Polymer matrix composites are widely used in many engineering applications as they can be customized to meet a desired performance while not only maintaining low cost but also reducing weight. Polymers can experience viscoelastic-viscoplastic response when subjected to external loadings. Various reinforcements and fillers are added to polymers which bring out more complexity in analyzing the timedependent response. This study formulates an integrated micromechanical model and finite element (FE) analysis for predicting effective viscoelastic-viscoplastic response of polymer based hybrid composites. The studied hybrid system consists of unidirectional short-fiber reinforcements and a matrix system which is composed of solid spherical particle fillers dispersed in a homogeneous polymer constituent. The goal is to predict effective performance of hybrid systems having different compositions and properties of the fiber, particle, and matrix constituents. A combined Schapery's viscoelastic integral model and Valanis's endochronic viscoplastic model is used for the polymer constituent. The particle and fiber constituents are assumed linear elastic. A previously developed micromechanical model of particle reinforced composite is first used to obtain effective mechanical properties of the matrix systems. The effective properties of the matrix are then integrated to a unit-cell model of short-fiber reinforced composites, which is generated using the FE. The effective properties of the matrix are implemented using a user material subroutine in the FE framework. Limited experimental data and analytical solutions available in the literatures are used for comparisons.
Bio-based polyester polyol was synthesized via esterification between azelaic acid and isosorbide. After esterification, bio-based polyurethanes were synthesized using polyester polyol, 1,3-propanediol as the chain extender, and 4,4'-diphenylmethane diisocyanate, in mixing ratios of 1:1:1.5, 1:1:1.8, 1:1:2, and 1:1:2.3. The bio TPU (Thermoplastic Polyurethane) samples were characterized by using FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy), TGA (Thermal Gravimetric Analysis), DSC (Differential Scanning Calorimetry), and GPC (Gel Permeation Chromatography). The mechanical properties (tensile stress and hardness) were obtained by using UTM, a Shore A tester, and a Taber abrasion tester. The viscoelastic properties were tested by an Rubber Processing Analyzer in dynamic strain sweep and dynamic frequency test modes. The chemical resistance was tested with methanol by using the swelling test method. Based on these results, the bio TPU synthesized with the ratio of 1:1:2.3, referred to as TPU 4, showed the highest thermal decomposition temperature, the largest molecular weight, and most compact matrix structure due to the highest ratio of the hard segment in the molecular structure. It also presented the highest tensile strength, the largest elongation, and the best viscoelastic properties among the different bio TPUs synthesized herein.
The development of new techniques for the dynamic measurement of linear viscoelastic properties is an active area of rheometry, and this paper surveys some novel deformation geometries which have been recently reported e.g. oscillating probe-type devices which are imbedded in or placed on the surface of the sample. Small amplitude band-limited pseudorandom noise is used for the displacement signal, with Fourier analysis of the complex waveform of the resistance force yielding the frequency dependent viscoelastic material functions (e.g. storage and loss moduli G", G"). Theoretical calculations of the fundamental equations relating force to displacement and instrument geometry, were carried out with the aid of the correspondence principle of linear viscoelasticity. The rapidity of the tests and flexibility in terms of sample preparation and stiffness mean that this basic technique should find many applications in rheometry. Three examples of oscillatory tests are presented in detail squeeze flow, imbedded needle and concentric sliding cylinder geometries.eometries.
In this article, the effect of different geometrical, materials and load parameters on the transient response of axisymmetric viscoelastic functionally graded annular plates with different boundary conditions are studied. The behavior of the plate is assumed the elastic in bulk and viscoelastic in shear with the standard linear solid model. Also, the graded properties vary through the thickness according to a power law function. Three types of mostly applied transient loading, i.e., step, impulse, and harmonic with different load distribution respect to radius coordinate are examined. The motion equations and the corresponding boundary conditions are extracted by applying the first order shear deformation theory which are three coupled partial differential equations with variable coefficients. The resulting motion equations are solved analytically using the perturbation technique and the generalized Fourier series. The sensitivity of the response to the graded indexes, different transverse loads, aspect ratios, boundary conditions and the material properties are investigated too. The results are compared with the finite element analysis.
An improved method to measure the dynamic viscoelastic properties of elastomers is proposed. The method is based on the analysis of forced oscillation of a cylindrical sample loaded with inertial mass. No special equipment or instrumentation other than the ordinary vibration measurement apparatus is required. Typical measurement of the viscoelastic properties of a silicone rubber $Silastic^{(R)}$ S2 were measured over the wide frequency range from 10 Hz to 3 kHz under the action of wide region of deformation from $10^{-4}%$ to 5%. It was shown that modulus of elasticity and loss tangent fall on the single curves when the ratio of load mass to sample mass changed from 1 to 20.
