A mérethatás numerikus vizsgálata lágy gél anyagok benyomódására
A mérethatás numerikus vizsgálata lágy gél anyagok benyomódására
Farkas Eszter Viktória BSc IV. évf.
e-mail: f.esther36@gmail.com
Konzulens: Dr. Berezvai Szabolcs, adjunktus, Műszaki Mechanikai Tanszék
e-mail: berezvai@mm.bme.hu
Napjainkban a lágy anyagoknak vitathatatlan jelentősége van, legyen szó akár gyógyászati alkalmazásukról (pl. kontaktlencsék, mesterséges szövetek), vagy akár a modern mérnöki gyakorlatban használt lágy szerkezeti anyagokról (pl.: lágy robotok, 3D nyomtatott szerkezetek). Ezekhez az alkalmazásokhoz elengedhetetlen a lágy anyagok mechanikai tulajdonságának pontos ismerete és modellezése. Az elsődleges kihívás mechanikai tulajdonságaik megfelelő vizsgálatában az, hogy a rendkívül alacsony rugalmasságuk és önsúlyuk alatt fellépő jelentős deformációik miatt, a már bejáratott vizsgálati módszereket (pl. szakítóvizsgálat, hajlítóvizsgálat) nem lehet alkalmazni.
A közelmúltban számos kutatásban a benyomódásteszteken alapuló mérési eljárások ígéretesnek bizonyultak a mechanikai és törésmechanikai tulajdonságok meghatározására, amely során egy fiolában elkészített mintán végezhetjük a méréseket, így nem szükséges a próbatest alátámasztása. Ugyanakkor az üvegcsében elhelyezett minták deformációs és feszültségi állapotát jelentősen befolyásolhatja az üvegcse véges szélessége és magassága, amely gátolja az alakváltozást a peremen. Kutatásom célja ennek a hatásnak a pontos megértése, modellezése és analízise.
A vizsgálataim során henger alakú hidrogél hengeres, tompa végű nyomószerszámmal végzett benyomására adott válaszát vizsgálom végeselemes szimulációk alapján. Hasonló mechanikai rendszerekben ébredő feszültségek számítására már született megoldás, azonban itt a nyomott anyag lineáris anyagi viselkedésű végtelen féltérként van feltételezve. A kutatásom során egy, a valós vizsgálatnak jobban megfeleltethető (véges henger alakú próbatest az ennek megfelelő peremfeltételekkel a henger alsó felületén és palástján) végeselem modellt állítok fel, melyet analitikus számításokkal ellenőrzök a fenti megoldás alapján, a geometria és a peremfeltételek hatását ezen vizsgálom. A vizsgálatok során először kis alakváltozásokat vizsgálunk, a nyomott hidrogélt ebben az esetben lineárisan rugalmasnak feltételezzük annak érdekében, hogy a végtelen féltérre végzett eredményekkel összevethető legyen.
A szimulációhoz az Abaqus szoftver használata bizonyult célszerűnek, amely jól paraméterezhető, ciklusokban meghívható, így szemléletes eredményt tud adni egyes paraméterek változtatásának hatásáról. Jelen esetben a nyomott hidrogél sugarát és magasságát, valamint a nyomóeszköz sugarát változtatjuk és vizsgáljuk a hatását a benyomódásteszt eredményére.
Irodalom:
1. J. W. Harding, I. N. Sneddon, The elastic stresses produced by the indentation of the plane surface of a semi-infinite elastic solid by a rigid punch, Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, 41(1) 16–26, 1945.
2. S. Fakhouri, S.B. Hutchens, A.J. Crosby, Puncture mechanics of soft solids, Soft Matter, 11, 4723–4730, 2015.
3. M. L. Oyen, Mechanical characterisation of hydrogel materials, International Materials Reviews, 59:1, 44-59, 2014
