آشنایی با مواد ویسکو الاستیک

آشنایی با مواد ویسکو الاستیک

در ادامه مقاله های آموزشی رشته مهندسی مکانیک گرایش جامدات در این مقاله آموزشی به آشنایی با مواد ویسکو الاستیک پرداخته می شود که امیدواریم برای دانشجویان رشته مهندسی مکانیک مفید واقع شود . مباحث مربوط به مواد ویسکو الاستیک یکی از مباحث مهم در رشته مهندسی مکانیک گرایش جامدات می باشد که امیدواریم برای دانشجویان کارشناسی ارشد برای ارایه مقاله های علمی و پژوهشی , پایان نامه های کارشناسی ارشد مفید واقع شود . در ادامه مقاله به آشنایی با مواد ویسکو الاستیک پرداخته می شود . 

در الاستيسيته كلاسيك هيچ تاخير زماني بين اعمال بار و تغيير شكل وجود ندارد يعني در ناحيه الاستيك به محض آنكه نيرويي به جسم وارد شود آن جسم تغيير شکل مي يابد .

اما بعضي از مواد وجود دارند كه به علت ساختار دروني متفاوت ، تغيير شكل آنها متفاوت از تغيير شكل الاستيك مي باشد . يعني در آنها يك تغيير شكل وابسته به زمان وجود دارد كه اصطلاحا به اين مواد ، ويسكوالاستيك مي گويند . اين نوع تغيير شكل نبايستي با خزش كه يك تغيير شكل وابسته به زمان از نوع پلاستيك است اشتباه گرفته شود .

تغيير شكل هاي ويسكوالاستيكي در فلزات و سراميك ها آنقدر كم است كه از آنها صرفنظر مي شود . اما در اكثر پليمرها تغيير شكلهاي ويسكوالاستيكي بسيار مهم و قابل توجه مي- باشند . مواد ويسكوالاستيك وظيفه دمپ كردن ارتعاشات را بر عهده دارند .

توانايي دمپينگ بالا براي ارتعاشاتي مناسب است كه ممكن است دقت سازه يا ماشين آلات را كاهش دهد و يا اين كه اين ارتعاشات موجب سر و صداي نامطلوب می­شود كه توانايي دمپينگ بالا مي تواند اين نويزها را كنترل كند .

توانايي دمپينگ پائين معمولا در مواردي كه فركانسهاي استاندارد وجود دارد مناسب مي باشد ، مثل آلات موسيقي يا زنگ ها .

انرژي مربوط به استهلاك معمولا به صورت گرما آزاد می­شود كه باعث افزايش دماي نامطلوب مي شود .

از آنجا كه مواد ويسكوالاستيك هر دو رفتار الاستيك و ويسكوز را با هم نشان مي دهند داراي ويژگي هاي منحصر به فرد هستند براي مثال ، در حالي كه تحت يك نيروي ثابتي قرار گرفته اند ، علاوه بر اين كه يك جابه جايي آني را تحمل مي كنند، دريك محدوده زماني دچار خزش مي شوند . اين پديده آسايش ناميده مي شود .

رابطه ميان تنش و كرنش براي مواد ويسكوالاستيك خطي به صورت زير مي باشد :

تابع آسايش پاسخ تنش به ورودي كرنش پله واحد می­باشد .

رابطه تنش و كرنش را مي توان در حوزه لاپلاس به صورت زير بيان كرد  :

با جايگذاري   s=jw در معادله فوق مدول مختلط به فرم زير حاصل مي شود :

ضريب اتلاف به صورت كميت بدون بعدي تعريف مي شود كه از تقسيم ترم موهومي مدول مختلط بر ترم حقيقي آن به دست مي آيد .                         

ضريب اتلاف ، متوسط انرژي تلف شده در ماده ويسكوالاستيك بر راديان را نسبت به انرژي ذخيره شده تحت بار سينوسي بيان مي كند .

يك مدول مختلط كه پاسخ حالت پاياي يك ماده ويسكوالاستيك به بار سينوسي را توصيف مي كند ، براي نشان دادن خصوصيات مواد ويسكوالاستيك استفاده می­شود .

