeso,espessuraecom-

portamentomecânicodestetipodeestruturas;

Esteéoprincipalobjectivodestatese,noentanto,procuraremos,emparalelo,prevero

comportamentodosdiferentespainéissandwichquandosujeitosaprocessosdeconformação

plástica.

3


1.3 ORGANIZAÇÃO DA TESE

Descritososprincipaisobjectivosdestatese,podemosestabelecerumalinhaaseguirdo

estudorealizado.Paraalémdopresentecapítulo,quenosofereceumenquadramentodotema

destatese,apresenteorganizar-se-áemmais4capítulos.

Iniciaremospordescreverosconstituintesdaestruturasandwich, tal como iremos pro-

curartrabalhodesenvolvidorelacionadocomestasestruturas.Comoumadasmotivaçõesque

levouarealizarestateseéapreocupaçãosobresegurançarodoviária,introduzireiestecapítulo

(2.–RevisãodoEstadodaArte)comumabrevenotahistóricadodesenvolvimentodamesma.

Nocapítulo3(EstruturaSandwichcomNúcleoemEspumaMetálica)levaremosaodeta-

lhetodososconstituientesdaestruturasandwich.Passandopelosdiversosprocessodefabrico,

propriedadesecaracterísticas,bemcomoaplicaçõesdetodososconstituintes.

Detalhadostodososcomponentesdaestrutura,nocapítulo4estudaremosocomporta-

mento mecânicco da estrutura sandwichparadiferentesespessurasdonúcleo.Serãosimulados

em‘Abaqus’doisensaiosdeflexãoqueserãoobjectodeestudoecomparação.

Finalmente, no capítulo 5, será feitoopontode situaçãodo trabalhoefectuado, bem

comoumaprespectivadetrabalhosfuturosquecomplementamotrabalhorealizadopelaFacul-

dadedeEngenhariadaUniversidadedoPortoeestatese.

REFERÊNCIAS

[1]Mata,HélderTC,“EstudodeEstruturasSandwichHidroformadasConstituídasporNúcleode

EspumasMetálicas”,TesedeDoutoramento,FEUP,2014,Porto

5


2. REVISÃO DO ESTADO DA ARTE

Nestecapituloiremosdemonstraralgunsdosconceitosbasedeumaestruturasandwich

bemcomooseudesenvolvimentohistórico.Vistotratar-sedeumatecnologiaquetemvindoa

serutilizadacadavezmaisemcomponentesdealtaexigênciamecânica,iremostambémdarum

enquadramentohistóricocomparalelismoentreodesenvolvimentodaIndústriaAutomóvelna

EuropaeaspreocuaçõessobresegurançarodoviáriaaolongodosséculosXXeXXI.

2.1 BREVE INTRODUÇÃO HISTÓRICA SOBRE SEGURANÇA RO-DOVIÁRIA

No final do século XIX, com o aparecimento do motor de combustão interna (Karl

Benz,1885eGottliebDaimler,1886)surgenaeuropaumaindústriadeveículosautopropolciona-

dos,oquehojeéconhecidacomoaindústriaautomóvel.Inicialmenteapossedeumautomóvel

apenaserapossivelparaclassemaisaltadasociedadedaépoca,devidoaopreçoelevadodestes

equipamentos.Atítulodecuriosidade,oprimeiroautomóvelsurgeemPortugal,pelasmãosdo

IVCondedeAvilez,em1895.EsteveículotemcomomarcaaPanhard & Levassor.[1]

Desdecedosepercebeu,entreosapaixonadosporcorridasecompetição,queestes‘arte-

factos’podiamserusadoscomoveiculonumaprovadevelocidade.Recorde-sequeestetipode

eventosapenassedestinavamparaumapequenaporçãodasociedade,apesardeserapreciado

porpráticamentetodos.ComodesenvolverdoséculoXX,ecomacrescentepaixãopelascorri-

das,osresponsaveisdasgrandesmarcasautomóveisprocuravammelhorarosseusveículospara

umamelhorperformancenaspistas,comespecialatençãoávelocidadedosseusautomóveis.

[2]

Emparalelocomavelocidade,aluxosidadedestesveiculoseracadavezmaior,sendodi-

rigidoparaumpublicoemespecifico.TornandomarcascomoRollsRoyceeBentley,comosseus

impetuososcarros,iconesdos‘loucosanos20’.Énestaalturaque,findaa1ªGuerraMundial,

aparecenaindústriaaproduçãoemmassaeaestandardizaçãoquetêmumpapelfundamental

paraodesenvolvimentoautomóvel.Nesteperiodooautomóveltorna-semuitopopular,oque

levaaoaparecimentodemarcasqueproduzemveiculosparaopúblicoemgeral.Surgeporexem-

ploomiticoCitroen7CV(1933)emaistardeoVWBEETLE(1938).[2]

Atéestadatanãoháumaverdadeirapreocupaçãosobreasegurançadestesveículospor

6

REVISÃODOESTADODAARTE

partedosresponsáveisdemarcasdeautomóvel.Sendoregistadocadavezmaisincidentesen-

volvendoautomóveisbemcomoonumerodesinistralidades.Noentanto,asprimeiraspreocu-

paçõesacercadestetemajátinhamsidoabordadasporumaentidademundialmenteconhecida,

osirmãosMichellin.Asériedelivros“MichellinGuide”[3]são,hojeemdia,oaltobaluartedos

guias sobre gastronomia a nivelmundial. Contudo, as primeiras edições destes guias (1900-

1922) foramdirecionados aos automóveis e a informações uteis sobre as estradas. Inerente-

mente,apartirdasétimaediçãodesteguiaatemáticacomeçouaserdesviadaparaquestões

desegurançadosutentesdasviaspúblicas.Preocupadocomasegurançadosautomóveis,entre

1920e1931,Michelindecide,porcontaprópria,colocarsinais(cercade77000)nabermadas

estradasfrancesascomindicaçõesuteisparaosutilizadores,oquehojeéconhecidocomosinais

detransito.Estamedidafoidesdelogoabraçadapelogeneralidadedaspessoasquefrequenta-

vamasestradasfrancesasàdata.EstaideiafoientãoutilizadapelaEuropatoda,esurgeassimas

primeirasmedidasdeSegurançaRodoviária.[2]

Nestaaltura,periodopré2ªaGuerraMundialodesportoautomóvelviveumauge,ha-

vendocadavezmaiscompetiçãoentremarcasrepresentantes.Sendooautomóvelaimagemda

evoluçãotecnológicadopaisqueoproduz,odesportotorna-senumaquestãonacional,haven-

doassimmaisinteresseeinvestimentoporpartedospoliticos.Durantea2ªGuerraMundiala

indústriaautomóvelpráticamentedesaparenaEuropa,dandoorigemaumaindústriabélica.As

fábricaseequipamentosatéàdatautilizadosparaproduzirautomóveispassamaserusadosna

produçãodeequipamentomilitar.[1,2]

Findaa2ªGuerraMundialaEuropaencontranaindústriaautomóvelumaalavancadede-

senvolvimentoeconómico.MarcascomoaFIATemItália,aVolkswagen na Alemanha, a Citroen,

Renault e Peugeot na França e Austin e MorrisnaGrâ-Bertanha,vãocontribuirdeformadecisiva

pararelançaressespaisesnaeconomiamundial.Nadécadade50,aproduçãodeautomóveis

emmassaserádireccionadaparaaconstruçãodeveículosdemecânicasimples.Aclassemédia

emergenteprocurapequenosveículosquepermitamcadavezmaiorautonomiaefuncionalida-

de.SurgeassimcarroscomooRenault4,FIAT500e600quesãoveiculosutilitáriosquesetorna-

ramemicones.[2]

Osanos60sãoumaépocadecrescimentodaestabilidadeeconómica.Oempregoseguro,

oaumentodoníveldevidaeoconsequenteapeloaoconsumoirãocontribuirdecisivamente

paraamassificaçãodoautomóvelnasestradaseuropeias.Nadécadade70,começamasurgiras

verdadeiraspreocupaçõescomasegurançadospassageirosecomacrescentepoluiçãoatmosfé-

7


ricaprovocadapelosgasesemitidospeloescapedosautomóveis.

Noano1965,RalphNaderpublicouumlivrointitulado“Inseguroaqualquervelocidade”.

Nessapublicação,osenhorNaderavisaaindústriaautomóvelqueasinistralidadeapresentava-se

muitoaltaeosfabricantesnãoestavamalevavarasérioestegraveproblema.Desdeesteponto

asconsideraçõessobreasegurançadocondutorepassageiroscomeçaramapassarpelacabeça

dosfabricantesdeautomóveis.Cintosdesegurançade3pontos,vidrostemperadosetravões

maiseficientes(hidráulicos)foramasprimeirasmedidasimplementadas.Noentanto,asinistrali-

dadecontinuaacrescercomocrescimentodavendadeautomóveis.AtéaofinaldoséculoXXa

preocupaçãosobreestatemáticaécrescente,virandoosengenheirosparaaprocuradetécnicas

emateriasqueofereçammaissegurançaaosutilizadores.[3]

Comestaspreocupaçõesemmenteecomodesenvolverda indústria,osengenheiros

começaramaanalisarascausasdasinistralidadecrescente.Verificou-sequeumagrandemaioria

deacidentesrodoviáriosmortaissedeviaadanosinternossofridospelospassageirosdosauto-

móveis.Estacausaestariaintrinsecamenteligadacomaenergiaprovocadapelochoque,queera

totalmentetransmitidaparaocondutor,provocandoforçasGenormesaosocupantesdasviatu-

ras.Ficaentãoclaroqueainvestigaçãosobrenovosmateriaisquefossemcapazesdeabsorver

essaenergiaprovocadapelo impactodeumautomóveleradeenorme importância,devendo

serapostadapelosfabricantesdestesveiculos.Denominando-semateriaisdealtacapacidadede

absorçãodeenergia.Entreosmateriaisdescobertosquepreenchemestesrequesitostemosas

fibraspoliméricaseespumasmetálicas.[2]

Estandoonossotrabalhoincididosobreoestudodeestruturassandwichcomnúcleoem

espumametálica,iremosnocapituloseguintemostrarcomotemvindoaserdesenvolvidaeste

tipodetecnologia,desprezandoasoutrassoluçõesencontradaparaestetipodemateriais.

Numestudo realizado em2004pelaCommission for Global Road Safety a 15 Estados

MembrosdaUniãoEuropeiamostraquemaisde40000pessoasmorremnasestradaseuropeias

anualmenteemaisde1.5Milhoesficaferido,porvezescomferimentospermanentes.Écom

estapreocupaçãoqueincideodesenvolvimentodestatese:procurarlinhasdeinvestigaçãoque

proporcioneumadiminuiçãodesinistrosnasestradasmundiais,atravésdomelhoramentodos

componentescriticosdeumautomóvel.[4]

8


2.2 ESTRUTURA SANDWICH

Entende-se por estrutura sandwichcomoumacombinaçãodeelementosestruturaistipo

placafinaouespessacomadesãoentrefaces,atravésdeumacamadadeligaçãoquegaranta

atransferênciadeforçasentreeles,umadesivo,comomostraafigura2[5].Destacombinação

resultaumaestruturacomelevadarigidezespecífica,tornandoestasoluçãomuitopopularem

aplicaçõesdealtodesempenho.Adicionalmenteestasestruturastambémsãovantajosasdopon-

todevistatérmicoeacústico,dependendodacombinaçãodemateriaisutilizados.[6,7]

Apesardeconstituidaporpartesdiferentes,estetipodeestruturasfuncionaessencial-

mentecomoumtodo.Oafastamentodasfaceslevaaumaumentodomomentodeinérciada

estruturaoqueprovocaumaumentonarigidezdamesma.Ouseja,comumaumentoprática-

menteinsignificantenopesodaestrutura,autilizaçãodeumnúcleoentreasfacesofereceum

aumentoderigidezmuitosignificativo.Afigura3demonstraclaramenteestacaracterística.[6,7]

Figura 2: Constituintesdeumaestruturasandwich[5]

Figura 3: Influênciadaespessuraemalgumasproprieda-

desmecânicas[7]

9


Combinandodiferentesmateriaisparaasfaceseonúcleopodemosobterdiferentestipos

de estruturas sandwichparaumadadasolicitação.Napresenteteseseráabordadaumacombi-

naçãoparaaplicaçãoemcomponentesautomóvelsujeitosacolisões.Paraestetipodesolicita-

çãoseráesperadoqueaestrutura,paraalémdeserleve,porquestõesdeeficiênciaenergética,

tenhaumagrandecapacidadedeabsorçãodeenergia.Encontrando-seaindasobinvestigação,

serátambémimportanteestimaroscustosacrescidosdautilizaçãodestetipodeestruturas,quer

nasuaobtenção,quernaconformaçãoplásticadocomponenente.

