Estudo das tensões residuais que causam descolamento em interfaces de fibras ó...

No processo de fabricação de fibras ópticas são aplicadas camadas poliméricas sobre a sílica fundida para melhorar suas propriedades ópticas e mecânicas. O processo de cura das camadas poliméricas é realizado por exposição à radiação UV, elevando a temperatura da fibra. Quando a fibra é resfriada até a temperatura ambiente, surgem tensões térmicas residuais devido à incompatibilidade das propriedades termoelásticas do núcleo de sílica e das camadas poliméricas. Tensões residuais podem levar ao descolamento da interface fibra-polímero, ou, ao aumento da perda da informação transmitida pela fibra pelo fenômeno de microflexão. No presente trabalho abordamos o problema termoelástico de um cilindro circular finito reforçado sujeito a condições de contorno de Dirichlet. A distribuição de temperatura e o campo de deslocamento são admitidos desacoplados. A distribuição de temperatura transiente é determinada analiticamente utilizando separação de variáveis, e numericamente utilizando o Método dos Elementos Finitos (MEF) para discretização espacial e o método de Euler implícito para discretização temporal. Os resultados numérico e analítico estão em boa concordância, validando a implementação numérica. O campo de deslocamento e os campos de deformação e de tensão associados são determinados numericamente utilizando o MEF. As tensões resultantes foram comparadas com as fornecidas pelo software comercial de elementos finitos Abaqus e apresentaram boa concordância. Foi também realizado estudo de convergência da tensão refinando-se a malha utilizada.

Palavras-chave em Inglês

Thermoelasticity
Residual stress
Heat transfer
Axisymmetry
Optical fiber

Resumo em Inglês

In the fabrication of optical fibers, polymer layers are applied over the fused silica core to improve its opto-mechanical properties. The polymer curing process is induced by UV radiation in a high temperature process. When the fiber is cooled down to room temperature, residual thermal stresses will be present due to the mismatch of thermomechanical properties of the glass core and the polymeric layers. Residual thermal stresses may lead to the debonding of the glass-polymer interface or, to an increasing loss of transmitted information by the fibers due to the microbending effect. In the present work, the thermoelastic problem of a finite multi-layer circular cylinder subjected to Dirichlet boundary conditions is considered. The temperature distribution and the displacement field are assumed to be decoupled. The transient temperature distribution is determined both analitically, using the separation of variables, and numerically using the Finite Element Method (FEM). The FEM was used for the spatial discretization while the backward Euler method was used for time discretization. The analytical and numerical results were in good agreement, benchmarking the implemented numerical method. The displacement field and the associated strain and stress fields were numerically determined using FEM. The resulting stresses were compared with those obtained by the FEM commercial software Abaqus and both results were in good agreement. A convergence study of the stress distribution was also carried, through mesh refinement.

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Data de Publicação

2017-03-23

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