A continuum mechanics framework for hyperelastic materials: connecting experiments and modelling

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dc.contributor.advisor Arias Hernández, Ángel
dc.contributor.author García González, Daniel
dc.date.accessioned 2017-06-27T10:09:52Z
dc.date.available 2017-06-27T10:09:52Z
dc.date.issued 2016-11
dc.date.submitted 2016-11-30
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10016/24710
dc.description Mención Internacional en el título de doctor
dc.description.abstract La investigación llevada a cabo en esta Tesis Doctoral proporciona nuevas ideas y metodologías para el desarrollo de modelos constitutivos con base hiperelástica, con fundamentación física y basados en evidencias experimentales. Estos modelos han sido aplicados al estudio del comportamiento termomecánico de polímeros termoplásticos y tejidos blandos en un amplio intervalo de condiciones de trabajo. La simulación de este tipo de sólidos debe considerar grandes desplazamientos, rotaciones y deformaciones, efectos inerciales, cambios de condiciones de contorno durante el proceso de deformación, generación de calor por deformación plástica, y requieren de leyes de comportamiento de material complejas. Con objeto de proporcionar un marco general del continuo para la formulación de modelos constitutivos, se han desarrollado las siguientes actividades: (i) Se ha realizado un análisis experimental y numérico del comportamiento mecánico de materiales hiperelásticos. Este estudio proporciona nuevas observaciones sobre los mecanismos que gobiernan el proceso de deformación de este tipo de sólidos. (ii) Se ha desarrollado un nuevo modelo constitutivo para predecir el comportamiento de polímeros semicristalinos. La formulación de este modelo se basa en evidencias físicas observadas durante el análisis del comportamiento mecánico de polímeros termoplásticos, conectando de esta manera técnicas experimentales con la modelización constitutiva. El modelo ha sido formulado en hipótesis de grandes deformaciones dentro de un marco termodinámicamente consistente que considera: la dependencia del comportamiento mecánico con la presión y la deformación plástica volumétrica; el endurecimiento del material asociado a la sensibilidad con la velocidad de deformación; la generación de calor en el proceso de deformación inducida por disipación plástica y la evolución de la temperatura debida al flujo térmico; el ablandamiento térmico y la expansión térmica del material. Los parámetros del modelo han sido identificados para el polímero poliéter-étercetona (PEEK) y la capacidad predictiva del modelo ha sido verificada para un amplio intervalo de condiciones de carga. (iii) El marco constitutivo del modelo propuesto para polímeros semicristalinos ha sido generalizado para la formulación de modelos transversalmente isótropos con base hiperelástica. Este marco general considera: viscoelasticidad; viscoplasticidad; hiperelasticidad; expansión térmica y anisotropía debida a la orientación de las fibras. El marco general del continuo ha sido particularizado dando lugar a modelos constitutivos para dos materiales específicos: materiales compuestos de matriz termoplástica PEEK reforzados con fibra corta de carbono; y la materia blanca del cerebro. (iv) Finalmente, los modelos constitutivos y las herramientas numéricas desarrolladas en esta tesis doctoral han sido implementados en un código comercial de elementos finitos y se han aplicado al estudio de un problema real: el análisis del comportamiento mecánico de implantes craneales fabricados con polímeros termoplásticos que están expuestos a cargas de impacto. Para este propósito, se ha desarrollado un modelo de cabeza humana en elementos finitos a partir de resonancias magnéticas que incluye tejido dérmico, cráneo, líquido cefalorraquídeo y el tejido cerebral, incluyendo un implante craneal termoplástico que sustituye parte del cráneo.
dc.description.abstract The research carried out in this Doctoral Thesis provides new ideas and methodologies on the development of hyperelastic-based constitutive models and may motivate future contributions within this line of investigation. To achieve the main objective of providing a general continuum mechanics framework, the methodology has been divided into the following specific activities: (i) With the aim of supporting the modelling assumptions of the framework, an experimental and numerical analysis of the mechanical behaviour of hyperelastic materials has been conducted. This study provides new insights into the mechanisms that govern the deformation process. (ii) A new constitutive model for semi-crystalline thermoplastic polymers has been developed. The formulation of this model is based on physical evidence from the analysis of the mechanical behaviour of thermoplastic polymers, thereby connecting experiments with modelling. In this sense, the model accounts for strain rate and temperature dependencies, and pressure sensitivity within a thermodynamically consistent framework formulated in finite deformations. The model parameters have been identified for polyether-ether-ketone (PEEK) and the model has been validated for a wide range of loading conditions. (iii) The constitutive framework of the model proposed for semi-crystalline polymers has been generalized for transversely isotropic hyperelastic-based models. This general framework allows for the formulation of constitutive models taking into account: viscoelasticity, viscoplasticity, hyperelasticity, thermal expansion and anisotropy induced by fibre orientation. The general continuum framework has been particularized, providing constitutive models for two materials: short carbon fibre reinforced PEEK composites; and white matter of brain. (iv) Finally, the constitutive and numerical tools developed in this thesis have been implemented in finite element commercial codes and applied to study a real problem, the analysis of the mechanical behaviour of thermoplastic cranial implants subjected to impact loading. For this purpose, a finite element head model comprising scalp, skull, cerebral falx, cerebrospinal fluid and brain tissue, with a cranial implant replacing part of the skull, has been developed from magnetic resonance imaging data.
dc.description.sponsorship The author of the Doctoral Thesis is indebted to the Ministerio de Ciencia e Innovación de España (ProjectDPI/2011-24068) and to the Ministerio de Economía y Competitividad de España (ProjectDPI/2014-57989-P) for financial support towards part of this work.
dc.format.mimetype text/xml
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso eng
dc.rights Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/
dc.subject.other Ensayo de materiales
dc.subject.other Mecánica de sólidos
dc.subject.other Resistencia de materiales
dc.subject.other Plasticidad
dc.subject.other Polímeros termoplásticos
dc.subject.other Hyperelastic materials
dc.subject.other Thermoplastic polymers
dc.subject.other Numerical methods
dc.subject.other Mechanical behaviour
dc.subject.other Mechanical behavior
dc.title A continuum mechanics framework for hyperelastic materials: connecting experiments and modelling
dc.type doctoralThesis
dc.subject.eciencia Materiales
dc.rights.accessRights openAccess
dc.description.degree Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial
dc.relation.projectID Gobierno de España. DPI/2011-24068
dc.relation.projectID Gobierno de España. DPI/2014-57989-P
dc.description.responsability Presidente: José Fernández Sáez.- Secretario: Miguel Ángel Martínez Barca.- Vocal: Isaías Sidney Chocron Benloulou
dc.contributor.departamento Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
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