缠结拓扑限制作用对凝胶杆屈曲的影响

当前对聚合物凝胶失稳现象的研究大多是基于Flory-Rehner弹性凝胶理论,并未考虑凝胶网络链段相互缠绕引起的物理交联对凝胶弹性网络自由能的影响．因此,本文采用了一个新的,包含网络缠结拓扑限制作用的凝胶自由能函数,在此基础上计算交联网链数密度与滑动环数密度的比值、不可伸展参数、滑移参数对聚合物凝胶的折合增量模量的影响,并给出了不同长细比凝胶杆的临界屈曲应力．研究结果表明：交联网链数密度与滑动环数密度的比值、不可伸展参数越大,增量模量越大,而滑移参数越大,增量模量越小;凝胶杆的长细比越大,临界屈曲应力越小．     

pH敏感凝胶平衡溶胀的有限元研究

1943年Flory提出第一个凝胶溶胀理论以来,凝胶溶胀理论的发展极大地促进了凝胶科学的发展．在诸多凝胶溶胀理论中,Flory-Rehner凝胶溶胀理论是最为经典的理论之一,成功地预测了聚合物胶体的诸多溶胀变形特性．但该模型是基于一种最为简单的自由连接链模型,存在精度较差的局限．因此,本文采用能够表征网络缠结拓扑等微观结构影响的弹性自由能模型,即由Edwards-Vilgis提出的Slip-Link模型,构造自由能模型并形成pH敏感凝胶的平衡溶胀理论,并基于Abaqus有限元分析了微观结构及几何限制作用对pH敏感凝胶力学行为的影响．分析结果可为微流体控制阀的设计提供参考．     

考虑缠结效应的超弹性本构模型

经典熵弹性模型, 如 Neo-Hookean模型和Arruda-Boyce八链模型, 被广泛应用于预测橡胶等软材料的超弹性力学行为. 然而, 大量实验结果也显示仅采用一套模型参数, 这类模型不能同时准确地描述橡胶在多种加载模式下的应力响应. 为了克服上述模型的不足, 本文在熵弹性的模型基础上引入缠结约束效应. 微观上, 采用Langevin统计模型来表征熵弹性变形自由能, 通过管模型(tube model)引入缠结约束自由能, 并基于仿射假设, 建立微观变形与宏观变形之间的映射关系. 在宏观上, 所建立的超弹性模型的Helmholtz自由能同时包含熵弹性和缠结约束两部分, 其中熵弹性自由能与经典的Arruda-Boyce八链模型一致, 依赖于柯西-格林应变张量的第一不变量, 而缠结约束自由能依赖于柯西-格林应变张量的第二不变量. 与文献中的实验结果对比发现, 该三参数模型能准确地预测实验中所测得的橡胶材料在单轴拉伸、纯剪切和等双轴拉伸变形条件下的应力响应, 也能较好地描述不同预拉伸比条件下双轴拉伸实验结果. 最后, 本文比较了所建立的基于应变不变量的缠结约束模型与文献中相关的缠结约束模型在多种加载模式下自由能的异同. 总的来说, 本文所建立的本构理论能准确模拟橡胶等软材料的大变形力学行为, 对其工程应用有促进作用.      

网链缠结对凝胶薄膜起皱的影响

凝胶薄膜在变形时易发生屈曲、起皱等失稳现象,这在凝胶薄膜的应用中是非常重要的．近年来,针对凝胶薄膜的屈曲、起皱失稳行为,越来越多的科研人员尝试从力学角度进行分析．但是大多数的研究是基于Flory-Rehner弹性凝胶理论,未考虑凝胶网链缠结引起的物理交联对凝胶自由能的影响,模型精度不高．本文采用Edwards-Vilgis所提出的Slip-link模型对平面内起皱的凝胶薄膜进行分析,研究了不伸展参数、滑移参数对聚合物凝胶增量模量的影响以及不伸展参数、滑移参数、基底材料泊松比对凝胶薄膜起皱时的临界波长和临界应力的影响．结果表明：化学势在一定范围内变化时,随着化学势的增加,增量模量、临界波长、临界应力减小;不可伸长参数越大,增量模量、临界波长及临界应力越大;滑移参数越大,增量模量、临界波长及临界应力越小．     

