Material properties are very important to model correctly when calculating solutions for multiphase flows with non-Newtonian fluids. The models can make the solution converge or diverge depending on how it is chosen. This paper mainly focuses of the applicability of solid pressure and viscosity models in Ansys CFX. The main goal is to create a list of criterions that material properties must fullfill to ensure that the solution converges. Furthermore a test environment in MATLAB was made that verifies if the models satisfies the list of criterions. It was found that as long as the material properties has continous derivatives without removable singularities and are non imaginary on their domain they are applicable in Ansys CFX. It was also found that if there was a discontinuity in their domain the discontinuity could be moved outside of the domain using an assymetric model for the volume fraction.

Hyperelasticity is a significant property of rubber, taken advantage of in engineering applications. A common application is the use of seals to prevent fluid transfer (liquid or gas) between solid regions. Volvo CE is often depending on external supplier when developing seals. However, it could be beneficial to be able to do design and analysis in-house. Thus, they want with this master thesis to increase their knowledge about rubber and FEM simulations of seals in ANSYS. The aim with this work is to develop a method and guidelines for analysis and simulation of seals of hyperelastic materials. Components analyzed in this thesis work are two static seals, an O-ring andan in-house modified X-ring design. Selected materials, HNBR and FKM, are commonly used elastomers at Volvo CE. Material tests performed at RISE are for three different load cases:uniaxial tension test, planar tension test and biaxial tension test. Quasi-static analyses are performed in ANSYS. Hyperelastic materials need different constitutive models, hyperelastic material models, to describe their material behavior and these are defined in terms of a strain energy density function.However, the challenge is to determine the material constants in the equation, to characterize the material properties, by processing test data. Research questions answered are ‘’What material tests are needed for hyperelastic materials?’’, ‘’How is the test data converted to work as input to ANSYS and obtain material constants?’’ and ‘’How is an appropriate material model selected for simulation in ANSYS?’’. The study shows the importance of that material test represents the condition the application will experience. It should capture material behavior at the specific frequency, strain amplitude and temperature range for the application. The expected strain range and deformation modes that will play a functional role in the application should be considered in the material testing. Material constants can be determined from test data separately or simultaneously. Test data from at least one deformation mode is required, but one can't accurately predict full deviatoric behavior of hyperelastic material models by using one mode. If data only is used for one deformation mode, simulations in other deformation modes can yield erroneous results. It is therefore recommended to use several deformation modes. For applications with more complex load cases more deformation modes are needed. Generally, recommended tests are uniaxial tension test, planar tension test and biaxial tension test due to homogenous deformation is achieved. It is important to verify the material model before analysis. Using test data from one deformation mode can still provide a good fit. In the cases investigated verifications of the material model Yeoh 3rd order show that the fit obtained by only using uniaxial tension test data and using test data from three tests doesn’t seem to differ. Both uniaxial tension test data and test data from three tests give agood fit when simulating the tests with this material model. The benefit of using test data from three tests is questionable due to costs. It seems that only uniaxial tension test data could have been used as it provided a good fit. Moreover, test data must be processed to work as input to ANSYS. ANSYS requires engineering stress-strain test data for hyperelastic materials besides from the volumetric test, where true stress strain is required. The biaxial tension state which is realized with so called Bulge test thus needs to be converted to engineering stress. Then, test data needs to be adjusted to account for effects such as hysteresis and Mullin’s effect, where choice of curve and a process zero-shift must be done. Hyperelastic material models have different validity for different strain ranges. The selected material model was Yeoh 3rd order, which