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含有Darcy-Forchheimer流的多孔弹性体模型的混合有限元方法

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含有Darcy-Forchheimer流的多孔弹性体模型的混合有限元方法

作者：李洪鹏山东大学

学位级别：硕士

多孔弹性理论是关于多孔介质中固体力学与流体流动相互作用的理论,它包含一个质量守恒方程与一个动量守恒方程。经典的多孔弹性体模型即Biot模型,在水库工程,环境工程等领域有着广泛的应用。在该模型中流体的流动是由Darcy定律描述的,... 详细信息

多孔弹性理论是关于多孔介质中固体力学与流体流动相互作用的理论,它包含一个质量守恒方程与一个动量守恒方程。经典的多孔弹性体模型即Biot模型,在水库工程,环境工程等领域有着广泛的应用。在该模型中流体的流动是由Darcy定律描述的,此时多孔介质的渗透率与孔隙度较低,流体流速慢。而当流体速度快时,速度与压力梯度的关系变为非线性,Darcy定律不再适用。本文我们考虑三场多孔弹性体模型,其中流体的流动由Darcy-Forchheimer定律描述。该模型是非线性的,未知量是固体的位移u,流体速度q和压力p。本文所研究的方程如下:（?）.本文用线性有限元来近似多孔弹性体固体的位移,用最低阶的RT混合元来逼近流体速度和压力,并推导了该方法的误差估计。进一步用BR元代替线性元来逼近位移。该方法是Stokes-Biot稳定的,故对于Lamé常数λ和单位存储系数c0是稳定的。数值实验验证了这两种方法的收敛性与理论分析是一致的。

关键词：多孔弹性体 Darcy-Forchheimer定律混合元方法参数稳定数值实验

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轴对称含液多孔弹性体拟静力问题的解法

应用数学与计算数学学报 1995年第2期9卷 28-34页

作者：赵一鸣苏州广播电视大学基础部苏州210000

本文利用积分变换法求出含液多孔弹性体在轴对称条件下的小变形拟静力问题的通解,具体给出了皮肤表层软组织在表面分布力作用下的边值问题的解,计算所得的加载瞬时和平衡状态时的中心位移分别与不可压缩和可压缩单相弹性体的位移值相同... 详细信息

本文利用积分变换法求出含液多孔弹性体在轴对称条件下的小变形拟静力问题的通解,具体给出了皮肤表层软组织在表面分布力作用下的边值问题的解,计算所得的加载瞬时和平衡状态时的中心位移分别与不可压缩和可压缩单相弹性体的位移值相同,证明了本方法的正确性.

关键词：生物力学软骨拟静力多孔弹性体本构方程

含涂层的周期性多孔软材料的变形失稳与带隙调控研究

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含涂层的周期性多孔软材料的变形失稳与带隙调控研究

作者：梁天天津大学

学位级别：硕士

周期性多孔材料是超材料研究领域的热点之一。传统的硬质孔洞结构加载后很难发生变形,所以往往通过改变结构的预应力来调控带隙。但调节能力有限且加载后易受破坏,而且更换结构工序复杂。超弹性材料具有丰富的非线性力学行为和承受弹性... 详细信息

