Simulações multifísicas para melhorar a proteção de aeronaves contra raios

Aeronaves modernas como o Boeing 787 Dreamliner são construídas com mais de 50% de composto de fibra de carbono. Esta constituição requer a adição de chapas de metal expandido para melhorar a proteção da aeronave contra raios e descargas elétricas. Para verificar se estas camadas protetoras não irão falhar sob o stress térmico proveniente do ciclo de temperaturas durante o voo, pesquisadores da Boeing estão utilizando simulações computacionais multifísicas.

Texto traduzido e adaptado de “Boeing Simulates Thermal Expansion in Composites with Expanded Metal Foil for Lightning Protection of Aircraft Structures”, por Jennifer A. Segui

Engenheiros da Boeing Research and Technology (BR&T) estão utilizando tanto medidas físicas quanto simulações computacionais para investigar o efeito dos parâmetros das chapas de metal expandido (EMF, na sigla em inglês) no stress térmico e no deslocamento em cada camada da construção do compósito de carbono utilizado para revestir a fuselagem de aeronaves. Ao longo do tempo, stress se acumula na cobertura protetora da estrutura composta. Isso é principalmente resultado do ciclo de mudança de temperaturas em função da altitude durante os voos. Com o tempo, a camada protetora pode rachar, fornecendo uma entrada para umidade e elementos ambientais que podem causar corrosão do EMF, reduzindo a sua condutividade térmica e sua habilidade de agir como proteção. Estas variações ambientais também podem gerar deslocamento, ou deslocação, que é um defeito ou irregularidade na estrutura cristalina do material. A presença de deslocamentos influencia fortemente muitas das propriedades dos materiais.

Figura1

Materiais avançados usados no Boeing 787 somam mais de 50% do corpo da aeronave./ Imagem: Boeing Research and Technology

O projeto é liderado por Jeffrey Morgan, do departamento de Selantes e Materiais Eletromagnéticos, e a equipe é separada em subequipes responsáveis pelas simulações e pelos testes. Através das pesquisas, a equipe almeja melhorar a estabilidade térmica em estruturas compostas e reduzir assim os riscos e os custos de manutenção associados a danos na cobertura protetora.

Simulando a dilatação térmica nos componentes da aeronave

A estrutura composta inclui, de fora para dentro, a pintura, o primer, camada de isolamento contra corrosão, surfacer, EMF e a estrutura composta sob a cobertura. Cada uma destas camadas contribui para o acúmulo de stress mecânico no revestimento protetor ao longo do tempo, já que todas são suscetíveis a mudanças bruscas de temperatura. Para avaliar o stress gerado por estas variações e o deslocamento em cada uma das camadas, é necessário levar em conta um grande número de características tanto dos materiais como da estrutura e construção da camada protetora. Dentre eles estão a altura do EMF, largura do arame da malha, razão de proporção, composição metálica, além das características dos materiais de cada camada do revestimento, como o coeficiente de dilatação térmica, capacidade calorífica, densidade, condutividade térmica, módulo de Young e taxa de Poisson.

Para conseguir desenvolver estes cálculos utilizando todas estas variáveis, o pesquisador Robert Greegor, do setor de Física Aplicada e líder da equipe de simulações, e seus colegas desenvolveram um modelo de coeficiente de dilatação térmica (CTE) total utilizando o software COMSOL Multiphysics®.

Os pesquisadores utilizaram duas composições metálicas diferentes para o EMF: uma com alumínio e outra com cobre. No caso do EMF de alumínio, é necessário adicionar fibra de vidro entre o EMF e o composto para prevenir a corrosão galvânica (corrosão devido ao contato elétrico entre materiais diferentes, sendo que sua intensidade é proporcional à diferença dos potenciais eletroquímicos dos materiais envolvidos).

Figura2

Na figura à direita pode-se ver a estrutura composta do modelo COMSOL e, à direita, a geometria da chapa de metal expandido. SWD e LWD correspondem à face curta do diamante e à face longa do diamante, respectivamente. A razão de proporção da malha SWD/LWD é um dos parâmetros mais importantes nas simulações computacionais em busca do material adequado para a proteção contra raios em aeronaves. / Imagem: Boeing Research and Technology

O coeficiente de dilatação térmica da camada de tinta é definido por uma função degrau que representa a mudança abrupta na expansão térmica na temperatura de transição vítrea do material (transição reversível em materiais amorfos entre um estado duro e relativamente rígido e um estado “mole”).

