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Investigação de João Alexandre Oliveira, do Departamento de Engenharia Mecânica
Simulação numérica da UA projeta materiais compósitos de elevado desempenho
O investigador João Alexandre Oliveira
Quem ainda não ouviu falar de travões cerâmicos ou de plásticos reforçados com fibra de carbono? Trata-se de materiais compósitos, não existentes na natureza e que resultam da mistura de diferentes constituintes com características complementares para se obter um resultado final que se espera melhor do que a soma das partes. Consegue-se desta forma, por exemplo, obter materiais mais leves e ao mesmo tempo com um desempenho superior aos convencionais. No grupo de investigação GRIDS, do Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) da Universidade de Aveiro, o investigador João Alexandre Oliveira tem vindo a desenvolver modelos e software de simulação numérica para melhor compreender e projetar esses materiais avançados e extremamente complexos.

“A simulação numérica corresponde à modelação de problemas de engenharia num computador, nomeadamente, por exemplo, construindo modelos virtuais de componentes mecânicos e testando-os sem ser necessário construí-los”, explica o investigador. No entanto, a simulação do comportamento de materiais compósitos acarreta uma série de complexidades.

Para começar, aponta João Oliveira, “o seu comportamento é de difícil previsão, devido ao elevado número de factores influenciados pela combinação de materiais constituintes”. Mais ainda, “a modelação dos problemas deixa de depender apenas de um modelo de estrutura e propriedades do material e passa a exigir também uma modelação detalhada da distribuição dos materiais que constituem o compósito”. Uma situação que, diz o especialista, “acarreta uma grande quantidade de memória necessária e de tempo de cálculo despendido, obrigando a uma otimização do cálculo estrutural”.

Assim, é extremamente importante desenvolver procedimentos e modelos numéricos que permitam prever e estudar algumas das particularidades de comportamento destes materiais. Uma das metodologias que permite este tipo de estudo é a chamada “homogeneização” - em particular, a Homogeneização por Expansão Assimptótica. Em termos muito simples, explica João Oliveira, “essa metodologia permite aproximar um meio heterogéneo por um meio homogéneo, mais simples e com propriedades equivalentes, diminuindo assim o peso computacional do cálculo e do projeto associado”.

É aqui que entra o trabalho de João Alexandre Oliveira, docente do DEM e membro do grupo de investigação GRIDS. O investigador tem vindo a desenvolver uma metodologia de estudo de materiais compósitos avançados, tendo criado um programa de simulação numérica para a análise tridimensional desses materiais.

Aplicações em diversas áreas industriais

Através de ferramentas numéricas avançadas baseadas no Método dos Elementos Finitos, o modelo computacional inclui cálculos em múltiplas escalas, indo desde o detalhe das interacções entre materiais constituintes de base até à sua aplicação final em engenharia, incluindo também ferramentas de optimização estrutural. Com base nessas ferramentas, é possível obter, por exemplo, a forma ótima da estrutura para diversas aplicações e solicitações, obtendo-se assim a solução mais rígida e resistente possível.

Ainda mais importante, torna-se possível também investigar soluções de engenharia inovadoras no sentido da obtenção das distribuições óptimas de constituintes para os materiais envolvidos. A conjugação de técnicas de optimização com a homogeneização desenvolvidas por João Oliveira já conduziu ao desenvolvimento de ferramentas numéricas e metodologias de otimização topológica multiescala, um trabalho que já foi distinguido com uma menção honrosa no Research Day da UA.

Em termos de aplicações, aponta João Oliveira, “estas são extremamente abrangentes, passando por áreas tão diversas quanto a indústria aeroespacial ou automóvel, aplicações desportivas ou biomecânica”. Veja-se como exemplo um avião, um automóvel de competição ou mesmo uma cadeira de rodas, “onde passa a ser possível prever a melhor estrutura possível, ao mesmo tempo que se obtém a melhor orientação de fibras de reforço ao longo da mesma estrutura para uma resistência ainda superior com um peso inferior”.

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