考虑微观变形特征的水凝胶均匀和非均匀溶胀分析及其影响参数研究

本文给出考虑微观变形的水凝胶溶胀的分析模型,该模型假设构成聚合物网络的单链受到由于周围链的作用而产生类似圆管状的约束,并且认为每个单链变形与网络变形之间存在非仿射关系.利用该模型分析了凝胶在自由溶胀情形,预拉伸凝胶单一方向溶胀情形以及具有刚性核的球形凝胶溶胀至平衡状态情形的变形特征.研究表明, 对于自由溶胀的均匀变形情形, 水凝胶微观单链与宏观网络的变形相一致,伸长率随链段数的增加而增大, 随单链密度的增大而减小.伸长率也会随有效圆管几何参数数值的增大而增大,但是当外部溶剂压力达到一定数值以后单链的圆管约束对凝胶溶胀变形影响逐渐减小.在单一方向溶胀状态下,预拉伸凝胶会出现微观单链和宏观网络伸长率相等的溶胀平衡状态,此时约束应力等于零.具有刚性核的球形凝胶溶胀至平衡状态时产生径向和环向伸长率不相等的非均匀球对称变形.在刚性核的附近, 单链和网络的径向伸长率均大于自由溶胀状态伸长率.在远离刚性核的位置, 单链和网络的伸长率均接近自由溶胀状态的伸长率.网络渗透压随有效圆管几何参数数值的增大而降低,溶剂分子体积分数则随有效圆管几何参数数值的增大而增大.所建立的分析模型可以模拟凝胶溶胀导致的微观单链变形.      

功能梯度球形水凝胶的化学力学耦合分析

作为一种新型智能材料,水凝胶具有特殊的化学力学耦合性能.采用功能梯度形式可使得水凝胶具有更好的适应性和可调控性.本研究中假设交联密度沿径向按幂函数规律变化,并基于水凝胶的大变形多场耦合一般理论,采用Flory-Huggins自由能函数,建立了功能梯度球形水凝胶在球对称情形的控制方程,并开展了功能梯度球形水凝胶在给定内压和化学势情行的非均匀大变形溶胀行为的理论研究.计算结果表明,不同梯度指数的球形水凝胶的内压–内孔半径曲线和内压–内表面径向伸长率曲线均呈现出一段稳定区间和另一段不稳定区间,说明内压超出某临界值会发生失稳并导致水凝胶的最终破坏.内压的临界值随梯度指数的增大而增大.研究表明,功能梯度球形水凝胶的材料参数(梯度指数、亲疏水特性、交联密度和溶剂分子的体积)和环境化学势对水凝胶溶胀行为具有重要的影响.在给定内表面压力的情况下,功能梯度球形水凝胶内表面的径向位移随梯度指数的改变接近为线性变化,而随其他参数的影响都呈现出明显的非线性.本研究有助于实现水凝胶智能结构和器件在复杂条件下的精准调控.     

功能梯度球形水凝胶的化学力学耦合分析

作为一种新型智能材料,水凝胶具有特殊的化学力学耦合性能.采用功能梯度形式可使得水凝胶具有更好的适应性和可调控性.本研究中假设交联密度沿径向按幂函数规律变化,并基于水凝胶的大变形多场耦合一般理论,采用Flory-Huggins自由能函数,建立了功能梯度球形水凝胶在球对称情形的控制方程,并开展了功能梯度球形水凝胶在给定内压和化学势情行的非均匀大变形溶胀行为的理论研究.计算结果表明,不同梯度指数的球形水凝胶的内压、内孔半径曲线和内压、内表面径向伸长率曲线均呈现出一段稳定区间和另一段不稳定区间,说明内压超出某临界值会发生失稳并导致水凝胶的最终破坏.内压的临界值随梯度指数的增大而增大.研究表明,功能梯度球形水凝胶的材料参数(梯度指数、亲疏水特性、交联密度和溶剂分子的体积)和环境化学势对水凝胶溶胀行为具有重要的影响.在给定内表面压力的情况下,功能梯度球形水凝胶内表面的径向位移随梯度指数的改变接近为线性变化,而随其他参数的影响都呈现出明显的非线性.本研究有助于实现水凝胶智能结构和器件在复杂条件下的精准调控.}      

