Abaqus 中的高级材料建模

本文引用了在 2016 年体验时代科学会议上发表的客户论文，这些论文侧重于高级材料建模。我是其中几次演讲的会议主席。

Abaqus 软件的任何前沿用途的主要内容之一是对高级材料建模（本构建模）的讨论。这种讨论往往跨越许多或所有行业，最近的体验​​时代科学会议也不例外。我们的客户发表了许多关于在 Abaqus/Standard 和 Abaqus/Explicit 中使用高级材料模型的论文和演示文稿。其中一些论文在专门的行业轨道下发表，而其他论文则在“材料”或“复合材料”轨道内发表。

这里有两个关于高级材料建模的主题：

1. 更好的聚合物和塑料材料模型。
2. 专注于使用高保真材料模型对热机械耦合事件和过程进行建模。

许多行业的 Abaqus 用户都在努力为弹性体、聚合物和塑料开发更好的材料模型。 Volgers（弹性体）、Pannneerselvam（聚合物）和 Karim（聚合物）的论文都展示了向更高保真度材料模型发展的趋势。后两篇论文还展示了在 Abaqus 中使用新的 PRF（并行流变框架）模型来捕捉非线性粘弹性。

Brown、Arias 和 Nyaaba 的论文都展示了围绕热机械耦合事件或过程建模的主题。第一篇论文侧重于锻造事件中的金属，后两篇论文侧重于机械滞后产生大量热量的橡胶应用。 Nyaaba 的论文涉及新 PRF 模型（用于非线性粘弹性）的使用及其在由于橡胶的粘弹性滞后而产生热量的轮胎应用中的应用。

在 Abaqus 中使用高级非线性本构模型预测和设计用于保质期的集成安全注射器，Dinesh Panneerselvam，Scott Russo，Jyoti Gupta，Unilife Medical Solutions

摘要： 医疗器械行业是一个高度监管的行业，患者安全至关重要。确保最高质量和患者安全要求设备从制造之时、产品的保质期和使用过程中按预期运行。根据设备的设计，医疗设备中使用的塑料在产品保质期内可能会随着时间的推移而降低机械性能。因此，在材料选择和器件设计过程中考虑塑性行为的这一方面非常重要。

长期在恒定载荷下的塑料表现出蠕变变形。蠕变测试设备可能是一个漫长的过程，通常会导致设计迭代延迟以产生最佳设计，进而导致上市时间延迟。使用高级材料模型进行计算建模和 FEA 模拟可以高度准确地预测材料行为，并可以深入了解设备随时间推移的表现，从而为设计迭代提供宝贵的反馈，并经常缩短设计迭代周期。

在本文中，使用基于平行流变学框架的超弹性-非线性粘弹性模型对聚碳酸酯的短期和长期行为进行建模。本构模型根据单轴张力和长期蠕变测试数据进行校准，用于预测 Unifill Finesse™ 集成安全注射器的聚碳酸酯组件中随时间变化的应变。模型预测根据长期实时和加速老化测试数据进行验证。通常，这些测试会运行数月。

总之，通过这项工作，通过使用 ABAQUS 中的高级非线性本构模型进行精确建模和材料蠕变应变预测，将通过测试进行的耗时昂贵的设计迭代减少到几个周期，展示了如何将 FEA 模拟用作产品中的有效工具开发流程，以节省时间和成本，并更快地将高质量产品推向市场。阅读全文

使用 Abaqus 平行流变框架 (PRF) 模型预测热塑性聚合物的非线性粘弹性恢复，Mohammed Karim、Zhenyu Zhang 和 Ye Zhu，杜邦高性能材料

摘要： 热塑性聚合物表现出显着的非线性粘弹性行为，因此，在移除施加的载荷后，这些材料在发生永久变形或凝固之前随时间推移具有一定的粘弹性恢复。在这项工作中，Abaqus PRF 模型用于预测这种时间相关的粘弹性恢复。与 Abaqus 中的线性粘弹性模型不同，PRF 模型可以预测热塑性材料的典型非线性粘弹性行为。

三种不同应变水平下的两种类型的测试，应力松弛和循环加载，用于校准 PRF 模型的系数。 SIMULIA 的优化工具 Isight 用于优化这些系数。使用优化系数，PRF 模型能够预测热塑性聚合物的时间相关非线性粘弹性恢复。阅读全文

耦合热机械锻造模拟和材料本构定律的影响，Stuart Brown、Nagi Elabbasi 和 Eric Sc​​hmitt，Veryst Engineering

摘要： 正确的热成型设计依赖于对成型载荷、材料变形和材料特性的准确预测。对于耦合热机械分析尤其如此，其中模具/工件接触会改变局部变形和温度。这些应变和热历程可以改变材料的微观结构和由此产生的产品性能。

本演示文稿检查了热锻模拟中不同材料和接触模型的影响，并讨论了对最终产品性能的影响。我们使用与速率无关的塑性并将结果与​​ Abaqus 中可用的 Anand 内部变量、粘塑性模型进行比较。我们还使用具有不同压力敏感性的不同接触条件来进行热传递。模拟表明，本构模型的选择对锻件的最终预测性能有很大影响。 阅读全文

使用应变能改进橡胶胎面设计以防止在循环载荷下产生热量，Sergio Arias、Bahram Sarbandi 博士、Priyantha Sriwardene、Camso

摘要： 橡胶中的发热是一种复杂的现象，当橡胶组分被循环加载时会发生。这种热量积聚的发展来自于在装载和卸载过程中发生的橡胶化合物的粘弹性，这是一种难以量化的机制。自从橡胶发明以来，基本上已经对橡胶的这种特殊和特征行为进行了大量研究。在过去十年左右的时间里，发热领域取得了许多突破，有限元代码开始提供研究这种行为的解决方案。

然而，为了实际目的，它仍然是一个非常复杂的参数，需要测量和验证。因此，设计一种方法来改进履带中的胎面设计以防止热量积聚的另一种方法是研究应变能。这项研究的目的是了解我们如何利用在一个完整负载循环下产生的应变能，并利用它来设计新一代更好的胎面，以满足橡胶履带领域对性能不断增长的需求。阅读全文

越野轮胎温度分布的 FEA 预测，W. Nyaaba、S. Frimpong、G. Somua-Gyimah 和 G. Galecki，密苏里科技大学

摘要： 超大型自卸卡车轮胎产生过多热量和热量滞留是露天采矿业轮胎故障的最常见原因之一。准确预测工作轮胎温度曲线涉及使用高级数值模型和解决方案来模拟弹性材料对工作条件的完整响应。轮胎内部产生的热量是其滚动过程中粘弹性能量耗散的函数。先前的研究通过使用线性粘弹性来近似非线性的粘弹性橡胶材料，错误地预测了越野 (OTR) 轮胎的发热率和温度。

本文提出了一种准确的方法来预测 OTR 轮胎温度分布，同时考虑到轮胎中使用的填充橡胶化合物的真实机械响应。橡胶非线性粘弹性使用最近在 Abaqus 中实现的并行流变框架 (PRF) 进行建模。使用 Isight 的数据匹配组件，使用两种区域化合物（胎面和胎体）的应力松弛测试数据来校准 PRF 材料模型参数。采用 Abaqus/Explicit 中的全耦合热应力分析程序来比较使用两种材料理论建模的典型米其林 59/80R63 轮胎的温度分布：(i) 线性粘弹性和 (ii) 非线性粘弹性。获得的结果表明，与 Prony 系列模型相比，PRF 材料模型更准确地预测了轮胎温度分布。阅读全文

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