Experten-Einblicke: Fortgeschrittene konstitutive Modellierung mit Abaqus von der Science in the Age of Experience Conference 2016

Dieser Beitrag referenziert Kundenbeiträge der Science in the Age of Experience Conference 2016, die sich auf fortgeschrittene Materialmodellierung konzentrierten. Ich war Session Chair für mehrere dieser Präsentationen.

Ein Hauptthema jeder fortschrittlichen Abaqus-Nutzung ist die Diskussion fortgeschrittener Materialmodellierung (konstitutive Modellierung). Diese Diskussion spannt sich über viele oder alle Branchen – die Konferenz 2016 war keine Ausnahme. Zahlreiche Kundenpapiere und -präsentationen behandelten den Einsatz fortgeschrittener Materialmodelle in Abaqus/Standard und Abaqus/Explicit, teils in dedizierten Branchen-Tracks, teils in den „Materials“- oder „Composites“-Tracks.

Zwei Hauptthemen der fortgeschrittenen Materialmodellierung

1. Bessere Materialmodelle für Polymere und Kunststoffe
2. Fokus auf thermomechanisch gekoppelte Ereignisse und Prozesse mit hochgenauen Materialmodellen

Abaqus-Anwender in vielen Branchen arbeiten an besseren Modellen für Elastomere, Polymere und Kunststoffe. Die Arbeiten von Volgers (Elastomer), Pannneerselvam (Polymer) und Karim (Polymer) zeigen den Trend zu höhergenauen Materialmodellen. Die beiden letzteren demonstrieren auch den Einsatz des neuen PRF-Modells (Parallel Rheological Framework) in Abaqus zur Erfassung nichtlinearer Viskoelastizität.

Die Arbeiten von Brown, Arias und Nyaaba beleuchten das Thema thermomechanisch gekoppelter Ereignisse. Die erste fokussiert Metalle bei Schmiedeprozessen, die beiden letzteren Gummianwendungen, wo mechanische Hysterese signifikante Wärme erzeugt. Nyabas Arbeit berührt sowohl den PRF-Einsatz (nichtlineare Viskoelastizität) als auch eine Reifenanwendung mit Wärmeentwicklung durch viskoelastische Hysterese des Gummis.

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: Die Medizintechnik ist hochreguliert, Patientensicherheit hat oberste Priorität. Die Sicherstellung höchster Qualität und Sicherheit erfordert, dass das Gerät vom Herstellungszeitpunkt über die Haltbarkeit bis zur Anwendung wie gewünscht funktioniert. In Medizinprodukten verwendete Kunststoffe können über die Haltbarkeitsdauer mechanische Eigenschaften verlieren – abhängig vom Gerätedesign. Dieser Aspekt des Kunststoffverhaltens muss bei Materialauswahl und Design berücksichtigt werden.

Kunststoffe unter konstanter Last über lange Zeiträume zeigen Kriechverformungen. Tests darauf sind langwierig und verzögern Designiterationen für das optimale Design und den Markteintritt. Computermodellierung und FEA-Simulationen mit fortgeschrittenen Materialmodellen können Materialverhalten hochgenau vorhersagen und tiefe Einblicke in die Langzeitperformance geben – wertvolles Feedback für Designiterationen, oft mit Reduktion der Iterationszyklen.

In dieser Arbeit wird das Kurz- und Langzeitverhalten von Polycarbonat mit einem hyperelastisch-nichtlinearen viskoelastischen Modell basierend auf dem Parallel Rheological Framework modelliert. Das konstitutive Modell wird an Zug- und Langzeitkriechdaten kalibriert und sagt Dehnung als Funktion der Zeit in Polycarbonat-Komponenten der Unifill Finesse™ Integrated Safety Syringe voraus. Modellvorhersagen werden an Echtzeit- und beschleunigten Alterungstests validiert – Tests, die typischerweise Monate dauern.

Zusammenfassend: Durch diese Arbeit wurden zeit- und kostenintensive Designiterationen durch Tests auf wenige Zyklen mit präziser Modellierung und Kriechdehnungsvorhersage reduziert – mittels fortgeschrittener nichtlinearer konstitutiver Modelle in ABAQUS. FEA-Simulationen erweisen sich als effektives Werkzeug im Produktentwicklungsprozess, um Zeit und Kosten zu sparen und hochwertige Produkte schneller auf den Markt zu bringen. Vollständiges Paper lesen

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

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

Abstract: Thermoplastische Polymere zeigen signifikantes nichtlineares viskoelastisches Verhalten – nach Lastentfernung erfolgt über Zeit eine viskoelastische Erholung vor bleibender Verformung. Hier wird das Abaqus PRF-Modell zur Vorhersage dieser zeitabhängigen Erholung genutzt. Im Gegensatz zum linearen viskoelastischen Modell in Abaqus erfasst PRF das typische nichtlineare Verhalten thermoplastischer Materialien.