周期性多孔材料是超材料研究领域的热点之一。传统的硬质孔洞结构加载后很难发生变形,所以往往通过改变结构的预应力来调控带隙。但调节能力有限且加载后易受破坏,而且更换结构工序复杂。超弹性材料具有丰富的非线性力学行为和承受弹性大变形的能力。用其设计的声学超材料结构在各类加载下能够产生大变形以及多种屈曲失稳模态,达到通过改变结构的几何构型和材料性质调节结构波动特性的目的,对制作可调谐声学超材料意义重大。根据硬涂层软基底结构受力后易产生表面失稳的特性,本文通过在周期性多孔软材料的圆孔中引入表面涂层设计了一种新的超材料结构。其中,涂层和基底均由超弹性材料构成,但他们的剪切模量不同。我们以热加载和平面应变问题为例,考虑涂层比基底硬的情况,对涂层施加热应变,基于有限元软件ABAQUS研究了含涂层的周期性多孔软材料的变形失稳。当载荷超过某个临界值时,结构的每个圆孔均出现表面褶皱。为了确定整体结构的单胞尺寸,基于Python语言对ABAQUS的interaction模块进行二次开发,将周期性边界条件写入相应的脚本文件供ABAQUS调用。通过验证包含1个(1×1)、4个(2×2)、16个(4×4)和64(8×8)个圆孔结构的变形失稳和后屈曲演化,发现结构的单胞仅包括1个完整的圆孔,并且单胞在整个变形过程中一直保持为正方形,其四条外边界一直是长度相同且互相垂直的直线。简便起见,使用单胞的宏观平均应变作为控制参数,计算了不同应变下单胞的变形失稳和后屈曲演化,发现了表面褶皱到三倍周期模态的转变。为了研究结构的波动特性,推导了Bloch边界条件,并使用Python编写了相应的脚本文件。实现了使用ABAQUS对结构后屈曲构型的波动特性分析并绘制了能带计算流程图。计算发现,表面失稳可以在所设计的超材料结构中引起完全带隙,但主要集中于高频范围内。在声学超材料中引入硬质夹杂有时能够产生局域共振,进而诱发低频带隙。因此,本文在含涂层的周期性多孔软结构的圆孔内部,增加了由软基底包裹的硬质钢芯夹杂。类似地,在ABAQUS中建立了含夹杂的超材料结构有限元模型,基于周期性边界条件和有限元分析确定单胞的尺寸为1×1单元。得到了不同平均应变下单胞的屈曲模态和形貌演化。进一步计算了不同状态下结构的频散关系图,发现引入夹杂后结构的后屈曲构型上出现了低频的完全禁带。在8×8有限结构的后屈曲构型上设置了振动激励点和信号接收点,根据响应谱中信号强度的衰减位置验证了低频带隙范围的准确性,并绘制了响应谱计算流程图。针对低频完整禁带上、下边界的振动模态,分别提出了弹簧振子自由振动模型和简支梁横向弯曲振动模型,推导出不同孔径下的固有频率理论解。通过对比发现,理论预测与有限元结果的最大误差低于12%,说明了带夹杂含涂层周期性多孔软结构的低频带隙由局域共振原理引起,且可以依据理论模型对其边界值进行预测。最后,通过有限元计算分析了基底-涂层厚度比、圆孔半径、涂层-基底模量比、钢芯半径等参数对含夹杂周期性多孔软材料的屈曲临界应变和带隙频率的影响规律,并绘制了不同参数下带隙演化规律的关系图。本文的研究可以为软超材料结构设计和无接触加载实现周期性结构的变形与带隙调控提供参考。

关键词：声学超材料多孔弹性体表面失稳带隙局域共振参数分析有限元模拟

荷载作用下多孔饱和地基的热-水-力耦合动力响应分析

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计算力学学报 2018年第6期35卷 795-801页

作者：熊春宝郭颖刁钰李志天津大学建筑工程学院天津300072

基于广义热弹性理论,结合达西定律,对Biot波动方程进行修正,研究了一个受到荷载作用的多孔饱和地基的热-水-力多场耦合动态响应问题。建立了多孔饱和地基在荷载作用下的热-水-力耦合模型及控制方程,该模型可退化为热弹性耦合模型。采用... 详细信息

基于广义热弹性理论,结合达西定律,对Biot波动方程进行修正,研究了一个受到荷载作用的多孔饱和地基的热-水-力多场耦合动态响应问题。建立了多孔饱和地基在荷载作用下的热-水-力耦合模型及控制方程,该模型可退化为热弹性耦合模型。采用正则模态法求解,得到了问题的解析解,讨论了热-水-力耦合模型和热弹性耦合模型的区别,分析了荷载频率变化对地基中各物理量的影响。最终给出了无量纲的竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度等物理量的分布规律。

关键词：广义热弹性理论热松弛时间热-水-力耦合模型热弹性耦合模型多孔弹性体正则模态法

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高温电热法制备高致密魔芋海绵

林产化学与工业 2017年第4期37卷 40-44页

作者：邵思琪姜敏洁赵兴华张海雁罗立新武汉大学化学与分子科学学院湖北武汉430072

以魔芋纯化粉为原料,采用高温电热法制备高致密魔芋海绵,研究了电热条件及加热工艺对魔芋海绵结构和力学性能的影响。采用傅里叶红外光谱、光学显微镜和拉力仪对魔芋海绵的官能团、形貌结构和力学性能进行了表征。结果表明:魔芋6 g,发泡... 详细信息

