Erweiterte Materialmodellierung in Abaqus

Dieser Beitrag bezieht sich auf Kundenbeiträge, die auf der Konferenz Science in the Age of Experience 2016 präsentiert wurden und sich auf fortschrittliche Materialmodellierung konzentrierten. Ich war Sitzungsleiter bei mehreren dieser Präsentationen.

Eine der tragenden Säulen jeder modernen Nutzung der Abaqus-Software ist die Diskussion der fortgeschrittenen Materialmodellierung (konstitutive Modellierung). Diese Diskussion erstreckt sich in der Regel über viele oder alle Branchen, und die jüngste Konferenz Science in the Age of Experience war keine Ausnahme. Es gab viele Vorträge und Präsentationen unserer Kunden zum Einsatz fortschrittlicher Materialmodelle sowohl in Abaqus/Standard als auch in Abaqus/Explicit. Einige dieser Papiere wurden unter einem speziellen Branchen-Track präsentiert, während andere im "Materials"- oder "Composites"-Track präsentiert wurden.

Zwei Themen zur erweiterten Materialmodellierung werden hier anerkannt:

1. Bessere Materialmodelle für Polymere und Kunststoffe.
2. Konzentrieren Sie sich auf die Modellierung thermomechanisch gekoppelter Ereignisse und Prozesse mit High-Fidelity-Materialmodellen.

Abaqus-Anwender in vielen Branchen arbeiten an besseren Materialmodellen für Elastomere, Polymere und Kunststoffe. Die Papiere von Volgers (Elastomer), Pannneerselvam (Polymer) und Karim (Polymer) demonstrieren alle die Entwicklung hin zu höherwertigen Materialmodellen. Die beiden letztgenannten Artikel zeigen auch die Verwendung des neuen PRF-Modells (Parallel Rheological Framework) in Abaqus zur Erfassung nichtlinearer Viskoelastizität.

Die Aufsätze von Brown, Arias und Nyaaba präsentieren alle das Thema der Modellierung thermomechanisch gekoppelter Ereignisse oder Prozesse. Der erste Artikel konzentriert sich auf Metalle beim Schmieden, und die letzten beiden konzentrieren sich auf Gummianwendungen, bei denen mechanische Hysterese erhebliche Wärme erzeugt. Der Artikel von Nyaaba berührt sowohl die Verwendung des neuen PRF-Modells (für nichtlineare Viskoelastizität) als auch seine Verwendung in einer Reifenanwendung, die aufgrund der viskoelastischen Hysterese des Gummis Wärme erzeugt.

Vorhersage und Design integrierter Sicherheitsspritzen für die Haltbarkeit mithilfe fortschrittlicher nichtlinearer konstitutiver Modelle in Abaqus, Dinesh Panneerselvam, Scott Russo, Jyoti Gupta, Unilife Medical Solutions

Zusammenfassung: Die Medizinprodukteindustrie ist eine stark regulierte Branche, in der die Patientensicherheit an erster Stelle steht. Die Gewährleistung höchster Qualität und Patientensicherheit erfordert, dass das Gerät vom Zeitpunkt der Herstellung über die Haltbarkeit des Produkts und während des Gebrauchs die gewünschte Leistung erbringt. Kunststoffe, die in Medizinprodukten verwendet werden, können je nach Produktdesign im Laufe der Produktlebensdauer eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften erfahren. Daher ist es wichtig, diesen Aspekt des plastischen Verhaltens bei der Materialauswahl und dem Gerätedesign zu berücksichtigen.

Kunststoffe unter Dauerbelastung über lange Zeiträume weisen Kriechverformungen auf. Das Testen von Geräten für das Kriechen kann ein langwieriger Prozess sein, der oft zu Verzögerungen bei den Entwurfsiterationen führt, um das optimale Design und anschließend die Markteinführungszeit zu erzielen. Computermodellierung und FEA-Simulationen mit fortschrittlichen Materialmodellen können das Materialverhalten mit hoher Genauigkeit vorhersagen und tiefe Einblicke in die Leistung des Geräts im Laufe der Zeit liefern, was zu wertvollem Feedback für Designiterationen führt und oft die Designiterationszyklen verkürzt.

In diesem Beitrag wird das Kurzzeit- und Langzeitverhalten von Polycarbonat unter Verwendung eines hyperelastisch-nichtlinearen viskoelastischen Modells basierend auf dem parallelen rheologischen Rahmenmodell modelliert. Das konstitutive Modell ist gegen einachsige Zug- und Langzeitkriechtestdaten kalibriert und wird verwendet, um die Dehnung als Funktion der Zeit in Polycarbonatkomponenten der integrierten Sicherheitsspritze Unifill FinesseTM vorherzusagen. Modellvorhersagen werden anhand von Langzeit-Echtzeit- sowie beschleunigten Alterungstestdaten validiert. Normalerweise laufen diese Tests monatelang.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch diese Arbeit zeitaufwändige, teure Designiterationen durch Tests mit genauer Modellierung und Vorhersagen der Materialkriechdehnung unter Verwendung fortschrittlicher nichtlinearer konstitutiver Modelle in ABAQUS auf wenige Zyklen reduziert wurden, um zu demonstrieren, wie FEM-Simulationen als effektives Werkzeug im Produkt eingesetzt werden können Entwicklungsprozess, um Zeit und Kosten zu sparen und qualitativ hochwertige Produkte schneller auf den Markt zu bringen. Lesen Sie das vollständige Papier

Vorhersage der nichtlinearen viskoelastischen Erholung von thermoplastischen Polymeren mithilfe des Abaqus Parallel Rheological Framework (PRF)-Modells, Mohammed Karim, Zhenyu Zhang und Ye Zhu, DuPont Performance Materials

Zusammenfassung:  Thermoplastische Polymere zeigen ein signifikantes nichtlineares viskoelastisches Verhalten, aufgrund dessen diese Materialien nach dem Entfernen der aufgebrachten Last im Laufe der Zeit eine gewisse viskoelastische Erholung aufweisen, bevor eine dauerhafte Verformung oder Abbinden auftritt. In dieser Arbeit wird das Abaqus PRF-Modell verwendet, um diese zeitabhängige viskoelastische Erholung vorherzusagen. Im Gegensatz zum linearen viskoelastischen Modell in Abaqus kann das PRF-Modell das typische nichtlineare viskoelastische Verhalten von thermoplastischen Materialien vorhersagen.

Zur Kalibrierung der Koeffizienten des PRF-Modells werden zwei Arten von Tests verwendet, Spannungsrelaxation und zyklische Belastung bei drei verschiedenen Dehnungsniveaus. Zur Optimierung dieser Koeffizienten wird das Optimierungstool Isight von SIMULIA verwendet. Mit den optimierten Koeffizienten kann das PRF-Modell die zeitabhängige nichtlineare viskoelastische Erholung von thermoplastischen Polymeren vorhersagen. Lesen Sie das vollständige Papier

Gekoppelte thermomechanische Schmiedesimulationen und der Effekt von Materialkonstitutivgesetzen, Stuart Brown, Nagi Elabbasi und Eric Schmitt, Veryst Engineering

Zusammenfassung: Die korrekte Auslegung der Warmumformung beruht auf einer genauen Vorhersage von Umformbelastungen, Materialverformungen und Materialeigenschaften. Dies gilt insbesondere für gekoppelte thermomechanische Analysen, bei denen der Werkzeug-/Werkstückkontakt lokale Verformungen und Temperaturen verändert. Diese Dehnungen und thermischen Verläufe können die Mikrostrukturen des Materials und die resultierenden Produkteigenschaften verändern.

Diese Präsentation untersucht den Einfluss verschiedener Werkstoff- und Kontaktmodelle innerhalb einer Warmumformsimulation und diskutiert die Auswirkungen auf die endgültige Produktleistung. Wir verwenden geschwindigkeitsunabhängige Plastizität und vergleichen die Ergebnisse mit dem in Abaqus verfügbaren viskoplastischen Modell der internen Variablen Anand. Wir verwenden auch unterschiedliche Kontaktbedingungen mit unterschiedlicher Druckempfindlichkeit für die Wärmeübertragung. Die Simulationen zeigen, dass die konstitutive Modellauswahl einen starken Einfluss auf die endgültigen vorhergesagten Eigenschaften des Schmiedestücks hat. Lesen Sie das vollständige Papier

Verbesserung von Gummilaufflächendesigns gegen Hitzestau unter zyklischer Belastung durch Belastungsenergie, Sergio Arias, Dr. Bahram Sarbandi, Priyantha Sriwardene, Camso

Zusammenfassung: Die Wärmeentwicklung in Gummi ist ein komplexes Phänomen, das auftritt, wenn eine Gummikomponente zyklisch belastet wird. Die Entwicklung dieser Wärmeentwicklung ist auf die viskoelastische Natur von Gummimischungen zurückzuführen, die während des Be- und Entladevorgangs auftritt, und es ist ein Mechanismus, der numerisch schwer zu quantifizieren ist. Dieses besondere und charakteristische Verhalten von Kautschuk wurde im Wesentlichen seit der Erfindung des Kautschuks intensiv erforscht. Im Laufe des letzten Jahrzehnts oder so gab es zahlreiche Durchbrüche im Bereich der Wärmeerzeugung und Finite-Elemente-Codes beginnen, Lösungen zu bieten, um dieses Verhalten zu untersuchen.

Es ist jedoch immer noch ein sehr komplexer Parameter, der für praktische Zwecke gemessen und validiert werden muss. Daher besteht eine alternative Methode zur Entwicklung einer Methode zur Verbesserung des Profildesigns in unseren Raupen gegen die Entwicklung von Wärmestau darin, die Dehnungsenergie zu untersuchen. Der Zweck dieser Forschung besteht darin, zu verstehen, wie wir die bei einem Volllastzyklus erzeugte Dehnungsenergie nutzen und diese nutzen können, um eine neue und bessere Laufflächengeneration zu entwickeln, die den ständig steigenden Leistungsanforderungen in der Welt der Gummiketten gerecht wird. Lesen Sie das vollständige Papier

FEA Prediction of Offroad Tire Temperature Distribution, W. Nyaaba, S. Frimpong, G. Somua-Gyimah und G. Galecki, Missouri University of Science and Technology

Zusammenfassung: Übermäßige Wärmeentwicklung und -speicherung in ultragroßen Muldenkipperreifen gehört zu den häufigsten Ursachen für Reifenausfälle im Tagebau. Die genaue Vorhersage eines Betriebsreifentemperaturprofils umfasst die Verwendung fortschrittlicher numerischer Modelle und Lösungsschemata, um die gesamte Reaktion der Elastomermaterialien auf Betriebsbedingungen nachzuahmen. Die intern erzeugte Wärme in einem Reifen ist eine Funktion seiner viskoelastischen Energiedissipation während des Rollens. Frühere Forschungsstudien haben die Wärmeerzeugungsraten und -temperaturen von Off-the-Road-Reifen (OTR) unter Verwendung der linearen Viskoelastizität zur Annäherung an das eher nichtlineare viskoelastische Gummimaterial ungenau vorhergesagt.

In diesem Artikel wird ein genauer Ansatz zur Vorhersage der Temperaturverteilung von OTR-Reifen vorgestellt, der die wahre mechanische Reaktion der in Reifen verwendeten gefüllten Gummimischungen berücksichtigt. Die nichtlineare Viskoelastizität von Gummi wurde mit dem kürzlich implementierten parallelen rheologischen Framework (PRF) in Abaqus modelliert. Spannungsrelaxationstestdaten für zwei regionale Verbindungen (Lauffläche und Karkasse) wurden verwendet, um die Parameter des PRF-Materialmodells mithilfe der Datenabgleichskomponente von Isight zu kalibrieren. Ein vollständig gekoppeltes Verfahren zur thermischen Stressanalyse in Abaqus/Explicit wurde angewendet, um die Temperaturverteilungen eines typischen Michelin 59/80R63-Reifens zu vergleichen, der unter Verwendung von zwei Materialtheorien modelliert wurde:(i) lineare Viskoelastizität und (ii) nichtlineare Viskoelastizität. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die Reifentemperaturverteilung vom PRF-Materialmodell genauer vorhergesagt wird als vom Modell der Prony-Serie. Lesen Sie das vollständige Papier

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