Virginia Tech Avança Design de Aeronaves Compósitas com Nova IGA para Estruturas Pele-Enrijecedor com Recortes Complexos

Estruturas unificadas estão sendo usadas para construir aeronaves mais leves e ambientalmente amigáveis. Tais materiais compósitos avançados multicamadas oferecem altas razões resistência-peso e, portanto, estão sendo cada vez mais usados nas indústrias aeroespacial e naval, entre outras.

No entanto, quando usadas em veículos espaciais hipersônicos, tais estruturas experimentam aumento significativo de temperatura em curto tempo, resultante do aquecimento aerodinâmico devido ao atrito entre a superfície do veículo e a atmosfera. Tais fenômenos são mais proeminentes durante processos de reentrada e lançamento. Por esta razão, considerar efeitos térmicos é importante no design e análise de tais estruturas.

Devido a um aumento nos requisitos impostos sobre compósitos laminados, para uma infinidade de aplicações de engenharia, o uso de chapas com recortes de formato arbitrário é inevitável. Mas a resposta de estruturas a cargas pode ser significativamente afetada devido à presença de tais recortes. Como o estudo de compósitos laminados com recortes é um problema complexo, métodos numéricos são usados extensivamente. Agora, pesquisadores do Virginia Polytechnic Institute and State University (Virginia Tech, Blacksburg, Virgínia, EUA) combinaram a análise isogeométrica (IGA) recentemente evoluída para modelar painéis compósitos enrijecidos curvilineamente com recortes de várias formas e tamanhos.

Segundo Dr. Balakrishnan Devarajan, ex-aluno de Ph.D do Grupo de Estruturas Unificadas na Virginia Tech, "A IGA oferece maior precisão e eficiência e representa a geometria exata dos enrijecedores em cada nível de refinamento de malha. Também permite mais flexibilidade em refinamento perto das áreas onde os enrijecedores e a chapa compósita são conectados."

O desenvolvimento concluído pelo Dr. Devarajan e seu colaborador, Dr. Rakesh Kapania, introduz uma nova maneira de alcançar continuidade de deslocamento entre os pontos de controle do enrijecedor e da chapa usando uma matriz de função de interpolação. O enrijecedor curvilíneo foi gerado com precisão por apenas três pontos de controle (Fig. 1). Os pesquisadores usaram múltiplos patches para criar geometrias de recortes complexos, e também formularam uma metodologia para impor condições de interface que preservaram a continuidade de ordem superior através de múltiplos patches. O método desenvolvido elimina a necessidade de ter os nós do enrijecedor coincidentes com os nós da chapa.

Análise e comparação com métodos padrão de elementos finitos mostram taxas de convergência, precisão e eficiência mais altas usando IGA. Este trabalho estará em breve disponível como código opensource no GitHub. A pesquisa foi publicada no artigo Composite Structures: "Thermal buckling of curvilinearly stiffened laminated composite plates with cutouts using isogeometric analysis".