showed be a good fit for both the materials, HNBR and FKM, in strain range 30 %. The curve fit is based on three tests. The selection was based on the material model with lowest relative error with stability. Material constants were obtained for that material model, and these were used in simulations. Material models tends to be unstable for strains outside the test data. Simulations of seals with fluid pressure were performed for different pressure and stretch of the seal. If the contact pressure is larger than fluid pressure in the seals no leakage will occur. / Hyperelasticitet är en betydande egenskap hos gummi, som används i tekniska tillämpningar. En vanlig tillämpning är tätningar för att förhindra vätskeöverföring (vätska eller gas) mellan fasta områden. Volvo CE är ofta beroende av externa leverantörer vid utveckling av tätningar. De vill därför med detta examensarbete öka sina kunskaper om gummi och FEM-simuleringar av tätningar i ANSYS. Målet med arbetet är att utveckla en metod och riktlinjer för analys och simulering av tätningar av hyperelastiska material. Komponenter som analyseras i detta examensarbete är två statiska tätningar, en O-ring och en intern modifierad X-ringdesign. Utvalda material, HNBR och FKM, är vanliga elastomerer hos Volvo CE. Materialtester som genomförts på RISE är för tre olika belastningsfall: enaxligt dragprov, plant dragprov och biaxialt dragprov. Quasi-statiska analyser genomfördes i ANSYS. Hyperelastiskt material behöver olika konstitutiva modeller, hyperelastsiska materialmodeller, för att beskriva dess materialbeteende och dessa definieras i termer av töjningsenergidensitetsfunktion. Utmaningen är att bestämma materialkonstanterna i ekvationen, för att karakterisera materialegenskaper, genom att processa testdatat. Forskningsfrågor som besvaras är ’’Vilka materialtester är nödvändiga för hyperelastiska material?’’, ’’Hur konverteras testdata för att fungera som indata till ANSYS och erhålla materialkonstanter?’’ och ’’Hur väljs lämplig materialmodell för simulering i ANSYS?’’. Studien visar vikten av att materialtester representerar förhållanden som är representativa för applikationen. Det bör fånga materialbeteendet vid den specifika frekvensen, töjningsamplitud och temperatur för applikationen. Det förväntade töjningsomårdet och deformationslägen som kommer spela en funktionell roll i applikationen bör beaktas i materialtestningen. Materialkonstanter kan beräknas från testdata separat eller simultant. Testdata från minst ett deformationsläge krävs, men man kan inte exakt förutsäga fullständigt devatoriskt beteende hos hyperelastiska materialmodeller genom att använda ett deformationsläge. Om testdata endast används för ett deformationsläge kan simuleringar i andra deformationslägen ge felaktiga resultat. Det är därför rekommenderat att använda flera deformationslägen. Generellt rekommenderade tester är enaxligt dragprov, plant dragprov och biaxialt dragprov då homogen deformation uppnås. Det är viktigt at verifiera materialmodellen innan analys. Att använda testdata från ett deformationsläge kan fortfarande ge en bra passning. I de undersökta fallen visar verifikation av materialmodellen Yeoh 3:e ordningen att passningen som erhållits av enbart enaxligt dragprovtestdata och testdata från tre tester inte skiljer sig åt. Både enaxligt dragprov testdata och testdata från tre tester ger en bra passning när simulerar testerna med den materialmodellen. Fördelarna med att använda testdata från tre tester är ifrågasatt pga. kostnaderna. Det verkar som enbart enaxligt dragprov testdata kunde ha använts då det gav en bra passning. Vidare behövs testdata hanteras för att fungera som indata till ANSYS. ANSYS behöver nominellspänning-töjning testdata för hyperelastiska material förutom för det volymetriska testet, där sannspänning-töjning behövs. Det biaxiala dragprovet som realiserades med s.k. Bulge test måste därför konverteras till nominell spänning. Sedan behöver testdata justeras för att ta hänsyn till effekter som hysteres och Mullins effekt, där val av kurva samt en process ‘’zero-shift’’ måste göras. Hyperelastiska materialmodeller har olika giltighet för olika töjningsområden. Val av materialmodell blev Yeoh 3:e ordningen som visade sig vara en bra passning för båda materialen, HNBR och FKM, i töjningsområden 30%. Kurvanpassningen är baserad på tre tester. Valet baserades på den materialmodell som hade minst relativt fel och som var stabil. Materialkonstanterer hölls för den materialmodellen och dessa användes i simuleringar. Materialmodeller tenderar att vara ostabila för töjningar utanför testdata. Simuleringar av tätningar med flödestryck genomfördes för olika tryck och stretch av tätningen. Om kontakttrycket är större än flödestrycket i tätningen sker inget läckage.

