Geavanceerde materiaalmodellering in Abaqus

Dit bericht verwijst naar papers van klanten die werden gepresenteerd op de Science in the Age of Experience-conferentie van 2016, waarin de nadruk lag op geavanceerde materiaalmodellering. Bij een aantal van deze presentaties was ik sessievoorzitter.

Een van de pijlers van elk geavanceerd gebruik van de Abaqus-software is een bespreking van geavanceerde materiaalmodellering (constitutieve modellering). Deze discussie omvat meestal veel of alle bedrijfstakken, en de recente Science in the Age of Experience-conferentie was daarop geen uitzondering. Er waren veel papers en presentaties van onze klanten over het gebruik van geavanceerde materiaalmodellen in zowel Abaqus/Standard als Abaqus/Explicit. Sommige van deze papers werden gepresenteerd onder een speciale branchetrack, terwijl andere werden gepresenteerd binnen de track 'Materials' of 'Composites'.

Twee thema's over geavanceerde materiaalmodellering worden hier herkend:

1. Betere materiaalmodellen voor polymeren en kunststoffen.
2. Focus op het modelleren van thermomechanisch gekoppelde gebeurtenissen en processen met hoogwaardige materiaalmodellen.

Gebruikers van Abaqus in veel industrieën werken aan betere materiaalmodellen voor elastomeren, polymeren en kunststoffen. De papers van Volgers (elastomeer), Pannneerselvam (polymeer) en Karim (polymeer) tonen allemaal de beweging naar materiaalmodellen met een hogere getrouwheid. De laatste twee artikelen demonstreren ook het gebruik van het nieuwe PRF-model (Parallel Rheological Framework) in Abaqus voor het vastleggen van niet-lineaire visco-elasticiteit.

De artikelen van Brown, Arias en Nyaaba tonen allemaal het thema rond het modelleren van thermomechanisch gekoppelde gebeurtenissen of processen. Het eerste artikel richt zich op metalen in smeedgebeurtenissen, en de laatste twee richten zich op rubbertoepassingen waarbij mechanische hysterese aanzienlijke warmte genereert. Het artikel van Nyaaba behandelt zowel het gebruik van het nieuwe PRF-model (voor niet-lineaire visco-elasticiteit) als het gebruik ervan in een bandtoepassing die warmte genereert vanwege de visco-elastische hysterese van het rubber.

Voorspellen en ontwerpen van geïntegreerde veiligheidsspuiten voor houdbaarheid met behulp van geavanceerde niet-lineaire constitutieve modellen in Abaqus, Dinesh Panneerselvam, Scott Russo, Jyoti Gupta, Unilife Medical Solutions

Abstract: De industrie voor medische hulpmiddelen is een sterk gereguleerde industrie waarbij patiëntveiligheid voorop staat. Het waarborgen van de hoogste kwaliteit en patiëntveiligheid vereist dat het apparaat naar wens presteert vanaf het moment dat het wordt vervaardigd, gedurende de houdbaarheid van het product en tijdens het gebruik. Kunststoffen die in medische apparaten worden gebruikt, kunnen in de loop van de tijd tijdens de houdbaarheid van het product degradatie in mechanische eigenschappen ondergaan, afhankelijk van het ontwerp van het apparaat. Het is daarom belangrijk om rekening te houden met dit aspect van plastisch gedrag bij de materiaalkeuze en het ontwerp van het apparaat.

Kunststoffen die langdurig onder constante belasting staan, vertonen kruipvervormingen. Het testen van apparaten voor kruip kan een langdurig proces zijn, wat vaak leidt tot vertraging in ontwerpiteraties om het optimale ontwerp en vervolgens de time-to-market te verkrijgen. Computationele modellering en FEA-simulaties met geavanceerde materiaalmodellen kunnen materiaalgedrag met een hoge mate van nauwkeurigheid voorspellen en kunnen diepgaande inzichten verschaffen in hoe het apparaat in de loop van de tijd zal presteren, wat resulteert in waardevolle feedback voor ontwerpiteraties en vaak het verminderen van ontwerpiteratiecycli.

