Известия Саратовского университета. Новая серия.

Серия Математика. Механика. Информатика

ISSN 1816-9791 (Print)
ISSN 2541-9005 (Online)


Для цитирования:

Анесян В. М., Колесников А. М. Определение постоянной материала при индентировании круговой высокоэластичной мембраны с учётом трения // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2026. Т. 26, вып. 1. С. 35-45. DOI: 10.18500/1816-9791-2026-26-1-35-45, EDN: KZGDYX

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
02.03.2026
Полный текст:
(downloads: 53)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
539.3
EDN: 
KZGDYX

Определение постоянной материала при индентировании круговой высокоэластичной мембраны с учётом трения

Авторы: 
Анесян Валерий Мхитарович, Институт математики, механики и компьютерных наук им. И. И. Воровича, Южный федеральный университет
Колесников Алексей Михайлович, Институт математики, механики и компьютерных наук им. И. И. Воровича, Южный федеральный университет
Аннотация: 

В работе предлагается метод определения механических свойств высокоэластичного материала методом индентирования тонкой круглой пластинки. Новизной предлагаемого метода является учёт влияния трения в области контакта индентора и образца. Математическая модель основана на теории нелинейно-упругих мембран и модели трения Кулона. Мембрана изготовлена из изотропного несжимаемого материала. Процесс индентирования считается квазистатическим, а деформация мембраны осесимметричной. Задача сводится к краевой задаче для двух систем обыкновенных дифференциальных уравнений с параметром (неизвестной границей контакта штампа и мембраны). Краевая задача решается методом пристрелки. Численный анализ проведён для неогуковской модели материала. На основе численных данных кривая «сила вдавливания — перемещение индентора» аппроксимирована полиномиальным выражением. Определение постоянной материала основано на минимизации разницы между экспериментальной кривой «сила — перемещение» и аппроксимирующим выражением. Метод апробирован на экспериментальных данных индентирования тонкой резиновой ленты при различных условиях контакта (без смазки и со смазкой). Для этого проведены эксперименты: по определению коэффициента трения, по индентированию, одноосному и равномерному двухосному растяжению. Значение восстановленной постоянной материала, определённой из опыта по индентированию, близко к результатам классических методов. В случае, если при моделировании трение не учитывать, то значение постоянной материала будет существенно завышенным.

Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 24-21-00125).
Список источников: 
  1. Yang W. H., Hsu K. H. Indentation of a circular membrane. Journal of Applied Mechanics, 1971, vol. 38, pp. 227–230. DOI: https://doi.org/10.1115/1.3408747
  2. Scott O. N., Begley M. R., Komaragiri U., Mackin T. J. Indentation of freestanding circular elastomer films using spherical indenters. Acta Materialia 2004, vol. 52, iss. 16, pp. 4877–4885. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2004.06.043
  3. Aernouts J., Couckuyt I., Crombecq K., Dirckx J. J. J. Elastic characterization of membranes with a complex shape using point indentation measurements and inverse modelling. International Journal of Engineering Science, 2010, vol. 48, iss. 6, pp. 599–611. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2010.02.001
  4. CloonanA.J.,O’Donnell M. R., Lee W.T., Walsh M.T., DeBarraE., McGloughlin T. M. Spherical indentation of free-standing acellular extracellular matrix membranes. Acta Biomaterialia, 2012, vol. 8, iss. 1, pp. 262–273. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actbio.2011.08.003
  5. Elkut F., Bradley G. R., Krywonos J., Fenwick J., Ren X. J. Numerical study of the mechanics of indentation bending tests of thin membranes and inverse materials parameters prediction. Computational Materials Science, 2012, vol. 52, iss. 1, pp. 123–127. DOI: https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2011.03.025
  6. Liu K. K., Ju B. F. A novel technique for mechanical characterization of thin elastomeric membrane. Journal of Physics D: Applied Physics, 2001, vol. 34, iss. 15, pp. 91–94. DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/34/15/102
  7. Garnica-Palafox I. M., Álvarez-Camacho M., Sánchez-Arévalo F. M. Macro- and micromechanical responses of an elastomeric membrane undergoing biaxial tension by indentation. Journal of Materials Science, 2019, vol. 54, pp. 14255–14274. DOI: https://doi.org/10.1007/s10853-019-03887-w
  8. Selvadurai A. P. S., Yu Q. On the indentation of a polymeric membrane. Proceedings of the Royal Society A, 2006, vol. 462, pp. 189–209. DOI: http://dx.doi.org/10.1098/rspa.2005.1572
  9. Jiang Z., Liu Z., Li Y., Kang G. Indentation and puncture of double-network tough hydrogel membranes. Polymer Testing, 2022, vol. 116, art. 107782. DOI: https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2022.107782
  10. Liu J., Zhong D., Yin T., Chen Z., Liu B., Wang P., Qu S., Kang G. Indentation of elastomeric membranes by sphere-tipped indenters: Snap-through instability, shrinkage, and puncture. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2022, vol. 167, art. 104973. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmps.2022.104973
  11. Kolesnikov A. M., Shatvorov N. M. Indentation of a circular hyperelastic membrane by a rigid cylinder. International Journal of Non-Linear Mechanics, 2022, vol. 138, art. 103836. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2021.103836
  12. Stimpson B. A suggested technique for determining the basic friction angle of rock surfaces using core. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1981, vol. 18, iss. 1, pp. 63–65. DOI: https://doi.org/10.1016/0148-9062(81)90266-7
Поступила в редакцию: 
14.06.2025
Принята к публикации: 
05.11.2025
Опубликована: 
02.03.2026