Cómo Ansys y Endurica simulan mejores resultados de componentes automotrices de caucho

El piloto profesional de NASCAR, Dale Earnhardt Jr., afirma que un buen día implica ejecutar al menos tres quemaduras.1 Quemar caucho en un vehículo de alto rendimiento implica mucho ruido del motor, humo y ruedas que giran a medida que las llantas se disuelven. Es emocionante, seguro, pero también es un lujo que el conductor promedio no tiene. El material y las propiedades estructurales de la mayoría de los neumáticos están diseñados específicamente para resistir las fluctuaciones de temperatura y presión del aire, los desequilibrios de carga y las tensiones y tensiones que surgen con la conducción diaria durante períodos más prolongados. En cualquier escenario, ya sea que esté en la carretera o en la pista, hay fuerzas en juego que determinan cuánto durarán los neumáticos.

Endurica ofrece herramientas y flujos de trabajo integrales para el análisis de fatiga de elastómeros en asociación con las soluciones de simulación de Ansys, incluidos los servicios de simulación y caracterización de materiales. Estas cosimulaciones respaldan el análisis exhaustivo de soportes de motor de caucho, bujes, sellos y, por supuesto, neumáticos para predecir y extender la vida útil de estos componentes automotrices críticos.

“Muchas piezas de goma van en un vehículo”, dice Will Mars, presidente y fundador de Endurica. “Durante una presentación reciente, el ejecutivo de GM, Mike Anderson, habló sobre la cadena de suministro y sus expectativas para los proveedores de piezas de caucho. Como parte del paquete de licitación para nuevos negocios para un proveedor de piezas de caucho, la validación virtual de la durabilidad será un requisito en un futuro muy cercano. Nuestra asociación con Ansys está ayudando a los proveedores a cumplir con este requisito”.

Establecimiento de objetivos ambiciosos con simulación

La simulación es definitivamente una ventaja competitiva si usted es un proveedor de piezas de caucho para automóviles. Los fabricantes de equipos originales (OEM) generalmente buscan ofertas de dos a cinco proveedores para respaldar un programa, y el proveedor ganador recibe un contrato de varios años para producir piezas. El proveedor ganador debe aportar el mayor valor, no solo optimizando la durabilidad del caucho, sino también demostrando ventajas en cuanto a peso ligero, materiales sostenibles y costo. En esta etapa, sobresalir es una función de la optimización del producto, y el software de simulación de Ansys realmente llega a ese punto ideal para proveedores como Endurica. Al mismo tiempo, Endurica ayuda a los clientes de Ansys a proporcionar la pieza de comportamiento que les ayuda a ver cómo la evolución del material de caucho afecta el rendimiento estructural, formando la base para una lucrativa asociación de cosimulación.

Los componentes de caucho para automóviles están sujetos regularmente a condiciones de carga cíclica (aplicación continua y repetida de una carga) que involucran la fluctuación de esfuerzos, deformaciones, fuerzas y tensiones que contribuyen a la degradación del material y conducen a la fatiga. Los proveedores están buscando formas de anticipar estos eventos antes de que sus componentes lleguen a ver el pavimento. La asociación de cosimulación Ansys-Endurica se concibió para respaldar el análisis del caucho. El software de simulación de Ansys puede calcular lo que sucede dentro de la estructura en términos de historial de tensiones y deformaciones. Luego, Endurica lleva los datos resultantes un paso más allá.

“Nuestro software verifica cada elemento en busca del crecimiento de grietas microscópicas”, dice Mars. “Si nos proporciona el historial de tensión y deformación de Ansys junto con las propiedades materiales de su compuesto de caucho, podemos calcular cuánto tiempo tardará en desarrollarse una grieta. Eso es lo que hace nuestro software”.

Superando el desafío del estrés y la tensión

El comportamiento de fatiga del caucho en el software Endurica se especifica en términos de parámetros mecánicos de fractura. Para un nivel dado de energía de entrada (es decir, energía de desgarro), los ingenieros quieren saber cuál es la tasa correspondiente de crecimiento de grietas. El cálculo de la vida útil se basa en el análisis del plano crítico, que es una extensión de la idea simple de que en cualquier lugar dentro de la pieza de caucho, es probable que haya algún tipo de precursor microscópico de grietas. Algunos precursores crecerán más rápido que otros, según las condiciones locales y la orientación de la grieta. El análisis del plano crítico implica integrar la ley de tasa de crecimiento de grietas para cada orientación posible de grietas y luego encontrar la orientación particular que produce la vida útil más corta. Ese es el marco básico.

