Documents

Design With Polymers- Tools and Process by Kartik Srinivas, CEO, AdvanSES

Description
Design With Polymers- Tools and Process Finite element analysis of polymers rubbers and elastomers using Abaqus Ansys
Categories
Published
of 4
All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.
Share
Transcript
  DESIGNING WITHPOLYMERS:TOOLS AND PROCESS BY      KARTIK      SRINIVAS   ALL     RIGHTS     RESERVED     @ KARTIK      SRINIVAS    ; HTTP     ://   WWW       .  ADVANSES    .  COM     Non     -   linear    materials     like     polymers     present    a   challenge     to      successfully     obtain      the     required      input  data     for    FEA     . In      this     paper    we     review       the     techniques   and      technology     available     to      obtain      the     relevant    data   using     existing     methodologies     for    elastomeric   materials     and      present    information      on      how       this     can    be     improved      for    reliable     simulations     for    rapid    prototyping    .   APPLICATION      OF     CAE      TOOLS     :   Predicting     Stiffness    : Establishing     the     correct  stiffness     for    a     component    is     an      important  specification      requirement    for    the     automotive     and    aerospace     industry    . It    is     preferred      to     󲀜   fine    -   tune    󲀝 the   stiffness     of     a     part    in      all    the     three     axes     with      the   selected      material    before     making     the     prototype    .  Deformed      Shapes    :    FEA      and      CFD      can      provide     a   deformed      shape     of     the     part    with      actual    service   conditions     imposed      on      the     part   .  Durability      Analysis    :    Based      on      the     deformation      and    stress    -   strain      distribution     , relative     durability     analysis   can      be     performed     .  Life     Prediction     :    With      stress    -   strain      information      of     a   part    from        thermal    aging    , fatigue     aging     and      unaged    test    data    , one     can      develop      an      empirical    estimate     of   service     life     of     the     part   .  Identifying     the    󲀜    Hot     Spots    󲀝 of     the     Part    :   Computational    mechanics     tools     provide     stress   distribution      of     the     part    at    various     points    . This   information      is     helpful    for    identifying     the     stress    󲀜   hot  spots    󲀝 in      a     particular    design     . This     stress    󲀜   hot    spot   󲀝   may     be     crack      initiation      point   .  Mold      Design     : CFD      and      FEA      can      be     used      to      design    extruders    , mixers    , and      other    production      equipment   .  Only     low       strain      FEA      is     needed      to      optimize     the     mold    design      under    the     influence     of     a     clamping     force     and    internal    pressures    . By     establishing     the     stress   distribution      throughout    the     mold     , optimum        design    can      be     calculated      for    various     zones     in      the     mold     .  Finite     element     analysis    (   FEA     ) is     a     major     CAE    tool    used      for      virtual    product     development     in    polymer     engineering    . The     quality     of     the     CAE    carried      out     is     directly     related      to      the     input   material    property     and      simulation    technology    . PAGE       1  WHITE       PAPER      ENGINEERING WITHPOLYMERS  ENGINEERING WITHPOLYMERS WHITE       PAPER     PAGE       2     ALL     RIGHTS     RESERVED     @ KARTIK      SRINIVAS    ; HTTP     ://   WWW       .  ADVANSES    .  COM      Cure     Simulation     : CFD      and      FEA      can      be     used      to    determine     the     temperatures     in      a     molding     process     as   a     function      to      time    . This     transient    thermal    diffusion    analysis     needs     input    data     such      as     thermal  conductivity     and      thermal    capacitance     of     the     rubber  as     a     function      of     temperature    . Repeated      FEA    iterations     can      establish      the     optimum        cure     as     a   function      of     mold      temperature     and      time    .  Injection      Molding    : Similar    to      cure     simulation     ,  injection      molding     simulation      by     CFD      and      FEA      is     a   transient    process    . The     main      purpose     in      examining   injection      molding     is     the     characterization      of     apparent  viscosity     of     the     material    with      respect    to      shear    rate   and      temperature    . This     type     of     analyses     can      check    the     positions     of      joint    lines     and      accordingly     adjust    the   position      of     the     gates    . CFD      and      FEA      will    allow       the   investigator    to      study     the     rates    , temperatures    , and    compound      formulations     to      avoid      scorch      and    optimize     the     time     for    the     injection      cycle    .  The     application      of     computational    mechanics   analysis     techniques     to      elastomers     presents     unique   challenges     in      modeling     the     following     characteristics    :  1   . The     load     -   deflection      behavior    of     an      elastomer    is   markedly     non     -   linear   .  2    . The     recoverable     strains     can      be     as     high      400     %      making     it    imperative     to      use     the     large     deflection    theory    .  