2.3 ORIGEM

Tal como muitas tecnologias descobertas ao longo de milhares de anos, a estrutura san-

dwichresultatambémdaobservaçãodanatureza.Estasestruturasestãopresentes,porexemplo

nasasasdasaves,nasfolhasdeárvores,nosossos,etc...Esteúltimoexemploservecomoanalo-

giaaotipodeestruturaestudadanestatese,sendoasfacescompostasporumacasca,respon-

savelpelaresistênciaàflexãodoossoeonúcleopreenchidoporumaespuma(materialporoso),

queoferecearigideznecessáriaaomesmotempoqueémaislevequeomesmomaterialsem

porosidade.[5-9]

Atitulodecuriosidade,onomedestetipodeestruturasdeve-seaJonhMontagu,IVCon-

dedeSandwich,eprimeiroLordedaMarinhaInglesame1762.PressionadopelaguerradaRe-

voluçãoAmericana, Jonh intercalavaas reuniõesestratégicasentreosseuscomandantescom

pequenasrefeições.Estasconsistiamnumafatiadecarneentredoispedaçosdepão.Apartir

destaalturasurge,queronomedacomida,comootipodeestrutura.[8]

Historicamente o conceito de estrutura sandwichcomohojeéconhecidasurgeapenas

em1820.Noentanto,apenas110anosdepoisfoipostoempráticaempequenosaviões,que

usavamfacesempapelãoeamiantoprensadocomomateriaisdessaestrutura.Nodecorrerda

2ªGuerraMundial,ecomaescassezdemateriais,osBritânicosdesenvolveramoprimeiropro-

jectoausarcomercialmente,eemsérie,oconceitodeestruturasandwich.Esteprojectofica

conhecido como Mosquito,econsistenumaviãocomgrandepartedafuselagemcompainéisem

sandwich.Estespainéissãoconstituidosporfacesemchapasdemadeiraprensadafinaenúcleo

emmadeiradebalsa,queéumamadeiraextremamenteleve.[8,9]

Osfundamentosteóricosdestetipodeestruturasãodesenvolvidosapartirdateoriadas

vigascomperfilem“I”,figura4.Numavigadestetipoopapeldosbanzospodesercomparado

10


comopapeldasfacesnumaestruturasandwich,sendooprincipalresponsávelpelaresistênciaà

flexãodaviga.Porsuavez,opapeldaalmaésemelhanteádonúcleonumaestruturasandwich,

paraalémdeseroresponsávelpelaseparaçãodasfaces(banzos),ofereceumarigidezmaiorà

estruturabemcomoéoprincipalresponsávelpelaabsorçãodetensõesdecorte.[7]

Figura 4: VigacomperfilemI[7]

Emmeadosdosanos60aparecia,naconstruçãodecomponentesdealtodesempenho,

asfibrasdeorigempolimérica.Estesmateriais,apesardeapresentaremaltosmódulosdeelasti-

cidadeedensidaderelativabaixa,tinhamumarigideznãomuitoalta,quandocomparadacomos

materiaisusadosnaaltura.Noentanto,devidoássuasvantagensficouclaroqueestesmateriais

podiamtergrandeutilidade.Deformaamelhorararigidezdospainéisdefibra,oengenheiros

optaram por uma construção em sandwich, tornando assim este material o ideal para a constru-

çãodecomponenentesdealtodesempenho.

Aolongodasdezenasdeanosseguintes,atecnologiadeconstruçãoemsandwichtemvin-

doasertemadeinvestigaçãodeinumerasentidades.Combinandodiferentestiposdemateriais

naconstruçãodestetipodeestruturaépossivélobterdiversoscomponenentescomcaracterísti-

casmecânicasespecificas.Hojeemdiaestasestruturassãoutensiliosessenciaisnaconstruçãode

edifícios,porquestõestérmicaseacústicas,naindústriadostransportes,porquestõestérmicas,

acústicas,desegurançaedeeficiênciaenergética,bemcomonasindústriasaeronáuticaeaero-

espacial,pelasdiversasrazõesapresentadasanteriormente.[5-9]

11


2.4 ACTUALIDADE

Nopresentetrabalhoiremo-nosfocarnumaestruturasandwichcomnúcleoemespuma

metálicaefacesemalumíniolaminado.Estasestruturassãoessencialmentevantajosasdevidoá

suaaltarigidezespecificaquandocomparadascompainéisdealumínionormalmenteutilizados.

Paraalémdasuarigidez,estetipodeconstruçãoemespumametálicaoferecealtoscoeficientes

deabsorçãodeenergia.Diversasinvestigaçõestemvindoaserrealizadascomointuitodecon-

formarplásticamenteestasestruturasdeformaaseremutilizadasemcomponentesdeautomó-

veisouaeronaves.Estadificuldadeparteessencialmentedeproblemascomaadesãoentreas

faceseonúcleodestasestruturas,ocorrendodelaminação(separaçãodecamadas).

Recentementeforamapresentadassoluçõesparaestegenerodeproblema.Asubstitui-

çãodospainéisdealuminioporpainéisdefibradeorigempolimérica,tratamentotérmicosu-

perficialdaespumaeadiçãodematerialcristalinonaespumametálicasãoalgumassoluçõesque

têmvindoaserdesenvolvidas.[11,12]

REFERÊNCIAS[1]http://www.educacao-rodoviaria.pt/lazer/85-a-historia-e-evolucao-do-automovel-em-portu-

gal

[2] http://www.circulaseguro.pt/veiculos-e-tecnologia/como-evoluiu-seguranca-dos-automo-

veis-em-40-anos-ii

[3]http://www.christies.com/presscenter/pdf/2016/REL_108_MICHELIN_GUIDES_DECEM-

BER_2016.pdf

[4]CommissionforGlobalRoadSafety,“MakeRoadsSafe-Anewpriorityforsustainabledevelo-

pment”,WorldHealthOrganization,2004.



[6]Pereira,RuiJB,Phd-“Análiseestruturaldevigassandwichdealumínio-aglomeradodecorti-

ça”,2014,Aveiro

[7]HexcelComposites-HoneycombSandwichDesignTechnology[online].2000.

[8]JorgeNasseh,“Barcos–MétodosavançadosdeConstruçãoemcompósitos”,2007,RiodeJa-

neiro

[9]Carvalho,PedroMR,TeseMestrado-“Análisedocomportamentomecânicoeidentificaçãodo

tipodefalhaemestruturassandwichcomnúcleosdecortiça”,2008,Lisboa

[10]MFAshbyetal.,“Metalfoams:adesignguide”,Oxford,Butterworth-Heinemann.

[11]“NumericalModelingofEnergyAbsorptionBehaviourofAluminiumFoamCoredSandwich

PanelswithDifferentFibreReinforcedPolymer(FRP)CompositeFacesheetSkins”,2016

[12]LowVelocityImpactofAluminiumFoam-GlassFibreReinforcedPlasticSandwichPanels,

2015

13


3. ESTRURA SANDWICH COM COM NÚCLEO EM ESPUMA ME-TÁLICA

Nopresentecapítuloiremosdaraconhecer,deumaformamaisdetalhada,oscompo-

nentes da estrutura sandwich e as suasprincipais características, querdosmateriais querdo

aglomerado.Paraalémdasvantagensedesvantagensdestetipodeestruturas,iremostambém

daralgunsexemplosdeaplicações.

Antesdequalqueranálisedetalhadaé importante relembrarqueoprincipalobjectivo

de uma estrutura sandwich,dotipochapa,écombinarumaumentoderigidezglobaldaestru-

turacomoaumentodasuaespessura.Comoaumentodaespessuradachapaparaodobroiria

provocarumaumentodopesodaestruturaparaodobrotambém.Noentanto,aadiçãodeuma

camadadebaixopesoentreasfacesdaestruturairáprovocarodesejávelaumentodarigidez

globaldaestruturaaumcustodiminuidodeaumentodepeso[1,2].

3.1 FACES

Oprincipalpapeldasfacesnestetipodeestruturaéodesuportartensõesnormais,pelo

que omaterial utilizado para este componente terá de apresentar uma rigidez elevada. Para

alémdomódulodeelasticidadeelevado,osmateriaisescolhidosparaasfacespodemtambém

apresentaroutraspropriedadesdependendodotipodeaplicaçãodaestrutura.Entreessaspro-

priedadestemos:dureza,isolamentotérmico,isolamentoacústicoeresistênciaàcorrosão.Uma

característicaqueconvemreferirseparadamenteéaelasticidadedosmateriaisescolhidos.Éde-

sejávelquetodososmateriaisusadosnaestruturasandwichapresentemmódulosdeelasticida-

dedentrodamesmagama.Istoéimportantedopontodevistada‘harmonia’entreasinterfaces,

ouseja,édesejávelquetodososcomponentessecomportemelásticamentedemaneiraseme-

lhante,paracombaterosproblemasassociadosàseparaçãodecamadas.[2,3]

14

ESTRURA SANDWICH COM COM NÚCLEO EM ESPUMA METÁLICA

Figura 5: Exemplodemateriaisparaasfacesdeumaestruturassandwich.[4,5]

Osprincipaismateriaisutilizadosnasfacesdeestruturassandwich são aços, ligas de alu-

mínio,madeiraseseusderivadosemateriaisdeorigempolimérica.Nestateseiremosdaraten-

çãoa facesem ligadealumínio.Asprincipais vantagensdousodestematerial sãoaelevada

resistênciamecânicadestasligaseaboaresistênciaàcorrosão,paraalémdasuafacilidadede

obtenção.[2,3,6]

3.2 NÚCLEO

Oprincipalpapeldonúcleonumaestruturasandwichésuportarosesforçosdecortee

compressão,paraalémde,comele,asfacesficaremafastadasoqueprovocaráumamaiorresis-

tênciaàflexão.Énecessáriotambémqueapresentemumadensidaderelativabastantebaixa,de

formaajustificarasuautilização.Comojáhaviamosreferido,omaterialdasfacesedonúcleo,

idealmente,terãodeterumcomportamentoàflexãosemelhantes,paraevitarodeslizedasfaces

emrelaçãoaonúcleo,ouvice-versa.Outrascaracteristicasimportantessãooisolamentotérmico

eacústicobemcomoocontrolodevibrações.[3,7]

Oprimeiromaterialutilizadocomonúcleonumaestruturasandwichfoiamadeiradebal-

Figura 6: Exemplosdemateriaisutilizadoscomonúcleo

numaestruturasandwich.[8,9,10]

15


sa,queaindahojeéutilizadagraçasàsuabaixadensidadeefacilidadedetrabalhar.Osmaterias

maisutilizadosnamaioriadasaplicaçõessãoespumaspoliméricasexpandidascomoopoliureta-

no(PUR)epoliestireno(PS).Estesmateriais,sendoexpandidos,sãoideaisparaaconstruçãode

formascomplexaseutilizam-semaioritariamentenaconstruçãocivil.Alternativamente,paraum

usomaisexigenteanivelmecânicoutilizam-semateriaisdeorigemmetálica,geralmentesoba

formadefavodeabelhaouemespumametálica.[2,3]

3.3 ADESIVO

Numa estrutura sandwich,oadesivoéparteintegrantedamesma,logodeveráapresen-

tarpropriedadesmecânicasidênticasaosmateriaisconstituintesdaestruturaasercolada.Existe

umavastagamadeadesivosquepodemosutilizarnauniãodejuntasdemateriaisestruturais,de-

pendendodosmateriaisacolaredasuasolicitação[11].Habitualmenteutilizam-seadesivosda

familiadosfenólicos,acrílicos,poliuretanos,poliimidaseepóxidos.Natabela1estãopresentes

algumascaracterísticasdestesadesivos.Denotarquealgumaspropriedadesenunciadaspodem

seralteradascomaadiçãodeoutrasresinasouporelastómetro.[6]

Tabela 1:Propriedades de alguns adesivos [6]

Família Vantagens Desvantagens

FenólicosBaixo Custo; boa resistência mecânica; boa resistência a

temperaturas elevadas.

