materiais compósitos propriedades mecânicas dos materiais

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Materiais Compósitos Laminados DEM Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais Micro – mecânica Micromechanics Departamento de Engenharia Mecânica Instituto Superior Técnico Materiais Compósitos

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Page 1: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

Ma

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am

ina

do

s

DE

M

Materiais Compósitos

Propriedades mecânicas dos materiais

Micro – mecânica

Micromechanics

Departamento de Engenharia Mecânica

Instituto Superior Técnico

Materiais Compósitos

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Ma

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ais

Co

mp

ós

ito

sL

am

ina

do

s

DE

MMicro / macromecânica

The term “micromechanics” does not refer to

mechanical behavior at the molecular level.

Looks at components of a composite, the matrix

and the fiber, and tries to predict the behavior of

the assumed homogeneous composite material.

The behavior of the lamina is called

“macromechanics”.

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am

ina

do

s

DE

MMicro / macromecânica

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am

ina

do

s

DE

MPropriedades mecânicas das fibras (1)

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ós

ito

sL

am

ina

do

s

DE

MFibras em lâminas

• Alguns arranjos típicos de fibras em cada camada de compósito

a - Fibras unidireccionais contínuas

b - Fibras descontínuas orientadas de modo aleatório

c - Fibras unidirecionais tecidas ortogonalmente

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am

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s

DE

MTipos de tecidos

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sL

am

ina

do

s

DE

MMatrix Properties

• 1. Good mechanical

properties

• 2. Good adhesive

properties

• 3. Good toughness

properties

• 4. Good resistance

to environmental

degradation

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am

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s

DE

MMechanical properties

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am

ina

do

s

DE

MTipos de resina (2)

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am

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s

DE

MFiber properties

1. High resistance

2. Linear elastic behaviour

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ós

ito

sL

am

ina

do

s

DE

MMicro-mecânica - FracçãoVolumica

composite of volume total

component i theof volume

component i theoffraction volume

1

th

th

i

i

1

i

V

V

v

V

Vv

v

i

i

n

i

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s

DE

MMicro-mecânica - FracçãoVolumica

f m v

volume fraction of the fiber

volume fraction of the matrix

volume fraction of the voids

f

f

m

m

v

v

v v v 1

Vv

V

Vv

V

Vv

V

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s

DE

MMicro-mecânica – Fracção mássica

th

th

weight fraction of the i component

weight of the i component

total weight of composite

n

i

i 1

i

i

i

i

w 1

Ww

W

w

W

W

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s

DE

MMicro-mecânica – Fracção mássica

weight fraction of the fiber

weight fraction of the matrix

weight fraction of the voids

f m

f

m

v

w w 1

w

w

w 0

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s

DE

MMicro-mecânica – densidade

composite ofweight total

component i the of volume

component i the ofweight

component i the of densityweight

i

th

th

thi

ii

i

i

i

i

VWW

V

W

V

W

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s

DE

MMicro-mecânica – densidade

th

i

weight density of the composite

weight of the i component

volume of the composite

weight density of the composite

c

c

c

n

c i

i 1

W

V

W W

V

v

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DE

MMicro-mecânica – densidade

• Autoclave cured: P = 0.1 – 1%

• Only Vacuum bagging: P = 5% (approx.)

– Regra das Misturas (Rule of Mixtures)

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s

DE

MPropriedades da camada ortotrópica

Area=1 m2

if

of

i

fof

fh

m

hm

m

volumeComposite

volumeFiberV

..1

/2

ih

ff

iV

gramagemh

mof - Gramagem - Fiber

weight / square meter

(grams/m2)

hi – espessura da camada /

ply thickness (mm)

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s

DE

MPropriedades da camada ortotrópica

n

hh ti

o90

o0

o90

o30

o45

o45

th

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s

DE

MEspessura das lâminas / Ply and laminate thichness

n

hh

V

mh

t

i

ff

of

i

Plano de Simetria

- 45°

90°

+ 45°

mof - Gramagem - Fiber

weight / square meter

(grams/m2)

hi – espessura da

camada / ply thickness

(mm)

ht – espessura total /

laminate thickness

(mm)

n – camadas / nº of

layers

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s

DE

MLaminate Orientation Code

• Ply angles given in degrees - 45 or -45

• Separated by slashes - 0/90

• Listed top to bottom layer

• Enclosed in square brackets - [0/90/0]

