Constitutive modelling of cellular solids  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
108691
Type PD
Principal investigator Kossa, Attila
Title in Hungarian Sejtszerkezetű anyagok mechanikai modellezése
Title in English Constitutive modelling of cellular solids
Keywords in Hungarian anyagegyenlet, konstitutív egyenlet, sejtszerkezet, rugalmasságtan, képlékenységtan, numerikus módszerek, anyagvizsgálat
Keywords in English material model, constitutive model, cellularm elasticity, plasticity, numerical methods, material testing
Discipline
Technical Mechanics (Council of Physical Sciences)80 %
Material Science and Technology (physics) (Council of Physical Sciences)10 %
Ortelius classification: Technological sciences
Mathematics (Council of Physical Sciences)10 %
Ortelius classification: Applied mathematics
Panel Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent Department of Applied Mechanics (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date 2013-09-01
Closing date 2016-09-30
Funding (in million HUF) 6.999
FTE (full time equivalent) 2.16
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A sejtszerkezetű anyagok mechanikai modellezése napjainkban is a kutatások részét képezik világszerte, amit a témában megjelent friss folyóiratcikkek is igazolnak. Mechanikai modellezés alatt itt az anyagegyenlet definiálását értjük, vagyis megadni a kapcsolatot a a feszültségi állapot és az alakváltozási állapot között. A sejtszerkezetű anyagok deformációjának modellezése az összetett szerkezeti struktúrából adódóan viszont bonyolult folyamat. Az alapanyag tulajdonságától függően a rugalmasságtan, képlékenységtan valamint a viszkózus anyagokra vonatkozó elméleteket kell alkalmaznunk kiegészítve a geometria nemlinearitás figyelembe vételével. Emiatt az anyagtörvény megadása rendkívül összetett feladat. Talán a legismertebb sejtszerkezetű anyagok csoportját a polimer habok képezik, melyek közül a mindennapi életben használt polyfoam mechanikai modellezése sokak által kutatott terület. A gyártási folyamatok korszerűsödése lehetővé teszik egyre többfajta sejtszerkezetű anyag előállítását.
Jelen kutatási terv különböző sejteszerkezetű anyagok mechanikai anyagtörvényeinek előállításával foglalkozik. Főként olyan polimer és fém habok vizsgálata a cél, melyek anyagtörvényeit még nem állították elő vagy éppen még sok lehetőség jelentezik a pontosabb modell megalkotásában. Az anyagmodell megalkotásán kívül a numerikus számításokhoz szükséges algoritmusok és a vegeselemes szoftverekbe való beépítési módszerek is a kutatási terv célkitűzései között szerepel.
Továbbá, a kutatás során cél a biomechanikai területen is kutatásokat végezni olyan anyagoknál (pl: csontszerkezet), ahol a sejtszerkezetű anyagokra vonatkozó anyagmodellek nagy pontossággal alkalmazhatóak.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

