项目名称: 形状记忆凝胶相变-扩散-应力耦合大变形本构关系及其实验验证与数值实现

项目编号: No.11472020

项目类型: 面上项目

立项/批准年度: 2015

项目学科: 数理科学和化学

项目作者: 杨庆生

作者单位: 北京工业大学

项目金额: 90万元

中文摘要: 作为一种智能软材料,形状记忆凝胶(SMH)具有记忆其初始形状的特性,这种湿环境下的形状记忆凝胶通常是柔软和富含水分的,在一个形状记忆循环中表现为明显的热-化-力学耦合行为和非线性大变形特征。本项目旨在发展一种相变-扩散-应力耦合的大变形本构理论和基于有限元的数值方法,研究形状记忆凝胶在湿环境下的多场响应。设计实验方案,定量表征形状记忆凝胶在不同温度和化学环境下的多场响应和材料性能;基于实验现象和数据,在热力学框架内建立相变-扩散-应力耦合的大变形本构理论,描述热驱动形状记忆凝胶的变形响应;将建立的本构模型与有限元方法结合,发展适用于多场耦合大变形分析的数值技术;利用典型实验数据,验证理论模型与数值方法的可靠性。本项目将有助于深刻理解形状记忆凝胶的多场耦合与形状记忆机理,并对基于形状记忆凝胶的各种结构和器件的设计与分析提供有力工具。

中文关键词: 水凝胶;多场耦合;大变形;本构模型;实验与模拟

英文摘要: Shape memory hydrogel (SMH) is one of the most interesting hydrogels which can remember its original shape, keep the temporary deformed shape at low temperature and recover to the original shape spontaneously by heating. In wet environment,SMHs are usually soft materials with predominant water, and a typical thermo-chemo-mechanical coupled performance and large-deformation commonly occurs during a shape memory cycle. The present project aims to develop a novel constitutive theory for the transformation-diffusion-stress coupled large deformation and a FEM-based numerical technique for modelling the multifield response of SMHs in wet environment. Firstly, a series of experiments on a representative SMH will be conducted at different temperatures and chemical environments for the quantitative characterization of the multi-field responses. Secondly, a coupled thermo-chemo-mechanical constitutive theory for large deformations will be formulated to characterize the response of thermally actuated SMHs within the framework of thermodynamics. Thirdly, a numerical technique which is suitable for the large deformation analysis will be developed by implementing the developed constitutive model into the finite element method. Finally, the typical experiments will be conducted to validate the reliability of the theoretical model and its numerical implementation.The successful implementation of this project will provide an insight into the mechanism of multi-field coupling and shape memory behaviour, and lead to an extremely useful tool for the design and analysis of various SMH-based biomedical devices.

英文关键词: Shape memory hydrogel;Transformation-diffusion-stress coupling;Large deformation;Constitutive model;Experiment and modeling

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