مدل سازی بنیادی رفتار مکانیکی وابسته به نرخ پلیمرهای آمورف حین تغییر شکل با نرخ کرنش های بسیار بالا

پلی کربونیت ها گروه ویژه ای از پلیمرهای ترموپلاستیک می باشند. این مواد به راحتی مورد استفاده قرار گرفته و در معرض حرارت شکل می گیرند. به دلیل مقاومت بالای این مواد در معرض ضربه، کاربردهای متعددی برای آنها در نظر گرفته شده است. وابستگی به نرخ تغییر شکل در رفتار الاستیک، پلاستیک و واماندگی پلیمرها بخوبی شناخته شده است، با این وجود رفتار این مواد تحت شرایط تغییر شکل با نرخ های بالا به خوبی مورد مطالعه قرار نگرفته است. هدف اصلی از این مطالعه گسترش و ارائه مدل های بنیادی ( توصیف کننده رفتار تنش –کرنش) وابسته به نرخ (زمان) برای پلیمرهای شیشه ای یا بی شکل (آمورف) در نرخ کرنش های بسیار بالا می باشد. برنامه پژوهشی در نظر گرفته شده در این مطالعه شامل جنبه های تجربی، تحلیلی(تئوریک) و عددی می باشد که بر پایه دانش نسبتاً وسیعی گسترش یافته است که در منابع بنا نهاده شده اند. در زمینه تجربی این مطالعه، تحقیق در خصوص رفتار ویسکو الاستیک به عنوان یک ضرورت اساسی انتخاب گردیده تا فهم پایه ای کاملتری از انتقال ها در رفتار ماده و در پی آن از ارتباط مابین رفتار ویسکو الاستیک، تنش تسلیم و رفتار تنش- کرنش ماده حاصل گردد. بنابراین نتایج تجربی ای که ضمن غلبه بر مشکلات تکنیکی از تست های میله فشاری هاپکینسون(shpb) در نرخ کرنش های بسیار بالا بدست آمده اند، با آنالیز های حرارتی مکانیکی دینامیکی (dmta) و روش جداسازی/جابجایی/ بازسازی (dsr) توام گردیده اند. چگونگی انجام و نتایج حاصل از این دو گروه از آزمایش ها و آنالیز ها ( تست های میله فشاری هاپکینسون و آنالیزهای حرارتی مکانیکی دینامیکی) در این مطالعه با جزئیات مربوطه ارائه گردیده است. در زمینه تحلیلی(تئوریک) این مطالعه، مفهوم جداسازی و تفکیک مقاومت تغییر شکل ماده به مشارکت فرآیند های ملکولی متفاوت، بستر لازم برای تحلیل و ارائه تکنیک های مدل سازی مورد اشاره را فراهم نموده است. نخست یک مدل بنیادی برای تغییر شکل های بزرگ پلی کربونیت lexantmتحت شرایط نرخ کرنش های بالا (فراتر ازs-1 10000) ارائه گردیده است. با بکارگیری تئوری تسلیم ری- ایرینگ (ree-eyring) و بر پایه مدلی که ابتدا توسط بویس(boyce) و همکارانش معرفی شده است، و با در نظر گرفتن فرض تک دمایی، این مدل برای پیش بینی رفتار تسلیم و پس از تسلیم پلیمرهای آمورف در نرخ کرنش های بالا ارائه گردیده است. مدل پیشنهادی فرآیند تغییر شکل اولیه (فرآیند ?) و دو فرآیند ثانویه ی فعال شونده با نرخ (فرآیندهای ? و?) را در نظر می گیرد. در مقایسه با مدل های گذشته برای اولین بار مشارکت فرآیند های ثانویه در کنار فرآیند اولیه در این مطالعه لحاظ شده و مدل جدیدی پیشنهاد گردیده است. با انجام تست های shpb در نرخ کرنش های بسیار بالا، این امر ممکن گردید که تاثیر مشارکت فرآیندهای ثانویه بخصوص فرآیند ? در پیش بینی های مدل مورد ارزیابی واقع شود. مقایسه های صورت پذیرفته حاکی از آن است که با در نظر گرفتن فرآیندهای ثانویه، پیش بینی مدل بطور چشمگیری ارتقاء یافته است. این موضوع مورد تایید قرار گرفته است که افزودن فرآیند ? ، که به معنای عمل سه فرآیند ایرینگ به موازات یکدیگر است، باعث پیش بینی بهتر مدل در خصوص تنش تسلیم ماده و رفتار تنش-کرنش (پس از تسلیم) در نرخ کرنش های بالاتر از ازs-1 6000 می شود. یک مدل بنیادی آدیاباتیک نیز در این مطالعه برای تغییر شکل های بزرگ پلی کربونیت makrolontm در نرخ کرنش های بالا پیشنهاد گردیده است. در شرایطی که نرخ کرنش به اندازه کافی بزرگ باشد، بطوریکه گرمای ایجاد گردیده در نمونه زمان کافی برای انتقال به محیط پیرامون را نداشته باشد، دمای ماده افزایش می یابد. بسته به جنس ماده انتخاب گردیده، تغییر شکل در نرخ کرنش های بالا ممکن است به طرز قابل توجهی از ثوابت الاستیک وابسته به دما و نرم شوندگی حرارتی تاثیر بپذیرد. با در نظر گرفتن مدل بنیادی تک دمایی (همدمایی) که در این تحقیق ارائه گردیده، یک مدل بنیادی آدیاباتیک برای پیش بینی رفتار تسلیم و پس از تسلیم پلیمرهای آمورف پیشنهاد شده است. با محاسبه گرمای تولید شده و تغییرات دمایی حین شبیه سازی مرحله به مرحله فرآیند تغییر شکل، ثوابت الاستیک وابسته به دما در روابط بنیادین بکار گرفته شده اند. علاوه بر این، پیش بینی بهتری از پدیده نرم شوندگی ضمن ارائه تعریف جدیدی برای پارامترهای نرم شوندگی در مدل پیشنهادی، حاصل گردیده است. مقایسه نتایج پیش بینی های مدل آدیاباتیک با نتایج تجربی و همینطور پیش بینی های مدل همدما، مشخص می سازد که این مدل در تعیین ویژگی های اساسی منحنی تنش-کرنش در نرخ کرنش های بسیار بالا از قابلیت لازم برخودار است. جنبه تحلیلی و عددی این مطالعه پس از گسترش مدل های بنیادی به پیاده سازی مدل های مذکور در کد اجزاء محدود abaqus سوق پیدا کرده است. این مهم با نگارش سابروتین های مقتضی توصیف کننده رفتار ماده (vumat) تحقق یافته است، بطوریکه تلاش فراوانی در خصوص تهیه سابروتین های مناسب صورت پذیرفته است. در یک نگاه کلی، مقایسه نتایج پیش بینی های مدل های پیشنهاد گردیده با نتایج تست های صورت پذیرفته، توانایی مدل های مذکور را در بیان ویژگی های ذاتی منحنی تنش-کرنش همچون نمود الاستیسیته خطی آغازین، بروز تنش تسلیم عمومی، نرم شوندگی کرنش و سخت شوندگی کرنشی حین تغییر شکل با نرخ کرنش های بسیار بالا (فراتر ازs-1 10000) مشخص می سازد.