Jelen kutatási terv összeállítását az indokolta, hogy a sejtszerkezetű anyagok mechanikai modellezésében még számos lehetőség kínálkozik a pontosabb mechanikai anyagtörvény megalkotására. Ezen anyagtörvények ismerete az ipari alkalmazás számára elengedhetetlen. Például az ütközéscsillapításra használt polimer haboknál rendkívül fontos, hogy minél több energiát nyeljenek el. Ehhez szükséges ismerni a mechanikai tulajdonságok és a cellaszerkezet geometriájának kapcsolatát minél részletesebben leírni. Ennek ismeretében már a gyártás során úgy lehet megtervezni az anyagokat, hogy a számunkra megfelelő anyagi tulajdonságokkal rendelkezzenek. A fémhabok (főként alumínium) esetén pedig a képlékeny anyagi viselkedés modellezése jelent kihívást, hiszen ezen anyagoknál általános esetben a képlékenységi feltétel megadása nagyon összetett feladat. Az anyagmodellek megadása mellett elengedhetetlen a numerikus számításokhoz szükséges algoritmusok kifejlesztése is, amely szintés a kutatási feladatok részét képezik.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A sikeres kutatás eredménye olyan anyagmodellek előállítása, melyeket sejtszerkezetű anyagok, szerkezetek mechanikai modellezésénél tudunk felhasználni. Az új anyagtörvények alkalmazásával lehetőség nyílik például a polimer és fém habok hatékony végeselemes modellezésére. Ennek felhasználásával tervezni/méretezni lehet többek között különböző energiaelnyelő alkatrészeket (pl: bukósisakok, személyautók gyűrődési zónája), rezgésszigetelő ágyazásokat, szendvicsszerkezeteket. Fontos felhasználási terület jelentkezik a biomechanikai területen is, ugyanis a sejtszerkezetű anyagmodellezéssel lehet példaképp számos csontszerkezetet modellezni. A biomechanikai kutatások iránti igény a társadalom részéről pedig igen nagyfokú.
A kutatás segítene előlendíteni a hazai ilyen jellegű kutatásokat is, szükség esetén a különböző felsőoktatási és kutató intézményekben dolgozó kutatók bevonásával. A tervezett kutatás lehetőséget nyújtana együttműködésre hazai anyagtechnológusokkal és kijelölni újabb kutatási irányokat. További felhasználás, hogy a témához kötődően TDK, szakdolgozat, diplomaterv és PhD témákat lehetne kiírni, biztosítva, hogy a hallgatók egy olyan tématerületen írják dolgozatukat, amely a legújabb mechanikai kutatások részét képezi.
Az új eredmények felhasználásával segíteni lehetne a Magyarországi olyan cégeket, gyárakat – akik követve a sejtszerkezetű anyagok felhasználási előnyeit – polimer és fém habok gyártásával foglalkoznak. Miután erről a kutatási területről összefoglaló magyar nyelvű monográfia még nem született, emiatt a kutatás során készített magyar nyelvű publikációk segítenék a jövőbeni ilyen jellegű hasonló Magyarországi kutatásokat.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A sejtszerkezetű anyagok mechanikai modellezésével foglalkozó kutatások az utóbbi években egyre jobban előtérbe kerültek. Ennek oka az, hogy az újszerű gyártási technológiák lehetővé teszik egyre több alapanyagból a sejtszerkezetű (habok) kialakítást. Talán az egyik legismertebb ilyen jellegű anyagok csoportját képezik a polimer habok, köztük a mindennapi használatban is jól ismert polyfoam. Ezen kívül nagyon fontos megmlíteni a fém habokat is, köztük főként a legjobban elterjedt alumínium habot. A sejtszerkezet rendkívül nagy előnye, hogy az anyag tömegéhez képest viszonylag nagy szilárdságot tudunk elérni.
A polimer habok egyik fő felhasználási területe a különböző energiaelnyelő szerkezeti elemek, amiket főként az járműipar alkalmaz. Az ilyen jellegű alkalmazáshoz elengedhetetlen ismerni az anyag mechanikai viselkedését. A sejtszerkezetű anyagok mechanikai modellezése azonban igen összetett feladat. Évről évre jelennek meg újabb kísérletek a minél pontosabb anyagmodell felállítására, de egységesen elfogadott anyagmodell továbbra sem létezik. Az ipar részéről viszont egyre nagyobb az igény arra, hogy ezen anyagokat megfelelő pontossággal tudjuk modellezni.
Nagyon fontos kiemelni a biomechanikai alkalmazásokat is. Ugyanis példképpen a csontszerkezet is modellezhető mint sejtszerkezetű anyag és ezzel a megközelítéssel pontosabban írható le a csont deformációja. Valamint ilyen jellegű anyagok felhasználásával hatékonyabb implantátumok készíthetőek.
A sejtszerkezetű anyagok alkalmazásának feltétele, hogy a mechanikai viselkedést pontosan tudjuk modellezni. Jelen kutatási terv ezt a feladatot célozza meg.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Constitutive modelling of cellular solids is a part of novel research areas in computational mechanics world-wide. Its importance is proved by the numerous new articles published in this field. Constitutive modelling represents the method in which we describe the relation between the stress and strain. Since cellular solids have very complicated structures, the modelling of the deformation of such materials is a difficult task. In order to describe the material behaviour more precisely, more and more novel models are proposed in recent publications. One of the most important group of cellular solids are polymer foams. Continuous improvements in production technologies allow us to produce cellular solids from different kind of materials.
The primary goal of the present research plan is to derive novel constitutive models for cellular solids, in order to decribe the material behaviour of common cellular solids more precisely. One of the material group under consideration are polymer foams. The other group, which is very important in engineering design, are metal foams. Beside the constitutive modelling, the derivation of the corresponding numerical algorithms is included in the main goals. In addition, the implementation of the obtained models into finite element codes is an important objective.
Moreover, the application of constitutive models of cellular solids for biomechanical problems (e.g. modelling of bone) is an additional aim of the present research.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

This research plan was inspired by the fact, that there still exist many possibilities in the constitutive modelling of cellular solids. The constitutive models for cellular materials can be improved to obtain more accurate models. The industrial applications and engineering design of cellular solids require the constitutive model be as accurate as possible. For example, polymer foams used as energy-absorbing material must have cellular structures which yields large energy-absorbing capabilities. In order to achive this property, the relation between the mechanical properties and the cell structure has to be described more precisely. Having this information in hand at the production level, the cellular material can be designed/produced to have specified mechanical properties. Metal foams can deform plastically, therefore to model the plastic region is essential. The construction of yield condition for metal foams, in a general three-dimensional case, is a very difficult task, which is included in the objectives of the research plan. For engineering computations, not only the constitutive models, but efficient solution algorithms (stress update procedure) are also needed. To obtain novel solution strategies for constitutive models of cellular solids are essential part of the research objectives.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

