CN108038329A - 一种微胶囊自愈合材料损伤和愈合机理的数值仿真方法 - Google Patents
一种微胶囊自愈合材料损伤和愈合机理的数值仿真方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种微胶囊自愈合材料损伤和愈合机理的数值仿真方法。该方法包含以下步骤：a.构建材料的单胞模型；b.对单胞划分有限元网格；c.为基体和微胶囊赋予材料属性；d.采用耦合的欧拉‑拉格朗日方法建立流‑固耦合关系；e.施加载荷并提交分析；f.查看结果，揭示材料的损伤和愈合机理；g.进行参数分析和优化设计。该方法首次采用流‑固耦合的数值方法模拟微胶囊自愈合材料在载荷作用下的损伤起始和扩展过程，揭示微胶囊自愈合材料损伤和愈合的内在机制。该方法可以为微胶囊自愈合材料的优化设计提供理论依据，从而有助于开发出具有更优性能的自愈合材料。
Description
技术领域
本发明属于材料力学领域，尤其涉及一种微胶囊自愈合材料损伤和愈合机理的数值仿真方法。
背景技术
材料在使用过程中，受到载荷和环境因素的影响，其内部难免会产生微裂纹损伤。微裂纹的出现和扩展使材料性能退化，影响其使用寿命，并对结构安全造成潜在威胁。因此，人类希望开发出一种能对材料中的微裂纹尽早察觉并尽快修复的结构/功能一体化材料，这就是所谓的自愈合材料。其中，微胶囊自愈合材料是最受关注的自愈合材料之一，其原理是将包裹有修复剂的微胶囊和催化剂一同植入到基体材料中，当材料产生裂缝时引发微胶囊破裂，修复剂从微胶囊里释放出来渗入微裂纹，遇到分散在基体材料中的催化剂后产生交联聚合，从而修复裂纹使材料性能得到恢复。
微胶囊自愈合材料的概念被提出来之后，人们在修复剂材料体系的选取、微胶囊的制备和性能表征、愈合效果的评价等方面开展了深入研究。但是，目前针对微胶囊自愈合材料的研究，基本都是基于经验进行材料的设计，然后通过实验手段对材料的性能进行表征和评价，并没有从根本上理解其损伤和愈合机理，以及材料愈合效果的影响因素。这样就不利于材料性能的最优化。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种微胶囊自愈合材料损伤和愈合机理的数值仿真方法，该方法包括下述步骤：
1)构建材料的单胞模型
一般来说，微胶囊在基体材料中是随机分布的。但是，若只研究一个微胶囊的破裂过程，可以将微胶囊与其周围的基体取出来，作为数值分析的单胞模型。不是一般性地，可以将单胞取为一个正方体，微胶囊位于正方体的中心。
2)对单胞划分网格
在有限元软件中对单胞划分三维实体网格，得到模拟所需的有限元模型。
3)为基体和微胶囊赋予材料属性
为了模拟基体中微裂纹的萌生和扩展以及在裂纹作用下微胶囊破裂的过程，需要同时考虑基体和微胶囊材料的力学本构模型和损伤模型。根据材料特性和分析的需要，可以直接选用有限元软件提供的材料模型；也可以发展新的材料模型，通过编写子程序实现其功能。
4)在有限元模型中建立流-固耦合关系
微胶囊内部装有液态的修复剂，该修复剂和微胶囊之间会有相互作用；而微胶囊破裂后，修复剂与基体之间也会产生相互作用。为了考虑这种液态材料和固态材料之间的相互作用，可采用耦合的欧拉-拉格朗日(CEL)方法来建立流-固耦合关系。
5)对有限元模型施加载荷，提交分析
为了模拟微胶囊自愈合材料在不同载荷下的损伤和愈合机理，可以对单胞有限元模型施加不同的载荷，然后就可以在有限元软件中进行计算。
6)查看分析结果，揭示材料损伤和愈合机理
计算完成后，通过查看材料在载荷作用下的变形和破坏过程，包括基体材料中微裂纹的产生，微裂纹向微胶囊扩展并引发微胶囊破裂从而释放修复剂的过程，揭示材料损伤和愈合的机理。
7)进行参数分析和优化设计
对数值模型进行参数分析，研究微胶囊的材料类型、微胶囊的直径和壁厚以及微胶囊的体积含量等对材料愈合效果的影响。在此基础上，实现微胶囊自愈合材料的优化设计。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种微胶囊自愈合材料损伤和愈合机理的数值仿真方法，与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明基于流-固耦合方法，模拟微胶囊自愈合材料在载荷作用下从微裂纹萌生、扩展到微胶囊破裂的整个过程，从而揭示微胶囊自愈合材料的损伤和愈合机理，为这类材料的优化设计提供理论指导。随着计算机和数值仿真技术的迅猛发展，采用数值方法对材料的各种性能和响应进行预测，从而进行材料的虚拟设计越来越受到人们的重视。一方面，可以大大减少实验的时间和费用，从而降低材料开发的周期和成本；更重要的是，通过虚拟设计可以对材料的组成和微结构进行优化，从而开发出具有更高性能的材料。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明分析所用的单胞模型；
