Comprendre le comportement des matériaux d'Abaqus

Comprendre le comportement des matériaux dans différentes conditions est fondamental pour les domaines de l'ingénierie, de la conception et de la fabrication. La nature sophistiquée de la modélisation des matériaux dansAbaqus, un logiciel d'analyse par éléments finis de premier plan, peut transformer le rôle de la simulation dans une entreprise. Abaqus fournit les outils nécessaires pour modéliser et prédire la réponse d'un matériau sous diverses conditions de charge, facilitant ainsi des processus décisionnels plus éclairés.

Dans cet article, nous explorons les différents modèles de matériaux et voyons comment ils contribuent à la compréhension des mécanismes sous-jacents. Que vous soyez un ingénieur expérimenté ou un analyste en herbe, joignez-vous à nous pour explorer le monde fascinant de la modélisation des matériaux dans Abaqus, en abordant des sujets aussi variés que les modèles de matériaux élastiques et inélastiques, ou encore des modèles plus complexes comme les dommages et la rupture progressifs, le comportement hydrodynamique et la modélisation des matériaux multi-échelles.

Principaux modèles de matériaux utilisés à Abaqus

Avant d'entrer dans les détails, il est utile d'avoir une vue panoramique du spectre des modèles de matériaux disponibles.

Le tableau suivant présente un aperçu de tous les modèles de matériaux disponibles dans Abaqus, répondant à divers besoins et applications. Ce tableau sert de feuille de route pour explorer le terrain complexe de la modélisation des matériaux dans Abaqus et guider les utilisateurs vers l'utilisation des modèles adaptés à un projet spécifique.

Remarque:Chaque entrée du tableau est un hyperlien vers son emplacement et sa définition dans la documentation Abaqus.

Maintenant que nous avons découvert la vaste gamme de modèles de matériaux disponibles dans Abaqus, examinons de plus près certains des principaux modèles. Ces modèles illustrent la polyvalence et la robustesse d'Abaqus dans la gestion de divers matériaux et de leurs comportements.

Élastique

Le comportement élastique des matériaux désigne la capacité d'un matériau à revenir à son état initial après avoir été soumis à une force ou une contrainte provoquant sa déformation. Ce comportement se produit lorsque la contrainte appliquée ne dépasse pas la limite d'élasticité du matériau, c'est-à-dire la contrainte maximale qu'il peut supporter sans subir de déformation permanente.

Abaqus propose des modèles de matériaux spécialisés qui répondent à des capacités uniques, allant des modèles élastiques linéaires simples aux modèles plus avancés comme l'élasticité poreuse pour un comportement dépendant de la pression, l'hyperélasticité de type caoutchouc pour les élastomères presque incompressibles et les modèles de tissus pour la réponse non linéaire des matériaux tissés.

L'industrie automobile illustre parfaitement ces capacités. Les modèles élastiques proposés par Abaqus sont essentiels à l'analyse et à la conception des pneus. Grâce à ce modèle d'hyperélasticité caoutchouté, les fabricants peuvent simuler les performances des pneus dans diverses conditions, garantissant ainsi une adhérence, une longévité et une consommation de carburant optimales.

La simulation ci-dessous est celle d'un pare-chocs en caoutchouc comprimé, composé d'un modèle de matériau hyperélastique, qui relève d'un comportement élastique.

Inélastique

Le comportement inélastique, aussi appelé déformation plastique, est une propriété des matériaux qui permet des modifications permanentes de leur forme lorsqu'ils sont soumis à des contraintes. Ce comportement est observé dans une grande variété de matériaux, notamment les métaux, les roches, le béton, les mousses et les sols.

Abaqus propose une vaste bibliothèque de modèles de matériaux permettant de capturer ce comportement complexe, qu'il s'agisse de plasticité métallique classique, de rendement dépendant de la vitesse, de fluage et de gonflement, ou de modèles spécialisés comme la plasticité de la fonte et de la mousse déformable.

