On determination of the damping factor of linear viscoelastic materials using dynamic indentation: a theoretical study

Abstract

In this study, we theoretically investigate the dynamic indentation for measuring the loss (damping) factor of a linear viscoelastic material from its indentation response. A rigid indenter with arbitrary tip profile is assumed to indent into a viscoelastic substrate with arbitrary shape. We perform a theoretical analysis and identify the conditions under which the loss factor of the material can be determined from the phase angle between the applied harmonic indentation load and the corresponding harmonic displacement, a directly measurable quantity in a dynamic indentation test. To validate the conclusion drawn from our theoretical analysis, a series of numerical experiments are performed, including the spherical indentation of a soft layer with irregular surface morphology bonded to a rigid substrate, a conical indenter with tip defects indenting into a half-spherical particle, and the indentation of porous materials. This study may facilitate the use of the dynamic indentation technique to evaluate the damping properties of linear viscoelastic materials, including some advanced polymers and biological soft tissues. dynamic indentation, damping properties, viscoelastic materials, finite element simulation PACS: 46.35.+z, 46.80.+j, 46.15.-x

Viscoelastic response of neural cells governed by the deposition of amyloid-β peptides (Aβ)

“…Here, by using atomic force microscopy (AFM), 17,18 we systematically characterized the viscoelastic response of primary neurons from the micro-rheology test [19][20][21][22] or, more specifically, dynamical mechanical indentation. 23,24 In particular, the complex shear modulus of cells, undergoing various Ab treatments, was precisely measured over the frequency range of 1-100 Hz.…”

Recent research progress in computational solid mechanics

“…Viscoelastic materials such as advantaged polymers and their composites are very attractive to damping applications. The damping factor of linear viscoelastic materials was obtained by theoretical studies and simulations [21]. A similar research was conducted to investigate the damping behaviors of the anisotropy tape-spring hinges by means of a theoretical model and simulation [22].…”

Opportunity estimation of optical method application in problem of kinematic characteristics registration of dynamic indenting process

“…Отличительными особенностями метода являются его про-стота в применении, портативность, применимость для широкого спектра материалов -от металлов до полимеров. ДИ является безобразцовым методом неразрушающего контроля, что позволяет оперативно получать информацию о физико-механических свойствах изделий, не выводя их из эксплуатации [1][2][3][4][5][6][7][8]. В целях эффективного внедрения метода ДИ в практику неразрушающего контроля необходимо решить ряд весьма актуальных и сложных научно-исследовательских задач, одна из которых заключается в разработ-ке и применении устройств, которые позволяют максимально точно и без искажений регистрировать движение индентора в процессе его ударного взаимодействия с испытуемым материалом [9].…”

“…В целях эффективного внедрения метода ДИ в практику неразрушающего контроля необходимо решить ряд весьма актуальных и сложных научно-исследовательских задач, одна из которых заключается в разработ-ке и применении устройств, которые позволяют максимально точно и без искажений регистрировать движение индентора в процессе его ударного взаимодействия с испытуемым материалом [9]. Анализ на-учно-технической литературы [1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12] показывает, что исследования в данной сфере при решении описан-ной задачи осуществлялись с помощью акселерометров, а также реализацией магнитоиндукционного и оптических методов в устройствах регистрации скорости движения индентора. Использование акселеро-метров сопряжено с влиянием присоединенной к индентору массы самого датчика, которая неизбежно будет искажать процесс контактного взаимодействия.…”