Join the forum for Designers!
Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!
Join the Forum NowShare, learn and grow with the best professionals in the industry.
Zrozumienie zachowania materiału w różnych warunkach ma fundamentalne znaczenie w dziedzinie inżynierii, projektowania i produkcji. Wyrafinowany charakter modelowania materiałów w Abaqus, wiodące oprogramowanie do analizy elementów skończonych, może zmienić sposób, w jaki symulacja odgrywa rolę w firmie. Abaqus zapewnia narzędzia do modelowania i przewidywania reakcji materiału w różnych warunkach obciążenia, ułatwiając bardziej świadome procesy decyzyjne.
W tym artykule zbadamy różne modele materiałowe i zobaczymy, w jaki sposób pomagają one w zrozumieniu podstawowej mechaniki. Niezależnie od tego, czy są Państwo doświadczonymi inżynierami, czy początkującymi analitykami, zapraszamy do zagłębienia się w fascynujący świat modelowania materiałów w Abaqus, omawiając wszystko, od modeli materiałów sprężystych i nieelastycznych po bardziej złożone modele, takie jak progresywne uszkodzenia i awarie, zachowanie hydrodynamiczne i wieloskalowe modelowanie materiałów.
Główne modele materiałowe używane w Abaqus
Zanim przejdziemy do szczegółów, warto mieć panoramiczny widok na spektrum dostępnych modeli materiałowych.
Poniższa tabela zawiera przegląd wszystkich modeli materiałowych dostępnych w Abaqus, odpowiadających różnym potrzebom i zastosowaniom. Wykres ten powinien służyć jako mapa drogowa, nawigująca po złożonym terenie modelowania materiałowego w Abaqus i prowadząca użytkowników w kierunku korzystania z odpowiednich modeli dla konkretnego projektu.
Proszę zwrócić uwagę: Każdy wpis w tabeli jest hiperłączem do jego lokalizacji i definicji w dokumentacji Abaqus.
Po zapoznaniu się z szeroką gamą modeli materiałowych dostępnych w programie Abaqus, przyjrzyjmy się nieco bliżej niektórym z głównych modeli materiałowych. Te główne modele ilustrują wszechstronność i solidność Abaqus w obsłudze różnych materiałów i ich zachowań.
Elastyczny
Zachowanie sprężyste w materiałach odnosi się do zdolności materiału do powrotu do pierwotnego stanu po poddaniu go działaniu siły lub naprężenia, które powoduje jego deformację. Dzieje się tak, gdy przyłożone naprężenie nie przekracza granicy sprężystości materiału, czyli maksymalnej wartości naprężenia, jaką materiał może wytrzymać bez trwałego odkształcenia.
Abaqus oferuje wyspecjalizowane modele materiałowe, które uwzględniają unikalne możliwości, od prostych liniowych modeli sprężystych po bardziej zaawansowane, takie jak porowata sprężystość dla zachowania zależnego od ciśnienia, hiperelastyczność podobna do gumy dla prawie nieściśliwych elastomerów oraz modele tkanin dla nieliniowej odpowiedzi materiałów tkanych.
Przykład tych możliwości w praktyce można zaobserwować w przemyśle motoryzacyjnym. Modele sprężyste oferowane przez Abaqus są kluczowe w analizie i projektowaniu opon. Wykorzystując gumopodobny model hiperelastyczności, producenci mogą symulować działanie opon w różnych warunkach, zapewniając optymalną przyczepność, trwałość i oszczędność paliwa.
Poniższa symulacja przedstawia ściskany gumowy zderzak, składający się z hiperelastycznego modelu materiału, który podlega zachowaniu sprężystemu.
Nieelastyczny
Zachowanie nieelastyczne, znane również jako odkształcenie plastyczne, jest właściwością materiałów, która pozwala na trwałe zmiany ich kształtu pod wpływem naprężeń. Takie zachowanie obserwuje się w szerokiej gamie materiałów, w tym w metalach, skałach, betonie, piankach i glebach.
