Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Nghiên cứu số học về hiện tượng tự sinh nhiệt của các elastomer dựa trên tính chất nhiệt độ-viscoelasticity hữu hạn
Tóm tắt
Do các đặc điểm vật liệu điển hình của chúng, các linh kiện elastomer được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật. Trong nhiều trường hợp, các linh kiện này phải chịu các biến dạng chu kỳ lớn dẫn đến hiện tượng hồi tiếp và tự sinh nhiệt do sự tán xạ. Hơn nữa, chúng còn bị tác động bởi nhiệt độ môi trường thay đổi. Nhiệt độ linh kiện tăng cao có thể dẫn đến mất chức năng hoặc thậm chí là hỏng hoàn toàn. Do đó, việc hiểu các nguyên nhân và ảnh hưởng của nhiệt độ tới hạn cũng như xác định chúng sớm trong quá trình phát triển trong điều kiện áp dụng hiệu quả là rất quan trọng. Ngoài thời gian tính toán và độ chính xác, điều này cũng bao gồm nỗ lực thực nghiệm cần thiết để xác định tham số vật liệu và thực hiện các phép đo xác thực. Trong công trình này, hiện tượng sinh nhiệt do sự tán xạ trong các elastomer được điều tra trong một nghiên cứu số học sử dụng mô hình đã được điều chỉnh của tính chất nhiệt độ-viscoelasticity hữu hạn. Để làm điều này, một mô hình vật liệu đơn giản đủ đã được xây dựng và triển khai dưới giả định rằng hành vi của vật liệu là gần như không nén được. Dựa trên điều này, loại và các đặc điểm đặc trưng của hiệu ứng tự sinh nhiệt được xem xét cụ thể, và sự phụ thuộc của nó vào các điều kiện ban đầu và biên nhiệt độ và cơ học được nghiên cứu. Do đó, một tham số mới phù hợp được giới thiệu, đặc biệt hữu ích để xác định các tải trọng tới hạn. Tương tự như vậy, việc xác định các phạm vi nhiệt độ nhạy cảm với tán xạ cũng được trình bày. Tính hữu ích của điều kiện cân bằng trạng thái ổn định chung như là điều kiện ban đầu cũng được chỉ ra. Hơn nữa, ảnh hưởng của các thuộc tính vật liệu đến trạng thái cân bằng ổn định lần đầu tiên được chứng minh thông qua các nghiên cứu tham số. Dựa trên những phát hiện này, các khuyến nghị về mô hình hóa, tính toán và tham số hóa thực nghiệm được đề xuất.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Balandraud X, Toussaint E, Le Cam J, Grédiac M, Behnke R, Kaliske M (2011) Application of full-field measurements and numerical simulations to analyze the thermo-mechanical response of a three-branch rubber specimen. Const Models Rubber VII:45–50
Behnke R, Dal H, Kaliske M (2011) An extended tube model for thermo-viscoelasticity of rubberlike materials: theory and numerical implementation. Const Models Rubber VII:87
Behnke R, Kaliske M, Klüppel M (2016) Thermo-mechanical analysis of cyclically loaded particle-reinforced elastomer components: experiment and finite element simulation. Rubber Chem Technol 89(1):154–176
Berardi G, Jaeger M, Martin R, Carpentier C (1996) Modelling of a thermo-viscoelastic coupling for large deformations through finite element analysis. Int J Heat Mass Transf 39(18):3911–3924
Bouery C (2012) Contribution to algorithmic strategies for solving coupled thermo-mechanical problems by an energy-consistent variational approach. Ph.D. thesis
Bröcker C (2013) Materialmodellierung für die simultane Kalt-/Warmumformung auf Basis erweiterter rheologischer Modelle. Kassel University Press GmbH, Kassel
Chadwick P (1974) Thermo-mechanics of rubberlike materials. Philos Trans R Soc Lond Ser A Math Phys Sci 276(1260):371–403
Coleman BD, Noll W (1963) The thermodynamics of elastic materials with heat conduction and viscosity. Arch Ration Mech Anal 13:167–178
De Cazenove J, Rade D, De Lima A, Araújo C (2011) A numerical and experimental investigation on self-heating effects in viscoelastic dampers. Mech Syst Signal Process 27:433–445
