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Material hiperelástico

Curvas tensión-deformación para varios modelos de materiales hiperelásticos.

Un material hiperelástico o elástico verde [1] es un tipo de modelo constitutivo para material idealmente elástico para el cual la relación tensión-deformación se deriva de una función de densidad de energía de deformación . El material hiperelástico es un caso especial de material elástico de Cauchy .

Para muchos materiales, los modelos elásticos lineales no describen con precisión el comportamiento observado del material. El ejemplo más común de este tipo de material es el caucho, cuya relación tensión - deformación se puede definir como no linealmente elástica, isotrópica e incompresible . La hiperelasticidad proporciona un medio para modelar el comportamiento tensión-deformación de dichos materiales. [2] El comportamiento de los elastómeros vulcanizados sin relleno a menudo se ajusta estrechamente al ideal hiperelástico. Los elastómeros rellenos y los tejidos biológicos [3] [4] también suelen modelarse mediante la idealización hiperelástica.

Ronald Rivlin y Melvin Mooney desarrollaron los primeros modelos hiperelásticos, los sólidos Neo-Hookean y Mooney-Rivlin . Desde entonces se han desarrollado muchos otros modelos hiperelásticos. Otros modelos de materiales hiperelásticos ampliamente utilizados incluyen el modelo de Ogden y el modelo de Arruda-Boyce .

Modelos de materiales hiperelásticos.

Modelo de Saint Venant-Kirchhoff

El modelo de material hiperelástico más simple es el modelo de Saint Venant-Kirchhoff, que es solo una extensión del modelo de material elástico geométricamente lineal al régimen geométricamente no lineal. Este modelo tiene la forma general y la forma isotrópica respectivamente.

tensor de rigidez
constantes de Lamé

La función de densidad de energía de deformación para el modelo de Saint Venant-Kirchhoff es

y el segundo estrés de Piola-Kirchhoff se puede derivar de la relación

Clasificación de modelos de materiales hiperelásticos.

Los modelos de materiales hiperelásticos se pueden clasificar como:

  1. descripciones fenomenológicas del comportamiento observado
  2. Modelos mecanicistas derivados de argumentos sobre la estructura subyacente del material.
  3. híbridos de modelos fenomenológicos y mecanicistas

Generalmente, un modelo hiperelástico debería satisfacer el criterio de estabilidad de Drucker . Algunos modelos hiperelásticos satisfacen la hipótesis de Valanis-Landel que establece que la función de energía de deformación se puede separar en la suma de funciones separadas de los tramos principales :

Relaciones tensión-deformación

Materiales hiperelásticos compresibles.

Primera tensión de Piola-Kirchhoff

Si es la función de densidad de energía de deformación, el primer tensor de tensión de Piola-Kirchhoff se puede calcular para un material hiperelástico como

gradiente de deformacióncepa Verde Lagrangiana
tensor de deformación derecho de Cauchy-Green

Segundo estrés de Piola-Kirchhoff

Si es el segundo tensor de tensiones de Piola-Kirchhoff, entonces

cepa Lagrangian Green
tensor de deformación derecho de Cauchy-Green
fórmula de Doyle-Ericksen

estrés de cauchy

De manera similar, el estrés de Cauchy viene dado por

cepa Lagrangian Green
tensor de deformación derecho de Cauchy-Green
implícitamenteizquierdo[7]

Materiales hiperelásticos incompresibles.

Para un material incompresible . Por tanto, la restricción de incompresibilidad es . Para asegurar la incompresibilidad de un material hiperelástico, la función de energía de deformación se puede escribir en la forma:

multiplicador lagrangiano
convertirtensor de tensión de Cauchy

Expresiones para el estrés de Cauchy.

Materiales hiperelásticos isotrópicos compresibles.

Para materiales hiperelásticos isotrópicos , la tensión de Cauchy se puede expresar en términos de las invariantes del tensor de deformación de Cauchy-Green izquierdo (o del tensor de deformación de Cauchy-Green derecho ). Si la función de densidad de energía de deformación es

la izquierda Tensor de deformación de Cauchy-Green
Prueba 1

El segundo tensor de tensión de Piola-Kirchhoff para un material hiperelástico viene dado por

donde es el tensor de deformación de Cauchy-Green derecho y es el gradiente de deformación . La tensión de Cauchy está dada por
dónde . Sean los tres invariantes principales de . Entonces
Las derivadas de las invariantes del tensor simétrico son
Por lo tanto, podemos escribir
Al conectar la expresión para el estrés de Cauchy se obtiene
Usando el tensor de deformación de Cauchy-Green izquierdo y observando que , podemos escribir
Para un material incompresible y por tanto . Entonces
Por lo tanto, el estrés de Cauchy viene dado por
donde es una presión indeterminada que actúa como multiplicador de Lagrange para imponer la restricción de incompresibilidad.

Si, además, tenemos y por tanto

En ese caso, la tensión de Cauchy se puede expresar como
Prueba 2

El gradiente de deformación isocórica se define como , lo que da como resultado que el gradiente de deformación isocórica tenga un determinante de 1; en otras palabras, no tiene estiramiento de volumen. Usando esto se puede definir posteriormente el tensor de deformación isocórico izquierdo de Cauchy-Green . Las invariantes de son

El conjunto de invariantes que se utilizan para definir el comportamiento distorcional son los dos primeros invariantes del tensor isocórico de deformación de Cauchy-Green izquierdo (que son idénticos a los del tensor de estiramiento derecho de Cauchy Green), y se suman a la refriega para describir el comportamiento volumétrico.

