ANÁLISE ESTÁTICA NÃO LINEAR DO ENVELOPE BOBINADO DE UM PROPULSOR / THE NON LINEAR STATIC BEHAVIOUR OF A MOTOR S CASE

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1 ANÁLISE ESTÁTICA NÃO LINEAR DO ENVELOPE BOBINADO DE UM PROPULSOR / THE NON LINEAR STATIC BEHAVIOUR OF A MOTOR S CASE J. C. Pereira & A. F. Palmerio Centro Técnico Aeroespacial, Instituto de Aeronáutica e Espaço Divisão de Sistemas Espaciais S. J. Campos, Brasil - jcarlos@ase2.iae.cta.br Abstract The non linear static behaviour of a motor s case in Aramid/Epoxy is analyzed. The cure process of the Epoxy resine is analyzed numerically and compared with the measurements taken after the fabrication of the envelope. In the non linear analysis, an additional stiffness matrix is considered as a function of the in-plane stresses state. Keywords Análise não linear, estrutura bobinada, material composto, elementos finitos, non linear behaviour, wound structure, composite materials, finite elements. 1. INTRODUÇÃO A busca incessante de um desempenho estrutural capaz de atender as condicões de projeto, e paralelamente reduzir a massa e simplicar os processos de fabricação, tem levado certas estruturas aplicadas a projetos aeronáuticos e aeroespaciais, a substituir alguns de seus componentes em materiais convencionais por materiais compostos, que conjugam elevados índices de resistência e rigidez por unidade de peso. Na área aeroespacial, as vantagens de se utilizar material composto em alguns de seus componentes estruturais é enorme. Os envelopes de motores dos estágios mais altos dos lançadores de satélite combinam redução de massa estrutural com ganho de massa de carga útil. Esta relação é geralmente 1 para 1 no último estágio. O caráter anisotrópico dos materiais compostos possui uma série de vantagens com relação aos materiais convencionais, em contrapartida, o comportamento de estruturas neste tipo de material é muito mais complexo. Neste contexto, este trabalho tem por objetivo analisar do comportamento estático não linear do envelope do propulsor do último estágio do Veículo de Lançamento de Satélites (VLS). O envelope do propulsor é uma estrutura de tipo casca bobinada em fibras de Aramida/Epóxi e composta de dois domos, dianteiro e traseiro, e de uma região cilíndrica. O modelo numérico utiliza um elemento multicamadas de tipo casca do programa de análise estrutural ANSYS. A deformação do envelope devida ao processo de cura da resina Epóxi é analisada numéricamente e comparada com a medidas de deslocamento dos domos dianteiro e traseiro

2 tomadas após a retirada do mandril. A análise estática não linear considera uma rigidez adicional devida ao estado tensões planas, normalmente considerada em estruturas de tipo casca (ANSYS, 1995). Os resultados numéricos são comparados com os resultados obtidos experimentalmente nos ensaios de qualificação hidráulica. 2. DESCRIÇÃO DO ENVELOPE DO PROPULSOR O propulsor é composto dos seguintes componentes: um envelope motor em fibras de Aramida e resina Epóxi dividido em domo traseiro, domo dianteiro e região cilíndrica, dois saiotes em fibras de Carbono e resina Epóxi e duas saias em Alumínio, Figura Fabricação O envelope do propulsor é um motor bobinado com fibras de Aramida impregnadas em resina Epóxi. Por se tratar de uma peça de revolução, o bobinamento das fibras (reforço) é feito sobre um mandril que dará a forma final da peça. A maneira com que o reforço é depositado no mandril, depende dos esforços solicitantes na estrutura, assim como de sua geometria. Para atender a estas necessidades de projeto, dois tipos de bobinamentos foram utilizados na fabricação do envelope motor: o bobinamento circunferencial e o bobinamento polar. No bobinamento circunferencial, o reforço é depositado em um mandril rotativo, com um ângulo de deposição de 90 em relação ao eixo de rotação. Este tipo de bobinamento resiste aos esforços radiais e circunferenciais. domo traseiro flange traseiro saia traseira saiote traseiro região cilíndrica saiote dianteiro saia dianteira domo dianteiro Figura 1: Propulsor bobinado. No bobinamento polar, o reforço é depositado no mandril de forma a tangenciar as duas aberturas dos domos, traseiro e dianteiro. O ângulo de deposição varia de α 0, constante na parte cilindrica, até 90 nas duas aberturas dos domos. O bobinamento polar resiste preferencialmente aos esforços longitudinais. 2

