Mô hình viscoelastic là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Mô hình viscoelastic mô tả vật liệu có cả đặc tính đàn hồi và nhớt, phản ứng với ứng suất phụ thuộc vào thời gian và tốc độ biến dạng tác động. Các mô hình này được ứng dụng để phân tích creep, relaxation và tổn hao năng lượng trong polymer, mô sinh học và vật liệu mềm kỹ thuật cao.

Định nghĩa và nguyên lý của vật liệu viscoelastic

Mô hình viscoelastic mô tả những vật liệu có cả đặc tính đàn hồi (elasticity) và nhớt (viscosity). Khi chịu biến dạng, vật liệu viscoelastic không phản ứng ngay lập tức như vật liệu đàn hồi thuần túy mà có thời gian đáp ứng, tức là biến dạng phụ thuộc vào thời gian tác dụng lực.

Phản ứng vật liệu với một tác động ngắn hay một tải trọng giữ lâu sẽ khác nhau: có hiện tượng creep (biến dạng tăng dần khi ứng suất giữ cố định) và relaxation (ứng suất giảm dần khi biến dạng giữ cố định). Hiệu ứng hysteresis và tổn hao năng lượng xuất hiện khi vật liệu được tải lặp lại.

Mô hình viscoelastic thường được dùng để mô phỏng polymer, cao su, mô mềm sinh học, chất kết dính, asphalt, và các vật liệu mềm khác; trong nhiều ứng dụng kỹ thuật, việc tính toán phụ thuộc thời gian và phụ thuộc tần số là rất quan trọng.

Ứng dụng thực tiễn của mô hình viscoelastic

Các đại lượng cơ học đặc trưng

Ứng suất (stress) và biến dạng (strain) là hai đại lượng cơ bản, được biểu diễn theo thời gian: σ(t),  ε(t)\sigma(t),\;\varepsilon(t). Biến dạng có thể là tổng hợp của phần đàn hồi và phần nhớt, phụ thuộc vào lịch sử ứng suất trước đó.

Modul phức (dynamic modulus) được dùng để mô tả đáp ứng khi vật liệu bị dao động điều hòa: E(ω)=E(ω)+iE(ω)E^*(\omega) = E'(\omega) + i\,E''(\omega), trong đó E′ là modul lưu trữ năng lượng (storage modulus), E″ là modul tổn hao (loss modulus). Thông số này phụ thuộc vào tần số ω\omega và nhiệt độ.

Hằng số thời gian (relaxation time τ\tau), hằng số nhớt η\eta, modul đàn hồi (E) là các hệ số quyết định cơ chế creep và relaxation; nghiên cứu bằng Dynamic Mechanical Analysis (DMA) cho phép đo E′, E″ và xác định các tham số này. Các mô hình thực nghiệm cũng thường biểu diễn độ trễ biến dạng và ứng suất theo các hàm số mũ và phân số (fractional) để phù hợp thực tế. ([docteur L. Dunn, “Introduction to Viscoelasticity”](https://osf.io/s5u8j/download))

Các mô hình cơ học cơ bản

Mô hình Maxwell: lò xo (spring) và bình nhớt (dashpot) nối tiếp nhau (series). Phương trình đặc trưng cho Maxwell là 1Edσdt+ση=dεdt\frac{1}{E}\frac{d\sigma}{dt} + \frac{\sigma}{\eta} = \frac{d\varepsilon}{dt}. Mô hình Maxwell mô tả tốt relaxation nhưng có hạn chế trong mô phỏng creep dài hạn vì biến dạng tăng tuyến tính không ngừng khi ứng suất duy trì.

Mô hình Kelvin‑Voigt: lò xo và dashpot nối song song (parallel). Phương trình tính stress‑strain dạng σ(t)=Eε(t)+ηdε(t)dt\sigma(t) = E \varepsilon(t) + \eta \frac{d\varepsilon(t)}{dt}. Mô hình này mô phỏng creep tốt nhưng mô tả relaxation sau khi bỏ ứng suất có hạn chế.

Mô hình Zener (Standard Linear Solid): kết hợp Maxwell và Kelvin‑Voigt để có khả năng mô tả cả creep và relaxation. Cấu trúc gồm một lò xo nối tiếp với tổ hợp lò xo + dashpot song song. Các tham số mô hình: E₁, E₂, η; phương trình vi phân cao hơn so với hai mô hình đơn giản trước đó.

