Modelagem e simulação do comportamento mecânico de estruturas macrocompósitas de polímero-metal unidas por friction-based injection clinching joining (F-ICJ)

Abstract

A utilização de materiais compósitos para aplicações de engenharia vêm ganhando relevância nos últimos anos e, assim, gerando uma necessidade de desenvolvimento de métodos de união que sejam adequados para unir materiais dissimilares. Dentre os processos de união recentemente desenvolvidos, encontra-se o Friction-based Injection Clinching Joining (F-ICJ, patente europeia 14182938.2). Este método se destaca por ser simples, rápido e por ser ambientalmente menos danoso que processos que exigem a aplicação de agentes químicos para o tratamento das superfícies. O presente estudo tem por objetivo modelar e simular o comportamento de componentes mecânicos híbridos, compostos por polímero e metal, unidos pelo processo Friction-based Injection Clinching Joining, submetidos a ensaios mecânicos controlados em laboratório. Ou seja, objetiva-se reproduzir campos de deslocamentos, bem como tensões e deformações destes componentes através da utilização do programa de elementos finitos Abaqus®. Dados experimentais, obtidos em estudos anteriores, de ensaios de tração uniaxial são utilizados como entrada para os modelos numéricos enquanto resultados de ensaios de tração uniaxial, ensaio de cisalhamento sob tração de junta simples sobreposta e ensaio de flexão a quatro pontos de um componente composto por múltiplas juntas são utilizados para validar os modelos. Utiliza-se também um sistema de Correlação Digital de Imagem (DIC) para validar os modelos. Como resultados, obteve-se curvas de força por deslocamento do ensaio de tração uniaxial no regime elástico do material polimérico (PEI) dentro de uma faixa de mais ou menos 10%, com relação aos resultados experimentais, para oito dos nove modelos constitutivos hiperelásticos implementados. Com relação à modelagem da junta simples em ensaio de cisalhamento sob tração, três dos modelos apresentaram resposta de força por deslocamento dentro da faixa de mais ou menos 10%. Já com os modelos de múltiplas juntas em ensaio de flexão, não foi possível obter resultados de força por deslocamento dentro da faixa de mais ou menos 10% com relação aos resultados experimentais. Com relação aos resultados de campos de deformações e de deslocamentos, qualitativamente foram obtidos resultados que correspondem com o que foi observado experimentalmente e, quantitativamente, as deformações e deslocamentos de alguns modelos de junta simples geraram resultados com diferenças inferiores a 10% dos valores obtidos experimentalmente. Portanto, através da utilização de dados experimentais exclusivamente de ensaios de tração uniaxial, foi possível obter resultados com diferenças inferiores a 10% com relação aos resultados experimentais em termos de força por deslocamento, campos de deformação e deslocamentos enquanto que, os modelos aplicados à condição de flexão do componente de múltiplas juntas geraram apenas resultados qualitativos condizentes com o que foi observado experimentalmente.

The use of composite materials for engineering applications has been gaining relevance in recent years and thus generating a necessity of developing joining methods that are suitable for joining dissimilar materials. Among the state-of-the-art joining processes is the Friction-based Injection Clinching Joining (F-ICJ, European Patent 14182938.2). This method stands out for being simple, fast and less harmful to the environment than processes that require the application of chemical agents for the surfaces’ treatment. The present study aims to model and simulate the mechanical behavior of polymer-metal hybrid joints, joined by the Friction-based Injection Clinching Joining process, subjected to mechanical tests performed in laboratory. That is, it aims to reproduce displacement fields, as well as stress and strain of these components through the usage of the finite element software Abaqus™ software. Experimental data, obtained from previous studies, from uniaxial tensile tests are used as input to the numerical models while results of uniaxial tensile tests, single joint lap-shear test and four point bending test results are used to validate the models. 9Continue) A digital image correlation system (DIC) is also used to validate the models. Eight of the nine constitutive implemented models presented force-displacement curves within 10% of the experimentally obtained values for the polymeric material (PEI) in the elastic regime under uniaxial tensile test. Regarding the single-joint under lap-shear model, three of the models presented force-displacement response within 10% of the experimental results. The force-displacement curves obtained from the multiple joint models under the bending test where not within 10% of the experimental results. With respect to strain field and displacement, the obtained results were qualitatively in accordance with the experimental observations and, quantitatively some models produced results within 10% of experimental results, whereas, the multiple-point joints model’s results were in accordance with the experimental results only from the qualitative point of view.