Un exemple de ces modèles inélastiques se trouve dans le secteur de la construction et des infrastructures. Par exemple, comprendre comment des matériaux comme le béton ou l'acier se déforment et cèdent sous l'effet des charges est essentiel pour la conception de bâtiments, de ponts et de tunnels.

Ci-dessous, une simulation d'un cylindre de cuivre torsadé. Le cuivre est modélisé à l'aide d'un modèle de plasticité durcissante de type Johnson-Cook.

Dommages et défaillances graduels

Les dommages et la défaillance progressifs des matériaux désignent le processus par lequel un matériau perd progressivement sa capacité de charge en raison de la dégradation de sa rigidité. Ce processus est généralement modélisé à l'aide de la mécanique de l'endommagement.

Abaqus offre un ensemble complet de fonctionnalités permettant de prédire et d'analyser les dommages et les défaillances progressifs de divers types de matériaux. Il comprend un cadre général de modélisation des défaillances des matériaux, qui autorise plusieurs mécanismes de défaillance simultanés et est conçu pour atténuer la dépendance au maillage.

Le secteur éolien en est un exemple : l'intégrité structurelle des pales d'éoliennes, souvent fabriquées en matériaux composites, est cruciale. Grâce aux modèles d'endommagement progressif d'Abaqus, les fabricants peuvent optimiser la conception des pales, garantissant ainsi une durée de vie plus longue et une meilleure efficacité dans l'exploitation des énergies renouvelables.

La simulation ci-dessous concerne un projectile cylindrique à impact à grande vitesse et une plaque de blindage, tous deux sujets à l'érosion et aux dommages de surface, en utilisant l'algorithme de contact général dansAbaqus/Explicit.

Comportement hydrodynamique

Le comportement hydrodynamique des matériaux désigne leur réponse aux variations de pression, de volume et de température. Ce comportement est généralement décrit par une équation d'état, une équation thermodynamique définissant la pression en fonction de la masse volumique et de l'énergie interne du matériau.

Abaqus propose une bibliothèque complète de modèles d'équations d'état pour simuler avec précision le comportement hydrodynamique, y compris, mais sans s'y limiter, l'équation de Mie-Gruneisen pour les applications à haute pression, l'équation tabulée pour les transitions brusques dans la relation pression-densité et le P-alpha pour la modélisation du compactage des matériaux poreux ductiles.

Un exemple concret est l'évaluation des emballages en bouteille, comme ceux d'eau en bouteille ou de shampoing. Grâce aux capacités de simulation d'Abaqus, les fabricants peuvent réaliser des simulations d'interaction fluide-structure afin d'évaluer la réaction du fluide à l'intérieur lors d'un essai de chute. Cela permet de comprendre l'intégrité de la bouteille, les scénarios de déversement possibles et la robustesse globale de l'emballage, garantissant ainsi que les produits parviennent aux consommateurs dans des conditions optimales.

Voir ci-dessous la simulation d'un berceau de Newton. L'eau est modélisée à l'aide d'éléments eulériens, comme un fluide quasi incompressible. La forme linéaire Us−Up Hugoniot de l'équation d'état de Mie-Grüneisen est utilisée dans le modèle matériel.

Modélisation des matériaux multi-échelles

La modélisation multi-échelles fait souvent appel à un élément de volume représentatif (EVR), soit le plus petit volume sur lequel une mesure peut être effectuée pour obtenir une valeur représentative de l'ensemble du matériau. Cet EVR permet de saisir les hétérogénéités microstructurales du matériau (par exemple, grains, inclusions, vides et fibres). Cela nous permet de modéliser n'importe quel composite formé de manière arbitraire.

Abaqus utilise l'approche d'homogénéisation du champ moyen dans la modélisation multi-échelle des matériaux pour prédire efficacement les comportements macroscopiques à partir d'informations microscopiques. En utilisant des techniques comme Mori-Tanaka, il fournit des solutions analytiques pour les contraintes et déformations moyennes au sein des composites. Cela permet de saisir les comportements non linéaires et dépendants de l'historique. Dans le cas de matériaux fortement non linéaires, le logiciel propose un étalonnage par EF-RVE, générant des représentations microstructurales détaillées.

