Łączenie zachowania hiperelastycznego i pełzania w Abaqusie: czy to możliwe?

W inżynierii materiałowej jednym z kluczowych wyzwań jest modelowanie materiałów, które wykazują zarówno cechy hiperelastyczne, jak i pełzanie (creep), czyli takich, które wykazują zarówno duże odkształcenia sprężyste, jak i czasowo zależne deformacje pod wpływem długotrwałego obciążenia. Przykłady takich materiałów to:

Gumy i elastomery – Materiały te charakteryzują się dużą elastycznością, co oznacza, że mogą ulegać dużym odkształceniom i wracać do pierwotnego kształtu po usunięciu obciążenia. Jednakże, pod długotrwałym obciążeniem, guma może również wykazywać zjawisko pełzania (np. w oponach samochodowych, uszczelkach czy elementach wibracyjnych).

Tkanki biologiczne – Tkanki miękkie, takie jak skóra, mięśnie czy ścięgna, wykazują zarówno zachowanie hiperelastyczne, jak i pełzanie. Modelowanie tego zjawiska jest istotne w biomechanice, na przykład w projektowaniu protez czy analizie zachowań ludzkich narządów pod obciążeniem, np. podczas zabiegów chirurgicznych.

Polimery – Wiele tworzyw sztucznych i materiałów polimerowych, takich jak polietylen czy polipropylen, wykazuje hiperelastyczność przy krótkotrwałych obciążeniach oraz pełzanie przy długotrwałym obciążeniu. Te właściwości są ważne w wielu branżach przemysłowych: motoryzacji (komponenty pojazdów), produktach konsumenckich czy opakowaniach.

W przypadku oprogramowania Abaqus, służącego do symulacji mechaniki ciał stałych, pytanie to często dotyczy możliwości połączenia tych dwóch zachowań w jednej definicji materiału.

Czy można połączyć hiperelastyczność z pełzaniem w Abaqusie?

Na poziomie bezpośredniej definicji materiału za pomocą słów kluczowych, odpowiedź brzmi: nie. Słowo kluczowe *HYPERELASTIC nie może być bezpośrednio łączone z *CREEP, ponieważ pełzanie (*CREEP) wymaga zastosowania klasycznej definicji sprężystości (*ELASTIC), a nie hiperelastyczności. Mimo to, istnieją alternatywne podejścia, które pozwalają na modelowanie obu zachowań jednocześnie.

Model konstytutywny Parallel Rheological Framework

Jednym z zaawansowanych rozwiązań w Abaqusie jest wykorzystanie modelu parallel rheological framework (PRF). Ten model pozwala na połączenie hiperelastyczności z pełzaniem oraz innymi nieliniowymi zachowaniami materiału. W ramach tego podejścia można zastosować następujące słowa kluczowe:

• *HYPERELASTIC – służy do modelowania nieliniowej sprężystości materiałów, takich jak guma lub tkanki biologiczne.

• *VISCOELASTIC, NONLINEAR, NETWORKID, LAW, SRATIO – opisuje właściwości lepko-sprężyste, które pozwalają na uwzględnienie czasu w deformacji materiału.

Dodatkowe możliwości w ramach PRF

W modelu PRF można także włączyć dodatkowe elementy, które jeszcze lepiej odwzorowują rzeczywiste zachowanie materiału:

• *PLASTIC – dla materiałów, które po przekroczeniu pewnej granicy plastyczności wykazują trwałe odkształcenia.

• *MULLINS EFFECT – efekt ten opisuje zjawisko zmniejszenia sztywności materiału po jego wcześniejszym obciążeniu i częściowym rozładowaniu, typowe dla materiałów gumowych.

• *TRS – termiczne rozprężenie materiału, czyli zmiany właściwości mechanicznych w zależności od temperatury.

Jak działa PRF?

Równoległe podejście reologiczne opiera się na równoległym połączeniu kilku nieliniowych modeli wiskoelastycznych, z możliwością dodania nieliniowego modelu elasto-plastycznego. Nieliniową sprężystość w tym modelu opisuje się za pomocą hiperelastyczności, natomiast zachowanie lepkie modeluje się przy użyciu potencjału pełzania (creep). Co istotne, aby poprawnie odwzorować duże deformacje sprężyste, zakłada się podział gradientu odkształcenia na składowe sprężyste i te związane z pełzaniem.

Alternatywne podejścia do łączenia hiperelastyczności z zachowaniami zależnymi od czasu

Istnieją także inne opcje w Abaqusie, które pozwalają na połączenie hiperelastyczności z zależnym od czasu zachowaniem plastycznym:

• *HYPERELASTIC w połączeniu z *PLASTIC, RATE – umożliwia modelowanie plastyczności z uwzględnieniem szybkości deformacji.

• *HYPERELASTIC w połączeniu z *PLASTIC i *RATE DEPENDENT – pozwala na pełniejszą kontrolę nad zachowaniem materiału zależnym od szybkości odkształceń.

• *HYPERELASTIC w połączeniu z *HYSTERESIS – modeluje materiały wykazujące histerezę, czyli różnicę między obciążeniem a rozładowaniem materiału.

Podsumowanie

Choć w Abaqusie nie można bezpośrednio połączyć hiperelastyczności z pełzaniem za pomocą podstawowych słów kluczowych, Parallel Rheological Framework (PRF) oraz inne zaawansowane funkcje pozwalają na modelowanie takich zjawisk. Dzięki kombinacji nieliniowych modeli sprężystości i pełzania możliwe jest dokładne odwzorowanie złożonego zachowania materiałów w odpowiedzi na różne obciążenia.

Jeżeli chcesz dowiedzieć się więcej na temat modelowania materiałów w Abaqus zapraszamy do zapoznania się z naszymi szkoleniami.