Analysis of the bulk creep influence on stress-strain curves under tensile loadings at constant rates and on Poisson's ratio evolution based on the linear viscoelasticity theory

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The Boltzmann–Volterra linear constitutive equation for isotropic non-aging viscoelastic materials is studied analytically in order to elucidate its abilities to provide a qualitative simulation of rheological effects related to different behavior types of lateral strain and the Poisson's ratio (i.e. lateral contraction ratio) observed in uni-axial tests under tension or compression at constant stress rate. The viscoelasticity equation is controlled by two material functions of a positive real argument (that is shear and bulk creep compliances); they are implied to be positive, differentiable, increasing and convex up functions. General properties of the volumetric, longitudinal and lateral strain-time curves, stress-strain curves and the Poisson's ratio evolution in time generated by the viscoelasticity relation (with an arbitrary shear and bulk creep functions) are examined, their dependence on stress rate and on qualitative characteristics of two creep functions are analyzed, conditions for their monotonicity and convexity or for existence of extrema, inflection points and sign changes are studied. Taking into account compressibility and volumetric creep (governed by a time-dependent bulk creep function) is proved to affect strongly the qualitative behavior of lateral strain and the Poisson's ratio. In particular, it is proved that the linear theory can reproduce increasing, decreasing or non-monotone and convex up or down dependencies of lateral strain and Poisson's ratio on time under tension or compression at constant stress rate, it can provide existence of minimum, maximum or inflection points and sign changes from minus to plus and vice versa. It is shown, that the Poisson's ratio at any moment of time is confined in the interval from $-1$ to 0.5 and the restriction on creep compliancies providing negative values of the Poisson's ratio is derived. Criteria for the Poisson's ratio increase or decrease and for extrema existence are obtained. The analysis revealed the set of characteristic features of the theoretic volumetric, axial and lateral strain-time curves, stress-strain curves families and the Poisson's ratio dependence on time which are convenient to check in tensile tests at constant stress rates and should be employed as indicators of the linear viscoelasticity theory applicability (or non-applicability) for simulation of a material behavior before identification. The specific properties of the two models are considered based on the assumption that the Poisson's ratio is time-independent or the assumption that bulk creep function is constant which neglects bulk creep and simulates purely elastic volumetric strain dependence on a mean stress. This assumptions reduce the number of material function to the single one and one scalar parameter and are commonly (and very often) used for simplification of viscoelasticity problems solutions. A number of restrictions and additional applicability indicators are found for this models. In particular, it is proved that elastic volumetric deformation assumption does not cut the overall range of the Poisson's ratio values and does not demolish the Boltzmann–Volterra relation ability to describe non-monotonicity and sign changes of lateral strain and to produce negative values of the Poisson's ratio, but neglecting bulk creep restricts this ability significantly and reduces drastically the variety of possible behavior modes of lateral strain-time curves and the Poisson's ratio evolution and so contracts applicability field of the model. The model with constant bulk compliance generates only convex-up lateral strain-time curves which can not have minima or inflection points and can change sign from minus to plus only and the Poisson's ratio is increasing convex-up function of time (without any extrema or inflection points which are possible in general case) and can not change sign from positive to negative.

About the authors

Andrew Vladimirovich Khokhlov

Lomonosov Moscow State University, Institute of Mechanics

Email: andrey-khokhlov@ya.ru
Candidate of technical sciences, Head Scientist Researcher

