Experts inzichten: Geavanceerd constitutief modelleren met Abaqus van de 2016 Science in the Age of Experience Conferentie

Deze post verwijst naar klantenpapers gepresenteerd op de 2016 Science in the Age of Experience conferentie die zich richtte op geavanceerd materiaalmodelleren. Ik was sessievoorzitter voor verschillende van deze presentaties.

Een van de pijlers van elk geavanceerd gebruik van Abaqus-software is een discussie over geavanceerd materiaalmodelleren (constitutief modelleren). Deze discussie strekt zich vaak over veel, of alle, industrieën, en de recente Science in the Age of Experience conferentie was geen uitzondering. Er waren veel papers en presentaties van onze klanten over het gebruik van geavanceerde materiaalmodellen in zowel Abaqus/Standard als Abaqus/Expliciet. Sommige van deze papers werden gepresenteerd onder een specifieke industry track, anderen binnen de "Materials" of "Composites" track.

Twee thema's in geavanceerd materiaalmodelleren

1. Betere materiaalmodellen voor polymeren en kunststoffen.
2. Focus op modelleren van thermomechanisch gekoppelde gebeurtenissen en processen met high-fidelity materiaalmodellen.

Abaqus-gebruikers 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 hogere-fidelity materiaalmodellen. De laatste twee papers tonen ook het gebruik van het nieuwe PRF (Parallel Rheological Framework) model in Abaqus voor het vastleggen van niet-lineaire viscoelasticiteit.

De papers van Brown, Arias en Nyaaba tonen het thema rond modelleren van thermomechanisch gekoppelde gebeurtenissen of processen. Het eerste paper richt zich op metalen in smeedprocessen, en de laatste twee op rubbertoepassingen waar mechanische hysterese significante warmte genereert. Het paper van Nyaaba raakt zowel het gebruik van het nieuwe PRF-model (voor niet-lineaire viscoelasticiteit) als zijn toepassing in een bandentoepassing die warmte genereert door de viscoelastische hysterese van rubber.

Geselecteerde papers

Predicting and Designing Integrated Safety Syringe for Shelf Life Using Advanced Nonlinear Constitutive Models in Abaqus

Dinesh Panneerselvam, Scott Russo, Jyoti Gupta, Unilife Medical Solutions

Abstract: De medische hulpmiddelenindustrie is sterk gereguleerd met patiëntveiligheid als voornaamste prioriteit. Het garanderen van de hoogste kwaliteit en patiëntveiligheid vereist dat het apparaat functioneert zoals gewenst vanaf productie, door de houdbaarheid heen, en tijdens gebruik. Kunststoffen in medische hulpmiddelen kunnen degradatie in mechanische eigenschappen ondergaan over tijd tijdens de houdbaarheid, afhankelijk van het ontwerp. Het is daarom belangrijk om dit aspect van kunststofgedrag in rekening te brengen bij materiaalselectie en apparaatontwerp.

Kunststoffen onder constante belasting gedurende lange perioden vertonen kruipdeformaties. Testen op kruip kan een langdurig proces zijn wat leidt tot vertraging in ontwerpiteraties voor het optimale ontwerp en tijd-tot-markt. Computationele modellering en FEA-simulaties met geavanceerde materiaalmodellen kunnen materiaalgedrag met hoge nauwkeurigheid voorspellen en diepe inzichten geven in hoe het apparaat zich over tijd zal gedragen, wat resulteert in waardevolle feedback voor ontwerpiteraties en vaak reductie van ontwerpiteratiecycli.

In dit paper wordt het korte- en langetermijngedrag van polycarbonaat gemodelleerd met een hyperelastisch-niet-lineair viscoelastisch model gebaseerd op het parallelle rheologische framework. Het constitutieve model is gekalibreerd tegen uniaxiale trekking en langetermijn kruiptestdata, en wordt gebruikt om de vervorming als functie van de tijd in polycarbonaat componenten van de Unifill FinesseTM Integrated Safety Syringe te voorspellen. Modelvoorspellingen zijn gevalideerd tegen langetermijn real-time en versnelde verouderingstestdata. Doorgaans lopen deze tests maanden.

Samenvattend: door dit werk werden tijdrovende, dure ontwerpiteraties via testen gereduceerd tot een paar cycli met accurate modellering en kruipspanningsvoorspellingen gebruikmakend van geavanceerde niet-lineaire constitutieve modellen in ABAQUS, wat aantoont hoe FEA-simulaties als effectief hulpmiddel in het productontwikkelingsproces kunnen worden ingezet om tijd en kosten te besparen en hoge-kwaliteit producten sneller op de markt te brengen. Lees het volledige paper

Prediction of Nonlinear Viscoelastic Recovery of Thermoplastic Polymers using Abaqus Parallel Rheological Framework (PRF) Model

Mohammed Karim, Zhenyu Zhang, and Ye Zhu, DuPont Performance Materials

Abstract: Thermoplastische polymeren tonen significante niet-lineaire viscoelastische gedrag, waardoor na het wegnemen van de belasting deze materialen een viscoelastische herstel vertonen over tijd voordat permanente vervorming of set optreedt. In dit werk wordt het Abaqus PRF-model gebruikt om deze tijdsafhankelijke niet-lineaire viscoelastische herstel te voorspellen. In tegenstelling tot het lineaire viscoelastische model in Abaqus, kan het PRF-model het typische niet-lineaire viscoelastische gedrag van thermoplastische materialen voorspellen.