Pour, H. Rahimi;Arani, A. Ghorbanpour;Sheikhzadeh, Gh.
Steel and Composite Structures
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제24권4호
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pp.499-512
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2017
This paper deals with nonlinear dynamic stability of embedded piezoelectric nano-composite separators conveying pulsating fluid. For presenting a realistic model, the material properties of structure are assumed viscoelastic based on Kelvin-Voigt model. The separator is reinforced with single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) which the equivalent material properties are obtained by mixture rule. The separator is surrounded by elastic medium modeled by nonlinear orthotropic visco Pasternak foundation. The separator is subjected to 3D electric and 2D magnetic fields. For mathematical modeling of structure, three theories of classical shell theory (CST), first order shear deformation theory (FSDT) and sinusoidal shear deformation theory (SSDT) are applied. The differential quadrature method (DQM) in conjunction with Bolotin method is employed for calculating the dynamic instability region (DIR). The detailed parametric study is conducted, focusing on the combined effects of the external voltage, magnetic field, visco-Pasternak foundation, structural damping and volume percent of SWCNTs on the dynamic instability of structure. The numerical results are validated with other published works as well as comparing results obtained by three theories. Numerical results indicate that the magnetic and electric fields as well as SWCNTs as reinforcer are very important in dynamic instability analysis of structure.
비뉴톤 점탄성 Maxwell 요소와 탄성 스프링으로 이루어진 3 요소 비뉴톤 모델로부터 응력완화 식을 유도하였다. 이 식을 응력완화 실험 결과에 적용하여 여러 가지 모델 파라메타를 계산하였다. 모델 파라메타로부터 계산한 이론 곡선은 실험적인 응력완화 곡선과 잘 일치하였다. 비선형 점탄성 모델 파라메타로부터 섬유고분자 물질의 홀부피, 미세구조, 점탄성성질, 역학적인 성질 등을 연구하였다. 응력완화 실험은 용매기를 부착한 인장 시험기를 사용하였으며, 시료는 두 종류의 polyacrylonitrile-polyvinylchloride 공중합체와 또 다른 두 종류의 PVC 모노 필라멘트 섬유를 여러 온도의 공기와 물속에서 응력완화 실험을 하였다.
Two types of bolted lap joints, one with a viscoelastic layer and the other without the viscoelastic layer were chosen to analyze the dynamic characteristics of the joints with the mechanical properties of the bolts in the joints are considered as computational variables. The finite element method was used along with the modal testing to verify the PEM model. The results in the bolted lap joints reveal that the higher the Young's modulus for the bolts we use the higher the natural frequencies we obtain fur the joints. However, the natural frequency differences in the first and second mode are not substantial but become noticeable in the higher modes. Lower natural frequencies were obtained for the bolted lap joints with the viscoelastic layer when compared with those of the bolted lap joints without the viscoelastic layer. And the differences in the natural frequencies for the two types of joints are relatively small in the first and second mode whereas in the higher mode the differences become significant. The loss factors were observed to be significant especially in the second mode for the bolted lap joints with the viscoelastic layer.
Viscoelastic components for vibration isolation or shock absorption in automobiles, machines and buildings are often subject to a high level of static deformation. From the dynamic design point of view, it is requisite to predict dynamic complex stiffness of viscoelastic components accurately and efficiently. To this end, a systematic procedure for complex modulus measurement of the viscoelastic material under large static deformation is often required in the industrial fields. In this paper, dynamic test conditions and procedures for the viscoelastic material under small oscillatory load superimposed on large static deformation are discussed. Various standard test methods are investigated in order to select an adequate test methodology. The influence of fixed boundary condition in the compression tests upon complex stiffness are investigated and an effective correction technique is proposed. Then the uniaxial tension and compression tests are performed and its results are compared with analysis results from conventional constitutive models.
Two types of bolted lap joints, one with a viscoelastic layer and the other without the viscoelastic layer were chosen to analyze the dynamic characteristics of the joints with the mechanical properties of the bolts of the joints being taken as computational variables. The finite element method was used along with the impact hammer technique to verify the FEM model. The results in the bolted lap joints reveal that the higher the Young's Modulus for the bolts are the higher the natural frequencies results for the joints. However, the natural frequency differences in the first and second mode are not substantial but become noticeable in the higher modes. Lower natural frequencies were obtained for the bolted lap joints with the viscoelastic layer when compared with those of the bolted lap joints without the viscoelastic layer. And the differences in the natural frequencies for the two types of joints are relatively small in the first and second mode whereas in the higher mode the differences become significant. The loss factors were observed to be significant especially in the second mode for the bolted lap joints with the viscoelastic layer.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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