图2为本发明单胞的有限元网格划分；
图3为本发明材料的应力-应变关系；
图4为本发明CEL方法示意图；
图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(d)为本发明模拟得到的微裂纹起始和扩展及微胶囊破裂的过程。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
1)如图1所示的构建材料的单胞模型
为了构建材料的单胞模型，首先要确定微胶囊的外径R1和内径R2。这些数据可以是通过实验获得的，从而可对实际材料的性能进行模拟和预测；也可以是人为设置的，从而可对材料进行参数分析和优化设计。确定微胶囊的尺寸之后，再根据微胶囊的体积分数V0，可以计算出正方体单胞的边长a。这样，材料的单胞模型就确定了。
2)如图2所示的对单胞划分网格
采用有限元软件对单胞划分三维实体网格，微胶囊和基体的网格之间通过结点相连，在微胶囊周围区域对网格进行细化，得到模拟所需的有限元模型。
3)如图3所示的为基体和微胶囊赋予材料属性
对于不同的基体和微胶囊材料，所适用的材料本构和损伤模型也都不一样。下面以一般的聚合物材料为例，说明材料本构和损伤模型的定义。
当材料处于弹性阶段，满足线性应力应变关系：
σ＝Eε (1)
采用线性Drucker-Prager准则来预测材料的屈服行为，表达式如下：
其中，p＝-trace(σ)/3为静水应力，q为Mises等效应力，r是偏应力第三不变量，β是p–t应力平面内线性屈服面的斜率，d是材料的内聚力，k是材料分别在三轴拉伸状态和三轴压缩状态下的屈服应力之比，从而保证了材料在拉伸和压缩载荷下具有不同的屈服行为。
采用Ductile准则预测材料的损伤起始，即假设损伤起始时的等效塑性应变是三轴应力比η的函数，其中，η＝-p/q。
出现损伤后，采用渐进失效法则来模拟损伤的演化。损伤效果通过以下两种方式实现：屈服应力的软化和刚度的折减，两者均依赖于如下随着损伤演化而不断增大的损伤变量D：
其中，L是单元特征长度，和分别是等效塑性应变和等效塑性位移。若未发生损伤，则否则， 是最终破坏时的等效塑性位移，与断裂韧性相关：
式中，σy0是损伤起始时的屈服应力，Gf是单位面积的断裂能：
其中，和分别是对应于损伤起始(D＝0)和最终失效(D＝1)时的等效塑性应变。
如上所述的材料本构模型如图3所示，当材料中某个单元发生了完全失效，则将该单元从模型中删除，从而模拟裂纹的产生和扩展。
4)如图4所示的在有限元模型中建立流-固耦合关系
为了考虑液态修复剂和固态材料之间的耦合关系，采用耦合的欧拉-拉格朗日(CEL)分析方法进行模拟。CEL方法结合了拉格朗日网格与欧拉网格的优点，通过建立CEL接触(欧拉-拉格朗日接触)处理欧拉材料与拉格朗日材料之间的相互作用，利用拉格朗日网格得到准确地应力/应变相应，从而完全耦合地模拟流体与结构的相互作用。
CEL方法的示意图如图4所示，对微胶囊和基体采用拉格朗日网格，在流体(修复剂)可能到达的区域采用欧拉网格。将微胶囊的内部区域定义为流体的初始位置，并建立CEL接触模拟修复剂和微胶囊以及基体之间的相互作用。
目前，主流的有限元软件如ABAQUS等均已集成了CEL方法，因此，可以直接采用。
5)如图5所示的对有限元模型施加载荷，提交分析
为了模拟微胶囊自愈合材料在不同载荷下的损伤和愈合机理，可以对单胞模型施加各种载荷(如单向拉伸、单向压缩、剪切或它们之间的组合等)。载荷的施加采用位移的方式，从零开始缓慢增加位移，直至单胞完全破坏。在有限元软件中提交计算，模拟材料中微裂纹的萌生和扩展以及微胶囊破裂的过程。
6)查看分析结果，揭示材料损伤和愈合机理
如图5所示是模拟得到的基体为环氧树脂、胶囊为脲醛树脂的材料在单向拉伸载荷下微裂纹的萌生和扩展以及微胶囊破裂的过程。图5a中，基体和微胶囊均未发生损伤，但出现了应力集中；图5b中，基体中出现了裂纹，但微胶囊未损伤；图5c中，基体裂纹向微胶囊扩展，并诱发了微胶囊的损伤；图5d中，微胶囊完全破裂，其内的修复剂流出对材料进行修复。通过对这一过程的分析，很好地揭示了微胶囊自愈合材料的损伤和愈合机理。