Phân tích trong miền thời gian và miền tần số

Phân tích viscoelastic có thể được thực hiện trong miền thời gian hoặc miền tần số, tùy thuộc vào loại tải trọng và mục tiêu mô phỏng. Trong miền thời gian, các phương trình vi phân được dùng để mô tả quan hệ ứng suất – biến dạng, ví dụ như mô hình Maxwell hoặc Zener:

dεdt=ση+1Edσdt\frac{d\varepsilon}{dt} = \frac{\sigma}{\eta} + \frac{1}{E} \frac{d\sigma}{dt}

Trong miền tần số, phản ứng của vật liệu với tải dao động điều hòa được biểu diễn bằng modul động phức E(ω)=E+iEE^*(\omega) = E' + iE'', với:

  • E(ω)E'(\omega): mô tả khả năng tích trữ năng lượng đàn hồi
  • E(ω)E''(\omega): mô tả tổn hao năng lượng do nhớt

Đồ thị phổ viscoelastic có thể thể hiện mối quan hệ giữa E′, E″ và tần số hay nhiệt độ, được xác định thực nghiệm bằng kỹ thuật DMA (Dynamic Mechanical Analysis).

Hiện tượng relaxation và creep

Hai hiện tượng đặc trưng nhất của vật liệu viscoelastic là relaxation và creep. Khi một vật liệu bị nén hoặc kéo rồi giữ cố định biến dạng, ứng suất sẽ giảm dần theo thời gian – hiện tượng này gọi là relaxation. Ngược lại, khi giữ cố định ứng suất, biến dạng sẽ tăng dần – gọi là creep.

Bảng so sánh hai hiện tượng:

Hiện tượngĐiều kiệnĐáp ứng
RelaxationGiữ biến dạng không đổiỨng suất giảm dần
CreepGiữ ứng suất không đổiBiến dạng tăng dần

Các mô hình viscoelastic cho phép tính toán chính xác biến dạng theo thời gian, cần thiết trong thiết kế cấu trúc sử dụng lâu dài hoặc chịu tải dao động như tấm cách âm, lớp asphalt và mô sinh học.

Phụ thuộc nhiệt độ và quy tắc thời gian - nhiệt độ

Phản ứng viscoelastic của vật liệu rất nhạy với nhiệt độ. Vật liệu thường thể hiện đặc tính dẻo hơn ở nhiệt độ cao và cứng hơn ở nhiệt độ thấp. Quy tắc dịch chuyển thời gian – nhiệt độ (Time–Temperature Superposition – TTS) được dùng để mở rộng kết quả thí nghiệm sang dải thời gian rộng hơn.

Biểu thức dịch chuyển nhiệt độ điển hình là phương trình WLF (Williams–Landel–Ferry):

log(aT)=C1(TTr)C2+(TTr)\log(a_T) = -\frac{C_1 (T - T_r)}{C_2 + (T - T_r)}

Trong đó:

  • aTa_T: hệ số dịch chuyển
  • TrT_r: nhiệt độ tham chiếu
  • C1,C2C_1, C_2: hằng số vật liệu phụ thuộc polymer

Kỹ thuật này thường được dùng trong phân tích vật liệu polymer như polybutadiene, epoxy, polyurethane…

Ứng dụng mô hình hóa trong mô phỏng số

Các phần mềm mô phỏng như ABAQUS, ANSYS, COMSOL đã tích hợp mô hình viscoelastic trong module phân tích vật liệu rắn. Mô phỏng FEM (phần tử hữu hạn) sử dụng các thông số đo thực nghiệm (E, η, τ…) để mô hình hóa độ biến dạng phụ thuộc thời gian, tính tổn hao năng lượng và ứng suất nội bộ trong vật liệu mềm hoặc composite.

Các mô hình Maxwell bậc cao hoặc Prony series được sử dụng để khớp dữ liệu thí nghiệm và mô phỏng đáp ứng vật liệu. Prony series có dạng:

E(t)=E+i=1nEiet/τiE(t) = E_\infty + \sum_{i=1}^{n} E_i e^{-t/\tau_i}

Thông qua việc fitting chuỗi số mũ này từ dữ liệu DMA, người dùng có thể mô tả chính xác cả quá trình creep và relaxation.

Thách thức và hướng nghiên cứu hiện đại

Một trong những thách thức lớn là mô hình hóa chính xác các vật liệu có tính phi tuyến (nonlinear viscoelasticity), chẳng hạn như mô sinh học, polymer siêu dẻo hoặc cao su kỹ thuật cao. Trong trường hợp này, các mô hình tuyến tính cổ điển như Kelvin–Voigt hay Maxwell không còn phù hợp.

Các hướng nghiên cứu mới bao gồm:

  • Mô hình viscoelastic phi tuyến dựa trên lý thuyết hyperelastic hoặc phân tử
  • Tích hợp học máy (machine learning) vào dự đoán phản ứng vật liệu
  • Mô hình viscoelastic đa trường: kết hợp với trường nhiệt, điện hoặc từ

Đặc biệt, việc xây dựng các mô hình học sâu (deep learning-based models) để thay thế biểu thức vi phân truyền thống đang là xu hướng mới trong thiết kế vật liệu kỹ thuật số.

