A study on the vibro-acoustic behavior of composite materials and sandwich structures focusing on applications in nondestructive evaluation

O uso de materiais compósitos e estruturas sanduíche vem crescendo com o passar do tempo. Este crescimento gera, por sua vez, uma demanda por formas de se detectar defeitos e danos, e avaliar a integridade de estruturas feitas com esses materiais de maneira prática e confiável. Neste contexto, o presente trabalho busca iniciar o desenvolvimento de novos métodos de ensaio não destrutivo de materiais compósitos e estruturas sanduíche, baseando-se no comportamento vibro-acústico da estrutura. Isto foi feito por duas abordagens distintas: experimental e numérica. Na abordagem experimental, estudou-se a possibilidade de usar parâmetros obtidos com base no som radiado pela estrutura para fazer a identificação de defeitos em uma placa-sandu íche, na qual defeitos foram deliberadamente introduzidos durante a fabricação. Foram testados dois parâmetros psicoacústicos — loudness e sharpness — e o chamado Índice de discrepância. Com estas três métricas foi possível identificar falhas. Contudo, dificuldades como indicações de defeito em locais onde não há nenhum e o tempo de duração do ensaio permanecem como obstáculos a serem vencidos. Na abordagem numérica, utilizou-se o método dos elementos finitos para modelar placas laminadas com delaminações. Foram consideradas duas formas diferentes de se modelar a delaminação. Também foram consideradas delaminações de diferentes tamanhos e em diferentes posições na placa, para estudar como a presença da delaminação afeta frequências e modos de vibração da placa, além de frequências e distribuições modais de pressão de uma cavidade com cinco paredes rígidas e com a placa ocupando a posição da parede restante. Foi observado que frequências e modos são (de uma forma geral, para os casos avaliados) pouco sensíveis á presença de delaminações. ______________________________________________________________________________________ ABSTRACTThe use of composite materials and sandwich structures is increasing with time. This increase results in a greater need to detect defects and damage, and assess the overall integrity of structures made with these materials. Within this context, the present work seeks to initiate the development of new methods of nondestructive evaluation of composite materials and sandwich structures, based on the vibro-acoustic behavior of the structure. This problem was approached in two different ways — experimental and numerical. In the experimental study, the possibility of detecting defects in a sandwich plate (in which defects were deliberately introduced during the manufacturing of the plate) with parameters obtained from the sound radiated by the plate was evaluated. Two psychoacoustic parameters were tested —loudness and sharpness. A parameter named discrepancy index" was also tested. With these parameters, defects were detected on the test piece. However, the time required to complete the test and the fact that indications of defects were made on parts of the test piece where there were none, remain as obstacles to be surpassed. In the numeric study, the finite element method was used to model laminated plates with delaminations and study how the delaminations affect the natural frequencies and modes of vibration of the plate, as well as the natural frequencies and modal distribution of pressure of a rectangular cavity with five rigid walls and the laminated plate covering the opening. It was observed that the frequencies and modes were little affected by the presence of delaminations in most of the cases studied