De Cazenove J, Rade DA, de Lima AMG, Pagnacco E (2010) A study of self-heating effects in viscoelastic damping devices. In: Proceedings of 11 Pan-American congress of applied mechanics, Foz do Iguacu
Dippel B (2015) Experimentelle Charakterisierung, Modellierung und FE-Berechnung thermomechanischer Kopplung. Ph.D. thesis, Universität der Bundeswehr München
Dippel B, Johlitz M, Lion A (2013) Finite thermoviscoelastic behaviour of elastomers—experiments, modelling and Fe simulation. Const Models Rubber VIII:117
Dippel B, Johlitz M, Lion A (2015) Thermo-mechanical couplings in elastomers-experiments and modelling. ZAMM J Appl Math Mech 95(11):1117–1128
Flory P (1961) Thermodynamic relations for high elastic materials. Trans Faraday Soc 57:829–838
Fritsch A (2004) Finite Thermoplastizität: Materialmodellierung und Numerik thermoplastischer Werkstoffe bei finiten Deformationen. VDI-Verlag, Duesseldorf
Glaser S (1992) Berechnung gekoppelter thermomechanischer Prozesse: mit 3 Tabellen. Springer, Berlin
Guo Q, Zaïri F, Baraket H, Chaabane M, Guo X (2017) Pre-stretch dependency of the cyclic dissipation in carbon-filled SBR. Eur Polym J 96:145–158
Guo Q, Zaïri F, Ovalle Rodas C, Guo X (2018) Constitutive modeling of the cyclic dissipation in thin and thick rubber specimens. ZAMM J Appl Math Mech 98(10):1878–1899
Hamkar AW (2013) Eine iterationsfreie Finite-Elemente Methode im Rahmen der finiten Thermoviskoelastizität. Universitätsbibliothek Clausthal, Clausthal-Zellerfeld
Hartmann S (2003) Finite-Elemente-Berechnung inelastischer Kontinua: Interpretation als Algebro-Differentialgleichungssysteme. Inst. für Mechanik, Kassel
Hausmann G, Gergely P (1992) Approximate methods for thermoviscoelastic characterization and analysis of elastomeric lead-lag dampers. 18th European Rotorcraft Forum, Avignon, France
Heimes T (2005) Finite Thermoinelastizität: Experimente, Materialmodellierung und Implementierung in die FEM am Beispiel einer technischen Gummimischung. VDI-Verlag, Dusseldorf
Holzapfel GA, Gasser TC, Stadler M (2002) A structural model for the viscoelastic behavior of arterial walls: continuum formulation and finite element analysis. Eur J Mech A Solids 21(3):441–463
Holzapfel GA, Simo JC (1996) A new viscoelastic constitutive model for continuous media at finite thermomechanical changes. Int J Solids Struct 33(20–22):3019–3034
Jansohn W (1997) Formulierung und integration von stoffgesetzen zur beschreibung großer deformationen in der thermoplastizität und-viskoplastizität. Wissenschaftliche Berichte FZKA
Johlitz M (2015) Zum Alterungsverhalten von Polymeren: Experimentell gestützte, thermo-chemomechanische Modellbildung und numerische Simulation (Habilitation). Universität der Bundeswehr München, Munich
Johlitz M, Dippel B, Lion A (2016) Dissipative heating of elastomers: a new modelling approach based on finite and coupled thermomechanics. Continuum Mech Thermodyn 28(4):1111–1125
Katunin A (2019) Criticality of the self-heating effect in polymers and polymer matrix composites during fatigue, and their application in non-destructive testing. Polymers 11(1):19
Katunin A, Wronkowicz A, Bilewicz M, Wachla D (2017) Criticality of self-heating in degradation processes of polymeric composites subjected to cyclic loading: a multiphysical approach. Arch Civ Mech Eng 17(4):806–815
Khan KA, Muliana AH (2012) Fully coupled heat conduction and deformation analyses of visco-elastic solids. Mech Time-Depend Mater 16(4):461–489
Le Chenadec Y, Stolz C, Raoult I, Charrier P, Delattre B et al (2007) A novel approach to the heat build up problem of rubber. Proceedings of the 5th European Conference on Constitutive Models for Rubber, ECCMR 2007
Le Saux V, Marco Y, Calloch S, Charrier P, Taveau D (2013) Heat build-up of rubber under cyclic loadings: validation of an efficient demarch to predict the temperature fields. Rubber Chem Technol 86(1):38–56
