Научная статья на тему 'Synthesis of viscoelastic material models (schemes)'

Synthesis of viscoelastic material models (schemes) Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
92
45
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
VISCOELASTIC MODEL / STRUCTURAL SCHEME / HOOKE ELEMENT / NEWTON ELEMENT / MAXWELL MODEL / KELVIN MODEL / ВЯЗКОУПРУГАЯ МОДЕЛЬ / СТРУКТУРНАЯ СХЕМА / ЗВЕНО ГУКА / ЗВЕНО НЬЮТОНА / МОДЕЛЬ МАКСВЕЛЛА / МОДЕЛЬ КЕЛЬВИНА / В'ЯЗКОПРУЖНА МОДЕЛЬ / СТРУКТУРНА СХЕМА / ЛАНКА ГУКА / ЛАНКА НЬЮТОНА / МОДЕЛЬ КЕЛЬВіНА

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Bogomolov V., Raznitsyn I., Bogomolov S.

The principles of structural viscoelastic schemes construction for materials with linear viscoelastic properties in accordance with the given experimental data on creep tests are analyzed. It is shown that there can be only four types of materials with linear visco-elastic properties.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Synthesis of viscoelastic material models (schemes)»

22

Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА

УДК 539.5 = 111

SYNTHESIS OF VISCOELASTIC MATERIAL MODELS (SCHEMES)

V. Bogomolov, Prof., D. Sc. (Eng.), I. Raznitsyn, Assoc. Prof., Ph. D. (Phys.-Math.),

S. Bogomolov, Eng.,

Kharkiv National Automobile and Highway University

Abstract. The principles of structural viscoelastic schemes construction for materials with linear viscoelastic properties in accordance with the given experimental data on creep tests are analyzed. It is shown that there can be only four types of materials with linear visco-elastic properties.

Key words: viscoelastic model, structural scheme, Hooke element, Newton element, Maxwell model, Kelvin model.

СИНТЕЗ ВЯЗКОУПРУГИХ МОДЕЛЕЙ (СХЕМ) МАТЕРИАЛОВ

В.А. Богомолов, проф., д.т.н., И.Л. Разницын, доц., к. ф-м. н., С.В. Богомолов, инж., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет

Аннотация. Рассмотрены принципы построения структурных вязкоупругих схем для материалов с линейными вязкоупругими свойствами по заданным экспериментальным данным при испытаниях на ползучесть.

Ключевые слова: вязкоупругая модель, структурная схема, звено Гука, звено Ньютона, модель Максвелла, модель Кельвина.

СИНТЕЗ В’ЯЗКОПРУЖНИХ МОДЕЛЕЙ (СХЕМ) МАТЕРІАЛІВ

В.О. Богомолов, проф., д.т.н., І.Л. Разніцин, доц., к. ф-м. н., С.В. Богомолов, інж., Харківський національний автомобільно-дорожній університет

Анотація. Розглянуто принципи побудови структурних в ’язкопружних схем для матеріалів з лінійними в’язкопружними властивостями за заданими експериментальними даними при випробуваннях на повзучість.

Ключові слова: в ’язкопружна модель, структурна схема, ланка Гука, ланка Ньютона, модель Максвелла, модель Кельвіна.

Introduction

The stress-strain state modelling of the material with the viscoelastic output characteristics always reveals a question: which rheological model is the most relevant to describe the properties of this material based on the experiment data, for example, creep tests.

State of the art

This problem is not trivial and up to now researchers have to take quite controversial decisions that sometimes even contradict each other. For example, there are more than a dozen of rheological schemes with different structures offered in a specialized literature in the field of asphaltic concrete [1-5].

Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014

23

In many cases such a state makes it difficult to receive comparable results by different authors.

Goal and objective

The main task solved in this paper is the creation of an integrated methodology describing the process of viscoelastic material models (schemes) creation based on the experimental data sets.

