Fabricação avançada de compósitos:fundamentos de dobra de vigas

Antes de chegar aos materiais e configurações que determinam a resistência de uma peça produzida usando ATL / AFP e compostos, é importante entender a física e a teoria por trás dos diferentes aspectos que afetam sua resistência. Nesta seção, cobrimos 3 conceitos que estabelecem as bases para peças ATL / AFP fortes.

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As peças ATL / AFP raramente são 100% de fibra de carbono, pois é benéfico para a economia de custos e material reforçar apenas as seções que sofrem mais força. É por isso que a maioria das peças compostas são construídas mais como sanduíches, com as seções mais externas sendo o material composto e a estrutura interna sendo o núcleo.

O objetivo principal do núcleo é aumentar a peça até a espessura desejada, sem construí-la com caro fibra de carbono. Então, a espessura da casca ou densidade do núcleo contribui mais para a resistência da peça? A resposta deriva da teoria simples da flexão da viga.

A principal conclusão da teoria de flexão de viga é que as superfícies superior e inferior de uma viga experimentam mais força quando dobradas, e podemos otimizar a resistência de uma viga para seu peso apenas adicionando material nesses extremos, e usando o mínimo de material possível.

Digamos que temos uma viga simples, como uma ponte, apoiada em ambos os lados, e o peso está centralizado entre os apoios das extremidades, conforme mostrado no diagrama a seguir.


Imagem 1:Um caso de carregamento básico de uma viga apoiada em dois pontos, com um peso no centro

Podemos abstrair este modelo para os 3 pontos de contato das experiências do feixe - um para o peso e dois para os suportes. Isso forma um triângulo, onde os pontos de contato se tornam os vértices.

Imagem 2:Simplificar os pontos de contato cria um triângulo onde a força será aplicada

Quando o peso aplica uma força a esta viga, imagine as forças distribuindo junto com esta estrutura triangular. Os dois segmentos angulares são comprimidos e o segmento horizontal é carregado em tensão.

Imagem 3:As forças são distribuídas ao longo do comprimento do triângulo

As forças são distribuídas ao longo do comprimento do triângulo. A magnitude da força horizontal depende, em última análise, da espessura da viga. À medida que a viga fica mais espessa e a carga permanece constante, os ângulos básicos do triângulo aumentam, reduzindo a força horizontal resultante na viga. Quando aumentamos a viga, desta forma, podemos ver que o ângulo de força aplicada nos apoios torna-se mais vertical:

Imagem 4:Conforme o feixe se torna mais espesso, o triângulo fica mais alto. Assim, a distribuição de força muda

Conforme esses ângulos aumentam, a força de tração resultante diminui. Isso significa que uma viga mais espessa será capaz de resistir à força de tração de flexão do peso com muito mais facilidade do que uma viga mais fina. É senso comum que uma viga mais espessa é capaz de suportar mais peso do que uma mais fina, e essa teoria explica por quê.

Um aspecto relacionado à teoria de flexão de viga descreve que as maiores cargas em uma viga dobrada são aplicadas em seus extremos. Uma força de flexão aplicada a uma viga se transforma em forças de tração e compressão em ambos os lados do que é chamado de "eixo neutro", o plano em uma viga em que nenhuma carga é experimentada.

Neste caso, o material abaixo da linha neutra é carregado em tensão e acima da linha neutra é carregado em compressão.
Imagem 5:quanto mais longe do eixo neutro, maior será a força resultante

Esta informação sugere que, se otimizar uma viga para sua resistência e peso, o material tem o maior impacto nas superfícies superior e inferior de a parte, enquanto o meio resiste a forças de cisalhamento relativamente pequenas.

Especialmente em ATL / AFP, as cargas de tração são mais importantes e mais fáceis de otimizar do que as cargas de compressão, porque cada camada de fibra se comporta como um fio (mais sobre isso posteriormente).

Isso explica por que os tubos circulares e em caixa, as vigas I e as vigas T são tão comuns na construção; eles economizam peso adicionando apenas material onde ocorrem as maiores tensões. Um tubo circular pode lidar com o carregamento de todos os lados, porque não importa de onde a força é aplicada, existem duas "superfícies" nos extremos.

Uma caixa pode lidar com cargas de quatro lados porque qualquer lado a partir do qual a carga é aplicada tem um lado oposto pronto para sofrer tensão. Uma viga em I, no entanto, só é capaz de lidar com força extrema de dois lados e, da mesma forma, uma viga em T só é eficiente quando sofre carga de um lado.

Imagem 6:Diferentes seções transversais de vigas estruturais

Os diferentes tipos de vigas cortam o material em diferentes áreas com base em como eles esperam ser carregados. Portanto, ao pensar sobre as peças na dobra, lembre-se destas duas coisas:

• Um feixe mais espesso é mais forte do que um feixe mais fino
  

• Uma viga em flexão experimenta as cargas mais altas em suas faces
  

Agora que discutimos os fundamentos da curvatura do feixe, esta teoria pode ser levada adiante projetando componentes críticos, como asas de aeronaves, mastros de navios e até chassis automotivos. Uma vez que um domínio firme é estabelecido, as possibilidades de compósitos são quase infinitas!

Sobre Addcomposites h2>

Adicionar compostos é o fornecedor do sistema Automated Fiber Placement (AFP). O sistema AFP pode ser alugado mensalmente para trabalhar com termofixos, termoplásticos, colocação de fibra seca ou em combinação com impressoras 3D.

3 Aplicações mais comuns de engenharia de compostos termofixos Reduza a pegada de carbono pela produção virtualizada