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Comprender el comportamiento de los materiales en diferentes condiciones es fundamental en los campos de la ingeniería, el diseño y la fabricación. La sofisticada naturaleza del modelado de materiales en Abaqus, un software líder de análisis por elementos finitos, puede transformar el papel que desempeña la simulación en una empresa. Abaqus proporciona las herramientas para modelar y predecir la respuesta de un material bajo diversas condiciones de carga, facilitando procesos de toma de decisiones más informados.
En este artículo, exploramos los distintos modelos de materiales y vemos cómo ayudan a comprender la mecánica subyacente. Tanto si es usted un ingeniero experimentado como un analista en ciernes, acompáñenos mientras nos adentramos en el fascinante mundo del modelado de materiales en Abaqus, analizando desde los modelos de materiales elásticos e inelásticos hasta modelos más complejos como el daño progresivo y el fallo, el comportamiento hidrodinámico y el modelado de materiales multiescala.
Principales modelos de materiales utilizados en Abaqus
Antes de entrar en detalles, es útil tener una visión panorámica del espectro de modelos de materiales disponibles.
El siguiente gráfico ofrece una visión general de todos los modelos de materiales disponibles en Abaqus, que responden a diversas necesidades y aplicaciones. Este gráfico debería servir como hoja de ruta, navegando por el complejo terreno del modelado de materiales en Abaqus y guiando a los usuarios hacia el uso de los modelos correctos para un proyecto específico.
Nota: Cada entrada de la tabla es un hipervínculo a su ubicación y definición en la documentación de Abaqus.
Ahora que hemos visto la amplia gama de modelos de materiales disponibles en Abaqus, vamos a profundizar un poco más en algunos de los principales modelos de materiales. Estos modelos principales ilustran la versatilidad y robustez de Abaqus en el manejo de diversos materiales y sus comportamientos.
Elástico
El comportamiento elástico de los materiales se refiere a la capacidad de un material de volver a su estado original tras ser sometido a una fuerza o tensión que le provoque una deformación. Esto ocurre cuando la tensión aplicada no supera el límite elástico del material, es decir, la cantidad máxima de tensión que un material puede soportar sin sufrir una deformación permanente.
Abaqus ofrece modelos de materiales especializados que abordan capacidades únicas, desde modelos elásticos lineales simples hasta otros más avanzados como la elasticidad porosa para el comportamiento dependiente de la presión, la hiperelasticidad similar al caucho para elastómeros casi incompresibles y modelos de tejido para la respuesta no lineal de materiales tejidos.
Un ejemplo de estas capacidades en acción puede verse en la industria del automóvil. Los modelos elásticos que ofrece Abaqus son cruciales en el análisis y diseño de neumáticos. Utilizando el modelo de hiperelasticidad del caucho, los fabricantes pueden simular el rendimiento de los neumáticos en diversas condiciones, garantizando un agarre, una longevidad y una eficiencia de combustible óptimos.
La simulación que se muestra a continuación es la de un parachoques de goma que se comprime, compuesto por un modelo de material hiperelástico, que entra dentro del comportamiento elástico.
Inelástico
El comportamiento inelástico, también conocido como deformación plástica, es una propiedad de los materiales que permite cambios permanentes en su forma cuando se someten a tensión. Este comportamiento se observa en una amplia gama de materiales, como metales, rocas, hormigón, espumas y suelos.
Abaqus proporciona una amplia biblioteca de modelos de materiales para capturar este complejo comportamiento. Ya se trate de la plasticidad clásica de los metales, la fluencia dependiente de la velocidad, la fluencia y el hinchamiento, o de modelos especializados como la plasticidad del hierro fundido y la espuma aplastante.
Un ejemplo de estos modelos inelásticos se encuentra en la industria de la construcción y las infraestructuras. Por ejemplo, comprender cómo se deforman y ceden bajo cargas materiales como el hormigón o el acero es esencial para diseñar edificios, puentes y túneles.
A continuación se muestra una simulación de un cilindro de cobre en torsión. El cobre se modela con un modelo de plasticidad de endurecimiento Johnson-Cook.
Daño progresivo y fallo
El daño progresivo y el fallo en los materiales se refiere al proceso en el que un material pierde gradualmente su capacidad de carga debido a la degradación de su rigidez. Este proceso se modela típicamente utilizando la mecánica del daño.
Abaqus ofrece un rico conjunto de funciones para predecir y analizar el daño progresivo y el fallo en varios tipos de materiales. Esto incluye un marco general para el modelado del fallo de materiales que permite múltiples mecanismos de fallo simultáneos y está diseñado para aliviar la dependencia de la malla.
Un ejemplo de ello es el sector de la energía eólica, donde la integridad estructural de las palas de las turbinas eólicas, a menudo fabricadas con materiales compuestos, es vital. Utilizando los modelos de daños progresivos de Abaqus, los fabricantes pueden optimizar el diseño de las palas, garantizando una vida útil más larga y una mayor eficiencia en el aprovechamiento de las energías renovables.
La simulación que se muestra a continuación es la de un proyectil cilíndrico de impacto a alta velocidad y una placa de blindaje, ambos propensos a la erosión y los daños superficiales, utilizando el algoritmo general de contacto en Abaqus/Explicit.
