Para el Cálculo de MEF de componentes de goma o plástico, los modelos de material elástico lineal son generalmente inadecuados. Para el cálculo lineal, se asumen pequeñas cepas. Al calcular la resistencia del caucho o de los plásticos hiperelásticos, debemos asumir tanto las altas tensiones como el comportamiento no lineal del material. La correcta selección del modelo de material y la correspondiente determinación de los datos de material necesarios suelen representar un reto para el ingeniero de cálculo.
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Ejemplo simple para el cálculo FEM de un amortiguador de goma (modelo de material Mooney-Rivlin)
En este ejemplo, se examinó un amortiguador de goma en el contexto de un análisis de FE utilizando el modelo de material Mooney-Rivlin. Los parámetros materiales correspondientes fueron definidos por el cliente. El modelo de FE que se muestra aquí es sólo una pequeña parte de la geometría del componente, pero ilustra bastante bien el comportamiento del material.
Selección del modelo de material adecuado para el cálculo de la resistencia del caucho y los plásticos (materiales hiperelásticos)
La selección del modelo de material correcto para el análisis por elementos finitos de caucho, plásticos o materiales hiperelásticos similares depende no sólo de la cantidad de las tensiones esperadas durante la simulación, sino también de los datos de material disponibles. Para las altas tensiones, se utiliza el modelo Mooney-Rivlin si es posible, ya que el modelo Neo-Hooke puede no representarlas con precisión. Especialmente en el curso de las investigaciones preliminares durante el desarrollo de los prototipos, sólo se dispone de unos pocos datos de prueba que describen el material con suficiente precisión para el cálculo MEF del plástico o el elastómero correspondiente. Las pistas para la selección del modelo de material son entre otras:
- Magnitud de las cepas esperadas
- Información del fabricante del material (por ejemplo, la dureza Shore)
- datos experimentales o pruebas materiales disponibles
Análisis de FE de caucho y plásticos usando el modelo de material Mooney-Rivlin
El modelo de material Mooney-Rivlin es un modelo de material no lineal más complejo. Se define con hasta 9 parámetros y también mapea bien las altas tensiones. Se utiliza, entre otras cosas, para el cálculo FEM de piezas de goma como juntas, membranas, neumáticos, mangueras, pero también muelles y cojinetes de goma. Al utilizar este modelo de material, debe garantizarse que los datos de medición y las condiciones de medición para la caracterización del material sean similares al estado de tensión posterior del componente que se va a representar. Adaptamos los parámetros definidos por el cliente mediante un ajuste de la curva con los resultados de las pruebas antes de que se utilicen en el análisis de FE del componente de plástico o goma correspondiente.
Cálculo FEM del caucho y los plásticos usando el modelo de material Neo-Hooke
El modelo de material Neo-Hooke, mucho más simple, permite la caracterización del material hiperelástico con sólo dos parámetros. Estos parámetros a menudo pueden derivarse o convertirse a partir de las hojas de datos de los fabricantes, especialmente en el curso del diseño preliminar. Si, por ejemplo, se especifica una dureza Shore para el material, los coeficientes para describir el elastómero pueden determinarse fácilmente a partir de esto, al menos de forma aproximada. Sin embargo, el modelo de Neo-Hooke para calcular la resistencia de los materiales de goma o plástico sólo puede ser usado para cepas más pequeñas. Para grandes cepas > 200 %, se recomienda el modelo de material Mooney-Rivlin.
Cálculo FEM de un rodillo de goma (Neo-Hooke) en el ámbito de un proyecto de un cliente
En el ámbito de un proyecto de un cliente, el desenrollado de un tambor con una gran fuerza de peso en un rodillo de poliuretano con núcleo de acero es de gran importancia para el dimensionamiento de un dispositivo de seguridad. El rodillo de goma es una pieza comprada para la cual la dureza Shore es especificada por el fabricante. La hoja de datos del fabricante puede utilizarse para derivar los parámetros necesarios para el modelo de material Neo-Hooke.
En última instancia, el cálculo FEM del rodillo de goma, teniendo en cuenta un contacto de fricción, muestra que la cantidad y dirección de las fuerzas que actúan sobre los rodillos de goma hacen que el tambor no pueda rodar y, por lo tanto, no hay riesgo de seguridad.
Otros proyectos de ejemplo para los cálculos de la fuerza de los componentes de los elementos finitos:
- Cálculo FEM de un taburete con componentes plásticos de la impresora 3D
- Simulación FSI de una cabeza de cilindro
- Cálculo del MEF y determinación de la fuerza mediante la simulación de un cuerpo rígido
- Ejemplo práctico de simulación MEF: Cálculo de una pasarela peatonal
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