橡胶弹性材料的一种混合本构模型

该文探讨不可压缩橡胶弹性材料的本构模型.考虑到小变形时分子链的端矢分布符合高斯函数,而大变形时符合非高斯函数,提出一个混合模型,用高斯链网络模型来描述小变形而用8链网络模型来描述大变形.引入权重函数,使小变形和大变形情况下混合模型分别退化或趋于高斯链网络模型和8链网络模型.由Treloar拉伸实验数据拟合得到模型参数,通过这些材料参数混合模型对等双轴拉伸和纯剪切变形模式的预测结果与Tre-loar实验数据基本吻合,说明混合模型具有同时描述不同变形模式的能力.通过比较分析,混合模型的总体预测精度均优于高斯链网络模型和8链网络模型,特别是对剪切变形.     

基于三维弹性杆模型的DNA拉伸响应的研究

通过Young-Laplace方程将界面张力引入Kirchhoff方程,并结合Gibbs与Langmuir吸附方程建立了受溶液浓度影响的三维DNA弹性杆模型。基于此模型,引入DNA端部的边界条件,运用打靶法来模拟计算溶液中的DNA链段受端部拉力作用下的几何构型。进一步分析了在界面能与弹性应变能的耦合作用下,DNA链段平衡构型的形状与尺寸的变化规律。     

两性pH敏感凝胶瞬态溶胀问题的基本方程和数值解

聚电解质两性凝胶的侧链有可电离的酸性和碱性基团,因其能对所处溶液环境的pH值产生响应,又可称作两性pH敏感凝胶．两性pH敏感凝胶属于超弹性材料,其变形问题涉及力学-化学耦合．同时,由于凝胶的变形伴随着溶剂分子的迁移,导致变形不能瞬间完成,故应研究两性pH敏感凝胶变形发展的全过程．由于其实用价值高,研究难度大,两性pH敏感凝胶的瞬态溶胀问题近年来引起了国内外众多研究人员的关注．本文以非线性连续介质力学理论和孔隙弹性理论为基础,结合电离平衡、唐南平衡等条件,获得了能描述两性pH敏感凝胶材料在外界激励下形变发展全过程的基本方程,探究了外加载荷、溶液pH值、盐溶液浓度等因素对两性pH敏感凝胶瞬态溶胀的影响,所得结果对该材料的应用有一定参考价值．     

半晶态聚合物拉伸变形的微观机理

应用大规模分子动力学方法,采用粗粒化聚乙烯醇模型,模拟了晶区与非晶区随机交杂的半晶态聚合物模型系统,研究了半晶态聚合物在单轴拉伸变形过程中的应力-应变行为和微观结构演变.应力-应变曲线表现出4个典型变形阶段:弹性变形、屈服、应变软化和应变强化.在拉伸变形过程中,主要存在晶区折叠链之间的滑移、晶区破坏、非晶区的解缠结,以及分子链沿拉伸方向重新取向等4种主要的微结构演变形式.在屈服点附近,晶区分子链之间排列紧密程度减小而发生滑移,之后晶区变化需要的应力变小,从而形成应变软化现象.随着应变的增大,经各分子链段协同作用使非晶区分子链的解缠结和重新取向行为扩展到相对宏观尺度,导致拉伸应力增大而形成应变强化现象.      

