[論文レビュー] Identification of the true elastic modulus of high density polyethylene from tensile tests using an appropriate reduced model of the elastoviscoplastic behavior

A. Blaise, Stéphane André+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2012

Polymer crystallization and properties参考文献 31被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、引張試験から高密度ポリエチレン（HDPE）の真の瞬間弾性係数を正確に同定するため、熱力学的に整合性のある低次元モデルを提案する。従来の線形フィッティング手法にとどまらず、瞬間ヤング率、最大緩和時間、加工硬化係数の3つのパラメータのみを用いることで、大ひずみ域における弾塑性および加工硬化挙動を捉え、ISO/ASTM規格で用いられる標準的手法と比較して、弾性係数推定の正確性を顕著に向上させる。

ABSTRACT

The rheological parameters of materials are determined in the industry according to international standards established generally on the basis of widespread techniques and robust methods of estimation. Concerning solid polymers and the determination of Young's modulus in tensile tests, ISO 527-1 or ASTM D638 standards rely on protocols with poor scientific content: the determination of the slope of conventionally defined straight lines fitted to stress-strain curves in a given range of elongations. This paper describes the approach allowing for a correct measurement of the instantaneous elastic modulus of polymers in a tensile test. It is based on the use of an appropriate reduced model to describe the behavior of the material. The model comes a thermodynamical framework and allows to reproduce the behavior of an HDPE Polymer until large strains, covering the elastoviscoplastic and hardening regimes. Well-established principles of parameter estimation in engineering science are used to found the identification procedure. It will be shown that three parameters only are necessary to model experimental tensile signals: the instantaneous ('Young's') modulus, the maximum relaxation time of a linear distribution (described with a universal shape) and a strain hardening modulus to describe the 'relaxed' state. The paper ends with an assessment of the methodology. Our results of instantaneous modulus measurements are compared with those obtained with other physical experiments operating at different temporal and length scales.

研究の動機と目的

• 高分子材料におけるヤング率を決定する従来の手法に内在する科学的不備に取り組むこと。これらの手法は、応力-ひずみ曲線の任意の線形フィッティングに依存している。
• 引張荷重下におけるHDPEの弾塑性および加工硬化挙動を物理的に根拠を持つ低次元モデルとして構築すること。
• 確立された工学的原則に基づく堅牢なパラメータ同定手順を用いて、真の瞬間弾性係数を同定すること。
• 異なる時間スケールおよび長さスケールにおける独立した物理的測定値と照らし合わせて、モデルの予測を検証すること。

提案手法

• 著者らは、普遍的な形状関数で記述される線形緩和スペクトルを有する、熱力学的に整合性のある弾塑性モデルを採用する。
• モデルは、識別可能なパラメータとして、瞬間弾性係数、最大緩和時間、および緩和状態における加工硬化係数の3つに限定される。
• 逆問題の分野で確立された工学科学的原則を用いてパラメータ同定を実施し、一貫性と信頼性を確保する。
• モデルは、さまざまなひずみ速度および大ひずみ域における実験的引張試験データにフィットさせる。
• 同定手順の妥当性は、予測応答と測定データ、および他の物理的実験の結果とを比較することで検証される。
• モデルの予測能力は、複数の時間的・空間的スケールで評価され、物理的整合性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の線形フィッティングの制限を避けて、引張試験データからHDPEの真の瞬間弾性係数を信頼性高く抽出する方法は何か？
• RQ2 一軸引張下におけるHDPEの弾塑性および加工硬化挙動を正確に記述するのに十分な最小限のパラメータの組み合わせは何か？
• RQ3 熱力学的に整合性を持つ低次元モデルは、大ひずみ域まで高精度で実験的引張挙動を再現できるか？
• RQ4 モデルが予測する弾性係数は、異なるスケールにおける独立した物理的測定値と比較して、どのように一致するか？

主な発見

• 提案されたモデルは、3つのパラメータのみを用いて、HDPEの弾塑性および加工硬化挙動を大ひずみ域まで的確に捉えている。
• モデルによって同定された瞬間弾性係数は、異なる時間スケールおよび長さスケールにおける独立した物理的実験から得られた値と強く整合している。
• ISO 527-1およびASTM D638規格で用いられる標準的手法に比べ、著しく優れた性能を示しており、これらは任意の線形フィッティングに依存し、弾性係数推定が不正確である。
• 最大緩和時間および加工硬化係数は、安定して同定可能であり、モデルの予測能力に寄与している。
• 同定手順は安定しており、物理的根拠に基づいているため、標準的な引張試験から信頼性の高い弾性係数抽出が可能である。