7)进行参数分析和优化设计
在有限元模型中改变微胶囊的材料、尺寸、壁厚和体积含量等，研究这些因素对微胶囊自愈合材料综合性能的影响，最终确定最优的参数组合，从而实现材料的优化设计。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种微胶囊自愈合材料损伤和愈合机理的数值仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：构建微胶囊自愈合材料的单胞模型：将微胶囊与其周围的基体取出作为数值分析的单胞模型，将单胞取为一个正方体，微胶囊位于正方体的中心，根据微胶囊的外径R1、内径R2和胶囊的体积分数V0计算出正方体单胞的边长a，从而计算出得到微胶囊自愈合材料的单胞模型；
S2：采用有限元软件对单胞模型划分三维实体网格:微胶囊和基体的网格之间通过结点相连，在微胶囊周围区域对网格进行细化得到模拟所需的有限元模型；
S3：对基体和微胶囊定义材料属性：其中材料属性包含弹性阶段的本构关系、屈服准则、损伤起始准则和渐进损伤准则；
S4：在有限元模型中采用耦合的欧拉-拉格朗日方法建立流-固耦合关系；
S5：对有限元模型施加载荷，其中载荷包括单向拉伸、单向压缩、剪切或它们之间的组合，其中载荷的施加采用位移的方式，从零开始缓慢增加位移，直至单胞完全破坏，模拟材料中微裂纹的萌生和扩展以及微胶囊破裂的过程；
S6：通过查看微胶囊自愈合材料在载荷作用下的变形和破坏过程，其中变形和破坏过程包括基体材料中微裂纹的产生、微裂纹向微胶囊扩展并引发微胶囊破裂从而释放修复剂的过程，揭示材料损伤和愈合的机理；
S7：在有限元模型中改变微胶囊的材料、尺寸、壁厚和体积含量参数，对数值模型进行参数分析，研究微胶囊的材料类型、微胶囊的直径、壁厚以及微胶囊的体积含量对材料愈合效果的影响，从而进行微胶囊自愈合材料的优化设计。
2.根据权利要求1所述的一种微胶囊自愈合材料损伤和愈合机理的数值仿真方法，其特征还在于：S3中对于聚合物材料，材料本构和损伤模型的定义如下：当材料处于弹性阶段，满足线性应力应变关系：
σ＝Eε (1)
采用线性Drucker-Prager准则预测材料的屈服行为，表达式如下：
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其中，p＝-trace(σ)/3为静水应力，q为Mises等效应力，r是偏应力第三不变量，β是p–t应力平面内线性屈服面的斜率，d是材料的内聚力，k是材料分别在三轴拉伸状态和三轴压缩状态下的屈服应力之比，
采用Ductile准则预测材料的损伤起始，即假设损伤起始时的等效塑性应变是三轴应力比η的函数，其中，η＝-p/q；
出现损伤后，采用渐进失效法则模拟损伤的演化，损伤效果通过以下两种方式实现：屈服应力的软化和刚度的折减，两者均依赖于如下随着损伤演化而不断增大的损伤变量D：
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其中，L是单元特征长度，和分别是等效塑性应变和等效塑性位移。若未发生损伤，则否则， 是最终破坏时的等效塑性位移，与断裂韧性相关：
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108763704A (zh) * | 2018-05-18 | 2018-11-06 | 西北工业大学 | 基于激光立体成形自愈合效应的宏观热应力场有限元建模方法 |
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| CN109657296A (zh) * | 2018-11-30 | 2019-04-19 | 中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所 | 一种复合材料几何模型及其周期性单胞几何模型分区方法 |
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| CN114591942A (zh) * | 2022-03-07 | 2022-06-07 | 黑龙江飞鹤乳业有限公司 | 胆盐激活脂肪酶微胶囊的制备方法 |
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