Author(s):
Paulo, Rui Miguel Ferreira 
Date: 2011
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10773/7233
Origin: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Subject(s): Engenharia mecânica; Engenharia de estruturas: Comportamento mecânico; Materiais reforçados; Alumínio; Encurvadura; Deformações mecânicas
Description
Os 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. Mestrado em Engenharia Mecânica
Document Type
Master Thesis
Language
Portuguese
Advisor(s)
Valente, Robertt Angelo Fontes; Teixeira-Dias, Filipe Miguel Horta e Vale
