水凝膠壓痕實(shí)驗(yàn)和裂紋擴(kuò)展行為的有限元模擬研究.pdf

1、水凝膠是一類具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物，在水中能夠吸收大量水分而溶脹，兼有固體和液體的性質(zhì)，因其對環(huán)境的敏感性、良好的生物相容性和可降解性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于藥物控釋體系和生物組織支架等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。但現(xiàn)今人們對它力學(xué)行為的研究還不夠成熟，多數(shù)對凝膠類材料的有限元模擬采用了橡膠類材料的力學(xué)本構(gòu)模型，沒有考慮內(nèi)部水溶液的影響。大部分水凝膠具有較低的斷裂韌性，目前學(xué)術(shù)界對水凝膠裂紋擴(kuò)展行為的研究較少。因此，有必要在有限元計(jì)算中考慮水凝膠內(nèi)部水溶

2、液的影響，對水凝膠的力學(xué)行為進(jìn)行模擬。
　　本文借助于ABAQUS有限元軟件的用戶材料子程序模塊將考慮了水凝膠聚合物變形和內(nèi)部水溶液移動(dòng)兩方面影響的力學(xué)本構(gòu)模型應(yīng)用于有限元計(jì)算中。首先，有限元模擬了水凝膠的壓痕實(shí)驗(yàn)，討論了被壓水凝膠基體厚度對壓痕實(shí)驗(yàn)中求得的彈性模量的影響；其次，引入內(nèi)聚力模型，對水凝膠材料中的邊裂紋，不同水凝膠之間、水凝膠與一般的彈性體之間和水凝膠與剛性體之間的界面裂紋進(jìn)行了有限元計(jì)算，探討了水凝膠內(nèi)聚合物密度和

3、水溶液濃度等因素對裂紋的影響。
　　有限元計(jì)算結(jié)果表明，在壓痕實(shí)驗(yàn)中，被壓水凝膠基體的厚度越小，赫茲理論求得的彈性模量值誤差越大，Long的修正公式不適用于本文中的水凝膠本構(gòu)模型；水凝膠材料的初始溶脹度、聚合物網(wǎng)鏈密度影響著水凝膠的彈性模量，從而對水凝膠的裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生影響；水凝膠被拉伸時(shí)，水溶液向裂紋尖端聚集，對尖端應(yīng)力和裂紋的破壞形式產(chǎn)生影響；在水凝膠與一般彈性體的界面裂紋計(jì)算中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)彈性體的彈性模量超過水凝膠彈性模量100倍