بررسی کارایی برخی مدل‌های مواد چندجزئی با ابرگران‌روکشسانی و نرم‌شدگی تنش در آمیزه‌های لاستیکی SBR-دوده با دو شیوه بارگذاری

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

تهران، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، پژوهشکده فرایند، گروه لاستیک، صندوق پستی112-14975

چکیده

فرضیه‌: معمولاً برای تعیین پارامترهای مدل‌های مکانیکی در آمیزه‌های لاستیکی از برازش داده‌های تجربی به‌دست‌آمده از آزمون‌های ساده (مانند کشش تک‌محوری) استفاده می‌شود. با توجه به پیچیدگی رفتار مکانیکی این مواد که از معادله‌های چندجزئی ابرگران‌روکشسان همراه با معادله نرم‌شدگی تنش تشکیل‌ شده‌اند، ضروری است تا کارآمدی این معادله‌ها در پیش‌بینی درست و کامل نتایج برای قطعاتی که با شیوه‌های گوناگون زیر بار کشش، فشار و برش قرار می‌گیرند، بررسی و راستی‌آزمایی شوند.
روش‌ها: سه آمیزه لاستیکی بر پایه کائوچوی SBR‌ با مقادیر مختلف دوده ساخته شده و روی آن‌ها آزمون کشش تک‌محوری چرخه‌ای با دو سرعت بارگذاری-باربرداری و تراکم‌پذیری حجمی انجام شد. داده‌های به‌دست‌آمده برازش‌شده روی سه مدل مکانیکی که در آن‌ها رفتارهای ابرکشسان، گران‌رو و نرم‌شدگی تنش لحاظ شده بود، قرارگرفته و پارامترهای هر مدل به‌دست آمدند. انتخاب این مدل‌ها بر اساس پژوهش‌های پیشین انجام شد. به دنبال آن ابتدا تک‌محوری‌بودن آزمون کشش استفاده‌شده راستی‌آزمایی شد و سپس این پارامترها برای شبیه‌سازی قطعه استوانه‌ای ساخته‌شده از آمیزه‌های مزبور به‌کمک روش جزء محدود زیر بار فشاری-تماسی قرارگرفتند. نتایج حاصل از شبیه‌سازی با داده‌های تجربی به‌دست‌آمده از آزمون انجام‌شده روی این نمونه‌ها، مقایسه شدند.
یافته‌ها: نتایج نشان داد، اثربخشی یک مدل در پیش‌بینی رفتار تنش-کرنش یا تنش-زمان در یک حالت یا شیوه بارگذاری تضمینی برای رسیدن به همان دقت در سایر شیوه‌های بارگذاری نیست. طبق نتیجه این مطالعه، برای پیش‌بینی دقیق‌تر باید از معادله‌ پیچیده غیرخطی استفاده کرد. در این مدل‌ها باید افزون بر درنظرگرفتن رفتارهای ابرگران‌روکشسان و نرم‌شدگی تنش، از مدلی که رفتار شبکه پرکننده-پرکننده را نیز درنظر بگیرد، به‌ویژه برای آمیزه‌های دارای مقادیر زیاد دوده استفاده شود. به‌طور مشخص در این کار نشان داده شد، بیشترین دقت به مدلی مربوط است که در آن رفتار گران‌رو کشسان پرکننده-پرکننده به‌صورت جداگانه از رفتار گران‌روکشسان آمیزه پلیمر درنظر گرفته‌ شده باشد. 

