水凝膠是一類典型的軟物質(zhì)材料。隨著近年來4D打印技術(shù)的興起和智能軟體機(jī)器人領(lǐng)域的快速發(fā)展,水凝膠憑借其優(yōu)異的環(huán)境敏感性、生物相容性和溶脹大變形等特性在仿生工程和醫(yī)療器件等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。水凝膠的溶脹變形過程涉及到液體在多孔彈性體中的擴(kuò)散以及眾多物理化學(xué)場(如光照、溫度、電場和磁場等)之間的相互耦合作用,對該過程進(jìn)行力學(xué)分析和數(shù)值模擬能夠簡化問題的復(fù)雜程度,為更好地設(shè)計(jì)水凝膠器件提供重要依據(jù)。此外,由于自然界中的生物組織大多是各向異性材料,而目前對于各向異性水凝膠材料的數(shù)值模擬方法還較為欠缺,所以,發(fā)展各向異性水凝膠溶脹大變形行為分析的有限元數(shù)值模擬方法對軟物質(zhì)功能器件和仿生構(gòu)型的設(shè)計(jì)有著重要的指導(dǎo)意義。在此研究背景之下,本文主要開展了以下的研究內(nèi)容:第一、基于熱力學(xué)第二定律推導(dǎo)了各向同性水凝膠溶脹過程中的平衡方程,開發(fā)了能夠描述各向同性水凝膠材料屬性的ABAQUS用戶子程序UHYPER,對水凝膠的自由溶脹行為和4D打印的軟物質(zhì)功能器件進(jìn)行了數(shù)值模擬。在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的理論框架下,將能夠模擬水凝膠溶脹行為的化學(xué)勢引入到應(yīng)變能密度函數(shù)中,并根據(jù)該應(yīng)變能密度函數(shù)編寫了ABAQUS用戶子程序UHYPER,通過將水凝膠自由溶脹過程中的數(shù)值解和解析解進(jìn)行對比驗(yàn)證了程序的正確性。進(jìn)一步研究了材料參數(shù)對溶脹行為的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)交聯(lián)程度或相互作用系數(shù)越大時,溶脹行為受到的抑制作用越強(qiáng)。此外基于4D打印的三種基本變形模式構(gòu)造了若干花瓣模型和折紙類構(gòu)型,展現(xiàn)了算法在軟物質(zhì)器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域的適用性。第二、基于纖維增強(qiáng)型各向異性水凝膠材料的應(yīng)變能函數(shù)開發(fā)了用戶子程序UANISOHYPER,對各向異性水凝膠的自由溶脹行為和相關(guān)的工程構(gòu)件進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。選取了用來描述纖維增強(qiáng)型各向異性水凝膠材料的應(yīng)變能函數(shù),推導(dǎo)了應(yīng)力與各應(yīng)變不變量之間的關(guān)系。并根據(jù)該自由能函數(shù)編寫了用戶子程序UANISOHYPER。通過構(gòu)造自由溶脹算例驗(yàn)證了程序的正確性,并研究了纖維模量對溶脹伸長量的影響,發(fā)現(xiàn)纖維模量對其所在方向上的溶脹有抑制作用,而對其他方向上的溶脹有反向促進(jìn)作用。此外構(gòu)造了水凝膠雙層板結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的彎曲或扭轉(zhuǎn)通常是繞著纖維分布方向進(jìn)行的。并基于此對4D打印花瓣扭轉(zhuǎn)模型進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),相比于原模型簡化了工藝流程并取得了更好的仿生效果。還建立了各向異性軟體機(jī)器手指的有限元模型,研究了不同纖維模量對其彎曲效果的影響,再次佐證了纖維模量的反向促進(jìn)作用。第三、基于ISIGHT軟件搭建了針對軟物質(zhì)功能器件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的平臺,并對藥物輸運(yùn)過程中的包裹器件、各向異性扭轉(zhuǎn)花瓣構(gòu)型和4D打印的馬蹄蓮花瓣構(gòu)型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化結(jié)果均能滿足設(shè)計(jì)需求,優(yōu)化過程中實(shí)現(xiàn)了模型參數(shù)自動更新,網(wǎng)格自動劃分,結(jié)果自動輸出,極大地節(jié)約了設(shè)計(jì)所消耗的材料和時間成本。此外對于下山單純形法研究了初始單純形對優(yōu)化收斂的影響,發(fā)現(xiàn)初始單純形越小,迭代初期的搜尋半徑越小,達(dá)到收斂所需的時間越短。還對比了單純形法和Hooke-Jeeves算法在馬蹄蓮構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)中的優(yōu)化結(jié)果,發(fā)現(xiàn)在此算例中較之于Hooke-Jeeves優(yōu)化算法,單純形法收斂速度更快,計(jì)算精度更高。優(yōu)化平臺為智能軟物質(zhì)功能器件和4D打印構(gòu)型提供了便捷高效的設(shè)計(jì)手段。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB115;O648.17
