Projeto e conceção de um equipamento para avaliar o comportamento mecânico de borrachas solicitadas ao corte

Abstract

Hoje em dia, e cada vez mais, acentua-se a necessidade de reduzir a pegada ecológica provocada pelos veículos movidos a motores de combustão interna. Assim, nos últimos anos, as tecnologias de células de combustível têm recebido globalmente um aumento de atenção. As células de combustível de hidrogénio são uma boa alternativa aos motores de combustão interna. Estas convertem energia química diretamente em energia elétrica através de reações eletroquímicas que envolvem hidrogénio e oxigénio. Estas baterias são compostas por uma repetição de várias células menores, denominadas de PEM, proton exchange membranes, sendo as mais utilizadas e fortemente alvo de investigação. Portanto, várias técnicas de produção começaram a ser aplicadas para produzir o principal componente das PEM, as placas bipolares, em materiais metálicos.O processo de conformação plástica com recurso a ferramentas de borrachas permite obter peças com excelente qualidade superficial e baixo custo de produção. No entanto, estas borrachas tendem a falhar mecanicamente devido à sua baixa resistência mecânica. Portanto, é necessário um profundo conhecimento do seu comportamento de modo a otimizar este processo. Deste modo, o objetivo deste trabalho é o projeto e conceção de um equipamento para avaliar experimentalmente o comportamento mecânico de borrachas de poliuretano solicitadas ao corte, aplicando métodos numéricos para a simulação de vários mecanismos e os próprios ensaios. As borrachas são materiais praticamente incompressíveis, que apresentam simultaneamente comportamento elástico e comportamento e viscoso, podendo ser sujeitas a grandes deformações. Assim, ao longo deste trabalho foi usado o modelo constitutivo Mooney-Rivlin para definir a hiperelasticidade e o modelo de Maxwell generalizado com 4 elementos para descrever a viscosidade.O mecanismo desenvolvido mostrou-se capaz de ensaiar as borrachas ao corte, não apresentado à partida qualquer inconveniente. Utilizando os resultados provenientes dos ensaios laboratoriais, foram obtidos por meio de uma calibração os valores referentes aos parâmetros que caracterizam o modelo constitutivo de Mooney-Rivlin e os parâmetros da viscosidade para os 4 elementos de Maxwell. Desta forma, foi possível fazer uma comparação entre os resultados experimentais e os resultados obtidos numericamente, os quais apresentam uma discrepância que se deve ao facto de o Abaqus utilizar uma formulação matemática ligeiramente diferente da utilizada no processo de calibração dos parâmetros. No entanto, é possível assim afirmar que os parâmetros obtidos caracterizam devidamente a solicitação de corte e a relaxação de tensões das duas classes de poliuretano estudadas.

Nowadays, there is an increasing need to reduce the ecological footprint caused by the vehicles powered by internal combustion engines. Thus, in recent years, fuel cell technologies have received increased attention globally.Hydrogen fuel cells are a good alternative to internal combustion engines. These convert chemical energy directly into electrical energy through electrochemical reactions involving hydrogen and oxygen. These batteries are composed by a repetition of several smaller cells, called PEM, proton exchange membranes, being the most widely used and deeply investigated. Therefore, various production techniques began to be applied to produce the main component of PEM, bipolar plates, in metallic materials.The rubber pad forming process allows the production of parts with excellent surface quality and low production cost. However, these rubbers tend to fail mechanically due to their low mechanical strength. Therefore, a detailed knowledge of their behavior is required in order to optimize this process. Thus, the objective of this work is the design and production of an equipment to experimentally evaluate the mechanical behavior of polyurethane rubbers subjected to shear stresses, applying numerical methods for the simulation of various mechanisms.Rubbers are practically incompressible materials that simultaneously exhibit elastic and viscous behavior and can be subjected to large deformations. Thus, throughout this work, the Mooney-Rivlin constitutive model was used to define hyperelasticity and a generalized 4 elements Maxwell model to describe viscosity.The developed mechanism proved to be able to test the rubbers when subjected to shear stresses, without presenting any inconvenience. Using the results from the laboratory tests, the values referring to the parameters that characterize the Mooney-Rivlin constitutive model and the viscosity parameters for the 4 Maxwell elements were obtained, by calibration. Thus, it was possible to make a comparison between the experimental results and the numerically ones, which present a discrepancy due the fact that Abaqus uses a slightly different mathematical formulation than that used in the parameter calibration process. However, it is possible to state that the obtained parameters properly characterize the shear stress and stress relaxation of the two polyurethane classes studied.