Abaqus zapewnia obszerną bibliotekę modeli materiałowych, aby uchwycić to złożone zachowanie. Niezależnie od tego, czy mamy do czynienia z klasyczną plastycznością metalu, plastycznością zależną od szybkości, pełzaniem i pęcznieniem, czy też ze specjalistycznymi modelami, takimi jak plastyczność żeliwa i zgniatalnej pianki.
Przykładem takich nieelastycznych modeli jest branża budowlana i infrastrukturalna. Na przykład zrozumienie, w jaki sposób materiały takie jak beton lub stal odkształcają się i ulegają plastyczności pod obciążeniem, jest niezbędne do projektowania budynków, mostów i tuneli.
Poniżej znajduje się symulacja skręcania miedzianego cylindra. Miedź jest modelowana za pomocą modelu plastyczności hartowania Johnson-Cook.
Postępujące uszkodzenie i awaria
Postępujące uszkodzenie i zniszczenie materiałów odnosi się do procesu, w którym materiał stopniowo traci swoją nośność z powodu degradacji jego sztywności. Proces ten jest zazwyczaj modelowany przy użyciu mechaniki uszkodzeń.
Abaqus oferuje bogaty zestaw funkcji do przewidywania i analizowania postępujących uszkodzeń i awarii w różnych typach materiałów. Obejmuje to ogólne ramy modelowania uszkodzeń materiałów, które pozwalają na wiele jednoczesnych mechanizmów uszkodzeń i są zaprojektowane tak, aby złagodzić zależność od siatki.
Przykładem tego jest sektor energii wiatrowej, w którym integralność strukturalna łopat turbin wiatrowych, często wykonanych z materiałów kompozytowych, ma kluczowe znaczenie. Korzystając z modeli progresywnych uszkodzeń Abaqus, producenci mogą zoptymalizować projekt łopaty, zapewniając dłuższą żywotność i większą wydajność w wykorzystywaniu energii odnawialnej.
Poniższa symulacja przedstawia pocisk cylindryczny o dużej prędkości uderzenia i płytę pancerną, z których obie są podatne na erozję powierzchni i uszkodzenia, przy użyciu ogólnego algorytmu kontaktowego w Abaqus. Abaqus/Explicit.
Zachowanie hydrodynamiczne
Zachowanie hydrodynamiczne materiałów odnosi się do reakcji materiałów na zmiany ciśnienia, objętości i temperatury. Zachowanie to jest zazwyczaj opisywane za pomocą równania stanu, które jest równaniem termodynamicznym definiującym ciśnienie jako funkcję gęstości i energii wewnętrznej materiału.
Abaqus oferuje obszerną bibliotekę modeli równania stanu do dokładnej symulacji zachowania hydrodynamicznego, w tym między innymi równanie Mie-Gruneisena dla zastosowań wysokociśnieniowych, równanie tabelaryczne dla ostrych przejść w zależności ciśnienie-gęstość oraz P-alpha do modelowania zagęszczania plastycznych materiałów porowatych.
Przykładem z branży jest ocena opakowań butelkowanych, takich jak woda butelkowana lub pojemniki na szampon. Korzystając z możliwości symulacyjnych Abaqus, producenci mogą przeprowadzać symulacje interakcji płyn-struktura, aby ocenić, jak płyn wewnątrz reaguje podczas testu upuszczenia. Pomaga to zrozumieć integralność butelki, możliwe scenariusze rozlania i ogólną wytrzymałość opakowania, zapewniając, że produkty docierają do konsumentów w optymalnym stanie.
Proszę zobaczyć poniższą symulację kołyski Newtona. Woda jest modelowana przy użyciu elementów Eulera, jako prawie nieściśliwy płyn. W modelu materiałowym zastosowano liniową formę Us-Up Hugoniota równania stanu Mie-Grüneisena.
Wieloskalowe modelowanie materiałów
Modelowanie wieloskalowe często wymaga użycia reprezentatywnego elementu objętościowego (RVE), który jest najmniejszą objętością, w której można dokonać pomiaru, który da wartość reprezentatywną dla całego materiału. Ten RVE służy do uchwycenia niejednorodności mikrostrukturalnych materiału (np. ziaren, wtrąceń, pustek i włókien). Daje nam to możliwość modelowania dowolnie uformowanego kompozytu.