• Subscripts used– s – symmetric laminate top half given

– (0)n – repeat layer n times

• Center layer uses overbar in odd number layer symmetric laminate

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s

DE

M

s45/90/0

o0

o0

o90

o90

o45

o45

o0

o0

o30

o30

o30

o30

Laminate Stacking Sequence Examples

q 30 o

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s

DE

M

o45

o90

o45

o0

o0

o90

o0

o0

o45

o45

s2 45/90/0

Laminate Stacking Sequence Examples

s2 90/0/45

o90

o0

o0

o90

o0

o0

o90

o90

o45

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s

DE

M

45/90/0/30/45/90

Laminate Stacking Sequence Examples

o45

o45

o0

o0

o45

o45

o0

o0

o90

o90

o0

o90

o30

o45

o45

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DE

MComportamento da Lâmina

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s

DE

MComportamento da Lâmina

LT

LTLT

L

TLT

L

L

LT

T

TT

T

T

TL

L

LL

G

EE

EE

)1(2

EG

G

EE

E

ν

E

xy

xy

x

y

x

y

y

yx

x

Isotropic MaterialOrthotropic Material

Material ortotrópico: Material com

3 planos de simetria mutuamente

perpendiculares.

Orthotropic material : Material with

three mutually perpendicular

planes of symmetry .

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do

s

DE

MComportamento da Lâmina

Isotropic Material versus orthotropic Material

Orthotropic material : Material with

three mutually perpendicular

planes of symmetry . Usually,

e1ǂe2ǂe3

Material ortotrópico: Material com

3 planos de simetria mutuamente

perpendiculares.

Usualmente, e1ǂe2ǂe3

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ina

do

s

DE

MEquações constitutivas – materiais ortotrópicos

=

2

23

3

32

1

13

3

31

1

12

2

21

12

13

23

33

22

11

12

13

23

32

23

1

13

3

32

21

12

3

31

2

21

1

12

13

23

33

22

11

;;

com

100000

01

0000

001

000

0001

0001

0001

EEEEEE

G

G

G

EEE

EEE

EEE

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am

ina

do

s

DE

MEquações constitutivas – materiais ortotrópicos

=

Eq. 4.7

3

3113

ES

111

1

ES

12

13

23

33

22

11

12

13

23

32

23

1

13

3

32

21

12

3

31

2

21

1

12

13

23

33

22

11

100000

01

0000

001

000

0001

0001

0001

G

G

G

EEE

EEE

EEE

2

2323

ES

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am

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do

s

En

ge

nh

ari

a d

e M

ate

ria

isComportamento da Lâmina

Lets consider one lamina in 1-2 (x-y) plane, (Z=3)

as shown in Figure 3.1. Then:

Based on this, the following terms become:

And:

1

12

2

21

EE

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am

ina

do

s

DE

MDefinitions

Transverse

means

perpendicular to

the fibers or in the

T (2) - direction

Longitudinal

means in the fiber

direction or in the

L (1) - direction shear

stress transverse

stress allongitudin

)(

)(

LT

T

L

strainshear

strain transverse

strain allongitudin

LT

T

L

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s

DE

MPropriedades da camada ortotrópica

n

hh

V

gramagemh

ti

ffi

LT

T

L

LT

TL

LT

T

TL

L

LT

T

L

G

EE

EE

100

01

01

T

TL

L

LT

EE

mof - Gramagem - Fiber

weight / square meter

(grams/m2)

hi – espessura da camada /

ply thickness (mm)

ht – espessura total /

laminate thickness (mm)

n – camadas / nº of layers

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am

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s

DE

M

LTLTLT

T

LLT

TTT

LLL

G

E

E

Assume Linear Behavior

121212

2

112

222

111

G

E

E

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s

DE

M

matrix

matrix

fiber L

T

areamatrix

areafiber

area total

m

f

A

A

AAf

Representative Volume Element (RVE)

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s

DE

M

1c1c

Micro-mecânica (1)

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s

DE

MMicro-mecânica (1)

mLfLL

ffmmL VEVEE

mmLffLLL AAAF

A

AE

A

AEE

A

A

A

Am

mLmL

f

fLfLLL

m

mL

f

fLL

mf AAA

f – fibra ; m – matriz

L – direcção das fibras

T – direcção transversal às fibras

Força na direcção das fibras - Isostrain

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am

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do

s

DE

MMicro-mecânica (1)

Lfmfm hhh

fh

2mh

2mh

L

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s

DE

MMicro-mecânica (1)

Para o mesmo tipo de carregamento e os mesmos materiais

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ina

do

s

DE

MMicro-mecânica (1)

L

fmfm hhh

fh

2mh

2mh

L

Am.hm = Matrix Volume

Ac.hc = Composite Volume

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s

DE

MMicro-mecânica (1)

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do

s

DE

MMicro-mecânica (2)

• Força na direcção

perpendicular às

fibras - Isostress

mTfTT

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s

DE

M

2c

2LfL

2Lm

2Lm

Micro-mecânica (2)

