پیاده‌سازی عددی مدل ساختاری هایپرالاستیک-ویسکوپلاستیک برای شبیه‌سازی رفتار مکانیکی پلیمرهای الاستومر گرمانرم با ساختار دو فازی

مقالات آماده انتشار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان ، ایران

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان ، اصفهان ، ایران

چکیده

کاربرد گسترده‌ی الاستومرهای گرمانرم پلی یورتان (TPU) به‌ویژه در صنایع خودروسازی و پزشکی، نیاز به توسعه‌ی مدل‌های عددی دقیق جهت پیش‌بینی پاسخ این مواد دوفازی در مواجهه با بارگذاری‌های مختلف را به‌عنوان یک ضرورت مطرح کرده است. هدف از این مطالعه، شناسایی رفتار تغییر شکل TPUها از طریق انجام آزمایش‌های تجربی و تطبیق یک مدل ماده مناسب با آن و سپس پیاده‌سازی مدل ساختاری در نرم‌افزار اجزای محدودABAQUS/Explicit از طریق زیرروال VUMAT است. چهارچوب مادی پدیده شناختی شامل یک مؤلفه تعادلی برای توصیف پاسخ غیراتلافی هایپرالاستیک فاز نرم آمورف و یک مؤلفه الاستیک-ویسکوپلاستیک برای تغییرات در فاز سخت بلورین TPU است. در این چارچوب، فاز نرم به‌صورت یک عنصر فنری هایپرالاستیک مدل هشت زنجیره‌ای آرودا-بویس و فاز سخت به‌صورت ترکیبی از یک فنر الاستیک خطی، میراگر ویسکوپلاستیک غیرخطی مدل ری- اِیرینگ اصلاح شده و یک عنصر اصطکاکی مدل‌سازی شده است. صحت پیاده‌سازی مدل با استفاده از آزمون‌های فشار تک‌محوره به‌صورت یکنواخت و چرخه‌ای در نرخ‌ کرنش‌های مختلف در شرایط هم‌دما مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج نشان دادند که با افزایش درصد فاز سخت، TPU رفتارهای پلاستیکی قوی‌تر، با اتلاف انرژی بیشتر و بازیابی شکل کمتر نشان می‌دهد و با اعمال کرنش 0/1- پس از هر چرخه بارگذاری- باربرداری، کرنش پسماندی نشان می‌دهند که حتی تا چند هفته پس از پایان آزمایش هم به‌طورکامل بازیابی نمی‌شود. تطابق بین مدل و داده‌های آزمایشگاهی برای TPUهای نماینده، نه‌تنها بینش فیزیکی از مکانیزم‌های تغییر شکل مواد TPU ارائه داد بلکه قابلیت‌های شبیه‌سازی پدیده‌های اصلی از جمله رفتارهای الاستیک و ویسکو پلاستیک وابسته به زمان و رژیم نرم‌شوندگی را که وابسته به درصد فاز سخت TPU هستند، به‌خوبی توصیف کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical implementation of a hyperelastic-viscoplastic constitutive model to simulate the mechanical behaviour of two segmented thermoplastic elastomer polymers

نویسندگان [English]

  • Ehsan Ahmadi 1
  • Mohammad Rea Forouan 1
  • Peiman Mosaddegh 1
  • Manizheh Aghaei 2
1 Department of Mechanical Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Isfahan university of Technology, Isfahan, Iran
چکیده [English]

Thermoplastic polyurethane (TPU) elastomers are widely used in industries such as automotive and medical due to their unique mechanical properties. However, their complex deformation behavior, resulting from the interaction between soft amorphous and hard crystalline phases, necessitates accurate numerical modeling for reliable prediction under various loading conditions. This study aims to characterize the deformation behavior of TPU through experimental testing and the implementation of a suitable constitutive model. A phenomenological material framework was developed and implemented in the ABAQUS/Explicit finite element software via a user-defined VUMAT subroutine. The model consists of an equilibrium hyperelastic component representing the soft phase, based on the Arruda-Boyce eight-chain model, and a viscoplastic-elastic component for the hard phase. The latter is formulated using a linear elastic spring, a nonlinear viscous damper based on a modified Ree-Eyring model, and a frictional element. The model parameters were calibrated using a series of uniaxial compression tests under monotonic and cyclic loading at various strain rates and room temperature. The results showed that, as the fraction of hard component increased, TPU exhibits stronger plastic behavior, with more energy dissipation and less shape recovery. Moreover with the application of a strain of -1.0 after each loading-unloading cycle, it exhibits a residual strain that is not fully recovered even several weeks after the end of the test. Furthermore, the model demonstrates the capability to simulate TPU response under other loading scenarios such as tension and stress relaxation. This work offers physical insight into the deformation mechanisms of TPU and provides a practical modeling tool for its complex elastomeric-plastic behavior.

کلیدواژه‌ها [English]

  • hyperelastic
روشهای عددی در مهندسی

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از تاریخ 05 شهریور 1404

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار

ارتقاء امنیت وب با وف ایرانی