COMSOL Nonlinear Structural Materials Module 6.3

6.2

NOVEDADES

Estimación de parámetros

En esta versión, se han introducido capacidades mejoradas de estimación de parámetros, incluidas mejoras en los solucionadores de Levenberg-Marquardt y del optimizador de puntos interiores (IPOPT). Estas adiciones pueden mejorar significativamente el rendimiento de la estimación de parámetros de datos experimentales, incluidos casos de carga uniaxial, biaxial y cíclica.

Estimación de parámetros de un material de Ogden hiperelástico, utilizando una combinación de datos uniaxiales, de corte puro y equibiaxiales.

Viscoplasticidad del polímero

Para analizar con precisión estructuras hechas de materiales poliméricos sólidos, se han añadido nuevos modelos de materiales para la viscoplasticidad de los polímeros. Estos incluyen los modelos Bergstrom-Boyce, Bergstrom-Bischoff y redes paralelas. Esta nueva estructura puede soportar grandes deformaciones viscoplásticas y se basa en la descomposición multiplicativa de gradientes de deformación.

Mejoras de fibra

La versión 6.2 introduce varias mejoras a la función Fiber, que incluyen:

• Fibras compresibles dentro del modelo de material hiperelástico Holzapfel-Gasser-Ogden
• La característica Thermal Expansion para fibras incrustadas en materiales hiperelásticos.
• El modelo de material Uniaxial data para manejar relaciones tensión-deformación no lineales para fibras dentro de las características Linear Elastic Material y Nonlinear Elastic Material

Estas nuevas mejoras se pueden ver en el nuevo modelo tutorial Tire Inflation.

Refuerzo de fibras en una prótesis valvular aórtica.

Mejoras en la aleación con memoria de forma

Las actualizaciones para aleaciones con memoria de forma incluyen:

• Flexibilidad mejorada en la especificación de parámetros de materiales para la transformación de fases, lo que permite introducir entradas como tensiones iniciales y finales o temperaturas iniciales y finales.
• Introducción de un nuevo gráfico predefinido que muestra el diagrama de fases tensión-temperatura, que ilustra la transición de austenita a martensita.
• Método de penalización significativamente mejorado para imponer límites superiores en las cepas de transformación
• Inclusión de la superficie de fluencia de Prager-Lode, que permite modelar la deformación anisotrópica para tensión o compresión.
• Introducción de capacidades de plasticidad de gran deformación.

Puede ver estas mejoras en el nuevo modelo tutorial Uniaxial Loading of Shape Memory Alloy Using Souza-Auricchio Model.

Fracción de volumen de martensita en un diagrama de fase tensión-temperatura para el efecto pseudoelástico en un solo ciclo de carga.

Modelo de material viscoplástico para litio

Se ha añadido un nuevo modelo de material, Anand–Narayan, a la función Viscoplasticity. Este modelo de material se centra específicamente en las propiedades del litio en aplicaciones de baterías.

Curvas de tensión versus deformación verdadera (a diferentes temperaturas y velocidades de deformación) para una muestra de litio obtenida con el modelo de Anand-Narayan.

Nueva interfaz multifísica de daño de campo de fase

La nueva interfaz multifísica Phase-Field Damage combina una interfaz de Solid Mechanics con la nueva interfaz Phase-Field in Solids a través de un acoplamiento multifísico bidireccional Phase-Field Damage. La densidad de energía de tensión o deformación impulsa la evolución del campo de fase, y el campo de fase determina el grado de daño al modelo de material elástico.

Nuevos modelos tutoriales

6.1

NOVEDADES

La versión 6.1 trae una nueva función de Calentamiento Adiabático, capacidades mejoradas para modelar viscoplasticidad e hiperelasticidad, y cinco nuevos modelos tutoriales.

Calentamiento adiabático
Se ha añadido un nuevo marco de trabajo para gestionar el calentamiento adiabático en sólidos, capas y membranas. El calentamiento adiabático es importante cuando la energía se disipa debido a deformaciones rápidas, lo que a su vez aumenta la temperatura del objeto. Puede incorporase este efecto añadiendo un subnodo Adiabatic heating a las interfaces de Mecánica de sólidos, Cáscaras de capas, Cáscara o Membrana.

