Regards d'experts : Modélisation constitutive avancée avec Abaqus - Conférence Science in the Age of Experience 2016

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

L'un des piliers de toute utilisation de pointe du logiciel Abaqus est la discussion sur la modélisation avancée des matériaux (modélisation constitutive). Cette discussion tend à s'étendre à de nombreux, voire tous les secteurs, et la récente conférence Science in the Age of Experience n'a pas fait exception. De nombreux articles et présentations de nos clients ont porté sur l'utilisation de modèles de matériaux avancés dans Abaqus/Standard et Abaqus/Explicite. Certains de ces articles ont été présentés sous une piste sectorielle dédiée, tandis que d'autres l'ont été dans les pistes « Matériaux » ou « Composites ».

Deux thèmes majeurs de modélisation avancée des matériaux

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

Les utilisateurs d'Abaqus dans de nombreux secteurs travaillent à de meilleurs modèles de matériaux pour les élastomères, polymères et plastiques. Les articles de Volgers (élastomère), Pannneerselvam (polymère) et Karim (polymère) illustrent tous le mouvement vers des modèles de matériaux à plus haute fidélité. Les deux derniers articles mettent également en avant l'utilisation du nouveau modèle PRF (Parallel Rheological Framework) dans Abaqus pour capturer la viscoélasticité non-linéaire.

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

Articles présentés

Prédiction et conception de seringue de sécurité intégrée 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 hautement réglementée, la sécurité des patients étant primordiale. Garantir la plus haute qualité et la sécurité des patients exige que le dispositif fonctionne comme prévu depuis sa fabrication, tout au long de sa durée de conservation et pendant son utilisation. Les plastiques utilisés dans les dispositifs médicaux peuvent subir une dégradation de leurs propriétés mécaniques au fil du temps pendant la durée de conservation du produit, selon la conception du dispositif. Il est donc important de prendre en compte cet aspect du comportement du plastique lors de la sélection du matériau et de la conception du dispositif.

Les plastiques sous charge constante pendant de longues périodes présentent des déformations de fluage. Les tests de fluage peuvent être longs, retardant souvent les itérations de conception pour obtenir le design optimal et par conséquent le temps de mise sur le marché. La modélisation computationnelle et les simulations FEA avec des modèles de matériaux avancés peuvent prédire le comportement du matériau avec un haut degré de précision et fournir des insights profonds sur la performance du dispositif dans le temps, offrant un retour précieux pour les itérations de conception et réduisant souvent les cycles d'itération.

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

En résumé, grâce à ce travail, les itérations de conception coûteuses et chronophages par tests ont été réduites à quelques cycles grâce à une modélisation précise et des prédictions de fluage, démontrant comment les simulations FEA peuvent être utilisées comme un outil efficace dans le processus de développement de produit pour gagner du temps et des coûts et mettre sur le marché plus rapidement des produits de haute qualité.

Prédiction de la récupération viscoélastique non-linéaire de polymères thermoplastiques avec le modèle PRF d'Abaqus

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

Résumé : Les polymères thermoplastiques présentent un comportement viscoélastique non-linéaire significatif, ce qui fait qu'après retrait de la charge appliquée, ces matériaux ont une certaine récupération viscoélastique dans le temps avant que la déformation permanente ne se produise. Dans ce travail, le modèle PRF d'Abaqus est utilisé pour prédire cette récupération viscoélastique dépendante du temps. Contrairement au modèle viscoélastique linéaire dans Abaqus, le modèle PRF peut prédire le comportement viscoélastique non-linéaire typique des matériaux thermoplastiques.

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

Simulations de forgeage thermomécanique couplé et effet des lois constitutives des matériaux

Stuart Brown, Nagi Elabbasi, Eric Schmitt, Veryst Engineering

Résumé : Une conception de formage à chaud correcte repose sur la prédiction précise des charges de formage, de la déformation du matériau et des propriétés du matériau. Cela est particulièrement vrai pour les analyses thermomécaniques couplées, où le contact matrice/pièce modifie les déformations et températures locales. Ces déformations et historiques thermiques peuvent changer les microstructures du matériau et les propriétés du produit final.

Cette présentation examine l'influence de différents modèles de matériaux et de contact dans une simulation de forgeage à chaud et discute les conséquences sur la performance finale du produit. Nous utilisons la plasticité indépendante du taux et comparons les résultats avec le modèle viscoplastique à variable interne d'Anand 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 le choix du modèle constitutif a un fort effet sur les propriétés finales prédites du forgeage.

Amélioration des designs de bande de roulement en caoutchouc contre l'accumulation de chaleur sous chargement 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 chargement cycliquement. 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 déchargement, et c'est un mécanisme difficile à quantifier numériquement. Beaucoup de recherches sur ce comportement particulier et caractéristique du caoutchouc ont été menées essentiellement depuis l'invention du caoutchouc. Au cours de la dernière décennie, il y a eu de nombreuses percées dans le domaine de la génération de chaleur, et les codes aux éléments finis commencent à fournir des solutions pour étudier ce comportement.

Cependant, c'est encore un paramètre très complexe à mesurer et valider à des fins pratiques. Par conséquent, une méthode alternative pour améliorer les designs de bande de roulement dans nos chenilles contre le développement de l'accumulation de chaleur est d'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 l'utiliser pour concevoir une nouvelle et meilleure génération de bande de roulement capable de répondre aux demandes croissantes de performance dans le monde des chenilles en caoutchouc.

Prédiction FEA de la distribution de température des pneus hors route

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

Résumé : La génération et la rétention excessive de chaleur dans les pneus de camions à benne ultra-larges sont parmi les causes les plus courantes de défaillance des pneus dans l'industrie minière de surface. La prédiction précise du profil de température d'un pneu en fonctionnement 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 internement dans un pneu est une 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 approximer le caoutchouc plutôt non-linéaire.

Cet article présente une approche précise pour prédire les distributions de température des pneus OTR en tenant compte de la vraie réponse mécanique des composés de caoutchouc chargés utilisés dans les pneus. La viscoélasticité non-linéaire du caoutchouc a été modélisée en utilisant le cadre rhéologique parallèle (PRF) récemment implémenté dans Abaqus. Des données de test de relaxation de contrainte pour deux composés régionaux (bande de roulement et carcasse) ont été utilisées pour étalonner les paramètres du modèle de matériau PRF en utilisant le composant de correspondance de données d'Isight. Une procédure d'analyse thermique-contrainte pleinement couplée dans Abaqus/Explicit a été adoptée pour comparer les distributions de température d'un pneu Michelin 59/80R63 typique modélisé avec deux théories de matériau : (i) viscoélasticité linéaire, et (ii) viscoélasticité non-linéaire. Les résultats montrent que les distributions de température des pneus sont prédites plus précisément par le modèle de matériau PRF que par le modèle de série de Prony.

Vous souhaitez lire d'autres articles clients ?

Si vous êtes intéressé par la lecture d'autres articles présentés lors de la conférence Science in the Age of Experience 2016, veuillez accéder aux actes complets de la conférence dans la Communauté d'Apprentissage SIMULIA¹.