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am

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do

s

DE

MMicro-mecânica-Isostress

2c

2LfL

2Lm

2Lm

mTfTT

As we see earlier

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do

s

DE

MMicro-mecânica-Isostress

2c

2LfL

2Lm

2Lm

Lm.Am = Matrix Volume

Lc.Ac = Composite Volume

Page 45: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

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s

DE

MMicro-mecânica-Isostress

2c

2LfL

2Lm

2Lm

So

m

m

f

f

T

m

m

mT

f

f

fT

T

T

mmTffTT

c

c

E

V

E

V

EV

EV

EE

VVl

l

1

mTfTT

Page 46: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

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am

ina

do

s

DE

MMicro-mecânica (3)

• Exemplo da variação do

modulo de elasticidade de

um compósito (Ec) de fibra

de vidro e resina poliester

em função da % vol. de

fibra (Vf) e dos respectivos

módulos Ef (fibra) e Em

(matriz)

Page 47: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

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am

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DE

MMicro-mecânica (3)

• Example of variation of the

modulus of elasticity of a

fiberglass and polyester

resin composite (Ec) as a

function of volume % (Vf)

and their modules Ef (fiber)

and Em (matrix).

Page 48: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

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DE

M

Micro-mecânica - Shear modulus

2m

f

2m

mfc

c

cc

f

ff

m

mm

G

G

G

2/~ Ltg

2L

Page 49: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

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MMicro-mecânica - Shear modulus

Shear Modulus of fiber in 12-plane

Shear Modulus of matrix

f m

12 f 12 m

f 12

m

v v1

G G G

G

G

mfc

c

cc

f

f

f

m

mm

mfc

G

G

G

AAA

Page 50: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

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ina

do

s

DE

MMicromecânica - final

mmffLT VV Coef. de Poisson

m

m

f

f

T E

V

E

V

E

1Módulo de elasticidade

transversal

m

m

f

f

LT G

V

G

V

G

1Módulo de rigidez ao corte

ffmmL VEVEE Módulo de elasticidade

longitudinal

Page 51: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

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do

s

DE

MMicromecânica - final

mmffLT VV Poisson Coefficient

m

m

f

f

T E

V

E

V

E

1Transversal Young Modulus

m

m

f

f

LT G

V

G

V

G

1Shear modulus

ffmmL VEVEE Longitudinal Young Modulus

Page 52: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

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am

ina

do

s

DE

MMicromecânica - final

• Good values of EL and LT

– These properties appear to be independent of

fiber packing geometry.

– Rule of Mixtures works Well for Fiber Dominated

Properties (EL and LT)

• Less acceptable values for ET and GLT

– These properties appear to be highly dependent

on fiber packing geometry

– Better Models Needed for Matrix Dominated

Properties (E2 and G12)

– Improved models are available

Page 53: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

Fibers Properties

53Composite Materials

Short fibers versus Continuous Fibers

Ec = Ef Vf + Em (1-Vf )Continuous Fibers

Short fibers Empirical approach (h1 )

Ec = h1Ef Vf + Em (1-Vf )

Page 54: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

Fibers Properties

54Composite Materials

Short fibers versus Continuous

Fibers

Short fibers Empirical approach (h1 ) Ec = h1Ef Vf + Em (1-Vf )

For l ≈10 mm h1 = 0,99

Ec ≈ Ef Vf + Em (1-Vf ) Equation for Long Fibers

Page 55: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

Fibers Properties

55Composite Materials

Short fibers versus Continuous Fibers

New Empirical approach (ho )

Ec =ho h1Ef Vf + Em (1-Vf )

When there is a distribution of fiber orientation the reinforcing efficiency

of the fibers reduced.

where ho is an orientation efficiency factor.

For unidirectional laminae ho = 1 when tested to the fibers,

ho = 3/8 for in-plane random fiber distributions and

ho = 1/5 for three-dimensional random distributions

Page 56: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

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ós

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am

ina

do

s

DE

MComportamento da Lâmina

Let`s come back to the Isotropic material

versus Orthotropic material behavior

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mp

ós

ito

sL

am

ina

do

s

DE

MComportamento da Lâmina

Isotropic material versus Orthotropic material

Orthotropic material : Material with

three mutually perpendicular

planes of symmetry . Usually,

e1ǂe2ǂe3

Material ortotrópico: Material com

3 planos de simetria mutuamente

perpendiculares.

Usualmente, e1ǂe2ǂe3

Page 58: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

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am

ina

do

s

DE

MComportamento da Lâmina

LT

LTLT

L

TLT

L

L

LT

T

TT

T

T

TL

L

LL

G

EE

EE

)1(2

EG

G

EE

E

ν

E

xy

xy

x

y

x

y

y

yx

x

Isotropic material Orthotropic material

Material ortotrópico: Material com 3

planos de simetria mutuamente

perpendiculares.

