Insights de Especialistas: Modelagem Constitutiva Avançada com Abaqus na Conferência Science in the Age of Experience 2016

Esta postagem referencia artigos de clientes apresentados na conferência Science in the Age of Experience 2016, focados em modelagem avançada de materiais. Fui presidente de sessão para várias dessas apresentações.

Uma das bases de qualquer uso de ponta do software Abaqus é a discussão de modelagem avançada de materiais (modelagem constitutiva). Essa discussão tende a abranger muitas, ou todas, as indústrias, e a recente conferência Science in the Age of Experience não foi exceção. Havia muitos artigos e apresentações de nossos clientes sobre o uso de modelos avançados de materiais tanto no Abaqus/Standard quanto no Abaqus/Explicit. Alguns foram apresentados sob uma trilha dedicada da indústria, enquanto outros nas trilhas "Materiais" ou "Compósitos".

Dois temas na modelagem avançada de materiais

1. Melhores modelos de materiais para polímeros e plásticos.
2. Foco na modelagem de eventos e processos termomecanicamente acoplados com modelos de materiais de alta fidelidade.

Usuários do Abaqus em muitas indústrias estão trabalhando em melhores modelos de materiais para elastômeros, polímeros e plásticos. Os artigos de Volgers (elastômero), Pannneerselvam (polímero) e Karim (polímero) mostram o movimento para modelos de materiais de maior fidelidade. Os dois últimos também mostram o uso do novo modelo PRF (Parallel Rheological Framework) no Abaqus para capturar viscoelasticidade não linear.

Os artigos de Brown, Arias e Nyaaba mostram o tema de modelagem de eventos ou processos termomecanicamente acoplados. O primeiro foca em metais em eventos de forjamento, e os dois últimos em aplicações de borracha onde a histerese mecânica gera calor significativo. O artigo de Nyaaba aborda tanto o uso do novo modelo PRF (para viscoelasticidade não linear) quanto seu uso em aplicação de pneu que gera calor devido à histerese viscoelástica da borracha.

Artigos em destaque

Previsão e Design de Seringa de Segurança Integrada para Vida de Prateleira Usando Modelos Constitutivos Não Lineares Avançados no Abaqus

Dinesh Panneerselvam, Scott Russo, Jyoti Gupta, Unilife Medical Solutions

Resumo: A indústria de dispositivos médicos é altamente regulada, com a segurança do paciente sendo primordial. Garantir a mais alta qualidade e segurança do paciente exige que o dispositivo funcione como desejado desde a fabricação, durante a vida de prateleira do produto e durante o uso. Plásticos usados em dispositivos médicos podem sofrer degradação nas propriedades mecânicas ao longo do tempo durante a vida de prateleira, dependendo do design do dispositivo. É importante levar esse aspecto do comportamento do plástico em conta durante a seleção de material e design do dispositivo.

Plásticos sob carga constante por longos períodos exibem deformações de fluência (creep). Testar dispositivos para fluência pode ser um processo longo, muitas vezes levando a atrasos em iterações de design para obter o design ideal e, subsequentemente, tempo de mercado. Modelagem computacional e simulações FEA com modelos avançados de materiais podem prever comportamento do material com alto grau de precisão e fornecer insights profundos sobre como o dispositivo funcionará ao longo do tempo, resultando em feedback valioso para iterações de design e muitas vezes reduzindo ciclos de iteração.

Neste artigo, o comportamento de curto e longo prazo do policarbonato é modelado usando modelo hiperelástico-viscoelástico não linear baseado no framework reológico paralelo. O modelo constitutivo é calibrado contra dados de teste de tração uniaxial e fluência de longo prazo, usado para prever deformação como função do tempo em componentes de policarbonato da Seringa de Segurança Integrada Unifill Finesse™. Previsões do modelo são validadas contra dados de teste de envelhecimento real e acelerado de longo prazo. Tipicamente, esses testes duram meses.

Em resumo, através deste trabalho, iterações de design demoradas e caras através de testes foram reduzidas a poucos ciclos com modelagem precisa e previsões de deformação de fluência do material usando modelos constitutivos não lineares avançados no ABAQUS, demonstrando como simulações FEA podem ser aproveitadas como ferramenta eficaz no processo de desenvolvimento de produto para economizar tempo e custo e trazer produtos de alta qualidade ao mercado mais rapidamente. Leia o artigo completo

Previsão da Recuperação Viscoelástica Não Linear de Polímeros Termoplásticos usando Modelo PRF do Abaqus

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

Resumo: Polímeros termoplásticos mostram comportamento viscoelástico não linear significativo, devido ao qual, após remover a carga aplicada, esses materiais têm alguma recuperação viscoelástica dependente do tempo antes que ocorra deformação permanente ou conjunto. Neste trabalho, o modelo PRF do Abaqus é usado para prever essa recuperação viscoelástica dependente do tempo. Diferente do modelo viscoelástico linear no Abaqus, o modelo PRF pode prever o comportamento viscoelástico não linear típico de materiais termoplásticos.