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

Coupled Thermomechanical Forging Simulations and the Effect of Material Constitutive Laws

Stuart Brown, Nagi Elabbasi, and Eric Schmitt, Veryst Engineering

Abstract: Correct smeedontwerp berust op accurate voorspelling van smeekrachten, materiaalvervorming en materiaaleigenschappen. Dit is met name waar voor gekoppelde thermomechanische analyses, waar matrix/werkstuk contact lokale vervormingen en temperaturen verandert. Deze vervormingen en thermische geschiedenissen kunnen de materiaalmicrostructuur en resulterende producteigenschappen veranderen.

Deze presentatie onderzoekt de invloed van verschillende materiaal- en contactmodellen binnen een hete smeedsimulatie en bespreekt de gevolgen voor de uiteindelijke productprestaties. We gebruiken snelheidsonafhankelijke plasticiteit en vergelijken de resultaten met het Anand interne variabele, viscoplastische model beschikbaar in Abaqus. We gebruiken ook verschillende contactcondities met varierende drukgevoeligheid voor warmteoverdracht. De simulaties tonen aan dat de keuze van constitutief model een sterke invloed heeft op de letzt voorspelde eigenschappen van het gesmeede stuk. Lees het volledige paper

Improving Rubber Tread Designs Against Heat Build-Up Under Cyclic Loading Using Strain Energy

Sergio Arias, Dr. Bahram Sarbandi, Priyantha Sriwardene, Camso

Abstract: Warmteopwekking in rubber is een complex fenomeen dat optreedt wanneer een rubbercomponent cyclisch belast wordt. De ontwikkeling van deze warmteopbouw komt door de viscoelastische aard van rubbercompounds tijdens be- en ontlastingsprocessen, en is een moeilijk mechanisme om numeriek te kwantificeren. Er is veel onderzoek gedaan aan dit specifieke en karakteristieke gedrag van rubber, essentieel sinds de uitvinding van rubber. Over het laatste decennium zijn er talloze doorbraken geweest op het gebied van warmteopwekking, en finiete-elementcodes beginnen oplossingen te bieden om dit gedrag te bestuderen.

Toch blijft het een zeer complexe parameter om te meten en valideren voor praktische doeleinden. Als resultaat is een alternatieve manier om een methode te bedenken om de ontwerpen van profielen in onze banden te verbeteren tegen de ontwikkeling van warmteopbouw, het bestuderen van de vervormingsenergie. Het doel van dit onderzoek is te begrijpen hoe we de vervormingsenergie gegenereerd onder één volledige belastingcyclus kunnen gebruiken en dit benutten om een nieuwe en betere generatie profielen te ontwerpen die voldoen aan de constant stijgende eisen aan prestaties in de wereld van rubberbanden. Lees het volledige paper

FEA Prediction of Off-Road Tire Temperature Distribution

W. Nyaaba, S. Frimpong, G. Somua-Gyimah and G. Galecki, Missouri University of Science and Technology

Abstract: Excessieve warmteopwekking en -retentie in ultra-grote dumptruckbanden is een van de meest voorkomende oorzaken van bandenfalen in de oppervlaktemijnbouw. Accurate voorspelling van de temperatuurdistributie van een opererende band vereist geavanceerde numerieke modellen en oplossingsschema's om de complete elastomere materiaalrespons op bedrijfscondities na te bootsen. De intern gegenereerde warmte in een band is een functie van de viscoelastische energiedissipatie tijdens het rollen. Eerder onderzoek heeft onnauwkeurig de warmteopwekkingscijfers en temperaturen van off-the-road (OTR) banden voorspeld door gebruik te maken van lineaire viscoelasticiteit om de rather niet-lineaire viscoelastische rubbermateriaal te benaderen.

Dit paper presenteert een accurate benadering voor het voorspellen van OTR bandentemperatuurdistributies rekening houdend met de ware mechanische respons van de gevulde rubbercompounds in banden. Rubber niet-lineaire viscoelasticiteit werd gemodelleerd met de recent geïmplementeerde parallelle rheologische framework (PRF) in Abaqus. Spanningrelaxatietestdata voor twee regionale compounds (profiel en karkas) werden gebruikt om de PRF-materiaalmodelparameters te kalibreren met de data matching component van Isight. Een volledig gekoppelde thermisch-spanningsanalyseprocedure in Abaqus/Explicit werd gebruikt om temperatuurdistributies te vergelijken van een typische Michelin 59/80R63 band gemodelleerd met twee materiaaltheorieën: (i) lineaire viscoelasticiteit, en (ii) niet-lineaire viscoelasticiteit. De resultaten tonen aan dat bandentemperatuurdistributies nauwkeuriger worden voorspeld door het PRF-materiaalmodel dan door het Prony-reeksmodel. Lees het volledige paper

Meer klantenpapers?

Als je geïnteresseerd bent in het lezen van andere papers gepresenteerd op de 2016 Science in the Age of Experience, raadpleeg dan de complete conferentie-actes in de SIMULIA Learning Community¹.