References

  1. Ильюшин А. А., Победря Б. Е., Основы математической теории термовязкоупругости, Наука, М., 1970, 280 с.
  2. Москвитин В. В., Сопротивление вязкоупругих материалов (применительно к зарядам ракетных двигателей на твердом топливе), Наука, М., 1972, 328 с.
  3. Cristensen R. M., Theory of viscoelasticity. An introduction, Academic Press, New York, 1971, xii+364 pp.
  4. Работнов Ю. Н., Элементы наследственной механики твeрдых тел, Наука, М., 1977, 384 с.
  5. Айнбиндер С. Б., Тюнина Э. Л., Цируле К. И., Свойства полимеров в различных напряженных состояниях, Химия, М., 1981, 232 с.
  6. Гольдман А. Я., Объемная деформация пластмасс, Машиностроение, Л., 1984, 232 с.
  7. Гольдман А. Я., Прогнозирование деформационно-прочностных свойств полимерных и композиционных материалов, Химия, Л., 1988, 272 с.
  8. Tschoegl N. W., The Phenomenological Theory of Linear Viscoelastic Behavior, Springer-Verlag, Berlin, 1989, xxv+769 pp.
  9. Lakes R. S., Viscoelastic Materials, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2009, xvi+461 pp.
  10. Christensen R. M., Mechanics of Composite Materials, Dover Publ., New York, 2012, 384 pp.
  11. Bergström J. S., Mechanics of Solid Polymers. Theory and Computational Modeling, William Andrew, San Diego, 2015, xiv+509 pp.
  12. Брехова В. Д., "Исследование коэффициента Пуассона при сжатии некоторых кристаллических полимеров постоянной нагрузкой", Механика полимеров, 1965, № 4, 43-46
  13. Дзене И. Я., Путанс А. В., "Коэффициент Пуассона при одномерной ползучести полиэтилена", Механика полимеров, 1967, № 5, 947-949
  14. Дзене И. Я., Крегерс А. Ф., Вилкс У. К., "Особенности процесса деформирования при ползучести и повторной ползучести полимеров в условиях одноосного растяжения. Часть 1", Механика полимеров, 1974, № 3, 399-405
  15. Щербак В. В., Гольдман А. Я., "Объемные изменения дисперсно наполненных композитов при испытании в условиях ползучести", Механ. композит. матер., 1982, № 3, 549-552
  16. Калинников А. Е., Вахрушев А. В., "О соотношении поперечной и продольной деформаций при одноосной ползучести разносопротивляющихся материалов", Механ. композит. матер., 1985, № 2, 351-354
  17. Naqui S. I., Robinson I. M., "Tensile dilatometric studies of deformation in polymeric materials and their composites", J. Mater. Sci., 28:6 (1993), 1421-1429
  18. Özüpek S., Becker E. B., "Constitutive equations for solid propellants", J. Eng. Mater. Technol., 119:2 (1997), 125-132
  19. Tschoegl N. W., "Time dependence in material properties: An overview", Mech. Time-Depend. Mater., 1:1 (1997), 3-31
  20. Okoli O. I, Smith G. F., "The effect of strain rate and fibre content on the Poisson's ratio of glass/epoxy composites", Composite Structures, 48:1-3 (2000), 157-161
  21. Hilton H. H., "Implications and constraints of time-independent Poisson's ratios in linear isotropic and anisotropic viscoelasticity", J. Elasticity, 63:3 (2001), 221-251
  22. Tschoegl N. W., Knauss W. G., Emri I., "Poisson's ratio in linear viscoelasticity – A critical review", Mech. Time-Depend. Mater., 6:1 (2002), 3-51
  23. Arzoumanidis G. A., Liechti K. M., "Linear viscoelastic property measurement and its significance for some nonlinear viscoelasticity models", Mech. Time-Depend. Mater., 7:3 (2003), 209-250
  24. Krempl E., Khan F., "Rate (time)-dependent deformation behavior: an overview of some properties of metals and solid polymers", Int. J. Plasticity, 19:7 (2003), 1069-1095
  25. Cangemi L., Elkoun S., G'Sell C., Meimon Y., "Volume strain changes of plasticized Poly(vinylidene fluoride) during tensile and creep tests", J. Appl. Polym. Sci., 91:3 (2004), 1784-1791
  26. Ломакин Е. В., "Механика сред с зависящими от вида напряженного состояния свойствами", Физ. мезомех., 10:5 (2007), 41-52
  27. Pandini S, Pegoretti A., "Time, temperature, and strain effects on viscoelastic Poisson's ratio of epoxy resins", Polym. Eng. Sci., 48:7 (2008), 1434-1441