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Study on the Effectiveness of Some Multicomponent Material Models with Hyper-viscoelasticity and Stress Softening for SBR/Carbon Black Compounds under two Loading Modes

نویسندگان [English]

  • Mir Hamid Reza Ghoreishy
  • Foroud Abbassi-Sourki
Department of Rubber Processing and Engineering, Faculty of Processing, Iran Polymer and Petrochemical Institute, P.O. Box 14975-112, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Determination of the parameters of the material models for rubber compounds is usually carried out under simple modes such as uniaxial tension. These models are typically consisted of hyper-viscoelastic and stress-softening equations. However, due to the complicated behaviors of rubbery materials, the effectiveness and accuracy of such models under combined loads of tension, compression, and shear should be verified.
Methods: Three rubber compounds were prepared based on SBR reinforced by three different amounts of carbon blacks and underwent uniaxial cyclic under two loading/unloading rates and volumetric tests. The experimental data were used for the determination of parameters of three complex material models using a nonlinear curve fitting method. These models were selected based on the results of our previous findings. We have verified the uniaxial condition of the chosen test method and sample size using finite element method. The computed parameters were employed to simulate cylindrical rubber samples prepared from the same compounds through the finite element method using Abaqus code under compressive-contact loads. The predicted results were next compared with their experimentally measured data.
Findings: The results showed that the effectiveness of a material model in the prediction of stress-strain or stress-time behavior of a rubber compound under a simple load case does not necessarily guarantee that the same level of accuracy is obtained for the other loading modes, especially for highly filled compounds.  It is shown here that to obtain accurate results in such cases, in addition to hyper-viscoelastic and stress softening equations, the material model should include proper terms to consider the effect of the filler-filler interactions into account, especially for highly carbon black-loaded compounds. It is found that the best model is the one in which the viscoelastic behavior of the filler-filler structure is independently included.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Rubber
  • Mechanical behavior
  • Loading modes
  • Finite element method
  • Hyper-viscoelastic

