智能软材料热""电-化-力学耦合问题的研究进展

正智能软材料是指具有较低模量,在外场(如热、电、磁、化、光等)作用下能够产生较大力学响应的材料。本文评述了聚合物胶体、水凝胶以及关节软骨等典型智能软材料的多场耦合力学问题的国内外研究现状,重点讨论了这类智能软材料以化学扩散为特征的热-电-化-力学耦合的基本理论和研宄方法。详细介绍了具有代表性的国内外主要研究团体的研究进展。阐述了基于热力学理论和哈密顿原理所建立的一般性热-电-化-力学多场耦合理论框架。针对等温过程的化学-力学耦合的本构关系和控制方程,证明了化学-力学耦合     

水凝胶多场耦合计算力学

作为一种具有多场耦合特性的智能柔体材料,水凝胶的制备技术、性能表征与结构应用得到迅速发展。本文在分析水凝胶本构理论和结构设计的基础上,提出了水凝胶多场耦合计算力学的基本方法和范式,包括微观粗粒化分子动力学模拟和宏观耦合有限元方法等,计算了化学-力学耦合作用下水凝胶材料与结构的变形和应力,给出了多个数值算例与结果比较。研究指出多场耦合计算力学将成为水凝胶材料和结构分析的主要手段,并推动水凝胶等这类智柔材料的性能设计与工程应用。     

多孔介质的热-电-化-力学耦合理论及应用

本文针对自然界中不同种类的多孔介质,评述了包含化学效应的多场耦合力学问题的国外内研究现状.介绍了研究多场耦合问题的理论架构,并基于唯象理论和热力学理论,建立了一般性的热-电-化-力学多场耦合理论,在此基础上简化为化学-力学耦合理论,利用相应的控制方程和本构关系, 给出了线性耦合系统的变分原理,并证明了化学-力学耦合理论架构的封闭性. 基于所提出的化-力耦合模型,通过数值算例解释了多孔介质中的化学-力学耦合现象.最后对多孔介质,特别是对活体生物软组织中的多场耦合研究中存在的问题进行了讨论,并展望了本领域的未来发展趋势.     

连续胶体材料化学-力学耦合有限元理论及其在ABAQUS中UEL程序实现

基于哈密顿原理,得到水凝胶的化学-力学耦合控制方程的等效积分形式和有限元形式。在整体坐标系下推导出用形函数表示的化学-力学耦合应变矩阵和单元刚度矩阵,并且得到在局部坐标系下的离散化形式。结合ABAQUS软件,编制了用户单元子程序UEL,通过数值算例验证了所开发单元的正确性,为在ABAQUS软件中实现各种耦合问题的有限元UEL编程提供了参考依据。     

智能复合材料的化学-力学完全耦合理论及有限元计算

许多智能复合材料例如生物组织和聚合物胶体,都表现出多场耦合行为.目前化学-力学耦合理论属于一个比较新的领域,还不成熟.本文主要研究化学一力学耦合行为,并在ABAQUS软件中进行了数值模拟计算.应用力学平衡方程、离子扩散方程和包含力学-化学耦合因素的的本构关系椎导出了力学-化学耦合的等效积分形式,建立力学-化学耦合的有限元方程.在ABAQUS软件中开发用户单元子程序,进行数值模拟.计算结果表明:力学与化学存在着相互耦合作用,浓度变化能引起固体的变形,同样力学作用也能引起浓度重分布:由于耦合作用,固体的有效性能与扩散性质都发生了改变:力学-化学耦合作用过程实际是机械能与化学能之间能量转换过程;最终,研究体中械能与化学能达到相互平衡状态,且质量守恒.本文的理论和方法可应用于模拟生物组织、粘土等材料的力学-化学耦合行为.     

自振荡凝胶的力-化耦合行为调控及其应用研究

自振荡凝胶是一类由特殊振荡化学反应驱动而产生周期性变形的新型智能软材料.自振荡凝胶内部存在复杂的力学与化学的非线性耦合效应,其动力学行为特征受试样的边界约束情况、外部作用力大小与形式等力学因素和反应物浓度、催化剂类型等化学因素的显著影响,亦受试样的几何形状、外界光照强度、环境温度等其他物理因素的调控.自振荡凝胶已在力学与化学信号传播、材料结构自组装、微量物质运输、微型作动器、新型力学传感器等基础和应用领域取得众多突破性研究进展.基于相关研究,系统论述了自振荡凝胶的力-化耦合行为调控及其主要应用现状,为进一步深入研究新型智能软材料及其应用提供参考.     