Expertise of conducting such researches shows that the creep diagrams are the most suitable to be used in order to achieve the stated goal [1, 4].

Creep diagram

Usually, there are three specimen loading modes that can be used to get the creep diagram [1-4]:

- axial compression;

- axial tension;

- shear (torsion).

A typical creep diagram is shown in Fig. 1 [1-4].

Fig. 1. A typical creep diagram: a - stress over time; b - deformation over time; (0-^), (t2-t3) - regions with mainly elastic deformations; (ti-12) - creep region; (t3-t4) - region of smooth deformation decrease; sres -residual deformations

For the sake of convenience, for the further analysis it will be accepted that application and removal of the load happen instantaneously, which means that

t1 = 0 and t2 = t3, (1)

which is acceptable when t2 >> t1.

Possible types of the diagrams

It is well known [5-8] that the total deformation of the material shown in Fig. 1b can be described with the following relation

St = Sb (t) + sv (t) + etrr (t), (2)

where sb (t) - reversible elastic deformations; sv (t) - reversible viscoelastic deformations; sirr (t), - irreversible (residual) deformations.

Depending on the presence or absence of one or another component, (2) can describe eight different material models (schemes), see Table 1.

Table 1 - Types of viscoelastic models

Type sb (t) sv(t) sirr (t)

1 + + +

2 - + +

3 + - +

4 - - +

5 + + -

6 - + -

7 + - -

8 - - -

In the Table 1:

- «+» means presence of the corresponding component;

- «-« means absence of the corresponding component.

Absence of regions (0-t1) and (t2-t3) in Fig. 1b, 2b is a sign of the reversible elastic component absence. Linear growth of s(t) when c = =const and absence of the region (t3-t4) with the smooth decline of s(t) in the Fig. 1b, 2b is a sign of the reversible viscoelastic deformations component absence.

Synthesis of the simplest models

Taking into account (1), the graphs from Fig. 1 will transform to what is shown in Fig. 2.

24

Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014

Material model type 8 in the table 1 has no physical meaning, hence it is not considered below. Material model types 3, 4 and 7 can be obtained using only the simplest viscoelastic and Maxwell elements [9] (Fig. 3, 4). The output characteristics of the models (schemes) shown in Fig. 3, subjected to loading law shown in Fig. 2a, are presented in Fig. 4.

a

Fig. 2. Creep diagram with the «instantaneous» application and removal of the load: a -loading force; b - deformation

1

0

2

3 t

a

Fig. 4. The output characteristics of the simplest viscoelastic material models: a - for the model in Fig. 3a; b - for the model in Fig. 3b; c - for the model in Fig. 3c

a b c

Fig. 3. The simplest elements and Maxwell element G, ^ - elastic and viscous characteristics of corresponding elements: a - Hooke element as an implementation of the model type 7; b - Newton element as an implementation of the model type 4; c - Maxwell element as an implementation of the model type 3

Synthesis of models using generalized Maxwell and Kelvin models

The models 1, 2, 5 and 6 require reversible viscoelastic deformations so they can be described using the generalized Maxwell and Kelvin models shown in Fig. 5.

Why these models? According to [10], the linear structural model of any complexity can be reduced to a generalized Maxwell model. But there can be made one more conclusion based on the results of [10, 11]: both, complete and incomplete generalized Maxwell models can be transformed into the equivalent generalized Kelvin models and vice versa.

Another advantage of these models is their relatively simple mathematical formulation [11, 12].

Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014

25

The correspondence table between the transfor- their classification [10] (Fig. 6, 7). In this way, mations of these structures can be obtained from all model types from Table 1 are defined.

a b

Fig. 5. Complete generalized models: a - Kelvin; b - Maxwell

Fig. 6. Classification of the generalized Kelvin models

26

Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014

Fig. 7. Classification of the generalized Maxwell models Table 2 Equivalent generalized Kelvin and Maxwell schemes

Scheme

type

Generalized Kelvin scheme

Generalized Maxwell scheme

Output characteristics under load law shown in Fig. 2а

1

2

5

6

Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014

27

Conclusions

1. The methodology of viscoelastic models (schemes) synthesis based on the experimental characteristics of the material under the creep load is offered.

