基于Neo-Hookean本构模型的人体膝关节韧带力学性能测试分析

测试和分析研究国人膝关节的前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带、外侧副韧带以及髌腱,基于超弹性本构模型(Neo-Hookean模型)的力学性能参数,为膝关节相关生物力学研究提供数据参考.通过对4具国人膝关节标本进行解剖,获得人体膝关节主要的韧带组织样本,对所获得的韧带样本进行超弹性材料的单轴拉伸测试,并运用超弹性材料的应变能密度函数本构模型中的NeoHookean模型对测试数据进行数据处理,得到人体膝关节韧带基于超弹本构模型的力学性能参数.解析求得了国人膝关节的韧带组织基于超弹性本构模型的力学性能参数,可用于膝关节的生物力学特性的研究,并且为国人膝关节韧带性能数据库提供数据参考.

弹性薄膜的非线性轴对称变形

基于非线性弹性大变形理论,研究了一圆环状弹性薄膜的轴对称面外大变形.在未发生变形的参考构形下,平直圆环状薄膜的内边界连接一个圆盘,将薄膜的外边界固定在刚性的圆环上.当圆盘上作用一个竖直向下的外加载荷时,薄膜经历面外大变形后形成轴对称的形状.结合状态平衡和热力学,推导得到了描述薄膜经历面外大变形的控制方程,控制方程的求解采用了打靶法.计算结果表明,薄膜的变形场是非常不均匀的,这意味着薄膜在工作时材料的利用率较低,造成了材料的浪费.

树脂复合钢板V型折弯回弹实验与仿真分析

为了研究模具圆角半径及凸模最大力对树脂复合钢板V型折弯回弹的影响,通过拉伸和搭接剪切试验获得了树脂复合钢板各层的力学性能数据,进行了树脂复合钢板的90°V型折弯回弹实验.对折弯回弹进行了有限元数值模拟,并与试验结果进行对比验证了90°V型折弯回弹有限元模型的可靠性,进一步分析了凸模圆角半径及其下行量对复合钢板折弯回弹角的影响规律,并由此预测出一组最优折弯工艺参数.结果表明:随着凸模下压量的增加,不同凸模圆角半径条件下,折弯回弹后角度大小先几乎直线下降而后有少量回升;将其转化为以凸模最大力为变量时,表现出类似的趋势.

电子辐照PDMS力学性能影响实验研究

聚二甲基硅氧烷(PDMS)以其良好的延展性和机械性能,在柔性电子、柔性太阳电池、微流体芯片等领域取得了广泛的应用。PDMS可用于航天复合材料和柔性展开机构中,而航天器在空间运行时,需要考虑空间辐照环境的长期作用。本研究针对PDMS受电子辐照作用后的力学性能变化开展研究:(1)首先将树脂和固化剂按不同配比混合,按国标进行了哑铃状PDMS拉伸试样的制备,进行了单轴拉伸试验;(2)将不同配比PDMS拉伸样品进行了不同剂量的电子辐照试验,并对辐照后样品进行了拉伸试验。采用扫描电子显微镜对辐照前后样品断口形貌进行了观测,并进行了元素成分分析;(3)基于Neo-Hookean模型对单轴拉伸的应力应变关系进行了推导,并与实验数据进行了对比。结果表明,电子辐照能显著影响PDMS的力学性能和表面形貌。辐照后的PDMS试样呈现硬化,弹性模量随辐照剂量增加而提高,而断裂伸长率随辐照剂量增加而减少。

纤维增强型软体夹持器变形及末端接触力

针对目前软体机器人缺乏变形和接触力方面理论研究的问题,以软体夹持器为研究对象,开展了纤维增强型软体夹持器变形及末端接触力的研究。首先设计了气动软体夹持器,该夹持器由纤维增强型单向弯曲驱动器、接触气囊以及单元的连接装置组成;其次基于Yeoh模型、Neo-Hookean模型分别建立了弯曲驱动器驱动压强与弯曲变形圆心角的非线性数学模型和弯曲驱动器末端接触力理论模型;然后开展了软体夹持器变形和末端接触力的仿真及实验,结果证明了理论模型的正确性;最后进行了纤维增强结构对软体夹持器变形和末端接触力影响的研究,实验结果表明:纤维增强结构能大幅度提高软体夹持器的变形和末端接触力。上述研究为其他纤维增强型软体夹持器变形及末端接触力的研究提供了理论基础。

Prony级数形式的形状记忆聚合物有限应变黏弹性本构模型

为考察形状记忆聚合物(SMPs)的有限应变力学特性,将SMPs材料的弹性响应采用Neo-Hookean超弹性本构方程描述,黏性响应采用Prony级数描述,从经典遗传积分形式的黏弹性本构方程出发,推导出有限应变格式的黏弹性本构方程和相应的材料参数拟合公式.采用环氧基形状记忆树脂(ESMP)进行拉伸-松弛试验,利用推导的公式进行非线性拟合得到本构方程的参数.对不同温度下ESMP的黏弹性力学特性进行试验研究,表明在试验温度范围内随温度升高ESMP的初始模量降低,初始模量中黏性部分所占比例降低,但弹性部分模量值基本不变.针对三维的SMPs结构分析问题,基于所推导本构,应用ABAQUS软件建立数值模拟方法.对拉伸-松弛试验进行数值模拟,结果表明所推导的本构方程用于SMPs的大应变分析中具有较高准确性.此外,所推导的有限应变黏弹性本构方程及参数拟合公式也适用于具有黏弹性特点的其他各向同性高聚物.

三类非线性发展方程解的爆破性质

本文用能量积分结合Jensen不等式研究了三类非线性发展方程解的爆破性质,第一类方程是一维的,它描述了新胡克弹性杆的运动模型.在讨论一维方程的基础上,将其结果推广到n维方程,进一步还推广到高阶n维方程,给出使解具有爆破性质的充分条件.