多相介質(zhì)的多場耦合理論及數(shù)值模擬.pdf

1、多相介質(zhì)一般指材料中包含幾種物質(zhì)的復(fù)雜材料,如聚合物膠體中包含聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、自由移動水和鹽離子。由于多相介質(zhì)具有復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu),其宏觀性能也表現(xiàn)出復(fù)雜的多場耦合性質(zhì),如流-固耦合、化學(xué)-力學(xué)耦合現(xiàn)象。本文根據(jù)基于熱力學(xué)框架下的混合物理論,建立了多相介質(zhì)的多場耦合理論,其主要研究內(nèi)容如下:
　　 (1)建立了描述兩相介質(zhì)流-固耦合效應(yīng)的理論模型。兩相介質(zhì)包含固相和液相,固相一般是多孔介質(zhì)其幾何形狀十分復(fù)雜無法直接建立幾何模型,液

2、相在固相的孔隙中自由流動。由于混合物理論的假設(shè),兩相物質(zhì)可以被看作均勻并重疊的分布在由固相形成的材料空間中。根據(jù)混合物理論推導(dǎo)了兩相介質(zhì)的一般本構(gòu)方程,并且用無窮小應(yīng)變假設(shè)、固相為不可壓縮彈性材料、液相為不可壓縮無粘流體等條件,得到了兩相介質(zhì)的線性本構(gòu)方程。
　　 (2)由守恒定律和線性本構(gòu)方程推導(dǎo)了兩相介質(zhì)的有限元方程。最后把兩相流固耦合模型應(yīng)用到椎問盤組織,結(jié)果表明椎間盤組織在受到均布載荷時,材料的應(yīng)力由固相和液相共同承擔(dān),

3、隨著時間的增加,液體逐漸排出椎間盤組織,固相的應(yīng)力逐漸增大最后等于均布載荷的大小。
　　 (3)應(yīng)用混合物理論建立了三相介質(zhì)化學(xué)-力學(xué)耦合模型,其中三相介質(zhì)包括了:固相、自由移動的水和水中自由離子相。這種三相化學(xué)-力學(xué)耦合模型考慮了三相介質(zhì)由于離子濃度變化而產(chǎn)生體積膨脹或收縮的化學(xué)-力學(xué)耦合現(xiàn)象。推導(dǎo)了三相化學(xué)-力學(xué)耦合模型的本構(gòu)方程,并寫出了線性本構(gòu)關(guān)系推導(dǎo)了有限元方程。
　　 (4)把三相化學(xué)-力學(xué)耦合模型應(yīng)用到聚合

4、物膠體材料。數(shù)值模擬的結(jié)果表明聚合物膠體在受到力學(xué)和化學(xué)載荷作用下,材料的應(yīng)力由固相應(yīng)力、液相壓力和離子引起的膨脹應(yīng)力三部分組成。
　　 本文應(yīng)用混合物理論建立了兩相介質(zhì)的流-固耦合模型和三相介質(zhì)的化學(xué)-力學(xué)耦合模型。研究結(jié)果表明以上所建立的兩種模型能夠有效的描述具有流-固耦合現(xiàn)象和化學(xué)-力學(xué)耦合現(xiàn)象的材料的力學(xué)行為。
　　 本課題由國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號:10872011)和北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號:3