مراجع

  1. Yeoh O.H., Characterization of Elastic Properties of Carbon-Black-Filled Rubber Vulcanizates, Rubber Chem. Technol., 63,792-805, 1990.
  2. Yeoh O.H., Some Forms of the Strain Energy Function for Rubber, Rubber Chem. Technol., 66, 754-771, 1993.
  3. Bergström J., Continuum Mechanics Foundations, Mechanics of Solid Polymers: Theory and Computational Modeling, Elsevier, San Diego, CA, USA, 131-207, 2015.
  4. Arruda E.M. and Boyce M.C., A Three-Dimensional Constitutive Model for the Large Stretch Behavior of Rubber Elastic Materials, J. Mech. Phys. Solids, 41, 389-412, 1993.
  5. Marlow R.S., A General First-Invariant Hyperelastic Constitutive Model, Constitutive Models for Rubber, Swets and Zeitlinger B.V., Lisse, The Netherland, 157-160, 2003.
  6. Ghoreishy M.H.R., An Experimental and Numerical Verification of Different Hyperelastic Material Models for Rubbers Under Tension and Compression Loads, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 22, 273-284, 2009.
  7. Ghoreishy M.H.R., Determination of the Parameters of the Prony Series in Hyper-viscoelastic Material Models Using the Finite Element Method, Mater. Des., 35, 791-797, 2012.
  8. Carroll M.M., A Strain Energy Function for Vulcanized Rubbers, J. Elast., 103, 173-187, 2011.
  9. Melly S.K., Liu L., Liu Y., and Leng J., Improved Carroll’s Hyperelastic Model Considering Compressibility and Its Finite Element Implementation, Acta Mech. Sin., 37, 785-796, 2021.
  10. Carroll M.M., Molecular Chain Networks and Strain Energy Functions in Rubber Elasticity, Philos. Trans. Royal Soc. A, 377, 1-12, 2019.
  11. He H., Zhang Q., Zhang Y., Chen J., Zhang L., and Li F., A Comparative Study of 85 Hyperelastic Constitutive Models for Both Unfilled Rubber and Highly Filled Rubber Nanocomposite Material, Nano Mater. Sci., 4, 64-82, 2022.
  12. Melly S.K., Liu L., Liu Y., and Leng J., A Review on Material Models for Isotropic Hyperelasticity, Int. J. Mech. Syst. Dyn., 1, 71-88, 2021.
  13. Bergström J.S. and Boyce M.C., Constitutive Modeling of the Large Strain Time-Dependent Behavior of Elastomers, J. Mech. Phys. Solids, 46, 931-954, 1998.
  14. Bergström J.S. and Boyce M.C., Large Strain Time-Dependent Behavior of Filled Elastomers, Mech. Mater., 32, 627-644, 2000.
  15. Ayoub G., Zaïri F., Naït-Abdelaziz M., and Gloaguen J-M., Modeling the Low-Cycle Fatigue Behavior of Visco-hyperelastic Elastomeric Materials Using a New Network Alteration Theory: Application to Styrene-Butadiene Rubber, J. Mech. Phys. Solids, 59, 473-495, 2011.
  16. Ayoub G., Zaïri F., Naït-Abdelaziz M., Gloaguen J.M., and Kridli G., A Visco-hyperelastic Damage Model for Cyclic Stress-Softening, Hysteresis and Permanent Set in Rubber Using the Network Alteration Theory,  Int. J. Plast., 54, 19-33, 2014.
  17. Ghoreishy M.H.R. and Abbassi-Sourki F., Development of a New Combined Numerical/Experimental Approach for the Modeling of the Nonlinear Hyper-viscoelastic Behavior of Highly Carbon Black Filled Rubber Compound, Polym. Test., 70, 135-143, 2018.
  18. Ghoreishy M.H.R. and Abbassi-Sourki F., Study the Hyper-viscoelastic and Stress Softening Behaviors of Various SBR/CB Filled Compounds Using a Triple Model, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 33, 339-350, 2020.
  19. Ghoreishy M.H.R. and Abbassi Sourki F., Modeling the Hyperviscoelastic and Stress-Softening Behaviors of S-SBR/CB-Filled Rubber Compound Using a Multicomponent Model, Mech. Time-Depend Mater., 1-24, 2022. DOI:org/10.1007/s11043-022-09550-3
  20. Samaei S., Ghoreishy M.H.R., and Naderi G., Effects of SBR Molecular Structure and Filler Type on the Hyper-viscoelastic Behavior of SBR/BR Radial Tyre Tread Compounds Using a Combined Numerical/Experimental Approach, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 32, 65-78, 2019.
  21. Ghoreishy M.H.R. and Abbassi-Sourki F., Nonlinear Stress Relaxation of Filled Rubber Compounds: A New Theoretical Model and Experimental Investigation, J. Appl. Polym. Sci., 138, 49884, 2021.
  22. Ogden R.W. and Roxburgh D.G., A Pseudo-Elastic Model for the Mullins Effect in Filled Rubber, Proceedings of the Royal Society of London Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 455, 2861-2877, 1999.
  23. Ghoreishy M.H.R. and Abbassi-Sourki F., Development of a New Model Based on Ogden-Roxburgh Model for the Prediction of the Stress-Softening Behavior of Carbon Black-Filled Rubber Compounds, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 35, 69-82, 2022.
  24. Bergström J., Viscoplasticity Models, Mechanics of Solid Polymers: Theory and Computational Modeling, Elsevier, San Diego, CA, USA, 371-436, 2015.
  25. Lazeration J.J., Determination of the Coefficient of Friction of Rubber at Realistic Tire Contact Pressures, Rubber Chem. Technol., 60, 966-974, 1987.
  26. Abaqus, Simulia Corporation, Dassault Systemes, Providence, RI, USA, 2020.
  27. MCalibration, Veryst Engineering, Needham, MA, USA, 2020.
  28. Rao S.S., Engineering Optimization Theory and Practice, 4th ed., John Wiley and Sons, Hoboken, New Jersey, 2009.

 

مجله علوم و تکنولوژی پلیمر
دوره 35، شماره 6 - شماره پیاپی 182
بهمن و اسفند 1401
صفحه 555-564

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار