[发明专利]一种测定水凝胶软材料内部应力-应变场的方法

权利要求书

1.一种测定水凝胶软材料内部应力-应变场的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、制备用于单轴压缩实验的水凝胶圆柱试样；

步骤2、进行水凝胶软材料的单轴压缩实验，获取水凝胶试样的名义应力和名义应变数据；

步骤3、通过ABAQUS有限元软件选取超弹性体材料模型中的polynomial二阶应变势能函数对水凝胶试样的应力-应变进行拟合，获得的polynomial二阶应变势能函数的参数；

步骤4、在ABAQUS有限元软件建立所需求取的水凝胶接触几何模型；

步骤5、为水凝胶接触模型设置材料参数，水凝胶选取超弹性体模型中的polynomial二阶应变势能函数；

步骤6、对水凝胶接触模型设置分析步；

步骤7、对水凝胶接触模型设置约束算法；

步骤8、对水凝胶接触模型设置边界约束条件以及离散网格；

步骤9、在job界面创建工作任务，然后提交计算任务，由ABAQUS有限元软件自动计算水凝胶接触模型，计算结束后即可获得水凝胶接触时其内部的应力、应变场。

2.根据权利要求1所述的测定水凝胶软材料内部应力-应变场的方法，其特征在于，所述polynomial二阶应变势能函数的形式为：

其中，W为的应变势能，为对应变的第一不变量的偏导数，为对应变的第二不变量的偏导数，J为弹性变形梯度的行列式，N为应变势能函数的阶数，C_ij和d_k为材料系数，i、j、k为常数。

3.根据权利要求1所述的测定水凝胶软材料内部应力-应变场的方法，其特征在于，步骤4中建立的水凝胶接触几何模型采用圆球接触压下水凝胶软材料的接触模型。

4.根据权利要求3所述的测定水凝胶软材料内部应力-应变场的方法，其特征在于，将压头与水凝胶接触的表面设置为接触面1，水凝胶与压头接触点表面设置为接触面2，并将两者组合为一个接触对；接触面1定义为主面，接触面2定义为从面；法向接触行为设置为“硬”接触中的默认算法，切向接触行为设置为罚函数算法并采用库伦摩擦模型。

5.根据权利要求4所述的测定水凝胶软材料内部应力-应变场的方法，其特征在于，接触算法计算流程如下:

当开始增量步时，先判断对象是否处于接触状态:如若对象处于接触状态，则施加约束，处于分离状态则不施加约束，然后进行罚函数接触算法运算；在运算结束后检查接触状态的变化，对象由接触状态变为分离状态时，不施加约束，继续进行罚函数接触算法迭代运算；对象由分离状态变为穿透时，再次施加约束，进行罚函数接触算法迭代运算；运算前后对象的状态不发生变化则进行收敛分析，当对象的刚度矩阵有唯一解时表示收敛，增量步加一，进行下一步的接触计算；如若对象的刚度矩阵无解或者有多个解时表示不收敛，继续进行罚函数接触算法迭代运算，直到收敛为止。

6.根据权利要求3所述的测定水凝胶软材料内部应力-应变场的方法，其特征在于，通过约束算法得到接触点的法向接触力f_ns：

f_ns＝-δkn

其中δ为有限元法中单元的穿透量，k为接触刚度系数，n为主平面法向量；

切向接触力通过上一时刻得到：

其中，如表示n时刻的切向接触力，表示n时刻接触点的坐标向量，表示n时刻接触点的坐标；

且需满足f_ts≤μ|f_ns|，μ为摩擦系数。

7.根据权利要求1所述的测定水凝胶软材料内部应力-应变场的方法，其特征在于，水凝胶试样的名义应力σ的定义为：

其中F为外部作用力，A₀为试件受力面的初始横截面积。水凝胶试样的名义应变ε的定义为：

其中L为试件的即时长度，L₀为初始长度，ΔL为长度变化量。