Mejoras de viscoplasticidad
El nodo Viscoplasticidad tiene un nuevo marco de trabajo para manejar grandes deformaciones viscoplásticas basado en la descomposición multiplicativa de gradientes de deformación. La formulación produce mejoras significativas en la velocidad computacional y el uso de la memoria, y hace posible agregar las funciones Fluencia lenta (Creep) y Viscoplasticidad en el nodo Material hiperelástico. Además, se han actualizado los modelos Chaboche y Perzyna, y se han introducido dos nuevos modelos viscoplásticos: el modelo Bingham y el modelo Peric. Ahora también es posible especificar modelos viscoplásticos Definido por el usuario. Pueden verse estas nuevas mejoras en los modelos "Lemaitre-Chaboche Viscoplastic Model" y "Viscoplastic Creep in Solder Joints".

Configuració para la función de Viscoplasticidad renovada, con el modelo Chaboche seleccionado.

Mejoras de hiperelasticidad
Se ha implementado un nuevo marco de trabajo para manejar la compresibilidad de todos los materiales hiperelásticos. Como resultado de esto, todos los modelos de materiales tienen una nueva formulación comprimible que también permite añadir daño de campo de fase a todos los materiales hiperelásticos en la interfaz de Mecánica de sólidos. Además, ahora también es posible modelar arrugas en materiales hiperelásticos en la interfaz Membrana. Pueden verse estas mejoras en los nuevos modelos "Inflation of a Square Hyperelastic Airbag" y "Wrinkling of a Cylindrical Membrane with Varying Thickness".

Las regiones arrugadas (verde) en una bolsa de aire inflada hecha de un material hiperelástico.

Funcionalidad adicional en capas delgadas
El nuevo nodo Capa fina en la interfaz Mecánica de sólidos puede incluir los modelos de materiales Hiperelástico y Elástico no lineal. También se pueden incluir otros efectos inelásticos añadiendo, por ejemplo, subnodos Daño, Fluencia lenta, o Plasticidad. Puede verse esta funcionalidad adicional en el nuevo modelo "Thin Layer Interfaces".

Desplazamiento y salto de tensión usando una aproximación sólida de la capa delgada.

Nuevos modelos tutoriales

6

NOVEDADES

La versión 6.0 trae una fluencia 10 veces más rápida, mejoras en el rendimiento de muchos materiales no lineales, materiales anisotrópicos hiperelásticos, la plasticidad no local, y mejoras para los modelos viscoplásticos.

Materiales hiperelásticos anisotrópicos
Al añadir uno o más atributos de Fibra bajo un material Hiperelástico, se puede aumentar la rigidez mediante el efecto de los haces de fibras distribuidos. El nuevo atributo incluye tres modelos de materiales para fibras: Holzapfel-Gasser-Ogden, Elástico lineal y Definido por el usuario. Puede verse esta nueva función en el nuevo modelo tutorial Biventricular Cardiac Model y en los modelos existentes Arterial Wall Mechanics y Arterial Wall Viscoelasticity.

Modelo cardíaco biventricular. Las direcciones de la fibra en el miocardio se utilizan en el modelo de material hiperelástico Holzapfel-Gasser-Ogden.

Plasticidad no local
Pueden producirse bandas de cizalladura o localización de deformaciones plásticas al modelar la plasticidad en materiales dúctiles. Estas zonas evolucionan de manera diferente para diferentes tamaños de malla. La nueva funcionalidad de Plasticidad no local se ha añadido a las características de plasticidad y plasticidad porosa y permite obtener una solución independiente de la malla cuando se produce la localización de deformaciones plásticas. Puede verse esta nueva actualización en el modelo tutorial existente Necking of an Elastoplastic Metal Bar.

Mejoras en la viscosidad y la fluencia
Un nuevo marco general para Creep y Anand Viscoplasticity brinda grandes mejoras en la velocidad computacional y el uso de la memoria. Para modelos más grandes, se logra una aceleración en un factor de 10 o más. Las variables de deformación inelástica ahora se resuelven con un método de escalonamiento del tiempo Backward Euler, Forward Euler o Domain ODE.

El tipo de tensión equivalente que se utiliza para determinar la tasa de fluencia es ahora una entrada del usuario. Para modelar la fluencia no isotrópica puede seleccionarse von Mises , Hill Ortotropic, Pressure, o Definido por el usuario. Cuando más de un mecanismo de fluencia está actuando, también puede agregarse uno o más nodos de Fluencia adicional bajo el nodo de Fluencia. Pueden verse estas mejoras en el nuevo modelo Creep Analysis of a Turbine Stator Blade y otros modelos ya existentes.