In dit artikel wordt het korte- en langetermijngedrag van polycarbonaat gemodelleerd met behulp van een hyperelastisch-niet-lineair visco-elastisch model op basis van het parallelle reologische raamwerk. Het constitutieve model is gekalibreerd tegen uniaxiale spanning en lange termijn kruiptestgegevens worden gebruikt om de spanning als functie van de tijd te voorspellen in polycarbonaatcomponenten van de Unifill FinesseTM Integrated Safety Syringe. Modelvoorspellingen worden gevalideerd op basis van realtime- en versnelde verouderingstestgegevens op lange termijn. Deze tests duren doorgaans maanden.

Samengevat, door dit werk werden tijdrovende dure ontwerpiteraties door testen teruggebracht tot een paar cycli met nauwkeurige modellering en voorspellingen van materiaalkruip-rek, gebruikmakend van geavanceerde niet-lineaire constitutieve modellen in ABAQUS die demonstreren hoe FEA-simulaties kunnen worden gebruikt als een effectief hulpmiddel in product ontwikkelingsproces om tijd en kosten te besparen en om producten van hoge kwaliteit sneller op de markt te brengen. Lees de volledige paper

Voorspelling van niet-lineair visco-elastisch herstel van thermoplastische polymeren met behulp van Abaqus Parallel Rheological Framework (PRF) Model, Mohammed Karim, Zhenyu Zhang en Ye Zhu, DuPont Performance Materials

Abstract:  Thermoplastische polymeren vertonen een significant niet-lineair visco-elastisch gedrag waardoor deze materialen, na het verwijderen van de aangebrachte belasting, in de loop van de tijd enig visco-elastisch herstel hebben voordat permanente vervorming of uitharding optreedt. In dit werk wordt het Abaqus PRF-model gebruikt om dit tijdsafhankelijke visco-elastische herstel te voorspellen. In tegenstelling tot het lineaire visco-elastische model in Abaqus, kan het PRF-model het typische niet-lineaire visco-elastische gedrag van thermoplastische materialen voorspellen.

Twee soorten testen, spanningsrelaxatie en cyclische belasting op drie verschillende spanningsniveaus, worden gebruikt om de coëfficiënten van het PRF-model te kalibreren. SIMULIA's optimalisatietool Isight wordt gebruikt om deze coëfficiënten te optimaliseren. Met behulp van de geoptimaliseerde coëfficiënten kan het PRF-model het tijdsafhankelijke niet-lineaire visco-elastische herstel van thermoplastische polymeren voorspellen. Lees de volledige paper

Gekoppelde thermomechanische smeedsimulaties en het effect van materiële constitutieve wetten, Stuart Brown, Nagi Elabbasi en Eric Schmitt, Veryst Engineering

Abstract: Een correct warmvervormingsontwerp is afhankelijk van een nauwkeurige voorspelling van vervormingsbelastingen, materiaalvervorming en materiaaleigenschappen. Dit geldt met name voor gekoppelde thermomechanische analyses, waarbij matrijs/werkstukcontact lokale vervormingen en temperaturen zal veranderen. Deze spanningen en thermische geschiedenis kunnen de microstructuren van het materiaal en de resulterende producteigenschappen veranderen.

Deze presentatie onderzoekt de invloed van verschillende materiaal- en contactmodellen binnen een warmsmeedsimulatie en bespreekt de gevolgen voor de uiteindelijke productprestaties. We gebruiken snelheidsonafhankelijke plasticiteit en vergelijken de resultaten met het interne variabele, viscoplastische model van Anand dat beschikbaar is binnen Abaqus. We gebruiken ook verschillende contactomstandigheden met variërende drukgevoeligheid voor warmteoverdracht. De simulaties tonen aan dat constitutieve modelselectie een sterk effect heeft op de uiteindelijke voorspelde eigenschappen van het smeden. Lees de volledige paper