Comportamiento hidrodinámico
El comportamiento hidrodinámico de los materiales se refiere a la respuesta de los materiales a los cambios de presión, volumen y temperatura. Este comportamiento suele describirse mediante una ecuación de estado, que es una ecuación termodinámica que define la presión en función de la densidad y la energía interna del material.
Abaqus ofrece una completa biblioteca de modelos de ecuaciones de estado para simular con precisión el comportamiento hidrodinámico, que incluye, entre otras, la ecuación de Mie-Gruneisen para aplicaciones de alta presión, la ecuación tabulada para transiciones bruscas en la relación presión-densidad y la P-alfa para modelar la compactación de materiales porosos dúctiles.
Un ejemplo industrial es la evaluación de envases embotellados, como los de agua embotellada o champú. Utilizando las capacidades de simulación de Abaqus, los fabricantes pueden realizar simulaciones de interacción fluido-estructura para evaluar cómo reacciona el fluido del interior durante una prueba de caída. Esto ayuda a comprender la integridad de la botella, los posibles escenarios de derrame y la robustez general del envase, garantizando que los productos lleguen a los consumidores en condiciones óptimas.
Véase a continuación la simulación de una cuna Newton. El agua se modela utilizando elementos eulerianos, como un fluido casi incompresible. En el modelo de material se utiliza la forma lineal Us-Up Hugoniot de la ecuación de estado de Mie-Grüneisen.
Modelado de materiales multiescala
La modelización multiescala suele implicar el uso de un elemento de volumen representativo (RVE), que es el volumen más pequeño sobre el que se puede realizar una medición que arroje un valor representativo de todo el material. Este RVE se utiliza para capturar las heterogeneidades microestructurales del material (por ejemplo, granos, inclusiones, huecos y fibras). Esto nos da la capacidad de modelar cualquier material compuesto formado arbitrariamente.
Abaqus utiliza el enfoque de homogeneización de campo medio en el modelado multiescala de materiales para predecir eficientemente los comportamientos a nivel macro a partir de la información a nivel micro. Utilizando técnicas como Mori-Tanaka, proporciona soluciones analíticas para tensiones y deformaciones promediadas dentro de los materiales compuestos. Esto permite captar el comportamiento no lineal y dependiente de la historia, y en casos de materiales constituyentes altamente no lineales, el software ofrece calibración mediante FE-RVE, obteniendo representaciones detalladas de la microestructura.
Un ejemplo de ello puede encontrarse en la investigación de materiales aeroespaciales avanzados. Los investigadores utilizan Abaqus para estudiar las variaciones microestructurales en nuevos materiales compuestos, con el objetivo de comprender sus respuestas a nivel macro bajo tensión. Esta inmersión profunda en los comportamientos de los materiales informa el desarrollo de materiales de próxima generación para aeronaves y naves espaciales, promoviendo la seguridad y la eficiencia en la aviación.
La simulación que se muestra a continuación es una RVE centrada en el cuerpo de un material compuesto sometido a una carga de tracción uniaxial.
Problema de ejemplo
Ahora que hemos repasado los modelos de materiales, vamos a mostrar algunas de las capacidades de Abaqus con un modelo sencillo e hiperelástico. En esta simulación, modelaremos la rotación de un extremo de un fuelle alrededor de un círculo. El material del que está hecho el fuelle ya ha sido caracterizado mediante cuatro ensayos diferentes: Uniaxial, Biaxial, Planar y Volumétrico.
Dependiendo del tipo de análisis, no siempre es necesario obtener los cuatro tipos de datos de pruebas experimentales. Por ejemplo, si ya sabe que su modelo sólo se deformará en tracción, probablemente basten los datos de ensayos uniaxiales. Sin embargo, debido al tipo de geometría que tiene el fuelle, puede sufrir múltiples formas de deformación a la vez.
Configuración del modelo
El fuelle se modela con elementos de concha cuádruple de primer orden (S4R), en los que un extremo está fijo, mientras que el otro está unido a un centro fijado con pasadores y se le permite girar alrededor del centro. Esto se consigue utilizando un elemento conector tipo viga para mantener una distancia constante.
A pesar de disponer de datos experimentales del material, aún es necesario calibrarlos con un modelo hiperelástico. Por suerte, Abaqus viene con una herramienta de calibración, y todo el procesamiento se puede realizar en la misma interfaz, con una variedad de potenciales de energía de deformación. Elegí evaluar el modelo de Ogden de tercer, cuarto y quinto orden, ya que se comporta bien cuando proporciona datos de múltiples modos de deformación.
A continuación se muestran las gráficas que Abaqus proporcionó tras la evaluación y los coeficientes del modelo (no mostrados). La figura inferior también muestra cuatro subtramas de datos de ensayo biaxiales, planares, uniaxiales y volumétricos con los modelos calibrados. De dichos gráficos se desprende que el modelo de Ogden de cuarto orden fue el que mejor se comportó y el que más se ajustó a los datos de las pruebas experimentales y, por lo tanto, será el utilizado.
Examinando la animación anterior, observamos que el fuelle está predominantemente en tensión, mientras que ciertas zonas están en compresión, dictadas por las tensiones principales en el plano. Esta observación subraya aún más la necesidad de incorporar múltiples modos de deformación en el modelo de material hiperelástico.
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