Caracterización hiperelástica a través de una profunda hendidura

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• Mecánica de los sólidos
• Biomecánica

Sus antecedentes:

• La caracterización del material hiperelástico es vital para comprender los materiales blandos como los tejidos y los polímeros.
• Los ensayos tradicionales de tracción uniaxial requieren una preparación compleja de la muestra y no son adecuados para el análisis in situ.
• Los métodos basados en la hendidura ofrecen una alternativa no destructiva in situ, pero requieren una hendidura profunda para la caracterización hiperelástica.

Objetivo del estudio:

• Para establecer un vínculo entre las curvas de indentación de fuerza-profundidad y el comportamiento hiperelástico utilizando el análisis de elementos finitos.
• Identificar y analizar diferentes regímenes de hendidura (hertziano, parabólico, intermedio) para materiales blandos incompresibles.
• Investigar la influencia de las propiedades del material (coeficiente de endurecimiento por deformación de Ogden) y la fricción en la respuesta a la hendidura.

Principales métodos:

• Se utilizó el análisis de elementos finitos (FEA) para modelar la hendidura de materiales blandos incompresibles.
• Se utilizó un modelo de Ogden de un término para representar el comportamiento del material hiperelástico.
• Las curvas de fuerza (F) frente a la profundidad de la hendidura (D) se analizaron en diferentes regímenes de hendidura (ratios D/R).

Principales resultados:

• Se identificaron tres regímenes de hendidura distintos: Hertziano (D ≪ R), parabólico (D ≫ R) y un régimen intermedio.
• Se encontró que el coeficiente de endurecimiento por deformación de Ogden (α) aumentaba el coeficiente de hendidura parabólica (β), lo que permitía la estimación de α a partir de β.
• Se observó que la fricción de Coulomb aumentaba la β, enmascarando potencialmente los efectos de endurecimiento por deformación para las α pequeñas, pero volviéndose insignificante para las α > 3.
• La validación experimental en varios materiales blandos (Ecoflex, Mold Star, piel de cerdo) mostró una buena concordancia con los regímenes de ley de potencia previstos.

Conclusiones:

• La hendidura profunda proporciona una escala de profundidad de fuerza parabólica universal, ofreciendo un método confiable para la extracción de propiedades hiperelásticas.
• La caracterización basada en la hendidura es una alternativa práctica y eficaz a las pruebas de tracción convencionales para el análisis in situ de materiales blandos.
• El estudio demuestra la viabilidad de extrapolar propiedades hiperelásticas (α y E) a partir de datos de hendidura con una alta precisión (dentro del 20% de desviación).