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Modelado avanzado de materiales en Abaqus

Esta publicación hace referencia a los artículos de los clientes presentados en la conferencia Science in the Age of Experience de 2016 que se centró en el modelado de materiales avanzados. Fui presidente de la sesión de varias de estas presentaciones.

Uno de los pilares de cualquier uso de vanguardia del software Abaqus es una discusión sobre el modelado de materiales avanzado (modelado constitutivo). Esta discusión tiende a abarcar muchas o todas las industrias, y la reciente conferencia Science in the Age of Experience no fue una excepción. Hubo muchos artículos y presentaciones de nuestros clientes sobre el uso de modelos de materiales avanzados tanto en Abaqus / Standard como en Abaqus / Explicit. Algunos de estos artículos se presentaron bajo una pista dedicada a la industria, mientras que otros se presentaron dentro de la pista "Materiales" o "Composites".

Aquí se reconocen dos temas sobre el modelado de material avanzado:

  1. Mejores modelos de materiales para polímeros y plásticos.
  2. Enfóquese en modelar eventos y procesos acoplados termomecánicamente con modelos de materiales de alta fidelidad.

Los usuarios de Abaqus en muchas industrias están trabajando para lograr mejores modelos de materiales para elastómeros, polímeros y plásticos. Los artículos de Volgers (elastómero), Pannneerselvam (polímero) y Karim (polímero) muestran el movimiento hacia modelos de materiales de mayor fidelidad. Los dos últimos artículos también muestran el uso del nuevo modelo PRF (Parallel Rheological Framework) en Abaqus para capturar viscoelasticidad no lineal.

Los artículos de Brown, Arias y Nyaaba muestran el tema en torno al modelado de eventos o procesos acoplados termomecánicamente. El primer artículo se centra en los metales en los eventos de forja, y los dos últimos se centran en las aplicaciones del caucho donde la histéresis mecánica genera un calor significativo. El artículo de Nyaaba aborda tanto el uso del nuevo modelo PRF (para viscoelasticidad no lineal) como su uso en una aplicación de neumáticos que genera calor debido a la histéresis viscoelástica del caucho.

Predicción y diseño de jeringas de seguridad integradas para la vida útil utilizando modelos constitutivos no lineales avanzados en Abaqus, Dinesh Panneerselvam, Scott Russo, Jyoti Gupta, Unilife Medical Solutions

Resumen: La industria de dispositivos médicos es una industria altamente regulada en la que la seguridad del paciente es primordial. Garantizar la máxima calidad y la seguridad del paciente exige que el dispositivo funcione como se desea desde el momento de su fabricación, durante la vida útil del producto y durante su uso. Los plásticos utilizados en dispositivos médicos pueden sufrir una degradación en sus propiedades mecánicas con el tiempo durante la vida útil del producto, dependiendo del diseño del dispositivo. Por lo tanto, es importante tener en cuenta este aspecto del comportamiento del plástico durante la selección del material y el diseño del dispositivo.

Los plásticos bajo carga constante durante largos períodos de tiempo presentan deformaciones por fluencia. Probar dispositivos para la fluencia puede ser un proceso largo que a menudo lleva a retrasos en las iteraciones de diseño para producir el diseño óptimo y, posteriormente, el tiempo de comercialización. El modelado computacional y las simulaciones FEA con modelos de materiales avanzados pueden predecir el comportamiento del material con un alto grado de precisión y pueden proporcionar conocimientos profundos sobre cómo funcionará el dispositivo a lo largo del tiempo, lo que da como resultado comentarios valiosos para las iteraciones de diseño y, a menudo, reduce los ciclos de iteración de diseño.

En este artículo, el comportamiento a corto y largo plazo del policarbonato se modela utilizando un modelo viscoelástico hiperelástico-no lineal basado en el marco reológico paralelo. El modelo constitutivo se calibra contra la tensión uniaxial y los datos de la prueba de fluencia a largo plazo, se utiliza para predecir la deformación en función del tiempo en los componentes de policarbonato de la jeringa de seguridad integrada Unifill FinesseTM. Las predicciones del modelo se validan con datos de prueba de envejecimiento acelerado y en tiempo real a largo plazo. Normalmente, estas pruebas duran meses.

En resumen, a través de este trabajo, las costosas iteraciones de diseño a través de las pruebas se redujeron a unos pocos ciclos con modelos precisos y predicciones de deformación por fluencia del material haciendo uso de modelos constitutivos no lineales avanzados en ABAQUS que demuestran cómo las simulaciones FEA se pueden aprovechar como una herramienta eficaz en el producto. proceso de desarrollo para ahorrar tiempo y costos y para llevar productos de alta calidad más rápidamente al mercado. Leer el artículo completo

Predicción de la recuperación viscoelástica no lineal de polímeros termoplásticos utilizando el modelo Abaqus Parallel Rheological Framework (PRF), Mohammed Karim, Zhenyu Zhang y Ye Zhu, DuPont Performance Materials

Resumen: Los polímeros termoplásticos muestran un comportamiento viscoelástico no lineal significativo debido a que, después de eliminar la carga aplicada, estos materiales tienen cierta recuperación viscoelástica con el tiempo antes de que se produzca una deformación permanente o fraguado. En este trabajo, el modelo Abaqus PRF se utiliza para predecir esta recuperación viscoelástica dependiente del tiempo. A diferencia del modelo viscoelástico lineal de Abaqus, el modelo PRF puede predecir el comportamiento viscoelástico no lineal típico de los materiales termoplásticos.

