Son güncelleme: 29.09.2021
Bu blog yazımızda ilk olarak hiperelastik malzemelerin özelliklerini tanıtmaya çalışacağım. Malzeme davranışının tespit edilmesi için gerekli testleri inceledikten sonra neden SIMULIAworks ürününü tercih etmemiz gerektiği irdelenecektir.
Hiperelastik malzeme modelleri , elastik deformasyonun aşırı derecede büyük olabileceği kauçuk veya kauçuk benzeri malzemeleri (polimerler, biyolojik doku) modellemek için tasarlanmıştır. Kauçuk gibi hiperelastik malzemeler lastikten havacılığa kadar çeşitli endüstrilerde çeşitli yapısal uygulamalar için yaygın olarak kullanılmaktadır. Kauçuk malzemelerin bu kadar fazla kullanılmasının nedeni küçük yükler altında büyük deformasyonların olması ve yük kaldırıldıktan sonra neredeyse hiç kalıcı deformasyona uğramadan eski haline gelmesidir. Hiperelastik malzemeler sıkıştırılamaz olarak kabul edilir.
Kauçuk
Kauçuk, uygulanan kuvvetin kaldırılması sonucunda belli bir zaman dilimi içinde orijinal boyuna dönebilen makromoleküler malzemelere denir.
Katı kauçuğun davranış özellikleri şunlardır:
- Malzeme hacim değişikliklerine güçlü bir şekilde direnir ve hacimsel davranış esasen doğrusal değildir.
- Kayma modülü sıcaklığa bağlıdır, malzeme ısıtıldıkça sertleşir.
- Malzeme gerildiğinde ısı yayar. Malzeme ısıtıldıkça sertleşir.
- Yüksek esnekliğe sahiptir.
- Viskoelastik olduğu için önemli sönümleme özellikleri gösterir.
- Neredeyse sıkıştırılamazdır.
Özellikle otomotiv sektöründe sıklıkla kullanılmaktadır. Üretile kauçuğun %60 lastik imalatında kullanılmaktadır. Akaryakıt hortumları, fren hortumları, cam silecekleri, transmisyon kayışları, aks körükleri, salınım titreşim takozları, izolasyon elemanları vb. başlıca kullanım yerleridir. Beyaz eşya sektöründe kullanılan kauçuk körükler, contalar, sıcak ve soğuk su hortumları, otoyol ve viyadüklerde kullanılan elastomer yataklar, genleşme contaları, içme suyu borularında sızdırmazlık contaları, plastik ve alüminyum doğramaların profil ve contaları, tıpta ve cerrahide kullanılan ince borular, şişme bot ve balonlar, iş ve ameliyat eldivenleri, havaalanı, terminal binaları ve otellerdeki yer kaplamaları, yürüyen merdivenler ve taşıyıcı bantlar, tenis ya da golf toplarında kullanılan kauçuk sektördeki diğer uygulamalara örnek olarak verilebilir.
Aşağıdaki standart testler, hiperelastik modellerde kullanılacak kauçuğun malzeme özelliklerinin değerlerinin elde edilmesi için genellikle oldukça yeterlidir.
Hyperelastik Malzemelere Uygulanan Mekanik Testler
Hiperelastik malzemelerin analizi söz konusu olduğunda malzeme numunelerinin gerilme-gerinim verilerinin toplanmasını gereklidir. Çoğu hiperelastik malzeme modeli, birden fazla gerinim durumu ile temsil edilirse daha iyi performans gösterir. Test uygulamaları sıcaklığa göre karakterize edilmelidir.
Malzeme testlerinde kullanılacak tüm numunelerinin aynı levhalardan kesilerek çıkarılması ve numunelerin döküm yüzeylerinden uzak noktalardan alınması gerekmektedir.
Tek eksenli Çekme Testi
Numune, bir çekme test makinesine monte edilmiş klasik tek eksenli germe çubuğudur. Gerinim, çubuğun daha ince alanında ölçülür. Çubuğun sıkıştırılmış olan daha kalın kısımları çubuğun gerilmesini etkilememelidir. Tek eksenli bir gerilme testi sırasında, numunenin alanı testten önce (yani, deforme olmamış konfigürasyonda) ölçülür ve test ilerledikçe (yani, deforme konfigürasyonda) kuvvet ölçülür. Bu nedenle, deneysel olarak elde edilen gerilme-gerinim eğrisinde çizilen “gerilme” ilk Piola-Kirchhoff (veya Nominal) gerilimidir.
Düzlemsel Gerilim (Pure Shear)
Deney, ilk bakışta çok geniş bir çekme testinden başka bir şey gibi görünmese de, parça eninin boyuna göre kat ve kat uzun olmasından kaynaklı ve malzeme neredeyse sıkıştırılamaz olduğundan, numunede gerilme yönüne 45 derecelik bir açıyla bir saf kayma (shear) durumu test sonucudur.
Hacimsel Sıkıştırma
Küçük bir narinlik oranına sahip olan ve sert bir fikstür içinde kısıtlanmış olan silindirik bir numune, bir hacimsel test konfigürasyonunda sıkıştırılır. Sıkıştırma sırasında gerçek yer değiştirme çok küçüktür ve bu nedenle, aletin kendisinin sertliğini değil, yalnızca numune uyumunu ölçmek için büyük özen gösterilmelidir. Ortaya çıkan gerilim-gerinim eğrisinin başlangıç eğimi, kütle(bulk) modülüdür. Yoğun elastomerler için bu değer tipik olarak, kayma modülününkinden 2-3 kat daha fazladır.
