[发明专利]一种测定水凝胶软材料内部应力-应变场的方法

说明书

本发明公开了一种测定水凝胶软材料内部应力‑应变场的方法，首先制备用于单轴压缩实验的水凝胶圆柱试样，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，通过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，在ABAQUS有限元软件中设定水凝胶材料参数，并进行水凝胶接触行为的数值仿真计算，获得水凝胶软材料的应力、应变数据。使用实验和数值计算结合的方法对水凝胶软材料在发生接触变形时其内部应力‑应变场的进行测定，有效解决了实验中难以测量水凝胶变形时内部应力‑应变场的问题。

技术领域

本发明属于水凝胶软材料接触变形测定领域，具体涉及一种水凝胶软材料在发生接触变形时测定其内部应力-应变场的方法。

背景技术

水凝胶是指一类内部含有大量水的三维聚合物网络软材料，其广泛应用于柔性机器人，人体生物医学和传感检测等领域。而水凝胶在各领域的应用中会经常面临着各种各样的接触变形问题，探测水凝胶接触变形时的应力-应变场对处理其接触问题相当重要。尽管目前可以使用DIC(数字散斑技术)技术测定水凝胶软材料表面的应变场，但是水凝胶接触变形问题中只知道其外表面的应变场远远不够。由于接触对象的几何不规则性，水凝胶内部会产生复杂的非线性变形，接触变形的研究不可避免要对其内部应变进行测定。另外，水凝胶具有固-液两相的复杂本构关系，一般的线弹性材料本构很难精确地通过其应变获取其真实应力状态。由此，一种可以测定水凝胶软材料内部应力-应变场的方法尤为需要。

目前，仅谭晓华的博士论文“大变形软材料与刚性楔体接触问题的实验”中利用三维数字散斑技术和数字云纹技术观测软材料发生接触大变形时的变形特征，分析了楔体角度、荷载工况和接触面积等对大变形接触边界附近力学场的影响。但是谭晓华等也只是分析了橡胶软材料表面的变形情况，对于水凝胶软材料内部应力-应变场的分析方法尚没有人给出精确的方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测定水凝胶软材料内部应力-应变场的方法，解决了测量水凝胶软材料内部应力-应变场的难题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种测定水凝胶软材料内部应力-应变场的方法，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。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明能够简便有效地分析计算水凝胶软材料发生接触变形时其内部应力-应变场；

(2)本发明使用数值计算方法，不需要昂贵的实验设备，经济成本低，输出结果稳定准确，没有环境因素造成的人为误差。

附图说明