基于内聚力模型的双网络水凝胶断裂特性的研究

基本信息
批准号:11802043
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:24.00
负责人:吴剑
学科分类:
依托单位:重庆大学
批准年份:2018
结题年份:2021
起止时间:2019-01-01 - 2021-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:叶伟,李璞,芮燕杰,焦志安,邓帆
关键词:
复变函数方法断裂特性断裂韧度力化耦合内聚力模型
结项摘要

Double-network hydrogels are promising in biomedicine and material engineering due to good biocompatibility, great flexibility and high toughness. However, theoretically, the fracture characteristics of double-network hydrogels are poorly understood and their major influence factors have not been fully revealed; and experimental phenomena such as crack blunting and delayed fracture have not been well explained. Therefore, in this project, based on cohesive zone models, the fracture characteristics of double-network hydrogels will be studied by employing fracture experiments, analytic analysis and finite element analysis. In fracture experiments, fracture toughness, crack opening profile, the size of damage zone near the crack tip will be tested. In analytic analysis, hyperelastic models will be employed to describe the large deformation behavior of double-network hydrogels; and the damage behavior will be defined by cohesive zone models. The explicit relation between fracture toughness and its main influence factors will be derived. In finite element analysis, the mechanical-chemical coupling effect will be considered; the fracture process of double-network hydrogels will be simulated; and the experimental phenomena such as crack blunting and delayed fracture will be explained. Finally, the fracture characteristics of double-network hydrogels will be revealed at macroscopic level. This work will provide a theoretical basis for the application and design of double-network hydrogels and soft biomaterials.

双网络水凝胶具有生物相容性好、柔度大、韧性高等优点,在生物医学、材料工程等领域有着广阔的应用前景。但是,目前双网络水凝胶的断裂特性及其关键影响因素还未探明,裂纹钝化、迟滞断裂等试验现象还未得到合理的理论解释。针对现有研究的不足,本项目将以内聚力模型为理论基础,从断裂试验、解析分析、有限元分析三方面对双网络水凝胶的断裂特性开展系统的研究。在试验中测试双网络水凝胶的断裂韧性、裂纹张开形态以及裂纹尖端损伤区大小;在解析分析中采用超弹性模型描述材料的大变形特征,应用内聚力模型描述裂纹尖端区域材料的损伤行为,建立材料断裂韧性与其关键影响因素之间的显式关系;在有限元分析中引入力学-化学耦合效应,模拟双网络水凝胶的断裂过程,解释试验中的裂纹钝化、迟滞断裂等物理现象。最终从理论上宏观地揭示双网络水凝胶的断裂特性,为双网络水凝胶及软生物材料的应用、开发、设计提供理论基础。

项目摘要

双网络水凝胶具有生物相容性好、柔度大、韧性高等优点,在生物医学、材料工程等领域有着广阔的应用前景。本项目应用解析方法,辅以试验、数值模拟验证,对双网络水凝胶的力学及断裂特性开展研究。面向双网络水凝胶等软材料,将传统的JKR模型扩展到薄膜的压痕问题中,得到了压痕力、压痕半径及压痕深度的显式表达式,提出了一种考虑粘附效应的、杨氏弹性模量的简便测量理论及实验方法。针对双网络水凝胶等材料在断裂过程中的大变形特征,应用两种超弹性模型求解了裂纹尖端的变形场、应力场,发现两种模型在裂纹尖端给出了不同的应力奇异性。揭示了裂纹扩展速度对应力场及其奇异性的影响,预测了裂纹的分叉速度及扩展路径,解释了实验现象。利用复变函数法,将内聚力模型扩展到超弹性材料损伤问题中,解析求解了一种超弹性平面中的I型裂纹尖端的内聚力区长度,及其影响因素,探求了损伤效应对裂纹扩展的作用机制,建立了材料断裂韧性与关键影响因素间的显式联系,宏观地揭示了材料的增韧机理。本项工作可为双网络水凝胶及软生物材料的应用、开发提供理论基础。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

粗颗粒土的静止土压力系数非线性分析与计算方法

粗颗粒土的静止土压力系数非线性分析与计算方法

DOI:10.16285/j.rsm.2019.1280
发表时间:2019
2

拥堵路网交通流均衡分配模型

拥堵路网交通流均衡分配模型

DOI:10.11918/j.issn.0367-6234.201804030
发表时间:2019
3

中国参与全球价值链的环境效应分析

中国参与全球价值链的环境效应分析

DOI:10.12062/cpre.20181019
发表时间:2019
4

基于公众情感倾向的主题公园评价研究——以哈尔滨市伏尔加庄园为例

基于公众情感倾向的主题公园评价研究——以哈尔滨市伏尔加庄园为例

DOI:
发表时间:2022
5

栓接U肋钢箱梁考虑对接偏差的疲劳性能及改进方法研究

栓接U肋钢箱梁考虑对接偏差的疲劳性能及改进方法研究

DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2020.03.007
发表时间:2020

吴剑的其他基金

批准号:21762012
批准年份:2017
资助金额:38.00
项目类别:地区科学基金项目
批准号:21162004
批准年份:2011
资助金额:60.00
项目类别:地区科学基金项目
批准号:21376201
批准年份:2013
资助金额:80.00
项目类别:面上项目
批准号:81670228
批准年份:2016
资助金额:52.00
项目类别:面上项目
批准号:81601871
批准年份:2016
资助金额:18.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:21302025
批准年份:2013
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:50809036
批准年份:2008
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:21562012
批准年份:2015
资助金额:40.00
项目类别:地区科学基金项目
批准号:21046001
批准年份:2010
资助金额:8.00
项目类别:专项基金项目
批准号:61104087
批准年份:2011
资助金额:24.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:81000649
批准年份:2010
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:81200086
批准年份:2012
资助金额:23.00
项目类别:青年科学基金项目

相似国自然基金

1

基于二苯丙氨酸组装的双网络水凝胶的构筑与性能研究

批准号:21902089
批准年份:2019
负责人:刘星岑
学科分类:B0204
资助金额:26.00
项目类别:青年科学基金项目
2

基于接触区模型电磁双材料界面裂纹断裂特性研究

批准号:11072160
批准年份:2010
负责人:冯文杰
学科分类:A0808
资助金额:38.00
项目类别:面上项目
3

光偶联反应可控构筑双网络(微)水凝胶

批准号:21774030
批准年份:2017
负责人:林秋宁
学科分类:B0503
资助金额:63.00
项目类别:面上项目
4

高性能双交联网络水凝胶的可控构筑

批准号:21674120
批准年份:2016
负责人:吴德成
学科分类:B0507
资助金额:66.00
项目类别:面上项目