自振荡凝胶的力——化耦合行为调控及其应用研究

自振荡凝胶是一类由特殊振荡化学反应驱动而产生周期性变形的新型智能软材料. 该智能材料无需通过调节外界激励因素便可产生自治的交替性膨胀和收缩, 从而持续性地将化学能转化为机械能, 在工程和生物医学领域具有广阔的应用前景. 自振荡凝胶内部存在复杂的力学与化学的非线性耦合效应, 其动力学行为特征受试样的边界约束情况、外部作用力大小与形式等力学因素和反应物浓度、催化剂类型等化学因素的显著影响, 亦受试样的几何形状、外界光照强度、环境温度等其他物理因素的调控. 自振荡凝胶已在力学与化学信号传播、材料结构自组装、微量物质运输、微型作动器、新型力学传感器等基础和应用领域取得众多突破性研究进展. 基于相关研究, 系统论述了自振荡凝胶的力-- 化耦合行为调控及其主要应用现状, 为进一步深入研究新型智能软材料及其应用提供参考.      

混凝土材料损伤-自愈行为的湿化力多场耦合分析

荷载与环境共同工作下的混凝土损伤-愈合力学行为具有典型的内在湿化力多场耦合特征．本文以混凝土中CaCO3 沉淀自愈机制为例,建立了一种湿-化-力多场耦合分析模型．通过引入一组扩散和化学反应方程,对材料微观结构层次的物理化学过程进行数学建模．随后,基于连续损伤愈合力学理论,将自愈效应引入混凝土损伤本构关系,发展出混凝土湿化力耦合分析模型并进行模型验证．针对单轴拉伸混凝土试样进行多场耦合数值分析,考察了关键参数对愈合过程的作用规律以及自愈进程对混凝土材料力学行为的影响．本文的研究为混凝土在运行环境下的损伤-愈合行为以及性能演变提供了定量分析方法．     

化学-力学耦合理论与数值方法

该文研究了化学场中的质量扩散与力学耦合问题,构造了化-力耦合情况下的力学本构关系与质量扩散的本构关系,并由这些本构关系和化学场、力学场的控制方程,得到化-力场耦合的有限元方程.通过数值算例,详细分析了由应力场引起的质量重分布和由化学场引起的结构变形.研究表明,力学与化学之间存在明显的相互作用,并采用有限元数值方法进行了分析.     

数值模拟离子强度敏感水凝胶的多场特性

发展了多物理模型来研究溶液中离子强度敏感水凝胶电-力-化学多场耦合的特性. 模 型的主要控制方程包括：计算水凝胶内外离子浓度分布的Nernst-Planck化学场方程；描述 膨胀变形的力学场方程和描述电场的泊松方程. 无网格有限云团法和牛顿迭代法用来数值离 散和求解控制方程. 通过对比多场耦合的响应, 包括胶的膨胀率和胶内外离子浓度和电势的分布，探讨了影响胶体变形的主要因素. 对数值模拟结果和实验结果进行了对照.     

ANALYTICAL SOLUTIONS FOR A ONE-DIMENSIONAL CHEMO-MECHANICAL COUPLING PROBLEM

Chemo-mechanical coupling exists in a lot of intelligent materials including hy- drogels, biological tissues and other soft materials. These materials are able to respond to ex- ternal stimulus, such as temperature, chemical concentration, and pH value. In this paper, a one-dimensional theoretical model for chemo-mechanical coupling is proposed for analyzing the uniaxial stress/strain state of coupling materials. Based on the chemo-mechanical coupled gov- erning equation, the displacement function and concentration function are derived and the stress and chemical potential are obtained. It is shown that the present chemo-mechanical theory can characterize the chemo-mechanical coupling behavior of intelligent materials.     

Theory of electroelasticity accounting for biasing fields: Retrospect,comparison and perspective

力电耦合固体的非线性连续介质理论最早出现于20世纪50年代,而成熟于70年代.80年代末、90年代初则因智能材料与结构的兴起而又得到了新的发展,引起了较为广泛的关注,但应用上以线性分析为主.21世纪初以来,力电耦合软材料因其潜在的应用前景激发了众多的研究兴趣.由于牵涉到大变形,必须在一般非线性连续介质力学的框架内进行问题的建模和开展定量分析,因此力电耦合固体的非线性理论重新得到了大家的重视,出现了很多新版本.本文旨在阐述力电耦合固体非线性连续介质理论一般框架的基础上,采用3个构型的表述方式,较为详细地给出拉格朗日描述和更新拉格朗日描述下的力电耦合偏场理论,甄别不同理论表述版本之间的异同,以廓清目前文献中的混乱现象,为今后的相关研究提供理论指导.最后,本文讨论和展望了力电耦合偏场理论在不同研究领域的若干研究重点及其未来发展趋势.     

