基于物理与化学的相场法热化学老化弹性体本构框架
材料科学
2024-01-25 v2
摘要
我们提出一个基于物理与化学的本构框架,利用相场法预测热化学老化弹性体的应力响应并捕捉其脆性失效。在氧气存在下的高温老化使弹性体大分子网络发生复杂化学反应,诱发两种主要机制:断链与交联。化学交联导致了表征老化弹性体脆性响应的刚化行为。本文中,我们首先修正 Helmholtz 自由能以纳入热化学驱动交联过程的影响。随后,我们为本构描述配备相场,通过基于应变的断裂准则捕捉诱发的脆性失效。我们表明所提框架是自洽的,仅需四种主要材料属性,其因热化学老化而产生的演化完全由基于化学表征实验获得的_crosslink density_(交联密度)变化来刻画。所发展的本构框架首先针对均匀杆单轴拉伸情形解析求解,以凸显全部四种材料属性间的相互关联。接着,该框架通过商业有限元软件 Abaqus 中的用户单元子程序(UEL)在有限元(FE)环境下数值实现,以模拟更复杂的几何与载荷状态。最后,框架针对文献中一组实验结果进行验证。对比确认所提本构框架能准确预测热化学老化弹性体的力学响应。进一步给出数值算例以展示演化材料属性对含预制裂纹试样响应的影响。
引用
@article{arxiv.2201.12913,
title = {Physics and chemistry-based constitutive framework for thermo-chemically aged elastomer using phase-field approach},
author = {Aimane Najmeddine and Maryam Shakiba},
journal= {arXiv preprint arXiv:2201.12913},
year = {2024}
}