محاسبه خواص ویسکوالاستیک خطی مواد با استفاده از نتایج آزمایش نانوایندنتیشن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

چکیده

در این مقاله به محاسبه‌ی خواص ویسکوالاستیک خطی مواد با استفاده از نتایج آزمایش نانوایندنتیشن پرداخته شده است. مدل‌های ویسکوالاستیک جامد استاندارد خطی توسعه‌یافته برای مدلسازی رفتار این مواد مورد استفاده قرار می‌گیرد. از آنجاکه نتایج آزمایش نانوایندنتیشن برحسب نیرو-جابجایی است، بدست آوردن این خواص نیازمند داشتن حل‌های تحلیلی مسئله است. برای این منظور از مسئله تماسی هرتزی و حل تحلیلی تماس یک کره با محیط نیمه‌بی‌نهایت بهره برده شده است. کمینه نمودن خطای برازش با استفاده از روش کمترین مربعات انجام می‌پذیرد که خود یک مسئله بهینه‌سازی مقید، غیرخطی و غیرمحدب را نتیجه می‌دهد که حل آن نیازمند تمهیدات ویژه‌ای است. در این مقاله، ضرایب مدل‌های ویسکوالاستیک بصورت ضرایبی معنادار در بازه زمانی آزمایش، با استفاده از الگوریتم ژنتیک که برای حل مسئله بهینه‌سازی فوق مناسب است، محاسبه می‌شود. در مثال‌های متعدد توانایی روش ارائه شده در این مقاله در مقایسه با روش‌های موجود در منابع برای مشخصه‌یابی رفتار ویسکوالاستیک خطی مواد نشان داده شد،که در برخی موارد تفاوتی تا  درصد مشاهده گردید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Characterization of the Linear Viscoelastic Properties of Materials by the Results of Nanoindentation Test

نویسندگان [English]

  • Hossein Salami
  • Taha Goudarzi
Department of Mechanical Engineering of Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic), Tehran, Iran.
چکیده [English]

In this paper, the linear viscoelastic properties of materials are calculated using results from the nanoindentation test. The generalized standard linear solid (GSLS) viscoelastic models describe the material behavior, with the mechanical properties (model parameters) obtained by minimizing the error between the GSLS response and the experimental results under the same loading conditions. Since the test data are in the force-displacement not the stress-strain form, obtaining the material properties is less straightforward than the conventional tests (e.g., the tensile test) and requires analytical solutions. Specifically, the Hertzian contact theory and its closed-form solution for spherical indentation into a semi-infinite medium are employed. We fit the experimental results to the closed-form solutions, with error minimized via the least squares. This leads to a non-linear, constrained, and non-convex optimization problem, necessitating robust global optimization strategies beyond conventional local methods. Considering these challenges, the model coefficients meaningful in the experiment time span are computed using a genetic algorithm (GA) suited for the optimization. Several examples demonstrate ability of the method to accurately characterize the viscoelastic responses from nanoindentation test results, showing up to 50% difference compared with the values reported in the open literature.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nanoindentation
  • linear viscoelastic behavior
  • non-convex optimization
  • Genetic Algorithm (GA)