2. The generalized Kelvin and Maxwell models classification is offered.

3. There are seven types of rheological models offered depending on the experiment data.

Литература

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1. Шульман З.П. Реофизика конгломератных материалов / З.П. Шульман, Я.Н. Ковалев, Э.А. Зальцгендлер. - Минск: Наука и техника, 1978. - 240 с.

2. Богуславский А.М. Основы реологии асфальтобетона / А.М Богуславский, Л. Богуславский; под общ. ред. д.т.н., проф. Н.Н. Иванова. - М.: Высшая школа, 1972. - 200 с.

3. Зальцгендлер Э.А. Реологические свойства и поведение асфальтового бетона при сложном нагружении / Э.А. Зальцгендлер, Я.Н. Ковалев // Реофизика: сб. науч. трудов. - 1977. - С. 112-117.

4. Золотарев В.А. Исследование свойств асфальтобетонов различной макроструктуры: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05 / Золотарев Виктор Александрович. - Харьков, 1967. - 208 с.

5. Радовский Б.С. Теоретические основы

конструирования и расчета нежестких дорожных одежд на воздействие подвижных нагрузок: автореф. дис. на соиск. учен. степ. д-ра техн. наук: спец.

05.22.03. «Изыскания и проектирование железных дорог и автомобильных дорог» / Б.С. Радовский. - М., 1982. -35 с.

6. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести / Н. И. Безухов. - М.: Высшая школа, 1968. - 512 с.

7. Самуль В.И. Основы теории упругости и пластичности / В.И. Самуль. - М.: Высшая школа, 1982. - 264 с.

8. Богомолов В.О. Щодо необхідності розробки нової методики розрахунку нап-ружено-деформованого стану дорожнього одягу / В.О. Богомолов, В.К. Жда-нюк, С.В. Богомолов // Автошляховик України. - 2011. - №1(219). - С. 23-26.

9. Богомолов В.А. Простейшие звенья линейной пространственной реологической модели асфальтобетона / В.А. Богомолов, В.К. Жданюк, С.В. Богомолов

// Автомобильный транспорт: сб. науч. тр. - 2010. - Вып. 27. - С. 157-162.

10. Богомолов В.А. Универсальный метод составления линейных вязкоупругих структурных моделей / В.А. Богомолов, В.К. Жданюк, С.В. Богомолов // Автомобильный транспорт: сб. науч. тр. -2011. - Вып. 28. - С. 125-131.

11. Богомолов В.А. Общий метод получения дифференциальных зависимостей деформаций от напряжений для линейных реологических 3-D моделей / В.А. Богомолов, В.К. Жданюк, С.В. Богомолов // Вестник ХНАДУ: сб. науч. тр. - 2011. - Вып. 52. - С. 54-59.

12. Богомолов В.А. Общий подход к решению линейных, трехмерных, вязкоупругих обобщенных моделей Максвелла / В.А. Богомолов, В.К. Жданюк, С.В. Богомолов // Вестник ХНАДУ: сб. науч. тр. -2011. - Вып. 54. - С. 153-158.

References

1. Shulman Z.P., Kovalev Ya.N., Zaltsgend-ler E.A. Reofizika konglomeratnykh mate-rialov [Rheophysics of the Conglomerate Materials]. Minsk, Nauka i technika Publ., 1978. 240 p. (rus).

2. Boguslavskiy A., Boguslavskiy L. under the general editorship of Doctor of Technical Science, Professor Ivanova N.N. Os-novy reologii asfaltobetona [The Fundamentals of the Rheology of the Asphalt Concrete]. Moskow, Vysshaya Shkola Publ., 1972. 199 p. (rus).

