Flexão e compressão axial de painéis-sanduíche com reforços unidirecionais de juta e vidro e núcleo de PET : numérico e experimental

Abstract

A utilização de fibras vegetais em compósitos pode proporcionar diversas vantagens em comparação às fibras sintéticas, incluindo aspectos econômicos, sociais e ambientais além de propriedades mecânicas específicas satisfatórias. No entanto, é necessário um melhor entendimento a respeito da falha e dano de painéis-sanduíche com fibras vegetais devido à complexidade de previsão da falha destes materiais, bem como dos efeitos da não-linearidade de espumas poliméricas. Este trabalho foi dividido em três etapas, a primeira etapa objetivou avaliar o efeito da hibridização e sequência de empilhamento nas propriedades mecânicas dos laminados de juta, vidro e 3 sequências híbridas. Na segunda etapa foi avaliado o comportamento mecânico de painéis-sanduíche com núcleo de espuma de PET e faces de resina poliéster ortoftálica reforçada com fibras unidirecionais de juta, vidro e híbrido simétrico sob compressão axial variando o comprimento (100 e 180 mm) utilizando abordagens numéricas, experimentais e analíticas. Por fim, na terceira etapa as análises foram realizadas para os painéis com 5 tipos diferentes de faces (juta, vidro e 3 configurações híbridas) sob flexão. O processo de fabricação utilizado foi a infusão a vácuo e os constituintes dos painéis foram caracterizados para a alimentação dos modelos numéricos. As análises numéricas dos painéis foram realizadas via elementos finitos no Abaqus com uma sub-rotina do usuário (VUMAT) implementada com o critério de falha de Hashin para avaliar o comportamento de falha e dano das faces dos painéis foi utilizado o modelo Crushable Foam para a espuma. Para os painéis sob compressão axial, 4 modelos foram utilizados para prever a carga crítica de flambagem, sendo modelos lineares e não-lineares considerando imperfeições geométricas. Na primeira etapa de avaliação experimental dos laminados, os híbridos apresentaram módulo em tração intermediário aos compósitos de vidro e de juta puros. Houve uma flutuação na resistência à tração e compressão dos híbridos, justificada pela variação de teor de resina e de vazios e pela influência da sequência de empilhamento (regiões interlaminares vidro-juta). O painel híbrido apresentou uma carga crítica de flambagem maior que os painéis puros de juta e vidro devido a combinação entre propriedades mecânicas e geométricas. Além disso, os painéis longos foram mais suscetíveis a flambagem. Os modelos numéricos para os painéis com camadas de juta nas faces apresentaram uma carga crítica de flambagem e carga máxima de flexão subestimada devido a maior dificuldade em prever as propriedades de fibras vegetais. Os painéis híbridos apresentaram uma carga máxima em flexão maior que os painéis puros, com destaque para a sequência GJJG (vidro/juta/juta/vidro), que apresentou uma resistência à flexão ligeiramente mais alta entre os híbridos, novamente devido a combinação entre propriedades mecânicas e geométricas.

The use of natural fibers in composites can offer several advantages compared to synthetic fibers, including economic, social, and environmental aspects, as well as satisfactory specific mechanical properties. However, a better understanding of the failure and damage of sandwich panels with natural fibers is necessary due to the complexity of predicting the failure of these materials, as well as the effects of the non-linearity of polymeric foams. This work was divided into three stages: the first stage aimed to evaluate the effect of hybridization and stacking sequence on the mechanical properties of jute, glass, and three hybrid stacking sequences. In the second stage, the mechanical behavior of sandwich panels with PET foam cores and faces made of orthophthalic polyester resin reinforced with unidirectional jute, glass, and symmetric hybrid fibers was evaluated under edgewise compression, varying the length (100 and 180 mm), using numerical, experimental, and analytical approaches. Finally, in the third stage, analyses were performed on panels with five different face types (jute, glass, and three hybrid configurations) under bending. The manufacturing process used was vacuum infusion, and the panel constituents were characterized to feed the numerical models. The numerical analyses of the panels were performed using finite element methods in Abaqus, with a user subroutine (VUMAT) implemented with the Hashin failure criterion to evaluate the failure and damage behavior of the panel faces. The Crushable Foam model was used for the foam. For the panels under edgewise compression, four models were used to predict the critical buckling load, including linear and non-linear models considering geometric imperfections. In the first stage of the experimental evaluation of the laminates, the hybrid composites presented an intermediate tensile modulus between the pure glass and jute composites. There was fluctuation in the tensile and compressive strength of the hybrids, justified by variations in resin content and voids, as well as the influence of the stacking sequence (glass-jute interlaminar regions). The hybrid panel exhibited a higher critical buckling load than the pure jute and glass panels due to the combination of mechanical and geometric properties. Additionally, longer panels were more susceptible to buckling. The numerical models for the panels with jute layers on the faces underestimated the critical buckling load and maximum bending load due to the greater difficulty in predicting the properties of natural fibers. The hybrid panels exhibited a higher maximum flexural load than the pure panels, with the GJJG (glass/jute/jute/glass) sequence showing slightly higher flexural strength among the hybrids, again due to the combination of mechanical and geometric properties.