万能材料サブルーチンによるエンジニアリング解析の大衆化

※本ブログは、SIMULIA Blog （英語版）で既に発表されたブログの日本語参考訳です。

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材料モデルは、連続体および構造力学の基礎です。有限要素解析では、構成則が材料サブルーチンに組み込まれ、応力とひずみの関係が提供されます。構成則は、すべての要素内、各積分点、各タイムステップ、各ニュートンイテレーションで呼び出されます。現在の有限要素解析ソフトウェアでは、材料モデルは組み込まれた広範囲なライブラリから選択できます。ただし、適切な材料モデルを選択どう選択するかは依然として非常に主観的で、ユーザーごとの判断が生じやすいものです。このウェビナーでは、材料モデルの選択プロセスの自動化、実験データからの最適な材料モデルの選択、パラメータの自律的に決定、および全ての選択可能な材料モデルを単一の材料サブルーチンに組み込んで、この万能的な材料サブルーチンを有限要素シミュレーションにシームレスに統合する方法を示します。非圧縮の等方性超弾性材料向けにこの技術のプロトタイプを作成しましたが、最近では圧縮性と異方性の両方の材料挙動に向けてもこの技術をさらに拡張しました。これらの機能を 1 つの汎用材料サブルーチンにまとめて統合する方法を示します。このサブルーチンは、将来の Abaqus リリースで組み込み材料モデリング機能として利用可能になります。この新しいユニバーサル材料サブルーチンを使用した有限要素シミュレーションは、これが従来の構成モデルによく一致し、また新しいモデルによくも対応し、実験データと以前のシミュレーションの両方と見事に一致することを示しています。数十の個別の材料サブルーチンを、完全自動で材料モデルの選択可能なこの汎用材料サブルーチン１つに置き換えることで、エンジニアリング解析が大衆化され、より包括的で多様なコミュニティが有限要素シミュレーションにアクセスしやすくなり、科学革新が加速されます。

さらなる応用と機械的特性を理解することの重要性

このモデルは、皮膚や人工肉などの機械的応答の解析に拡張することに成功しました。さまざまな材料の機械的特性を理解し予測することは、生物医学から食品科学に至るまでの分野で非常に重要です。

たとえば、皮膚を例にとると、このモデルはさまざまな層の挙動を調査するために使用され、皮膚の折り畳み、しわ、再建手術などの用途への可能性を提供します。これは、開発されたモデルが様々な用途・分野で利用可能であることを示しています。

さらに、このモデルの応用は研究や実用化を超えて広がります。また、教育用途にも組み込まれており、生徒にさまざまな材料の機械的挙動を実験して理解する機会を提供します。これには、学生がさまざまな材料をテストし、その機械的特性を解析することが含まれます。たとえば、ある授業では、学生が人工肉製品の実験をし、そのモデルを使用して材料の硬さと味の知覚の関係を理解し​​ました。

Abaqus への実装

構成則の人工ニューラルネットワーク モデルは、アクティベーション機能を備えた組み込みサブルーチンとして Abaqus に統合されています。この新しいサブルーチンには、特殊なケースとして多くの超弾性モデルと、様々な新しいモデルが含まれています。これは、古典的なモデルや新しいモデルの結果と完全に一致し、複雑な材料の挙動を捕捉する際の有効性を示しています。

チームは現在、材料サブルーチンを超弾性以外にも拡張し、粘性挙動、損傷、または塑性をモデル化しています。現在進行中のテストでは有望な結果が得られており、いくつかの業界パートナーからの関心を集めています。

この統合により、万能材料サブルーチンの使用が可能になり、わずかなパラメータで材料モデルを定義できるため、従来の超弾性モデリングと同等になります。この実装は、強い履歴依存性を示す材料に対してテストされており、ロバストなパフォーマンスが示されています。現在進行中のテストには、このアプローチと粘弾性および非弾性を組み合わせることが含まれており、有望な結果が得られています。

このモデルのオープンなコラボレーションと可用性により、研究者やエンジニアはさまざまな材料やシミュレーションにわたってそのアプリケーションを探索することができ、生物医学的刺激と人間の健康の進歩に貢献します。構成則の人工ニューラルネットワークモデルを Abaqus に統合することは、より幅広いユーザーがその機能をさまざまなアプリケーションに活用できるようにするための重要な一歩となります。

詳細については、この新しいテクノロジーを実行するために必要なすべてのファイルを含む、より詳細な情報が記載されているオープンアクセス出版物へのリンクを参照してください。

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