Se utilizan dos tipos de pruebas, relajación de tensiones y carga cíclica a tres niveles de deformación diferentes, para calibrar los coeficientes del modelo PRF. La herramienta de optimización de SIMULIA, Isight, se utiliza para optimizar estos coeficientes. Usando los coeficientes optimizados, el modelo PRF es capaz de predecir la recuperación viscoelástica no lineal dependiente del tiempo de polímeros termoplásticos. Leer el artículo completo

Simulaciones termomecánicas acopladas de forja y el efecto de las leyes constitutivas de materiales, Stuart Brown, Nagi Elabbasi y Eric Schmitt, Veryst Engineering

Resumen: El diseño correcto de conformado en caliente se basa en una predicción precisa de las cargas de conformado, la deformación del material y las propiedades del material. Esto es particularmente cierto para los análisis termomecánicos acoplados, donde el contacto del troquel / pieza de trabajo cambiará las deformaciones y temperaturas locales. Estas deformaciones e historiales térmicos pueden cambiar las microestructuras del material y las propiedades del producto resultante.

Esta presentación examina la influencia de diferentes materiales y modelos de contacto dentro de una simulación de forjado en caliente y analiza las consecuencias en el rendimiento final del producto. Usamos plasticidad independiente de la tasa y comparamos los resultados con la variable interna de Anand, modelo viscoplástico disponible dentro de Abaqus. También utilizamos diferentes condiciones de contacto con sensibilidad a la presión variable para la transferencia de calor. Las simulaciones demuestran que la selección del modelo constitutivo tiene un fuerte efecto sobre las propiedades finales predichas de la forja. Lea el artículo completo

Mejora de los diseños de la banda de rodadura de caucho contra la acumulación de calor bajo cargas cíclicas utilizando energía de deformación, Sergio Arias, Dr. Bahram Sarbandi, Priyantha Sriwardene, Camso

Resumen: La generación de calor en el caucho es un fenómeno complejo que ocurre cuando un componente de caucho se carga cíclicamente. El desarrollo de esta acumulación de calor proviene de la naturaleza viscoelástica de los compuestos de caucho que se produce durante los procesos de carga y descarga, y es un mecanismo difícil de cuantificar numéricamente. Se han realizado muchas investigaciones sobre este comportamiento particular y característico del caucho, esencialmente desde la invención del caucho. En el transcurso de la última década, ha habido numerosos avances en el área de la generación de calor, y los códigos de elementos finitos están comenzando a proporcionar soluciones para estudiar este comportamiento.

Sin embargo, sigue siendo un parámetro muy complejo de medir y validar con fines prácticos. Como resultado, una forma alternativa de diseñar un método para mejorar los diseños de las huellas en nuestras pistas contra el desarrollo de la acumulación de calor es estudiar la energía de deformación. El propósito de esta investigación es comprender cómo podemos utilizar la energía de deformación generada en un ciclo de carga completa y utilizarla para diseñar una nueva y mejor generación de bandas de rodadura que pueda satisfacer las crecientes demandas de rendimiento en el mundo de las orugas de goma. Leer el artículo completo

Predicción FEA de la distribución de la temperatura de los neumáticos todo terreno, W. Nyaaba, S. Frimpong, G. Somua-Gyimah y G. Galecki, Universidad de Ciencia y Tecnología de Missouri

Resumen: La generación y retención excesivas de calor en llantas de camión volquete ultra grandes se encuentra entre las causas más comunes de fallas de llantas en la industria de la minería a cielo abierto. La predicción precisa de un perfil de temperatura de funcionamiento de un neumático implica el uso de modelos numéricos avanzados y esquemas de soluciones para imitar la respuesta completa de los materiales elastoméricos a las condiciones de funcionamiento. El calor generado internamente en un neumático es una función de su disipación de energía viscoelástica durante la rodadura. Estudios de investigación anteriores han predicho de manera inexacta las tasas de generación de calor y temperaturas de los neumáticos fuera de la carretera (OTR) mediante el uso de viscoelasticidad lineal para aproximarse al material de caucho viscoelástico bastante no lineal.

Este artículo presenta un enfoque preciso para predecir las distribuciones de temperatura de los neumáticos OTR teniendo en cuenta la verdadera respuesta mecánica de los compuestos de caucho rellenos utilizados en los neumáticos. La viscoelasticidad no lineal del caucho se modeló utilizando el marco reológico paralelo (PRF) implementado recientemente en Abaqus. Los datos de la prueba de relajación de estrés para dos compuestos regionales (banda de rodadura y carcasa) se utilizaron para calibrar los parámetros del modelo de material PRF utilizando el componente de coincidencia de datos de Isight. Se adoptó un procedimiento de análisis de estrés térmico completamente acoplado en Abaqus / Explicit para comparar las distribuciones de temperatura de un neumático típico Michelin 59 / 80R63 modelado utilizando dos teorías de materiales:(i) viscoelasticidad lineal y (ii) viscoelasticidad no lineal. Los resultados obtenidos muestran que las distribuciones de temperatura de los neumáticos se predicen con mayor precisión por el modelo de material PRF que por el modelo de la serie Prony. Leer el artículo completo

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