Dois tipos de teste, relaxamento de tensão e carregamento cíclico em três níveis de deformação diferentes, são usados para calibrar os coeficientes do modelo PRF. A ferramenta de otimização da SIMULIA, Isight, é usada para otimizar esses coeficientes. Usando os coeficientes otimizados, o modelo PRF consegue prever a recuperação viscoelástica não linear dependente do tempo de polímeros termoplásticos. Leia o artigo completo

Simulações de Forjamento Termomecânicas Acopladas e o Efeito de Leis Constitutivas de Materiais

Stuart Brown, Nagi Elabbasi, Eric Schmitt, Veryst Engineering

Resumo: Design correto de conformação a quente depende de previsão precisa de cargas de conformação, deformação do material e propriedades do material. Isso é particularmente verdadeiro para análises termomecânicas acopladas, onde o contato matriz/peça muda deformações e temperaturas locais. Essas deformações e histórias térmicas podem mudar microestruturas do material e propriedades resultantes do produto.

Esta apresentação examina a influência de diferentes modelos de material e contato dentro de uma simulação de forjamento a quente e discute as consequências no desempenho final do produto. Usamos plasticidade independente de taxa e comparamos resultados com o modelo viscoplástico de variável interna Anand disponível no Abaqus. Também usamos diferentes condições de contato com sensibilidade de pressão variável para transferência de calor. As simulações demonstram que a seleção do modelo constitutivo tem forte efeito nas propriedades finais previstas do forjamento. Leia o artigo completo

Melhorando Designs de Banda de Rodagem de Borracha Contra Acúmulo de Calor Sob Carregamento Cíclico Usando Energia de Deformação

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

Resumo: Geração de calor em borracha é um fenômeno complexo que ocorre quando um componente de borracha é carregado ciclicamente. O desenvolvimento desse acúmulo de calor vem da natureza viscoelástica de compostos de borracha que ocorre durante os processos de carregamento e descarregamento, e é um mecanismo difícil de quantificar numericamente. Muita pesquisa sobre esse comportamento particular e característico da borracha foi feita essencialmente desde a invenção da borracha. Na última década, houve vários avanços na área de geração de calor, e códigos de elementos finitos estão começando a fornecer soluções para estudar esse comportamento.

No entanto, ainda é um parâmetro muito complexo para medir e validar para fins práticos. Como resultado, uma forma alternativa de criar um método para melhorar designs de banda de rodagem em nossas esteiras contra o desenvolvimento de acúmulo de calor é estudar a energia de deformação. O objetivo desta pesquisa é entender como podemos usar a energia de deformação gerada sob um ciclo completo de carga e utilizar isso para projetar uma nova e melhor geração de bandas que possam atender às demandas crescentes constantes por desempenho no mundo de esteiras de borracha. Leia o artigo completo

Previsão FEA de Distribuição de Temperatura de Pneus Fora de Estrada

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

Resumo: Geração e retenção excessiva de calor em pneus de caminhões de mineração ultra-grandes está entre as causas mais comuns de falhas de pneus na indústria de mineração a céu aberto. Previsão precisa do perfil de temperatura de um pneu em operação envolve uso de modelos numéricos avançados e esquemas de solução para imitar a resposta completa de materiais elastoméricos às condições de operação. O calor gerado internamente em um pneu é função de sua dissipação de energia viscoelástica durante o rolamento. Estudos anteriores previram imprecisamente taxas de geração de calor e temperaturas de pneus OTR (off-the-road) usando viscoelasticidade linear para aproximar o material de borracha viscoelástico não linear.

Este artigo apresenta uma abordagem precisa para prever distribuições de temperatura de pneus OTR levando em conta a resposta mecânica real de compostos de borracha preenchidos usados em pneus. A viscoelasticidade não linear da borracha foi modelada usando o framework reológico paralelo (PRF) recentemente implementado no Abaqus. Dados de teste de relaxamento de tensão para dois compostos regionais (banda de rodagem e carcaça) foram usados para calibrar os parâmetros do modelo de material PRF usando o componente de correspondência de dados do Isight. Um procedimento de análise termo-tensão totalmente acoplado no Abaqus/Explicit foi adotado para comparar distribuições de temperatura de um pneu Michelin 59/80R63 típico modelado usando duas teorias de material: (i) viscoelasticidade linear, e (ii) viscoelasticidade não linear. Os resultados mostram que distribuições de temperatura do pneu são previstas mais precisamente pelo modelo de material PRF do que pelo modelo de série Prony. Leia o artigo completo

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