آشنایی با مواد ویسکوالاستیک

 در این مقاله آموزشی به آشنایی با مواد ویسکوالاستیک پرداخته می شود که امیدواریم برای دانشجویان رشته مهندسی مکانیک ومهندسی پلیمر مفید واقع 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 .