软材料的大变形、接触和粘附等非线性问题的数值模拟研究

发布时间：2021-11-27 20:13

　　软物质涵盖很广的范围,从橡胶、智能材料、水凝胶等高分子聚合物,到细胞、皮肤等仿生或生物组织等。软物质在很多场景下表现出如复杂场耦合大变形、接触和粘附等的非线性力学行为,对其力学行为研究有助于材料性质及功能、细胞力学性质及功能的预测和设计。但解析方法往往难以求解这些行为,有限元数值方法处理复杂问题的能力虽然大大提高,但要行之有效地建模和研究如复杂材料本构、复杂边界条件等问题时往往也面临许多挑战。本文通过三个具体例子,对软物质不同的非线性力学行为（主要包含大变形、接触和粘附问题）进行理论与有限元模拟研究,探究了如何在有限元模拟中处理复杂的非线性行为。在第一部分,本文主要研究了一种新型的具有共价自适应网络的动态热固性聚合物（Vitrimer,也称固塑体）的力学行为。作为热固性聚合物,这种材料具有交联网络结构。在受到特定的外界刺激,如光、热、化学环境变化等时,其内部的化学反应被激活,使得分子键之间能够进行交换。这种交换反应赋予了聚合物网络动态重组能力,因而材料在受到外界载荷时能进行微观的网络自适应重组而表现出宏观的流变力学行为,如应力松弛、蠕变等。此外,动态网络还使材料表现出界面愈合能力、基于... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：144 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１．１软物质相关的技术及应用（ａ）动态聚合物应用及形状记忆聚合物（ｂ）细胞力学??性质测量（ｃ）软物质涂层粘附与脱粘ＰＷ?（ｄ）软物质用于发展柔性机器人ＰＩ?（ｅ）软物??质用于柔性电子器件［３７］?（ｆ）用于生物组织修复的软物质胶粘剂【４３］??

图２．１?ＣＡＮ材料及动态反应分类ｌｎ］：?（ａ）游离型ＣＡＮ依赖于动态可逆反应，难以保证网??络完整性，（ｂ）结合型ＣＡＮ依赖于键交换反应，结构交联密度不会受损??２．?１．２研究目标及内容??本章侧重于研宄两种结合型ＣＡＮ材料，一为基于酯基转换??（Ｔｒａｎｓｅｓｔｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ）反应的热敏ｖｉｔｒｉｍｅｒ聚合物，一为基于ＲＡＦＴ反应的光敏??动态聚合物材料作为热固性聚合物。??２．?１．２．?１，?Ｖｉｔｒｉｍｅｒ热成型及热压回收的研宄??根据上节引言，ｖｉｔｒｉｍｅｒ具有永久性的共价交联网络，从而具有优良的力学、??热学和化学稳定性，在受热时又具有网络动态重组能力，并表现出宏观的流变力??学行为如应力松弛、蠕变和界面上的自愈合行为。本质上这一切来源于其内部的??键交换反应：当交换反应发生在受外载荷的材料体内时，材料的网络重组会自动??适应外力而产生粘性松弛行为；当交换反应发生在接触的两表面上时，相互的化??学键交换可以重组界面两边的分子链和网络并对界面进行修复。这两点使两个重??，：??

名义应变分布（ｅ）卸载结束后局部最终成型形状??加热结束后，拉伸材料经历冷却和卸载，之后自由恢复到永久的成型形状。??图２．４ｄ给出了卸载后的轴向应变分布，其和加热后的结果类似。对所有的三种??条件，材料均朝初始长度（ｌ〇ｍｍ）回弹，但是回弹程度不同。对Ｃ情况，热传??导速度很快相当于材料被整体加热，此时成型长度最长，平均总体拉伸应变达到??８６．８％。而对Ａ情况，由于热传导相对较慢，材料几乎完全回到初始长度（ｌ〇ｍｍ），??总体拉伸应变只有５．６％，而轴向应变关于Ｘ又具有很陡的分布。这是由于除了??临近加热端之外的大部分材料没有被充分加热，因而应力松弛程度不够。图２．４ｅ??给出了局部的最终成型形状，与加热后形状类似，云图表示残余应力分布。可以??发现，Ａ情况下在加热端局部出现了较大的残余应力（达到约３０％的剪切模量），??这是由于高度非均匀的温度场和应力松弛在局部带来了很大的剪切应变；Ｃ情况??下

【参考文献】：
期刊论文
[1]Finite element analysis of micropipette aspiration considering finite size and compressibility of cells[J]. LI YongSheng,CHEN WeiYi.  Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2013(11)



本文编号：3522969