微振激励下黏弹性阻尼器微观链结构力学模型

减小微振动对高精密仪器至关重要,利用黏弹性阻尼器进行微振动抑制是一个新兴而又具有挑战性的课题.本文采用分子链网络模型方法分析了黏弹性材料的微观分子链结构,综合考虑材料分子链结构中的网络链和自由链对黏弹性材料力学性能的影响,提出一种基于材料微观分子链结构的微振激励下黏弹性阻尼器力学模型.模型分别采用标准线性固体模型和Maxwell模型来描述网络链和自由链中单个链的力学性能,并分别采用8链网络模型和3链网络模型考虑两种类型分子链的综合效应,引入温频等效原理描述温度对微振激励下黏弹性阻尼器力学性能的影响.该模型能够描述温度和频率对黏弹性阻尼器动态力学性能的影响,并能够反映黏弹性材料的微观结构与材料力学性能的关系.为验证所提模型的有效性及考察黏弹性阻尼器在微振激励下的耗能能力和动态力学性能,在微振条件下对黏弹性阻尼器进行了动态力学性能试验.研究结果表明黏弹性阻尼器具有较好的微振耗能能力,其动态力学性能受温度和频率影响较大,所提的力学模型能够精确地描述微振激励下黏弹性阻尼器动态力学性能随温度和频率的变化关系.      

双层球壳结构准静态线性化学弹性问题的位移势函数解

本文研究了各向同性固体的化学-力学耦合问题,在传统化学弹性理论描述的扩散-变形耦合关系基础上,进一步考虑了化学反应与固体变形的相互作用关系,发展了等温状态下固体-扩散-反应-变形耦合的线性化学弹性理论,拓展了化学弹性力学的应用范围．该理论能够同时描述固体内介质扩散和固体与介质之间化学反应两个不同时间尺度的化学过程,并给出由此引起的弹性范围内的应变和应力．为应用该模型求解具体化学弹性问题,本文通过构造扩散-反应位移势函数来获得位移特解形式,再与齐次Lamé方程通解叠加获得完整解;针对反应控制问题,引入化学弹性准静态假设,将反应-扩散-变形全耦合的瞬态过程分解为两个可解耦的相继过程,从而获得相应位移解．基于此解法,本文获得了反应控制的双层球壳结构化学弹性问题的解析解,并分析了化学反应、几何结构和弹性模量对应力分布的影响．     

粉末热压扩散与应力场耦合的力学模型

以弹性接触应力场为初始条件,建立了热压条件下球形颗粒表面扩散与应力场耦合的力学模型. 引入包含表面能项级数形式的应力函数,以描述随时间演化的表面扩散过程及扩散对应力场演化的影响. 而应力场通过改变化学势梯度,又会促进(或阻止)表面扩散结合的进程.利用该模型分析了压力、温度和界面区应力场演化对致密化参数的影响. 比较了满足粘着或非粘着对结合宽度和应力分布的影响,将考虑粘着的弹性接触应力场作为初始条件,分析了弹性变形和表面扩散共同驱动的粉末冶金热压烧结致密化规律.      

反应诱导聚合物双层结构弯曲行为的建模与分析

聚合物软材料兼具柔软性和大变形能力,作为一种智能材料在软体机器人等领域应用广泛．化学活性聚合物分子内包含具有较高反应活性的官能团,如环氧、酯键、羟基、羧基等,可以在一定条件下发生化学反应引起材料体积和性质变化．因此研究化学反应如何调控聚合物变形对开发新的功能型聚合物材料有重要指导意义．本文建立化学活性聚合物-弹性基底双层结构的理论模型并分析其在化学反应诱导下的有限弯曲行为．引入化学反应进度作为Helmholtz自由能独立的状态变量,考虑化学反应对聚合物体积变化和模量的影响,以及反应过程独立的能量耗散机制,并基于Neo-Hookean模型建立起各层内的超弹性本构关系．最后利用Newton-Raphson方法对反应完全时的平面应变稳态问题进行数值求解,得到不同几何和反应影响参数下各层内的弯曲变形和应力分布．     

