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Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Avaliação da aplicação de ancoradores por soldagem em laminados metal-fibra visando a indústria aeronáutica
Alternate title (s): Evaluation of the application of anchorages welded to a fiber-metal laminate aiming at the aeronautical industry
Author: Skhabovskyi, Iaroslav
First Advisor: Scotti, Américo
First coorientator: Botelho, Edson Cocchieri
First member of the Committee: Reis, Ruham Pablo
Second member of the Committee: Lima, Antônio Marcos Gonçalves de
Third member of the Committee: Tarpani, José Ricardo
Fourth member of the Committee: Oliveira, Ana Sofia Clímaco Monteiro de
Summary: Painéis laminados metal-compósito são alternativas modernas e eficientes para obtenção de estruturas leves e de alta resistência aplicáveis na indústria de transportes, sobretudo na aeronáutica. Tradicionalmente, esses painéis são formados por camadas intercaladas de chapas finas de metal e lâminas de compósito, combinando as melhores propriedades de ambos materiais em uma única estrutura. Assim, a união entre o metal e o compósito é fundamental para o bom desempenho da estrutura. A melhoria deste tipo de união tem sido recentemente testada através de ancoradores fixados nas superfícies das chapas metálicas que funcionam mini estruturas de acoplamento entre os constituintes do painel. Normalmente se utiliza processos de fabricação sofisticados, como LASER, para produzir micro nervuras ou texturização. Entretanto, o foco desta prática tem sido juntas metal-compósito e não painéis laminados. Este trabalho teve como objetivo propor e avaliar um novo conceito de ancoradores para painéis laminados, que consiste na deposição de mini pinos metálicos por soldagem a arco para atuar na interface metal-compósito. Para tal, usou-se a técnica de soldagem CMT PIN, já testada com sucesso em juntas híbridas metal-compósito. Inicialmente estudou-se a técnica CMT PIN com o intuito de produzir um tipo de pino adequado para aplicação desejada. Em seguida, painéis miniaturizados foram manufaturados com diferentes disposições e densidades de pinos e avaliados comparativamente a painéis convencionais de mesmo material e dimensões similares, por meio de ensaios mecânicos com carregamento quase-estático (dobramento a três pontos, flambagem e cisalhamento), ensaios de impacto (baixa e alta velocidades) e análise modal. Os ensaios mecânicos visaram avaliar comparativamente os painéis quanto a esforços de flexão, compressão e cisalhamento, esforços típicos que sofre, por exemplo, a estrutura de uma aeronave em operação. Já os ensaios de impacto tentam simular o comportamento destas estruturas em colisões com objetos na sua trajetória, ou mesmo ao ser alvo de projéteis lançados sobre elas. O ensaio para se aplicar análise modal visou determinar a capacidade dos pinos em conferir amortecimento aos painéis. Finalmente, uma avaliação da qualidade superficial das paredes externas dos painéis foi implementada, propondo-se evitar limitações de acabamento externo da fabricação dos painéis por soldagem. Verificou-se que os painéis com ancoradores tiveram resistência similares à flambagem e até menor resistência à flexão, quando comparados com o painel laminado convencional. Porém, tais painéis apresentaram um comportamento menos catastrófico após a falha e uma maior resistência ao cisalhamento. No ensaio de impacto de baixa velocidade (Drop-Weight Test), os pinos não tornaram os painéis mais frágeis e nem alteraram sua capacidade de absorver a energia de impacto, mas quando submetido ao ensaio de impacto de alta velocidade (Balístico), os painéis com pinos exibiram uma maior capacidade de absorção de energia. Verificou-se, pela análise modal, que os pinos não alteraram a frequência natural de vibração dos painéis, mas aumentaram consideravelmente o fator de amortecimento dos mesmos, emprestando a eles uma maior capacidade de absorver vibrações e ruídos. Estas características positivas estão relacionadas ao ancoramento entre o metal e o compósito promovido pelos pinos, que ocorreram com leve acréscimo de massa e sem alterações superficiais significantes das paredes externas dos painéis. Desta forma, a ancoragem conseguida das lâminas de compósitos através de pinos depositados por soldagem mostrou ser uma forma viável de melhorar o desempenho de painéis laminados metal-compósito.
Abstract: Fiber-metal laminate panels are modern and efficient alternatives for obtaining light and high strength structures applicable in the transport industry, especially in aeronautics. Traditionally, these panels are formed interlaying thin metal and composite components, combining the best properties of both materials into a single structure. Thus, the adhesion between the metal and the composite layers is critical for the good performance of the structure. Anchorages fixed to the metal sheet surfaces have proved to be beneficial for the adhesion. Typically, sophisticated manufacturing processes, such as LASER, are used for this purpose producing micro-edging or texturing. However, such techniques are usually applied for metal-composite joints rather than for laminate panels. The aim of this work was to propose and evaluate a new concept of anchorages for laminate panels, which consists of the deposition of metallic mini pins by arc welding to act as anchorages of the metal-composite interface. For this, the CMT PIN welding process, already successfully tested in hybrid metal-composite joints, was used. Initially the CMT PIN process was studied in order to produce the best type of pin geometry for the intended application. Then, miniaturized panels were fabricated with different arrangements and pin densities and then evaluated by comparing to conventional panels of the same material and similar dimensions by means of quasi-static mechanical loading tests (three-point bending, buckling and shearing), low- and high-speed impact and modal analysis. In order to evaluate the panels against flexure, compression and shear stresses (which are typical stresses suffered by the aircraft structure in operation), appropriate mechanical tests were carried out. Impact tests were intended to simulate the behavior of these structures in collisions with objects in their trajectory, or even when being the target of projectiles launched on them. The modal analysis assay was aimed to determine the pins ability to impart damping to the panels. Finally, an evaluation of the surface quality of the panel outer walls was implemented in order to avoid cosmetic limitations of the panels manufacturing by welding. The panels with anchorages were found to have similar strength to buckling, but lower bending strength, as compared to the conventional laminate panel. However, these panels presented a less catastrophic behavior after failure and a higher resistance to shear. The Drop-Weight Test showed that the pins did not make the panels more fragile nether altered their ability to absorb the impact energy, moreover when subjected to the high-speed (Ballistic) impact test, panels with pins exhibited a greater energy absorption capacity. It was verified by modal analysis that the pins did not change the natural vibration frequency but they considerably increased the damping factor of the panels, giving them a greater capacity to absorb vibration and noise. These positive features are related to a better anchoring between the metal and the composite promoted by the pins, which accompanied by a slight increase of mass and without significant surface alterations of the panel external walls. Thus, anchoring achieved from composite layers through pins deposited by welding has proved to be able of improving the performance of fiber-metal laminate panels.
Keywords: Painéis estruturais
Laminados metal-compósito
Ancoradores soldados
União híbrida metal-compósito
Structural panels
Fiber-metal laminates
Welded anchorages
Hybrid metal-composite joint
Cold-metal transfer pin
Engenharia mecânica - teses
Soldagem - teses
Placas (engenharia) - teses
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROCESSOS DE FABRICACAO::PROCESSOS DE FABRICACAO, SELECAO ECONOMICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: SKHABOVSKYI, Iaroslav. Avaliação da Aplicação de Ancoradores por Soldagem em Laminados Metal-Fibra Visando a Indústria Aeronáutica. 2018. 225 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2018. Disponível em: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2018.783
Document identifier: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2018.783
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/22087
Date of defense: 11-Jun-2018
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