Cowper-Symonds parameters estimation for ABS material using design of experiments with finite element simulation

Estimación de los parámetros Cowper-Symonds para material ABS mediante diseño de experimentos con simulación de elementos finitos

Los polímeros presentan una importante dependencia de la velocidad de deformación en su resistencia mecánica. La precisión de las simulaciones de impacto está asociada al uso de propiedades mecánicas obtenidas a velocidades de deformación elevadas. A menudo, los ingenieros no disponen de estas propiedades, lo que supone un riesgo en la fase de desarrollo del producto. Este artículo presenta un método para ajustar los parámetros del Cowper-Symonds, utilizado para un modelo constitutivo de material, a través de experimentos computacionales llevados a cabo considerando la simulación del ensayo de impacto Izod.El método de ajuste propuesto permite reducir el error de resistencia al impacto Izod del 44% al 2,4%.

INTRODUCCIÓN

El uso de simulaciones computacionales realizadas con el Método de Elementos Finitos (MEF) es una herramienta frecuentemente utilizada para el análisis de la resistencia estructural de ciertos productos y sus componentes, ya que su evaluación no puede realizarse fácilmente mediante cálculos analíticos. Esto genera ganancias significativas en el tiempo de desarrollo y reducción de costos de prototipos. El MEF se utiliza para obtener una solución numérica de ecuaciones diferenciales parciales de manera aproximada y discretizada. El dominio de validez de la ecuación diferencial se divide en varios subdominios, llamados elementos, que se describen por puntos característicos, llamados nodos, normalmente posicionados en el vértice de un polígono o un poliedro. 

A cada nodo se le asocia una función de forma polinómica, cuya combinación lineal se adopta como la solución en el subdominio del elemento (aproximada). Las funciones de forma están definidas para una geometría dada y las funciones de solución se convierten en dependientes solo del valor nodal de la variable de interés (discretizadas). Además, se imponen condiciones de compatibilidad a las funciones de solución en las interfaces entre los elementos. Entre las posibles ecuaciones diferenciales, las que relacionan el esfuerzo y la deformación en cuerpos sólidos sometidos a fuerzas son comercialmente interesantes e implementadas en software de MEF como LS-DYNA. Antes de comenzar el solucionador de MEF, es necesario definir el dominio, que se presenta normalmente como una descripción geométrica en un software de Diseño Asistido por Computadora (CAD), y generar la malla de MEF en un software adecuado como Altair HyperMesh 13.0. 

Los resultados de la simulación se representan gráficamente en un software de postprocesamiento como Altair HyperView 13.0. La precisión de los resultados de las simulaciones está fuertemente relacionada con la calidad del modelo de elementos finitos, que incluye la elección de las formulaciones de los elementos que se utilizarán para representar la estructura, la interpretación de las condiciones de contorno, el modelo constitutivo del material y el método de solución utilizado.