Tài liệu tham khảo

  1. ScienceDirect – Viscoelastic Materials
  2. Nature Materials – Nonlinear Viscoelasticity in Polymers
  3. COMSOL – Viscoelasticity Module
  4. ANSYS Mechanical – Viscoelastic Modeling
  5. ScienceDirect – Time-temperature Superposition
  6. Dunn, L. – Introduction to Viscoelasticity (OSF)
  7. PNAS – Soft Tissue Mechanics and Viscoelastic Models

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề mô hình viscoelastic:

Giải pháp giảm thiểu hiện tượng biến dạng kéo dài trên cơ cấu chấp hành điện môi đàn hồi hình trụ
Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự - Tập 101 - Trang 148-154 - 2025
Cơ cấu chấp hành điện môi đàn hồi hình trụ (CDEA) được biết đến như một cấu trúc tự kéo dãn của các cơ cấu chấp hành điện môi đàn hồi (DEA). Tuy nhiên, tính phi tuyến đàn nhớt vốn có của cơ cấu chấp hành dẫn đến hiện tượng biến dạng kéo dài phi tuyến và trễ đàn hồi, gây ra những thách thức trong việc mô hình hóa và điều khiển CDEA. Trong bài báo này, một phương pháp bù ngược được đề xuất nhằm ức c...... hiện toàn bộ
#Cylindrical dielectric elastomer actuator; Viscoelastic creep; Creep compensation.
Nghiên cứu phân tích mô hình viscoelastic hữu hạn được đề xuất bởi Simo: đánh giá phê phán và đề xuất sửa đổi Dịch bởi AI
Continuum Mechanics and Thermodynamics - - Trang 1-22 - 2023
Các thành phần cao su như biên dạng động cơ hoặc biên dạng treo được chịu tải trong quá trình hoạt động với các biến dạng lớn và tải trọng tần số cao. Trong các ứng dụng công nghiệp, phần mềm phân tích phần hữu hạn do đó cần thiết để mô phỏng và dự đoán hành vi của các thành phần này dưới các kịch bản khác nhau của điều kiện tải. Việc sử dụng phần mềm như vậy yêu cầu người dùng phải nhận thức được...... hiện toàn bộ
Tính chất cơ học của tủy sống cổ người - In Vitro Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 24 - Trang 67-74 - 1995
Phản ứng của mô tủy sống đối với tải trọng cơ học chưa được hiểu rõ. Trong nghiên cứu này, các mẫu tủy sống cổ tươi được thu thập từ xác chết trong quá trình khám nghiệm và được thử nghiệm dưới sự kéo trục đơn tại các tỷ lệ ứng suất vừa phải. Các thí nghiệm thư giãn ứng suất được thực hiện với tỷ lệ biến dạng và ứng suất đỉnh trong khoảng sinh lý, tương tự như những gì quan sát được trong tủy sống...... hiện toàn bộ
#tủy sống #cơ học #mô hình viscoelastic #thư giãn ứng suất #ứng suất-biến dạng
Nghiên cứu sự lún một chiều của mô hình đạo hàm phân thức cho đất bão hòa viscoelastic do sự thay đổi mức nước ngầm Dịch bởi AI
KSCE Journal of Civil Engineering - Tập 26 - Trang 4997-5009 - 2022
Lý thuyết Calculus phân thức được giới thiệu vào mô hình Merchant để nghiên cứu đặc tính cơ học của đất bão hòa. Phép biến hình Laplace được áp dụng cho sự lún 1D và các phương trình quy luật constitutive của mô hình Merchant với đạo hàm phân thức của đất bão hòa. Trong miền biến hình, các nghiệm phân tích của ứng suất hiệu dụng và sự lún được đạt được bằng cách giải hệ phương trình đồng thời. Phư...... hiện toàn bộ
#Calculus phân thức #mô hình Merchant #đất bão hòa #lún một chiều #biến hình Laplace #ứng suất hiệu dụng #phương pháp Crump #tham số đất #điều kiện liên tục
Đặc điểm lan truyền của sóng Rayleigh được tạo ra bởi laser trong các cấu trúc phủ - nền có tính chất dị hướng và nhớt đàn hồi Dịch bởi AI
International Journal of Thermophysics - Tập 36 - Trang 1156-1163 - 2014
Đặc điểm lan truyền của sóng Rayleigh được tạo ra bởi laser trong các cấu trúc phủ - nền có tính chất dị hướng và nhớt đàn hồi đã được nghiên cứu định lượng. Dựa trên lý thuyết biến dạng phẳng, các mô hình phần tử hữu hạn để mô phỏng sóng Rayleigh được tạo ra bởi laser trong các cấu trúc phủ - nền đã được thiết lập, trong đó composite nền epoxy kết hợp sợi carbon và nhôm được sử dụng thay thế cho ...... hiện toàn bộ
