Perspectivas expertas: Modelado constitutivo avanzado con Abaqus en la conferencia Science in the Age of Experience 2016

Esta publicación hace referencia a artículos de clientes presentados en la conferencia Science in the Age of Experience 2016, centrados en modelado avanzado de materiales. Fui presidente de sesión en varias de estas presentaciones.

Uno de los pilares del uso puntero de Abaqus es la discusión sobre modelado avanzado de materiales (modelado constitutivo). Esta discusión abarca muchas, o todas, las industrias, y la conferencia reciente 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 se presentaron en una pista dedicada a la industria, otros en las pistas de «Materiales» o «Composites».

Dos temas principales en modelado avanzado de materiales

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

Los usuarios de Abaqus en muchas industrias trabajan en mejores modelos 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 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 del modelado de eventos o procesos termomecánicamente acoplados. El primero se centra en metales en forja, y los dos siguientes en aplicaciones de caucho donde la histéresis mecánica genera calor significativo. El artículo de Nyaaba toca tanto el uso del nuevo modelo PRF (para viscoelasticidad no lineal) como su aplicación en un neumático que genera calor por la histéresis viscoelástica del caucho.

Artículos destacados

Predicción y diseño de jeringa de seguridad integrada para vida útil usando modelos constitutivos no lineales avanzados en Abaqus – Dinesh Panneerselvam, Scott Russo, Jyoti Gupta, Unilife Medical Solutions

Resumen: La industria de dispositivos médicos está altamente regulada, con la seguridad del paciente como prioridad. Garantizar la máxima calidad y seguridad exige que el dispositivo funcione como se desea desde su fabricación, durante su vida útil y en el uso. Los plásticos en dispositivos médicos pueden sufrir degradación de propiedades mecánicas con el tiempo según el diseño. Es importante tener en cuenta este comportamiento del plástico durante la selección de materiales y el diseño del dispositivo.

Los plásticos bajo carga constante durante largos periodos exhiben deformaciones por fluencia. Los ensayos de fluencia pueden ser largos, retrasando iteraciones de diseño. El modelado computacional y simulaciones FEA con modelos de materiales avanzados pueden predecir el comportamiento con alta precisión y proporcionar insights profundos sobre el rendimiento a lo largo del tiempo, reduciendo ciclos de iteración.

En este trabajo, el comportamiento a corto y largo plazo del policarbonato se modela usando un modelo hiperelástico-viscoelástico no lineal basado en el marco reológico paralelo. El modelo constitutivo se calibra contra datos de tensión uniaxial y fluencia a largo plazo, y se usa para predecir la deformación en función del tiempo en componentes de la jeringa Unifill FinesseTM. Las predicciones se validan contra datos de envejecimiento real y acelerado. Normalmente estos ensayos duran meses.

En resumen, mediante este trabajo, las costosas iteraciones de diseño por ensayo se redujeron a unos pocos ciclos con modelado preciso y predicciones de fluencia, demostrando cómo las simulaciones FEA pueden ser una herramienta efectiva en el desarrollo de productos para ahorrar tiempo y coste y llevar productos de alta calidad al mercado más rápido.

Predicción de recuperación viscoelástica no lineal de polímeros termoplásticos usando modelo PRF de Abaqus – Mohammed Karim, Zhenyu Zhang, Ye Zhu, DuPont Performance Materials

Resumen: Los polímeros termoplásticos muestran comportamiento viscoelástico no lineal significativo, por lo que tras retirar la carga, estos materiales tienen cierta recuperación viscoelástica dependiente del tiempo antes de que ocurra deformación permanente. En este trabajo, el modelo PRF de Abaqus predice esta recuperación viscoelástica dependiente del tiempo. A diferencia del modelo viscoelástico lineal en Abaqus, el PRF puede predecir el comportamiento viscoelástico no lineal típico de termoplásticos.

Dos tipos de ensayos, relajación de tensión y carga cíclica a tres niveles de deformación, se usan para calibrar los coeficientes del modelo PRF. La herramienta de optimización Isight de SIMULIA optimiza estos coeficientes. Con los coeficientes optimizados, el modelo PRF predice la recuperación viscoelástica no lineal dependiente del tiempo de polímeros termoplásticos.