Basit Sıkıştırma
Sıkıştırma deneyi ayrıca elastomerler için popüler bir testtir. Analiz için test yapılırken, saf gerinim durumları istenir ve bu, yoğun malzemeler için sıkıştırmada deneysel olarak elde edilmesi özellikle zordur. Malzeme ile test düzeneği arasındaki sürtünme değeri test sonuçlarını ciddi derecede etkilemektedir. Kauçuk malzemeler için test sonuçları yanıltıcı olabilir.
Bununla birlikte, köpük malzemeler için, numune ile plaka arasındaki sürtünmeden kaynaklanan hata o kadar önemli değildir.
Eşit Çift Eksenli Uzatma
Sıkıştırılamaz veya neredeyse sıkıştırılamaz malzemeler için, bir numunenin eşit çift eksenli uzaması, saf sıkıştırmaya eşdeğer bir gerinim durumu yaratır. Gerçek deney, basit sıkıştırma deneyinden daha karmaşık olsa da, daha doğru bir malzeme modeliyle sonuçlanacak saf bir gerinim durumu elde edilebilir.
Belirli bir malzeme için farklı model parametreleri elde etmek için yapılan testlerin birbiriyle tutarlı özelliklere sahip olması önemlidir, aksi takdirde farklı testlerden elde edilen parametreler analiz yazılımında birleştirildiğinde fiziksel olarak imkansız bir malzeme modeli ortaya çıkabilir. Bu potansiyel problemi önlemenin en iyi yolu, aynı başlangıçta bozulmamış malzeme levhasından basit gerilim, saf kesme ve eşit biaksiyel uzata için numuneleri elde etmektir. Kauçuksu malzemelerin, Mullins etkisi olarak adlandırılan belirli bir hasar fenomeni sergilemesi dikkate değerdir. Bu etki, her döngüde artan deformasyon değerleri ile bir numune üzerinde döngüsel gerilim testleri yapıldığında gözlemlenebilir: malzeme belirli bir gerinim değerine kadar deforme edilir, sonra yüklenir, ardından daha yüksek bir gerilme değerine yeniden yüklenir. Ne zaman yeniden yükleme uygulandığında, bir gerilim yumuşatma etkisini tespit etmek gözlemlemek mümkündür.
SIMULIAworks Malzeme Tanımlama ve Malzeme Kalibrasyonu
Çeşitli hiperelastik modeller, farklı gerinim aralıklarında doğrudur. Hiperelastik malzemeler , gerilme ve gerinim arasındaki ilişkiyi türetmek için gerinim enerjisi yoğunluğu fonksiyonu kullanır. Kullanılan hiperelastik modele bağlı olarak, gerinim %100 ile %700 arasında olduğunda bile stres ve zorlanma arasındaki ilişkiyi doğru bir şekilde modellemelerine olanak tanır. Beklenen gerinim aralığına, formülasyonun hesaplama maliyetine ve gerilim-şekil değiştirme ilişkisinde tanımlamanız gereken veri miktarına bağlı olarak kullanılacak modeli seçmelisiniz. SIMULIAworks içerisinde bir çok malzeme modeli bulunmaktadır. Analiziniz için en uygun malzeme modelini tanımlayabilirsiniz. Ek olarak test verilerinizi material calibration app ile malzeme modeline dönüştürebilirsiniz. 
Hiperelastik malzeme modelinizi geliştirmek için şu önerileri izleyin:
- Simülasyonunuzda meydana gelmesi muhtemel deformasyon modları için test verilerini edinin. Örneğin, bileşeniniz sıkıştırmada yüklenmişse, test verilerinizin çekme yüklemesi yerine sıkıştırma yüklemesini içerdiğinden emin olun.
- Negatif değerler olarak girilen basma gerilmeleri ve gerinimlerle hem çekme hem de basma verilerine izin verilir. Mümkünse, tek bir malzeme modelinin hem çekme hem de basınç verilerine uyumu normalde her bir ayrı test için olduğundan daha az doğru olacağından, uygulamaya bağlı olarak sıkıştırma veya çekme verilerini kullanın.
- Düzlemsel testten test verilerini dahil etmeye çalışın. Bu test, çok önemli olabilecek kesme davranışını ölçer.
- Simülasyon sırasında malzemenin maruz kalmasını beklediğiniz gerinim büyüklüklerinde daha fazla veri sağlayın. Örneğin, malzemede yalnızca küçük çekme gerilmeleri varsa, örneğin %50’nin altındaysa, yüksek gerilme değerlerinde (%100’ün üzerinde) çok fazla test verisi sağlamayın.
Not: Çoğu katı kauçuk malzeme, kayma esnekliklerine kıyasla çok az sıkıştırılabilirliğe sahiptir ve bir FEA simülasyonunda sıkıştırılamaz olarak modellenmiştir. Bu davranış, düzlem gerilimi, kabuk veya zar elemanları ile ilgili bir sorun değildir. Bununla birlikte, düzlem gerinim, eksenel simetrik ve üç boyutlu katı elemanlar gibi diğer elemanları kullanırken sorun olabilir. Örneğin, malzemenin çok sınırlı olmadığı uygulamalarda, malzemenin tamamen sıkıştırılamaz olduğunu varsaymak oldukça tatmin edici olacaktır: malzemenin hacmi, termal genleşme dışında değişemez.
Daha detaylı bilgi için ürün sayfamızı ziyaret edebilir yada bizim ile iletişime geçebilirsiniz.
