The nonlinear Maxwell-type model for viscoelastoplastic materials: simulation of temperature influence on creep, relaxation and strain-stress curves


Cite item

Full Text

Abstract

The nonlinear Maxwell-type constitutive relation with two arbitrary material functions for viscoelastoplastic multi-modulus materials is studied analytically in uniaxial isothermic case to reveal the model abilities and applicability scope and to develop techniques of its identification, tuning and fitting. The constitutive equation is aimed at adequate modeling of the rheological phenomena set which is typical for reonomic materials exhibiting non-linear hereditary properties, strong strain rate sensitivity, secondary creep, yielding at constant stress, tension compression asymmetry and such temperature effects as increase of material compliance, strain rate sensitivity and rates of dissipation, relaxation, creep and plastic strain accumulation with temperature growth. The model is applicable for simulation of mechanical behaviour of various polymers, their solutions and melts, solid propellants, sand-asphalt concretes, composite materials, titanium and aluminum alloys, ceramics at high temperature and so on. To describe the influence of temperature on material mechanical behavior (under isothermic conditions), two scalar material parameters of the model (viscosity coefficient and “modulus of elasticity”) are considered as a functions of temperature level. The general restrictions on their properties which are necessary and sufficient for adequate qualitative description of the basic thermomechanical phenomena related to typical temperature influence on creep and relaxation curves, creep recovery curves, creep curves under stepwise loading and quasi-static stress-strain curves of viscoelastoplastic materials are obtained. The restrictions are derived using systematic analytical study of general qualitative features of the theoretic creep and relaxation curves, creep curves under step-wise loading, long-term strength curves and stress-strain curves at constant strain or stress rates generated by the constitutive equation (under minimal restrictions on material functions) and their comparison to typical test curves of stable viscoelastoplastic materials. It is proved that the viscosity coefficient and the “modulus of elasticity” of the model and their ratio (i.e. relaxation time of the associated linear Maxwell model) should be decreasing functions of temperature. This requirements are proved to provide an adequate qualitative simulation of a dozen basic phenomena expressing an increase of material compliance (a decrease of tangent modulus and yield stress, in particular), strengthening of strain rate sensitivity and acceleration of dissipation, relaxation, creep and plastic strain accumulation with temperature growth.

About the authors

Andrew V Khokhlov

Lomonosov Moscow State University, Institute of Mechanics

Email: andrey-khokhlov@ya.ru
Cand. Techn. Sci.; Senior Researcher; Lab. of Elasticity and Plasticity 1, Michurinsky prospekt, Moscow, 119192, Russian Federation

