19699

۱۹۶۹۹

بررسي گسيختگي قطعات لاستيكي داراي شيار V- شكل ته گرد با معيار چگالي انرژي كرنشي متوسط

كارشناسي ارشد

طراحي كاربردي

۱۳۹۷

۱۳۹۷/۸/۲۹

دكتر مجيدرضا آيت اللهي

مكانيك

چكيده امروزه مواد هايپرالاستيك نظير لاستيك ها و الاستومرها جايگاه مهمي در پژوهش ها و صنايع مرتبط پيداكرده است. ساختمان شبكه اي متشكل از زنجيره هاي پليمري، عامل بروز ويژگي هاي منحصربه‌فردي ازجمله قابليت كشساني بالا، تغيير شكل تماماً الاستيك و رفتار آنتروپي غالب در اين‌گونه مواد شده است. در اين ميان پژوهشگران علاوه بر بررسي شكست مواد ترد در حضور عوامل بروز تمركز تنش، رفتار اين دسته از مواد را نيز مورد مطالعه ي خود قرار داده اند؛ به‌طوري‌كه معيارهايي مبتني بر گسيختگي مواد لاستيكي ارائه‌شده است. از طرف ديگر، يكي از معيارهاي بر پايه انرژي كه به دليل سادگي در استفاده و دقت بالا مورد توجه پژوهشگران قرارگرفته است معيار چگالي انرژي كرنشي متوسط مي باشد. اين معيار كه بيش تر براي مواد ترد مورد استفاده قرارگرفته است، اخيراً براي نمونه هاي لاستيكي داراي ترك نيز بسط داده‌شده است. با بررسي پژوهش هاي پيشين مي توان دريافت كه عليرغم اهميت شيار V شكل ته گرد، پژوهشي در حضور اين نوع عامل تمركز تنش در مواد هايپرالاستيك صورت نپذيرفته است. به همين منظور هدف از پايان نامه ي حاضر، بررسي گسيختگي مواد لاستيكي داراي شيار V شكل ته گرد با بهره گيري از معيار چگالي انرژي كرنشي متوسط مي باشد. اين امر مبتني بر انجام آزمايش هاي تجربي و بررسي هاي عددي بوده است. در فاز تجربي، با تغيير توأمان عمق، زاويه بازشدگي و قطر انتهاي شيار، درمجموع 54 آزمون گسيختگي براي نمونه هاي شياردار صورت پذيرفته است كه در تمامي موارد پارگي از ناحيه ي انتهايي شيار و در مسيري تقريباً افقي (عمود بر راستاي بارگذاري) رخ‌داده است. در ادامه و در فاز عددي پژوهش، با در نظر گرفتن مدل مادي منطبق بر رفتار آزمون كشش ساده نمونه هاي لاستيكي مورد بررسي، پس از تأييد ملزومات لازم جهت به‌كارگيري اين معيار در مواد هايپرالاستيك (نظير حالت تك ‌محوري تنش و هلالي بودن منحني هاي هم تراز چگالي انرژي كرنشي در اطراف نوك شيار)، پارامترهاي مهم معيار مذكور از قبيل چگالي انرژي كرنشي بحراني و شعاع بحراني مشخص شدند. در پايان ميزان جابجايي بحراني نمونه هاي لاستيكي از طريق مدل سازي المان محدود و به‌كارگيري معيار فوق پيش‌بيني‌شده و با نتايج حاصله از انجام آزمون هاي گسيختگي نمونه هاي شياردار مورد مقايسه و بحث قرار گرفت. اختلاف ميانگين كمتر از ده درصد بين نتايج تجربي و تخمين هاي معيار مذكور براي نمونه هاي با قطر شيار كم (2 و 3 ميلي متر) گوياي صحت و دقت معيار مربوطه براي نمونه هاي تأثيرپذير از وجود شيار بوده است. بعلاوه، مشاهده‌شده است كه براي نمونه هاي با قطر شيار بزرگ تر (5 ميلي متر)، اين معيار عملاً كارايي نداشته كه با تحليل هاي صورت پذيرفته، مشخص‌شده است كه در نمونه هاي با قطر شيار 5 ميلي متر، در عمل شيار از بين رفته و وجود شيار در نمونه هاي لاستيكي داراي اين قطر تأثيري نداشته است. درنتيجه، عدم كارايي معيار در اين‌گونه موارد كاملاً توجيه‌پذير است. واژه‌هاي كليدي: نمونه هاي لاستيكي، شيار V شكل ته گرد، مدل مادي هايپرالاستيك، معيار چگالي انرژي كرنشي متوسط، مدل سازي المان محدود.

1397/09/07

Rupture assessment of rubbers weakened by a rounded V-shaped notch using averaged strain energy density criterion

11/28/2018 12:00:00 AM

Abstract Nowadays, hyperelastic materials such as rubbers and elastomers have become increasingly important in research and industry. A network-like structure consisting of polymer chains has led to unique properties such as high deformation, purely elastic deformation, and entropic-driven elasticity behavior in these materials. In this regard, investigators have studied the behavior of these materials in conjunction with the brittle ones in the presence of a factor of stress concentration, so that some criteria for rupture assessment of rubbers have been presented during the last decade. On the other hand, one of the energy-based criteria, which has attracted many attentions due to its convenience in use and high precision, is the averaged energy density criterion (ASED). This criterion, which is mostly used for brittle materials, has been recently extended to be used in cracked rubber samples. By examining of the previous studies, it can be concluded that despite the importance of rounded V-shaped notch, no research has been carried out in the presence of this type of stress concentration in hyperelastic materials. As a consequence, the target of this thesis is to investigate the rupture of rubbers containing a rounded V-shaped notch using the ASED criterion. To this end, some experiments and numerical studies are performed. In the experimental phase, by changing the depth, opening angle, and end radius of the notch, a total number of 54 fracture tests are carried out. It is seen that the rupture in the samples are initiated from the end region of the notch and in a nearly horizontal path (perpendicular to the loading direction). Furthermore and in the numerical phase of the research, a hyperelastic material model which has the best agreement with the tensile test data is selected. Afterwards, by confirming the necessary requirements for the application of the ASED criterion in hyperelastic materials (e.g. the nearly uniaxial state of stress field near the notch tip and crescent-shape of control volume around the notch tip), the main parameters of the criterion (i.e., the values of critical strain energy density and critical radius) are determined. Finally, the critical displacements of the rubber samples estimated by the ASED criterion are compared with the corresponding experimental data and then, a mean discrepancy of less than 10% is achieved for the samples with the small end-notch diameter (i.e., 2 and 3 mm). This finding indicates the accuracy of the criterion for the samples with small end-notch radius. In addition, it is observed that for the samples with a larger end-notch diameter (i.e., 5 mm), the estimations of the criterion are inefficient. It is then justified that for the samples with the end-notch diameter of 5 mm, the notch is practically lost and does not have an effect on the rubber specimen. Keywords: Rubber components, Rounded V-shaped notch, Hyperelastic material model, Averaged strain energy density criterion, Finite element modeling.