The interior of heavy goods vehicles (HGVs) differs from passenger cars. Both the steering wheel and the occupant are positioned differently in a HGV and increases the risk of steering wheel rim impacts. Such impact scenarios are relatively unexplored compared to passenger car safety studies that are more prevalent within the field of injury biomechanics. The idea with using human body models (HBMs) is to complement current crash test dummies with biomechanical data. Furthermore, the biofidelity of a crash dummy for loading similar to a steering wheel rimimpact is relatively unstudied and especially to different rib levels. Therefore, the aim with this thesis was to evaluate HGV occupant thoracic response between THUMS v4.0 and Hybrid III (H3) during steering wheel rim impacts with respect to different rib levels (level 1-2, 3-4, 6-7, 7-8, 9-10) with regards to ribs, aorta, liver, and spleen. To the author’s best knowledge, use of local injury risk functions for thoracic injuries is fairly rare compared to the predominant usage of global injury criteria that mainly predicts the most commonthoracic injury risk, i.e. rib fractures. Therefore, local injury criteria using experimental test datahave been developed for the ribs and the organs. The measured parameters were chest deflectionand steering wheel to thorax contact force on a global level, whilst 1st principal Green-Lagrangestrains was assessed for the rib and the organ injury risk. The material models for the liver and the spleen were remodelled using an Ogden material model based on experimental stress-strain data to account for hyperelasticity. Rate-dependency was included by iteration of viscoelastic parameters. The contact modelling of the organs was changed from a sliding contact to a tied contact to minimize unrealistic contact separations during impact. The results support previous findings that H3 needs additional instrumentation to accurately register chest deflection for rib levels beyond its current range, namely at ribs 1-2, 7-8, and 9-10. For THUMS, the chest deflection were within reasonable values for the applied velocities, but there were no definite injury risk. Fact is, the global injury criteria might overpredict the AIS3 injury risk (rib fractures) for rib level 1-2, 7-8, and 9-10. The rib strains could not be correlated with the measured chest deflections. This was explained by the unique localized loading characterized by pure steering wheel rim impact that mainly affected the sternum and the rib cartilage while minimizing rib deformation. The organ strains indicate some risk of rupture where the spleen deforms the most at rib levels 3-4 and 6-7, and the liver and the aorta at rib levels 6-7 and 7-8. This study provides a framework for complementing H3 with THUMS for HGV occupant safety with emphasis on the importance of using local injury criteria for functional injury prediction, i.e. prediction of injury risk using parameters directly related to rib fracture or organ rupture. Local injury criteria are thus a powerful safety assessment tool as it is independent on exterior loading such as airbag, steering wheel hub, or seat belt loading. It was noticed that global injury criteria with very localized impacts such as rim impacts have not been studied and will affect rib fracture risk differently than what has been studied using airbag or seat belt restraints. However, improvements are needed to accurately predict thoracic injury risk at a material level by finding more data for the local injury risk functions. Conclusively, it is clear that Hybrid III has insufficient instrumentation and is in need of upgrades to register chest deflections at multiple rib levels. Furthermore, the following are needed: better understanding of global injury criteria specific for HGV occupant safety evaluation, more data for age-dependent (ribs) and rate-dependent (organs) injury risk functions, a tiebreak contact with tangential sliding for better organ kinematics during impacts, and improving the