Orthotropic material : Material with

three mutually perpendicular planes

of symmetry . Usually, e1ǂe2ǂe3

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am

ina

do

s

DE

MPropriedades da camada ortotrópica

LT

T

L

LT

TL

LT

T

TL

L

LT

T

L

G

EE

EE

100

01

01

T

TL

L

LT

EE

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ais

Co

mp

ós

ito

sL

am

ina

do

s

DE

M

Page 61: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

Ma

teri

ais

Co

mp

ós

ito

sL

am

ina

do

s

DE

M

ORIENTAÇÃO DAS

FIBRAS

A resistência será

máxima quando as

fibras estiverem

orientadas com o

esforço (sendo mínima

na direcção

perpendicular)

Constantes elásticas segundo qualquer direcção - exemplo

Page 62: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

Ma

teri

ais

Co

mp

ós

ito

sL

am

ina

do

s

DE

MPropriedades da camada ortotrópica

(L) 1

y

x

(T) 2

q

Page 63: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

Ma

teri

ais

Co

mp

ós

ito

sL

am

ina

do

s

DE

MPropriedades da camada ortotrópica

1

y2

qx

q

q sindA2

q cosdA1

dAx

dAxy

q sin12dA

q cos12dA

Page 64: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

Ma

teri

ais

Co

mp

ós

ito

sL

am

ina

do

s

DE

MEquilibrium

0cossin

cossincossin

0cossin2

sincos

22

12

21

12

2

2

2

1

qq

qqqq

qq

qq

dA

dAdAdAF

dA

dAdAdAF

xyy

xx

q

q sindA2

q cosdA1

dAx

dAxy

q sin12dA

q cos12dA

Page 65: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

Ma

teri

ais

Co

mp

ós

ito

sL

am

ina

do

s

DE

MStress Transformation

Similar derivation for y

Page 66: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

Ma

teri

ais

Co

mp

ós

ito

sL

am

ina

do

s

DE

MTransformation in Matrix Form

12

2

1

22

22

22

sincossincossincos

sincos2cossin

sincos2sincos

qqqqqq

qqqq

qqqq

xy

y

x

Page 67: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

Ma

teri

ais

Co

mp

ós

ito

sL

am

ina

do

s

DE

MCondensed Matrix Form

12

2

11

T

xy

y

x

Page 68: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

Ma

teri

ais

Co

mp

ós

ito

sL

am

ina

do

s

DE

MTransformation Matrix: [T]

xy

y

x

xy

y

x

TT

12

2

1

12

2

11

or

Page 69: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

Ma

teri

ais

Co

mp

ós

ito

sL

am

ina

do

s

DE

MMatrices

22

22

22

22

22

22

1

2

2

2

2

sccscs

cscs

cssc

T

sccscs

cscs

cssc

T

Page 70: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

Ma

teri

ais

Co

mp

ós

ito

sL

am

ina

do

s

DE

MStrain

xy

y

x

T

12

2

1

12

2

1

1

T

xy

y

x

Page 71: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

Ma

teri

ais

Co

mp

ós

ito

sL

am

ina

do

s

DE

MMatrices

22

22

22

22 sccscs

cscs

cssc

T

22

22

22

1

22 sccscs

cscs

cssc

T

Attention, matrices T are different from the matrices T

Page 72: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

Ma

teri

ais

Co

mp

ós

ito

sL

am

ina

do

s

DE

M

xy

y

x

xy

y

x

T

Q

T

12

2

1

12

2

1

12

2

1

12

2

1

1

LT

T

L

LT

TL

LT

T

TL

L

LT

T

L

G

EE

EE

100

01

01

General Stress-Strain Behavior

12

2

1

1

12

2

1

Q

Page 73: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

Ma

teri

ais

Co

mp

ós

ito

sL

am

ina

do

s

DE

MGeneral Stress-Strain Behavior

xy

y

x

xy

y

x

TQT

1

Page 74: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

Ma

teri

ais

Co

mp

ós

ito

sL

am

ina

do

s

DE

M

TQTQ1

xy

y

x

xy

y

x

Q

__

Page 75: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

Ma

teri

ais

Co

mp

ós

ito

sL

am

ina

do

s

DE

MStress-Strain Behavior – outro formulário

xy

y

x

xy

y

x

QQQ

QQQ

QQQ

662616

262212

161211

Page 76: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

Ma

teri

ais

Co

mp

ós

ito

sL

am

ina

do

s

DE

MStress-Strain Behavior

TQTQ111

xy

y

x

xy

y

x

T

Q

T

12

2

1

12

2

1

1

12

2

1

12

2

1

1

TQTQ1

xy

y

x

xy

y

x

t

TQT

11

L (1), T (2)

xy

y

x

xy

y

x

t

Q

1__

Page 77: Materiais Compósitos Propriedades mecânicas dos materiais

Ma

teri

ais

Co

mp

ós

ito

sL

am

ina

do

s

DE

M

• Fim/End