شماره راهنما :
2424 دكتري
پديد آورنده :
احمدي، احسان
عنوان :
توسعه مدل ساختاري رفتار الاستومرهاي گرمانرم پلي يورتان و بررسي تجربي نورد آن
گرايش تحصيلي :
طراحي كاربردي
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
هشت، 127ص.: مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها :
الاستومرگرمانرم پلي يورتان , رفتار تغيير شكل هايپرالاستيك-ويسكوپلاستيك , آزمون فشار و كشش تك محوره , DMTA , فرآيند نـورد پليمر , المان محدود، مدل ري ايرينگ اصلاح شده , مدل هايپرالاستيك هشت زنجيره اي آرودا-بويس
تاريخ ورود اطلاعات :
1404/10/02
رشته تحصيلي :
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1404/10/03
چكيده فارسي :
الاستومرهاي گرمانرم پلي يورتان (TPU) از جمله پليمرهاي دوفازي هستند كه ريزساختار آن ها از بخش هاي نرم و سخت تشكيل شده است. اين ريزساختار منجر به رفتار مكانيكي منحصربه فردي مي شود كه آن ها را از ساير پليمرهاي گرمانرم و الاستومرهاي متداول متمايز مي كند. در بسياري از پليمرها از جمله الاستومرهاي گرمانرم پلي يورتان، تغيير شكل در حالت جامد موجب جهت گيري مولكولي و بهبود خواص عملكردي مي شود، كه فرآيند نورد يكي از موثرترين تكنيك ها براي دست يابي به آن در كاربردهاي تجاري است. با اين حال، اجراي موفق نورد در مواد دوفازي كه رفتارهاي وابسته به نرخ كرنش، نرم شوندگي، هيسترزيس، رهايش از تنش و بازيابي شكل الاستيك و غيرالاستيك دارند، مستلزم شناخت دقيق سازوكارهاي تغيير شكل آن هاست. از اينرو، شناخت سازوكار هاي تغيير شكل اين دسته از مواد پليمري، براي دست يابي به شرايط امكان پذيري نورد، در كانون اين پژوهش قرار گرفته است.
در اين پژوهش، تحولات حرارتي و رفتار تغيير شكل TPUها با سختي هاي مختلف، از طريق آزمون هاي تجربي شامل آزمون گرماسنج روبشي تفاضلي،آزمون مكانيكي- حرارتي پويا و آزمون مكانيكي فشار تك محوره شناسايي و بررسي شد. سپس يك مدل ساختاري پديدار شناختي توسعه يافت كه در آن فاز نرم به صورت يك عنصر فنري مدل هايپرالاستيك هشت زنجيرهاي آرودا-بويس و فاز سخت به صورت تركيبي از يك فنر الاستيك خطي، ميراگر ويسكوپلاستيك غيرخطي مدل ري–ايرينگ اصلاحشده و يك عنصر اصطكاكي توصيف گرديد. مدل در محيط اجزاي محدود ABAQUS/Explicit از طريق زيرروال VUMAT پياده سازي و با داده هاي تجربي اعتبارسنجي شد.
نتايج نشان داد با افزايش سختي و در پي آن افزايش درصد فاز سخت، رفتار پلاستيك تقويت شده و بازيابي شكل كاهش مي يابد. همچنين كرنش پسماند در چرخههاي كامل بارگذاري-باربرداري فشاري تا كرنش حقيقي 1.0، حتي پس از گذشت چند هفته به طور كامل بازيابي نمي شود. تطابق بين مدل و داده هاي آزمايشگاهي براي TPUهاي نماينده، بينش فيزيكي از مكانيزم هاي تغييرشكل مواد TPU كه داراي ويژگي هاي الاستومري و پلاستومري هستند، ارائه داد.
