A visco-hyperelastic numerical model for elastomeric materials

This work is focused on the development of a constitutive model for elastomeric materials which accounts for their characteristic hyperelastic behavior as well as energy dissipations caused by their intrinsic viscoelastic nature. To this end, four homogeneous materials, used for the production of athletic tracks, were first tested and then characterized in view of identifying the parameters of such visco-hyperelastic constitutive model. The material constants of each material have been defined and were implemented in the numerical simulations of the Force Reduction test, which is a typical testing procedure carried out on the floors of athletic tracks by means of a special apparatus known as Artificial Athlete to assess the shock absorption capacity. This finite element model, already employed in previous works, allows to evaluate the evolution of the force over time during an impact test and, in particular, to identify the peak force resulting from the apparatus-surface interaction. A shortcoming of the above mentioned model is that polymeric materials, that make up the prefabricated athletic tracks, have been described using a pseudo-elastic approach which accounts for their time-dependent behavior by considering an effective rate of deformation and not the intrinsic viscoelastic nature of the material. As a result, while on one hand this approximation has allowed to get reliable data, in terms of peak force, on the others it was found to be a source of error in the evaluation of the unloading phase of the test; more importantly, it completely neglected all aspects related to possible energy dissipation. Employing the newly developed visco-hyperelastic constitutive model, in addition to an improvement in terms of numerical results of the impact test, a fundamental aspect was introduced in the simulation relative to the energy that the track is able to give back to the athlete, a feature which opens the way to the optimization of key aspects of the sports surface parameters in relation to athlete performance.

Questo lavoro è focalizzato allo sviluppo di un modello costitutivo per materiali elastomerici che ne consideri sia il caratteristico comportamento iperelastico che le dissipazioni energetiche causate dalla propria natura viscoelastica. A tale scopo, quattro materiali omogenei, impiegati nella produzione di piste d’atletica, sono stati dapprima testati e, quindi, caratterizzati al fine di determinare i parametri di tale modello visco-iperelastico. Le costanti dei singoli materiali sono state dunque implementate nelle simulazioni dei test di Riduzione di Forza: una prova effettuata sui manti delle piste d’atletica mediante un apposito apparato noto come Atleta Artificiale, al fine di valutarne la capacità di assorbimento d’urti. Questo modello ad elementi finiti, già utilizzato in lavori precedenti, consente di valutare l’evoluzione della forza nel tempo durante una prova d’impatto e, in particolare, individuare la forza massima derivante dall’urto strumento-manto. Un limite del sopracitato modello consiste nel fatto che i materiali polimerici, con cui sono realizzate le piste prefabbricate, sono descritti utilizzando un approccio di tipo pseudo-elastico in cui il comportamento tempo-dipendente viene descritto in termini di una strain rate effettiva e non in funzione della natura viscoelastica degli stessi. Tale approssimazione ha permesso da un lato di ottenere dati affidabili, in termini di forza di impatto, ma al tempo stesso è risultata fonte di errore nella valutazione della fase di scarico della prova; cosa più importante, essa trascura completamente tutti gli aspetti associati a possibili dissipazioni energetiche. L’utilizzo del nuovo modello visco-iperelastico consente, oltre ad un miglioramento nei risultati numerici della prova, di introdurre nella modellazione un aspetto fondamentale relativo all’energia che la pista è in grado di restituire all’atleta, una proprietà che apre la strada all’ottimizzazione delle caratteristiche delle superfici sportive in funzione delle prestazioni degli atleti.