一种化学-力学耦合连续介质理论与数值格式

对化学驱动的连续介质化学-力学耦合系统进行研究,从热力学定律和化学势角度出发,推导了等温过程的化学-力学耦合本构关系和控制方程,利用变分方法建立了化学-力学耦合系统的能量泛函,得到化学-力学耦合控制方程的等效积分形式和相应的有限元列式. 结合算例,对连续介质的化学-力学耦合行为进行了数值计算,数值结果反映了化学与力学系统的相互耦合作用,即浓度变化能引起介质的变形,同样力学作用也能引起浓度重分布. 从全新的角度建立了描述连续介质的化学-力学耦合行为的基本理论和数值方法,能够较好地反映一类连续介质的化学-力学耦合行为.      

自主泳动弹性绳的轨迹模拟

研究柔性结构与流体间耦合作用,可以促进软体机器人的发展.通过速度快、精度高的数值模拟方法模拟水下机器人的实时运动轨迹,可以为真实实验提供测试方向与理论牵引,增大实验成功的可能性.本文研究有自主运动趋势的弹性绳在二维流场中的运动轨迹.首先,对弹性绳离散化建模并同时考虑拉压与扭转弹性力,从能量角度建立动力学方程,此模型可以较为真实地反映弹性绳内力对其运动产生的作用.然后基于半拉格朗日法建立流体求解器. 最后,提出简化的基于动量方程的浸入边界法作为耦合算法,通过直接修正网格速度代替浸入边界力法中力源项的作用.使用这种算法求解耦合作用兼具简便性与快速性.对弹性绳模型、流体模型与简化耦合模型依次解算,模拟了正弦形式波动弹性绳在水中的运动轨迹.结果显示,弹性绳在弹性内力与流固相互作用力共同影响下,该种新的浸入边界法可以实现对水下弹性绳运动轨迹的模拟.数值实验显示弹性绳的自主运动参考模型的初相位改变时,其前进方向会发生改变.该仿真模拟算法与平台可以为细长形软体水生机器人的研发提供参考.      

Progress in thermal-mechantical effects induced by laser

对激光辐照诱导的热与力学问题研究进展进行了综述,包括材料在高温、高升温速率下的本构关系,典型薄板和柱壳等结构在激光辐照下的热力破坏效应,多层材料体系的激光破坏行为等几个方面,并着重介绍了包含相变与烧蚀过程的激光破坏分析模型与机制研究,激光辐照效应的流-热-固耦合数值模拟方法,以及短脉冲激光引起的冲击与破坏机理等方面的研究新进展.     

力电耦合偏场理论：回顾、比较与展望

力电耦合固体的非线性连续介质理论最早出现于20世纪50年代,而成熟于70年代.80年代末、90年代初则因智能材料与结构的兴起而又得到了新的发展,引起了较为广泛的关注,但应用上以线性分析为主.21世纪初以来,力电耦合软材料因其潜在的应用前景激发了众多的研究兴趣.由于牵涉到大变形,必须在一般非线性连续介质力学的框架内进行问题的建模和开展定量分析,因此力电耦合固体的非线性理论重新得到了大家的重视,出现了很多新版本.本文旨在阐述力电耦合固体非线性连续介质理论一般框架的基础上,采用3个构型的表述方式,较为详细地给出拉格朗日描述和更新拉格朗日描述下的力电耦合偏场理论,甄别不同理论表述版本之间的异同,以廓清目前文献中的混乱现象,为今后的相关研究提供理论指导.最后,本文讨论和展望了力电耦合偏场理论在不同研究领域的若干研究重点及其未来发展趋势.     

智能复合材料的应用与力学研究进展

介绍了智能材料和智 能复合材料的基本概念、主要类型以及智能材料的感知与驱动机理,重点介绍了智能复合材 料当前的应用情况,并简要阐述了智能复合材料领域当前研究的热点问题,介绍了该领域中 的多物理场耦合问题及CNT/SMP复合材料性能的研究现状,展望了智能复合材料的发展前景.