含流体多孔材料细观力学与多场耦合力学

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自然界和工程中广泛存在的多孔材料多用于载荷传递或物质传输。根据微孔的几何构造,多孔材料可分为各孔互相独立并含封闭流体和内压的闭孔型多孔结构(如闭孔多孔岩石、闭孔金属泡沫、发泡塑料、微孔烧结陶瓷以及含封闭静流体的植物细胞等)和多个孔互相贯穿形成交错网络并与外界相通产生物质交换的开孔型多孔结构(如土壤、木材、聚合物凝胶以及生物软组织等)。对闭孔多孔材料,初始内压的存在会对材料的宏观弹塑性以及局部弹性场产生明显影响;而对电化学和生理环境下具有固相贯穿网络的活性软材料,热-电-化等物理场能够引起材料的大变形力学行为,另一方面,力学变形也对这些物理场产生影响。  本文工作主要关注含流体多孔材料力学行为的以下两个方面:一是考虑初始流体内压影响的闭孔多孔材料的宏细观力学性能;二是典型的具有开孔固相网络并充满溶剂或电解质溶液的活性软材料的多场耦合行为。本文研究工作对理解含流体多孔材料的宏细观力学性能和多场耦合行为具有一定的学术价值和应用意义。  本论文第一部分针对含封闭静流体的闭孔多孔材料,首先提出一种考虑流体内压作用的细观力学模型(称为等效远场模型)和二尺度均匀化方法来研究材料的宏观弹性性能。利用所提出的细观模型和数值方法,基于材料的构型演化考察了初始内压对闭孔材料宏观有效性能的影响;将所提出的等效远场细观力学模型与经典的二阶应力矩细观力学理论相结合,系统研究了多组初始气体内压对这种闭孔材料宏观弹塑性力学性能的影响。同时发展了一种考虑基体变形与封闭气体相互耦合的多尺度均匀化方法,从数值角度分析了这类材料的宏观弹塑性力学性能;利用所提出的等效远场模型,发展了一种有限体分比条件下含封闭流体多孔材料局部弹性场的细观力学方法。  本论文第二部分讨论了含开孔固相网络和间隙流体的活性软材料(如聚合物凝胶和关节软骨)的多场耦合问题。基于经典的有限变形理论和热力学定律,给出了这种含水活性软材料一般性的热.电-化-力多场耦合理论框架,用来研究聚合物凝胶和关节软骨的大变形多场耦合行为。为了考虑水凝胶中滑动链的缠结效应、网络交联点官能度和其他微结构参数的影响,以及关节软骨的非线性、各向异性和双模特性,推导了耦合系统总的自由能密度函数。基于欧拉坐标描述,对聚合物凝胶多场耦合的控制方程发展了一种新的变分方法和相应的有限元格式,通过编写的多场耦合有限元程序,数值研究了时间相关的溶剂扩散和材料大变形的耦合过程。对电化学环境下的关节软骨组织,建立了考虑材料非线性,各向异性和拉伸-压缩双模特性的电-化-力多场耦合模型,澄清和解释了含水软组织多场耦合模型中存在的一些争议,并通过算例将本文模型与其他模型进行了对比研究。
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