Jump to content

Гиперэластичный материал

Кривые растяжения-деформации для различных моделей гиперупругих материалов.

Гиперэластичный . или зеленый эластичный материал [1] представляет собой тип конститутивной модели идеально упругого материала, для которого взаимосвязь напряжение-деформация выводится из функции плотности энергии деформации . Гиперупругий материал является частным случаем упругого материала Коши .

Для многих материалов линейно-упругие модели неточно описывают наблюдаемое поведение материала. Наиболее распространенным примером такого материала является резина, зависимость напряжения которой от деформации можно определить как нелинейно-упругую, изотропную и несжимаемую . Гиперупругость обеспечивает средство моделирования поведения таких материалов при напряжении и деформации. [2] Поведение ненаполненных вулканизированных эластомеров часто близко соответствует идеалу гиперэластичности. Наполненные эластомеры и биологические ткани [3] [4] также часто моделируются с помощью гиперэластичной идеализации. Помимо использования для моделирования физических материалов, гиперупругие материалы также используются в качестве фиктивных сред, например, в третьем методе контакта со средой .

Рональд Ривлин и Мелвин Муни разработали первые гиперупругие модели — твердые тела Нео-Хука и Муни-Ривлина . С тех пор было разработано множество других гиперэластичных моделей. Другие широко используемые модели гиперупругих материалов включают модель Огдена и модель Арруды-Бойса .

Модели гиперупругих материалов

[ редактировать ]

Модель Сен-Венана – Кирхгофа

[ редактировать ]

Простейшей моделью гиперупругого материала является модель Сен-Венана-Кирхгофа, которая представляет собой расширение геометрически линейной модели упругого материала до геометрически нелинейного режима. Эта модель имеет общий вид и изотропную форму соответственно. где – тензорное сокращение, – второе напряжение Пиолы–Кирхгофа, четвертого порядка – тензор жесткости и представляет собой деформацию Лагранжа Грина, определяемую формулой и константы Ламе , а – единичный тензор второго порядка.

Функция плотности энергии деформации для модели Сен-Венана – Кирхгофа равна

а второе напряжение Пиолы–Кирхгофа можно получить из соотношения

Классификация моделей гиперупругих материалов

[ редактировать ]

Модели гиперупругих материалов можно разделить на:

  1. феноменологические описания наблюдаемого поведения
  2. механистические модели, вытекающие из аргументов об основной структуре материала
  3. гибриды феноменологических и механистических моделей

Как правило, гиперэластичная модель должна удовлетворять критерию устойчивости Друкера .Некоторые гиперупругие модели удовлетворяют гипотезе Валаниса-Ланделя , которая утверждает, что функцию энергии деформации можно разделить на сумму отдельных функций главных растяжений. :

Отношения напряжение-деформация

[ редактировать ]

Сжимаемые гиперэластичные материалы

[ редактировать ]

Первое напряжение Пиолы – Кирхгофа

[ редактировать ]

Если — функция плотности энергии деформации, первый тензор напряжений Пиолы–Кирхгофа можно рассчитать для гиперупругого материала как где градиент деформации . В терминах лагранжевой деформации Грина ( ) В терминах правого тензора деформации Коши–Грина ( )

Второе напряжение Пиолы – Кирхгофа

[ редактировать ]

Если второй тензор напряжений Пиолы – Кирхгофа, тогда В терминах лагранжевой деформации Грина В терминах правого тензора деформации Коши–Грина Вышеупомянутое соотношение также известно как формула Дойла-Эриксена в конфигурации материала.