La funcionalildad Creep se utiliza para demostrar cómo la fluencia secundaria puede causar deformación en la pala del estator de una turbina. La velocidad de fluencia está muy influenciada por la temperatura.

Nuevo material hiperelástico de van der Waals
Se ha añadido un nuevo modelo de material hiperelástico de van der Waals para modelar materiales similares al caucho en sólidos, cáscaras y membranas. Si el módulo Composite Materials está disponible, el modelo de material también se puede utilizar en cáscaras de varias capas. Este material a veces se denomina modelo Kilian.

Nuevo nodo de tasa de deformación inelástica
El nuevo atributo de Tasa de deformación inelástica tiene un efecto similar a la funcionalidad de Deformación externa existente, con la diferencia de que ahora puede especificar una velocidad de deformación inelástica que luego se integra en el tiempo en una contribución de deformación inelástica. La tasa de deformación se puede especificar en términos de un tensor de deformación, un gradiente de deformación, un gradiente de deformación inverso o tres tramos ortogonales.

Nuevo marco de integración reducido
Se ha añadido un nuevo marco para una integración reducida, incluyendo la estabilización de reloj de arena. La integración reducida es particularmente útil cuando el coste computacional por punto de integración es alto, lo cual es cierto para muchos modelos de materiales no lineales como Plasticity o Creep.

La integración reducida se controla desde la nueva sección Configuración de cuadratura. Está disponible en la configuración de modelos de material de nivel superior como Material elástico lineal y Material elástico no lineal. La regla de integración reducida seleccionada será heredada por los subnodos que se puedan agregar. Puede verse este nuevo marco en varios modelos tutoriales existentes.

Nuevos modelos tutoriales

5.6

NOVEDADES

Mejoras en plasticidad

Un nuevo nodo, Establecer variables, está disponible como un atributo bajo los nodos Plasticidad y Plasticidad de material poroso en las interfaces Mecánica de sólidos, Cáscara, Cáscara de capas, Membrana, y celosía. Esta característica posibilita asignar valores o expresiones a variables plásticas basadas en condiciones boleanas, tanto para las opciones Deformación plástica pequeña como para Deformación plástica grande. Puede verse esta funcionalidad en el modelo "Plastic Strain Mapping".

Plasticidad de gran deformación en la interfaz de cáscara en capas

El Material elástico lineal en la interfaz Cáscara de capas ahora incluye la posibilidad de modelar la Plasticidad de gran deformación. Están disponibles el mismo conjunto de funciones de rendimiento y modelos de endurecimiento isotrópico que en la interfaz de Mecánica de sólidos.

Ahora es posible agregar Plasticidad al nodo Material hiperelástico en la interfaz Cáscara en capas. El nuevo subnodo utiliza la fórmula de Plasticidad de gran deformación. El mismo conjunto de funciones de rendimiento y modelos de endurecimiento isotrópico están disponibles en el nodo Material hiperelástico para la interfaz de Mecánica de sólidos. La interfaz Cáscara en capas requiere el módulo Composite Materials.

Mejoras en la plasticidad porosa

La opción Deformaciones plásticas grandes está disponible para todos los modelos de material en el nodo Plasticidad porosa. La formulación utiliza una descomposición multiplicativa de gradientes de deformación, dando una buena aproximación a altas deformaciones por compresión. Puede verse esta funcionalidad en el modelo de "Powder Compaction of a Flanged Component". También está disponible el modelo Capped Drucker-Prager como un atributo bajo los nodos Material elástico lineal y Material elástico no lineal.

La configuración del nodo de Plasticidad porosa en COMSOL Multiphysics ® versión 5.6 con la opción de deformación plástica grande y el modelo de material Capped Drucker-Prager seleccionado.

Mejoras de material elástico no lineal

Se añade un nuevo modelo de material llamado Datos de cizalla al nodo Material elástico no lineal. El nuevo modelo de material es similar al modelo de Datos Uniaxiales, pero está destinado a simulaciones en las que se dispone de datos de esfuerzo de cizalladura respecto a ángulo de cizalladura. En el modelo de material de Datos Uniaxiales, los Datos de Endurecimiento ahora se pueden tomar de la Biblioteca de materiales.

