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Título: Análise de estruturas tipo honeycomb submetidas à carga de impacto
Título(s) alternativo(s): Analysis of honeycomb structures under impact load
Autor(es): Greca, Leonardo Della Giacoma
Mendes, Melissa Bianca
Orientador(es): Luersen, Marco Antônio
Palavras-chave: Absorção da luz
Ciência dos materiais
Método dos elementos finitos
Métodos de simulação
Tubos
Resistência de materiais
Engenharia mecânica
Absorption of light
Materials science
Finite element method
Simulation methods
Tubes
Strength of materials
Mechanical engineering
Data do documento: 13-Dez-2017
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Referência: GRECA, Leonardo Della Giacoma; MENDES, Melissa Bianca. Análise de estruturas tipo honeycomb submetidas à carga de impacto. 2017. 63 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2017.
Resumo: Existe atualmente na indústria um crescente interesse por soluções estruturais de baixa massa e alta capacidade de absorção de energia de impacto. Componentes com essas características são utilizados com frequência principalmente nos setores aeronáutico e aeroespacial. A estrutura celular hexagonal honeycomb, ou colmeia de abelha, fabricada de materiais metálicos como alumínio ou não metálicos como Nomex®, é um exemplo de solução para tal demanda. Entretanto, uma dasdificuldades em utilizar esse tipo de estrutura está na forte dependência de parâmetros de fabricação em seu desempenho. Características como largura de aresta, espessura de parede, densidade de células (número de células por área de estrutura) e propriedades do material base influenciam diretamente a capacidade de absorver energia do honeycomb. Em situações de impacto, o mecanismo de falha mais comum no material se dá por deformação plástica em dobras progressivas, que promovem dissipação de energia de forma mais ou menos eficiente, de acordo com os parâmetros citados anteriormente. Por esse motivo, a análise do modo de falha do componente é importante para situações de projeto. Em um projeto eficiente, buscase alta absorção de energia específica e alta eficiência de força de esmagamento, esta última dada pela razão entre força média e força máxima de colisão. Nesse contexto, o presente trabalho visa investigar o comportamento de estruturas honeycomb com diferentes combinações de parâmetros geométricos e de material constituinte em situações de impacto. Para tal, são realizadas análises por meio do método de elementos finitos, utilizando a ferramenta computacional Abaqus. Em um primeiro momento são analisados os casos de células tubulares únicas de perfil quadrado e hexagonal, de modo a compreender os mecanismos e variáveis que governam esse tipo de problema. Confirma-se que a célula de perfil hexagonal é mais indicada para a aplicação de absorção de energia, superando a célula de perfil quadrado em 47% no total de energia absorvida em uma solicitação de impacto. Em seguida, modelos numéricos de estruturas honeycomb de células hexagonais são criados a partir de dados de estudo experimental encontrado na literatura. Com eles, realiza-se uma análise comparativa de estruturas honeycomb distintas, compostas de ligas de alumínio Al 3003, Al 5052 e Al 5056 e com tamanhos de célula de ⅜”, ½” e ¾”. Verifica-se que a combinação de honeycomb de maior densidade de células (célula de ⅜”) feita com o material de maior resistência mecânica (Al 5056) apresenta a maior eficiência de força de esmagamento e a maior energia absorvida específica e, portanto, considerando os casos analisados, é a mais adequada para a aplicação em questão.
Abstract: There is a growing interest by the industries in structural solutions that combine low mass with high impact-energy absorption. Components that have these characteristics are frequently used in aeronautical and airspace industries. The hexagonal cellular structure called honeycomb, made of metallic materials such as aluminum or nonmetallic such as Nomex®, is a solution for this demand. However, one of the challenges in using this type of structure is that its performance is heavily dependent on manufacturing parameters. Characteristics such as edge width, wall thickness, cell density (number of cells per structure area) and material properties influence the energy absorption capacity of the honeycomb. In impact situations, the most common failure mechanism is plastic deformation through progressive folding which promotes energy dissipation with more or less efficiency according to the parameters mentioned above. For this reason, the failure mode analysis of the component is important for project development. An efficient project seeks for high specific energy absorption and high crush force efficiency, the latter given by the ratio of the average crushing load to the maximum crushing load. Within this context, this study investigates the behavior of honeycomb structures with different combinations of geometric parameters and constituent materials in impact situations. In order to achieve this goal, finite element analyses are performed using the computational tool Abaqus. First, quadrilateral and hexagonal tubular cells are analyzed in order to understand the mechanisms and variables that govern this type of simulation. It is confirmed that the hexagonal cell is more suited for energy-absorption applications, surpassing the total absorbed energy of the quadrilateral cell by 47% by the end of an impact simulation. Next, hexagonal cell honeycomb numeric models are created using data provided by an experimental study found in the literature. With these models, a comparative analysis is conducted using distinct honeycomb structures made of aluminum alloys Al 3003, Al 5052 e Al 5056 and cell sizes of ⅜ in, ½ in and ¾ in. It is verified that the honeycomb parameter combination of the highest cell density (⅜ in cell) made with the highest mechanical resistance material (Al 5056) provides the highest crush force efficiency and the highest specific energy absorption and, therefore, among the tested cases, is the most appropriate for the presented application.
URI: http://repositorio.roca.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/9634
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