Baixa resistência à corrosão por solventes; baixa resistên-cia ao impacto; fragilidade devido ao processo de cura.

Acrílicos Boa resistência a solventes Resistência mecânica muito variavel.

Poliuretanos

Boa flexibilidade; bom com-portamento a baixas tempe-raturas; boa resistência ao

arrancamento; boa tenacidade.

Toxicidade do isocianeto; baixa resistência ao corte à

temperatura ambiente.

Poliimidas Grande dureza.Custo bastante elevado;

frágeis; pouco tenazes; fraca resistência a vibrações.

Epóxidos

Boa resistência mecânica; não produz agentes voláteis duran-

te a cura; apresentam pouca contração.

Custo bastante elevado; baixa resistência ao impacto

16


“Uma das principais caracterisiticas de um bom adesivo é a capacidade de endurecer du-

rante o processo de polimerização e sofrer deformação durante o endurecimentode forma a

libertar tensões residuais existentes” [1]

Noentanto,podeocorreralgumtipodeimprevistooufalhanaaplicaçãodoadesivo.Al-

gumasdasconsequênciaspodemserprovocadasporumaescolhaerradadoadesivo,poruma

máaplicação(tempodecura,temperaturadecura,etc..),umasolicitaçãoindevida,entreoutros

factoresmenoscorrentes.Épossivelanalisarafalhadeumajuantaadesivaeperceberotipode

falhaquetemos.Nafigura7temososdiferentestiposdefalhaquepoderáocorrernumajunta

adesiva.[7]

Figura 7: Possiveisfalhasdeumadesivo.[7]

Atravésdaanálisedaroturanaestruturapodemosdeterminaraorigemdafalha.Numa

juntaasfalhaspodemtercausanoadesivo,nosubstratoounumacombinaçãodosdois.Para

alémdaorigemdafalhapodemosaindaclassificá-lacomoadesiva(separaçãodoadesivonain-

terface)oucoesiva(quebradaadesão,oudoadesivooudoprórpriomaterialacolar).[7]

Noentantoépossívelobterestruturassandwichcomnúcleoemespumametálicasemo

usodeadesivosestruturais,dependendodométododeobtençãodaespumametálica.

17


3.4 CONSIDERAÇÕES ESTRUTURAIS E MODOS DE FALHA

Noprojectodeumaestruturasandwichénecessárioseguirvárioscritériosestruturais.

Estes critérios estão relacionados com a interação entre os materiais da estrutura, bem como as

solicitaçõesaqueestãosujeitos.Comojávimosanteriormente,onúcleoseráconstituidopor

ummaterialdebaixadensidadeecomummóduloderigidezaocortesuficienteparaevitaroes-

corregamentodasfacesemrelaçãoaonúcleo.Paraalémdestascaracterísticas,terátambémde

apresentarumarigidezsuficienteparamanterasduasfacesequidistantesaolongodaestrutura.

Relativamenteásfaces,comotambémjáhaviamosvisto,estasterãodeapresentarelevadare-

sistênciamecânicadeformaasuportarastensõesnormais,queaquiserãomáximas,bemcomo

osesforçosaxiais.Quantoaoadesivo,esteterádesercapazdemanteraligaçãoentreonúcleo

easfacesdeumaformarigida,deformaatransmitirosesforçorentreasfaces.Serátambém

importanteterconsideraçõesacercadatemperaturadefuncionamentodocomponente,poisas

suascaracteristicaspodem-sealterarcomdiferentestemperaturas.[12,1314]

Funcionandoemconjunto,estescomponentescomportam-secomoumsó.Osprincipais

modosdefalhadeumaestruturasandwichestãodescritosnatabela2.[13]

18


Tabela 2: Modos de falha de uma estrutura sandwich. [13]

Modo de Falha Ilustração Descrição

Resistência

Os materiais das faces e do núcleo devem ser capazes de resistir às tensões normais e de corte indu-

zidas. Assim como o adesivo terá de ser capaz de garantir a trans-ferência de das tensões de corte

entre as peles e o núcleo.

Rigidez

A estrutura deve possuir rigidez suficiente para evitar flexão exces-

siva.

Deformação Local

A espessura do núcleo e o módulo de corte têm de ser adequados de modo a prevenir a deformação

local da estrutura devido a cargas de compressão.

Deformação Global

Pode ser consequência da de-fromaçãp local. Assim como na

deformação local, a espessura do núcleo e o módulo de corte têm de

ser adequados.

Enrugamento das faces

A resistência do núcleo à com-pressão terá de ser suficiente, bem como a resistência dos adesivos na

situação de tensão no palno.

Instabilidade Intra-celular

Na presença de um núcleo celular, de modo a não ocorrer este tipo de falha, o tamanho das células deve-rá ser suficientemente pequeno em

relação à espessura das faces.

Esmagamento local do Núcleo

A resistência à compressão do materialdo núcleo não pode ser

demasiado baixo.

19


3.5 ESTRUTURA DA ESPUMA DO NÚCLEO

Asespumasmetálicas inserem-senacategoriademateriaisporososoucelulares.Exis-

temváriosexemplosnanaturezadestetipodemateriais:cortiça,madeira,ossohumano,etc...

Comumatodoseleséamicroestruturaconsistidanumaredetridimensionaldesuportes(célu-

laaberta)ouparedes(célulafechada).Paraummelhorentendimentodesteconceitodecélula

aberta/fechadaafigura8mostraessaparticularidadeentreosmateriaiscelulares.[15]

Figura 8: Célulaabertavs.Célulafechada[15]

Desdequeexisteregistobibliográfico,aprimeirapessoaaprocurarentenderageometria

ecomportamentosmecânicosdestetipodematerialfoioreconhecidomatemáticoSuiçoLeo-

nhardEuler(1707-1783).Desdeentãotemhavidoumavastaliteraturasobreageometria,com-

portamentomecânico,térmicoeeléctricodestesmateriais.LornaJ.GibsoneMichaelF.Ashby

desenvolveramumaextensainvestigaçãonesteramoemfinaisdoséculoXX(‘Cellular Solids –

Structure and properties’,1997).[15]

Estasestruturascelularesapresentamumaconfiguraçãoquealiaumarigidezelevadaa

umadensidaderelativabaixa.Vistoqueosprincipaisdesenvolvimentosnaliteraturadestases-

truturasapenasaparecemnofinaldoséculoXX,estasaindasãopoucoconhecidaspelosenge-

nheiros.Hojeemdiaainvestigaçãoincidemaioritáriamentenacapacidadedemelhoraropro-

cessodefabricodestesmateriais,devidoaograndepotencialdeaplicaçãodosmesmos.Com

propriedadescomoelevadarelaçãorigidez/peso,capacidadedeabsorçãodeenergiaevibrações

eisolamentotérmicoéfácilcompreenderointeressedosengenheirosporencontrarmétodosde

cálculoeprocessosdefabricoalternativosparaaobtençãodestesmateriais.Comestaconstante

melhorianatecnologia,omercadoparaestetipodematerialécadavezmaissignificativo,não

20


incidindoapenasnasindústriasaeronáuticaeaeroespacial.Hojeemdiaépossivelencontrares-

tesmateriaisnasmaisdiversasindústrias.[16-19]

Comojátinhamosreferidoaestruturadasespumasédefinidaporumarranjotridimen-

sionaldecélulas.Seosporosdaespumapartilharementresiasparedesearestasaespumaé

classificadacomocélulafechada.Casoaestruturasejaumaredeinterligadaaespumadesigna-

-seporcélulaaberta,comomostramasfiguras8e9.Denotarqueestasespumas,normalmente

apresentamvaloresdevaziosnaordemdos75-95%,istoé,apenas25-5%dovolumeéocupado

pormaterial.[16-18]

As caracteristicas estruturais das espumas, nomeadamente: a formaeo tamanhodas

células,aformaemqueosólidoédistribuidoentreasarestaseasfaceseaspropriedadesda

matrizmetálica,sãofactoresdeterminantesnaspropriedadesdaespuma.Paraalémdestesfac-

tores,sãoigualmenteimportantesapercentagemdecélulaseaanisotropiadeforma.Através

daescolhadoprocessodefabricoapropriadoouatravésdamanipulaçãodosparâmetrosdeum

determinadoprocessopode-seobterdiferentesestruturascelularesnoquerespeitaàmorfolo-

gia(tamanhoeforma)maisadequadaparaumadadaaplicação.[20]

Paraalémdaspropriedadesreferidas,asmaissignificativas,asespumasmetálicasapre-

sentamaindaoutrascaracterisiticasquepodemservantajosasaniveldoprojecto.Nãoinflamá-

vel,reciclável,capacidadedeflutuaçãoealgumaspropriedadestérmicassãocaracteristcasque

derivamdomaterialbasedaespumaepodemsermanipuladasadeformavantajosa.[18,19]

3.5.1 ESPUMAS METÁLICAS DE CÉLULA ABERTA

Asespumasmetálicascomestruturadecélulaabertadenomina-sedestemododevido

aosporosapenaspartilharementresiasarestasqueosformam.Estacaracterísticapodeserob-

servadamicroscopicamenteoupelaavaliaçãodapermeabilidadedaespuma.Apenasasespumas

metálicasdecélulaabertatêmacapacidadedeseremusadascomofiltrosdevidoàsuapermea-

bilidade.Nafigura9podemosobservarestascaracterísticasdaespuma.[16-19]

21


Asespumasmetálicasdecélulaabertasãonormalmenteutilizadasemaplicaçõesmais

exigentesdevidoaoaltocustodeproduçãoedesempenho,indústriaaeroespacial.Noentanto,

podemtambémserutilizadasnoutrasaplicações,incluindopermutadoresdecalor,absorçãode

energiaoudifusãodefluxo.Comojátinhamosreferido,estasespumasdecélulaaberta,quando

otamanhodascélulasépequeno,podemserutilizadascomofiltrosdealtatemperatura.[1]

3.5.2 ESPUMAS METÁLICAS DE CÉLULA FECHADA

Emcomparaçãocomasespumasmetálicasdecélulaaberta,asespumasmetálicasde

célulafechadasãoconstituidasporcélulasquepartilhamentresi,paraalémdasarestas,paredes

queseparamascélulas.Estacaracteristicapodeservisivelnafigura10.Osporosdestasespumas

sãogeralmentefeitosporinjeçãodeumgásoumisturadeumagente(TiH2maioritariamente)que

promoveoaparecimentodeporosidadesemmetaisfundidos.

