Investigação experimental e modelagem mef do comportamento mecânico de estruturas celulares produzidas por wlam

Abstract

As Estruturas Celulares (EC) vêm ganhando destaque tanto na indústria quanto na literatura devido à sua abordagem inovadora de projeto, em que o foco deixa de ser apenas as propriedades do material base e passa a se concentrar na geometria das células unitárias. Dentro desse amplo espectro das CS encontram-se as Lattice Structures (LS): componentes não estocásticos formados por células unitárias repetidas em uma malha, concebidos de acordo com princípios comuns das EC para alcançar propriedades estruturais otimizadas (especialmente uma alta relação resistência-peso). Nesse contexto, esta dissertação apresenta uma investigação experimental do comportamento mecânico, bem como uma modelagem via FEM, de LS fabricadas por Wire Laser Additive Manufacturing (WLAM) em aço ER70S-6 sob compressão, utilizando seis diferentes padrões de células unitárias: Circle, Diamond, Hexagon, Square, Triangle e Wavy. Para atingir o objetivo do estudo,um ensaio de tração de calibração foi realizado usando um corpo de prova de ER70S-6, a partir do qual foram calculados parâmetros ótimos de Kleinnerman-Ponthot e obtida uma curva elastoplástica multilinear. Em seguida, três amostras de cada padrão foram fabricadas pelo processo WLAM e submetidas a ensaios de compressão até 25 mm, sendo então calculadas as curvas médias força-deslocamento de cada geometria. As propriedades de material obtidas no ensaio de tração foram incorporadas a uma simulação 3D Não Linear Estática, elastoplástica, na qual cada LS foi submetida a um carregamento de compressão até 17 mm de deslocamento, registrando-se a curva força--deslocamento por um ponto de controle. Uma avaliação da energia total e específica absorvida foi realizada por meio da integração das curvas força-deslocamento, permitindo uma análise comparativa do desempenho dos espécimes, bem como da concordância entre Simulação e Experimento (S--E). Por fim, também foi possível uma comparação qualitativa dos modos e mecanismos de deformação S--E, confrontando as formas deformadas observadas nos ensaios com aquelas previstas numericamente. Obteve-se uma boa correspondência S--E para os padrões Circle, Diamond, Hexagon e Wavy, cujas curvas força-deslocamento apresentaram tendências similares, valores de energia com erro inferior a 8\% e mecanismos de deformação representados com precisão, sobretudo em nível local. Para as geometrias Square e Triangle, a discrepância S--E foi maior, embora as tendências gerais ainda tenham sido capturadas -- diferenças possivelmente atribuídas a idealizações do modelo e à incapacidade da simulação de reproduzir adequadamente a tendência de flambagem global observada nos ensaios. Observou-se consistência quanto aos melhores e piores desempenhos em absorção de energia, considerando tanto a energia total quanto a específica, nas simulações e nos experimentos: Square e Triangle ocuparam o primeiro e segundo lugares, respectivamente, enquanto o padrão Wavy apresentou o menor desempenho. As geometrias Circle, Diamond e Hexagon exibiram performances semelhantes, com o Hexagon demonstrando uma capacidade de absorção de energia ligeiramente superior.