3    . The     stress    -   strain      characteristics     are     highly   dependent    on      temperature     and      rate     effects    .  4    . Elastomers     are     nearly     incompressible    .  5    . Viscoelastic     effects     are     significant   .  FEA      SUPPORT      TESTING     :   Most    commercial    FEA      software     packages     use     a   curve    -   fitting     procedure     to      generate     the   material    constants     for    the     selected      material    model   .  The     input    to      the     curve    -   fitting     procedure     is     the     stress    -   strain      or    stress    -   stretch      data     from        the     following   physical    tests    :  1   . Uniaxial    tension      test  2    . Uniaxial    compression      test  3    . Planar    shear    test  4    . Equibiaxial    tension      test  5    . Volumetric     compression      test  A      minimum        of     one     test    data     is     necessary    , however  the     greater    the     amount    of     test    data    , the   better    the     quality     of     the     material    constants     and      the   resulting     simulation     .  Figure     1   : Uniaxial    Tension      Test    Testing     should      be     carried      out    for    the     deformation    modes     the     elastomer    part    may     experience     during     its   service     life    . The     testing     is     carried      out    under    a     quasi   -   static     process     by     carefully     selecting     the     test  parameters    . The     material    can      also      be     aged      in      a     liquid    or    at    elevated      temperatures     before     testing     and      thus   service     conditions     can      be     incorporated      to      generate   the     material    constants     and      subsequent    FE      analysis    .  For    applications     involving     very     high      strain      rates     a   Hopkinson     ’  s     bar    can      be     used      to      test    the     materials   and      obtain      the     relevant    stress    -   strain      data    .  PAGE       3    WHITE       PAPER      ENGINEERING WITHPOLYMERS A      material    model    describing     the     elastomer    as   isotropic     and      hyperelastic     is     generally     used      and      a   strain      energy     density     function     (   W       ) is     used      to      describe   the     material    behavior   . The     strain      energy     density   functions     are     mainly     derived      using     statistical  mechanics    , and      continuum        mechanics     involving   invariant    and      stretch      based      approaches    .  Statistical    Mechanics     Approach     :  The     statistical    mechanics     approach      is     based      on      the   assumption      that    the     elastomeric     material    is     made     up    of     randomly     oriented      molecular    chains    .  Figure     2    : Material    Testing     and      FEA      Examples   Invariant     Based      Continuum       Mechanics      Approach     :   The     Invariant    based      continuum        mechanics     approach    is     based      on      the     assumption      that    for    a     isotropic    ,  hyperelastic     material    the     strain      energy     density   function      can      be     defined      in      terms     of     the     Invariants    .  Stretch      Based      Continuum       Mechanics      Approach     :   The     Stretch      based      continuum        mechanics     approach    is     based      on      the     assumption      that    the     strain      energy   potential    can      be     expressed      as     a     function      of     the   principal    stretches     rather    than      the     invariants    . The     choice     of     the     material    model    depends     heavily     on    the     material    and      the     stretch      ratios    (   strains    ) to      which    it    will    be     subjected      during     its     service     life    . As     a     rule    -   of    -   thumb      for    small    strains     of     approximately     100     %,  simple     models     such      as     Mooney    -   Rivlin      are     sufficient   .  For    higher    strains     a     higher    order    material    model    as   the     Ogden      model    may     be     required      to      successfully   simulate     the    󲀝   upturn     󲀝 or    strengthening     that    can    occur    in      some     materials     at    higher    strains    .  THEORY      OF      VISCOMETRY     :   The     rheological    analysis     of     samples     is     a     fundamental  part    of     developing     rubber    products    . Whilst    they     still  have     their    place    , the     use     melt    flow       indexers    ’ is     being   found      to      often      give     insufficient    results    . These     simple   devices     do      not    match      the     versatility     of     modern    rheometers    , nor    can      they     ensure     that    a     new       product  will    be     suitable     for    use    . A      rheometer    can      actually   measure     sample     properties     at    extremely     low       shear  rates     indicating     the     molecular    weight   , or    the     high    shear    rates     seen      in      mixing    , extrusion      and      molding    .  