Figura 9: Espumametálicadecélulaaberta.[20]

22


Figura 10: Espumametálicadecélulafechada.[20]

Deformaaestabilizarasbolhasnometalfundido,necessita-seumagenteformadorde

espumadealta temperatura. Lembra-sequeoalumínio fundeauma temperatura superiora

660ºC.Geralmenteo tamanhodas células é naordemde1 – 8mm. Estas espumas são fre-

quentementeutilizadasemsolicitaçõesdeimpacto,devidoàsuaboacapacidadedeabsorção

deenergia.Aocontráriodasespumasdeorigempolimérica,asespumasmetálicasmantêm-se

deformadasapósoimpacto.

3.5.3 PROCESSO DE FABRICO DA ESPUMA

Oprocessodefabricodasespumasmetálicasaindaétemadeinvestigaçãoporparteda

comunidadecientífica.Noentanto,jáexistemváriosavançosnestaáreadeinvestigação.Aspro-

priedadesdasespumasmetálicaseoutrasestruturascelularesdependemessencialmentedas

propriedadesdometaldebase,dadensidaderelativaedotipodeestruturadacélula.Existem

diversastécnicasdeobterespumasmetálicas,entreasmaiscomunstemos(denotarqueentre

parêntesesrectotemosotipodeligautilizadoemcadaprocesso):[19]

I. Insuflaçãodearatravésdaligametálicanoestadoliquido,Al-SiCouAl-Al2O3;[Al,Mg]

II. Misturadeumagente(tipicamenteTiH2)nometalnoestadoliquidocontrolandoapres-

sãonoarrefecimento;[Al]

III. Consolidaçãodeumpómetálico(comumenteligasdealuminio)comumagente(nova-

23


mente TiH2) seguidodeumaquecimentoatéqueoagente liberteohidrogénio contidonele,

expandindoomaterial;[Al,Zn,Fe,Pb,Au]

IV. Produçãodeummoldecerámicoatravésdeumaceraouumprecursorespumadeorigem

polimérica,seguidodaqueimadoprecursoreapressurizaçãocomometalliquidoouumapasta

depómetálicoqueposteriormenteésinterizado;[Al,Mg,Ni-Cr,Aço-Inox,Cu]

V. Deposiçãodevaporouelecrodeposiçãodometalnumaespumadeorigempolimérica

queéposteriormentequeimada,deixandocélulasfechadasnointerior;[Ni,Ti]

VI. Emprisionamentodeumgásinerteaalta-pressãonosporos porumapressãoisostáica

(HIPing),seguidodeumaexpansãodogásaaltastemperaturas;[Ti]

VII. Sinterizaçãodeesferasocasproduzidasatravésdeumprocessodeatomizaçãomodifica-

do;[Ni,Co,LigasdeNi-Cr]

VIII. Compressãodeumpómetálicomisturadocomumoutropóquedepoisdepressurizado

solta-sedamatrizmetálicaprovocandoumesqueletoemespumametálica[Al,comsalaservir

deaditivo]

IX. Dissoluçãodeumgás(tipicamenteHidrogénio)nometalliquidosobpressão,permitindo

alibertaçãocontroladadogásduranteasolidificação.[Cu,Ni,Al]

Estessãoosprocessosconhecidosmaisusuaisnaproduçãodeespumasmetálicas.No

entanto,apenasosquatroprimeirosmétodossãousadosanivelindustrial,peloqueiremosde-

talharcadaumdestesprocessos.Cadamétodopodeserusadonaproduçãodecertostiposde

materiaisporososoucelularescomassuaslimitaçõesquantoàdensidaderelativaeotamanho

Figura 11: Diferentesprocessosdefabricodaespumametálica.[19]

24


dascélulas.Nográficodafigura11temosasdiversasgamasdetamanhosdecélula,tiposde

célulaedensidadesrelativasobtidaspelosdiversosprocessosenunciados.[19]

I. Insuflaçãodearatravésdeumaligametálicanoestadoliquido

Nocasodemetaispurosaobtençãodeespumanãoumprocessosimples,umavezquea

espumaresultantenãoésuficientementeestávelecolapsaantesdometalsolidificar.Umaforma

decombateresteefeitoéadicionaraometalliquidopequenasparticulasdeóxidodealuminio

deformaaaumentaraviscosidadedometal,eassimaumentaraestabilidadedaespumaquando

arrefecida.Esteprocessoéomaiscorrenteparaformarespumasdealuminiodevidoaometal

base(Al)apresentarbaixadensidadeenãooxidaexcessivamentequandoometalliquidoéex-

postoaoarououtrogásquecontenhaoxigénio.[19,20]

Existemdiversasvariantesdesteprocesso,umadasquaisestárepresentadanafigura12.

Figura 12: Processofabricodeinsuflaçãodearatravésdeumaliga

metálicanoestadoliquido.[19]

Oaluminiopuroouligadoéfundidoeemseguidaadiciona-se5-15%departiculascerâmica

estabilizadora.Estasparticulas,tipicamentede0.5–25μmdediametro,podemserdealumina,

zirconia,siliciooucarbonetos.[19,20]

25


Existeumagrandevariedadeparacriarbolhasdentrodoaluminioliquido.Oaréomais

utilizado,noentanto,podemserusadosgasescomodióxidodecarbono,oxigénio,gásesinertese

atéágua.Asbolhasformadasporesteprocessoboiamatéàsuperficiedometalliquido,drenam

todoogáscontidonomaterialeemseguidacomeçamasolidificar.Ascaracterisiticasdaespuma

resultantesãocontroladaspela injeçãodoar,dogradientede temperatura,davelocidadede

arrefecimentoedaviscosidadedometal.[19]

Esteprocessoéutilizadonaproduçãodeblocosdeespumametálicacomdimensõesaté

2.44x1.22x0.42metrosecélulasfechadasde5a20mmdediâmetro.Inicialmentepatenteado

pela ALCAN(empresacanadianadeproduçãodealuminio)estemétodoéactualmenteutilizado

pelas empresas CYMAT (também canadiana e especialista mundial na produção de espumas de

aluminio) e NORSK-HYDRO (empresa norueguesa de produção de aluminio e mais recentemente

cominovaçõesnoramodasenergiasrenováveis).[19,20]

II. Misturadeumagentenometalnoestadoliquidocontrolandoapressãonoarrefecimento

Ligasmetálicaspodemsertransformadasemespumaatravésdeumagentequeliberta

gásquandoaquecido.Oagenteformadordeespumaéohidretodetitanio(TiH2)que,quando

aquecidoacimade465ºC,começaadecompor-seemTienumgás,H2.Adicionandoparticulas

dehidretodetitânioaoaluminioliquido,causaráarápidalibertaçãodegás,criandobolhasque

formarãoespumametálicadecélulafechada.Analogamenteaoprocessoanterior,aviscosidade

dometaltambémterádeapresentarvaloreselevados.Umaviscosidadereduzidapodeprovocar

auniãodasbolhas,criandoassimumaestruturadecélulaaberta.Paracombateresteefeitoéadi-

cionadocálcioquandoometalseencontrajánoestadoliquido.Èpossivelcontrolaresteproces-

soatravésdamanipulaçãodaquantidadedeagenteutilizado,pelascondiçõesdearrefecimentoe

pelapressãoexterior.Aespumaresultantedesteprocessotemcélulasquevariamde0.5a5mm

dediâmetroedensidaderelativaavariarentre0.2e0.07.[19,20]

Oprocessoinicia-sepelafusãodoaluminioeasuaestabilizaçãoaumatemperaturaentre

670e690ºC.Aviscosidadeéposteriormenteaumentadacomaadiçãodecálcioquerapidamente

oxidaeformaCaOeCaAl2O2(Figura13,a)).Ometalliquidoérapidamentemisturadoeadiciona-

-se1a2%dehidretodetitânionaformadeparticulade5a20μmdediâmetro(Figura13b)).

Assimqueasparticulasestejamdispersasnometal liquidoretira-seomisturadoreaespuma

podeassimserformadanaescóriadometal(Figura13c)).Finalmenteretira-seoaquecimentoe

26


Figura 13: Processofabricodeespumametálica,misturade

umagentenometalnoestadoliquidocontrolandoapressão

noarrefecimento.[19]

assimometalcomeçaasolidificar(Figura13d)).

EstatécnicafoidesenvolvidapelaThe Shinko Wire Company(empresajaponesaperitaem

fabricarfiosmetálicos),etemcomonomedoprodutoALPORAS.[19]

27


III. Consolidaçãodeumpómetálicocomumagenteseguidodeumaquecimentoatéqueo

agenteliberteohidrogéniocontidonele,expandindoomaterial

Osagentespromotoresdeespumapodemserintroduzidosnometalmesmonoestado

sólido.Hidretodetitânio,oagentemaisutilizadonaproduçãodeespumasmetálicas,começaa

decompor-seacercade465ºC,queébemabaixodopontodefusãodoaluminiopuroesuasligas

(aproximadamente660ºC).Estepressopostolevantaapossibilidadedecriarespumadispersando

oagentenoaluminiosólido,usandoo‘powdermetallurgyprocesso’*.Emseguidaaumenta-se

atemperaturaatépermitiralibertaçãodogásefundirtotalouparcialmenteometaldeformaa

permitirosporosacrescer.Posteriormenteumarrefecimentoadequadopermitequeaespuma

Figura 14: Consolidaçãodeumpómetálicocomumagenteseguidodeumaquecimento

atéqueoagenteliberteohidrogéniocontidonele,expandindoomaterial.[19]

28


estabilize.Esteprocessofoidesenvolvidoporváriasempresas.NomeadamenteaIFAM (instituto

deinvestigaçãocientíficaalemão),aLKR(institutoaustriacodeinvestigaçãoligadoàtecnologia

demetaisleves)eaNeuman-Alu (empresaaustriacaespecialistanodesenvolvimentoeprodução

depeçasdealuminiodegrandequalidade).[19]

Nafigura14mostra-seumdiagramaesquemáticodasequênciadeproduçãodeespumas

metálicasporesteprocesso.Começa-sepormisturarasparticulasdehidretodetitânio (TiH2)

comopódeligadealuminio(Figura14,a)).Apósamisturacompletadosingredientes,aindano

estadosólido,écompactadaeemseguidaextrudidaempequenasbarrasouplacas,chamadas

deprecusores(Figura14,b)).Oprecursoréentãodepositadonummolde,ondeéaquecido(Fi-

gura14,c)).Esteaquecimente,atétemperaturassuperioresàtemperaturadefusãodoaluminio,

promovealibertaçãododegás,formandoassimaespumametálica(Figura14,d)).[19]

Umavariantedesteprocessofoidesenvolvidarecentemente.Oprecursorélaminadoen-

treduasfacesmetálicas,formandoassimumaestruturasandwich comumnúcleosólido.Este

processoévantajosonopontodevistadaconformaçãoplásticadeestruturassandwichdevido

aonúcleoaindaseencontrarnoestadosólidoeassimmaisfácildetrabalhar.Finalmenteaquece-

-seomaterialparaformaraespuma.[19]

IV. Fundiçãousandoumprecursordeceraoudeorigempoliméricacomomodelo–“Invest-

mentCasting”

Existeumaenormegamadeespumaspoliméricasdedensidaderelativabaixaecomuma

diversdadeemtamanhodascélulas.Estasespumaspodemserutilizadascomomodelospara

criar moldes para o processo de investment casting.EstemétodoéusadopelaERG (empresa

norteamericanalidermundialnaproduçãodeespumasmetálicasdecélulaaberta)paraproduzir

componentesparaindústriaaeroespacial.[19]

Nafigura15mostra-seesquemáticamenteospassosdoprocessodeInvestmentcasting.

