Modelação e otimização de estruturas sandwich com gradiente funcional e porosidades : uma abordagem científica e pedagógica

Dissertação de natureza científica para obtenção do grau de mestre em Engenharia MecânicaOs materiais com gradiente funcional despertam o interesse dos investigadores e da indústria pois a evolução espacial de propriedades, contínua e gradual, não só minimiza as transições bruscas de tensões comuns em compósitos laminados reforçados com fibra, como permite a sua adequação a diversas aplicações. A inclusão de nanopartículas, como os nanotubos de carbono, resultando num material multi-escala, é muito usual em situações onde um reforço extra seja vantajoso. A ocorrência de porosidades como consequência dos processos de fabrico continua a ser um defeito presente nos materiais, apesar da constante evolução tecnológica neste campo. Estas porosidades poderão, em aplicações mais específicas, não ser vistas como defeitos, mas como uma característica desejável e mesmo indispensável. No campo da biomedicina, os materiais enfrentam diversos desafios, exigindo-se o cumprimento de diversos requisitos, sendo a adequabilidade estrutural e biocompatibilidade dois exemplos. No caso dos implantes para aplicações biomédicas, as porosidades são benéficas pois promovem a biocompatibilidade. Acompanhando a evolução tecnológica, os problemas de engenharia tornaram-se mais complexos, tornando-se importante não só solucionar determinado problema, como também encontrar a solução ótima conforme determinadas restrições e objetivos. Por este motivo, as técnicas de otimização são de relevante importância no ensino em geral, e em particular na área da engenharia. Tendo por base os materiais compósitos com gradiente funcional, este trabalho avaliou a influência da inclusão de nanotubos de carbono como reforço e de diferentes distribuições de porosidades. Os estudos realizados neste sentido incluem diferentes abordagens e teorias de deformação de corte. No que respeita à otimização foram efetuados estudos baseados na técnica de busca fractal estocástica. Adicionalmente foram desenvolvidas duas plataformas computacionais de carácter pedagógico no âmbito dos temas abordados. Os diferentes estudos desenvolvidos no decorrer deste trabalho foram analisados e discutidos, tendo-se registado as respetivas conclusões. A descrição das plataformas computacionais desenvolvidas é realizada por exposição das interfaces gráficas do utilizador e respetivos parâmetros disponíveis.Functionally graded materials arouse the interest of researchers and industry as the continuous and gradual spatial evolution of properties not only minimizes the abrupt stress transitions, so common in fiber-reinforced laminated composites, but also allows their suitability to a wide variety of applications. The inclusion of nanoparticles such as carbon nanotubes, resulting in a multi-scale material, is very common in situations where extra reinforcement is a requirement. The occurrence of porosities as a consequence of manufacturing processes constitutes a defect in materials, despite the constant technological evolution to which they are subjected. These porosities may however not be seen as defects but as a desirable and even required characteristics, in specific application fields. In the field of biomedicine, materials face several challenges, as they are required to meet various requirements, with structural suitability and biocompatibility being two examples. In the case of implants for biomedical applications, porosities are benefic as they promote biocompatibility. Following technological developments, engineering problems have become more complex, making it important not only to solve a given problem, but also to find the optimal solution according to certain constraints and objectives. For this reason, optimization techniques are of relevant importance in education in general, and in engineering in particular. Based on functionally graded materials, this work evaluated the influence of the inclusion of carbon nanotubes as reinforcement and of different porosity distributions. Studies in these fields include different approaches and shear deformation theories. Regarding optimization, studies based on the stochastic fractal search technique were performed. Additionally, two computational platforms with pedagogical content were developed within the scope of the topics covered. The different studies developed during this work were analyzed and discussed and the respective conclusions were drawn. The computational platforms developed are described by exposing the different graphical user interfaces.N/