УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОЕ КРУЧЕНИЕ С КОНЕЧНЫМИ ДЕФОРМАЦИЯМИ: СРАВНЕНИЕ АНАЛИТИЧЕСКОГО И МКЭ-МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ НЕМОНОТОННО УПРОЧНЯЮЩИХСЯ ПОЛИМЕРОВ

Сведения об авторах
  • Комсомольский-на-Амуре государственный университет, Комсомольск-на-Амуре, Россия
  • Комсомольский-на-Амуре государственный университет, Комсомольск-на-Амуре, Россия

Аннотация

Полимерные материалы в зависимости от структуры и химического состава демонстрируют различные типы изотропного деформационного упрочнения. В том числе в диапазоне пластического деформирования на истинной кривой «деформация – напряжение» может присутствовать нисходящий участок разупрочнения, вызванный ослаблением межмолекулярных связей, сменяющийся далее степенным упрочнением. Законы деформирования материалов могут быть установлены из простых опытов, одним из которых часто выступает кручение. Для кручения тонкостенных цилиндрических образцов напряженно-деформированное состояние практически однородно, поэтому такие опыты просто интерпретировать. Однако при больших деформациях тонкостенных образцов возникают проблемы устойчивости. Для полнотелых цилиндрических образцов напряженное состояние неоднородно, интерпретация таких опытов возможна на базе МКЭ-моделирования или с использованием точных или приближенных аналитических решений соответствующих начально-краевых задач механики. В настоящем исследовании представлено точное аналитическое решение упругопластической задачи кручения цилиндрического образца, справедливое для произвольного закона изотропного упрочнения. В качестве кинематики упругопластического деформирования используется мультипликативная формулировка. Нелинейно-упругие свойства материала описываются моделью Муни – Ривлина. В условии пластического течения используется эквивалентное напряжение Треска, что позволяет получить замкнутое решение. Рассчитаны интегральные характеристики процесса – крутящий момент и осевая сила (эффект второго порядка). Аналитические результаты сопоставлены с результатами численного моделирования в MSC.Marc, а также с доступными экспериментальными данными. Аналитическое решение для крутящего момента очень близко соответствует численному решению методом конечных элементов. Также удовлетворительно совпадают кривые осевой силы. При умеренных деформациях аналитическое решение достаточно точно описывает экспериментальные результаты.

Ключевые слова

кручениеконечные деформацииупругопластическая задачаизотропное упрочнениеполимерыконечно-элементный анализ.

Литература

  1. 1.Haward R.N., Thackray G. The use of a mathematical model to describe isothermal stress-strain curves in glassy thermoplastics // Proceedings of the Royal Society of London A. – 1967. – Vol. 302, no. 1471. – P. 453–72. DOI: 10.1098/rspa.1968.0029 Scholar
  2. 2.Wu P.D., Van Der Giessen E. On improved network models for rubber elasticity and their applications to orientation hardening in glassy polymers // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. – 1993. – Vol. 41. – P. 427–456. DOI: 10.1016/0022- 5096(93)90043-F Scholar
  3. 3.Wu P.D., Van der Giessen E. On large-strain inelastic torsion of glassy polymers // International Journal of Mechanical Sciences. – 1993. – Vol. 35, no. 11. – P. 935–951. DOI: 10.1016/0020-7403(93)90031-O Scholar
  4. 4.Meijer H.E.H., Govaert L.E. Mechanical performance of polymer systems: The relation between structure and properties // Progress in Polymer Science. – 2005. – Vol. 30. – P. 915–938. DOI: 10.1016/j.progpolymci.2005.06.009 Scholar
  5. 5.Cheng L., Guo T.F. Void interaction and coalescence in polymeric materials // International Journal of Solids and Structures. – 2007. – Vol. 44. – P. 1787–1808. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2006.08.007 Scholar
  6. 6.Wu P.D., Neale K.W., Van der Giessen E. Large strain torsion of axially-constrained solid rubber bars // Acta Mechanica Sinica. –1994. – Vol. 10. – P. 136–149. DOI: 10.1007/BF02486584 Scholar
  7. 7.Material parameters identification: Gradient-based, genetic and hybrid optimization algorithms / B.M. Chaparro, S. Thuillier, L.F. Menezes, P.Y.Manach, J.V. Fernandes // Computational Materials Science. – 2008. – Vol. 44, no. 2. – P. 339–346. DOI: 10.1016/j.commatsci.2008.03.028 Scholar
  8. 8.Hosseinzadeh A.R., Mahmoudi A.H. Determination of mechanical properties using sharp macro-indentation method and genetic algorithm // Mechanics of Materials. – 2017. – Vol. 114. – P. 57–68. DOI: 10.1016/j.mechmat.2017.07.004 Scholar
  9. 9.Sevenois R.D.B., Van Papegem W. Fatigue Damage Modeling Techniques for Textile Composites: Review and Comparison with Unidirectional Composite Modeling Techniques // Applied Mechanics Reviews. – 2015. – Vol. 67, iss. 2. – P. 020802. Scholar
  10. 10.Optimization of Chaboche kinematic hardening parameters for 20MnMoNi55 reactor pressure vessel steel by sequenced genetic algorithms maintaining the hierarchy of dependence / S. Mal, S. Bhattacharjee, M. Jana, P. Das, S.K. Acharyya // Engineering Optimization. – 2021. – Vol. 53, no. 2. – P. 335–347. DOI: 10.1080/0305215X.2020.1726340 Scholar

Другие статьи выпуска

Весь выпуск (№ 3, 2023)
Скачать PDF

Информация о статье

Опубликована
03.07.2023
В выпуске
03.07.2023
Выпуск
№ 3 (2023)
Поделиться