Primáriamenteéescolhidaaespumapoliméricaqueservirádemolde.Omoldeéposteriormente

revestidoporumabarbotinacerâmicaeemseguidapulverizadocomparticulascerâmicas(Figura

15a)).Acarapaçacerâmicaéentãosujeitaaumtratamentotérmicodecozeduradurantooqual

omaterialpoliméricosedecompõe(Figura15b))deixandovaziosparaovazamentodometal

fundido (Figura15c)).Finalmenteo,apósovazamentoearrefecimentodometal,acarapaça

cerâmicaéabatida,obtendo-seaespumametálicapretendida(Figura15d)).[18-20]

29


Figura 15: Processsode‘InvestmentCasting’[12]

Atravésdesteprocessopode-seobterespumasdepráticamentetodososmetaisusados

emfundição.Ométodoproduzespumasdecélulaabertacomtamanhodecélulasnaordem1a5

mmedensidaderelativanãoinferior5%.Éespecialmenteutildevidoapermitirobterestruturas

deelevadaqualidademesmoqueocomponentetenhageometriascomplexas.[19]

30


3.5.4 APLICAÇÕES

Asaplicaçõesdestesmateriaistêmvindoaaumentaraolongodosanosnosdiferentes

sectoresindustriaisàmedidaqueaspropriedadesfisicas,químicas,térmicasemecânicasvêm

sendomelhoradas.Geralmenteasuaaplicaçãotomaematençãováriosfactoresdependentes

dasdiversasformasdestetipodematerial:[20]

i. Morfologia:estruturadacélula,percentagemdeporosidadesedistribuiçãodotamanho

dosporos;

ii. Metalurgia:Composiçãoquimicaemicroestrutura;

iii. Processodefabrico:dependedageometriaquesepretendeobter;

iv. Economia:custosenvolvidosnoprocessoeviabilidadeparaaproduçãoemgrandequan-

tidade.

Contudo,aprincipalcaracterísticaquedefineaaplicaçãodestasespumaséaestrutura

dascélulas.Nafigura16apresenta-seumdiagramaquemostraasprincipaiscaracterísticaspara

asdiversasaplicaçõesdestesmateriais.

Espumasdecélulaabertasãousadasusualmentenaindústriaquímicaemfiltros,reser-

vatóriosdearmazenamentodefluidos, permutadoresde calor, entreoutras. Estas aplicações

devem-seafactorescomoporosidadeaberta,elevadaáreaespecificaebaixacondutividadetér-

micaeeléctrica.[20]

Por sua vez, as espumasde célula fechada, especialmenteaque tratamosnesta tese,

espumade ligadealumínio, sãousadasprincipalmentena indústriados transportes. [20]No

ramoautomóvelaprincipalaplicaçãodestesmateriaisincidesobrecomponentesultra-leves,de

absorçãodeenergiaecapacidadedeisolamentosonoro.Talcomojáreferimosnocapítuloante-

rior,aaplicaçãodestesmateriaisnumautomóvelfazdiminuiroconsumodecombustiveldevido

àdiminuiçãodopesototal,originatambémoaumentodesegurançadospassageiros.

31


Figura 16: Aplicações,propriedadesefunçõesdasespumasmetálicas.[20]

32


3.6 ESTRUTURA DA CHAPA DAS FACES

Numa estrutura sandwich as faces sãonormalmentecaracterizadasporumaestrutura

sólidahomogéneaplana,comumadadaespessura.Napresenteteseestuda-seestruturassan-

dwich comfacesdealuminio,peloqueestesubcapítuloéincididosobreestruturasdechapade

alumínio.[1]

Oalumínioapresentaumabaixaresistênciamecânicaoquenãopermiteseraplicadodi-

rectamenteemsolicitaçõesondearesistênciaàdeformaçãoeàfracturasãofundamentais.Por

estesmotivos,podemosusarelementosdeligaquealteremcertaspropriedadesdometalbase.

Estesmateriasdenominam-sedeligasdealumínio.

3.6.1 PROCESSO DE FABRICO DA CHAPA

Oalumínioéoelementometálicomaisabundantenacrostaterrestre,peloquedesde

cedosetentoupercebeuapotencialidadedestematerial,bemcomoadassuasdiversasligas.

Asligasdealumíniosãofacilmenteobtidaspelosdiversosprocessosmetalúrgicosdevidoaoseu

baixopontodefusão,quandocomparadoscomoutrasligasmetálicas.Noentanto,aformamais

comumqueestematerialéutilizadoésobaformadechapa.Estaformaéobtidapeloprocesso

fabricodelaminagem,queconsistenumprocessodedeformaçãoplástica,noqualomaterialé

forçadoapassarentredoisrolos(ouumasériedeparesderolos)querodamnosentidooposto,

comamesmavelocidadeperiférica,eestãoseparadosentresicomumadistâncialigeiramente

inferioràespessuradachapaaobter.Denotarqueesteprocessoéefectuadoatemperaturas

pertodatemperaturadefusãodometal.Nafigura17podemosverumailustraçãodoprocesso

delaminagem.

Figura 17: ProcessodeLaminagem.

33


Aplicandoesteprocessonaobtençãodechapasvamosobterumaestrutura caracteri-

zadaporterumaorientaçãopreferencial,resultantedoalongamentodosgrãosnadireçãode

laminagem.Estefenomeno,aanisotropia,écomumempraticamentetodososmateriasobtidos

poresteprocesso.Comoéexpectável,estefenómenoiráinfluenciarocomportamentomecânico

destetipodechapas,principalmenteemprocessosdeconformaçãoplástica.[1]

3.6.2 APLICAÇÕES Comojátinhareferido,oalumínioéoelementomaisabundantenacrostaterrestre,pelo

queasuaaplicaçãoabrangeosmaisdiversoscomponenteseobjectosdonossoquotidiano.De-

vidoàfacilidadedeconformarestemetal,umadasprincipaisutilizaçõesénofabricodeembala-

genseutensiliosdecozinha.

Figura 18: LatasderefrigirantesemAluminio.[21]

Umaboarelaçãopeso/resistênciamecânicapermiteaestematerialserutilizadonain-

dústriadostransportes,oferecendoummenorconsumoenergéticoemenordesgaste.Paraalém

destascaracterísticas,ometalaindaapresentaótimaresistênciaàcorrosãoeéumbomcondutor

elétrico.Numaviãocomercial,estematerialrepresentacercade80%dopesototaldoavião.Em

comparaçãocomomaterialqueerausadonasfuselagensdosaviões,emmeadosdoséculoXX

(madeiradebalsa),oalumíniooferecemaiorrigidezparaalémdereduziropesoparacercade

metade.

34


SegundooprotocolodeQuioto,paracadaquilogramadereduçãodopesodeumauto-

móvelháumareduçãode20Kgdeemissãodecarbonoequivalente.Estepressopostofazcom

queascarroceriasdosautomóveis,quecorrespondemaumagrandepartedopesodoautomó-

vel,sejamnestemomentoconstruidasemalumínio,reduzindoassimopesoglobalsignificativa-

menteeconsequentementeareduçãodeemissõesdepoluentes.

Figura 19: Fuselagemdeumaaeronaveemalumínio.[22]

Figura 20: CarroceriaemalumíniodoJaguarXE.[23]

35


Tambémnaconstruçãocivilestematerialéutilizadofrequentemente.Sendoummaterial

leve, resistenteeversátiléutilizadogeralmenteemcoberturas, fachadasdeedificios, revesti-

mentos,condutasdeventilaçãoeiluminaçãoentreoutrasaplicações.

Figura 21: Algumasaplicaçõesnaconstruçãocivildeestruturasemalumínio.[24,

25]

REFERÊNCIAS



[2]Pereira,RuiJB,Phd-“Análiseestruturaldevigassandwichdealumínio-aglomeradodecor-

tiça”,2014,Aveiro

[3]Zenkert,D.,TheHandbookofSandwichConstruction,EMAS,CradleyHeath,1997

[4]https://dir.indiamart.com/delhi/aluminum-sheets.html

36


[5]https://store.acpsales.com/categories/1569/carbon-fiber-sheets

[6]M.F.deS.F.deMoura,A.M.B.deMorais,andA.G.deMagalhães.Materiaiscompósitos:ma-

teriais,fabricoecomportamentomecânico.Ediçoestécnicas.Publindústria,2005.

[7]Carvalho,P.,AnalisedoComportamentoMecanicoeIdentificacaodoTipodeFalhaemEstru-

turasSandwichcomNucleosdeCortica,TesedeMestrado,IST/UTL,Lisboa,2008.

[8]http://www.archiexpo.com/prod/cel-components-srl/product-90136-838736.html

[9]http://www.acecr.ir/ShowProduct.aspx?FID=5vcz+Ae6Vh0=

[10]http://www.distributioninternational.com/Products/Building-Insulation/

[11]Belbute,P.,EstudodoComportamentoemflexãodeVigasCompósitasSandwich,Tesede

Mestrado,IST/UTL,Lisboa,2010

[12]KickiF.KarlssonandB.TomasAStrom.Manufacturingandapplicationsofstructuralsandwi-

chcomponentes.CompositesPartA28A,1997.

[13]HexcelComposites-HoneycombSandwichDesignTechnology[on-line].2000.

[14]Davies,J.M.,LightweightSandwichConstruction,BlackwellPublishing,2001

[15]Tekoglu,C.,Sizeeffectsincellularsolids,RijksuniversiteitGronningen,2007.

[16]http://www.metalfoam.net/

[17]J.Banhart,M.F.Asbhy,N.A.Fleck,MetFoam99,InternationalConferenceonMetals

FoamandCellularMetalsStructures,MITVerlag,14–16.6,Bremen,Germany,1999.

[18]Banhart,M.F.Asbhy,N.A.Fleck,2ndInternationalConferenceonCellularMetalsand

MetalFoamtechnology–MetFoam200031MITVerlag,14–16,Bremen,Germany,2001.

[19]MFAshbyetal.,Metalfoams:adesignguide,Oxford,Butterworth-Heinemann,2000.

[20] Duarte, I., Espumas Metálicas – Processos de fabrico, Caracterização e Simulação

Numérica,2005,Porto.

[21] http://varejo.espm.br/2949/segmento-de-bebidas-impulsiona-aumento-na-venda-de-lati-

nhas

[22] http://www.walter-tools.com/en-us/industry_solutions/aerospace/fuselage/Pages/default.

aspx

[23]http://aluauto.com.br/ciclo-fechado/

[24]http://www.atualtoldos.com.br/coberturas-aluminio-campinas-sao-paulo.html

[25]http://www.martinsoliveira.pt/pt/3/servicos

37


4. ESTUDO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DA ESTRUTU-RA SANDWICH

Éreconhecidaaaltaresistênciaàflexãodasestruturassandwich.Oafastamentodasfaces

comaintroduçãodaespumametálicaprovocaumaumentodomomentodeinérciadaestrutura

originandoumaumentosignificativodaresistênciaàflexãodestasestruturas.Sendoestacarac-

terísticaumadasrazõesdautilizaçãodestetipodeestrutura,comojáhaviamosvisto.