Para expresar el estrés de Cauchy en términos de invariantes, recuerde que

La regla de la cadena de diferenciación nos da
Recuerde que el estrés de Cauchy está dado por
En términos de las invariantes tenemos
Sustituyendo las expresiones para las derivadas de en términos de , tenemos
o,
En términos de la parte desviatoria de , podemos escribir
Para un material incompresible y por tanto . Entonces la tensión de Cauchy viene dada por
donde es un término multiplicador de Lagrange similar a la presión indeterminada. Además, si , tenemos y por tanto el estrés de Cauchy se puede expresar como
Prueba 3

Para expresar la tensión de Cauchy en términos de estiramientos , recuerde que

La regla de la cadena da
La tensión de Cauchy está dada por
Al introducir la expresión para la derivada de se obtiene
Usando la descomposición espectral de tenemos
También tenga en cuenta que
Por lo tanto, la expresión para el estrés de Cauchy se puede escribir como
Para un material incompresible y por tanto . Siguiendo a Ogden [1] p. 485, podemos escribir
Se requiere cierto cuidado en esta etapa porque, cuando se repite un valor propio, en general solo es diferenciable de Gateaux , pero no diferenciable de Fréchet . [8] [9] Una derivada tensorial rigurosa sólo se puede encontrar resolviendo otro problema de valores propios.

Si expresamos la tensión en términos de diferencias entre componentes,

Si además de la incompresibilidad tenemos entonces una posible solución al problema requiere y podemos escribir las diferencias de tensión como

Materiales hiperelásticos isotrópicos incompresibles.

Para materiales hiperelásticos isotrópicos incompresibles , la función de densidad de energía de deformación es . La tensión de Cauchy viene dada entonces por

Consistencia con la elasticidad lineal.

La coherencia con la elasticidad lineal se utiliza a menudo para determinar algunos de los parámetros de los modelos de materiales hiperelásticos. Estas condiciones de consistencia se pueden encontrar comparando la ley de Hooke con la hiperelasticidad linealizada en deformaciones pequeñas.

Condiciones de consistencia para modelos hiperelásticos isotrópicos.

Para que los materiales hiperelásticos isotrópicos sean consistentes con la elasticidad lineal isotrópica , la relación tensión-deformación debe tener la siguiente forma en el límite de deformación infinitesimal :

constantes de Lamé[1]
[1]

Si el material es incompresible, entonces las condiciones anteriores pueden expresarse de la siguiente forma.

Condiciones de consistencia para materiales de caucho incompresibles a base de I 1

Muchos elastómeros se modelan adecuadamente mediante una función de densidad de energía de deformación que depende únicamente de . Para tales materiales tenemos . Las condiciones de consistencia para materiales incompresibles se pueden expresar como

Referencias

  1. ^ abcde RW Ogden, 1984, Deformaciones elásticas no lineales , ISBN  0-486-69648-0 , Dover.
  2. ^ Muhr, AH (2005). "Modelado del comportamiento tensión-deformación del caucho". Química y Tecnología del Caucho . 78 (3): 391–425. doi : 10.5254/1.3547890.
  3. ^ Gao, H; Mamá, X; Qi, N; Baya, C; Griffith, BE; Luo, X (2014). "Un modelo de válvula mitral humana no lineal de tensión finita con interacción fluido-estructura". Método numérico Int J Biomed Eng . 30 (12): 1597–613. doi :10.1002/cnm.2691. PMC 4278556 . PMID  25319496. 
  4. ^ Jia, F; Ben Amar, M; Billoud, B; Charrier, B (2017). "Morfoelasticidad en el desarrollo del alga parda Ectocarpus siliculosus: del redondeo celular a la ramificación". Interfaz JR Soc . 14 (127): 20160596. doi :10.1098/rsif.2016.0596. PMC 5332559 . PMID  28228537. 
  5. ^ Arruda, EM; Boyce, MC (1993). "Un modelo tridimensional para el comportamiento de gran estiramiento de materiales elásticos de caucho" (PDF) . J. Mech. Física. Sólidos . 41 : 389–412. doi :10.1016/0022-5096(93)90013-6. S2CID  136924401.
  6. ^ Buche, señor; Silberstein, Minnesota (2020). "Teoría constitutiva mecánica estadística de redes de polímeros: los vínculos inextricables entre distribución, comportamiento y conjunto". Física. Rev. E. 102 (1): 012501. arXiv : 2004.07874 . Código Bib : 2020PhRvE.102a2501B. doi : 10.1103/PhysRevE.102.012501. PMID  32794915. S2CID  215814600.
  7. ^ Y. Basar, 2000, Mecánica continua no lineal de sólidos, Springer, p. 157.
  8. ^ Fox & Kapoor, Tasas de cambio de valores propios y vectores propios , AIAA Journal , 6 (12) 2426–2429 (1968)
  9. ^ Friswell MI. Las derivadas de valores propios repetidos y sus vectores propios asociados. Revista de Vibración y Acústica (ASME) 1996; 118:390–397.

Ver también