CONSEJOS Y TRUCOS PARA MODELADO FEA DE CAUCHO Y ELASTÓMEROS
Índice Introducción: ................................................................................................................................... 1 1.- Pruebas de materiales ............................................................................................................... 2 2.-Selección de leyes materiales ..................................................................................................... 2 3.- Prueba de la Ley de Materiales .................................................................................................. 3 4.- Formulación de Elementos ........................................................................................................ 3 5.- Malla .......................................................................................................................................... 4 6.- Control de carga ......................................................................................................................... 4 7.-Ajuste de la restricción de compatibilidad de volumen .................. ........................... .................. .................. .................. ................ ....... 4 8.-Referencias:.................................................................................................................................
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Introducción: ¿Está teniendo problemas para resolver un análisis de estrés detallado de una junta tórica o sello? Esta publicación ofrece una serie de consejos para mejorar la precisión y la convergencia de su simulación. Los materiales tales como caucho o elastómeros son típicamente modelados con modelos constitutivos hiperelásticos porque típicamente exhiben las siguientes características:
Por definición, el comportamiento del material es elástico, donde no hay un conjunto permanente, y el material carga y descarga hacia arriba y hacia abajo la misma curva tensión-deformación.
La relación entre el estrés y la tensión es altamente no lineal y típicamente más suave en tensión vs. compresión. La parte de tensión de la curva tensión-deformación a menudo tiene una pendiente inicial de reblandecimiento antes de un endurecimiento significativo, mientras que la parte compresiva de la curva es bastante más rígida. (Vea la Figura 1 arriba).
Hay poco cambio de volumen en el material y por lo tanto actúa como totalmente o casi completamente incompresible. Esto sería equivalente a establecer la relación de Poisson a 0,499 .. en un modelo elástico lineal, lo que crea una respuesta de material incompresible.
La respuesta del material es isotrópica e isotérmica (el esfuerzo frente a los coeficientes de deformación y expansión térmica son los mismos en todas las direcciones)
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1.- Pruebas de materiales Los datos de prueba de materiales precisos son imprescindibles cuando se simula la gran respuesta de deformación de materiales de caucho y elastómero. Se necesitan al menos dos pruebas de material de la lista a continuación para obtener una buena calibración entre el modelo de prueba y el modelo de computadora. 1. Tensión Uniaxial 2. Compresión Uniaxial 3. Tensión biaxial (espécimen circular o rectangular) 4. Cizalla plana 5. Cizalla simple 6. Prueba volumétrica (muestra de botón) Los datos de la prueba deberían representar, lo más cerca posible, las propiedades in situ del material. Debido a que los procesos de fabricación, tales como la velocidad de moldeo por inyección, pueden cambiar las características finales del material.
2.-Selección de leyes materiales Existen muchas leyes de materiales disponibles para simular materiales hiperelásticos usando elementos finitos. Algunas de las leyes más comunes incluyen Mooney-Rivlin, Ogden, Yeoh, BlatzKo, Arruda-Boyce. La selección de la mejor ley material desempeña un papel de importación en el éxito de su análisis. Seleccione una ley de material con el mejor ajuste de curva en el rango de tensiones y tensiones esperadas. Este tema ha sido discutido en una publicación anterior de CAE Associates Blog. La selección de la mejor ley de materiales puede ser un poco de proceso de ensayo y error utilizando la compatibilidad de la curva de datos de prueba y la solidez de la solución (véase el punto 3) como criterios de selección. Yo sugeriría comenzar con las leyes más simples primero, como los dos términos Mooney Rivlin, y también ser cognitivo de los niveles de tensión esperados en su simulación. Por ejemplo, Si usted no espera que ningún esfuerzo o tensión supere el 30%, no hay razón para buscar igualar la tensión en el 300%, ya que nunca se encontrará en el problema real. Algunos códigos FEA tienen capacidades de ajuste de curvas automatizadas que pueden usarse para probar rápidamente una serie de leyes diferentes y determinar automáticamente los coeficientes de ley necesarios. El ajuste de curva de datos de ingeniería de ANSYS Workbench se ilustra en la Figura 2, donde se
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comparan cuatro leyes con cada una de las cuales es la que mejor se ajusta a los datos de prueba, dependiendo de la respuesta de simulación anticipada.