#sóng Rayleigh #cấu trúc phủ - nền #tính chất dị hướng #nhớt đàn hồi #mô hình phần tử hữu hạn
Resonance chính của dầm viscoelastic đang di chuyển dưới điều kiện cộng hưởng nội tại Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 38 - Trang 1-14 - 2016
Trong điều kiện cộng hưởng nội tại 3:1, phản ứng tuần hoàn ổn định của sự rung động cưỡng bức của một dầm viscoelastic đang di chuyển được nghiên cứu. Hành vi viscoelastic của dầm di chuyển được mô tả bởi mô hình chất rắn tuyến tính tiêu chuẩn, và đạo hàm theo thời gian của vật liệu được áp dụng trong quan hệ cấu trúc viscoelastic. Phương pháp đa quy mô trực tiếp được sử dụng để suy ra các mối qua...... hiện toàn bộ
#dầm viscoelastic #cộng hưởng nội tại #phản ứng tuần hoàn #phương pháp đa quy mô #mô hình chất rắn tuyến tính
Động lực học sóng của giọt perfluorocarbon trong chất lỏng đàn hồi nhớt Dịch bởi AI
Pleiades Publishing Ltd - - 2024
Các tác giả đã phát triển một mô hình toán học và trình bày một nghiên cứu số về sự phát triển của một bọt hơi do bay hơi âm thanh của một giọt perfluorocarbon hình cầu trong một chất lỏng đàn hồi nhớt. Các mô hình lưu biến học tuyến tính như Kelvin–Voigt, Maxwell, Zener và Oldroyd đã được xem xét. Vấn đề giảm xuống thành việc giải một hệ phương trình vi phân thông thường cho bán kính và nhiệt độ ...... hiện toàn bộ
#bằng hơi #droplet #chất lỏng đàn hồi nhớt #mô hình lưu biến học #phương trình vi phân thông thường
Phân tích phần tử biên theo thời gian cho một vết nứt giao diện trong mô hình composite viscoelastic hai chiều unidirectional Dịch bởi AI
International Journal of Fracture Mechanics - Tập 77 - Trang 15-28 - 1996
Các điểm bất lợi kéo căng tại giao diện trong mô hình laminate hai chiều unidirectional bao gồm sợi đàn hồi và ma trận viscoelastic đã được nghiên cứu bằng phương pháp phần tử biên miền theo thời gian. Đầu tiên, các ứng suất singular tại giao diện giữa sợi được liên kết hoàn hảo và ma trận của một laminate unidirectional chịu strain kéo ngang đồng nhất đã được xem xét gần bề mặt tự do, nhưng không...... hiện toàn bộ
#vết nứt giao diện #mô hình composite #sợi đàn hồi #ma trận viscoelastic #ứng suất singular #phương pháp phần tử biên #cường độ ứng suất
Hiệu ứng cộng hưởng của các hợp chất carbon nanotube/graphene nanoplatelet đối với tính chất đàn hồi và viscoelastic của nanocomposite polymer: mô hình vi cơ học dựa trên phần tử hữu hạn Dịch bởi AI
Acta Mechanica - - Trang 1-23 - 2023
Một quy trình vi cơ học được thực hiện bởi phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) đã được phát triển nhằm mục đích khảo sát các hiệu ứng cộng hưởng của hỗn hợp carbon nanotubes (CNTs) và graphene nanoplatelets (GNPs) lên các tính chất đàn hồi và viscoelastic của nanocomposite polymer. Phương pháp yếu tố thể tích đại diện (RVE) được áp dụng nhờ khả năng xem xét các nano-phụ gia khác nhau với kích thước ...... hiện toàn bộ
#carbon nanotubes #graphene nanoplatelets #polymer nanocomposites #finite element method #micromechanics #mechanical properties #creep resistance
Mô hình hóa và nghiên cứu so sánh chùm beam composite laminate viscoelastic - một phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên toán tử Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 25 - Trang 691-710 - 2020
Bài báo này đề xuất một phương pháp lập trình phần tử hữu hạn cho chùm beam composite laminate có độ d damping, xem xét cả lý thuyết chùm beam Euler-Bernoulli và Timoshenko, dựa trên Lý thuyết Độ cứng Tương đương (Equivalent Modulus Theory - EMT) và Kỹ thuật Quy trình Trực tiếp (Direct Procedure Technique - DPT). Một tiếp cận dựa trên toán tử được sử dụng để tích hợp hành vi viscoelastic, dẫn đến ...... hiện toàn bộ
#chùm composite laminate #viscoelastic #phương pháp phần tử hữu hạn #lý thuyết độ cứng tương đương #kỹ thuật quy trình trực tiếp
Tổng số: 22   
  • 1
  • 2
  • 3