Simulaciones de forja termomecánicamente acopladas y efecto de leyes constitutivas de materiales – Stuart Brown, Nagi Elabbasi, Eric Schmitt, Veryst Engineering

Resumen: El diseño correcto de conformado en caliente depende de la predicción precisa de cargas de conformado, deformación del material y propiedades del material. Esto es particularmente cierto para análisis termomecánicos acoplados, donde el contacto matriz/ pieza cambia deformaciones y temperaturas locales. Estas historias de deformación y térmicas pueden cambiar microestructuras y propiedades finales del producto.

Esta presentación examina la influencia de diferentes modelos de materiales y contacto en una simulación de forja en caliente y discute las consecuencias en el rendimiento final del producto. Se usa plasticidad independiente de la tasa y se comparan resultados con el modelo viscoplástico de variable interna Anand disponible en Abaqus. También se usan diferentes condiciones de contacto con sensibilidad a presión variable para transferencia de calor. Las simulaciones demuestran que la selección del modelo constitutivo tiene un fuerte efecto en las propiedades finales predichas de la forja.

Mejora de diseños de banda de rodadura de caucho contra acumulación de calor bajo carga cíclica usando energía de deformación – Sergio Arias, Dr. Bahram Sarbandi, Priyantha Sriwardene, Camso

Resumen: La generación de calor en 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 durante los procesos de carga y descarga, y es un mecanismo difícil de cuantificar numéricamente. Se ha investigado mucho sobre este comportamiento característico del caucho esencialmente desde su invención. En la última década ha habido numerosos avances en generación de calor, y los códigos de elementos finitos comienzan a proporcionar soluciones para estudiar este comportamiento.

Sin embargo, sigue siendo un parámetro muy complejo de medir y validar para fines prácticos. Como resultado, una forma alternativa de idear un método para mejorar los diseños de banda de rodadura en nuestras orugas contra el desarrollo de acumulación de calor es estudiar la energía de deformación. El propósito de esta investigación es entender cómo podemos usar la energía de deformación generada bajo un ciclo de carga completo y utilizarla para diseñar una nueva y mejor generación de bandas que cumplan las demandas crecientes de rendimiento en el mundo de las orugas de caucho.

Predicción FEA de distribución de temperatura en neumáticos todoterreno – W. Nyaaba, S. Frimpong, G. Somua-Gyimah, G. Galecki, Missouri University of Science and Technology

Resumen: La generación y retención excesiva de calor en neumáticos de camiones de volteo ultragrandes es una de las causas más comunes de fallos de neumáticos en la minería a cielo abierto. La predicción precisa del perfil de temperatura de un neumático en operación implica el uso de modelos numéricos avanzados y esquemas de solución para imitar la respuesta completa de materiales elastoméricos a condiciones de operación. El calor generado internamente en un neumático es función de su disipación de energía viscoelástica durante el rodaje. Estudios previos han predicho inexactamente tasas de generación de calor y temperaturas en neumáticos OTR usando viscoelasticidad lineal para aproximar el caucho, que es más bien no lineal.

Este artículo presenta un enfoque preciso para predecir distribuciones de temperatura en neumáticos OTR teniendo en cuenta la verdadera respuesta mecánica de compuestos de caucho rellenos. La viscoelasticidad no lineal del caucho se modeló usando el marco reológico paralelo (PRF) recientemente implementado en Abaqus. Datos de ensayos de relajación de tensión para dos compuestos regionales (banda y carcasa) se usaron para calibrar parámetros del modelo PRF usando el componente de coincidencia de datos de Isight. Se adoptó un procedimiento de análisis térmico-esfuerzo totalmente acoplado en Abaqus/Explicit para comparar distribuciones de temperatura de un neumático Michelin 59/80R63 típico modelado con dos teorías de materiales: (i) viscoelasticidad lineal, y (ii) viscoelasticidad no lineal. Los resultados muestran que las distribuciones de temperatura se predicen más precisamente con el modelo PRF que con el modelo de serie Prony.

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