Neste capítulo iremos estudar o comportamento mecânico da estrutura sandwich para

diferentesespessurasdonúcleodeespumametálica.Paratalforamefectuadasváriassimulações

numéricasem‘Abaqus’paradoistiposdeensaiosdeflexão.Oprimeiro,ensaiodeflexãode3

pontos,ofereceráumaperspectivadaevoluçãodocomportamentomecânicocomoaumentoda

espessura.Osegundo,ensaiodeflexãoUCB(Unconstrained cylindrical Bending),iráconsolidaros

resultadosobtidosnoprimeiroensaio.

4.1 ENSAIO DE FLEXÃO DE TRÊS PONTOS

Deformaaestudarmosocomportamentomecânicodaestruturasandwichefectuamos

simulaçõesnuméricasdoensaiodeflexãodetrêspontos.Esteensaioconsistenaflexãodeuma

porçãodopainel,oprovete,ameiovão,simplesmenteapoiadocomosepodeverificarnafigura

22.Osprovetesutilizadosparaasimulaçãonuméricatemcomodimensão200x30x10,variandoa

suaespessurade10mmaté16mm,semprecomamesmaespessuradasfaces,1mm.Ospontos

deapoiodoprovetepodemserobservadosnasfiguras22e23,sendoqueopunçãoeosapoios

sãocaracterizadosporsuperficiescilíndricasrígidascom10mmdediâmetro.

38

ESTUDO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DA ESTRUTURA SANDWICH

Figura 22: Configuraçãodoensaiodeflexãodetrêspontos.[1]

Foramrealizadosquatrosimulaçõesnuméricasparaespessurasdonúcleoentre8-14mm,

tendosidoregistadososvaloresdeforçaemfunçãododeslocamentoameiovão,usandoum

deslocamentomáximoaplicadode25mm.Afigura22mostraaconfiguraçãodoensaioarealizar.

Deformaaaumentararapidezcomputacionaldassimulaçõesnuméricasefectuadasutilizamos

doisplanosdesimetria,vistoqueageometriadoprovetenospermite.Comomostraafigura

Figura 23: Modelonumérico-Ensaiodeflexãodetrêspontos

39


23,oprimeiroplanodesimetriaseráoplanoZoY,simetriaameiovão.Podemostambémutilizar

umaoutrasimplificação,umcortenoplanodesimetriaXoY,ficandoassim¼doproveteparaa

modelaçãonumérica.

AmalhautilizadaparaassimulaçõesnuméricaséconstituidaporelementosC3D8RHpara

aespumametálicaeC3D8Iparaasfaces.AssiglasC3D8RHsignificamquesãoelementosHexa-

édricoscom3grausdeliberdadecom8nós,atravésdeumaintegraçãoReduzidaeformulação

Hibrida.QuantoásfacesutilizamoselementosC3D8I,sendoqueasiglaInestecasosignificamo-

dosIncompativeis,queretratamelhorocomportamentoàflexãodeplacas.

Comopodemosobservarnafigura24foiutilizadauma‘convergência’namalha,comos

Figura 24: Detalhedaconvergênciadamalhaparaointeriordoprovete.

elementosameiovãodoproveteaseremmaispequenosqueoselementosdosextremos.Esta

caracteristicavemnaóticadefacilitaracomputaçãodasimulaçãonumérica,vistoqueosresulta-

dosrelevantesserãoretiradosameiodoprovete.Quantoaonumerodeelementosutilizadoeste

diferedeespessuraparaespessura,peloqueessainformaçãoestácontidanatabelaseguinte:

Note-seque, comoaespessuradas faces semantém,onumerodeelementosqueas

40


Tabela 3: Numero de elementos utilizados na simulação numérica.

Espessura do Núcleo [mm] Nº Elementos da Chapa Nº Elementos do Núcleo8 2850 950010 2850 1235012 2850 1425014 2850 16150

simulaméconstante.Note-setambémqueestenumerodeelementosrefere-seaapenasuma

face,peloqueasfacescorrespondema5700elementos.

Quantoàinterfaceentreasfaceseonúcleofoiutilizadoocomando*Tiedisponivelno

‘Abaqus’,paracaracterizaroadesivo.Estecomandonãoéumaaproximaçãorealaocomporta-

mentodoadesivo,noentanto,comooobjectivodestatesenãoenvolveaspectosdedelaminação

daestrutura,podemosutilizarestaferramentasemqueoserrosassociadossejamsignificativos.

Relativamenteásleisconstitutivaseparâmetrosrelativosàmodelaçãonuméricadoen-

saioutilizou-semodelosdeisotropiaparaocasodaespumaedasfaces.Emboraaisotropianão

serumadascaracterísticasdestasestruturasemateriais,autilizaçãodestepressopostoéuma

boaaproximaçãoparaocasodeestudoemquestão.Vistoestateseestarnoseguimentodeuma

outratesededoutoramentoefectuadanaFaculdadedeEngenhariadaUniversidadedoPorto[1],

aspropriedadeselásticaseplásticasdachapaedonúcleojáforamdeterminadasatravésdeen-

saiosdetraçãoecompressãoparaasfacesenúcleorespectivamente.Osresultadosdosensaios

detraçãodachapamostraramque,oalumínioENAW5754apresentaasseguintespropriedades

elásticas:[3]

Tabela 4:Propriedades das faces em alumínio. [3]

Ec [GPa] ϑc σY [MPa]70 0.33 118

41


Figura 25: EnsaiodetracçãodoaluminioENAW5754.[1]

Quantoaocomportamentoplásticodestematerialpode-secaracterizaratravésdacurva

detraçãoobtidadoensaio:

Dacurvadetraçãopodemosverificarqueoconjuntodepontosobtidosapenascaracte-

rizaocomportamentoplásticoparapequenasdeformaçõesdevidoafenómenosdefracturaque

ocorreramaolongodoensaio.ParacombateresteproblemafoiusadaaleideVoceparaligasde

alumíniodeformaacaracterizaromaterialparadeformaçõesmaiselevadas.Noentantopara

oobjectivodestateseesteconjuntodepontosésuficienteparacaracterizarocomportamento

plásticodasfacesdealumínio.

Quantoàspropriedadesdonúcleodeespumametálica,estaspodemsercaracterizadas

peloensaiodecompressãouniaxialrealizadonatesereferidaanteriormenteeatravésdocatálo-

godofabricante.Nadefiniçãodacomponenteelástica,oMódulodeYoung(E)éobtidodirecta-

menteatravésdacurvadetensão/deformaçãoobtidanoensaiodecompressão,figura25,sendo

oseuvalorE=0.79Gpa.OcoeficientedePoissonéfornecidopelofabricanteetemcomovalor

ϑ=0.33.Deformaadeterminarasrestantesconstantesquecaracterizamaespumaoautor[1]

uilizouasseguintesexpressões:

Deformaadeterminaromodulodecompressibilidade(k)eocoeficientedePoissonplás-

42


tico(ϑp)énecessárioobterovalordoparâmetroquedefineasuperficiedecedência(α).Através

domodelodeDeshpande[2]retiramosovalordeα,queparaumaespumadecélulafechada

comdensidaderelativade8,4%temvalorα=2.08e9.4%(α=2.13).Tendoaespumaaestudar

umadensidaderelativade9%foiextrapoladoapartirdaespumacom8.4%e9.4%obtendo-se

α=2.11.Ficamassimdefinidasaspropriedadesdaespumautilizadasnasimulaçãonumérica:

Figura 26: Curvadetensão-deformaçãoensaiodecompressãodaespumametálica.[3]

Tabela 5:Constantes elásticas e plásticas da espuma metálica de célula fechada (ALPORAS) [3]E [GPa] ϑ k ϑp

Elástico 0.79 0.33 - -Plástico - - 1.73 0.004

Definidastodasaspropriedadesdasfacesedonúcleo,bemcomoascaracterísticasdo

ensaiodeflexãodetrêspontos,procedemosàsimulaçãonuméricadoensaioparaasespessuras

donúcleode8,10,12e14mm.Osresultadosdasimulaçãonuméricapodemservistosnatabela

6,comespecialatençãoparaadeformadadoproveteeaforçamáximaaqueestefoisujeito.O

pesodoproveteédeespecialinteresseparaoobjectivodestatesepeloqueasuainformação

tambémestápresentenatabela.Intrinsecamente,omomentodeinérciasegundozztambémé

relevantereferirdeformaademonstraroaumentoderesistênciaàflexãodaestrutura sandwich.

43


Tabela 6: Deformadas da simulação numérica

Espessura do núcleo Deformada Força máxima

8mm564 N

(m=44 g)Iz=2.5×10-9 m4

10mm

640 N(m=47 g)

Iz=4.3×10-9 m4

44



12mm

696 N(m=50 g)

Iz=6.86×10-9 m4

14mm

740 N(m=53 g)

Iz=10.24×10-9 m4

45


Assimulaçõesnuméricasefectuadasabrangemapenasquatroespessurasdevidoàsua

produção.Istoé,aproduçãodestespainéiscomespessuradonúcleoacimade15mmenvolveum

aumentodaespessuradasfaces,enquantoqueespessurasmaisbaixasque8mmenvolveuma

espessuradasfacesmenorque1mm.Demaneiraapodermosanalisarainfluênciadoaumento

daespessuradonúcleoemfunçãodocomportamentoàflexãodaestruturasandwichoptamos

pormantertodososparâmetrosiguais,modificandoapenasaconfiguraçãodonúcleo.

Ográficodafigura27representaaevoluçãodaforçaaplicadacomodeslocamentoverti-

caldoprovete.Comopodemosverificar,oaumentodaespessuradonúcleoprovocaumaumen-

tonaresistênciaàflexãodaestruturasandwich.Estacaracteristicaseriadeesperar,vistoqueo

aumentodaespessuradaestruturaprovocaumaumentodoseumomentodeinérciaeconse-

quentementeoaumentodasuaresistênciaàflexão.Denotarqueparaumdeslocamentoinferior

a0.25mmaforçaaplicadaézero.Estacaracterísticaédevidoaoafastamentoinicialdopunção

queexerceaforçarelativamenteaoproveteaserensaiado.Umacaracterísticaimportanteater

emcontanestesresultadoséadiminuiçãodacomponenteplásticacomoaumentodaespessu-

Figura 27: Curvaforça-deslocamentoobtidapelasimulaçãonumérica.

46


radonúcleoemespumametálica.Ouseja,acomponenteelásticaaumenta,consequênciada

contribuiçãodaespumametálica,noentantoocomportamentoplásticoficaprejudicado,dando

origemaquebradaestruturaparadeslocamentosinfereriores.Emtermosdeconformaçãoplás-

ticaénecessárioencontrarumbalançoacertadoentrearigideznecessáriaeaespessuramínima,

vistoqueparaespessuraselevadasestesprocessosnãosãocompativeis.

Posteriormenteiremosanalisarmaisdetalhadamenteoaumentodarigidezdaestrutura

emfunçãodoaumentodepesoassociadoàsdiferentesespessurasdonúcleo.

47


Figura 28: ConfiguraçãodoensaioUCB.[1]

4.2 ENSAIO UCB

OensaiodeflexãocilindricaUCB(Unconstrained Cylindrical Bendig,Numisheet2002Ben-

chmarkProblem)ébastantesemelhanteaoensaioanterior.Nestecasooproveteéflectidosobre

umamatrizsemicilíndricaemvezdosdoispunçõesestáticos(apoios)doensaiodeflexãodetrês

pontos.Apesardeambososensaiosseremsemelhantes,esteéprincipalmenteutilizadoparao

estudodaconformaçãoplásticadechapas,bemcomoconduzamelhoresresultadosnuméricos.

