Na engenharia de carros de corrida há uma grande preocupação em relação a quando o laminado irá falhar e como ele reage ao impacto. Esta situação é muito comum no automobilismo, uma vez que os carros de corrida estão expostos a pancadas, fricção, detritos e colisões. O principal objetivo é proteger o motorista contra o impacto, portanto o monocoque não deve deformar e o motorista deve estar apto. Porém, existem componentes que devem se deformar para absorver a energia do impacto e reduzir sua parcela que vai para o monocoque. Portanto, é necessário um conhecimento profundo da física dos impactos e de como os materiais compósitos lidam com eles. Este artigo desenvolve um resumo dos principais pontos relativos ao impacto e colisão de materiais compósitos.

Impactos

Os termos impacto e crash são frequentemente mencionados de forma errada, pois são sinônimos. Na verdade, eles parecem semelhantes, mas têm uma definição distinta. Um impacto é definido como um impacto, uma colisão entre pelo menos dois corpos que não causa uma falha completa ou local dos mesmos. Além disso, um impacto não significa a parada completa do corpo. Normalmente os impactos deixam danos ou até perfurações, mas não provocam o colapso da estrutura. Por outro lado, uma colisão provoca o colapso imediato da estrutura, mas envolve sempre a paragem completa do corpo. Isso significa que o corpo ou estrutura absorveu a energia da colisão enquanto estava sendo deformado. Crash box e front-end de carros de estrada e de corrida são estruturas desenvolvidas com esse conceito. São os chamados acumuladores de impacto ou amortecedores, que são estruturas sacrificadas para preservar os passageiros e pilotos.

Tipos

Basicamente, existem dois tipos de impactos, os de baixa e os de alta velocidade. No entanto, não é fácil desenvolver um valor limite que classifique um impacto como velocidade baixa ou alta. A razão é que o tipo de impacto depende da velocidade, tamanho, rigidez e condições de contorno. Normalmente, quanto maior a rigidez, maior a velocidade de impacto. No que diz respeito aos materiais compósitos, mais especialmente aos epóxis de fibra de carbono, a faixa de velocidade de 10 a 100 m/s é considerada uma zona de transição entre impactos de baixa e alta velocidade. No entanto, uma definição geral afirma que um impacto pode ser definido comparando o tempo de duração do mesmo com o tempo de propagação das ondas de deformação no componente.

Considerando uma placa que é disparada por um projétil. Quando a estrutura é atingida, ondas de deformação são geradas no local de impacto. Estes se propagam através da espessura do material até a outra superfície. Neste ponto, a onda de deformação é refletida de volta para a superfície anterior. Assim, é possível perceber que existem dois momentos importantes, o de impacto e o de propagação. O primeiro é o momento em que o projétil entra em contato com a placa. O tempo de propagação significa o tempo em que a deformação se propagou e foi refletida de volta ao local de impacto.

Impactos de baixa velocidade

Se o impacto o tempo de impacto for superior ao de propagação, isso significa que as ondas de deformação já se propagaram por toda a espessura da placa e retornaram à superfície original. Este é o impacto de baixa velocidade. No entanto, o aspecto mais importante do impacto em baixa velocidade é que a deformação pode ser assumida razoavelmente constante. Em outras palavras, é determinado apenas pelas forças trocadas entre a placa e o projétil. Portanto, isto tem um efeito muito semelhante a uma carga estática aplicada à placa.

Impacto em alta velocidade

Em relação aos impactos de alta velocidade, é possível considerar o mesmo exemplo de placa e projétil. Nesse caso, o projétil atinge a placa e salta para trás antes mesmo que as ondas de deformação alcancem a outra superfície. Então tem uma região que está mais estressada, um estresse local. As ondas de tensão afetaram apenas regiões próximas, enquanto as restantes foram gravemente danificadas. Em impactos de alta velocidade, a tensão e a deformação durante o evento não são lineares. O tempo de propagação, neste caso, é superior ao tempo de impacto.

Impactos automotivos

No que diz respeito ao campo de corrida, a baixa velocidade de impacto é normalmente assumida. A razão é que os impactos comuns são devidos a hastes e detritos e a velocidade dos carros é de cerca de 90 m/s. Não é habitual ter um impacto de alta velocidade neste contexto. Na verdade, este é mais o caso das armaduras balísticas. Neste, o Kevlar é um material usual, pois é capaz de lidar com altas tensões e deformações no local do impacto. Este material é muito útil para maximizar a absorção de energia e desacelerar um projétil. Kevlar é uma fibra de aramida e também é usada em monocoques de carros de corrida. São utilizados como proteção lateral contra penetração.

Quebra de fibra

O dano ocorre de diversas maneiras, mas é importante verificar se a fibra quebra ou não após o impacto. Na verdade, isso pode indicar a energia do impacto. No caso de quebra da fibra após o impacto, este pode ser caracterizado como um impacto de alta energia, pois é superior à energia que o material pode sustentar. Para casos como esse, é aconselhável a utilização de materiais com alta tensão de ruptura. Em termos de fibras eletivas, as melhores são as de vidro e, principalmente, de aramida. São melhores que a fibra de carbono, porque esta apresenta baixa tensão na falha. O impacto em que não há ruptura da fibra é classificado como de baixa energia. A energia do impacto é inferior àquela que o material pode suportar. Contudo, isto não é menos importante que os de alta energia e não significa que não haja danos. Na verdade, casas como essa podem esconder uma delaminação, pois é um tipo de dano que ocorre abaixo da superfície. Portanto, é muito difícil saber se o material está danificado ou não. Para casos de impacto de baixa energia, é mais importante um material com alta resistência de interface de camada. Em ambientes reais é muito difícil definir se o impacto foi de alta ou baixa energia, pois há mais fatores fazendo parte do processo. Por exemplo, a disposição dos componentes, a forma geral e os aspectos de fabricação também entram em jogo quando ocorrem impactos. Conseqüentemente, a maioria das avaliações de impacto são realizadas em simulações FEM.