3 A fabricação do envelope motor consiste portanto da combinação destes dois tipos de bobinamento. Nos domos traseiro e dianteiro, o bobinamento é do tipo polar [(±α) 4 ], enquanto que no cilindro os bobinamentos circunferencial e polar se intercalam [(90º/±α 0 ) 4 ], com α 0 = Os saiotes traseiro e dianteiro são fabricados em fibras de Carbono/Epóxi unidirecionais. A junção entre o envelope motor e os saiotes é garantida por intermédio de um bobinamento circunferencial em fibras de Aramida/Epóxi, cobrindo as interfaces domos/cilindro e as extremidades de contato dos saiotes com o envelope motor. 2.2 Modelo Numérico O modelo numérico utilizado na análise numérica do envelope do propulsor corresponde a 1/4 de sua geometria, Figura 2. As dimensões principais aproximadas do propulsor são: diâmetro = 1m e comprimento total = 1.1m. A evolução da espessura da parede, do ângulo de deposição α nos domos traseiro e dianteiro e as propriedades dos materiais dos componentes do propulsor são dadas em (Braga de Mendonça, 1994). O propulsor sendo predominantemente uma estrutura em material composto do tipo casca, foi malhado com 970 elementos do tipo casca multicamadas que possuem 6 graus de liberdade, 3 deslocamentos u x, u y, u z medidos no sistema de coordenadas global X r r r, Y e Z, e 3 rotações ROT x, ROT y e ROT z, medidas no sistema de coordenadas nodal do elemento x r r, y e r z (ANSYS, 1995). Os flanges e as tampas do ignitor e da tubeira foram malhados com 280 elementos de volume que possuem, 3 deslocamentos u x, u y, u z medidos no sistema de coordenadas global, (ANSYS, 1995). As condições de contorno aplicadas no modelo são aquelas que definem a axisimetria do propulsor. Como no ensaio hidráulico, assumiu-se que o propulsor está engastado na extremidade de sua saia dianteira, Figura ANÁLISE DO PROCESSO DE CURA O envelope motor é bobinado a temperatura ambiente e depois colocado numa estufa para a cura da resina Epóxi. As deformações de origem térmica criadas neste processo, se efetuam sem que haja uma variação global da sua forma por empenamento. No entanto, quando do resfriamento do envelope, as camadas têm a tendência a se contrair ou dilatar de maneira diferente segundo as direções longitudinais e transversais das fibras, dai o surgimento de tensões de origem térmica (Gay, 1991). Em Figura 2: Modelo numérico do propulsor. certos casos, estas tensões, chamadas tensões residuais, podem ser suficientemente elevadas para modificar as características a ruptura de estruturas multicamadas (Berthelot, 1992). Em estruturas do tipo placa, o empilhamento simétrico levaria a uma simetria das tensões, 3

