Comprendere il comportamento di materiali complessi – Modelli di plasticità

Molti progettisti hanno spesso la necessità di condurre simulazioni strutturali NON-LINEARI, purtroppo molti di loro non si avvalgono di strumenti idonei per effettuare questo tipo di simulazioni.

“Quando si deve effettuare un’analisi NON-LINEARE?”

Per effettuare una analisi non-lineare, ci dobbiamo trovare nelle seguenti condizioni:

• quando i vincoli geometrici richiedono una condizione di non-linearità
• geometria non-lineare
• materiale non-lineare

Per il 90% dei casi, le analisi non-lineari vengono condotte per il tipo di materiale che viene applicato al modello. In base anche ai carichi applicati, il comportamento non-lineare dei materiali può essere definito da diverse proprietà:

• Plasticità: si ha generalmente nei materiali duttili quando lo stress/deformazione supera il limite di snervamento
• Iperelasticità: i materiali iperelastici (polimeri, gomme, materiali di tenuta) mostrano una deformazione significativamente maggiore per una data sollecitazione rispetto ai metalli. La deformazione raggiunge dimensioni significative (dal 10 al 100 %)
• Creep, Visco-elastico: quando gli effetti della velocità di deformazione sono significativi (es. schiuma poliuretanica che viene utilizzata per i materassi in memory foam)
• Anisotropico: legno, termo-plastico con fibre e materiali compositi.

In SIMULIAworks, definire tutte queste proprietà dei materiali è molto semplice e intuitivo, grazie alla ricca libreria di materiale con le sue varie opzioni di inserimento. Inoltre, mediante il Material Editor è possibile creare dei nuovi materiali inserendo tutti i parametri necessari come curve e altro ancora.

La definizione della plasticità su un materiale duttile come acciaio, alluminio o ferro è in genere qualcosa che si esegue dopo aver eseguito uno studio elastico lineare iniziale, per assicurarsi di descrivere le condizioni al contorno e i valori di carico corretti.

Molti materiali duttili si comportano elasticamente fino a un certo punto (yield point), ma quando il carico applicato è troppo elevato, il materiale inizierà a snervarsi, superando così il limite di stress ammissibile. Da questo punto in poi (yield point), inizieranno i fenomeni di plasticità e alla fine la parte (o il prodotto) si romperà o si deformerà in modo permanente.

Ecco perché è fondamentale includere la plasticità nell’analisi di un modello; ti permetterà di ottenere risultati di simulazione molto più realistici e accurati.

Un esempio è il classico provino che sopposto a trazione, subisce inizialmente un comportamento elastico lineare fino al punto di snervamento, dove superato questo punto, il materiale inizierà ad assumere deformazioni permanenti, successivamente una fase di necking e in fine la rottura del provino.

Questo fenomeno è possibile riprodurlo in SIMULIAworks, mediante l’inserimento nelle proprietà del materiale del damage model. Nell’immagine sottostante possiamo vedere le varie fasi di snervamento, plasticità e rottura su un provino simulato in SIMULIAworks, considerando come proprietà del materiale il ductile damage model.

Un altro punto di forza di SIMULIAworks è quello di poter gestire materiali iperelastici complessi come gomma, neoprene, silicone, nitrile, caratterizzando le loro proprietà con i vari modelli che sono presenti nel materiale, come: Mooney-Rivlin, Neo-Hookean, Ogden e tanti altri ancora.

In più, con la Material Calibration app è possibile effettuare la calibrazione di qualsiasi tipo di materiale importando le curve ricavati dai test fisici di laboratorio.

In definitiva, sicuramente l’analisi non lineare è più complessa dell’analisi lineare, ma adesso grazie agli strumenti di SIMULIAworks sai che non è poi così complicata di quanto lo è stato finora. Leggi anche: Esplorare le funzionalità di simulazione avanzate con le soluzioni di analisi strutturale