References

  1. Хохлов А. В. Свойства семейства диаграмм деформирования с постоянной скоростью нагружения, порождаемых нелинейной моделью вязкоупругопластичности типа Максвелла // Машиностроение и инженерное образование, 2017. № 1. С. 14-28.
  2. Хохлов А. В. Свойства нелинейной модели вязкоупругопластичности типа Максвелла с двумя материальными функциями // Вестник Московского университета. Сер. 1. Математика, механика, 2016. № 6. С. 36-41.
  3. Хохлов А. В. Нелинейная модель вязкоупругопластичности типа Максвелла: свойства кривых ползучести при ступенчатых нагружениях и условия накопления пластической деформации // Машиностроение и инженерное образование, 2016. № 3. С. 35-48.
  4. Хохлов А. В. Кривые длительной прочности нелинейной модели вязкоупругопластичности типа Максвелла и правило суммирования поврежденности при ступенчатых нагружениях // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2016. Т. 20, № 3. С. 524-543. doi: 10.14498/vsgtu1512.
  5. Ильюшин А. А., Огибалов П. М. Некоторое обобщение моделей Фойгта и Максвелла // Механика полимеров, 1966. № 2. С. 190-196.
  6. Городцов В. А., Леонов А. И. О кинематике, неравновесной термодинамике и реологических соотношениях в нелинейной теории вязкоупругости // ПММ, 1968. Т. 32, № 1. С. 70-94.
  7. Leonov A. I., Lipkina E. Ch., Paskhin E. D., Prokunin A. N. Theoretical and experimental investigations of shearing in elastic polymer liquids // Rheol. Acta, 1976. vol. 15, no. 7/8. pp. 411-426. doi: 10.1007/BF01574496.
  8. Пальмов В. А. Реологические модели в нелинейной механике деформируемых тел // Успехи механики, 1980. Т. 3, № 3. С. 75-115.
  9. Прокунин А. Н. О нелинейных определяющих соотношениях максвелловского типа для описания движения полимерных жидкостей // ПММ, 1984. Т. 48, № 6. С. 957-965.
  10. Larson R. G. Constitutive Equations for Polymer Melts and Solutions. Boston: Butterworth, 1988. doi: 10.1016/c2013-0-04284-3.
  11. Leonov A. I. Analysis of simple constitutive equations for viscoelastic liquids // Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 1992. vol. 42, no. 3. pp. 323-350. doi: 10.1016/0377-0257(92)87017-6.
  12. Leonov A. I., Prokunin A. N. Non-linear Phenomena in Flows of Viscoelastic Polymer Fluids. London: Chapman and Hall, 1994. xvii+475 pp. doi: 10.1007/978-94-011-1258-1.
  13. Leonov A. I. Constitutive equations for viscoelastic liquids: Formulation, analysis and comparison with data // Rheology Series, 1999. vol. 8. pp. 519-575. doi: 10.1016/S0169-3107(99)80040-9.
  14. Kremple E., Ho K. Inelastic Compressible and Incompressible, Isotropic, Small Strain Viscoplasticity Theory Based on Overstress (VBO) / Handbook of Materials Behavior Models. New York: Academic Press, 2001. pp. 336-348. doi: 10.1016/b978-012443341-0/50037-5.
  15. Работнов Ю. Н. Ползучесть элементов конструкций. М.: Наука, 1966. 752 с.
  16. Малинин Н. Н. Расчеты на ползучесть элементов машиностроительных конструкций. М.: Машиностроение, 1981. 221 с.
  17. Betten J. Creep Mechanics. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2008. xiii+353 pp. doi: 10.1007/b138749.
  18. Локощенко А. М. Ползучесть и длительная прочность металлов. М.: Физматлит, 2016. 504 с.
  19. Васин Р. А., Еникеев Ф. У. Введение в механику сверхпластичности. Уфа: Гилем, 1998. 280 с.
  20. Nieh T. G., Wadsworth J., Sherby O. D. Superplasticity in metals and ceramics / Cambridge Solid State Science Series. Cambridge: Cambridge University Press, 1997. xiv+273 pp. doi: 10.1017/CBO9780511525230.
  21. Segal V. M., Beyerlein I. J., Tome C. N., Chuvil’deev V. N., Kopylov V. I. Fundamentals and Engineering of Severe Plastic Deformation. New York: Nova Science Pub. Inc., 2010. 542 pp.
  22. Cao Y. Determination of the creep exponent of a power-law creep solid using indentation tests // Mech. Time-Depend. Mater., 2007. vol. 11, no. 2. pp. 159-172. doi: 10.1007/s11043-007-9033-6.
  23. Naumenko K., Altenbach H., Gorash Y. Creep Analysis with a Stress Range Dependent Constitutive Model // Arch. Appl. Mech., 2009. vol. 79, no. 6. pp. 619-630. doi: 10.1007/s00419-008-0287-5.
