Micro-macro approaches to rubbery and glassy polymers : predictive micromechanically-based models and simulations
Micro-macro approaches to rubbery and glassy polymers : predictive micromechanically-based models and simulations
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橡胶和玻璃聚合物的微观宏观方法：基于微机械的预测模型和模拟
DOI：
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发表时间：
2007
期刊：
影响因子：
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通讯作者：
S. Göktepe
中科院分区：
文献类型：
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作者：
S. Göktepe
这项工作涉及物理驱动本构模型的开发，用于描述橡胶和玻璃聚合物的材料行为。本论文的重点是弹性、有限粘弹性、橡胶聚合物中变形引起的 Mullins 型损伤以及无定形玻璃聚合物的有限粘塑性。开发的模型具有微观-宏观转变的内在特征，这反过来又使我们能够通过几何上明确定义的运动学测量和物理驱动的材料参数来整合源自材料微观结构的物理机制。所提出的方法利用了以单位球体为代表的微观结构，即所谓的微球体。微球的表面代表了空间中链方向的连续分布。所提出的本构框架的关键思想可以被认为是一个两步程序，其中结合了单链方向的基于微机械的本构模型的建立以及通过直接评估状态变量的均质化来定义宏观应力响应。微观状态变量的分布以离散的方式定义在空间取向的微球上。所提出的模型还配备了相关的算法程序，这些算法程序以与所采用的积分方案一致的方式执行内部变量的更新以及应力和切线模量的计算。模型的建模性能根据广泛的同质和非同质实验数据进行测试，特别是其预测模拟能力。
我们将根据物理动机的模型来设计橡胶和玻璃聚合物的材料。重要的是，在弹性、有限的粘弹性、变形中，Mullins-Typ Schadigung 在胶粘剂聚合物中产生了非晶形玻璃虎聚合物的有限变形。该模型本质上是微型结构的特殊结构。物理动机材料参数与几何结构有关。 Vorgeschlagen wird eine Mikrostruktur，die durch eine sogenannte Mikrokugel Charakterisiert ist。 Die Oberflache der Mikrokugel stellt die stetige Verteilung der raumlichen Orientierung der Polymerketten dar。前体结构的主要结构包括：微观机械结构的模型、聚合物的结构以及宏观结构的定义。 Zustandesvariablen folgen。 Die Verteilung 和 die raumliche Orientierung der mikroskopischen Zustandsvariablen werden in diskreter Weise auf der Mikrokugel definiert.与算法相关的模型的讨论是基于算法的，是内部变量的实际作用和与跨度的关系和一致的相切模块的关系。该模型的主要特点是均质器和非均质器实验以及模拟方法。
This work is concerned with the development of physically motivated constitutive models for the description of the material behavior of rubbery and glassy polymers. The particular focus of the thesis is placed on elasticity, finite viscoelasticity, deformation-induced Mullins-type damage in rubbery polymers, and finite viscoplasticity of amorphous glassy polymers. The models developed possess the intrinsic character of a micro-macro transition that, in turn, allows us to incorporate the physical mechanisms stemming from a micro-structure of the material through geometrically well defined kinematic measures and in terms of physically motivated material parameters. The proposed approaches make use of a micro-structure that is symbolized by a unit sphere, the so-called micro-sphere. The surface of the micro-sphere represents a continuous distribution of chain orientations in space. A key idea of the proposed constitutive framework may be considered as a two-step procedure that incorporates the set up of micromechanically-based constitutive models for a single chain orientation and the definition of the macroscopic stress response through a directly evaluated homogenization of state variables. The disribution of micro-state variables are defined on the micro-sphere of space orientations in a discrete manner. The proposed models are further furnished with the associated algorithmic procedures that perform the update of internal variables and computation of stresses and tangent moduli in a way consistent with the employed integration scheme. The modeling performance of the models is tested against broad range of homogeneous and inhomogeneous experimental data with particular regard to their predictive simulation capabilities.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von physikalisch motivierten Modellen fur die Beschreibung des Materialverhaltens von gummi- und glasartigen Polymeren. Ein besonderer Fokus dieser Arbeit liegt auf der Elastizitat, finiten Viskoelastizitat, deformationsinduzierten Mullins-Typ Schadigung in gummiartigen Polymeren sowie auf der Viskoplastizitat amorpher glasartiger Polymere bei finiten Deformationen. Die entwickelten Modelle besitzen intrinsische mikro-makro Ubergangseigenschaften die uns erlauben Mechanismen der Mikrostruktur zu berucksichtigen. Physikalisch motivierte Materialparameter folgen aus der geometrischen Betrachtung diese Mechanismen. Vorgeschlagen wird eine Mikrostruktur, die durch eine sogenannte Mikrokugel charakterisiert ist. Die Oberflache der Mikrokugel stellt die stetige Verteilung der raumlichen Orientierung der Polymerketten dar. Die Hauptidee des vorgeschlagenen konstitutiven Rahmens beruht auf zwei Schritten: der Entwicklung eines mikromechanisch motivierten konstitutiven Modells einer einzelnen Polymerkette und der Definition der makroskopischen Spannungen die aus einem homogenisierungsverfahren der Zustandesvariablen folgen. Die Verteilung und die raumliche Orientierung der mikroskopischen Zustandsvariablen werden in diskreter Weise auf der Mikrokugel definiert. Die diskutierten Modelle werden weiter mit den zugehorigen algorithmischen Verfahren ausgestattet, die einerseits die Aktualisierung der internen Variablen durchfuhrt und andererseits die Berechnung von Spannungen und konsistenten Tangentenmodulen bereitstellt. Die Leistungsfahigkeit der Modelle wird anhand zahlreicher Vergleiche homogener und inhomogener Experimente mit den entsprechenden Simulationen gezeigt.