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

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Mota, Henrique Manuel Alferes Simões Vieira da
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10316/86077
Resumo: Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
id RCAP_a582086324a40e898179932ad67c1b8c
oai_identifier_str oai:estudogeral.uc.pt:10316/86077
network_acronym_str RCAP
network_name_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository_id_str 7160
spelling Modelling the hyper-viscoelastic behaviour of synthetic rubbers applied to rubber pad formingModelação do comportamento hiper-viscoelástico de borrachas sintéticas aplicado ao processo de conformação com borrachaPlaca bipolar metálicaConformação com borrachaSimulação numéricaBorracha sintéticaComportamento hiper-viscoelásticoMetallic bipolar platesRubber pad formingNumerical simulationSynthetic rubberHyper-viscoelastic behaviourDissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaAs 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.2018-07-23info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttp://hdl.handle.net/10316/86077http://hdl.handle.net/10316/86077TID:202203662engMota, Henrique Manuel Alferes Simões Vieira dainfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2019-06-02T11:08:07Zoai:estudogeral.uc.pt:10316/86077Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:07:18.517874Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
dc.title.none.fl_str_mv Modelling the hyper-viscoelastic behaviour of synthetic rubbers applied to rubber pad forming
Modelação do comportamento hiper-viscoelástico de borrachas sintéticas aplicado ao processo de conformação com borracha
title Modelling the hyper-viscoelastic behaviour of synthetic rubbers applied to rubber pad forming
spellingShingle Modelling the hyper-viscoelastic behaviour of synthetic rubbers applied to rubber pad forming
Mota, Henrique Manuel Alferes Simões Vieira da
Placa bipolar metálica
Conformação com borracha
Simulação numérica
Borracha sintética
Comportamento hiper-viscoelástico
Metallic bipolar plates
Rubber pad forming
Numerical simulation
Synthetic rubber
Hyper-viscoelastic behaviour
title_short Modelling the hyper-viscoelastic behaviour of synthetic rubbers applied to rubber pad forming
title_full Modelling the hyper-viscoelastic behaviour of synthetic rubbers applied to rubber pad forming
title_fullStr Modelling the hyper-viscoelastic behaviour of synthetic rubbers applied to rubber pad forming
title_full_unstemmed Modelling the hyper-viscoelastic behaviour of synthetic rubbers applied to rubber pad forming
title_sort Modelling the hyper-viscoelastic behaviour of synthetic rubbers applied to rubber pad forming
author Mota, Henrique Manuel Alferes Simões Vieira da
author_facet Mota, Henrique Manuel Alferes Simões Vieira da
author_role author
dc.contributor.author.fl_str_mv Mota, Henrique Manuel Alferes Simões Vieira da
dc.subject.por.fl_str_mv Placa bipolar metálica
Conformação com borracha
Simulação numérica
Borracha sintética
Comportamento hiper-viscoelástico
Metallic bipolar plates
Rubber pad forming
Numerical simulation
Synthetic rubber
Hyper-viscoelastic behaviour
topic Placa bipolar metálica
Conformação com borracha
Simulação numérica
Borracha sintética
Comportamento hiper-viscoelástico
Metallic bipolar plates
Rubber pad forming
Numerical simulation
Synthetic rubber
Hyper-viscoelastic behaviour
description Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
publishDate 2018
dc.date.none.fl_str_mv 2018-07-23
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv http://hdl.handle.net/10316/86077
http://hdl.handle.net/10316/86077
TID:202203662
url http://hdl.handle.net/10316/86077
identifier_str_mv TID:202203662
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron:RCAAP
instname_str Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron_str RCAAP
institution RCAAP
reponame_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
collection Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository.name.fl_str_mv Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1799133964655394816

Registros relacionados