20105

۲۰۱۰۵

پيش بيني بار پارگي مواد هايپرالاستيك داراي شيار U- شكل با استفاده از معيار چگالي انرژي كرنشي متوسط

كارشناسي ارشد

مكانيك جامدات - طراحي كاربردي

۱۳۹۷

۱۳۹۷/۰۸/۳۰

دكتر مجيدرضا آيت اللهي

مكانيك

امروزه مواد هايپرالاستيك (مانند لاستيك¬ها و الاستومرها)، به خاطر ويژگي¬هاي مكانيكي منحصربه‌فرد خود ازجمله قابليت كشساني زياد و بازگشت¬پذيري تقريباً كامل هنگام باربرداري، موردتوجه بسياري از صنايع و محققين قرارگرفته است. بااين‌حال، وجود هرگونه عامل تمركز تنش در مواد لاستيكي سبب تضعيف عملكرد بهينه اين مواد مي¬شود. ازاين‌رو، پژوهشگران رفتار شكست اين دسته از مواد را موردمطالعه قرار داده¬اند و معيارهايي مبتني بر پارگي مواد لاستيكي ارائه داده¬اند. يكي از معيارهاي ارائه‌شده با دقت بالا، معيار چگالي انرژي كرنشي متوسط (ASED) بوده است كه در پژوهش¬هاي پيشين براي بررسي رفتار شكست مواد هايپرالاستيك در حضور ترك به¬كار برده شده است. از طرف ديگر، شيار U ـ شكل يكي از پركاربردترين شيارهاي مورداستفاده در قطعات لاستيكي است. نواحي اطراف اين نوع شيار به دليل وجود تنش¬هاي زياد، به¬عنوان محتمل¬ترين نواحي براي شروع پارگي شناخته مي¬شوند. بررسي جامع پژوهش¬هاي پيشين نشان مي¬دهد كه تاكنون رفتار شكست قطعات لاستيكي در حضور شيار U ـ شكل موردبررسي قرار نگرفته است. از همين رو، در اين پژوهش به پيش-بيني بار پارگي قطعات لاستيكي داراي شيار U ـ شكل با استفاده از معيار ASED پرداخته شده است. بدين منظور آزمايش‌هاي تجربي براي مواد لاستيكي در حضور شيار U ـ شكل در شعاع¬ها و عمق¬هاي مختلف شيار انجام گرفت. مشاهده تصاوير پارگي نمونه¬ها بعد از آزمون نشان داد كه پارگي نمونه¬ها تقريباً از نوك شيار شروع‌شده و پارگي به‌صورت افقي و عمود بر راستاي بارگذاري است. سپس با استفاده از مدل¬سازي عددي، يك مدل مادي هايپرالاستيك كه بهترين تطابق را با آزمون كشش ساده داشت، به لاستيك موردبررسي اختصاص داده شد. در ادامه، حالت تقريباً تك-محوره تنش در نزديكي نوك شيار و هلالي شكل بودن ناحيه حجم كنترل اطراف شيار Uـ شكل اثبات گرديد. درنهايت معيار ASED به مواد هايپرالاستيك داراي شيار U ـ شكل بسط داده و براي پيش¬بيني بار پارگي نمونه¬هاي مورد آزمون به¬كار گرفته شد. مقايسه نتايج نشان از آن دارد كه ميانگين درصد اختلاف براي شيارهايي با شعاع كم (1 و 5/1 ميلي¬متر) حدود 7 درصد است كه نشان از كارايي بالاي معيار ASED در اين موارد دارد؛ اما براي شيار با شعاع زياد (5/2 ميلي¬متر)، پيش¬بيني معيار تطابق خوبي را با نتايج تجربي نداشته است. دليل عدم كارايي اين معيار براي شيار با شعاع بزرگ، حذف اثر شيار به علت كشيدگي زياد مواد لاستيكي بيان شده است. واژه‌هاي كليدي: معيار چگالي انرژي كرنشي متوسط، مواد هايپرالاستيك، لاستيك، شيار Uـ شكل، مدل¬سازي المان محدود

1397/11/28

Rupture load assessment of hyperelastic materials containing a U-shaped notch using averaged strain energy density criterion

11/21/2018 12:00:00 AM

Nowadays, hyperelastic materials (like rubbers and elastomers) have attracted many attentions due to their unique mechanical properties, including high deformation and almost complete retrieval during unloading. However, presence of any kinds of stress concentration factors in rubbers decreases the optimal performance of these materials. Hence, researchers have studied the fracture behavior of these types of materials and presented some criteria. Average Strain Energy Density (ASED) criterion is one of the high precision criteria utilized recently for the fracture assessment of hyperelastic materials in the presence of a crack. On the other hand, U-shaped notch is one of the most available notches in the rubber components. Due to the existence of high stresses, the regions near the tip of this notch are known as the most likely areas for rupture initiation. So far, the fracture behavior of the rubber parts in the presence of the U-shaped notch has not been investigated. Therefore, prediction of the fracture load of rubber samples containing a U-shaped notch has been investigated in this study using the ASED criterion. To do this, some experiments were carried out for rubber materials in the presence of the U-shaped notch with different radii and depths of the notch. The analysis of the ruptured samples showed that the rupture of the components has nearly initiated from the tip of the notch. Also, the rupture path is horizontal and perpendicular to the loading direction. Afterward and by using finite element modeling, a hyperelastic material model which has the best agreement with the uniaxial tensile data was assigned to the target rubber. Then, the almost uniaxial state of the stress fields near the notch tip and the crescent shape of control volume around the U-shaped notch were proved. Finally, the ASED criterion was extended to be used in the hyperelastic materials weakened by a U-shaped notch. By comparing the estimations of the ASED criterion with the corresponding experimental data, it was found that the average discrepancies for the small-radius notches (i.e., 1 and 1.5mm) was about 7% which indicated the efficacy of the ASED criterion for these samples. However, the predictions of the criterion for U-notches with larger radius (i.e., 2.5mm) was inefficient. The reason for the inefficiency is the elimination of the notch effect due to the high elongation of the rubber materials. Keywords: Average Strain Energy Density (ASED) criterion, Hyperelastic material, Rubber, U-shaped notch, Finite element modeling.