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Taxa de cada parâmetro dos materiais na camada de pintura da fuselagem. Esta camada apresenta altos valores de coeficiente de dilatação térmica total, indicando que irá sofrer stress compressivo e tração sob aquecimento e resfriamento. / Imagem: Boeing Research and Technology

No modelo CTE, a interface Thermal Stress multifphysics combina mecânica dos sólidos com transferência de calor para simular expansão, encontrando o deslocamento através da estrutura. As simulações foram restritas ao aquecimento da estrutura composta, assim como acontece na descida de uma aeronave. Desta maneira, as temperaturas inicial e final foram definidas no modelo para representar as temperaturas a altas altitudes e a temperatura no chão.

Impacto do EMF no stress e no deslocamento

Os resultados das simulações do COMSOL foram analisados quantitativamente para determinar a contribuição do calor no stress e o deslocamento em cada camada, assim como outras propriedades da chapa de metal expandido.

Os resultados foram claros: nos gráficos obtidos pelos pesquisadores, o deslocamento sobre a malha mostrou-se diferente do deslocamento em áreas sem material. Além disso, as camadas superiores de proteção mostraram menos stress do que as inferiores. Finalmente, notou-se que a camada de isolamento contra corrosão requerida pelo EMF de alumínio agiu como um amortecedor. Por isso, o EMF de alumínio apresenta menos stress do que do de cobre.

No entanto, apesar de apresentar menor stress, os resultados das simulações mostram que o EMF de alumínio tende a apresentar maiores deslocamentos na superfície do esquema de proteção do que o EMF de cobre. Isso pode ser atribuído, em partes, ao maior coeficiente de expansão térmica do alumínio.

Os pesquisadores da Boeing também fizeram simulações com a intenção de compreender melhor o efeito dos parâmetros da construção do EMF no deslocamento nas camadas protetoras da fuselagem. Quando a razão de proporção da malha era variada, descobriu-se que maiores razões diminuíam o deslocamento apenas de maneira modesta — cerca de 2% tanto para o cobre quanto para o alumínio. Para qualquer parâmetro do design do EMF, é necessário considerar uma troca entre a capacidade de transportar corrente, deslocamento e peso. No caso da razão de proporção da malha, ao mesmo tempo que escolher uma malha mais aberta pode diminuir o peso e o deslocamento na estrutura, sua capacidade de transportar corrente, que é fundamental para a proteção do EMF contra raios, também é reduzida. Assim, tudo deve ser levado em conta e bem analisado.

Analisando todas as opções plausíveis, os pesquisadores procuraram descobrir quais eram as melhores estratégias para manter o melhor custo benefício entre peso, deslocamento e capacidade de transportar corrente. Eles perceberam que variando a largura da malha por um fator de três ocorria um aumento de 3% no deslocamento para ambos os metais. No entanto, ao variar a altura do EMF por um fator quatro levou a um aumento no deslocamento de aproximadamente 60% para ambos os metais. Ou seja: devido ao menor efeito no deslocamento, aumentar a largura da malha ou diminuir a taxa de proporção do EMF são estratégias muito melhores para melhorar a proteção contra raios do que alterar a altura da malha.

Relacionando deslocamento e formação de rachaduras

Figura4

Na figura, fotos aumentadas mostram sessões transversais de amostras de EMF de alumínio e cobre após exposição prolongada a umidade e variações de temperaturas semelhantes às condições enfrentadas por aeronaves. Enquanto a estrutura com cobre não apresenta rachaduras, a com alumínio apresenta rachaduras visíveis no primer e em outras superfícies. / Imagem: Boeing Research and Technology

Greegor e seus colegas na BR&T relacionam veementemente todo aumento no deslocamento como um risco aumentado de rachaduras se desenvolverem nas camadas protetoras, já que o stress mecânico devido à variação de temperatura se acumula ao longo do tempo. Além disso, experimentos confirmam essa afirmação. Seguindo estes dados, o pesquisadores concluíram que o EMF com cobre tem se mostrado uma melhor alternativa para o desenvolvimento de proteção contra raios em aeronaves. Além disso, a concordância entre os dados experimentais e os das simulações mostram que a simulação multifísica é um meio confiável de avaliar o impacto relativo dos parâmetros de construção do EMF no stress mecânico e no deslocamento para entender e reduzir as probabilidades da formação de rachaduras no material.

Figura5

Equipe de pesquisa no Boeing Research and Technology, da direita para a esquerda: Patrice Ackerman, Jeffrey Morgan, Robert Greegor, e Quynhgiao Le.

Fontes:

Texto traduzido e adaptado de “Boeing Simulates Thermal Expansion in Composites with Expanded Metal Foil for Lightning Protection of Aircraft Structures”, por Jennifer A. Segui