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1.緒論
    1.1 課題研究的背景及意義
    1.2 水凝膠的超彈性力學(xué)行為研究現(xiàn)狀
        1.2.1 各向同性水凝膠溶脹行為的研究
        1.2.2 各向異性超彈性材料應(yīng)變能方程的研究
        1.2.3 水凝膠溶脹行為的數(shù)值模擬方法
    1.3 智能軟體機(jī)器人的研究現(xiàn)狀
        1.3.1 游動類軟體機(jī)器人
        1.3.2 蠕動爬行類軟體機(jī)器人
        1.3.3 彈跳類軟體機(jī)器人
        1.3.4 抓取類軟體機(jī)器人
    1.4 4D打印技術(shù)的研究現(xiàn)狀
        1.4.1 不同初始維度的4D打印技術(shù)
        1.4.2 對應(yīng)不同敏感源的4D打印技術(shù)
        1.4.3 4D打印技術(shù)的應(yīng)用前景
    1.5 本文的主要研究內(nèi)容
2.各向同性水凝膠力學(xué)行為的數(shù)值模擬研究
    2.1 引言
    2.2 各向同性水凝膠溶脹行為的有限元數(shù)值模擬
        2.2.1 平衡方程
        2.2.2 應(yīng)變能密度函數(shù)
        2.2.3 有限元模擬
    2.3 各向同性水凝膠本構(gòu)模型在ABAQUS當(dāng)中的二次開發(fā)
        2.3.1 各向同性超彈性材料子程序UHYPER的介紹
        2.3.2 需要定義的變量和傳遞信息的變量
    2.4 各向同性水凝膠立方體塊自由溶脹行為的數(shù)值模擬
    2.5 軟物質(zhì)功能器件的建模及仿真
        2.5.1 三種基本的4D打印變形模式
        2.5.2 4D打印花瓣構(gòu)型的建模及仿真
        2.5.3 折紙類功能器件的建模及仿真
    2.6 本章小結(jié)
3.各向異性水凝膠力學(xué)行為的數(shù)值模擬研究
    3.1 引言
    3.2 各向異性超彈性材料的本構(gòu)方程研究
        3.2.1 各向異性超彈性材料的應(yīng)變能函數(shù)的分類
        3.2.2 各向異性水凝膠的本構(gòu)模型
    3.3 各向異性水凝膠本構(gòu)模型在ABAQUS當(dāng)中的二次開發(fā)
        3.3.1 各向異性超彈性材料子程序UANISOHYPER的介紹
        3.3.2 需要定義的變量和傳遞信息的變量
    3.4 各向異性水凝膠立方體塊自由溶脹行為的數(shù)值模擬
    3.5 各向異性軟物質(zhì)功能器件的設(shè)計(jì)
        3.5.1 各向異性水凝膠雙層板的建模及仿真
        3.5.2 改進(jìn)的花瓣扭轉(zhuǎn)模型的建模及仿真
        3.5.3 智能軟體抓取機(jī)器手的建模及仿真
    3.6 本章小結(jié)
4.基于ISIGHT的軟體功能器件優(yōu)化設(shè)計(jì)
    4.1 引言
    4.2 ISIGHT軟件介紹
        4.2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程
        4.2.2 優(yōu)化算法介紹
    4.3 對包裹器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)
        4.3.1 問題的描述及優(yōu)化模型的建立
        4.3.2 優(yōu)化結(jié)果分析
    4.4 對各向異性花瓣扭轉(zhuǎn)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)
        4.4.1 問題的描述及優(yōu)化模型的建立
        4.4.2 優(yōu)化結(jié)果分析
    4.5 對4D打印馬蹄蓮構(gòu)型的優(yōu)化設(shè)計(jì)
        4.5.1 問題的描述及優(yōu)化模型的建立
        4.5.2 優(yōu)化結(jié)果分析
    4.6 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況
致謝

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本文編號：2884117