The     rheometer    can      measure     the     viscosity     of     product  at    pre    -   programmed      temperatures    . This     can      also      be   used      to      evaluate     the     processability     and      degradation    of     materials     at    these     temperatures    . Viscometry     is     probably     the     most    common    rheological    technique     and      essentially     defines     the   resistance     of     a     fluid      to      flow      . The     equation      for    the   coefficient    of     viscosity     is    :  co     -   eff     of      viscosity    = shear     stress    / shear     rate     The     flow       properties     can      be     classified      into      two    groups    : - Newtonian     - Non     - Newtonian    Non     -   Newtonian      materials     such      as     non     -   drip      paints   have     changing     viscosities     with      different    shear    rates   and      should      be     characterized      using     controlled      shear  stress     or    controlled      shear    rate     rheometers    .  There     are     many     types     of     non     -   Newtonian      behavior  but    in      broad      terms     they     can      be     classified      into      one     of   the     three     following     groups    : - Shear    Thinning     or    Pseudoplastic    - Shear    Thickening     or    Dilatant   - Plastic     Shear    Thinning    (   Yield      Value    )   ALL     RIGHTS     RESERVED     @ KARTIK      SRINIVAS    ; HTTP     ://   WWW       .  ADVANSES    .  COM       Summary    :  A      brief     review       of     material  characterization      testing     methods     for    FEA      and      CFD    simulation      has     been      shown     , limitations     of     the   associated      theory     and      instruments     used      in      material  characterization      testing     have     been      discussed     .  Studies     have     shown      that   󲀢   CAE      systems     are     not    stand    alone     processes     but    require     additional    support  procedures    . Material    characterization      procedures     for  FEA      and      CFD      have     been      presented      and      pitfalls   reviewed     . Input    material    properties     are     of     prime   importance     for    reliable     CAE      simulation     . With      better  understanding     of     the     testing     procedure     and    associated      theory    , the     quality     of     the     simulation      can    be     improved     .  References    :   1   . ABAQUS     Inc    ., ABAQUS    : Theory     and      Reference   Manuals    , ABAQUS     Inc    ., RI   , 02   2    . Attard     , M      .  M      ., Finite     Strain     : Isotropic     Hyperelasticity    ,  International     Journal    of     Solids     and      Structures    , 2003   3    . Bathe    , K     .  J    ., Finite     Element    Procedures     Prentice    -   Hall   , NJ    , 96   4    . Bergstrom       ,  J    . S    ., and      Boyce    , M      . C     ., Mechanical  Behavior    of     Particle     Filled      Elastomers    ,  Rubber  Chemistry     and      Technology    , Vol   . 72    , 2000    5    . Bhowmick     , A     . K     ., Hall   , M      . M      ., and      Benarey    , H     . A     .,  Rubber    Products     Manufacturing     Technology    , Marcel  Dekker   , NY     , 1994   6    . Holden     , G     ., Understanding     Thermoplastic   Elastomers    , Hanser    Gardner    Publications    , 1999   7    . CD     -   Adapco     , Star   -   CD      Users     Manual   , CD     -   Adapco     ,  2004   8     . Fluent   , Fluent    CFD      users     Manual   , Fluent    USA     , 2004   9    . Srinivas    , K     ., Material    And      Rheological  Characterization      For    Rapid      Prototyping     Of   Elastomers     Components    , American      Chemical  Society    , Rubber    Division     , 170th      Technical    Meeting    ,  Cincinnati   , October    2006   Similar    to      material    models     used      in      FEA      there     are   many     mathematical    models     to      describe     the   characteristic     flow       of     a     material    including     that  described      by     the     Bingham        model   ;  Shear    stress    = Yield      stress    + K      x     Shear    rate   where    , K      is     a     constant   .  Flowchart    in      Figure     3     shows     the     typical    processes   involved      in      a     CFD      simulation      to      model    the     extrusion    process    . The     two      major    types     of     testing     carried      out    is   for    testing     the     material    viscosity     vs    . the     shear    rate   and      for    material    viscosity     vs    . temperature    .  Just    as   curve     fitting     of     stress    -   strain      data     as     a     material    model  the     viscosity     vs    . shear    rate     data     is     fitted      to      a     material  model    and      input    into      the     software     code    .  Figure      3    : Flow       Chart     for     Extrusion      Simulation      using   CFD     The     use     of     a     particular    type     of     rheometer    is     dictated    by     the     type     of     test    data     needed      for    the     simulation    and      different    associated      parameters    . To      model  simulations     at    high      extrusion      speeds     and    temperature     testing     data     is     needed      in      the     range     of   20     ,  000     -   30     ,  000      sec    -   1   . Use     of     a     capillary     rheometer  becomes     necessary     for    such      type     of     material  characterization      testing    .  ENGINEERING WITHPOLYMERS WHITE       PAPER     PAGE       4     ALL     RIGHTS     RESERVED     @ KARTIK      SRINIVAS    ; HTTP     ://   WWW       .  ADVANSES    .  COM     
Search
Similar documents
View more...
Tags
Related Search
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks
SAVE OUR EARTH

We need your sign to support Project to invent "SMART AND CONTROLLABLE REFLECTIVE BALLOONS" to cover the Sun and Save Our Earth.

More details...

Sign Now!

We are very appreciated for your Prompt Action!

x