Procedimento de teste

O procedimento de teste para resistência ao impacto e danos para materiais compósitos segue os padrões ASTM D7136. É um teste de impacto de queda de peso básico e bem conhecido. Em seguida, ele se baseia em um impactador que cai de uma altura pré-determinada. Isso significa que o impactor possui alguma energia potencial armazenada. Uma vez que cai, esta começa a ser convertida em energia cinética. Então, a amostra absorverá essa energia. É uma placa fixada por pinos de travamento em seus quatro cantos. O impactador atingirá a placa bem no centro. É equipado com acelerômetro, células de carga e extensômetros, para registrar a desaceleração ao atingir a placa. Assim, é possível integrar a desaceleração para obter a velocidade e o deslocamento durante o impacto. Outro dispositivo é um contador de tempo. Define uma contagem regressiva para acionar a aquisição de dados. A razão é que o impactor ocorre em milissegundos e o tempo para o impactor atingir a placa é da ordem de segundos. Portanto, se a aquisição estiver ativa desde o início do teste, a quantidade de amostras seria muito elevada, pois está configurada uma frequência de décimos de quilohertz. Isso significa que apenas 1 segundo é capaz de gerar cerca de 20.000 amostras, das quais apenas algumas centenas são na verdade o teste em si. Para evitar isso, o contador de tempo está configurado para ser ativado apenas quando o impactor estiver próximo do ponto de impacto. Uma vez que existe a possibilidade de o impactor ricochetear, a máquina de teste é equipada com um bloco anti-rebote. Este dispositivo também conta com alavancagens no impactor. O objetivo é evitar o salto e um segundo golpe do impactor. A razão é que o sistema registrará o segundo dano, o que prejudica os resultados dos dados.

Amostra

O corpo de prova é uma placa retangular feita de materiais compósitos e com dimensões especificadas pelas normas. Estes também especificam o acabamento superficial das amostras. A disposição varia de acordo com a espessura da camada da fita unidirecional de tecido. O primeiro tem uma disposição de camadas de 45°/0°/-45°/90°. O tecido é uma disposição quase isotrópica, é composto por duas camadas com orientações anti-simétricas, que 45°/-45° 0°/90°. Estas são repetidas várias vezes para formar uma disposição simétrica. É possível desenvolver lay-ups diferentes ou específicos para uma aplicação, mas estes não são suportados pelas normas. Normalmente, são lay-ups internos e possuem padrões próprios.

Resultado dos testes

Os resultados do teste são plotados em um gráfico que indica o tempo e a força do impacto. Isto é obtido através dos dados dos acelerômetros, assim a massa do impactador vezes a aceleração fornece a força. A integração da aceleração permite traçar outro gráfico, com o deslocamento em relação à força. É comum observar algumas oscilações nesses gráficos. Estas ocorrem devido ao impacto, que também provoca vibrações no impactador que são transmitidas a todo o sistema. A resposta do impactador excita a placa e é registrada pelo sistema de aquisição de dados. Portanto, é necessária alguma filtragem de dados para suavizar as oscilações da curva. Estes são chamados de toque e são causados pela ressonância do impactador, que é registrada pelas células de carga.

Possíveis danos

Em termos do estado do corpo de prova após o ensaio, existem vários tipos de danos, os mais comuns e observáveis são a indentação, depressão, fissuras, fissuras e quebra de fibras. Alguns casos de delaminação podem ser visíveis. No entanto, estes são bastante fáceis de identificar, o que não é o caso da delaminação e de algumas fissuras e fissuras. Estes são definidos como danos internos, pois só podem ser detectados por inspeções não destrutivas como ultrassom e xerografia. Este é um processo em que é realizado um monitoramento ideal da superfície antes e depois do teste. O software cria um padrão de pontos na superfície do teste. Então, após o teste, esses pontos são verificados novamente. Ele compara os pontos de superfície não danificados e danificados. Seus deslocamentos permitem calcular a deformação e, portanto, a tensão. Às vezes, o dano gerado é uma delaminação entre a primeira e a segunda camadas. Neste caso, é possível que o software detecte o dano, pois esta delaminação causa distorções no campo de deformação. Porém, se a delaminação for inferior, a técnica de ultrassom deverá ser utilizada. Quanto maior for a fissura, maior será a penetração do impactor.

Referências

• MIL-HDBK-17-3F, Volume 3, Department of Defence USA (DoD), 2002;
• Busco, A. Comportamento all’impatto dei materiali compositi. Tese di dottorato, Università di Napoli “Federico II”, 2007;
• Borelli, R. Sviluppo di procedure numeriche per la simulazione del danno in strutture in composito. Tese di dottorato, Università di Napoli “Federico II”, 2011.