مطالعه رفتار مکانیکی آمیزه‌های لاستیکی پرشده با دوده با استفاده از مدل ابرکشسان توسعه داده‌شده بر پایه تشدید کرنش

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

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

چکیده

فرضیه: رفتار ابرکشسان آمیزه‌های لاستیکی پرشده با پرکننده‌های تقویتی (دوده) به مقدار پرکننده وابسته است. نظریه‌های پیشین، مبتنی بر ارائه روابط پدیده‌شناسی برای پیش‌بینی این رفتار هستند. در این پژوهش با رویکردی نو بر پایه نظریه تشدیدکرنش، معادله‌های پیشین بسط و توسعه داده‌شده و عملکرد آن‌ها برای پیش‌بینی رفتار آمیزه لاستیکی موردسنجش قرار گرفت.
روش‌ها: شش آمیزه لاستیکی بر پایه کائوچوی SBR‌ تقویت‌شده با مقادیر مختلف دوده (20، 30، 40، 50 و60 پارت دوده) به همراه آمیزه خالص (فاقد) پرکننده تهیه شدند. رفتار مکانیکی این نمونه‌ها در حالت‌های کشش تک‌محوری، فشاری، برشی ساده همراه با تغییرات حجمی با آزمون‌های تجربی تعیین شدند. از مدل مکانیکی Yeoh‌ برای بیان رفتار ابرکشسان آمیزه خالص استفاده که پارامترهای آن به‌کمک برازش داده‌های آزمون کشش تک‌محوری و تغییرات حجمی به‌دست آمدند. دو مدل تشدید کرنش ارائه‌شده توسط Bergstrom ‌ و Boyce‌ و مدل پیشنهادی در این پژوهش درنظر گرفته شدند. پارامترهای مدل پیشنهادی به‌کمک یک الگوریتم کمینه‌سازی به‌همراه زیر برنامه اختصاصی به دست آمدند که برای اولین بار در این پژوهش تهیه‌شده بود. برای سنجش عملکرد مدل پیشنهادی و مقایسه آن با مدل Bergstrom  و Boyce از این مدل‌ها برای شبیه‌سازی سه آزمون کششی، فشاری و برشی ساده استفاده و نتایج با داده‌های تجربی متناظر مقایسه و تحلیل شد.
یافته‌ها: نتایج  نشان داد، بسط و توسعه مدل‌ Bergstrom و Boyce به مدل پیشنهادی در این پژوهش می‌تواند به پیش‌بینی دقیق‌تر رفتار مکانیکی ابرکشسان آمیزه‌ها شود. ضمن آنکه برای هر آمیزه لاستیکی باید پارامترهای مدل تشدید کرنش خاص هر آمیزه به‌طور جداگانه تعیین شود. همچنین نشان داده شد، تلفیق مدل ابرکشسان Yeoh (که بر پایه رابطه به چگالی انرژی کرنشی با ناوردای اول تانسور تغییر شکل است) با رابطه پیشنهادی جدید برای تشدید کرنش قابلیت بسیار خوبی در پیش‌بینی رفتار درشیوه‌های مختلف بارگذاری دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Study of the Mechanical Behavior of Filled Rubber Compounds using Hyper-Elastic Models Based on Strain Amplification

نویسندگان [English]

  • Mir Hamid Reza Ghoreishy
  • Foroud Abbassi-Sourki
Rubber Processing and Engineering Group, Faculty of Polymer Processing
چکیده [English]

The hyperelastic behavior of the rubber compounds filled with reinforcing fillers (carbon black) is dependent on the filler content. The previous theories for the prediction of the mechanical behavior of these materials are based on phenomenological relationships. In this research, a new approach based on the amplified strain theory is presented and its reliability and applicability are examined for a rubber compound reinforced with different carbon black contents. Six rubber compounds based on SBR reinforced with different carbon black contents (20, 30, 40, 50, and 60phr) as well as the neat compound were prepared. The mechanical behavior of these compounds under uniaxial tension mode, volumetric changes, compression, and simple shear modes were experimentally determined. The Yeoh material model was selected for the neat compound and material constants were calibrated using the uniaxial and volumetric changes data. Two strain amplification relationships were selected including the Bergstrom-Boyce and our newly proposed models. The parameters of the latter model were determined using an optimization algorithm in which a new UHYPER subroutine was developed and linked to Abaqus main code. To assess the proposed model and also the comparison with the Bergstrom-Boyce model the simulation results obtained from the finite element model of the uniaxial, compression, and simple shear tests were compared with their corresponding experimental data. The results showed that hyperelastic behaviors of the filled rubber compounds which were predicted by our developed strain amplified model are more accurate than those obtained by the Bergstrom-Boyce equation. It is also found that the combination of the Yeoh hyperelastic model with our proposed relationship can precisely predict the mechanical behavior under different modes of loadings.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Rubber
  • Mechanical behavior
  • Filler
  • Strain amplification
  • Finite element method