Коши стресс

[ редактировать ]

Аналогично, напряжение Коши определяется выражением В терминах лагранжевой деформации Грина В терминах правого тензора деформации Коши–Грина Приведенные выше выражения справедливы даже для анизотропных сред (в этом случае понимается, что потенциальная функция неявно зависит от эталонных направленных величин, таких как начальная ориентация волокон). В частном случае изотропии напряжение Коши можно выразить через левый тензор деформации Коши-Грина следующим образом: [7]

Несжимаемые гиперупругие материалы

[ редактировать ]

Для несжимаемого материала . Следовательно, ограничение несжимаемости . Для обеспечения несжимаемости гиперупругого материала функцию энергии деформации можно записать в виде: где гидростатическое давление действует как множитель Лагранжа, обеспечивая соблюдение ограничения несжимаемости. Первое напряжение Пиолы-Кирхгофа теперь становится Этот тензор напряжений впоследствии можно преобразовать в любой другой обычный тензор напряжений, например в тензор напряжений Коши , который определяется выражением

Выражения для напряжения Коши

[ редактировать ]

Сжимаемые изотропные гиперупругие материалы

[ редактировать ]

Для изотропных гиперупругих материалов напряжение Коши можно выразить через инварианты левого тензора деформации Коши – Грина (или правого тензора деформации Коши – Грина ). Если функция плотности энергии деформации равна затем см. на странице левого тензора деформации Коши – Грина ( Определения этих символов ).

Доказательство 1

Второй тензор напряжений Пиолы – Кирхгофа для гиперупругого материала имеет вид где правый тензор деформации Коши–Грина и градиент деформации . Напряжение Коши определяется выражением где . Позволять быть тремя главными инвариантами . Затем Производные инвариантов симметричного тензора являются Поэтому мы можем написать Подстановка выражения для напряжения Коши дает Используя левый тензор деформации Коши – Грина и отмечая, что , мы можем написать Для несжимаемого материала и, следовательно, .Затем Следовательно, напряжение Коши определяется выражением где — это неопределенное давление, которое действует как множитель Лагранжа, обеспечивая соблюдение ограничения несжимаемости.

Если, кроме того, , у нас есть и, следовательно, В этом случае напряжение Коши можно выразить как

Доказательство 2

Градиент изохорной деформации определяется как , в результате чего градиент изохорной деформации имеет определитель 1, другими словами, он не имеет объемного растяжения. Используя это, можно впоследствии определить изохорный левый тензор деформации Коши – Грина. .Инварианты являются Набор инвариантов, которые используются для определения искажающего поведения, представляют собой первые два инварианта изохорного левого тензора тензора деформации Коши – Грина (которые идентичны инвариантам для правого тензора растяжения Коши Грина) и добавляют в бой, чтобы описать объемное поведение.

Чтобы выразить напряжение Коши через инварианты напомни, что Цепное правило дифференциации дает нам Напомним, что напряжение Коши определяется выражением С точки зрения инвариантов у нас есть Подставив выражения для производных с точки зрения , у нас есть или, По девиаторной части , мы можем написать Для несжимаемого материала и, следовательно, .Затемнапряжение Коши определяется выражением где представляет собой неопределенный член множителя Лагранжа, подобный давлению. Кроме того, если , у нас есть и, следовательно,напряжение Коши можно выразить как

Доказательство 3

Чтобы выразить напряжение Коши через растяжение напомни, что Цепное правило дает Напряжение Коши определяется выражением Подставив выражение для производной приводит к Используя разложение спектральное у нас есть Также обратите внимание, что Следовательно, выражение для напряжения Коши можно записать как Для несжимаемого материала и, следовательно, . Вслед за Огденом [1] п. 485, мы можем написать На этом этапе требуется некоторая осторожность, поскольку, когда собственное значение повторяется, оно, как правило, дифференцируемо только по Гато , но не дифференцируемо по Фреше . [8] [9] Строгую тензорную производную можно найти только путем решения другой задачи на собственные значения.

Если выразить напряжение через различия между компонентами, Если помимо несжимаемости мы имеем тогда возможное решение проблемытребует и мы можем записать разницу напряжений как

Несжимаемые изотропные гиперупругие материалы

[ редактировать ]

Для несжимаемых изотропных гиперупругих материалов функция плотности энергии деформации равна . Тогда напряжение Коши определяется выражением где это неопределенное давление. С точки зрения различий в стрессах Если вдобавок , затем Если , затем

Согласованность с линейной эластичностью

[ редактировать ]

Соответствие линейной упругости часто используется для определения некоторых параметров моделей гиперупругих материалов. Эти условия согласованности можно найти, сравнивая закон Гука с линеаризованной гиперупругостью при малых деформациях.

Условия совместности изотропных гиперупругих моделей

[ редактировать ]

Чтобы изотропные гиперупругие материалы соответствовали изотропной линейной упругости , соотношение напряжение-деформация должно иметь следующий вид в пределе бесконечно малой деформации : где константы Ламе . Функция плотности энергии деформации, соответствующая приведенному выше соотношению, равна [1] Для несжимаемого материала и у нас есть Для любой функции плотности энергии деформации для приведения к вышеуказанным формам для малых деформаций необходимо выполнение следующих условий [1]

Если материал несжимаем, то указанные выше условия можно выразить в следующем виде. Эти условия можно использовать для нахождения связи между параметрами заданной гиперупругой модели и модулями сдвига и объемного сжатия.

Условия однородности несжимаемых I 1 резиновых материалов на основе

[ редактировать ]

Многие эластомеры адекватно моделируются функцией плотности энергии деформации, которая зависит только от . Для таких материалов у нас есть .Условия состоятельности несжимаемых материалов при тогда может быть выражено как Второе условие согласованности, приведенное выше, можно получить, заметив, что Эти соотношения затем можно подставить в условие совместности изотропных несжимаемых гиперупругих материалов.

  1. Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и Р.В. Огден, 1984, Нелинейные упругие деформации , ISBN   0-486-69648-0 , Дувр.
  2. ^ Мюр, АХ (2005). «Моделирование деформационного поведения резины». Химия и технология резины . 78 (3): 391–425. дои : 10.5254/1.3547890 .
  3. ^ Гао, Х; Ма, Х; Ци, Н; Берри, К; Гриффит, Британская Колумбия; Ло, X (2014). «Нелинейная модель митрального клапана человека с конечной деформацией и взаимодействием жидкости и структуры» . Int J Numer Methods Biomed Eng . 30 (12): 1597–613. дои : 10.1002/cnm.2691 . ПМЦ   4278556 . ПМИД   25319496 .
  4. ^ Цзя, Ф; Бен Амар, М; Биллоуд, Б; Чарриер, Б. (2017). «Морфоэластичность в развитии бурой водоросли Ectocarpus siliculosus : от округления клеток к ветвлению» . Интерфейс JR Soc . 14 (127): 20160596. doi : 10.1098/rsif.2016.0596 . ПМЦ   5332559 . ПМИД   28228537 .
  5. ^ Арруда, ЕМ; Бойс, MC (1993). «Трехмерная модель поведения резиновых эластичных материалов при большом растяжении» (PDF) . Дж. Мех. Физ. Твердые тела . 41 : 389–412. дои : 10.1016/0022-5096(93)90013-6 . S2CID   136924401 .
  6. ^ Буч, MR; Зильберштейн, Миннесота (2020). «Статистическая механическая конститутивная теория полимерных сетей: неразрывные связи между распределением, поведением и ансамблем». Физ. Преподобный Е. 102 (1): 012501. arXiv : 2004.07874 . Бибкод : 2020PhRvE.102a2501B . дои : 10.1103/PhysRevE.102.012501 . ПМИД   32794915 . S2CID   215814600 .
  7. ^ Ю. Басар, 2000, Нелинейная механика сплошной среды твердого тела, Springer, с. 157.
  8. ^ Фокс и Капур, Скорость изменения собственных значений и собственных векторов , Журнал AIAA , 6 (12) 2426–2429 (1968)
  9. ^ Фрисвелл М.И. Производные повторяющихся собственных значений и связанных с ними собственных векторов. Журнал вибрации и акустики (ASME), 1996 г.; 118:390–397.

См. также

[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: c51a3174fb3cb7ac678a458e3cf2c0bc__1719386040
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/c5/bc/c51a3174fb3cb7ac678a458e3cf2c0bc.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Hyperelastic material - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)