Una pequeña grieta en una llanta o un sello de goma puede no parecer mucho, hasta que falla. Digamos que un fabricante tiene $ 10 millones en productos de caucho en servicio. Un cierto porcentaje de esos productos pueden experimentar fallas prematuras. Si pudiera reducir la tasa de fallas de estos productos en solo un 1 %, este ajuste incremental podría reducir significativamente los costos.

Sin simulación, un fabricante puede tener que esperar varios años antes de que sus piezas comiencen a mostrar fallas tempranas. Cuando estos costos comienzan a acumularse, el fabricante ya está comprometido con el diseño: las decisiones ya se han tomado. Usando la simulación por adelantado, los proveedores pueden abordar mejor la posibilidad de falla, lo que resulta en menos ajustes. Y, si comienzan a tener ajustes debido a un nuevo modo de falla, la simulación proporciona la forma más rápida de investigar y responder.

¿Cuándo es el mejor momento para usar flujos de trabajo de cosimulación? Cuando se tiene envejecimiento o ablandamiento cíclico de un material. Tener la capacidad de cosimulación permite a los clientes determinar cómo evoluciona el campo de deformación por tensión con los ciclos o con el tiempo. En este caso, para tomar esta determinación, el usuario debe alternar iterativamente entre el software Ansys y Endurica para actualizar los campos mecánicos y las propiedades del material. Este flujo de trabajo básico puede incluir resultados de tensión y deformación del análisis de elementos finitos estructurales (FEA), así como los efectos de la temperatura a través del análisis térmico de elementos finitos.

La asociación Ansys-Endurica desmitifica la evolución del material de caucho

Trabajando juntos, Ansys y Endurica están ayudando a los proveedores automotrices de primer nivel a anticipar, identificar y abordar los desafíos de materiales relacionados con la automoción que conducen a fallas en la producción de neumáticos, bujes, soportes de motor y sellos a través de la simulación conjunta. ¿Cómo funciona esta asociación? Para un componente de caucho dado, comienza con un historial de carga generado por el software de simulación Ansys Mechanical, durante el cual se especifican los materiales. Luego, esos datos se cargan en Endurica CL para calcular la vida de fatiga de la pieza de goma.

Si desea analizar una serie de casos de carga, los datos de Ansys también se pueden importar a Endurica DT, un solucionador incremental y complemento CL. Endurica EIE es la forma más rápida de analizar los datos de Ansys desde las señales de prueba registradas (hasta seis canales) hasta la predicción de la vida útil a la fatiga. Endurica EIE con CL o DT también puede simular la experiencia completa de una pieza en servicio. Con el apoyo de Ansys, las soluciones de simulación comprobadas de Endurica brindan resultados de simulación de vida útil contra fatiga versátiles y bien validados para elastómeros para determinar cómo cambia el caucho con el tiempo y la vida útil restante de una pieza automotriz.

Considere un análisis de montaje hidráulico, un componente de goma responsable del aislamiento de vibraciones en un vehículo. ¿Cómo es la fatiga del caucho en esta montura si se carga hacia arriba y hacia abajo axialmente? Para responder a esta pregunta, el usuario primero puede ingresar a Ansys para hacer un modelo, luego resolver el historial de la tensión a medida que avanza en el modelo. Una vez que esto se establece, los resultados se pueden enviar a Endurica para ejecutar más simulaciones antes de regresar y calcular la vida de fatiga correspondiente. Se configura una definición de material en Mechanical, y luego el historial de deformación y las escalas de tiempo se exportan a Ansys Workbench antes de configurar una simulación en CL.

“Ansys tiene una larga historia de modelado de materiales de caucho”, dice Mars. “Ansys Mechanical tiene un soporte realmente bueno para numerosas funciones hiperelásticas para ayudar a comprender el comportamiento de la deformación por tensión no lineal, la deformación finita, las deformaciones finitas y otros fenómenos asociados con los componentes de caucho. Y tienen las capacidades necesarias para representar con precisión todos los factores ambientales con los que estos componentes entrarán en contacto”.