مدول مختلط به فركانس حالت پاياي تحريك هارمونيك و همچنين دما وابسته است .

روش هاي آزمايشگاهي زيادي براي مشخص كردن مدول مختلط ويسكوالاستيك وجود دارد . خصوصيات مهم مواد ميران در نمودار محاسباتي دما ، نمودار (1-1) ارائه شده است .

اين نمودار محاسباتي توسط جونز ايجاد و يك نمايش گرافيكي استاندارد نيز براي آن در نظر گرفته شده است . مدول ذخيره سازي و ضريب اتلاف نيز در اين نمودار مي توان مشخص كرد .

نمودار (1-1) مربوط به 3M Scotch damp IS D112 112 كه يك ماده ويسكوالاستيك است ، مي باشد .

نمودار (1-1) : نمودار محاسباتي خواص مواد ويسكوالاستيك 3M ISD 112

1-2- مواد ويسكوالاستيك

ماده ويسكوالاستيك ماده اي است كه هر دو رفتار الاستيك و ويكسوز را با هم نشان مي دهد و عمدتا از مدول مختلط براي نشان دادن چنين رفتاري استفاده می­شود . مدولهاي مختلط با رابطه  "G=G'+jG كه در حوزه فركانسي و در حالت پايا تعريف شده ، مشخص مي شود . مولفه حقيقي آن G' مدول الاستيك يا سختي و مولفه مختلط آن  G" مدول ويسكوز يا دمپينگ مي باشد.

محدوديت هاي مدل حوزه فركانسي ، مانند غير عملي بودن براي تحليل گذرا، مي تواند با بيان خصوصيات مواد ويسكوالاستيك در حوزه زمان برطرف كرد .

1-3- مدل الاستيك خطي و غيرخطي

همانطور كه مي دانيم الاستيك بدين معناست كه اگر بار وارده بر جسم را بر داريم ، جسم به شكل اوليه خود برمي گردد . حال اگر نمودار تنش – كرنش اين ماده خطي باشد يا به عبارتي ديگر از قانون هوك پيروي كند به اين مدل ، مدل الاستيك خطي مي گويند كه شيب نمودار تنش – كرنش برابر با مدول يانگ مي باشد و اصطلاحا به اين گونه مواد ، ماده هوكي نيز گفته می شود که در بررسي اين گونه مواد ، آنها را به صورت فنر خطي با ثابت فنر E مدل بندي مي كنند .

صورت ديگري از مدل بندي مواد الاستيك ، مدل الاستيك غير خطي مي­باشد كه نمودار تنش- كرنش آن ها همانطور كه در نمودار (1-2) نشان داده شده است ، غير خطي می­باشد . مدل الاستيك غير خطي را به صورت يك فنر كه خط روي آن كشيده شده است نشان مي دهند .

نمودار (1-2): مدل هاي الاستيك

1-4- مدول ويسكوزيته خطي و غير خطي

اگر نمودار تنش و نرخ كرنش سيالي خطي باشد و يا مجزا ، به عبارت ديگر رابطه تنش و نرخ كرنش آن از رابطه نيوتن به دست آيد ، اصطلاحا به آن سيال ، سيال نيوتني گفته مي شود و آن را به صورت يك ضربه گير با ثابت ميرايي n  مدل بندي مي كنند .

نوع ديگري از سيالات وجود دارند كه رفتار آنها به صورتي است كه ديگر از رابطه نيوتن پيروي نمي كند كه اصطلاحا به اين سيالات ، شبه ويسكوز يا غير نيوتني گفته مي شود و براي مدل بندي اين نوع سيالات از ضربه گيري كه خط روي آن كشيده شده است استفاده مي كنند ، همانند نمودار (1-3).

نمودار ( 1-3): مدل هاي ويسكوز

برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد نرم افزار های مهندسی پرکاربرد در رشته مهندسی مکانیک مانند Matlab  , Abaqus , Fortran و ... می توانید بر روی نام نرم افزار های نام برده شده کلیک نمایید و یا به بخش مطالب در سایت مراجعه نموده و از مقاله های درج شده برای ارایه مقاله های علمی و پژوهشی , پایان نامه های کارشناسی ارشد و پروژه های صنعتی استفاده نمایید .