Elastische Materialien: Typen, Eigenschaften und Beispiele

Elastische Materialien sind solche Materialien, die einem verzerrenden oder verzerrenden Einfluss oder einer Kraft widerstehen können und dann zu ihrer ursprünglichen Form und Größe zurückkehren, wenn dieselbe Kraft entfernt wird.

Die lineare Elastizität wird häufig bei der Konstruktion und Analyse von Strukturen wie Balken, Platten und Blechen verwendet.

Elastische Materialien haben eine große Bedeutung für die Gesellschaft, da viele von ihnen zur Herstellung von Kleidung, Reifen, Autoteilen usw. verwendet werden.

Eigenschaften von elastischen Materialien

Wenn ein elastisches Material mit einer äußeren Kraft verformt wird, erfährt es einen inneren Widerstand gegen die Verformung und bringt es in seinen ursprünglichen Zustand zurück, wenn die äußere Kraft nicht länger ausgeübt wird.

Bis zu einem gewissen Grad zeigen die meisten festen Materialien ein elastisches Verhalten, aber es gibt eine Grenze für die Stärke der Kraft und die damit einhergehende Verformung innerhalb dieser elastischen Rückstellung.

Ein Material gilt als elastisch, wenn es bis zu 300% seiner ursprünglichen Länge gedehnt werden kann.

Aus diesem Grund gibt es eine Elastizitätsgrenze, die die größte Festigkeit oder Spannung pro Flächeneinheit eines festen Materials darstellt, die einer dauerhaften Verformung standhalten kann.

Bei diesen Werkstoffen markiert die Elastizitätsgrenze das Ende ihres elastischen Verhaltens und den Beginn ihres plastischen Verhaltens. Bei schwächeren Werkstoffen führt eine Beanspruchung oder eine Beanspruchung der Streckgrenze zum Bruch.

Die Streckgrenze hängt von der Art des betrachteten Feststoffs ab. Beispielsweise kann eine Metallstange bis zu 1% ihrer ursprünglichen Länge elastisch gedehnt werden.

Bei Bruchstücken bestimmter Gummimaterialien kann es jedoch zu Dehnungen von bis zu 1000% kommen. Die elastischen Eigenschaften der meisten beabsichtigten Feststoffe tendieren dazu, zwischen diesen beiden Extremen zu liegen.

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Arten von elastischen Materialien

Modelle aus elastischen Materialien Cauchy

In der Physik ist ein Cauchy-elastisches Material eines, bei dem die Spannung / Spannung jedes Punktes nur durch den aktuellen Verformungszustand in Bezug auf eine beliebige Referenzkonfiguration bestimmt wird. Diese Art von Material wird auch einfaches elastisches Material genannt.

Ausgehend von dieser Definition hängt die Spannung in einem einfachen elastischen Material nicht vom Verformungsweg, dem Verlauf der Verformung oder der Zeit ab, die erforderlich ist, um diese Verformung zu erreichen.

Diese Definition impliziert auch, dass die konstitutiven Gleichungen räumlich lokal sind. Dies bedeutet, dass die Beanspruchung nur durch den Zustand der Verformungen in einer Umgebung in der Nähe des fraglichen Punkts beeinflusst wird.

Dies impliziert auch, dass die Festigkeit eines Körpers (z. B. die Schwerkraft) und die Trägheitskräfte die Materialeigenschaften nicht beeinflussen können.

Einfache elastische Materialien sind mathematische Abstraktionen, und kein reales Material passt perfekt zu dieser Definition.

Es kann jedoch angenommen werden, dass viele elastische Materialien von praktischem Interesse wie Eisen, Kunststoff, Holz und Beton einfache elastische Materialien für Spannungsanalysezwecke sind.

Obwohl die Spannung von einfachen elastischen Materialien nur vom Verformungszustand abhängt, kann die durch Beanspruchung / Beanspruchung geleistete Arbeit vom Verformungsweg abhängen.

Daher hat ein einfaches elastisches Material eine nicht konservative Struktur und die Spannung kann nicht aus einer skalierten elastischen Potentialfunktion abgeleitet werden. In diesem Sinne werden Materialien, die konservativ sind, als hyperelastisch bezeichnet.

Hypoelastische Materialien

Bei diesen elastischen Materialien handelt es sich um solche, deren konstitutive Gleichung unabhängig von den Messungen der endlichen Spannung ist, außer im linearen Fall.

Hypoelastische Materialmodelle unterscheiden sich von hyperelastischen Materialmodellen oder einfachen elastischen Materialien, da sie mit Ausnahme besonderer Umstände nicht aus einer Funktion der Deformationsenergiedichte (FDED) abgeleitet werden können.

Ein hypoelastisches Material kann streng als eines definiert werden, das unter Verwendung einer konstitutiven Gleichung modelliert wird, die diese beiden Kriterien erfüllt:

Der Spannungstensor zum Zeitpunkt t hängt nur von der Reihenfolge ab, in der der Körper seine früheren Konfigurationen eingenommen hat, nicht jedoch von dem Zeitraum, in dem diese früheren Konfigurationen durchlaufen wurden.

Als Sonderfall umfasst dieses Kriterium ein einfaches elastisches Material, bei dem die aktuelle Spannung nur von der aktuellen Konfiguration abhängt und nicht von der Vergangenheit der vorherigen Konfigurationen.

Es gibt eine Tensorfunktion mit einem G- Wert, so dass ō = G ( ō, L ) wobei ō die Spanne des Materialspannungstensors und L der Raumgeschwindigkeitsgradiententensor ist.

Hyperelastische Materialien

Diese Materialien werden auch grüne elastische Materialien genannt. Sie sind eine Art Konstitutionsgleichung für ideal elastische Werkstoffe, deren Spannungsverhältnis aus einer Funktion der Verformungsenergiedichte abgeleitet wird. Diese Materialien sind ein Sonderfall von einfachen elastischen Materialien.

Bei vielen Materialien beschreiben linearelastische Modelle das beobachtete Verhalten des Materials nicht korrekt.

Hyperrelastizität bietet eine Möglichkeit, das Spannungs-Dehnungs-Verhalten dieser Materialien zu modellieren.

Das Verhalten von leeren und vulkanisierten Elastomeren macht häufig das hyperelastische Ideal aus. Vollelastomere, Polymerschäume und biologische Gewebe werden ebenfalls unter Berücksichtigung der hyperelastischen Idealisierung modelliert.

Die Modelle von hyperelastischen Materialien werden regelmäßig verwendet, um ein Verhalten mit großer Verformung in Materialien darzustellen.

Sie werden normalerweise zur Modellierung des mechanischen Verhaltens und von leeren und vollen Elastomeren verwendet.