聚合物分子链微结构-力学性能关系的数据驱动模型

聚合物一般由随机分布的大分子链组成,分子链的分布、缠绕、交联等微结构状态显著影响聚合物的力学和物理性能。本文通过数据驱动方法,建立了聚合物分子链微结构-力学性能关系。使用有限元方法建立了两种分子链的随机微结构模型并得到了其力学性能。基于微结构-力学性能关系建立数据集,以聚合物的随机分子链微结构为输入,以聚合物的弹性刚度为响应输出,进行数据驱动模型的训练和验证。得到了精度满意的微结构-力学性能关系的分析结果。结果表明,通过数据驱动方法研究聚合物的弹性刚度问题是可靠的。     

流固冲击载荷下弹性约束加筋板的非线性动力响应

本文在考虑大变形、忽略阻尼影响的情况下,基于高散加筋板模型,对具有弹性约束边界的加筋板在流固冲击载荷下的非线性瞬态响应进行了理论研究.取样条函数作为挠度试函数,运用加权残值法求得加筋板动力响应的控制方程,采用四阶Runge-Kutta法求解该方程,并用Fortran语言编制了相应的计算程序.构造的B样条函数能适应板侧边上的任意弹性转动约束.文中不仅分析了不同的冲击载荷形式对加筋板动力特性的影响,还讨论了载荷峰值、冲击栽荷持续时问、加强筋和弹性转动约束的影响.     

大范围运动细长柔性空间结构动力学特性分析

自由-自由边界无约束状态的细长柔性空间结构大范围运动时的动力学特性对整体结构运动分析和运动控制系统设计具有极其重要的作用。通过浮动坐标系建立结构的运动学关系;借助假设模态法对结构变形进行变量分离;利用Lagrange’s方程建立了结构的刚柔耦合振动方程;再通过Rayleigh-Ritz法,以无大范围运动时的振型函数作为基本解组,得到了大范围运动影响下的结构振动特征方程,求解该方程得到了结构频率和振型。通过几组数值算例的对比分析,指出了非耦合模型和耦合模型下结构频率及振型之间的差异。     

显式方法精确模拟形状记忆聚合物热力学行为

通过构建一个热耦合的多轴可压缩应变能函数,得到应力-应变、应力-温度和应变-温度之间的函数关系,建立形状记忆聚合物的本构方程.本文引入三个基于对数应变的不变量使得模型（i）可以模拟可压缩情况;（ii）适用于单轴拉伸和等双轴拉伸至少两个基准实验;（iii）多轴有效.通过显式方法（i）给出自由能和熵的具体表达,证明模型热力学定律;（ii）给出应变-应力,温度-应力以及,温度-应变的形函数具体表达.多轴模型在特定的情况下可以自动退化到各自的单轴情况. 通过调节形函数的参数,最终得到的模型结果和实验结果能够精确匹配.新方法建立的本构模型得到的结果能更加准确地指导形状记忆聚合物的工程设计。     

考虑曲率纵向变形效应的大变形柔性梁刚柔耦合动力学建模与仿真

对在平面内做大范围转动的中心刚体柔性梁系统的动力学进行了研究,建立了考虑大变形效应的系统刚柔耦合动力学模型,并进行了动力学仿真.该动力学模型不但考虑了柔性梁横向弯曲变形和纵向变形(包含轴向拉伸变形和横向弯曲变形而引起的纵向缩短项),还考虑了纵向变形对曲率的影响,称为曲率纵向变形效应.在以往的研究中,柔性梁的横向弯曲变形能往往直接使用柔性梁横向弯曲变形来表达,并没有考虑纵向变形的影响.为了考虑柔性梁纵向变形对横向弯曲变形能的影响,在浮动坐标系下使用柔性梁参数方程形式的精确曲率公式来计算柔性梁的弯曲变形能.在此基础上建立了基于浮动坐标系的考虑曲率纵向变形效应的刚耦合动力学模型.论文给出了数值仿真算例,验证了本文所建的动力学模型既能适用于柔性梁的小变形问题,又能适用于大变形问题,且较现有高次刚柔耦合动力学模型更加适用于大变形问题的处理.论文还通过与能处理柔性梁大变形问题的绝对节点坐标法的比较,验证了模型的正确性.