Modélisation avancée des matériaux dans Abaqus

Cet article fait référence à des articles de clients présentés lors de la conférence Science in the Age of Experience 2016 qui portait sur la modélisation avancée des matériaux. J'ai été président de séance pour plusieurs de ces présentations.

L'un des piliers de toute utilisation de pointe du logiciel Abaqus est une discussion sur la modélisation avancée des matériaux (modélisation constitutive). Cette discussion a tendance à couvrir de nombreuses industries, voire toutes, et la récente conférence Science in the Age of Experience n'a pas fait exception. Il y a eu de nombreux articles et présentations de nos clients sur l'utilisation de modèles de matériaux avancés dans Abaqus/Standard et Abaqus/Explicit. Certains de ces articles ont été présentés dans le cadre d'un volet dédié à l'industrie, tandis que d'autres ont été présentés dans le cadre du volet « Matériaux » ou « Composites ».

Deux thèmes sur la modélisation avancée des matériaux sont reconnus ici :

1. Meilleurs modèles de matériaux pour les polymères et les plastiques.
2. Concentrez-vous sur la modélisation d'événements et de processus couplés thermomécaniquement avec des modèles de matériaux haute fidélité.

Les utilisateurs d'Abaqus dans de nombreuses industries travaillent à de meilleurs modèles de matériaux pour les élastomères, les polymères et les plastiques. Les articles de Volgers (élastomère), Pannneerselvam (polymère) et Karim (polymère) présentent tous le mouvement vers des modèles de matériaux plus fidèles. Ces deux derniers articles présentent également l'utilisation du nouveau modèle PRF (Parallel Rheological Framework) dans Abaqus pour capturer la viscoélasticité non linéaire.

Les articles de Brown, Arias et Nyaaba présentent tous le thème de la modélisation d'événements ou de processus thermomécaniquement couplés. Le premier article se concentre sur les métaux dans les événements de forgeage, et les deux derniers se concentrent sur les applications du caoutchouc où l'hystérésis mécanique génère une chaleur importante. L'article de Nyaaba aborde à la fois l'utilisation du nouveau modèle PRF (pour la viscoélasticité non linéaire) et son utilisation dans une application de pneu qui génère de la chaleur en raison de l'hystérésis viscoélastique du caoutchouc.

Prédiction et conception de seringues de sécurité intégrées pour la durée de conservation à l'aide de modèles constitutifs non linéaires avancés dans Abaqus, Dinesh Panneerselvam, Scott Russo, Jyoti Gupta, Unilife Medical Solutions

Résumé : L'industrie des dispositifs médicaux est une industrie hautement réglementée où la sécurité des patients est primordiale. Garantir la plus haute qualité et la sécurité des patients exige que l'appareil fonctionne comme souhaité dès sa fabrication, jusqu'à la durée de conservation du produit et pendant son utilisation. Les plastiques utilisés dans les dispositifs médicaux peuvent subir une dégradation des propriétés mécaniques au fil du temps pendant la durée de conservation du produit en fonction de la conception du dispositif. Il est donc important de prendre en compte cet aspect du comportement plastique lors de la sélection des matériaux et de la conception des dispositifs.

Les plastiques soumis à une charge constante pendant de longues périodes de temps présentent des déformations de fluage. Le test de fluage des dispositifs peut être un long processus conduisant souvent à des retards dans les itérations de conception pour obtenir la conception optimale et par la suite le délai de mise sur le marché. La modélisation informatique et les simulations FEA avec des modèles de matériaux avancés peuvent prédire le comportement des matériaux avec un degré élevé de précision et peuvent fournir des informations approfondies sur les performances de l'appareil au fil du temps, ce qui permet d'obtenir des informations précieuses pour les itérations de conception et de réduire souvent les cycles d'itération de conception.

Dans cet article, le comportement à court et à long terme du polycarbonate est modélisé à l'aide d'un modèle viscoélastique hyperélastique-non linéaire basé sur le cadre rhéologique parallèle. Le modèle constitutif est calibré par rapport à la tension uniaxiale et aux données d'essai de fluage à long terme, est utilisé pour prédire la déformation en fonction du temps dans les composants en polycarbonate de la seringue de sécurité intégrée Unifill FinesseTM. Les prédictions du modèle sont validées par rapport à des données de test de vieillissement accéléré en temps réel et à long terme. Généralement, ces tests durent des mois.

En résumé, grâce à ce travail, les itérations de conception coûteuses et fastidieuses à travers les tests ont été réduites à quelques cycles avec une modélisation précise et des prédictions de déformation de fluage des matériaux utilisant des modèles constitutifs non linéaires avancés dans ABAQUS démontrant comment les simulations FEA peuvent être exploitées comme un outil efficace dans le produit processus de développement pour gagner du temps et de l'argent et accélérer la mise sur le marché de produits de haute qualité. Lire l'article complet

Prédiction de la récupération viscoélastique non linéaire des polymères thermoplastiques à l'aide du modèle de cadre rhéologique parallèle (PRF) d'Abaqus, Mohammed Karim, Zhenyu Zhang et Ye Zhu, DuPont Performance Materials

Résumé :  Les polymères thermoplastiques présentent un comportement viscoélastique non linéaire important grâce auquel, après avoir supprimé la charge appliquée, ces matériaux ont une certaine récupération viscoélastique au fil du temps avant qu'une déformation permanente ou une prise ne se produise. Dans ce travail, le modèle Abaqus PRF est utilisé pour prédire cette récupération viscoélastique dépendante du temps. Contrairement au modèle viscoélastique linéaire d'Abaqus, le modèle PRF peut prédire le comportement viscoélastique non linéaire typique des matériaux thermoplastiques.