Mejoras de la viscoelasticidad

Se añaden dos modelos viscoelásticos internos al Material elástico no lineal: los modelos de Maxwell y Kelvin generalizado. Para los análisis en el dominio de la frecuencia, se pueden añadir derivadas fraccionarias para todos los modelos viscoelásticos incorporados.

Cuando se utiliza un subnodo de Viscoelasticidad bajo el nodo de Material hiperelástico, se encuentra disponible una nueva implementación más sencilla para los modelos de Maxwell generalizado y Sólido lineal estándar para viscoelasticidad de gran deformación, lo que proporciona aceleraciones significativas. Puede verse esta funcionalidad en el modelo "Impact Analysis of a Golf Ball".

Nuevos modelos de materiales hiperelásticos

Se añaden tres nuevos modelos de material hiperelástico: el modelo de Tubo extendido para modelar materiales similares al caucho, y los modelos de material Delfino y el anisotrópico Fung para simular grandes deformaciones en tejido biológico. Además, todos los modelos de Material hiperelástico disponibles en la interfaz de Mecánica de sólidos ahora están disponibles en el nodo Material de capas hiperelástico en la interfaz Cáscara. Si el módulo de Composite Materials está disponible, los modelos de material también se pueden utilizar en cáascaras de varias capas, y las capas individuales pueden tener diferentes modelos de material.

Una blástula esférica de erizo de mar modelada con el nuevo modelo de material hiperelástico Delfino. El gráfico muestra la relación entre el radio deformado y no deformado al variar la presión interna y los diferentes parámetros del material.

Modelos de materiales no lineales en la interfaz de cáscara de capas

El nodo de Material elástico lineal en la interfaz Cáscara de capas ahora incluye la posibilidad de modelar la Plasticidad de gran deformación. También puede añadirse Plasticidad al nodo Material hiperelástico en la interfaz Cáscara de capas. El subnodo Plasticidad utiliza la formulación de Plasticidad de deformación grande, que proporciona una buena aproximación para niveles de deformación elevados. Tengase en cuenta que tanto el módulo Nonlinear Structual Materials como el módulo Composite Materials son necesarios para esta funcionalidad. Si el módulo de materiales compuestos está disponible, los modelos de material también se pueden utilizar en cáscaras multicapa.

Daños en cáscaras de capas

Todos los modelos de Daño disponibles en la interfaz de Mecánica de sólidos ahora están disponibles para el nodo Material de capas elástico lineal en la interfaz Cáscara, así como para el nodo Material elástico lineal en la interfaz Cáscara de capas. La interfaz Cáscara de capas el módulo de materiales compuestos.

Mejoras de daño

Hay varias mejoras en la función de Daño, incluido un nuevo modelo de daño basado en el campo de fase para la propagación de grietas. La novedades incluyen:

• Nuevo método de regularización viscoso para análisis dependiente del tiempo
• Reblandecimiento de deformación polinómica y reblandecimiento de deformación multilineal disponibles para las leyes de evolución del daño para Daño escalar y Daño de Mazars para hormigón
• Nuevo modelo de Daño de campo de fase, disponible en el nodo Material elástico lineal en la interfaz de Mecánica de sólidos
• Función de Daño disponible en el nodo Material de capas elástico lineal de la interfaz Cáscara
• Función de Daño disponible en el nodo Material elástico lineal de la interfaz Cáscara
• Un nuevo modelo: "Brittle Fracture of a Holed Plate"

Mejoras en la aleación con memoria de forma

Hay varias mejoras en la función Aleación con memoria de forma:

• Las entradas del usuario para los modelos de material de aleación con memoria de forma ahora están disponibles como propiedades de material
• Para el modelo de Lagoudas, puede entrarse los datos del material en términos de temperaturas de transición o tensiones de transición
• El modelo Souza-Auricchio se modifica para tener en cuenta la temperatura de referencia en lugar de la temperatura de acabado de martensita
• Se entra el radio del dominio elástico en lugar del límite elástico inicial
• Los modelos Lagoudas y Souza-Auricchio SMA ahora están disponibles en la interfaz Celosía.

Nuevos gráficos predeterminados

Nuevos gráficos de niveles por defecto, que muestran las deformaciones inelásticas, se han añadido para las funcionalidades de Plasticidad, Plasticidad porosa, Viscoplasticidad , Arrastre, Viscoelasticidad, y aleación con memoria de forma. Muchos de los modelos de la biblioteca de aplicaciones reflejan este cambio.

