Simulação numérica do comportamento mecânico de estruturas reforçadas

Mestrado em Engenharia MecânicaOs painéis reforçados são constituídos por uma placa de base com reforços numa ou mais direcções, permitindo a obtenção de estruturas leves e com grande resistência. Na maior parte dos casos o cálculo estrutural concentra-se nas cargas de compressão longitudinais a que estes painéis estão sujeitos. No presente trabalho são descritos métodos analíticos e empíricos que permitem o cálculo da carga máxima que um painel reforçado de alumínio consegue suportar (carga crítica). Contudo, a aplicabilidade destes métodos está limitada no que concerne a condições de fronteiras, propriedades de material e tipologias de reforço, para além das previsões da carga crítica fornecidas nem sempre serem exactas. O uso do Método dos Elementos Finitos (MEF), muito embora implique tempos de implementação e cálculo muito superiores ao dos outros métodos, permite uma generalidade de aplicação e exactidão superiores. No presente trabalho foram efectuadas análises através do MEF, usando o programa de simulação Abaqus. Foi possível encontrarem-se modelos capazes de reproduzir o comportamento obtido experimentalmente para painéis reforçados de alumínio sujeitos a forças de compressão longitudinais. As análises efectuadas com elementos finitos do tipo casca possibilitaram a obtenção de previsões exactas para a carga crítica. Foram também efectuadas análises de sensibilidade ao refinamento de malha para diferentes elementos do tipo casca, permitindo a obtenção de tempos de cálculo reduzidos sem afectar significativamente os resultados. O efeito da utilização de diferentes geometrias e magnitudes das imperfeições iniciais dos painéis foi também testado, usando as deformadas obtidas pela análise de valores próprios, tendo sido verificada grande sensibilidade a ambos os factores. Numa fase posterior, foram efectuadas optimizações estruturais dos painéis usando o algoritmo de optimização HDEPSO (hydrid differencial evolution and particle swarm optimization). Com base neste algoritmo, foram obtidas reduções de peso superiores a 14 % para painéis com reforços do tipo L. A utilização de diferentes geometrias de imperfeição inicial mostrou afectar significativamente os resultados do processo de optimização, quer nas dimensões da estrutura optimizada quer no peso final da mesma. De forma sumária, o presente trabalho de investigação conduziu ao desenvolvimento de ferramentas de projecto à encurvadura de painéis reforçados para a indústria aeronáutica e naval, baseadas em técnicas numéricas computacionais, e que se mostraram eficientes na simulação do comportamento de tais estruturas.Stiffened panels are composed of a base plate with stiffeners in one or more directions, capable of producing lightweight structures with high resistence. In most cases, the structural design focuses mainly on the longitudinal compressive loads that the panels are subjected to. In the present study, analytical and empirical methods that allow for the calculation of the maximum load an aluminium panel can support are described. However, the applicability of these methods is limited with regard to boundary conditions, material properties and geometry of the stiffener, and therefore predictions of critical loads do not always show good accuracy. The use of the Finite Element Method (FEM) can provide higher accuracy and generality, being suitable for most of the case-studies, although the implementation and calculation time can be higher than the other approaches. In the present work, a number of FEM analyses were carried out, using Abaqus commercial simulation software. As a preliminary conclusion, it was possible to find a range of models able to properly reproduce the experimental behavior of aluminium stiffened panels subjected to compressive loads. It was also shown that finite element analyses performed using shell finite elements are able to obtain accurate predictions of the critical load. Analyses were also made to evaluate the refinement of the mesh using different kinds of shell elements, leading to reduced calculation time without significantly affecting the results. In a subsequent phase in the present work, the effect of using different geometries and magnitudes of the initial imperfection on the numerical simulation of the panels was also inferred and tested, using the deformed shapes obtained from eigenvalue analyses. Finally, a detailed study of the structural optimization of the panels was made using an algorithm called HDEPSO (hibrid differencial evolution and particle swarm optimization). With this strategy, weight reductions higher then 14% were obtained for panels with L-type stiffened shapes. The use of different geometries of the initial imperfections was shown to significantly affect the results of the optimization process, for the dimensions of the optimized structure and final weight. As a summary, this study make it possible to the development of stiffened panels design tools for aircraft and shipbuilding industries, tools based on numerical computational techniques that proved effective and reliable in the structural behavior characterization of those structures