  28. O'Brien D. J., Sottos N. R., White S. R., "Cure-dependent viscoelastic Poisson's ratio of epoxy", Exp. Mech., 47:2 (2007), 237-249
  29. Быков Д. Л., Пелешко В. А., "Определяющие соотношения деформирования и разрушения наполненных полимерных материалов в процессах преобладающего осевого растяжения в различных баротермических условиях", Изв. РАН. МТТ, 2008, № 6, 40-65
  30. Grassia L., D'Amore A., Simon S. L., "On the viscoelastic Poisson's ratio in amorphous polymers", J. Rheology, 54:5 (2010), 1009-1022
  31. Shekhar H., Sahasrabudhe A. D., "Longitudinal strain dependent variation of Poisson's ratio for HTPB based solid rocket propellants in uni-axial tensile testing", Propellants Explosives Pyrotechnics, 36:6 (2011), 558-563
  32. Tscharnuter D., Jerabek M., Major Z., Lang R. W., "Time-dependent Poisson's ratio of polypropylene compounds for various strain histories", Mech. Time-Depend. Mater., 15:1 (2011), 15-28
  33. Emad K., Grasley Z. C., Masad E., "Viscoelastic Poisson's ratio of asphalt mixtures", Int. J. Geomechanics, 13:2 (2011), 162-169
  34. Guo J. X., Luigi G., Simon S. L., "Bulk and shear rheology of a symmetric three-arm star polystyrene", J. Polymer Science. Part B: Polymer Physics, 50:17 (2012), 1233-1244
  35. Kästner M., Obst M., Brummund J., Thielsch K., Ulbricht V., "Inelastic material behavior of polymers - Experimental characterization, formulation and implementation of a material model", Mech. Mater., 52 (2012), 40-57
  36. Кожевникова М. Е., "Характер изменения границы зоны пластичности и коэффициента Пуассона в зависимости от пластического разрыхления", Физ. мезомех., 15:6 (2012), 59-66
  37. Cui H. R., Tang G. J., Shen Z. B., "Study on viscoelastic Poisson's ratio of solid propellants using digital image correlation method", Propellants Explosives Pyrotechnics, 41:5 (2016), 835-843
  38. Aurangzeb Q., Ozer H., Al-Qadi I. L., Hilton H. H., "Viscoelastic and Poisson's ratio characterization of asphalt materials: Critical review and numerical simulations", Mater. Struct., 50:1 (2017), 49
  39. Lakes R., "Foam structure with a negative Poisson's ratio", Science, 235:4792 (1987), 1038-1040
  40. Friis E. A., Lakes R. S., Park J. B., "Negative Poisson's ratio polymeric and metallic materials", J. Mater. Sci., 23:12 (1988), 4406-4414
  41. Caddock B. D., Evans K. E., "Microporous materials with negative Poisson's ratios. I: Microstructure and mechanical properties", J. Physics D: Applied Physics, 22:12 (1989), 1877-1882
  42. Берлин Ал. Ал., Ротенбург Л., Басэрт Р., "Особенности деформации неупорядоченных полимерных и неполимерных тел", Высокомолек. соед. А, 34:7 (1992), 6-32
  43. Milton G. W., "Composite materials with Poisson's ratios close to $-1$", J. Mech. Phys. Solids, 40:5 (1992), 1105-1137
  44. Alderson K. L., Evans K. E., "The fabrication of microporous polyethylene having negative Poisson's ratio", Polymer, 33:20 (1992), 4435-4438
  45. Lakes R. S., Elms K., "Indentability of conventional and negative Poisson's ratio foams", J. Compos. Mater., 27:12 (1993), 1193-1202
  46. Chan N., Evans K. E., "Indentation resilience of conventional and auxetic foams", J. Cell. Plastics, 34:3 (1998), 231-260
  47. Chan N., Evans K. E., "The mechanical properties of conventional and auxetic foams. Part 1: Compression and tension", J. Cell. Plastics, 35:2 (1999), 130-165
  48. Alderson K. L., Fitzgerald A., Evans K. E., "The strain dependent indentation resilience of auxetic microporous polyethylene", J. Mater. Sci., 35:16 (2000), 4039-4047
  49. Конек Д. А., Войцеховски К. В., Плескачевский Ю. М., Шилько С. В., "Материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона (Обзор)", Мех. композ. матер. констр., 10:1 (2004), 35-69
  50. Liu Y., Hu H., "A review on auxetic structures and polymeric materials", Sci. Res. Essays, 5:10 (2010), 1052-1063
  51. Greaves G. N., Greer A. L., Lakes R. S., Rouxel T., "Poisson's ratio and modern materials", Nature Materials, 10:11 (2011), 823-837
