超弹性材料参数的测定及在微管吸吮模型中的应用

摘要

目前，常用于微管吸吮实验分析的力学模型主要有半无限体模型和球模型，为了验证李永胜等人推导的球模型的弹性近似解的合理性，本文选取110甲基乙烯基硅橡胶材料来对微管吸吮实验模型公式进行实验验证。材料选定后，首先将该材料制成圆柱体试件，应用INSTRON5544材料拉伸试验机对圆柱体试件进行了单轴压缩的力学特性测试。然后将实验数据代入近似本构关系表达式中，该近似本构关系是本文根据已有的三种模型的应变能密度函数，即Neo-Hookea模型、Mooney-Rivilin模型和Yeoh模型，采用泰勒级数展开的办法求得。结合实验数据与近似本构关系，应用origin软件进行非线性拟合处理，得到了分别用上述三种本构模型描述该材料时的力学性能参数，拟合所求得名义应力-应变曲线与实验曲线吻合较好。
　　 为了验证材料参数的合理性，应用ABAQUS有限元软件进行了模拟分析。包括:用轴对称单元建立模型，用拟合所得材料参数表示该超弹性材料的材料属性，边界条件与单轴压缩实验时保持一致，最后将模拟所得名义应力-应变关系与实验数据进行比较，以验证Neo-Hookea模型、Mooney-Rivilin模型和Yeoh模型的材料参数的合理性。
　　 用该材料制作了不同直径的实心小球试件，模拟微管吸吮实验过程，用外径12mm、内径10mm的钢管对小球试件进行吸吮实验。实验中，用手动试压泵施加压力，激光位移传感器测量小球的吸入长度，并通过DHVTC振动测试系统观察并记录施加不同压力下的位移信号图像。由于DHVTC振动测试系统输出的是电压信号，因此需要按照标定公式将实验数据转换成相应的力与位移。
　　 在用吸吮模型公式进行计算时，先用实验所得应力-应变曲线求出该材料的弹性模量，然后将其代入微管吸吮实验的弹性近似解方程中，通过计算求得微管吸吮实验的力-位移的近似解。最后，将实验数据与近似解进行比较，结果吻合较好。这表明微管吸吮球模型的弹性近似解一定程度上是精确可靠的，我们可用它来对细胞的微管吸吮进行较精确的弹性分析。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 微管吸吮技术及实验系统

1．2．1 微管吸吮的应用

1．2．2 微管吸吮系统

1．3 有限元法在微管吸吮技术中的应用

1．4 本文的主要工作和意义

1．4．1 本文的研究目的和意义

1．4．2 本文的主要工作

第二章 超弹性材料参数的测定

2．1 硅橡胶类材料的概述

2．2 橡胶类材料的本构模型

2．2．1 Neo-Hookea的本构模型

2．2．2 Mooney-Rivlin的本构模型

2．2．3 Yeoh应变能函数

2．2．4 Ohden应变能函数

2．3 硅橡胶材料的压缩实验

2．3．1 INSTRON5544试验机的简介及标定

2．3．2 实验材料

2．3．3 实验方法

2．4 硅橡胶材料压缩实验的数据处理与结果分析

2．4．1 硅橡胶材料压缩实验的数据处理

2．4．2 本构关系的理论推导

2．4．3 硅橡胶材料压缩实验的结论

2．4．4 误差分析

第三章 通过有限元模拟验证材料参数的合理性

3．1 摩擦系数的测量

3．1．1 测量方法

3．1．2 测量原理

3．1．3 误差分析

3．2 硅橡胶材料压缩的有限元模拟

3．2．1 模型的创建

3．2．2 网格划分与分析计算

3．3 结论与分析

3．3．1 模拟结果与拟合结果

3．3．2 结论与分析

第四章 超弹性材料在微管吸吮实验中的应用

4．1 宏观模拟微管吸吮实验

4．1．1 实验设备

4．1．2 连接实验装置

4．1．3 检查装置的密封性

4．2 宏观模拟微管吸吮实验

4．2．1 负压系统

4．2．2 宏观模拟实验

4．3 数据处理与结果分析

4．3．1 最小二乘法原理及计算

4．3．2 线弹性数据处理

4．3．3 结论分析

4．3．4 误差分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 工作展望

参考文献

致谢

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