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Modelagem Computacional de Falha no Nível de Tecido em Moduladores de Energia de Pára-quedas de Reentrada
Moduladores de energia (EM) são dispositivos mecânicos têxteis projetados para dissipar cargas de choque que ocorrem quando os pára-quedas são lançados. Embora críticos para mitigar cargas de choque, testes de voo recentes mostraram uma variabilidade crescente no comportamento dos EM, levantando preocupações sobre a previsibilidade do seu desempenho e falha potencial sob condições de carga dinâmica. Em resposta, uma nova abordagem foi implementada para criar um modelo computacional de um EM no nível da trama do tecido usando o software de simulação LS-DYNA. Este trabalho foi organizado em dois objetivos principais: (1) desenvolvimento de um modelo de ponto por unidade capturando a geometria e o comportamento do material do padrão de costura EM, e (2) implementação de um script Python para duplicar o modelo de unidade ao longo de todo o comprimento de uma orelha EM, simplificando o processo de geração de geometrias padronizadas e complexas em LS-DYNA.
Os EMs normalmente consistem em uma longa tira de tecido estrutural de Kevlar que é dobrada e costurada com um padrão de costura em zigue-zague de náilon para formar uma “orelha” EM. À medida que um EM é puxado acima de uma carga limite durante a implantação, a costura de náilon se rasga, desdobrando o EM e dissipando as forças de choque. Este processo é ilustrado na Figura 1, exemplificando estágios de extensão EM durante a carícia. Em casos nominais, o EM rasga de forma limpa, com poucos danos à teia de Kevlar. Entretanto, foram observados casos anômalos em que os pontos de náilon ao longo da orelha saltam durante o carregamento, ou seja, quando uma fileira de pontos não se rompe em sequência. Isto resulta na falha da cinta de Kevlar circundante, conhecida como trituração EM. A imprevisibilidade inerente ao comportamento do tecido e a alta variabilidade das condições de carga de voo tornam a causa raiz difícil de identificar através de testes mecânicos.
Neste estudo, o desenvolvimento de um modelo computacional de um EM em LS-DYNA foi usado para obter uma visão mais profunda sobre a causa da destruição do EM. Embora estudos semelhantes de correias de tecido tenham modelado tecidos em nível global, esta abordagem representa cada fio da trama Kevlar e da costura de náilon como elementos sólidos 3D modelados individualmente. Modelar cada fio individualmente dentro da trama é essencial não apenas para analisar os mecanismos de falha da costura de náilon à medida que ela rasga, mas também para compreender a falha da trama de Kevlar durante os eventos de trituração EM.
A primeira fase deste trabalho focou na modelagem de fios individuais de Kevlar e nylon dentro de uma geometria de ponto representativa. Um modelo 3D da trama Kevlar foi gerado pela primeira vez usando TexGen, um software de código aberto desenvolvido na Universidade de Nottingham. Usando um software de design auxiliado por computador (CAD), foi adicionada costura de náilon passando por duas camadas do tecido Kevlar. O padrão de costura de náilon consistia em uma linha de bobina e uma linha de agulha que passavam pelas camadas superior e inferior, respectivamente, do padrão de tecido Kevlar e torcidas juntas no final de cada ponto entre as duas camadas. O modelo da unidade foi mesclado em Hypermesh com elementos sólidos tetraédricos 3D.
No LS-DYNA, as propriedades do material, contato, condições de falha e condições de contorno foram definidas para avaliar a resposta dinâmica de um ponto durante o carregamento de tração. O comportamento do material para ambos os tipos de tecido foi definido usando *MAT_ELASTIC (*MAT_001), e o contato bidirecional superfície a superfície com a erosão foi implementado para capturar falhas progressivas da trama de Kevlar e dos fios de náilon. Condições de limite foram aplicadas para replicar cenários de carregamento de tração em voo. Além disso, vários estudos de caso foram conduzidos para reduzir o tempo de computação, incluindo escalonamento manual de massa, análise de comprimento característico e otimização da qualidade da malha.
Os resultados preliminares do modelo EM por unidade validaram o uso de elementos sólidos para capturar o comportamento EM, particularmente a interação entre Kevlar e fios de náilon. Para agilizar a construção de modelos EM completos, a segunda fase deste trabalho se concentrou no desenvolvimento de um script Python para replicar o modelo LS-DYNA por unidade ao longo do comprimento de uma orelha EM. Isto eliminou a necessidade de grandes montagens CAD, gerando o modelo completo diretamente a partir da duplicação do modelo da unidade. Este modelo é aplicável a elementos 2D e 3D sólidos e de casca. No geral, estes resultados não só ajudarão na identificação da causa raiz da trituração EM, mas também apoiarão a avaliação de novas variações de design EM. Esta abordagem de modelagem tem implicações mais amplas para outros trabalhos envolvendo tecidos, permitindo simulações mais precisas e fluxos de trabalho de design eficientes em aplicações têxteis aeroespaciais.
Para obter informações, entre em contato com Annika M. Vaidyanathan, Alexander Chin, John Bell e Rumaasha Maasha.
