化学-力学耦合行为有限元模拟

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1、摘要许多智能复合材料例如生物组织和聚合物胶体，都表现出多场耦合行为。目前化学．力学耦合理论属于一个比较新的领域，还不成熟。本文主要研究力学一化学耦合行为，并在ABAQUS软件上进行了数值模拟计算，主要包括：1研究质量扩散原理，计算结果表明浓度梯度、应力场、温度场均能产生物质的质量扩散。2研究离子聚合物胶体在电场作用下膨胀与收缩行为。将质量扩散理论推广到电场作用下的离子扩散，构建了离子聚合物胶体的电化学．力学耦合模型。计算结果表明，电场作用能产生离子重分布，而离子重分布又会使胶体产生膨胀与收缩。3研究力学．化学完全耦合行

2、为。应用力学平衡方程、离子扩散方程和包含力学-化学耦合因素的本构关系推导出了力学．化学耦合的等效积分形式，建立力学一化学耦合的有限元方程。在ABAQUS软件中开发用户单元子程序，进行数值模拟。计算结果表明：力学与化学存在着相互耦合作用，浓度变化能引起固体的变形，同样力学作用也能引起浓度重分布；由于耦合作用，固体的有效性能与扩散性质都发生了改变；力学．化学耦合作用过程实际上是机械能与化学能之间能量转换过程；最终，研究体中机械能与化学能达到相互平衡状态，且质量守恒。本文的理论和方法可应用于模拟生物组织、粘土等材料的力学．化

3、学耦合行为。关键词力学-化学耦合；质量扩散；离子重分布；有效性能AbstractManysmartmaterials，suchasbiologytissuesandpolymergel，exhib／tmulti—fieldcouplingbehavior．Chcmo-mechanicalcouplingisarelativelynewproblemwhosetheorydoesnotbeenwellestablished．Chemc．一mechanicalcouplingbehaviorisinvestigatedan

4、dmodeledbyusingsoftwareABAQUSinthisdissertation．Theresearchcontent5areasfollows．1Amassdiffusiontheoryisreviewed．Itisshownthatconcentrationgradient,StreSSfieldandtemperature矗eldCanc3usemassdiffusion．2Swellinganddeswellingbehaviorofionicpolymersubjectedtoanelectri

5、calfieldisinvestigated．Ionicdiffusionequationinelectricalfieldisobtained．Elearo-chemo-mcehanicalcouplingmodelisestablishedforionicpolymer．Itisshownthationswillberedistributedundertheloadofelectrical／add,whichinducestheswellinganddeswelling．3Fullcouplingbehavioro

6、fchemo-mechanicalproblemisinvestigated．Theequivalentintegralformforcouplingsystemofequilibriumequations，ionicdiffusionequationsandconstitutiveequationsisobtained．UserelementsubroutinesaredevelopedinABAQUSforcalculation．Itisshownthatmechanicalandchemicalfieldsint

7、emetseachother,andthedeformationofsolidskeletoniscausedbytheconcentrationvariation；Bothoftheeffeetivebehaviorsofsolidskeletonandmassdiffusionalechangedbecauseofcouplingeffect；AcnIalb‘thechemo-mechanicalcouplingbehaviorisaformofenel'gytransformationbetweenmechani

8、calenergyandchemicalenergy．FinaLly,engTgyinpolymerwillbebalancedandmassconservationisalsosatisfiedinthisprocedure．Thepresentcherno-mechanicaltheoryandnumericalmethodc