水凝膠壓痕實驗和裂紋擴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，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)界對水凝膠裂紋擴展行為的研究較少。因此，有必要在有限元計算中考慮水凝膠內(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)部水溶液移動兩方面影響的力學(xué)本構(gòu)模型應(yīng)用于有限元計算中。首先，有限元模擬了水凝膠的壓痕實驗，討論了被壓水凝膠基體厚度對壓痕實驗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行了有限元計算，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。
　　有限元計算結(jié)果表明，在壓痕實驗中，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展產(chǎn)生影響；水凝膠被拉伸時，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