各向异性水凝胶溶胀大变形行为的有限元数值模拟

摘要

水凝胶是一类典型的软物质材料。随着近年来4D打印技术的兴起和智能软体机器人领域的快速发展，水凝胶凭借其优异的环境敏感性、生物相容性和溶胀大变形等特性在仿生工程和医疗器件等领域得到了广泛的应用。水凝胶的溶胀变形过程涉及到液体在多孔弹性体中的扩散以及众多物理化学场（如光照、温度、电场和磁场等）之间的相互耦合作用，对该过程进行力学分析和数值模拟能够简化问题的复杂程度，为更好地设计水凝胶器件提供重要依据。此外，由于自然界中的生物组织大多是各向异性材料，而目前对于各向异性水凝胶材料的数值模拟方法还较为欠缺，所以，发展各向异性水凝胶溶胀大变形行为分析的有限元数值模拟方法对软物质功能器件和仿生构型的设计有着重要的指导意义。在此研究背景之下，本文主要开展了以下的研究内容： 第一、基于热力学第二定律推导了各向同性水凝胶溶胀过程中的平衡方程，开发了能够描述各向同性水凝胶材料属性的ABAQUS用户子程序UHYPER，对水凝胶的自由溶胀行为和4D打印的软物质功能器件进行了数值模拟。在连续介质力学的理论框架下，将能够模拟水凝胶溶胀行为的化学势引入到应变能密度函数中，并根据该应变能密度函数编写了ABAQUS用户子程序UHYPER，通过将水凝胶自由溶胀过程中的数值解和解析解进行对比验证了程序的正确性。进一步研究了材料参数对溶胀行为的影响，发现当交联程度或相互作用系数越大时，溶胀行为受到的抑制作用越强。此外基于4D打印的三种基本变形模式构造了若干花瓣模型和折纸类构型，展现了算法在软物质器件设计领域的适用性。 第二、基于纤维增强型各向异性水凝胶材料的应变能函数开发了用户子程序UANISOHYPER，对各向异性水凝胶的自由溶胀行为和相关的工程构件进行了数值仿真研究。选取了用来描述纤维增强型各向异性水凝胶材料的应变能函数，推导了应力与各应变不变量之间的关系。并根据该自由能函数编写了用户子程序UANISOHYPER。通过构造自由溶胀算例验证了程序的正确性，并研究了纤维模量对溶胀伸长量的影响，发现纤维模量对其所在方向上的溶胀有抑制作用，而对其他方向上的溶胀有反向促进作用。此外构造了水凝胶双层板结构，发现结构的弯曲或扭转通常是绕着纤维分布方向进行的。并基于此对4D打印花瓣扭转模型进行了改进设计，相比于原模型简化了工艺流程并取得了更好的仿生效果。还建立了各向异性软体机器手指的有限元模型，研究了不同纤维模量对其弯曲效果的影响，再次佐证了纤维模量的反向促进作用。 第三、基于ISIGHT软件搭建了针对软物质功能器件进行结构优化设计的平台，并对药物输运过程中的包裹器件、各向异性扭转花瓣构型和4D打印的马蹄莲花瓣构型进行了优化设计。优化结果均能满足设计需求，优化过程中实现了模型参数自动更新，网格自动划分，结果自动输出，极大地节约了设计所消耗的材料和时间成本。此外对于下山单纯形法研究了初始单纯形对优化收敛的影响，发现初始单纯形越小，迭代初期的搜寻半径越小，达到收敛所需的时间越短。还对比了单纯形法和Hooke-Jeeves算法在马蹄莲构型优化设计中的优化结果，发现在此算例中较之于Hooke-Jeeves优化算法，单纯形法收敛速度更快，计算精度更高。优化平台为智能软物质功能器件和4D打印构型提供了便捷高效的设计手段。

目录

声明

1. 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 水凝胶的超弹性力学行为研究现状

1.2.1 各向同性水凝胶溶胀行为的研究

1.2.2 各向异性超弹性材料应变能方程的研究

1.2.3 水凝胶溶胀行为的数值模拟方法

1.3 智能软体机器人的研究现状

1.3.1 游动类软体机器人

1.3.2 蠕动爬行类软体机器人

1.3.3 弹跳类软体机器人

1.3.4 抓取类软体机器人

1.4 4D打印技术的研究现状

1.4.1 不同初始维度的4D打印技术

1.4.2 对应不同敏感源的4D打印技术

1.4.3 4D打印技术的应用前景

1.5 本文的主要研究内容

2. 各向同性水凝胶力学行为的数值模拟研究

2.1 引言

2.2 各向同性水凝胶溶胀行为的有限元数值模拟

2.2.1 平衡方程

2.2.2 应变能密度函数

2.2.3 有限元模拟

2.3 各向同性水凝胶本构模型在ABAQUS当中的二次开发

2.3.1 各向同性超弹性材料子程序UHYPER的介绍

2.3.2 需要定义的变量和传递信息的变量

2.4 各向同性水凝胶立方体块自由溶胀行为的数值模拟

2.5 软物质功能器件的建模及仿真

2.5.1 三种基本的4D打印变形模式

2.5.2 4D打印花瓣构型的建模及仿真

2.6 本章小结

3. 各向异性水凝胶力学行为的数值模拟研究

3.1 引言

3.2 各向异性超弹性材料的本构方程研究

3.2.1 各向异性超弹性材料的应变能函数的分类

3.2.2 各向异性水凝胶的本构模型

3.3 各向异性水凝胶本构模型在ABAQUS当中的二次开发

3.3.1 各向异性超弹性材料子程序UANISOHYPER的介绍

3.3.2 需要定义的变量和传递信息的变量

3.4 各向异性水凝胶立方体块自由溶胀行为的数值模拟

3.5 各向异性软物质功能器件的设计

3.5.1各向异性水凝胶双层板的建模及仿真

3.5.2 改进的花瓣扭转模型的建模及仿真

3.5.3 智能软体抓取机器手的建模及仿真

3.6 本章小结

4. 基于ISIGHT的软体功能器件优化设计

4.1 引言

4.2 ISIGHT软件介绍

4.2.1优化设计流程

4.2.2优化算法介绍

4.3 对包裹器件的优化设计

4.3.1问题的描述及优化模型的建立

4.3.2优化结果分析

4.4 对各向异性花瓣扭转模型的优化设计

4.4.1问题的描述及优化模型的建立

4.4.2优化结果分析

4.5 对4D打印马蹄莲构型的优化设计

4.5.1问题的描述及优化模型的建立

4.5.2优化结果分析

4.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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