Análise de tensões de um painel reforçado utilizando dados experimentais, teoria de difusão (shear lag) e modelo de elementos finitos

Abstract

O presente Trabalho de Graduação tem como objetivo analisar a distribuição de tensões em um painel reforçado de alumínio 2024-T3, submetido a carregamentos axiais, considerando o fenômeno do shear lag. A pesquisa aborda três frentes complementares: análise teórica baseada na teoria de difusão de tensões, simulação numérica por meio do Método dos Elementos Finitos (MEF) e ensaios experimentais. O estudo busca compreender o comportamento das tensões normais e de cisalhamento em estruturas típicas da engenharia aeronáutica, onde a otimização de peso e resistência são essenciais. A fundamentação teórica foi desenvolvida com base em autores clássicos da área estrutural, como Megson e Goodier, apresentando a formulação matemática que descreve a distribuição não uniforme de tensões em painéis reforçados. O Software FEMAP foi utilizado para modelar e simular o comportamento estrutural do painel, possibilitando a visualização das tensões normais e tensões de cisalhamento em diferentes regiões da estrutura. Já o ensaio experimental de tração foi instrumentado por meio de extensômetros que forneceram dados reais para validação dos modelos analítico e numérico. Os resultados obtidos mostraram boa correlação entre as três abordagens. As tensões de cisalhamento apresentaram comportamento máximo nas extremidades do painel, enquanto as tensões normais variaram ao longo do comprimento dos reforçadores, confirmando a influência do shear lag na eficiência estrutural. Pequenas divergências entre os métodos foram atribuídas a diferenças geométricas e simplificações adotadas nos modelos teóricos e computacionais. Conclui-se que a integração entre análise experimental, teoria de difusão e modelagem numérica representa uma metodologia eficiente para compreender o comportamento mecânico de painéis reforçados. Os resultados contribuem para o aprimoramento do dimensionamento de estruturas aeronáuticas, favorecendo projetos mais seguros, leves e otimizados.

This Graduation Project aims to analyze the stress distribution in a reinforced aluminum 2024-T3 panel subjected to axial loading, considering the shear lag phenomenon. The research integrates three complementary approaches: theoretical analysis based on the stress diffusion theory, numerical simulation using the Finite Element Method (FEM), and experimental testing conducted in the laboratory. The study seeks to understand the behavior of normal and shear stresses in typical aerospace structures, where weight optimization and strength are essential factors. The theoretical foundation was developed from classical structural authors such as Megson and Goodier, presenting the mathematical formulation that describes the non-uniform stress distribution in reinforced panels. Specialized software was used to model and simulate the structural behavior of the panel, allowing visualization of normal and shear stresses in different regions. Experimental tests using strain gauges provided real data for validating both analytical and numerical models. The results demonstrated strong agreement among the three approaches. Shear stresses reached their maximum values at the panel edges, while normal stresses varied along the stiffeners, confirming the influence of the shear lag phenomenon on structural efficiency. Minor discrepancies between the methods were attributed to geometric differences and simplifications in the theoretical and computational models. It is concluded that combining experimental analysis, stress diffusion theory, and numerical modeling provides an effective methodology for understanding the mechanical behavior of reinforced panels. The results contribute to improving the design of aerospace structures, enabling safer, lighter, and more optimized engineering solutions.