  52. Huang C., Chen L., "Negative Poisson's ratio in modern functional materials", Advanced Materials, 28:37 (2016), 8079-8096
  53. Volokh K. Yu., "On arterial fiber dispersion and auxetic effect", J. Biomech., 61 (2017), 123-130
  54. van der Varst P. G. Th., Kortsmit W. G., "Notes on the lateral contraction of linear isotropic viscoelastic materials", Arch. Appl. Mech., 62:5 (1992), 338-346
  55. Hilton H. H., Sung Y., "The significance of (an)isotropic viscoelastic Poisson ratio stress and time dependencies", Int. J. Solids Structures, 35:23 (1998), 3081-3095
  56. Lakes R. S., Wineman A. S., "On Poisson's ratio in linearly viscoelastic solids", J. Elasticity, 85:1 (2006), 45-63
  57. Abudushalamu A., Vandamme M., Torrenti J. M., Benoit M., "Theoretical and practical differences between creep and relaxation Poisson's ratios in linear Viscoelasticity", Mech. Time-Depend. Mater., 19:4 (2015), 537-555
  58. Hilton H. H., "Elastic and viscoelastic Poisson's ratios: The theoretical mechanics perspective", Mater. Sci. Appl., 8:4 (2017), 291-332
  59. Айнбиндер С. Б., Алксне К. И., Тюнина Э. Л., Лака М. Г., Свойства полимеров при высоких давлениях, Химия, М., 1973, 192 с.
  60. Гольдштейн Р. В., Городцов В. А., Лисовенко Д. С., "Изменчивость коэффициента Пуассона для гексагональных кристаллов под давлением", Труды МАИ, 2016, № 87, 1-22
  61. Векилов Ю. Х., Красильников О. М., Луговской А. В., "Упругие свойства твердых тел при высоких давлениях", УФН, 185:11 (2015), 1215-1224
  62. Хохлов А. В., "Моделирование зависимости кривых ползучести при растяжении и коэффициента Пуассона реономных материалов от гидростатического давления с помощью нелинейно-наследственного соотношения Работнова", Мех. композ. матер. констр., 24:3 (2018), 407-436
  63. Хохлов А. В., "Характерные особенности семейств кривых деформирования линейных моделей вязкоупругости", Проблемы прочности и пластичности, 77:2 (2015), 139-154
  64. Хохлов А. В., "Анализ свойств кривых ползучести с произвольной начальной стадией нагружения, порождаемых линейной теорией наследственности", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 22:1 (2018), 65-95
  65. Хохлов А. В., "Анализ общих свойств кривых ползучести при циклических ступенчатых нагружениях, порождаемых линейной теорией наследственности", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 21:2 (2017), 326-361
  66. Хохлов А. В., "Двусторонние оценки для функции релаксации линейной теории наследственности через кривые релаксации при ramp-деформировании и методики ее идентификации", Изв. РАН. МТТ, 2018, № 3, 81-104
  67. Хохлов А. В., "Анализ возможностей описания влияния гидростатического давления на кривые ползучести при растяжении и коэффициент Пуассона реономных материалов в рамках линейной теории вязкоупругости", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 23:2 (2019), 304-340
  68. Хохлов А. В., "Асимптотика кривых ползучести, порождeнных нелинейной теорией наследственности Работнова при кусочно-постоянных нагружениях, и условия затухания памяти", Вестник Московского университета. Математика. Механика, 2017, № 5, 26-31
  69. Хохлов А. В., "Анализ свойств кривых релаксации с начальной стадией ramp-деформирования, порождаемых нелинейной теорией наследственности Работнова", Мех. композ. матер., 54:4 (2018), 687-708
  70. Хохлов А. В., "Индикаторы неприменимости линейной теории вязкоупругости по данным испытаний материала на ползучесть при растяжении с наложением гидростатического давления", Мех. композ. матер. констр., 25:2 (2019), 259-280
  71. Хохлов А. В., "Свойства семейства диаграмм деформирования, порождаемых нелинейным соотношением Работнова для вязкоупругопластичных материалов", Изв. РАН. МТТ, 2019, № 2, 29-47
  72. Работнов Ю. Н., "Равновесие упругой среды с последействием", ПММ, 12:1 (1948), 53-62
  73. Работнов Ю. Н., Ползучесть элементов конструкций, Наука, М., 1966, 752 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2019 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».