RT Dissertation/Thesis
T1 A continuum mechanics framework for hyperelastic materials: connecting experiments and modelling
A1 García González, Daniel
AB La investigación llevada a cabo en esta Tesis Doctoral proporciona nuevas ideas ymetodologías para el desarrollo de modelos constitutivos con base hiperelástica, confundamentación física y basados en evidencias experimentales. Estos modelos han sidoaplicados al estudio del comportamiento termomecánico de polímeros termoplásticos ytejidos blandos en un amplio intervalo de condiciones de trabajo. La simulación de estetipo de sólidos debe considerar grandes desplazamientos, rotaciones y deformaciones,efectos inerciales, cambios de condiciones de contorno durante el proceso dedeformación, generación de calor por deformación plástica, y requieren de leyes decomportamiento de material complejas. Con objeto de proporcionar un marco general delcontinuo para la formulación de modelos constitutivos, se han desarrollado las siguientesactividades:(i) Se ha realizado un análisis experimental y numérico del comportamiento mecánico demateriales hiperelásticos. Este estudio proporciona nuevas observaciones sobre losmecanismos que gobiernan el proceso de deformación de este tipo de sólidos.(ii) Se ha desarrollado un nuevo modelo constitutivo para predecir el comportamiento depolímeros semicristalinos. La formulación de este modelo se basa en evidencias físicasobservadas durante el análisis del comportamiento mecánico de polímeros termoplásticos,conectando de esta manera técnicas experimentales con la modelización constitutiva. Elmodelo ha sido formulado en hipótesis de grandes deformaciones dentro de un marcotermodinámicamente consistente que considera: la dependencia del comportamientomecánico con la presión y la deformación plástica volumétrica; el endurecimiento delmaterial asociado a la sensibilidad con la velocidad de deformación; la generación decalor en el proceso de deformación inducida por disipación plástica y la evolución de latemperatura debida al flujo térmico; el ablandamiento térmico y la expansión térmica delmaterial. Los parámetros del modelo han sido identificados para el polímero poliéter-étercetona(PEEK) y la capacidad predictiva del modelo ha sido verificada para un ampliointervalo de condiciones de carga.(iii) El marco constitutivo del modelo propuesto para polímeros semicristalinos ha sidogeneralizado para la formulación de modelos transversalmente isótropos con basehiperelástica. Este marco general considera: viscoelasticidad; viscoplasticidad;hiperelasticidad; expansión térmica y anisotropía debida a la orientación de las fibras. Elmarco general del continuo ha sido particularizado dando lugar a modelos constitutivos para dos materiales específicos: materiales compuestos de matriz termoplástica PEEKreforzados con fibra corta de carbono; y la materia blanca del cerebro.(iv) Finalmente, los modelos constitutivos y las herramientas numéricas desarrolladas enesta tesis doctoral han sido implementados en un código comercial de elementos finitos yse han aplicado al estudio de un problema real: el análisis del comportamiento mecánicode implantes craneales fabricados con polímeros termoplásticos que están expuestos acargas de impacto. Para este propósito, se ha desarrollado un modelo de cabeza humanaen elementos finitos a partir de resonancias magnéticas que incluye tejido dérmico,cráneo, líquido cefalorraquídeo y el tejido cerebral, incluyendo un implante cranealtermoplástico que sustituye parte del cráneo.
AB The research carried out in this Doctoral Thesis provides new ideas and methodologies onthe development of hyperelastic-based constitutive models and may motivate futurecontributions within this line of investigation. To achieve the main objective of providinga general continuum mechanics framework, the methodology has been divided into thefollowing specific activities:(i) With the aim of supporting the modelling assumptions of the framework, anexperimental and numerical analysis of the mechanical behaviour of hyperelasticmaterials has been conducted. This study provides new insights into the mechanisms thatgovern the deformation process.(ii) A new constitutive model for semi-crystalline thermoplastic polymers has beendeveloped. The formulation of this model is based on physical evidence from the analysisof the mechanical behaviour of thermoplastic polymers, thereby connecting experimentswith modelling. In this sense, the model accounts for strain rate and temperaturedependencies, and pressure sensitivity within a thermodynamically consistent frameworkformulated in finite deformations. The model parameters have been identified forpolyether-ether-ketone (PEEK) and the model has been validated for a wide range ofloading conditions.(iii) The constitutive framework of the model proposed for semi-crystalline polymers hasbeen generalized for transversely isotropic hyperelastic-based models. This generalframework allows for the formulation of constitutive models taking into account:viscoelasticity, viscoplasticity, hyperelasticity, thermal expansion and anisotropy inducedby fibre orientation. The general continuum framework has been particularized, providingconstitutive 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 beenimplemented in finite element commercial codes and applied to study a real problem, theanalysis of the mechanical behaviour of thermoplastic cranial implants subjected toimpact 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 ofthe skull, has been developed from magnetic resonance imaging data.
YR 2016
FD 2016-11
LK https://hdl.handle.net/10016/24710
UL https://hdl.handle.net/10016/24710
LA eng
NO Mención Internacional en el título de doctor
NO 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.
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RD 20 may. 2024