La recherche sur les matériaux aérospatiaux avancés en est un exemple. Les chercheurs utilisent Abaqus pour étudier les variations microstructurelles de nouveaux matériaux composites, afin de comprendre leurs réponses macroscopiques sous contrainte. Cette analyse approfondie du comportement des matériaux éclaire le développement de matériaux pour les avions et les engins spatiaux de nouvelle génération, favorisant ainsi la sécurité et l'efficacité de l'aviation.

La simulation ci-dessous est une RVE centrée sur le corps d'un composite sous charge de traction uniaxiale.

Exemple de problème

Maintenant que nous avons parcouru les modèles de matériaux, présentons certaines des capacités d'Abaqus avec un modèle hyperélastique simple. Dans cette simulation, on va modéliser la rotation d'une extrémité d'un soufflet autour d'un cercle. Le matériel dont est fait le modèle ci-dessous a déjà été caractérisé par quatre essais différents : uniaxial, biaxial, planaire et volumétrique.

Selon le type d'analyse, il n'est pas toujours nécessaire d'obtenir les quatre types de données d'essais expérimentales. Par exemple, si vous savez déjà que votre modèle ne se déformera qu'en traction, des données d'essai uniaxiales suffiront probablement. Cependant, en raison de la géométrie du soufflet, celui-ci peut subir plusieurs formes de déformation à la fois.

Configuration du modèle

Le soufflet est modélisé avec des éléments de coque quadruple du premier ordre (S4R), où une extrémité est fixe, tandis que l'autre extrémité est attachée à un centre épinglé et autorisée à tourner autour du centre. Ceci est réalisé à l'aide d'un élément de connecteur de type poutre pour maintenir une distance constante.

Bien que disposant de données expérimentales sur les matériaux, elles doivent encore être calibrées selon un modèle hyperélastique. Heureusement, Abaqus est doté d'un outil d'étalonnage, et tous les traitements peuvent être effectués dans la même interface, avec une variété depotentiels d'énergie de déformation. J'ai choisi d'évaluer le modèle d'Ogden du troisième, du quatrième et du cinquième ordre, car il fonctionne bien lorsqu'il fournit des données sur plusieurs modes de déformation.

Vous trouverez ci-dessous les graphiques fournis par Abaqus après l'évaluation, ainsi que les coefficients du modèle (non représentés). La figure ci-dessous présente également quatre sous-graphiques de données d'essais biaxiaux, plans, uniaxiaux et volumétriques avec les modèles calibrés. Ces graphiques montrent clairement que le modèle d'Ogden du quatrième ordre a été le plus performant et le plus proche des données d'essais expérimentales ; il sera donc utilisé.

En examinant l'animation ci-dessus, on observe que le soufflet est principalement sous tension, tandis que certaines zones sont en compression, dictées par les contraintes principales dans le plan. Cette observation souligne la nécessité d'intégrer plusieurs modes de déformation dans le modèle de matériau hyperélastique.

Conclusion

Abaqus offre une gamme complète de modèles de matériaux, allant des comportements élastiques et inélastiques aux dommages et ruptures progressifs, en passant par la réponse hydrodynamique et la modélisation multi-échelle des matériaux. Grâce à ses nombreuses fonctionnalités, Abaqus permet aux ingénieurs et aux analystes de simuler et de prédire avec précision le comportement des matériaux dans diverses conditions, favorisant ainsi des processus décisionnels plus éclairés pour les projets d'ingénierie, de conception et de fabrication.

Lisez notre guide d'achat Abaqus ou contactez l'un de nos experts en simulation GoEngineer pour trouver l'outil qui vous convient ! Si vous n'êtes pas prêt à utiliser Abaqus, vous pouvez toujours profiter pleinement de ses avantages grâce à Conseil FEA de GoEngineer.

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