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Habilitation Thesis
DOI
10.11606/T.23.2014.tde-01092014-160239
Document
Author
Full name
Josete Barbosa Cruz Meira
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2010
Committee
Ballester, Rafael Yague (President)
Cruz, Carlos Alberto dos Santos
Dias, Katia Regina Hostilio Cervantes
Kimpara, Estevão Tomomitsu
Matos, Adriana Bona
Title in Portuguese
Efeitos da contração e do módulo de elasticidade de compósitos sobre a tensão de polimerização em sistemas com diferentes complacências: análise por elementos finitos
Keywords in Portuguese
Análise por elementos finitos
Complacência
Compósitos
Ensaios mecânicos
Tensão de polimerização
Abstract in Portuguese
O objetivo deste trabalho foi simular, por análise de elementos finitos, o ensaio de tensão de polimerização com vistas a um melhor entendimento da mecânica do teste que permita explicar divergências encontradas entre estudos que utilizaram montagens experimentais semelhantes, porém com diferentes substratos de colagem. Com base em dados extraídos da literatura, foi formulada a hipótese que o efeito da contração volumétrica e do módulo de elasticidade do compósito sobre a tensão de polimerização depende da complacência do sistema. Em sistemas de teste com alta complacência, os valores de tensão estariam diretamente relacionados à contração do compósito, enquanto que a utilização de sistemas menos complacentes realçaria a influência do módulo de elasticidade do compósito. Um ensaio de tensão de polimerização frequentemente utilizado foi simulado pelo método por elementos finitos. Devido à simetria geométrica e de carregamento, apenas um oitavo do modelo foi representado. Foram simulados quatro diferentes complacências do teste, correspondentes a diferentes materiais dos bastões: aço, vidro, compósito e acrílico. A contração de polimerização foi simulada através de analogia térmica. A temperatura foi reduzida em 1oC e o coeficiente de expansão térmica foi ajustado para conferir a contração volumétrica desejada. A polimerização foi simulada em duas fases: pré-gel e pós-gel. Na fase pré-gel os elementos do compósito apresentavam módulo de elasticidade bastante baixo, para simular o alívio de tensões decorrente do escoamento do compósito nos estágios iniciais da polimerização. Na fase pós-gel, os elementos do compósito apresentavam seu valor final de módulo de elasticidade. Foram simulados compósitos com módulos entre 1 e 12 GPa (em incrementos de 1 GPa) e com contração volumétrica total entre 0,5% e 6% (em incrementos de 0,5%). A contração pós-gel foi 30% da contração volumétrica total. A tensão nominal foi calculada dividindo a força de reação nodal pela área de seção transversal do cilindro. Além da tensão nominal, foram registradas as distribuições das tensões radiais e axiais no compósito e o perfil de deformação da interface compósito/bastão. A hipótese foi parcialmente confirmada. Para um módulo constante, o aumento da contração aumenta a tensão, independentemente do material do bastão. Para uma contração constante, o efeito do módulo sobre a tensão depende do material do bastão. Se o módulo de elasticidade e a contração volumétrica aumentam simultaneamente, a tensão de polimerização aumenta independentemente do material do bastão. Se o módulo de elasticidade aumenta e a contração volumétrica diminui, a evolução da tensão dependerá do material do bastão. Para o bastão de acrílico, a tensão diminui, devido à diminuição da contração. Com os demais bastões o efeito do módulo de elasticidade pode prevalecer sobre o efeito da contração, na dependência dos valores de módulo de elasticidade e contração dos compósitos em estudo. As contradições encontradas nos trabalhos publicados são explicadas em função da possibilidade de interação entre módulo de elasticidade e contração volumétrica e destas variáveis com o material do bastão.
Title in English
Effects of composite shrinkage and elastic modulus on polymerization stress in systems with different compliances: finite element analysis
Keywords in English
Compliance
Composites
Finite element analysis
Mechanical testing
Polymerization stress
Abstract in English
The purpose of the present study was simulate, using finite element analysis, the polymerization stress test aiming at a better understanding of the test mechanics that could explain the divergences among studies using similar experimental set-ups but different bonding substrates. Based on literature data, a hypothesis was formulated stating that the effects of composite volumetric shrinkage and elastic modulus on polymerization stress depend upon the compliance of the testing system. In high compliance systems, stress values would be directly related to shrinkage, while low compliance systems would emphasize the influence of the composite elastic modulus. A frequently used testing apparatus was simulated by finite element method. Due to the geometry and loading symmetry, only one-eighth of the model was represented. Four different compliance levels were simulated, corresponding to different rod materials: steel, glass, composite and acrylic. Polymerization shrinkage was simulated by thermal analogy. Temperature was reduced by 1oC and the coefficient of thermal expansion was adjusted to result in the desired shrinkage. Polymerization was simulated in two stages, pre-and post-gel. In the pre-gel phase, the elements representing the composite presented very low modulus to simulate the stress relief resulting from viscous flow occurring in the early stages of the reaction. In the post-gel phase, composite elements presented its final elastic modulus. Different composites were simulated with modulus between 1 and 12 GPa (in 1 GPa increments) and total volumetric shrinkage between 0.5% and 6% (in 0.5% increments). Post-gel shrinkage was set as 30% of the total shrinkage. Nominal stress was calculated dividing the nodal reaction force by the rod cross-section. Besides nominal stress, axial and radial stress distributions at the composite/rod interface were recorded. The hypothesis was partially confirmed. For a given elastic modulus, increases in shrinkage increase stress, regardless of the rod material. For a fixed shrinkage value, the effect of composite elastic modulus on stress depends upon the rod material. If both shrinkage and modulus increase simultaneously, polymerization stress also increases regardless of the rod material. If shrinkage and modulus vary in opposite directions, nominal stress behavior depends upon the rod material. For acrylic rods, stress increases with shrinkage. For the other rod materials, the stress follows the increase in modulus, though experimentally such effect may not be evident depending on the choice of tested materials and their respective shrinkage and elastic modulus. Therefore, the divergences found in published studies in terms of the role of composite shrinkage and elastic modulus as determinants of polymerization stress may be explained by the interactions among these variables and the rod material.
 
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Publishing Date
2014-09-02
 
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