Numerical modeling and experimental characterization of conical-laminated elastomeric bearings subjected to different modes of large multiaxial strains - an application of DIC technique in biaxial straining

Abstract

Os componentes elastoméricos são essenciais na engenharia, pois isolam a vibração, reduzem ruídos, acomodam movimentos oscilatórios e permitem o desalinhamento entre os eixos. Suas propriedades mecânicas podem variar de acordo com uma condição específica, permitindo que suas aplicações sejam submetidas a grandes cargas multiaxiais. Como suas relações constitutivas são altamente não-lineares para cada modo puro de deformação, testes experimentais devem ser realizados para obtenção da lei apropriada que descreva o comportamento desse tipo de material. Nesse contexto, o presente estudo visa desenvolver uma metodologia baseada em Correlação de Imagens Digitais para grandes extensões biaxiais e calibração da modelagem computacional da borracha pelo Método dos Elementos Finitos de acordo com testes em protótipo quando submetidos a um modo de deformação muito complexo. A validação da metodologia adotada tem como foco de estudo uma mola cônica utilizada em suspensões de veículos ferroviários, produzida por uma empresa de engenharia. Como o material se aproxima da incompressibilidade, diferentes funções de forma foram adotadas para descrever os campos de pressão e de deslocamentos de acordo com a formulação híbrida de elementos finitos. Os experimentos biaxiais foram realizados no modo cruciforme e a metodologia aplicada foi validada através de um bulge test clássico. Apesar do baixo grau de biaxialidade, os resultados obtidos foram aceitáveis para níveis de deformação superiores a 300%, com a metodologia proposta. Inicialmente, a correlação entre rigidez axial e radial sob pré-compressão foi obtida por testes em protótipos e modelagem virtual desenvolvida através de um procedimento de ajuste de curvas. Em seguida, com o objetivo de comparar as respostas dos materiais e investigar seu comportamento mecânico sob diferentes condições de carregamento multiaxial, os parâmetros constitutivos foram ajustados por meio de um algoritmo de otimização implementado em linguagem de programação Python® para Abaqus®, que calibra o modelo virtual de acordo com os dados de teste. Os resultados finais apontaram uma mudança no comportamento do material quando submetido a carga radial devido ao atrito entre as camadas de borracha e as peças metálicas, bem como devido aos efeitos de pré-compressão. Para considerar este efeito, foi implementada uma sub-rotina para remalhamento adaptativo. Por fim, foi proposta uma solução analítica para rigidez radial, levando em consideração o fator de forma e o módulo de compressão do componente de borracha.