The output of a successful research may include novel and more accurate material models for cellular solids, which can be used in mechanical design. The new constitutive models with the corresponding finite element implementations may serve an efficient approach to describe the material behaviour in numerical calculations. It allows us to design more accurately the various energy-absorbing parts (e.g. protecting layers in helmets), sandwich structures, for instance. An important application of constitutive models of cellular solids is biomechanics, where the structure inside the bone may be modelled using this theory. Researches in biomechanics are very pupular nowadays.
Present research plan may help to make the researches in this field be more popular in Hungary. Collaboration with collegues from other Universities and from Research Institutes would broaden the scientific relationships in Hungary. In addition, this research plan serves lot of BSc, MSc and PhD theses announcement, which provides that students can work on topics which are strongly connected to the most recent researches in computational solid mechanics.
Successful research may have new scientific results which can be efficiently used by manufacturers producing polymer of metalic foams in Hungary.
Since Hungarian textbook or comprehensive article in this topic have not been published yet, this research aims to presents the new result at Hungarian Conferences and Hungarian journals.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Researches in the field of modelling material bahaviour of cellular solids has become very popular nowadays. It is induced by the fact, that recent production technologies allow us to make foam-like material from different kind of materials. One of the most widely know cellular materials are polymeric foams. The material „polyfoam” used in everyday life belongs to this group. Metallic foams form another very important class of cellular solids, especially aluminium foams. The most important advantage of cellular solids is that they have relatively high stiffness with respect to low density.
An important application of polyemric foams are the energy-absorbing structures, mainly used by car, aerospace and sport industries. Such applications require that we can model the material behaviour as accurately as possible. However, the material models of cellular solids are very complicated. Recent publications in this field propose novel models for cellular solids, but a general constitutive model still does not exist. But, engineering applications require to model cellular materials more precisely.
It is important to emphasize that material models obtained for cellular solids may be efficiently used in biomechanics, especially for bone structures.
In summary, efficient application of cellular solids is engineering design requires more precise material models. This is the reason of submitting this resarch plan.





 

Final report

 
Results in Hungarian
New scientific results were obtained for cellular solids in this research project. New equibiaxial compression and tension fixtures were developed for polymer foam materials. Measuring the equibiaxial response of a particular foam material allows one to obtain more accurate material parameters for the constitutive model. The effect of the skin layer appearing on polymer foam sheets has been accurately described. Exact stress solutions were obtained for visco-hyperelastic foam materials. The new analytical expressions help us to accurately obtain the material parameters. Novel parameter-fitting strategy was proposed for highly compressible hyperelastic foam materials. The main advantage of the new algorithm is that it can accurately model the variation of the transverse stretch. Advanced temperature-dependent visco-elastic-plastic material model was proposed for thermoplastic materials. This research work helped us to better understand the mechanical behavior of cellular solids including polymeric foams. The new scientific results help the work of engineers working with cellular plastics. All the results were published in highly-ranked international journals with impact factors (IF). List of publications: 5 journal papers with IF; 1 journal paper without IF; 8 conference talks; 16 BSc/MSc theses.
Results in English
Jelen kutatási projektben sejtszerkezetű anyagok mechanikai modellezéséhez kapcsolódó új tudományos eredmények kerültek közlésre. Újszerű kéttengelyű nyomó- és húzókeretek tervezése és gyártása történt polimer habok vizsgálatához. A kéttengelyű vizsgálatok során kapott mérési eredmények lehetőséget nyújtanak a pontosabb anyagmodellek kifejlesztéséhez. A kutatás részletes elemzést mutat be a polimer habok felületi bőrrétegének hatásáról az anyagi viselkedésben. A kutatás egzakt feszültség megoldásokat közöl viszko-hiperelasztikus anyagmodellekhez, melyek segítségével egyszerűbben és könnyebben tudjuk előállítani a modellben szereplő anyagparamétereket. Új paraméter-illesztési algoritmus került kifejlesztésre nagyban összenyomható polimer habok anyagegyenleteihez. Az új algoritmus nagy előnye, hogy figyelembe veszi a keresztirányú deformáció hatását is, ezzel pontosabb eredményt állíthatunk elő. Hőmérsékletfüggő viszko-elasztikus-képlékeny anyagmodell vizsgálata és illesztése történ hőre lágyuló polimer habok esetén. Az elért új tudományos eredmények nagyban hozzájárulnak a sejtszerkezetű anyagok mechanikai anyagmodellezéséhez és sok tekintetben segítik az ilyen anyagokkal dolgozó mérnökök munkáját. Az eredményeket nemzetközi impakt faktoros tudományos folyóiratokban elfogadott cikkek közlik. Publikációk száma: 5 impakt faktoros folyóirat; 1 IF nélküli folyóirat; 8 konferencia előadás; 16 szakdolgozat/diplomaterv ami a témához kötődik.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=108691
Decision
Yes





