ارايه يك مدل ساختاري ديناميكي-مايكرومكانيكي جهت پيش بيني رفتار برشي پليمرها و پليمرهاي تقويت‌شده با نانوالياف كربن

A dynamic-micromechanical constitutive model to predict the strain rate dependent shear behavior of neat and reinforced polymers with carbon nanofibers

خواص مكانيكي مواد پليمري بطور قابل توجهي وابسته به نرخ كرنش است. بنابراين، توسعه يك مدل ساختاري وابسته به نرخ كرنش براي بررسي رفتار مكانيكي اين مواد مورد نياز مي‌باشد. در اين تحقيق، ابتدا رفتار برشي پليمر خالص و پليمر تقويت‌شده با نانوالياف كربن تحت نرخ‌هاي بارگذاري مختلف به صورت آزمايشگاهي مورد بررسي قرار گرفته است. سپس مدل ساختاري جانسون-كوك براي درنظر گرفتن رفتار برشي وابسته به نرخ كرنش پليمر خالص اصلاح شده است. در ادامه، با معرفي رابطه‌اي مادي، اثر نرخ كرنش بر رفتار الاستيك ماده بررسي شده است. سپس با تركيب معادله ساختاري جانسون-كوك اصلاح‌شده با مدل مايكرومكانيكي هالپين-‌تساي و با استفاده از نتايج آزمايش پليمر خالص و خواص مكانيكي نانوالياف‌كربن، رفتار مكانيكي وابسته به نرخ كرنش پليمرهاي تقويت‌شده با نانوالياف‌كربن در نرخ كرنش و كسر حجمي دلخواه آن پيش‌بيني مي‌شود. مدل ارايه شده جديد در اين تحقيق، مدل ساختاري ديناميكي-مايكرومكانيكي نام‌گذاري گرديده است. نتايج پيش‌بيني‌شده براي پليمرهاي خالص و تقويت‌شده با نتايج آزمايشگاهي بدست آمده در اين تحقيق و نتايج آزمايشگاهي موجود در مقالات ديگر مقايسه شده است. اين مقايسه‌ها نشان مي‌دهند كه مدل ساختاري فوق به‌خوبي توانايي پيش‌بيني رفتار وابسته به نرخ كرنش پليمرها را داراست.

Mechanical properties of polymeric materials are significantly sensitive to the loading rate. Therefore, it is necessary to develop a dynamic constitutive model to investigate their strain rate dependent mechanical behavior. In this study, first by conducting torsion experiments the shear behavior of neat and reinforced epoxy with carbon nano-fibers (CNFs) was studied experimentally. Then, the Johnson-Cook (J-C) model was modified to be able to model the shear behavior of neat polymers. The strain rate effects on elastic behavior of polymers were considered by introducing a material equation. Then, by combining the modified Johnson-Cook (MJ-C) model with a micromechanical model (Halpin-Tsai model) and using pure polymer experimental tests and mechanical properties of carbon nano fiber, the strain rate dependent mechanical behavior of polymers reinforced with CNFs at arbitrary strain rates and volume fraction of carbon nanofiber has been predicted. The new model presented in this research is called the dynamic-micromechanical constitutive model. The predicted results for the neat and nano-phased polymers were compared with conducted and available experimental results. It has been shown that the present dynamic constitutive model can predict the strain rate dependent mechanical behavior of polymeric materials with good accuracy.