Afigura28mostraaconfiguraçãodoensaiodeflexãocilindrica,nestecasoapunçãoque

provocaodeslocamentotemumdiâmtreode50mm.Amatrizsemicilíndricatemumraiode34

mmedoisraiosdeconcordânciade15mm.Osprovetesutilizadosparaasimulaçãonumérica

desteensaiosãoiguaisaosdoensaiodeflexãodetrêspontos,200x30x10variandoaespessura

atéaos16mm.Asespessurasdasfacessãoconstantesparatodososprovetes,1mm.

48


Aconfiguraçãodesteensaioprovocanoproveteumoutrotipodeestadodetensão,per-

mitindoidentificaroutrosfenômenosquepodemcompremeteraintegridadedaestrutura,como

porexemploocasodeseparaçãodecamadasoudelaminação.Contudoestefenómenonãotem

interesseparaoobjectivodestatese,peloqueiremosnovamentecaracterizaroadesivocomo

comando *Tiepresenteno‘Abaqus’.Estarestriçãoconsideraainterfaceentreaespumaeaface

semseparaçãonemdeslizamentoemqualqueralturadasimulação.

Figura 29: Modelonumérico-ensaioUCB

Nestasimulaçãonuméricautilizamosnovamenteosplanosdesimetriautilizadosnoen-

saiodeflexãodetrêspontos,simulandoassim¼doprovete.Devidoaosprovetesseremiguais

paraambasassimulações,queronumerodeelementos,querotipodeelementosutilizados

serãoosmesmos.Ouseja,elementosC3D8RHparaonúcleodeespumametálicaeelementos

C3D8Iparaasfaces.Ésabidoqueoadesivotemumpapelfundamentalnaintegridadeestrutural

da sandwich,peloque,comooadesivoficoucaracterizadocomoumaligaçãorígida,osresulta-

49


dosdestasimulaçãopodemapresentarerrosassociadossignificativos.Noentanto,comopode-

remosvermaisadiantenestatese,esseserrosnão influenciammuitonosresultadosquesão

pretendidosparaoobjectivodestatese.

Relativamenteaosparâmetrosdosmateriais namodelaçãonumérica, estes sãopreci-

samenteosmesmosutilizadosnasimulaçãoanterior.Édeespecial interessemantertodosos

parâmetrosiguaisdeformaapodermoscompararosresultadosobtidosnestasimulaçãocoma

simulaçãodoensaiodeflexãodetrêspontos.Osmodelosusadosbaseiam-senaisotropiadas

facesedonúcleo,comojáhaviamosreferido.

Namontagemdoensaioénecessáriotomarematençãoalgumasconsiderações.Talcomo

nasimulaçãoanterior,apunçãoeamatrizsemicilindricaestãoafastadasdoproveteporuma

distânciamuitopequena,cercade0.2mm.Estepassoédeextremaimportância,vistoquena

simulaçãonuméricaoprogramanecessitadeencontrarocontactoantesdecomeçaradeformar

oprovete.Esteprocedimentoserávisivelmaisadiantenademonstraçãodosresultadosdesta

simulaçãonumérica.Apunçãonesteensaioirádeslocar-seumadistânciamáximade25mm.

Foramentãoefectuadasquatrosimulaçõesnuméricasdosprovetescom10,12,14e16

mmdeespessura,comespessurasdonúcleodeespumametálicade8,10,12e14mmrespec-

tivamente.Osresultadosobtidosestãodemonstradosnográficodafigura30,bemcomoasres-

pectivasdeformadasnatabela7.

50


Tabela 7: Deformadas da simulação numérica do ensaio UCB.


8mm

1132 N(m=44 g)

Iz=2.5×10-9 m4

10mm

1424 N(m=47 g)

Iz=4.3×10-9 m4

51



12mm

1720 N(m=50 g)

Iz=6.86×10-9 m4

14mm

1980 N(m=53 g)

Iz=10.24×10-9 m4

52


Ográficodafigura30mostraoandamentodaforçaaplicadaemfunçãododeslocamento

provocadopelopunçãocilíndrico.Comojáreferimosanteriormente,estesresultadosnãocon-

têmosproblemasassociados coma falhadoadesivo.Caso fosse consideradooadesivo com

elementoscoesivosascurvasobtidasnográficodafigura29poderiamapresentarquebras,pro-

vocadaspelaseparaçãodasfacescomonúcleo.Apósaseparaçãoocomportamentodaestrutura

sandwichpassariaaserocomportamentodeapenasasdasfaces,oqueprovocariaumaacentu-

adadiminuiçãodaforçaaplicada.Esteproblemapodeservistonosresultadosobtidosnatesedo

HélderMata(FEUP,2015),figura31.[1]

Figura 30: ResultadosdoensaioUCB.Curvaforça-deslocamento.

53


Figura 31: EnsaioUCBrealizadoem2014.Detalhedeseparaçãodecamadas.[1]

Nocasodafigura31osprovetesensaiadostemdeespessura10mm,variandoocompri-

mentodosprovetes,paraumdeslocamentomáximode10mm.Oscomprimentosdosprovetes

são,respectivamente,114,167.5e230mm.Podemosverclaramenteoproblemadeseparação

decamadaseoqueprovocanosresultados.Umadasconclusõesobtidasdaanálisedosresulta-

doséofactodeacedênciadocompósitodar-sedeumaformaaleatória.

‘Tal pode ser explicado pela irregularidade estrututural da espuma do núcleo, uma vez

que, aparentemente a cedência da estrutura sandwich ocorre em zonas onde a espuma apresenta

células com vazios de maiores dimensões’.[1]

Noentanto,paraoobjectivodestateseesteproblemapodeserdesprezado,apesarde

teruma importância relevantenautilizaçãodestetipodeestruturassandwich, bem como na

suaconformaçãoplástica.Omaisrelevanteareterdaanálisedosresultadosobtidosdassimula-

çõesnuméricasdosváriosproveteséoaumentodarigidezdaestruturacomoaumentodasua

espessuranúclear(aparterelevantedosresultadoséacomponenteelástica,noentanto,como

oandamentodacomponenteplásticaéigualparatodososensaios,podemosutilizarasforças

máximasaplicadasparaestudarainfluênciadoaumentodaespessuranúclear).Emtermosde

conformaçãoplásticapodemosverificarnastabelas7queastensõesdasfacescrescemsignifi-

cativamentedeensaioparaensaio,oquenãoénadadesejávelnoprocesso.Podendoaparecer

tensõesresiduaisapósaconformaçãobemcomooretornoelásticopodesertalqueoprocesso

sejaumfracasso.

54


4.3 COMPARAÇÃO E DISCUSSÃO DE RESULTADOS

Obtidososresultadosdassimulaçõesnuméricaspodemosefectuarumbalançodoau-

mentoderigidezestruturalemfunçãodosproblemasassociadosaoaumentodaespessurado

núcleo.Sendoestasestruturascaracterizadasporapresentarempesosreduzidosemcomparação

comestruturasdamesmagamaderigidez,seráexpectávelqueoaumentodaespessuradonú-

cleonãoaumentesignificativamenteopesototaldaestruturasandwich.Umaanáliseaoaumen-

todepesoprovocadopelasdiferentesespessuraspodeserefectuado.Analisandoaestrutura

com8mmdeespessuradonúcleotemos0.044064Kg,aumentandoaespessurapara10mm

temosumaumentodopesopara0.046980Kg.Denotarqueestesvaloressãoparaumprovete

comasdimensõesutilizadasnassimulaçõesdosensaios.Deformaapodermosanalisarrealmen-

te o aumento de peso teremos de calcular a percentagem de aumento de peso relacionado com

asdiferentesespessuras.Oaumentode8mmpara10mmdeespessuradonúcelofaráquea

estruturaaumenteoseupesoem6.6%,estaspercentagensdiminuemàmedidaqueseaumenta

para12e14mm,6.2e5.8%,respectivamente.Istodeve-seaofactodeestarmosapenasaau-

mentaraespessuradaespumametálica,quetemumadensidademuitoinferioràsfaces.Faces

estasquecontribuemparaopesodaestruturasemprecomamesmaquantidade,pelo facto

denãoalterarmosaespessuradaschapas.Numaaplicaçãodestetipodeestruturasemquea

contribuiçãodoseupesoseja10Kg(os2painéisdianteirosdeumautomóvelporexemplo),um

aumentode10mmdeespessuradopainelpara12mmprovocaráumaumentodepesodecerca

de660g.Comistoficaclaroque,casosejanecessárrioumaestrutramaisrigidapodemosoptar

porumaespessuradepainelmaior,comasegurançaqueoaumentodepesoassociadonãoé

muitosignificativo.Noentanto,comopoderemosvermaisàfrente,oaumentodaespessurada

estruturaprovocaráoutrosproblemasassociados,amaispertinenterelacionadacomadificulda-

dedaconformidadeplásticadestetipodeestruturassandwich.

Relativamenteaoaumentodarigidezdospainéis,osgráficosdasfiguras32,33e34mos-

tramoandamentodaforçamáximacomasdiferentesespessurasdonúcleo,pesoemomento

deInérciasegundoz.Nosgráficosestãocontidososresultadosdassimulaçõesnuméricasdos

ensaiosdeflexãorealizados.Denotarquenalegendadosgráficososresultadosdoensaiode

flexãoemtrêspontosédefenidapelasigla-F3P.

55


Figura 32: GráficoForçamáxima-espessuradosresultadosdassimulaçõesnuméricas

Figura 33: GráficoForçamáxima-pesodosresultadosdassimulaçõesnuméricas.

56


Figura 34: GráficoForçamáxima-momentodeinérciadosresultadosdassimulaçõesnuméricas.

Jáhaviamosreferidoqueoaumentodaespessuradonúcleo(e)provocaráumaumento

dopesodaestrutura(m)nãolinear,noentanto,comopodemosverificardaanálisedosgráficos

IeII,ascurvassãopráticamenteidenticas.Istodeve-seaofactodoaumentodopesoserprati-

camenteinsignificante,naordemdos5%.AnalisandoográficoIIIpodemosverificarque,nocaso

dacomparaçãodaforçacomomomentodeinércia(I)daestrutura,ascurvastemumandamen-

todiferente,vistoqueoaumentodaespessuradonúcleoprovocaumaumentodomomento

deinércia(I)grande.Porexemplo,paraumaespessuranúclearde8mmtemosIz=2.5×10-9 m4

enquantopara10mmtemosIz=4.3×10-9 m4,esteaumentoédecercade72%.Aumentandode

10para12mmaespessuradonúcleoprovocaráumaumentode60%ede12para14mm,um

aumentode50%.Verificamosqueparaespessurasmaisbaixas,umpequenoaumentodamesma

provocaumgrandeaumentodomomentodeinércia.

Relativamenteàrigidezdaestruturaosresultadoscomprovamoqueseriaesperado,um

aumentodasuarigidezcomumaumentodaespessuradonúcleodeespumametálica.Analisan-

doosresultadosdoensaiodeflexãodetrêspontosverificamosumaumentode564Ndeforça

máximanoensaioaoprovetecom8mmdeespessurapara640Nnoensaioaoprovetecom10

mmdeespessura.Esteaumentoédecercade14%,diminuindocomoprogressivoaumentoda

57


espessurapara12epara14mm,respectivamente,8.8%e6.3%.Istoé,paraamesmavariaçãode

espessura,oaumentodarigidezdaestruturaémaiorparavaloresdeespessuramenores.Estaca-

racterísticaéoespelhodoaumentodaelasticidadedaestrutura,noentanto,ocomportamento

plásticodaestruturadeterioracomoaumentodaespessuradopainel.Talcomoverificamosna

análisedográficodafigura27acedênciaplásticadaestruturadá-separadeslocamentosmeno-

res,àmedidaqueaumentamosaespessuranonúcleo.