Verbeteren van rubberen loopvlakontwerpen tegen warmteopbouw onder cyclische belasting met behulp van spanningsenergie, Sergio Arias, Dr. Bahram Sarbandi, Priyantha Sriwardene, Camso

Abstract: Warmteontwikkeling in rubber is een complex fenomeen dat optreedt wanneer een rubbercomponent cyclisch wordt belast. De ontwikkeling van deze warmteontwikkeling komt van de visco-elastische aard van rubberverbindingen die optreedt tijdens het laad- en losproces, en het is een moeilijk mechanisme om numeriek te kwantificeren. Sinds de uitvinding van rubber is er veel onderzoek gedaan naar dit specifieke en karakteristieke gedrag van rubber. In de loop van de afgelopen tien jaar zijn er talloze doorbraken geweest op het gebied van warmteopwekking en eindige-elementencodes beginnen oplossingen te bieden om dit gedrag te bestuderen.

Het is echter nog steeds een zeer complexe parameter om te meten en te valideren voor praktische doeleinden. Als gevolg hiervan is een alternatieve manier om een ​​methode te bedenken om de ontwerpen van loopvlakken in onze sporen te verbeteren tegen de ontwikkeling van warmteontwikkeling, het bestuderen van de spanningsenergie. Het doel van dit onderzoek is om te begrijpen hoe we de spanningsenergie die wordt gegenereerd tijdens één volledige belastingscyclus kunnen gebruiken en deze kunnen gebruiken om een ​​nieuwe en betere generatie loopvlakken te ontwerpen die kunnen voldoen aan de constant toenemende prestatie-eisen in de wereld van rubberen rupsbanden. Lees de volledige paper

FEA-voorspelling van de temperatuurverdeling van offroad-banden, W. Nyaaba, S. Frimpong, G. Somua-Gyimah en G. Galecki, Missouri University of Science and Technology

Abstract: Overmatige warmteontwikkeling en -behoud in ultragrote dumptruckbanden is een van de meest voorkomende oorzaken van bandenstoringen in de dagbouwindustrie. Nauwkeurige voorspelling van een operationeel bandtemperatuurprofiel omvat het gebruik van geavanceerde numerieke modellen en oplossingsschema's om de volledige reactie van elastomere materialen op bedrijfsomstandigheden na te bootsen. De intern gegenereerde warmte in een band is een functie van de visco-elastische energiedissipatie tijdens het rollen. Eerdere onderzoeken hebben onnauwkeurige voorspellingen gedaan van de warmteontwikkeling van off-the-road (OTR) banden en temperaturen door het gebruik van lineaire visco-elasticiteit om het nogal niet-lineaire visco-elastische rubbermateriaal te benaderen.

Dit artikel presenteert een nauwkeurige benadering voor het voorspellen van de temperatuurverdelingen van OTR-banden, rekening houdend met de echte mechanische respons van de gevulde rubberverbindingen die in banden worden gebruikt. Rubber niet-lineaire visco-elasticiteit werd gemodelleerd met behulp van het recent geïmplementeerde parallelle reologische raamwerk (PRF) in Abaqus. Testgegevens voor stress-relaxatie voor twee regionale verbindingen (loopvlak en karkas) werden gebruikt om de PRF-materiaalmodelparameters te kalibreren met behulp van de gegevensafstemmingscomponent van Isight. Een volledig gekoppelde thermische-stressanalyseprocedure in Abaqus/Explicit werd toegepast om de temperatuurverdelingen van een typische Michelin 59/80R63-band te vergelijken, gemodelleerd met behulp van twee materiaaltheorieën:(i) lineaire visco-elasticiteit en (ii) niet-lineaire visco-elasticiteit. De verkregen resultaten laten zien dat de temperatuurverdelingen van banden nauwkeuriger worden voorspeld door het PRF-materiaalmodel dan door het Prony-seriemodel. Lees de volledige paper

Wilt u meer klantpapieren lezen?

Als u geïnteresseerd bent in het lezen van andere papers gepresenteerd op de 2016 Science in the Age of Experience, ga naar de volledige conferentieprocedure in de SIMULIA Leergemeenschap¹.