以魔芋纯化粉为原料,采用高温电热法制备高致密魔芋海绵,研究了电热条件及加热工艺对魔芋海绵结构和力学性能的影响。采用傅里叶红外光谱、光学显微镜和拉力仪对魔芋海绵的官能团、形貌结构和力学性能进行了表征。结果表明:魔芋6 g,发泡剂N,N-二亚硝基五亚甲基四胺0.6 g,加热温度220℃,电热时间35 min时,可制备孔隙率为72.69%的高致密魔芋海绵,其表观密度为0.256 9 g/cm^3,内部呈三维网状结构,红外结果显示其主要成分是脱乙酰基魔芋葡甘聚糖(d-KGM),平均拉伸强度达到0.047 3 N/cm^3,断裂伸长率达到283.6%。

关键词：魔芋葡甘聚糖电热法多孔弹性体可降解材料

考虑热-水-力耦合效应的饱和多孔地基动力响应分析

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应用数学和力学 2018年第6期39卷 689-699页

作者：熊春宝郭颖刁钰天津大学建筑工程学院天津300072

基于广义热弹性理论,结合Darcy(达西)定律,对Biot波动方程进行了修正,研究了一个受到椭圆余弦波作用的,均质各向同性半无限大饱和多孔地基的热-水-力多场耦合动态响应问题.建立了饱和多孔弹性地基的热-水-力耦合动力响应模型及控制方程... 详细信息

基于广义热弹性理论,结合Darcy(达西)定律,对Biot波动方程进行了修正,研究了一个受到椭圆余弦波作用的,均质各向同性半无限大饱和多孔地基的热-水-力多场耦合动态响应问题.建立了饱和多孔弹性地基的热-水-力耦合动力响应模型及控制方程,采用正则模态法求解,得到了问题的解析解,分析了地基中渗透系数变化和椭圆余弦波频率变化对饱和多孔地基中各物理量的影响.最终,给出了无量纲的竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度等物理量的分布规律.

关键词：广义热弹性理论热松弛时间热-水-力耦合多孔弹性体正则模态法

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高灵敏度全柔性指尖压力触觉传感技术的研究

高灵敏度全柔性指尖压力触觉传感技术的研究

作者：姚婷苏州大学

学位级别：硕士

当下的可穿戴设备种类繁多,各种类型的传感器为人体相关生理数据的获取提供了有力的支持,其中柔性可穿戴传感器具有轻薄、便携、成本低、电学性能优异等特点。例如人造“电子皮肤”,集合了多种类型的柔性传感器感知来自外界的刺激,进而... 详细信息

当下的可穿戴设备种类繁多,各种类型的传感器为人体相关生理数据的获取提供了有力的支持,其中柔性可穿戴传感器具有轻薄、便携、成本低、电学性能优异等特点。例如人造“电子皮肤”,集合了多种类型的柔性传感器感知来自外界的刺激,进而模仿人体皮肤的特定功能,这对于智能机器人的发展有着非常重大的意义。其中,压力触觉传感是电子皮肤十分重要的功能之一。压力触觉传感器能够将人与外界环境的接触力进行量化,然后通过将量化后的接触力转化为电学信号来实现触觉传感。可穿戴压力触觉传感器的发展趋于小型化且特异性强,比如用于指尖触觉的压力传感器不仅可以反馈指尖上的作用力,还能识别不同形状的物体、分辨物体的表面粗糙程度等。本文首先研究了一种基于液滴的电容式柔性压力传感器,并将其应用在眼压触觉感知中。该传感器利用了电极-电解质溶液接触部分存在双电层电容的传感机制,实现了高灵敏度的电容式压力传感。传感器由全柔性材料构成,具有非常简单的结构和极高的灵敏度。我们将该传感器应用于离体猪眼的眼内压测量,验证了传感器在指压法眼压测量中的应用潜能。其次,为了克服有源器件因为外接导线带来的应用不便的问题,我们将电感-电容谐振模型引入液滴传感理论中,实现了无源无引线的压力传感设备。该传感器具有几十皮法的电容,能够极大减少寄生电容的干扰并显著增强测量精度。同时,传感器具有超高的灵敏度和优异的信号再现性,且受温度的影响极小。我们通过优化传感器的几何形状,将传感器制成可以佩戴在指尖的可穿戴设备,应用于运动力学中接触力的触觉感知。最后,为了拓展我们的可穿戴式压力触觉传感器件的检测种类,更好地模拟人类皮肤,我们设计了一种基于多孔弹性体的三维力检测传感器,在测量正向压力的同时能够检测与传感器表面相切的作用力。该传感器包括四个平行板电容器,由器件的对称性获得正向力和切向力的信息。同时多孔弹性材料的引入使得传感器具有更低的材料刚度,很大程度上提高了传感器的灵敏度。

关键词：指尖触觉柔性可穿戴电容式传感器无源传感多孔弹性体三维力检测