  24. Радченко В. П. Об одной структурной реологической модели нелинейно-упругого материала // Прикладная механика, 1990. Т. 26, № 6. С. 67-74.
  25. Радченко В. П., Шапиевский Д. В. Анализ нелинейной обобщенной модели Максвелла // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2005. № 38. С. 55-64. doi: 10.14498/vsgtu372.
  26. Радченко В. П., Шапиевский Д. В. О дрейфе упругой деформации для нелинейноупругих материалов вследствие ползучести // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2006. № 43. С. 99-105. doi: 10.14498/vsgtu458.
  27. Радченко В. П., Шапиевский Д. В. Математическая модель ползучести микронеоднородного нелинейно-упругого материала // ПМТФ, 2008. Т. 49, № 3. С. 157-163.
  28. Радченко В. П., Андреева Е. А. О дрейфе и эффекте памяти нелинейно-упругой деформации вследствие ползучести для микронеоднородных материалов в условиях одноосного напряженного состояния // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2009. № 2(19). С. 72-77. doi: 10.14498/vsgtu712.
  29. Хохлов А. В. Определяющее соотношение для реологических процессов: свойства теоретических кривых ползучести и моделирование затухания памяти // Известия РАН. МТТ, 2007. № 2. С. 147-166.
  30. Хохлов А. В. Определяющее соотношение для реологических процессов c известной историей нагружения. Кривые ползучести и длительной прочности // Изв. РАН. МТТ, 2008. № 2. С. 140-160.
  31. Хохлов А. В. Качественный анализ общих свойств теоретических кривых линейного определяющего соотношения вязкоупругости // Наука и образование (МГТУ им. Н. Э. Баумана) (электронный журнал), 2016. № 5. С. 187-245. doi: 10.7463/0516.0840650.
  32. Шестериков С. А., Локощенко А. М. Ползучесть и длительная прочность металлов / Итоги науки и техники. Сер. Мех. деформируем. тверд. тела, Т. 13. М.: ВИНИТИ, 1980. С. 3-104.
  33. Радченко В. П., Самарин Ю. П. Влияние ползучести на величину упругой деформации слоистого композита // Механика композитных материалов, 1983. Т. 19, № 2. С. 231-237.
  34. Кнетс И. В., Вилкс Ю. К. Ползучесть компактной костной ткани человека при растяжении // Механика полимеров, 1975. Т. 11, № 4. С. 634-638.
  35. Мелнис А. Э., Лайзан Я. Б. Нелинейная ползучесть компактной костной ткани человека при растяжении // Механика полимеров, 1978. Т. 14, № 1. С. 97-100.
  36. Dandrea J., Lakes R. S. Creep and creep recovery of cast aluminum alloys // Mech. TimeDepend. Mater., 2009. vol. 13, no. 4. pp. 303-315. doi: 10.1007/s11043-009-9089-6.
  37. Хохлов А. В. Кривые ползучести и релаксации нелинейного определяющего соотношения Ю. Н. Работнова для вязкоупругопластичных материалов // Проблемы прочности и пластичности, 2016. Т. 78, № 4. С. 452-466.
  38. Работнов Ю. Н. Некоторые вопросы теории ползучести // Вестник МГУ, 1948. № 10. С. 81-91.
  39. Ильюшин А. А., Победря Б. Е. Основы математической теории термовязкоупругости. М.: Наука, 1970. 280 с.
  40. Виноградов Г. В., Малкин А. Я. Реология полимеров. М.: Химия, 1977. 440 с.
  41. Коларов Д., Балтов А., Бончева Н. Механика пластических сред. М.: Мир, 1979. 304 с.
  42. Кайбышев О. А. Сверхпластичность промышленных сплавов. М.: Металлургия, 1984. 264 с.
  43. Brinson H. F., Brinson L. C. Polymer Engineering Science and Viscoelasticity. Berlin: Springer Science, 2008. xvi+446 pp. doi: 10.1007/978-0-387-73861-1.
  44. Bergstrom J. S. Mechanics of Solid Polymers. Theory and Computational Modeling. Amsterdam: William Andrew is an imprint of Elsevier, 2015. xiv+509 pp. doi: 10.1016/c2013-0-15493-1.
  45. Lin Y. C., Chen X.-M. A critical review of experimental results and constitutive descriptions for metals and alloys in hot working // Materials and Design, 2011. vol. 32, no. 4. pp. 1733-1759. doi: 10.1016/j.matdes.2010.11.048.
  46. Lee W.-S., Lin C.-R. Deformation behavior and microstructural evolution of 7075-T6 aluminum alloy at cryogenic temperatures // Cryogenics, 2016. vol. 79. pp. 26-34. doi: 10. 1016/j.cryogenics.2016.07.007.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2017 Samara State Technical University

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».