در ادامه بر پايه نتايج مدل عددي و آزمون¬ها، رفتار تغيير شكل TPUها و ويژگي هاي نورد حالت جامد آن.با اندازه گيري تغييرات ضخامت نمونه هاي نورد شده از دو TPU با كسر حجمي فاز سخت مختلف، در كنار پلي يورتان گرماسخت (PUR) براي مقايسه، ارزيابي شد.
نتايج نشان داد كه TPUها با پيوند عرضي فيزيكي، تغيير شكل پلاستيك كمي در دماي اتاق از خود بروز مي دهند. با اين حال تغيير شكل دائمي آن نسبت به PUR كه داراي پيوندي عرضي شيميايي هستند، بيش تر است. از سوي ديگرآزمايش نورد سرد كه با سرعت نورد 0.5 متر بر دقيقه با نسبت اسمي فروكاست 85 درصد انجام شد، نشان داد كه نسبت فروكاست دائمي براي هر دو TPU كم تر از 35 درصد است. با اين حال، هنگامي كه سرعت نورد به 3 متر بر دقيقه افزايش مي يابد، نسبت فروكاست دائمي براي TPUShA90 و TPUShA85 به ترتيب به 67 درصد و 60 درصد مي رسد. اين رفتار نشان دهنده ي تغيير حالت انتقال حرارت از هم دما به بي درو در سرعت هاي بالا است. سرانجام نتايج تحليل امكان سنجي نورد نشان داد كه امكان رسيدن به نسبت فروكاست بالاتر از 50 درصد و توليد يك محصول نورد با كم ترين عيب هندسي و سطحي، به ازاي نسبت اسمي فروكاست 82 درصد، در دماي 120 درجه سانتي گراد و سرعت نورد يك متر بر دقيقه، در صورت افزايش درصد فاز سخت TPU وجود دارد.
چكيده انگليسي :
Thermoplastic polyurethane elastomers (TPUs), as two phase polymers composed of soft and hard segments, exhibit distinct mechanical properties and complex deformation behaviors including strain-rate dependency, softening, hysteresis, stress relaxation, and both elastic, inelastic shape recovery and permanent set. Solid-state deformation, such as rolling, effectively enhances molecular orientation and functional properties, but successful rolling of TPUs requires deep understanding of their deformation mechanisms. This study systematically investigates TPU behavior through extensive experiments including Differential Scanning Calorimetry (DSC), Dynamic Mechanical Thermal Analysis (DMTA), and uniaxial compression tests on samples with varying hard phase contents. Based on these results, a phenomenological constitutive model was developed, modeling the soft phase by the Arruda–Boyce eight-chain hyperelastic spring and the hard phase by a combination of a linear elastic spring, a nonlinear viscoplastic damper based on the modified Ree–Eyring model, and a frictional element. The model was implemented in ABAQUS/Explicit via a VUMAT subroutine and validated against experimental data. Results show that increasing the hard phase volume fraction enhances plastic deformation, energy dissipation, and reduces shape recovery, with residual strains persisting after unloading, confirming viscoplastic behavior. Rolling experiments measured thickness reductions in TPU sheets with different hard phase fractions compared to chemically crosslinked thermoset polyurethane (PUR). TPUs with physical crosslinking exhibited moderate plastic deformation at room temperature but greater permanent deformation than PUR. Cold rolling at 0.5 m/min with 85% nominal thickness reduction resulted in permanent reductions below 35% for both TPU grades. Increasing rolling speed to 3 m/min raised permanent thickness reductions to 67% and 60% for TPUShA90 and TPUShA85, respectively, due to a shift from isothermal to adiabatic thermal conditions. Feasibility analysis confirmed that permanent reductions exceeding 50% with minimal defects are achievable at 120°C and 1 m/min rolling speed, especially with higher hard phase content. These findings provide critical insights for optimizing TPU rolling for industrial applications.
استاد راهنما :
محمدرضا فروزان , پيمان مصدق
استاد مشاور :
مهدي كاروان
استاد داور :
محمد مشايخي , مهدي سلماني تهراني , محمدرضا موحدي
