Tese de Doutorado

This doctoral thesis investigates the mechanical response and failure mechanisms of variableangle tow filament-wound composite (VAT-FWC) cylinders under radial compression. Motivated by the growing interest in curvilinear fiber laminates and the lack of experimental studies on non-planar VAT structures, the work combines experimental testing, finite element modeling, and analytical tools to provide a comprehensive understanding of the structural behavior of these complex systems. Initially, a novel approach is proposed to extract damage evolution laws for composite laminates through quasi-static cyclic tests, aiming to simplify the identification process while maintaining physical reliability. VAT-FWC cylinders are then manufactured using a custom filament winding setup and subjected to radial compression tests with and without stress concentrators. Full-field strain measurements are acquired via three-dimensional digital image correlation, enabling detailed analysis of damage initiation and propagation. Subsequently, a progressive failure analysis is implemented through a finite element framework using experimentally calibrated damage models. The model captures critical aspects such as the damage pathway, damage thresholds, and the influence of local mosaic patterns. Validation is performed by comparing computational predictions with experimental results at both global (forcedisplacement curves) and local levels (strain fields and failure modes). An analytical model is also employed to estimate the crushing tolerance of the cylinders, providing a valuable cross-comparison with experimental and computational data. The results demonstrate that VAT designs can enhance load redistribution and mitigate full-section failure through non-uniform stiffness distributions for cylindrical structures. The proposed modeling strategy proves robust in reproducing failure progression in complex geometries, establishing a foundation for the future design of damage-tolerant composite VAT-configured structures. This research advances the state-of-the-art in modeling and characterization of filament-wound composite cylinders with variable stiffness, with implications for aerospace, automotive, and energy sectors.

Esta tese de doutorado investiga a resposta mecânica e os mecanismos de falha de cilindros compósitos com fibras dispostas em trajetórias de ângulo variável fabricados por enrolamento filamentar (VAT-FWC), submetidos à compressão radial. Motivado pelo crescente interesse em laminados com fibras curvilíneas e pela escassez de estudos experimentais sobre estruturas VAT não planas, o trabalho combina ensaios experimentais, modelagem por elementos finitos e ferramentas analíticas para fornecer uma compreensão abrangente do comportamento estrutural desses sistemas complexos. Inicialmente, propõe se uma abordagem inovadora para extrair leis de evolução de dano em laminados compósitos por meio de ensaios cíclicos quasi-estáticos, com o objetivo de simplificar o processo de identificação sem comprometer a fidelidade física. Cilindros VAT-FWC são então fabricados utilizando uma bancada de enrolamento filamentar customizada e submetidos a ensaios de compressão radial, com e sem concentradores de tensão. Campos de deformação em suas superfícies são obtidos por correlação digital de imagens tridimensional, permitindo uma análise detalhada da iniciação e propagação do dano. Em seguida, uma análise de falha progressiva é implementada por meio de um modelo de elementos finitos utilizando leis de dano calibradas experimentalmente. O modelo captura aspectos críticos como caminhos de dano, limiares de falha e a influência de padrões mosaicos locais. A validação é realizada comparando previsões computacionais com resultados experimentais tanto em nível global (curvas força-deslocamento) quanto local (campos de deformação e modos de falha). Um modelo analítico também é empregado para estimar a tolerância ao esmagamento dos cilindros, permitindo comparações cruzadas com os dados experimentais e computacionais. Os resultados demonstram que projetos VAT podem melhorar a redistribuição de carga e mitigar falhas de seção completa por meio de distribuições de rigidez não uniformes em estruturas cilíndricas. A estratégia de modelagem proposta se mostra robusta na reprodução da progressão da falha em geometrias complexas, estabelecendo bases para o futuro projeto de estruturas VAT com maior tolerância a dano. Esta pesquisa avança o estado da arte na modelagem e caracterização de cilindros compósitos com rigidez variável fabricados por enrolamento filamentar, com implicações nas áreas aeroespacial, automotiva e de energia.