Figura 2: ANSYS - Comparación de datos de ingeniería de la adaptación de curvas de ley de materiales hiperelásticos
3.- Prueba de la Ley de Materiales El caso de prueba de un solo elemento debe ser usado para determinar la robustez del modelo de material imponiendo cargas de tensión, compresión y cizallamiento en formas de elementos individuales regulares e irregulares. Al comparar los datos de prueba asegúrese de convertir los datos de prueba de la ingeniería a esfuerzo real / tensión de registro para la comparación directa con los resultados de la FEA. La comparación de la eficiencia de convergencia entre los modelos de material múltiple en el modelo de elemento único puede ser el factor decisivo cuando más de una ley de material puede ajustarse adecuadamente a los datos de prueba ahorrando tiempo de CPU significativo y dolores de cabeza de convergencia con e l modelo real.
4.- Formulación de Elementos Seleccionar la mejor formulación de elementos es otra decisión clave de modelado, especialmente cuando se analizan partes en compresión donde el bloqueo de elementos es preocupante. El blog de Mike Bak "Tratar con Incompresibilidad" proporciona una guía excelente para seguir para estos tipos de análisis.
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5.- Malla Con materiales hiperelásticos, las formas de elementos deformados son más importantes que las formas de elementos iniciales. Planee la deformación inclinando la malla no deformada para distorsionarla en más de un patrón regular. Los elementos de orden inferior son más estables, ya menudo se recomienda una malla de todo orden triangular para superar la distorsión excesiva de los elementos. Una malla más fina no siempre será mejor, ya que los elementos pequeños en las áreas de pico de tensión a menudo se vuelven más distorsionados que con una malla más gruesa y, por lo tanto, son más susceptibles al fallo del elemento. Considere la rezonificación si no se puede evitar la distorsión del elemento en exceso en la malla no deformada. La Figura 3 ilustra una simulación de sellado axisimétrica en la que se utiliza una rezonificación progresiva automatizada para capturar la distorsión significativa del sello y proporcionar la malla refinada precisa en las etapas finales de la simulación.
6.- Control de carga Utilice una solución controlada de desplazamiento si es posible, y fuerce un gran número de subpasos ya que los residuos acumulativos desequilibrados son una causa común de no convergencia. Utilizando pequeños pasos de carga, se pueden minimizar estos e rrores y rastrear con precisión las deflexiones grandes y las no linealidades materiales.
7.-Ajuste de la restricción de compatibilidad de volumen Normalmente es un parámetro de control de análisis que permite algún error en la compatibilidad volumétrica. En ANSYS, el valor predeterminado para el parámetro Vtol es 1e-5. Ajustar este parámetro en el comando ANSYS SOLC a un valor tan bajo como 1e-2 puede ser a veces la clave para superar problemas de convergencia cuando se encuentran grandes tensiones de compresión.
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¿Qué retos ha superado al modelar materiales de caucho? Me encantaría escuchar otros consejos y trucos para resolver estos complejos análisis. Recientemente, en nuestro grupo universitario, hemos estado trabajando en un análisis hiperelástico de un sello especial para una bomba de aceite. Hemos obtenido las propiedades materiales de nuestro caucho PU con la ayuda de Response Surface Optimization y varias pruebas experimentales de una geometría hecha de este material. Hemos encontrado que 2Parameter Mooney-Rivlin modelo nos dio buenos resultados en comparación con los experimentales.
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8.-Referencias: https://caeai.com/blog/tips-tricks-fea-modeling-rubber-and-elastomers-part-1 https://caeai.com/blog/tips-tricks-fea-modeling-rubber-and-elastomers-part-2 https://www.youtube.com/watch?v=Wt0HveFHYTk
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