 

List of publications

 
Attil KOSSA, Szabolcs BEREZVAI: Novel strategy for the hyperelastic parameter fitting procedure of polymer foam materials, Polymer Testing 53, 149-155, 2016
Szabolcs BEREZVAI, Attila KOSSA: Effect of the skin layer on the overall behavior of closed-cell polyethylene foam sheets, Journal of Cellular Plastics 52, 215-229, 2015
Szabolcs BEREZVAI, Attila KOSSA: Closed-form solution of the Ogden-Hill's compressible hyperelastic model for ramp loading, Mechanics of Time-Dependent Materials. Accepted, In Press., 2016
Attila KOSSA: A new biaxial compression fixture for polymeric foams, Polymer Testing 45, 47-51, 2015
Attila KOSSA, Szabolcs BEREZVAI: Visco-hyperelastic Characterization of Polymeric Foam Materials, Materials Today: Proceedings 3, 1003-1008, 2016
Attila KOSSA, Szabolcs BEREZVAI: Characterization of a thermoplastic foam material with the two-layer viscoplastic model, 33rd International Danubia-Adria Symposium on Advances in Experimental Mechanics (DAS), Portorož, Slovenia, September 20-23, 2016., 2016
Attila KOSSA, Szabolcs BEREZVAI: Visco-hyperelastic characterization of polymeric foam materials, 32nd International Danubia-Adria Symposium on Advances in Experimental Mechanics (DAS), Starý Smokovec, Slovakia, September 20-25, 2015., 2015
Attila KOSSA: Effect of the modeling of lateral stretch in the parameter identification algorithm of hyperelastic foam materials, 31st International Danubia-Adria Symposium on Advances in Experimental Mechanics (DAS), Kempten, Germany, September 24-27, 2014, 2014
Szabolcs BEREZVAI, Attila KOSSA: Nonlinear viscoelastic characterization of polymeric foams, VII European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering (ECCOMAS), Crete, Greece, June 5-10, 2016., 2016
Attila KOSSA: On the constitutive modelling of elastomeric foams, 24th International Conference of Theoretical and Applied Mechanics (ICTAM), Montreal, Canada, August 21-26, 2016, 2016
Szabolcs BEREZVAI, Attila KOSSA: Memóriahabok mechanikai modellezése, XXIV. Nemzetközi Gépészeti Találkozó (OGÉT), Deva, Romania, April 21-24, 2016, 2016
Attila KOSSA: Polimer habok viszko-hiperelasztikus anyagmodellezése, XII. Magyar Mechanikai Konferencia (MAMEK), Miskolc, Hungary, August 25-37, 2015, 2015
Attila KOSSA: Accurate hyperelastic model fitting procedure for polymeric foam materials, 14th European Mechanics of Materials Conference (EMMC), Gothenburg, Sweden, August 27-29, 2014, 2014
Attila KOSSA: A new biaxial compression fixture for polymeric foams, Polymer Testing, 2014
Attila KOSSA: Accurate hyperelastic model fitting procedure for polymeric foam materials, EMMC14 – European Mechanics of Materials Conference, Gothenburg August 27-29, 2014, 2014
Attila KOSSA: Effect of the modeling of lateral stretch in the parameter identification algorithm of hyperelastic foam materials, 31st Danubia-Adria Symposium on Advances in Experimental Mechanics, Kempten, GERMANY, September 24-27 2014, 2014
Attila KOSSA: A new biaxial compression fixture for polymeric foams, Polymer Testing 45, 47-51, 2015
Kossa Attila: Polimer habok viszko-hiperelasztikus anyagmodellezése, In: Baksa Attila, Bertóti Edgár, Szirbik Sándor (szerk.) (szerk.) XII. Magyar Mechanikai Konferencia. Miskolc: Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Műszaki Mechanikai Intézet, 2015. pp. ., 2015
Kossa Attila, Berezvai Szabolcs: VISCO-HYPERELASTIC CHARACTERIZATION OF POLYMERIC FOAM MATERIALS, In: DAS (szerk.) (szerk.) 32nd International Danubia-Adria Symposium on Advances in Experimental Mechanics. [s. l.]: [s. n.], 2015. pp. ., 2015
Szabolcs Berezvai, Attila Kossa: Effect of the skin layer on the overall behavior of closed-cell polyethylene foam sheets, J CELL PLAST In Press: 1-15, 2015




Back »