Abaqus wykorzystuje podejście homogenizacji średniego pola w wieloskalowym modelowaniu materiałów, aby skutecznie przewidywać zachowania na poziomie makro na podstawie informacji z poziomu mikro. Wykorzystując techniki takie jak Mori-Tanaka, zapewnia analityczne rozwiązania dla uśrednionych naprężeń i odkształceń w kompozytach. Pozwala to na uchwycenie nieliniowego i zależnego od historii zachowania, a w przypadku wysoce nieliniowych materiałów składowych oprogramowanie oferuje kalibrację za pomocą FE-RVE, renderując szczegółowe reprezentacje mikrostruktury.
Przykład tego można znaleźć w badaniach nad zaawansowanymi materiałami lotniczymi. Naukowcy wykorzystują Abaqus do badania zmian mikrostrukturalnych w nowych materiałach kompozytowych, mając na celu zrozumienie ich reakcji na poziomie makro pod wpływem naprężeń. Ta dogłębna analiza zachowań materiałów pomaga w opracowywaniu nowej generacji materiałów dla samolotów i statków kosmicznych, promując bezpieczeństwo i wydajność w lotnictwie.
Poniższa symulacja jest skoncentrowanym na ciele RVE kompozytu poddanego jednoosiowemu obciążeniu rozciągającemu.
Przykładowy problem
Teraz, gdy przeszliśmy już przez modele materiałowe, zaprezentujmy niektóre z możliwości Abaqusa za pomocą prostego, hiperelastycznego modelu. W tej symulacji będziemy modelować obrót jednego końca miecha wokół okręgu. Materiał, z którego wykonany jest mieszek, został już scharakteryzowany za pomocą czterech różnych testów: Jednoosiowy, dwuosiowy, płaski i objętościowy.
W zależności od rodzaju analizy, nie zawsze konieczne jest uzyskanie wszystkich czterech rodzajów danych z testów eksperymentalnych. Na przykład, jeśli już wiadomo, że model będzie odkształcał się tylko przy rozciąganiu, prawdopodobnie wystarczą dane z testu jednoosiowego. Jednak ze względu na rodzaj geometrii, jaką ma mieszek, może on podlegać wielu formom deformacji jednocześnie.
Konfiguracja modelu
Mieszek jest modelowany za pomocą poczwórnych elementów powłokowych pierwszego rzędu (S4R), gdzie jeden koniec jest nieruchomy, a drugi koniec jest przymocowany do przypiętego środka i może obracać się wokół środka. Osiąga się to za pomocą elementu łączącego typu belkowego, aby utrzymać stałą odległość.
Pomimo posiadania eksperymentalnych danych materiałowych, nadal należy je skalibrować do modelu hiperelastycznego. Na szczęście Abaqus jest wyposażony w narzędzie do kalibracji, a całe przetwarzanie może być wykonane w tym samym interfejsie, z różnymi opcjami. potencjały energii odkształcenia. Zdecydowałem się ocenić model Ogdena trzeciego, czwartego i piątego rzędu, ponieważ sprawdza się on dobrze w przypadku dostarczania danych dotyczących wielu trybów deformacji.
Poniżej znajdują się wykresy dostarczone przez Abaqus po przeprowadzeniu oceny oraz współczynniki dla modelu (nie pokazano). Poniższy rysunek przedstawia również cztery podwykresy danych z testów dwuosiowych, płaskich, jednoosiowych i objętościowych ze skalibrowanymi modelami. Z tych wykresów wyraźnie widać, że model Ogdena czwartego rzędu wypadł najlepiej i miał najbliższe dopasowanie do eksperymentalnych danych testowych, a zatem zostanie wykorzystany.
Analizując powyższą animację, zauważamy, że mieszek jest głównie poddawany rozciąganiu, podczas gdy niektóre obszary są ściskane, co jest podyktowane głównymi naprężeniami w płaszczyźnie. Obserwacja ta dodatkowo podkreśla konieczność uwzględnienia wielu trybów deformacji w hiperelastycznym modelu materiału.
Join the forum for Designers!
Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!
Join the Forum NowShare, learn and grow with the best professionals in the industry.