Lin R, Brocks W, Betten J (2006) On internal dissipation inequalities and finite strain inelastic constitutive laws: theoretical and numerical comparisons. Int J Plast 22(10):1825–1857
Lion A (1997) A physically based method to represent the thermo-mechanical behaviour of elastomers. Acta Mech 123(1–4):1–25
Lion A (2000) Thermomechanik von Elastomeren (Habilitation). Institut für Mechanik, Universität Kassel, Kassel
Lubliner J (1985) A model of rubber viscoelasticity. Mech Res Commun 12(2):93–99
Luukkonen A, Sarlin E, Villman V, Hoikkanen M, Vippola M, Kallio M, Vuorinen J, Lepistö T (2009) Heat generation in dynamic loading of hybrid rubber-steel composite structure. In: Proceedings
Masquelier I, Marco Y, Le Sauxa V, Callocha S, Charrier P (2013) Thermal measurements on elastomeric materials: from the characterization of the dissipation gradients to the prediction of the fatigue properties. Procedia Eng 66:661–668
Medalia AI (1991) Heat generation in elastomer compounds: causes and effects. Rubber Chem Technol 64(3):481–492
Méo S, Boukamel A, Débordes O (2002) Analysis of a thermoviscoelastic model in large strain. Comput Struct 80(27–30):2085–2098
Miehe C (1988) Zur numerischen Behandlung thermomechanischer Prozesse, Forschungs-und Seminarberichte aus dem Bereich der Mechanik der Universität Hannover, Bericht nr. F88/6, Hannover
Molinari A, Germain Y (1996) Self heating and thermal failure of polymers sustaining a compressive cyclic loading. Int J Solids Struct 33(23):3439–3462
Mooney M (1940) A theory of large elastic deformation. J Appl Phys 11(9):582–592
Netz T, Hartmann S (2015) A monolithic finite element approach using high-order schemes in time and space applied to finite strain thermo-viscoelasticity. Comput Math Appl 70(7):1457–1480
Park DM, Hong WH, Kim SG, Kim HJ (2000) Heat generation of filled rubber vulcanizates and its relationship with vulcanizate network structures. Eur Polym J 36(11):2429–2436
Reese S (2003) A micromechanically motivated material model for the thermo-viscoelastic material behaviour of rubber-like polymers. Int J Plast 19(7):909–940
Reese S, Govindjee S (1998) A theory of finite viscoelasticity and numerical aspects. Int J Solids Struct 35(26–27):3455–3482
Rennar N, Decker A, Heinz M (2012) Heat-build-up und ultimate mechanische eigenschaften von gefüllten elastomerwerkstoffen. KGK Kautschuk Gummi Kunststoffe 65(4):50–56
Schröder J, Lion A, Johlitz M, Altenbach H, Öchsner A (Eds.) (2019) On the derivation and application of a finite strain thermo-viscoelastic material model for rubber components. In: State of the art and future trends in material modeling. Springer, pp 325–348
Schröder J, Lion A, Johlitz M (2019) Thermoviscoelastic modelling of elastomer components in industrial applications. In: Constitutive models for rubber XI: Proceedings of the 11th European conference on constitutive models for rubber (ECCMR 2019), 25–27 June, 2019, Nantes, France. CRC Press, p 294
Shutov AV, Landgraf R, Ihlemann J (2013) An explicit solution for implicit time stepping in multiplicative finite strain viscoelasticity. Comput Methods Appl Mech Eng 265:213–225
Simo J, Miehe C (1992) Associative coupled thermoplasticity at finite strains: formulation, numerical analysis and implementation. Comput Methods Appl Mech Eng 98(1):41–104
Simo J, Taylor R (1982) Penalty function formulations for incompressible nonlinear elastostatics. Comput Methods Appl Mech Eng 35(1):107–118
Williams ML, Landel RF, Ferry JD (1955) The temperature dependence of relaxation mechanisms in amorphous polymers and other glass-forming liquids. J Am Chem Soc 77(14):3701–3707