Esse trabalho aborda os princípios fundamentais da Mecânica dos Pneumáticos. Inicialmente, discutem-se os principais fatos históricos e definições envolvidos no projeto de pneus. Os fenômenos físicos de destacada importância na utilização e projeto de pneus, bem como as técnicas experimentais empregadas na sua quantificação, são citados e detalhados profundamente. Apresenta-se ainda uma extensa revisão bibliográfica sobre os conceitos e estudos relativos à modelagem matemática fundamentada no Método dos Elementos Finitos. Por fim, investiga-se a aplicação de um modelo matemático para caracterização estrutural de pneus. A finalidade do modelo é simular e prever o comportamento de pneus nos ensaios experimentais descritos nas normas do Department of Transportation (DOT) FMVSS109 e FMVSS119. Um dos objetivos principais desse conjunto de testes é a determinação da energia necessária para o colapso estrutural de pneus de carro e caminhão/ônibus, respectivamente, quando submetidos à penetração de um punção. A energia de ruptura das cinturas é um dos critérios para certificação dos pneus perante os órgãos regulamentadores. O modelo tridimensional contempla as propriedades físicas não-lineares características aos pneus atuais. Os elastômeros foram modelados de acordo com o modelo de Mooney - Rivilin. As correspondentes constantes que descrevem o comportamento desses materiais foram definidas por intermédio de ensaios experimentais. Atribui-se aos compósitos um comportamento referenciado nas equações de Halpin-Tsai. Obteve-se a aderência do modelo ao comparar-se as informações dimensionais previstas pela análise matemática com informações similares obtidas experimentalmente. O volume de cálculos necessário para a convergência dessa simulação pressupõe alta performance computacional. Entretanto os resultados numéricos demonstraram que pode-se empregar esse modelo na análise estática de estruturas complexas como pneumático.

This dissertation presents some fundamentals of the Mechanics of Pneumatic Tires. Initially the historical events and the technical definitions that are involved in tire design are discussed. The physical phenomena related to tire performance and the corresponding experimental techniques applied to their evaluation are detailed. The concepts and the application of mathematical modeling based on the Finite Element Method are described. By researching a wide array of engineering literature it is shown that the FEM can be effectively employed through the design stage. Afterwards a finite element tire model was developed to predict tire behavior undergoing the Department of Transportation (DOT) FMVSS109 and FMVSS119 tests. These standards specify that a cylindrical steel plunger is to be forced into the tread rib in order to determine the belts breaking energy value for the tire. These values are taken into account to estimate the tire reliability. Due to the physical non-linearity and uncertainty inherent in tire system a three-dimensional non-linear finite was purposed. The elastomers were modeled by the Mooney - Rivilin model. The composites were modeled by the equivalent orthotropic material model based on the Halpin - Tsai equations. The corresponding material constants were obtained from experimental data. The characteristics obtained by the finite element tire model were verified on the experimental work. Comparisons between numerical and experimental results demonstrated the accuracy of the finite element model. Numerical results showed that the model is arguably reliable and its convergence is fairly good. The model is not computationally efficient because it requires a large amount of calculations although it enables to make an effective static analysis of complex pneumatic structures.