Análise de composto elastomérico pelos ensaios de tração uniaxial, tração plana e rasgamento para calibração de modelo numérico
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2026-06-26
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O desenvolvimento de pneus de carga exige caracterizações precisas dos compostos elastoméricos utilizados em sua fabricação, visando garantir desempenho estrutural, segurança e durabilidade. Neste trabalho, foram aplicados os ensaios de tração plana e rasgamento como métodos complementares ao ensaio convencional de tração uniaxial para a calibração de modelos numéricos empregados na simulação de pneus. Inicialmente, foram revisados conceitos relacionados ao comportamento hiperelástico dos elastômeros, aos modelos constitutivos e à modelagem computacional por elementos finitos, com ênfase na calibração e comparação de modelos hiperelásticos aplicados a elastômeros. Experimentalmente, foram desenvolvidos corpos de prova e dispositivos específicos para a realização dos ensaios de tração plana e rasgamento, permitindo a obtenção de curvas de tensão e deformação do composto elastomérico Lista Antiabrasiva do Talão (LAT), utilizado na região do talão do pneu, cuja base polimérica é Borracha Natural (NR) e Polibutadieno (BR). Os dados experimentais foram empregados na calibração dos modelos hiperelásticos de Mooney-Rivlin, Neo-Hookeano e Ogden, posteriormente utilizados em simulações numéricas da região do talão de um pneu de carga. Os resultados demonstraram que o modelo hiperelástico de Ogden apresentou a melhor concordância com os dados experimentais, em comparação aos modelos Neo-Hookeano e Mooney-Rivlin. Nas simulações numéricas, a utilização combinada dos ensaios de tração uniaxial e tração plana promoveu uma redistribuição das máximas deformações principais, reduzindo seu valor máximo de 0,259 para 0,217 mm/mm, bem como uma redução da densidade máxima de energia de deformação de 0,508 para 0,389 MJ/m³ na Lista Antiabrasiva do Talão. Dessa forma, verificou-se que a incorporação dos dados provenientes do ensaio de tração plana em conjunto com a tração uniaxial, demonstrou novos resultados, evidenciando concentrações de deformação e pressão de contato que antes não eram observadas quando a caracterização era realizada exclusivamente com dados de tração uniaxial. Assim, o trabalho contribui para o aprimoramento da caracterização experimental de elastômeros aplicados à indústria de pneus e para a evolução das análises numéricas empregadas no desenvolvimento desses produtos. [resumo fornecido pelo autor]
Abstract
The development of truck tires requires accurate characterization of the elastomeric compounds used in their manufacture to ensure structural performance, safety, and durability. In this study, planar tension and tear tests were employed as complementary methods to the conventional uniaxial tensile test for the calibration of constitutive models used in tire numerical simulations. Initially, concepts related to the hyperelastic behavior of elastomers, constitutive models, and finite element modeling were reviewed, with emphasis on the calibration and comparison of hyperelastic models applied to elastomeric materials. Experimentally, specific specimens and testing fixtures were developed for the planar tension and tear tests, allowing the acquisition of stress-strain curves for the Bead Apex Strip (LAT) elastomeric compound, used in the tire bead region and based on Natural Rubber (NR) and Polybutadiene (BR). The experimental data were used to calibrate the Mooney-Rivlin, Neo-Hookean, and Ogden hyperelastic models, which were subsequently employed in finite element simulations of the bead region of a truck tire.The results showed that the Ogden hyperelastic model provided the best agreement with the experimental data when compared with the Neo-Hookean and Mooney-Rivlin models. Numerical simulations using the combined uniaxial and planar tension test data promoted a redistribution of the maximum principal strains, reducing their peak value from 0.259 to 0.217 mm/mm, as well as a reduction in the maximum strain energy density from 0.508 to 0.389 MJ/m³ in the Bead Apex Strip. Furthermore, the incorporation of planar tension test data, together with uniaxial tensile data, revealed strain concentrations and contact pressure distributions that were not identified when the material characterization was based solely on uniaxial tensile data. Therefore, this work contributes to the improvement of the experimental characterization of elastomeric compounds applied to the tire industry and to the advancement of numerical analyses used in the development of these products. [resumo fornecido pelo autor]