环境温度影响下软材料粘弹性空穴失稳行为研究

The instability of soft materials can be widely utilized in areas like flexible electrons, soft robots, energy harvesting, and biomedical science etc. Cavitation instability is one kind of instability phenomena in soft materials. In this proposal, we will study the cavitation instability, cavity-induced fracture and its application under the effect of dynamic loading and environmental temperature using theoretical analysis, numerical modeling, and experiments. We will establish the constitutive model of viscoelastic material with large deformation under the influence of temperature and code an ABAQUS UMAT user subroutine. We will establish a numerical scheme of cavitation instability with the effect of temperature. We will study the effect of temperature on the cavitation instability and cavity-induced fracture, investigate the influence of inhomogeneity on the transition from cavity to fracture using numerical simulation and experiment. The effects of loading rate, geometric parameters and material parameters on the surface instability and cavitation instability will also be studied by the experiment and numerical simulation of cavitation instability induced by temperature. Based on the proposed numerical method and research results, we will explain the cavitation instability phenomena in plants community and try to design a fast-respond soft structure using cavitation instability mechanism. The research results will contribute to the foundation of mechanics of soft matter and give a theoretical reference for the design of soft structure and devices using instability.

软材料的失稳广泛应用于柔性电子、软体机器人、能量收集、生物医学等领域，空穴失稳是软材料众多失稳现象中的一种。本课题拟围绕温度和动态载荷影响下软材料空穴化失稳与断裂、空穴失稳应用等方面开展理论分析、数值模拟和实验研究。拟建立温度影响下的大变形粘弹性本构模型，编写ABAQUS UMAT用户子程序，提出温度影响下的空穴失稳的数值分析方法。完成空穴失稳到裂纹扩展的模拟与实验验证，明确温度场在软材料空穴失稳与裂纹扩展中所起到的作用，研究材料非均匀性对空穴失稳到裂纹扩展的影响。进行温度变化引起的空穴失稳实验，得到加载速率、结构几何参数与材料参数对材料表面失稳与内部空穴失稳的影响规律。基于提出的计算方法和分析结果，解释动植物界中的空穴失稳现象，利用空穴失稳原理设计可以快速反应柔性结构。研究成果将为丰富软物质力学基础理论做出贡献，为促进空穴失稳原理在柔性结构和器件中的应用提供理论支撑。

软材料的失稳广泛应用于柔性电子、软体机器人、能量收集、生物医学等领域，空穴失稳是软材料失稳现象中的一种。本课题拟围绕温度和动态载荷影响下软材料空穴化失稳与断裂、空穴失稳应用等方面开展理论分析、数值模拟和实验研究。项目研究了动态和冲击载荷对空穴稳定性的影响，讨论了无表面能时，空穴内部的压力与空穴表面的膨胀率之间的关系，开展了表面能对静态下的平衡点的稳定性的讨论，研究表明当加入了对表面能的考虑且在膨胀压力较小时平衡点是稳定的中心点，当在膨胀压力较大时，出现两个平衡点，此时一个依旧为稳定的中心点，而另一个为不稳定的鞍点；项目利用ABAQUS中的UMAT+UMATHT子程序接口，建立了温度和大变形耦合作用下的温度超弹性用户子程序并验证了其正确性，提出了温度影响下的空穴失稳的数值分析方法；项目开展了温度影对空穴到裂纹转换规律影响的实验研究，明确温度场对软材料断裂韧度的影响规律和其在软材料空穴失稳与裂纹扩展中所起到的作用；通过理论分析方法，研究了空穴周围线性变化和幂函数变化材料非线性对空穴失稳的条件和空穴周围应力分布的影响规律，并得到了该问题解的解析表达式。基于提出的计算方法和分析结果，解释了植物界中的空穴失稳现象，分析了蕨类植物通过空穴膨胀导致裂纹扩展，进而快速弹出种子的力学模型，给出了断裂力学解释，明确了突然裂纹扩展背后的机理。研究成果将为丰富软物质力学基础理论做出贡献，为促进空穴失稳原理在柔性结构和器件中的应用提供理论支撑。