Nuevo gráfico de niveles predeterminado para deformación plástica equivalente.

Nuevos modelos tutoriales

5.5

NOVEDADES

La versión 5.5 trae plasticidad, arrastre, viscoplasticidad y viscoelasticidad para cáscaras, el Modelo de Johnson-Cook para plasticidad dependiente de la tasa de deformación y mejoras para aleaciones con memoria de forma.

Extensiones de plasticidad, arrastre, viscoplasticidad y viscoelasticidad
Las funcionalidades Plasticity, Creep, Viscoplasticity, y Viscoelasticity, destinadas al modelado de deformaciones inelásticas en metales y aleaciones, ahora están disponibles en la interfaz Shell. Esto es importante para reducir tiempo de cálculo cuando se modelan estructuras con paredes delgadas. Se puede controlar el balance entre precisión y tiempo de cálculo seleccionando el número de puntos de integración en la dirección a través del grosor. Puede verse esta nueva funcionalidad en los modelos Twisting and Bending of a Metal Frame y Pressurized Orthotropic Container - Shell Version.

La tensión de von Mises en un marco con paredes finas modelado con la interfaz Shell después de torcerlo y doblarlo a un nivel de carga causa la flexión.

Modelo de Johnson-Cook para plasticidad dependiente de la tasa de deformación
Los metales que se deforman con una alta tasa de deformación típicamente exhibirán más endurecimiento plástico que a bajas velocidades. El modelo de Johnson-Cook se utiliza para describir la influencia de altas tasas de deformación en el endurecimiento plástico. Adicionalmente se dispone de la opción de incluir el reblandecimiento causado por el incremento de la temperatura. El modelo de endurecimiento de Johnson-Cook está disponible como un modelo de endurecimiento isotrópico en el nodo Plasticity, y para los modelos de Chaboche y Perzyna en el nodo Viscoplasticity. Puede verse esta funcionalidad nueva en el modelo Tensile Test with Strain Rate Dependent Plasticity.

Distribución de deformaciones plásticas (azul) e incremento de temperatura (rojo) después de haber realizado un ensayo de tracción a diferntes velocidades de carga.

Mejoras para aleaciones con memoria de forma
En el modelo de material Lagoudas para aleaciones con memoria de forma, existen varias mejoras. Se ha introducido una deformación de transformación máxima dependiente de la tensión. Esto posibilita modelar el efecto de memoria de forma bidireccional (TWSME) cuando no es posible alcanzar la deformación de transformación máxima debido a bajos niveles de tensión. Se ha añadido un término de endurecimiento de tensión para representar la variación en el tamaño del bucle de histéresis de transformación con el nivel de tensión. Con la adición de este término, pueden observarse diferentes pendientes en los diagramas de fase. En muchos casos, las dirección de la transformación durante el proceso de cambio de fase es conocido y se puede mejorar la convergencia significativamente prescribiendo la dirección de transformación, en lugar de calcularla. En la versión anterior de COMSOL existía una opción similar, pero solo podía ser aplicada a la estructura como un todo, y no a dominios individuales.

Material hiperelástico en la interfaz de cáscara con capas
La adición de materiales hiperelásticos a la interfaz Layered Shell posibilita modelar grandes tensiones en conchas compuestas donde algunas de las capas están hechas de goma u otros tipos de elastómeros. Téngase en cuenta que para acceder a esta funcionalidad, se necesita el módulo Nonlinear Structural Materials Module además de los módulos Structural Mechanics Module y Composite Materials Module.

Un panel compuesto sándwich que tiene capas elásticas lineales externas (material compuesto) y una capa hiperelástica media (material de goma), que se ha resaltado.

Plasticidad en cáscaras con capas
La adición de la funcionalidad Plasticity al nodo Linear Elastic Material en la interfaz Layered Shell permite modelar la deformación plástica en capas seleccionadas de un laminado compuesto, por ejemplo, las capas metálicas externas de una estructura tipo sándwich. Los modelos de plasticidad son los mismos que en la interfaz Solid Mechanics, con la excepción de que se supone que las deformaciones plásticas son pequeñas. Téngase en cuenta que para acceder a esta funcionalidad se necesita el módulo Nonlinear Structural Materials Module además de los módulos Structural Mechanics Module y Composite Materials Module.

Una cáscara con capas en la que se modela la plasticidad en las capas superior e inferior, que se han resaltado.