Deux types de tests, la relaxation des contraintes et le chargement cyclique à trois niveaux de déformation différents, sont utilisés pour calibrer les coefficients du modèle PRF. L'outil d'optimisation Isight de SIMULIA est utilisé pour optimiser ces coefficients. En utilisant les coefficients optimisés, le modèle PRF est capable de prédire la récupération viscoélastique non linéaire en fonction du temps des polymères thermoplastiques. Lire l'article complet

Simulations de forgeage thermomécanique couplées et effet des lois de comportement des matériaux, Stuart Brown, Nagi Elabbasi et Eric Schmitt, Veryst Engineering

Résumé : La conception correcte du formage à chaud repose sur une prédiction précise des charges de formage, de la déformation du matériau et des propriétés du matériau. Ceci est particulièrement vrai pour les analyses thermomécaniques couplées, où le contact matrice/pièce modifiera les déformations locales et les températures. Ces contraintes et historiques thermiques peuvent modifier les microstructures du matériau et les propriétés du produit résultant.

Cette présentation examine l'influence de différents modèles de matériaux et de contact dans une simulation de forgeage à chaud et discute des conséquences sur les performances finales du produit. Nous utilisons une plasticité indépendante de la vitesse et comparons les résultats avec la variable interne Anand, modèle viscoplastique disponible dans Abaqus. Nous utilisons également différentes conditions de contact avec une sensibilité à la pression variable pour le transfert de chaleur. Les simulations démontrent que la sélection du modèle constitutif a un effet important sur les propriétés finales prédites du forgeage. Lire l'article complet

Amélioration des conceptions de bandes de roulement en caoutchouc contre l'accumulation de chaleur sous charge cyclique en utilisant l'énergie de déformation, Sergio Arias, Dr. Bahram Sarbandi, Priyantha Sriwardene, Camso

Résumé : La génération de chaleur dans le caoutchouc est un phénomène complexe qui se produit lorsqu'un composant en caoutchouc est chargé de manière cyclique. Le développement de cette accumulation de chaleur provient de la nature viscoélastique des composés de caoutchouc qui se produit pendant les processus de chargement et de déchargement, et c'est un mécanisme difficile à quantifier numériquement. De nombreuses recherches sur ce comportement particulier et caractéristique du caoutchouc ont été menées essentiellement depuis l'invention du caoutchouc. Au cours de la dernière décennie environ, il y a eu de nombreuses percées dans le domaine de la production de chaleur, et les codes d'éléments finis commencent à fournir des solutions pour étudier ce comportement.

Cependant, il s'agit encore d'un paramètre très complexe à mesurer et à valider à des fins pratiques. Par conséquent, une autre façon de concevoir une méthode pour améliorer la conception des bandes de roulement de nos chenilles contre le développement de l'accumulation de chaleur consiste à étudier l'énergie de déformation. Le but de cette recherche est de comprendre comment nous pouvons utiliser l'énergie de déformation générée sous un cycle de charge complet et de l'utiliser pour concevoir une nouvelle et meilleure génération de bandes de roulement qui peut répondre aux demandes croissantes de performances dans le monde des chenilles en caoutchouc. Lire l'article complet

Prévision FEA de la distribution de la température des pneus hors route, W. Nyaaba, S. Frimpong, G. Somua-Gyimah et G. Galecki, Missouri University of Science and Technology

Résumé : La génération et la rétention excessives de chaleur dans les pneus de camions à benne basculante ultra-larges sont parmi les causes les plus courantes de défaillance des pneus dans l'industrie minière à ciel ouvert. La prédiction précise d'un profil de température de fonctionnement des pneus implique l'utilisation de modèles numériques avancés et de schémas de solution pour imiter la réponse complète des matériaux élastomères aux conditions de fonctionnement. La chaleur générée en interne dans un pneu est fonction de sa dissipation d'énergie viscoélastique pendant le roulement. Des études de recherche antérieures ont prédit de manière inexacte les taux de génération de chaleur et les températures des pneus hors route (OTR) en utilisant la viscoélasticité linéaire pour se rapprocher du matériau de caoutchouc viscoélastique plutôt non linéaire.

Cet article présente une approche précise pour prédire les distributions de température des pneus OTR en tenant compte de la véritable réponse mécanique des composés de caoutchouc remplis utilisés dans les pneus. La viscoélasticité non linéaire du caoutchouc a été modélisée à l'aide du cadre rhéologique parallèle (PRF) récemment mis en œuvre dans Abaqus. Les données des tests de relaxation des contraintes pour deux composés régionaux (bande de roulement et carcasse) ont été utilisées pour calibrer les paramètres du modèle de matériau PRF à l'aide du composant de correspondance de données d'Isight. Une procédure d'analyse des contraintes thermiques entièrement couplée dans Abaqus/Explicit a été adoptée pour comparer les distributions de température d'un pneu Michelin 59/80R63 typique modélisé à l'aide de deux théories des matériaux :(i) viscoélasticité linéaire et (ii) viscoélasticité non linéaire. Les résultats obtenus montrent que les distributions de température des pneus sont prédites avec plus de précision par le modèle de matériau PRF que par le modèle de la série Prony. Lire l'article complet

Vous voulez lire plus d'articles clients ?

Si vous souhaitez lire d'autres articles présentés à la Science in the Age of Experience 2016, veuillez accéder aux actes complets de la conférence dans la communauté d'apprentissage SIMULIA¹.