Modelling the hyper-viscoelastic behaviour of synthetic rubbers applied to rubber pad forming

Abstract

As células de combustível são atualmente uma alternativa viável ao uso de motores de combustão interna na indústria automóvel, permitindo uma redução significativa da poluição atmosférica gerada pelos automóveis. Ainda assim, esta tecnologia apresenta alguns problemas económicos devido ao custo de produção das placas bipolares (componente principal das células de combustível). De modo a reduzir o custo de produção, a conformação por borracha é adotada na produção das placas bipolares. Atendendo a que a deformação plástica da placa bipolar é conseguida através de um punção de borracha, a modelação numérica do processo requer um conhecimento profundo acerca do comportamento mecânico de borrachas.O principal objetivo deste estudo consiste na modelação da borracha, que tipicamente apresenta um comportamento hiper-viscoelástico. Assim, o modelo constitutivo implementado no software V-Biomech é apresentado em detalhe. Consequentemente, o comportamento hiperelástico é descrito pelo modelo constitutivo Mooney-Rivlin, enquanto que a viscoelasticidade é caracterizada por uma série de elementos de Maxwell. Considerando o estado de tensão de compressão uniaxial, a solução explicita é obtida para o comportamento hiper-viscoelástico, e posteriormente usada na identificação dos parâmetros do material. Dois provetes de poliuretano são avaliados experimentalmente através de ensaios de compressão uniaxial e de ensaios de relaxação, permitindo a identificação dos parâmetros do material através de uma aproximação entre os dados experimentais e o modelo numérico. Posteriormente, os referidos materiais são utilizados na simulação numérica do processo de conformação por borracha, utilizando o software Abaqus para estudar numericamente a conformação das placas bipolares metálicas.Considerando os dados experimentais obtidos através dos ensaios de compressão e de relaxação, efetuados nos dois provetes de poliuretano, o efeito da viscosidade é pequeno, considerando a gama de velocidade aplicada, particularmente para o provete com menor dureza. Adicionalmente, o comportamento mecânico obtido para os dois materiais está em conformidade com os resultados experimentais. Os resultados numéricos do processo de conformação por borracha mostram que a espessura final da placa bipolar não é significativamente afetada pela dureza da borracha. Ainda assim, a espessura final prevista é mais uniforme em comparação com o processo de estampagem clássico. O valor máximo de redução de espessura ocorre sempre na curvatura superior da placa.

Fuel cells are a promising alternative to the combustion engines in the automotive industry, allowing to reduce significantly the air pollution generated by cars. However, this new technology still presents some economic issues due to the cost involved in the production of the bipolar plates (main component of fuel cells). In order to reduce the production costs, the rubber pad forming has been adopted in the manufacturing of thin stamped bipolar plates. Since the plastic deformation of the sheet is induced by a pad of rubber like material, the numerical modelling of this manufacturing process requires a deep knowledge about the mechanical behaviour of rubber materials.The main objective of this study is the numerical modelling of rubber-like materials, which typically present a hyper-viscoelastic behaviour. Accordingly, the constitutive law currently implemented in the V-Biomech finite element code, used to describe the mechanical behaviour of rubbers, is presented in detail. Hence, the hyperelastic behaviour is described by the Mooney-Rivlin model, while the viscoelasticity is modelled by a series of Maxwell elements. Considering the case of uniaxial compression stress state, the closed-form solution is derived for the hyper-viscoelastic behaviour, which is posteriorly used in the procedure to identify the material parameters involved in the constitutive model. Two different polyurethane materials are experimentally evaluated by means of uniaxial compression tests and relaxation tests, allowing to identify the material parameters by fitting the numerical model to the experimental data. Then, these rubber materials are adopted in the numerical simulation of the rubber pad forming process, using the Abaqus software to study numerically the forming of metallic bipolar plates.Taking into account the experimental results from both the uniaxial compression tests and relaxations tests performed on two different polyurethanes, the viscosity effect is small considering the range of velocity applied, particularly for the rubber with lower hardness value. Moreover, the predicted mechanical behaviour of both rubbers is in good agreement with the experimental values. The numerical results of the rubber pad forming process show that the final thickness of the stamped bipolar plate is not significantly influenced by the rubber hardness. However, the predicted final thickness distribution is more uniform in comparison with the one obtained with the conventional stamping process. The maximum value of thinning occurs always in the fillet radius of the rib, which is the zone with large plastic deformation.