Caracterização experimental e modelação numérica de espumas metálicas

Abstract

As espumas de alumínio são materiais ultraleves, o que as torna atractivas para um largo espectro de aplicações comerciais na área da defesa, na indústria automóvel e aeroespacial, entre outras. Actualmente, há um grande interesse na utilização de espumas de alumínio em componentes estruturais ultraleves, incorporados em sistemas de absorção de energia para protecção contra o impacto. O recurso à simulação numérica para resolver problemas de engenharia em várias áreas é cada vez mais comum. A modelação numérica dos materiais assume vital importância quando o problema envolve a análise de processos tecnológicos como, por exemplo, a conformação plástica de materiais, ou a análise de estruturas. Deste modo, torna-se imprescindível garantir que a modelação dos materiais é de tal forma rigorosa que permite simular o melhor possível o seu comportamento real nas condições concretas da análise a realizar. A forma mais comum de garantir o rigor dos modelos utilizados é a validação dos modelos numéricos tendo por base resultados experimentais. Neste trabalho, fez-se a caracterização do comportamento mecânico das espumas de alumínio com nome comercial ALPORAS!, obtidas pelo processo de fabrico denominado expansão directa do metal fundido por adição de um agente expansor. Esta caracterização consistiu num conjunto de ensaios experimentais quer no regime quasi-estático, quer no regime dinâmico. No regime quasi-estático realizaram-se ensaios de compressão uniaxial e de compressão multiaxial. Para a caracterização no regime dinâmico foram realizados ensaios em barras de Hopkinson de polimetil-metacrilato (PMMA). Com base nos resultados experimentais obtidos determinaram-se os parâmetros dos dois modelos constitutivos para espumas metálicas implementados no programa comercial Abaqus™/Explicit. Estes modelos, e os respectivos parâmetros determinados, foram validados reproduzindo numericamente alguns ensaios experimentais quasi-estáticos e dinâmicos. Assim, verificou-se a adequabilidade dos modelos em diversas condições quer em termos de esforços quer em termos de regime de taxa de deformação Por último, desenvolveu-se uma estrutura inovadora para absorção de energia durante um impacto, constituída por componentes perfilados em liga de alumínio e por componentes em espumas de alumínio. Esta estrutura foi testada exclusivamente com recurso à simulação numérica, utilizando os modelos constitutivos validados anteriormente.

Aluminium foams are ultralight materials, which make them appealing to a wide range of commercial applications in the fields of defence and the aerospatial and automotive industries, among others. Currently, there is a great interest in the use of aluminium foams in ultralight structural components incorporated into systems for the absorption of energy for protection against impact. The use of numerical simulation to solve engineering problems is increasingly more common in several areas. The numerical modelling of materials has a vital importance whenever the problem involves the analysis of technological processes such as, for instance, the sheet metal forming or structural analysis. Therefore, it is crucial to guarantee that the material modelling is so rigorous that it will allow the simulation in the best possible manner of the actual behaviour of the material in the specific conditions of the analysis being carried out. The most common way to guarantee the rigor of the models used is the validation of the numerical models based on experimental results. In this work, the characterization of the mechanical behaviour of the aluminium foams with the commercial name ALPORAS!, obtained through a process called direct foaming with blowing agents, was established. This characterization consisted of a set of experimental tests both in the quasi- -static and in the dynamic regimes. In the quasi-static regime, tests of uniaxial and multiaxial compression were carried out. For the characterization of the dynamic regime tests using Hopkinson bars of polimetil-metacrilate (PMMA) were performed. Based on the experimental results that were obtained, the parameters of the two constitutive models for metallic foams implemented in the commercial program Abaqus/Explicit were determined. These models, and the respective parameters that were determined, were validated by numerically reproducing some experimental quasi-static and dynamic tests. Thus, the suitability of the models in several conditions both in what concerns efforts and deformation rates was verified. Lastly, an innovative structure for the absorption of energy during an impact was developed. This structure was composed by profiled components in an aluminium alloy and by components in aluminium foams. This structure was tested exclusively by means of numerical simulation, using the constitutive models that have been previously validated.