OsresultadosdoensaioUCBvemconfirmaroquereferimosdaanálisedasimulçãonu-

méricadoensaiodeflexãodetrêspontos.Istoé,oaumentodacomponenteelásticadaestrutura

sandwichépráticamenteproporcionalcomoaumentodaespessuradonúcleo.Umincremento

de2mmdeespessuraprovocaumaumentodecercade6-5,5%naforçalimiteelástico.Quanto

àcomponenteplásticapodiamosconcluirqueoaumentodaespessuraprovocariaumaumento

darigidezdaestrutura,noentanto,devidoaproblemasassociadosàseparaçãodecamadasnão

iremosavaliarasuaevolução.

Aprincipal conclusãoquepodemostirar comestes resultadosestá relacionadocoma

contribuiçãodaespumametálicanaestruturasandwich.Paraespessuraspequenas(espessura

minimadestespainéisédecercade8mm)umpequenoaumentodaespessurapodeprovocar

umgrandeaumentodarigidezdamesma(15-20%).Associadoaoaumentodaespessuratemos

opesodaestrutura,quenestecaso,comotratamosdeummaterialcomumadensidaderelativa

muitobaixa(9%),émuitopequena,cercade6%porcada2mmdeespessuraadicional.Também

chegamosàconclusãoqueparaespessurassuperioresa14mmacontribuiçãodoaumentoda

mesmanãoétãosignificativoemrelaçãoàrigidezdaestrutura.Istoparaalémdosproblemas

associadosàdificuldadedeconformaçãoplásticaparaespessurasmaiores.

REFERÊNCIAS



[2]Deshpande,V.S.,andN.A.Fleck,IsotropicConstitutiveModelforMetallicFoams;Journalof

theMechanicsandPhysicsofSolids,pp.1253–1276,2000.

[3]Mata,H.etal.,“CaracterizaçãoMecânicadosMateriaisqueConstituemEstruturasSandwich

comnúcleodeespumametálica”,RevistaIberoamericanadeIngenieríaMecánica.Vol.17,N.º2,

pp.125-137,2013

59


5. CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS

Osobjectivosdesta tesepassavamporanalisar a influênciadaespessuradaestrutura

sandwich,comnúcleoemespumametálica,emfunçãodoaumentodarigidezdaestrutura.Assi-

mulaçõesnuméricasefectuadaspermitiramestabelecerlinhasdeinvestigaçãorelacionadascom

oobjectivodestatese.

Atravésdeumacréscimomínimodepesopodemosobterumaestruturabastantemais

rígida,consoanteasolicitaçãopretendida.Paraalémdoaumentoderigidezdaestrutura,oau-

mentodaespessuradaespumametálicaprovocaummelhoramentodaspropriedadesdaestru-

turaquetêmorigemnaespumametálica.Oaumentodarigidezespecificadaestruturaprovoca

aindaumaumentodacapacidadedeabsorçãodeenergiaedevibraçõesnaestruturabemcomo

obteremosumamaiorintegridadeestrutural.

5.1 CONCLUSÕES

Entreasconclusõesmaispertinentesqueretiramosdesta tese,podemoscomeçarpor

especificarasorigensdessasmesmasconclusões.Umaestruturasandwich apresenta um com-

portamentotipico.Sendoosseusconstituintesresponsáveispordeterminadaspropriedadesda

estrutura.Umaestruturasandwichtemcomoconstituintesasfaces,onúcleoeumadesivo.

Genéricamente,asfacestemopapeldeofereceraresistênciaàflexãodaestrutura.Esta

característicaéfundamentalmenteprovocadapelofactode,quandoumadasfacesseencontra

àtracçãoafaceopostaestaráàcompressão.Estefenómenoéacausaprincipaldaresistênciaà

flexãodestasestruturassandwich.Alterandoaespessuradasfaces,oafastamentoentreelas,a

orientaçãodosgrãosdachapa(iso/anisotropia)ouaorigemdomaterialdasmesmaspodemos

alterarocomportamentomecânicoàflexãodetodaaestrutura.Nodesenvolvimentodestatese,

oafastamentodasfacesvemforçosamentedaespessuradonúcleo.Umaumentodaespessura

núclearprovocaráobrigatóriamenteumafastamentomaiorentreasfaces.Comooprincipalob-

jectivodestatesepassaporestudarainfluênciadonúcleoemespumametálica,atravésdavaria-

çãodeespessuradomesmo,podemosdesdejáconcluirqueumaumentodaespessuranúclear

provocaráóbrigatóriamenteumaumentoderesistênciaàflexãodaestrutura,provocadopelo

afastamentodasfaces.Estaanálisepodeserfeitatendoematençãoquetodasasoutrasvariáveis

60

CONCLUSÕESETRABALHOSFUTUROS

nassimulaçõesnuméricassemantémiguais,alterandoapenasaespessuradonúcleodopainel.

Comojáreferimosanteriormentenesteparágrafo,poderiamostambémaumentararesistênciaà

flexãodestaestruturaalterandooutrascaracteristicasquenãooafastamentoentreasfaces.De

notarqueaorientaçãodosgrãosdasfacesétambémdesprezável,considerandoomaterialcomo

isotrópico.Noentanto,oobjectivodestatesenãoincidenessasvariáveis,peloqueasdespreza-

mos.

Narealizaçãodestatese,oadesivoéapenasreferido,nãosendocaracterizadonassi-

mulaçõesnuméricas.Noentanto,opapeldeumadesivonumaestruturasandwich é de grande

importância,sendoresponsávelpelaintegridadedaestruturaepelaabsorçãodecertastensões

decortequandoopaineléflecionado.Aescolhaadequadadeumadesivoé,paraumadada

aplicação,umaconsideraçãoimportantissima,vistoserumdosprincipaisresponsáveispelain-

tegridade da estrutura sandwich.Naseleçãodoadesivoparaestasestruturasénecessárioter

ematençãoagamadetemperaturasdeserviço,osmateriaisacolareanecessidadeounãode

conformaraestruturaplásticamente.Comooobjectivodestatesepassaporestudarainfluência

daespessuranúclear,ocomportamentodoadesivoédesprezadoemtodasassimulaçõesefec-

tuadas,sendoutilizadoumcomportamentosolidárioentreonúcleoeasfaces(comando*Tie do

‘Abaqus’).Contudoficouaquireferidoopapeleasvariáveisdesteconstituinte.Claramentequeo

desprezodesteconstituinteprovocouerrosassociados.Noentanto,esseserrossãodespresáveis

vistoqueosresultadospretendidosnãosãoinfluenciadospelaseparaçãodecamadas,quepor

suavezéprovocadapelamácaracterização/seleçãodoadesivo.

Relativamenteaonúcleo,estetemcomoprincipalpapelabsorçãodastensõesdecorte

provenientesdadeformaçãodaestruturasandwich.Diferentesmateriaisescolhidosparaonú-

cleopromovediferentespropriedades.Nocasoemestudo,espumametálica,aestruturaapre-

sentaráalgumasdaspropriedadesdaespumametálica.Aespumametálicaécaracterizadapor

serummaterialcomaltaabsorçãodeenergiaevibrações,bomisoladortérmicoesonorobem

comoapresentaumabaixadensidaderelativa,oquetornaestematerialidealparaaplicaçõesna

indústriadostransportes(eficiênciasonora,térmicaeenergéticabemcomopormotivosdese-

gurança).Oobjectivodestatesepassaporestudarocomportamentodonúcleonumaestrutura

sandwich.Poressemotivoérelevanteestacaracterizaçãodomaterialutilizadonestasestruturas.

AespumametálicajáhaviasidotestadoanteriormentepelaFaculdadedeEngenhariadoPorto,

comensaiosdecompressão,peloqueaspropriedadesutilizadasnarealizaçãodassimulações

numéricasserãoasmesmas.Omaterialéclassificadocomoisotrópico,umasimplificaçãoperfei-

61


tamenteválida,vistoqueidealmenteosporosdaespumaestariamigualmenteespassados.Na

realidadeistonãoacontecemasumaaproximaçãoàisotropianãoacarretaráerrossignificativos

nosresultados.

Avaliandoosresultadosobtidosnassimulaçõesnuméricasdosensaiosdeflexão,pode-

mostirarumaconclusãoqueàpartidaeraesperada.Talcomovimosareferirnosúltimospará-

grafos,amodificaçãodeumadascaracterísticasdecadaconstituintedeumaestruturasandwich

provocaumaalteraçãonaspropriedadesdamesma.Onossoestudoincideapenasnavariaçãoda

espessuradonúcleoemespumametálica.Então,àpartida,seráclaroquetodasaspropriedades

relacionadascomaespumametálicaserãomelhoradascomoaumentodaespessuranúclear.

Noentantooprincipalfactorquepromoveoaumentoderigidezeresistênciaàflexãodaestru-

turaéoafastamentodasfaces,provocadapeloaumentodaespessuradonúcleo.Édeespecial

interessenotarquearesistênciaàflexãoerigidezdaestruturaaumentasignificativamentepara

menoresespessuras.Istoé,paraespessurasnúclearespequenas(mínimode8mm),umpequeno

aumentodamesmaprovocaráumsignificativoaumentoderesistênciaàflexãoerigidez(15a

20%).E,porsuavez,paraespessurasdonúcleomaiores(14mmoumais)umaumentodeigual

escalanãoserátão‘visível’ouvantajoso.

Podemosentãoconcluirqueaespessuradonúcleonumaestruturasandwich tem um

interesserelevante.Trabalhandocomespessurasmínimaspodemosalteraraspropriedadesda

estruturacomumacontrapartidapráticamente insignificante,umaumentodepeso reduzido.

Paraalémdomelhoramentonarigidezdaestrutra,umpequenoaumentodaespessuranúclear

promovemelhorespropriedadestérmicaseacústicas.

62

CONCLUSÕESETRABALHOSFUTUROS

5.2 TRABALHOS FUTUROS

Apósacaracterizaçãodainfluênciadaespessuranúclearnarigidezdaestruturasandwich

comnúcleoemespumametálicaabreváriaslinhasdeinvestigaçãointeressantes.Umaanálise

paraespessurasmaiores,oucomespessuradasfacesdiferenteseriaopassomaislógicoaseguir

apósestatese.Noentanto,osugeridopeloautordateseseriacomprovarestesresultadoscom

recursoaosensaiosdeflexãosimulados.

Paraalémdoreferido,umtrabalhoqueseriaumbomcomplementoaorealizadonesta

tese,seriautilizarumasimulaçãodosensaiosmaisaproximada,comadesivosdiferenteseca-

racterizadospelassuaspropriedades.Seriatambéminteressantesimularnovamenteosensaios

comdiferentestiposdeelementoseverificarainfluênciadosmesmosnosresultados.Umama-

lhamaispequenaproporcionariaresultadosmaisprecisostambém.Poderiatambémserinteres-

santeestudarainfluênciadocomprimentodosprovetesnosresultadosdassimulações.

Outraslinhasdeinvestigaçãopossíveisseriaestudarainfluênciadaespessuradasfaces

ouestudarainfluênciadaespessuranúclearparaummaterialdiferenteecompararcomespuma

metálicautilizadanestatese.Estessãoapenasalgumaslinhadeinvestigaçãosugeridas.Contudo,

estetipodeestruturasestãoaindaaseralvodeestudo,equalquercontributonomelhorconhe-

cimentodassuascaracterísticasserárelevanteparaofuturo.

a influÊncia da espessura do nÚcleo no … · with the propertiesof the metal foam ... exemplos...

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