Micromechanics-based constitutive modeling of hard-magnetic soft materials

微观力学 超弹性材料 材料科学 弹性体 变形(气象学) 本构方程 固体力学 机械 材料性能 介观物理学 复合材料 有限元法 结构工程 物理 工程类 凝聚态物理 复合数
作者
P. Ramesh Narayanan,R. Pramanik,A. Arockiarajan
出处
期刊:Mechanics of Materials [Elsevier BV]
卷期号:184: 104722-104722 被引量:3
标识
DOI:10.1016/j.mechmat.2023.104722
摘要

Soft materials exhibit large deformation material nonlinearity when stretched and possess enhanced elongation-at-break strain prior to rupture. As a result, these materials can cater to several state-of-the-art biomedical and microfluidic applications that require cross-domain energy transduction. Furthermore, they are often impregnated with external multi-functional filler materials (e.g., hard-magnetic particles) to result in hard-magnetic soft materials (hMSM). This gives rise to an inherent complexity owing to the multi-physics coupling due to magnetics and solid dynamics (along with geometric and material nonlinearities), which demands a rigorous magneto-mechanical model for a thorough understanding of their large deformation mechanical behavior under magneto-mechanical loads. It is also mandatory to understand their rate-dependent, hyperelastic, and flow behavior that is omnipresent during their deformation process. This paper focuses on the development of a novel thermodynamically-consistent micromechanics-based constitutive model that incorporates all these attributes using the finite deformation theory. A statistical mechanics-based approach has been undertaken to model the mechanics of the elastomer matrix. The plastic behavior due to the elastomer and the dispersed magnetic phases has been further accounted using a double-yield function with a micromechanical approach. The developed model shows a good agreement for a wide range of hMSM subjected to a variety of complex loading conditions. Finally, a parametric study has been carried out to provide physical insights into the different model parameters.
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