On the question of the physical interpretation of material constants of hyperelastic models

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

There is a known demand for hyperelastic deformation models in the design of technical products using elastomeric materials (rubber and rubber-like polyurethanes, silicones, and TPE thermoplastic elastomers), which realize high (up to 500%) reversible deformations and damping capacity under cyclic and impact loading. Such products include car tires, shock absorbers, flexible gears, ''compliance mechanisms'' in robotics, etc. No less relevant and at the same time socially significant is the application of the theory of hyperelasticity for the purpose of developing implantable materials and devices for general, cardiac, and plastic surgery, including the replacement of soft biological tissues (skin, muscles, ligaments, etc.) with their functional analogues in the form of biocompatible synthetic materials. One of the unsolved problems in the mechanics of hyperelastic models remains the physical interpretation of their material constants. In this report, the material constants of the models are compared with the elastic moduli of the materials ($E_{0}$ and $G_{0}$) in the unstrained state. It is verified that for the neo-Hookean model, the relation $\mu=E_{0}/6$ holds, for the 2-parameter Mooney – Rivlin model $C_{01}+C_{10}=E_{0}/6$. It has been established that the same formula is valid for the 3-, 5-, and 9-parameter Mooney – Rivlin models and the nth order polynomial model. For the Ogden model $3\mu\alpha=2E_{0}$, Yeoh $C_{1}=E_{0}/6$, Veronda – Westmann $6(C_{1}C_{2}+C_{3})=E_{0}$. Material constants are indicators of the mechanical stability of hyperelastic models due to the Hill – Drucker condition. Using the example of a biomaterial, the results obtained using the derived formulas are compared with each other and with the indicators of elastic models: linear, bilinear, and exponential. A number of models characterize cases of small deformations unsatisfactorily.

About the authors

Sergey A. Muslov

Russian University of Medicine

ORCID iD: 0000-0002-9752-6804
SPIN-code: 7213-2852
Scopus Author ID: 6507596970
ResearcherId: AAK-9440-2020
4 Dolgorukovskaya St., Moscow 127006, Russia

Pavel Yu. Sukhochev

Lomonosov Moscow State University

ORCID iD: 0000-0002-8004-6011
SPIN-code: 7780-8694
ResearcherId: JKH-7132-2023
Russia, 119991, Moscow, Leninskie Gory, 1

References

  1. Грин А., Адкинс Дж. Большие упругие деформации и нелинейная механика сплошной среды / пер. с англ. Ю. В. Немировского ; под ред. Ю. Н. Работнова. Москва : Мир, 1965. 455 с.
  2. Шмурак М. И., Кучумов А. Г., Воронова Н. О. Анализ гиперупругих моделей для описания поведения мягких тканей организма человека // Master‘s Journal. 2017. № 1. P. 230–243. EDN: YUOPFB.
  3. Melly S. K., Liu L., Liu Y., Leng J. A review on material models for isotropic hyperelasticity // International Journal of Mechanical System Dynamics. 2021. Vol. 1, iss. 1. P. 71–88. DOI: https://doi.org/10.1002/msd2.12013
  4. Ogden R. W., Saccomandi G., Sgura I. Fitting hyperelastic models to experimental data // Computational Mechanics. 2004. Vol. 34. P. 484–502. DOI: https://doi.org/10.1007/s00466-004-0593-y
  5. Zhao Z., Mu X., Du F. Modeling and verification of a new hyperelastic model for rubber-like materials // Mathematical Problems in Engineering. 2019. Vol. 2019. Art. 2832059. DOI: https://doi.org/10.1155/2019/2832059
  6. Khaniki H. B., Ghayesh M. H., Chin R., Amabili M. A review on the nonlinear dynamics of hyperelastic structures // Nonlinear Dynamics. 2022. Vol. 110. P. 963–994. DOI: https://doi.org/10.1007/s11071-022-07700-3
  7. Payan Y., Ohayon J. Preface // Biomechanics of Living Organs: Hyperelastic Constitutive Laws for Finite Element Modeling. Elsevier, 2017. P. xxv–xxvi. DOI: https://doi.org/10.1016/b978-0-12-804009-6.10000-8
  8. Hackett R. M. Hyperelasticity primer. Cham : Springer, 2018. 186 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-73201-5
  9. Kumar N., Rao V. V. Hyperelastic Mooney – Rivlin model: Determination and physical interpretation of material constants // MIT International Journal of Mechanical Engineering. 2016. Vol. 6, iss. 1. P. 43–46.
  10. Hill R. A general theory of uniqueness and stability in elastic-plastic solids // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 1958. Vol. 6, iss. 3. P. 236–249. DOI: https://doi.org/10.1016/0022-5096(58)90029-2
  11. Drucker D. C. A definition of a stable inelastic material // Journal of Applied Mechanics. 1959. Vol. 26, iss. 1. P. 101–106. DOI: https://doi.org/10.1115/1.4011929
  12. Zeng Y. J., Sun X. P., Yang J., Wu W., Xu X., Yan Y. P. Mechanical properties of nasal fascia and periosteum // Clinical Biomechanics. 2003. Vol. 18, iss. 8. P. 760–764. DOI: https://doi.org/10.1016/S0268-0033(03)00136-0
  13. Иванов Д. В., Фомкина О. А. Определение постоянных для моделей нео-Гука и Муни – Ривлина по результатам экспериментов на одноосное растяжение // Математика. Механика. 2008. Вып. 10. С. 114–117. EDN: UIRZIV
  14. Mooney M. A theory of large elastic deformations // Journal of Applied Physics. 1940. Vol. 11, iss. 9. P. 582–592. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1712836
  15. Rivlin R. S. Large elastic deformations of isotropic materials // Collected Papers of R. S. Rivlin / eds. G. I. Barenblatt, D. D. Joseph. New York, NY, Springer, 1997. P. 120–142. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4612-2416-7_10
  16. Ogden R. W., Saccomandi G., Sgura I. Fitting hyperelastic models to experimental data // Computational Mechanics. 2004. Vol. 34, iss. 6. P. 484–502. DOI: https://doi.org/10.1007/s00466-004-0593-y
  17. Yeoh O. H. Some forms of the strain energy function for rubber // Rubber Chemistry and Technology. 1993. Vol. 66, iss. 5. P. 754–771. DOI: https://doi.org/10.5254/1.3538343
  18. Rivlin R. S. Some applications of elasticity theory to rubber engineering // Collected Papers of R. S. Rivlin / eds. G. I. Barenblatt, D. D. Joseph. New York, NY, Springer, 1997. P. 9–16. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4612-2416-7_2
  19. Veronda D. R., Westmann R. A. Mechanical characterizations of skin-finite deformations // Journal of Biomechanics. 1970. Vol. 3, iss. 1. P. 111–124. DOI: https://doi.org/10.1016/0021-9290(70)90055-2
  20. Муслов С. А., Перцов С. С., Арутюнов С. Д. Физико-механические свойства биологических тканей / под ред. О. О. Янушевича. Москва : Практическая медицина, 2023. 456 с.
  21. Муслов С. А., Перцов С. С., Чижмаков Е. А., Асташина Н. Б., Никитин В. Н., Арутюнов С. Д. Упругая линейная, билинейная, нелинейная экспоненциальная и гиперупругие модели кожи // Российский журнал биомеханики. 2023. Т. 27, №3. С. 89–103. DOI: https://doi.org/10.15593/RZhBiomeh/2023.3.07, EDN: QKAJEL

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».