biofidelity of the material models using data from tissue level experiments. / Förarmiljön i lastbilar gentemot personbilar är annorlunda, i detta kontext med avseende på främst ratt- och förarposition som ökar risken för islag med rattkransen för lastbilsförare. Sådana islag är relativt outforskat jämfört med passiv säkerhet för personbilar inom skadebiomekaniken. Tanken bakom användning av humanmodeller är att komplettera nuvarande krockdockor med biomekanisk information. Dessutom är biofideliteten hos en krockdocka vid rattislag relativt okänt, speciellt vid olika revbensnivåer. Därför är målet med detta examensarbete att undersöka thoraxresponsen hos en lastbilsförare genom att använda THUMS v4.0 och Hybrid III (H3) under rattislag med avseende på revbensnivåer (nivå 1-2, 3-4, 6-7, 7-8, och 9-10) och revben, aorta, lever, och mjälte. Enligt författaren verkar användning av lokala riskfunktioner för thoraxskador relativt ostuderat jämfört med den övervägande användningen av globala riskfunktioner som huvudsakligen förutser den mest vanligt förekommande thoraxskadan, nämligen revbensfrakturer. Därför har lokala riskfunktioner skapats för revben och organ, baserat på experimentell data. Uppmätta parametrar var bröstinträngning och kontaktkraft mellan ratt och thorax på global nivå, medan första Green-Lagrange huvudtöjningen användes för att evaluera skaderisken för revben och organ. Materialmodeller för lever och mjälte ommodellerades baserat på experimentell spänning-töjningsdata med Ogdens materialmodell för att ta hänsyn till hyperelasticitet. Töjningshastighetsberoendet inkluderades genom att iterera fram viskoelastiska parametrar. Kontaktmodellering av organ gjordes genom att ändra från glidande kontakt till en låsande kontakt för att minimera orealistisk kontaktseparation under islagsfallen. Resultaten stödjer tidigare studier där H3 visat sig behöva ytterligare givare för att noggrannt kunna registrera bröstinträngning vid olika revbensnivåer bortom dess nuvarande räckvidd, nämligen vid revben 1-2, 7-8, och 9-10. Uppmätt bröstinträngning i THUMS var rimliga för hastighetsfallen men gav inte någon definitiv risk för skada. Faktum är att de globala riskfunktionerna kan överskatta AIS3 risken vid revben 1-2, 7-8, och 9-10. Revbenstöjningarna kunde inte korreleras med bröstinträngningarna. Detta kunde förklaras genom de unika lastfallen som karakteriseras av rena rattislag som främst påverkar sternum och revbensbrosk som i sin tur minimerar deformation av revben. Organtöjningarna indikerar på någon risk för ruptur där mjälten deformerar som mest vid revben 3-4 och 6-7, medan för både levern och aortan sker det vid revben 6-7 och 7-8. Denna studie presenterar ett sätt att komplettera H3 med THUMS inom passiv säkerhet för lastbilsförare med fokus på lokala riskfunktioner för funktionell skadeprediktering dvs. prediktering av skaderisken med hjälp av parametrar som är direkt relaterat till revbensfraktur eller organruptur. Lokala riskfunktioner utgör en kraftfull säkerhetsbedömning som är oberoende av externa lastfall som t.ex. airbag, rattcentrum, eller bälteslast. I denna studie noterades det att de globala riskkriterierna inte har undersökts med väldigt lokala islag som rattislagen utgör och kommer därför att påverka risken för revbensfraktur annorlunda gentemot vad som har studerat, t.ex. airbag eller bältelast. Däremot behövs det mer data för de lokala riskkriterierna för att kunna prediktera thoraxskaderisken med ökad noggrannhet. Avslutningsvis, det är tydligt att Hybrid III har otillräckligt med givare och behöver förbättras för att kunna registrera bröstinträngning vid flera revbensnivåer. Vidare behövs följande: bättre förståelse för globala riskfunktioner anpassat inom passiv säkerhet för lastbilsförare, mer data för åldersberoende (revben) och töjningshastighetsberoende (organ) riskfunktioner, en ”tiebreak” kontakt med tangientiell glidning för bättre organkinematik, och ökad biofidelitet av materialmodeller genom att använda data från vävnadsexperiment.