Návrh a validace metod pro komplexní charakterizaci hyperelastických vlastností elastomerů

Gustinna Wadu Rohitha Keerthiwansa

Doctoral thesis

Design and Validation of the Methods for Comprehensive Characterization of the Hyperelastic Properties of Elastomers

Abstract:

This thesis and the research work surrounding it, is oriented towards finding a solution to a problem in obtaining accurate material constants whenever only a single data set (i.e. uniaxial tension test data) is available in hyperelestic material characterization. To begin with, the serious nature of the problem was highlighted through results of set of experiments. There, several material models were tried with two data fitting methods and the inaccuracy of data fitting with single data set could be proved beyond doubt from this exercise. At the next stage, as a preliminary solution to the problem, a suggestion was given in the way of secondary data set generation from available data. The question at this point was about the method which could be adopted to generate the second data set. As an initial trial, exponential function was used with several exponents in order to generate data which could be consequently used as biaxial data. Amid some minor discrepancies, method delivered some promising results. Second approach was sorted in order to get a better trajectory for the generated biaxial data. In this method, initial uniaxial data set was divided in to two segments and each segment was differently addressed. As a result, the trajectory of generated data nearly resembled the real biaxial data. Data fitting preceded the data generation, provided very encouraging results too. However, method had some serious shortcomings such as, unit incompatibility, and lack of use of uniaxial data in the later half. Due to these reasons, the method was not further examined for the use in the work. Final experiments were done with six materials. Base material and other constituents were different in each of these cases and it resulted in varied data distributions in both uniaxial and biaxial data. An exponential function was once again used with a different exponent in finial tests. Proximity of generated data against real biaxial data was statistically tested. For the testing, 95% confidence interval was selected and most of the instances, generated data distribution was within the limit. Situations where, results differed, adjustment of confidence interval could be proposed with justification considering the hyperelestic material properties. Finally, Mooney-Rivlin model was used for data fitting as to further emphasize the results.

Abstract:

Dizertační práce a výzkum provedený v průběhu doktorského studia se zaměřuje na nalezení řešení v oblasti získání přesných materiálových konstant, v případě, že je k dispozici pouze omezený soubor dat k charakterizaci hyperelastických materiálů. Na začátku práce je zdůrazněna závažnost výše zmíněného problému skrze výsledky experimentů. Datové soubory z testování hyperelastických materiálů byly vyhodnoceny na několika materiálových modelech za použití dvou různých metod pro určení hyperelastických konstant. Nepřesnost určení konstant při využití dat pouze z měření jednoosého tahu byla jasně prokázána. V další fázi výzkumu, bylo navrženo předběžné řešení tohoto problému, a to ve formě generování druhého souboru dat (dvouosý tah) z dostupných dat pro jednoosý tah. Předmětem výzkumu tedy bylo stanovení vhodné metody pro generování druhého datového souboru. Pro prvotní testování byla pro toto generování zvolena exponenciální funkce. Mimo drobné nesrovnalosti, byly výsledky této metody slibné. Dalším krokem řešení bylo v nalezení přesnější funkce pro generovaná biaxiálních dat. V rámci této metody se křivka pro dvouosý tah rozdělila na dva segmenty, přičemž každý segment byl řešen odděleně. Byla získána data, která blízce připomínala skutečný biaxiální datový soubor. Avšak tato metoda vykazovala vážné nedostatky, jako je například nekompatibilita jednotek generovaných dat a nedostatečný počet dat v druhém segmentu. Z těchto důvodů nebyla tato metoda dále použita. Finální experimenty byly provedeny se šesti různými elastomery. Ty se lišily základním materiálem kaučukové směsi a dalšími složkami, což se projevilo v různorodosti jednoosých i dvouosých dat. Shoda generovaných dat se skutečným dvouosým tahem, byla statisticky testována. Pro testování, byl zvolen interval spolehlivosti 95 %, a ve většině případů, byla shoda potvrzena. Pro situace, ve kterých se výsledky lišily, bylo navrženo upravení intervalu spolehlivosti, což bylo odůvodněno hyperelastickými vlastnostmi materiálů. V závěru práce je přínos výsledků ověřen při určení materiálových konstant pro Mooney-Rivlinův hyperelastický model.

Keywords

hyperelestické materiály, analýza experimentálních dat, elastomery, pryž, hustota deformační energie, mechanické vlastnosti, hyperelestické materiálové modely

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 5. 10. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 18. 11. 2020

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Process Engineering / Tools and Processes