Zwei Testarten – Spannungsrelaxation und zyklische Belastung auf drei Dehnniveaus – kalibrieren die PRF-Koeffizienten. SIMULIAs Optimierungstool Isight optimiert diese Koeffizienten. Mit den optimierten Koeffizienten sagt das PRF-Modell die zeitabhängige nichtlineare viskoelastische Erholung thermoplastischer Polymere voraus. Vollständiges Paper lesen

Coupled Thermomechanical Forging Simulations and the Effect of Material Constitutive Laws

Stuart Brown, Nagi Elabbasi, Eric Schmitt, Veryst Engineering

Abstract: Korrektes Warmumformungsdesign basiert auf präziser Vorhersage von Umformkräften, Materialverformung und Materialeigenschaften. Dies gilt besonders für gekoppelt thermomechanische Analysen, wo Werkzeug/Werkstück-Kontakt lokale Verformungen und Temperaturen ändert. Diese Dehnungen und Thermenverläufe können Mikrostrukturen und resultierende Produkteigenschaften verändern.

Die Präsentation untersucht den Einfluss verschiedener Material- und Kontaktmodelle in einer Warmschmiedesimulation und diskutiert Konsequenzen auf die finale Produktperformance. Es werden ratenunabhängige Plastizität und das Anand-Innervariablen-Viskoplastizitätsmodell in Abaqus verglichen. Auch verschiedene Kontaktbedingungen mit variierender Drucksensitivität für Wärmeübergang werden genutzt. Die Simulationen zeigen: Die Wahl des konstitutiven Modells hat starken Einfluss auf die final vorhergesagten Schmiedeeigenschaften. Vollständiges Paper lesen

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

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

Abstract: Wärmeerzeugung in Gummi ist ein komplexes Phänomen bei zyklischer Belastung. Die Wärmeentwicklung stammt aus der viskoelastischen Natur von Gummimischungen während Be- und Entlastung – ein numerisch schwer quantifizierbarer Mechanismus. Seit der Erfindung von Gummi wurde intensiv dazu geforscht. Im letzten Jahrzehnt gab es zahlreiche Durchbrüche im Bereich Wärmeerzeugung, und FEM-Codes beginnen, Lösungen zur Untersuchung dieses Verhaltens zu bieten.

Dennoch bleibt es ein sehr komplexer Parameter für praktische Messung und Validierung. Ein alternativer Weg, Designs von Laufstreifen gegen Wärmeentwicklung zu verbessern, ist die Untersuchung der Dehnenergie. Ziel dieser Forschung: verstehen, wie die unter einem vollständigen Lastzyklus erzeugte Dehnenergie genutzt werden kann, um eine neue, bessere Generation von Laufstreifen zu designen, die den stetig steigenden Leistungsanforderungen in der Welt der Gummiketten gerecht werden. Vollständiges Paper lesen

FEA Prediction of Off-Road Tire Temperature Distribution

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

Abstract: Übermäßige Wärmeerzeugung und -speicherung in Ultra-Großmuldenkipper-Reifen ist eine der häufigsten Ausfallursachen in der Tagebauindustrie. Die präzise Vorhersage eines Betriebstemperaturprofils erfordert fortschrittliche numerische Modelle und Lösungsverfahren, um die vollständige elastomere Materialantwort auf Betriebsbedingungen abzubilden. Die intern erzeugte Wärme ist Funktion der viskoelastischen Energiedissipation beim Rollen. Frühere Studien sagten OTR-Reifen-Wärmeerzeugungsraten und -temperaturen ungenau voraus, da lineare Viskoelastizität zur Approximation des nichtlinearen viskoelastischen Gummimaterials genutzt wurde.

Diese Arbeit präsentiert einen präzisen Ansatz zur Vorhersage von OTR-Reifen-Temperaturverteilungen unter Berücksichtigung der wahren mechanischen Antwort gefüllter Gummimischungen. Nichtlineare Viskoelastizität wurde mit dem kürzlich implementierten Parallel Rheological Framework (PRF) in Abaqus modelliert. Spannungsrelaxationstestdaten für zwei regionale Mischungen (Lauffläche und Karkasse) kalibrierten die PRF-Materialparameter mittels Isights Data-Matching-Komponente. Ein voll gekoppeltes thermomechanisches Analyseverfahren in Abaqus/Explicit verglich Temperaturverteilungen eines typischen Michelin 59/80R63 Reifens mit zwei Materialtheorien: (i) linearer Viskoelastizität, (ii) nichtlinearer Viskoelastizität. Ergebnisse zeigen: PRF-Materialmodell sagt Reifentemperaturverteilungen genauer voraus als das Prony-Reihen-Modell. Vollständiges Paper lesen

Weitere Kundenpapers lesen?

Interessiert an weiteren Papers der Science in the Age of Experience 2016? Vollständige Konferenz-Proceedings im SIMULIA Learning Community einsehen.