4 oque teoricamente levaria a estrutura a deformar-se unicamente em membrana. No caso do envelope motor, em se tratando de uma estrutura de forma complexa a um empilhamento antisimétrico nos domos, as tensões de origem térmica levam o envelope a se deformar em membrana e em flexão. A deformação em torção é nula devido a axisimetria do envelope. O efeito do processo de cura da resina foi analisado numéricamente supondo que no resfriamento do envelope há uma variação de temperatura t = -95 C, sendo considerado que a temperatura de cura de resina é 120 C. Os coeficientes de dilatação térmica utilizados foram: α l = -0.2e-5 C -1, correspondente as fibras de Aramida e α t = 7e-5 C -1, correspondente a resina Epóxi. A comparação com as medidas obtidas após este processo é mostrada na Tabela 1. Tabela 1: Comparação numérico/experimental dos deslocamentos devidos a cura da resina. deslocamento axial u z numérico medidos após a cura da resina tampa traseira 3.7 mm 3.5 mm tampa dianteira mm mm 4. ANÁLISE ESTÁTICA NÃO LINEAR A teoria não linear considera uma rigidez adicional, normalmente considerada em estruturas de tipo casca, oriunda do estado de tensões planas. Esta rigidez adicional é obtida através de uma teoria linear, no entanto, o processo é não linear devido ao fato de as tensões serem calculadas a cada iteração (ANSYS, 1995). A metodologia utilizada na análise numérica foi a seguinte: analisou-se a deformação do envelope devida a cura da resina Epóxi para posteriormente somar as deformações obtidas na geometria inicial. A análise do comportamento estático não linear durante a pressurização do envelope é portanto feita sobre uma estrutura inicialmente deformada. 4.1 Ensaio Hidráulico Figura 3: Posicionamento dos transdutores de deslocamento. O ensaio hidráulico foi realizado com o propulsor posicionado verticalmente com o domo dianteiro voltado para baixo. A forma da deformação do propulsor durante a pressurização foi extraída pelos 22 transdutores de deslocamentos, posicionados conforme a Figura Resultados Numéricos A confrontação dos resultados numéricos com os resultados experimentais medidos no 4

5 ensaio hidráulico da região cilíndrica (ponto C15) e dos domos traseiro (ponto C7) e dianteiro (ponto 21), é feita nas Figuras 4, 5 e 6, respectivamente deslocamento (mm) Experimental Numérico deslocamento (mm) Experimental Numérico pressão (bar) pressão (bar) Figura 4: Deslocamento do ponto C15. Figura 5: Deslocamento do ponto C7. deslocamento (mm) Experimental Numérico pressão (bar) 5. COMENTÁRIOS E CONCLUSÕES Figura 6: Deslocamento do ponto C21. O processo de cura da resina Epóxi demostrou ser parte importante na análise do envelope motor, visto que os deslocamentos medidos após este processo são de mesma ordem de grandeza que aqueles medidos durante a pressurização. O estado de tensões planas teve uma influência importante no comportamento dos domos, haja visto a aparição do ponto de inflexão ocorrido no domo traseiro, visto na Figura 5. Em contrapartida, este fator se mostrou irrelevante no comportamento da parte cilíndrica. O modelo numérico ajustou satisfatóriamente o comportamento da parte cilíndrica e do domo traseiro, entretanto o domo dianteiro necessita de uma análise mais refinada para o seu ajuste. Em trabalhos futuros, deve-se avaliar a importância da degradação da resina, assim como das tensões residuais oriundas do processo de cura no comportamento do envelope. 6. REFERÊNCIAS ANSYS User s Manual, Volume IV, Theory, ANSYS Revision 5.2, August 31,

6 Braga de Mendonça, C. Análise Modal de um Motor Bobinado em Material Composto. Tese de Mestrado, Instituto Tecnológico da Aeronáutica, São José dos Campos, ANSYS User s Manual, Volume III, Elements, ANSYS Revision 5.2, August 31, Gay, D. Matériaux Composites. Hermès, Paris, Berthelot, J.-M. Matériaux Composites - Comportement Mécanique et Analyse des Structures. Masson, Paris, AGRADECIMENTOS Os resultados numéricos deste trabalho foram conseguidos graças aos recursos computacionais do CENTRO NACIONAL DE SUPERCOMPUTAÇÃO - CESUP/RS. Este trabalho foi realizado graças a concessão de uma bolsa recém-doutor fornecida pelo CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPq. 6