3. Zaltsgendler E.A., Kovalev Ya.N. Reologi-cheskiye svoystva i povedeniye asfaltovogo betona pri slozhnom nagruzhe-nii [Rheologic Properties and Behaviour of the Asphalt Concrete at a Multiaxial Load]. Reofizika: collection of scientific papers, 1977. рp. 112-117 (rus).

4. Zolotaryov V.A. Issledovaniye svoystv asfaltobetonov razlichnoy makrostruktury. Diss. kand. te^n. nauk: 05.23.05 [The Investigation of the Properties of Asphalt Concretes of Different Macrostructure]. Kharkov, 1967. 207 p. (rus).

5. Radovskiy B.S. Teoreticheskiye osnovy konstruirovaniya i raschyota nezhyostkikh dorozhnykh odezhd na vozdeystviye podvizhnykh nagruzok. Avtoref. diss. na soiskanie uch. stepeni doc. techn. nauk: spets. 05.22.03 «Izyskanija i proektirovanie zheleznykh dorog i avtomobiknykh dorog

28

Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014

[The Tejretical Fundamentals of the Construction and Computation of the Flexible Pavement on the Forcing of the Movable Load]. Moskow, 1982. 35 p. (rus).

6. Bezukhov N.I. Osnovy teorii uprugosti, plastichnosti i polzuchesti [The Fundamentals of the Theory of Elasticity, Plasticity and the Creep] Moskow Vysshaya Shkola Publ. 1968. 512 p. (rus).

7. Samul V.I. Osnovy teorii uprugosti i plas-tichnosti [The Fundamentals of the Theor of Elasticity and Plasticity]. Moskow, Vysshaya Shkola Publ., 1982. 264 p. (rus).

8. Bogomolov V.O., Zhdanyuk V.K., Bogomolov S.V. Shodo neobkhidnosti

rozrobky novoi metodyky rozrakhunku napruzheno-deformovanogo stanu dorozh-nyogo odyagu [About the Necessity of the Development of the New Methodology for the Calculation of the Stress-Strain State of the Road Pavement]. Avtoshlyakhovyk Ukrainy, 2011, vol. 1 (219). pp. 23-26. (rus).

9. Bogomolov V.A., Zhdanyuk V.K., Bogomolov S.V. Prosteyshiye zvenya

lineynoy prostranstvennoy realogicheskoy modeli asfaltobetona [Elementary Units of the Linear Solid Rheologic Model]. Avto-mobilniy transport: sb. much. tr., 2010, vol. 27. pp. 157-162 (rus).

10. Bogomolov V.A., Zhdanyuk V.K., Bogomolov S.V. Universalniy metod sostavleni-ya lineynykh vyazko-uprugikh struk-

turnykh modeley [Universal Method of the Construction of the Linear Visco-Elastic Structural Models]. Avtomobilny

Transport: sb. much. tr., 2011, vol. 28. pp. 125-131 (rus).

11. Bogomolov V.A., Zhdanyuk V.K., Bogomolov S.V. Obshiy metod polucheniya differentsyonalnykh zavisimostey defor-matsiy ot napryazheniy dlya lineynykh rea-logicheskikh 3-D modeley [General Method of the Acquisition of the Differential Relationship of the Deformations from the Strains for the Linear Rheologic 3-D Models] Vestnik KhNAHU: sb. much. tr., 2011, vol. 52. pp. 54-59 (rus).

12. Bogomolov V.A., Zhdanyuk V.K., Bogomolov S.V. Obshiy podkhod k resheni-yu lineynykh, tryokhmernykh, vyazko-uprugikh obobshyonnykh modeley Makswella [General Approach to the Solving the Linear, Third Dimensional, Viscoelastic Generalized Maxwell Models]. Vest-nik KhNAHU: sb. much. tr., 2011, vol. 54. pp. 153-158 (rus).

Рецензент: В.А. Золотарёв, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 15 сентября 2014 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.