全文总字数：6168字
1. 研究目的与意义（文献综述）
凝胶材料是由交联网络及填充在网络之间的溶剂分子（最常见是水分子）所组成的混合弹性体，作为典型的软物质，它具有独特的环境敏感性、生物相容性和可逆大变形特性，这使得其在组织工程、药物释放、柔性智能传感、人造器官等前沿领域都获得了广泛关注和应用[1-2]。凝胶溶胀是一个耦合了固体大变形和流体运移扩散的过程，其表现受到多种因素（如温度、光照、湿度甚至试样形状、载荷、约束条件）的影响[3]。因此，把握凝胶内部的溶剂分子运移及溶胀变形特征，发展能准确描述两者耦合行为的分析预测方法，解决该过程中的核心力学问题，可以更好的为相关活性材料设计或功能器件开发提供依据，具有重要科学价值和意义。
针对传统的各向同性凝胶溶胀行为，人们一直关注较多，目前已有很多从理论角度建立起的研究方法和本构模型，应该说形成了较充足的认识。这方面的代表性工作是hong等[4]提出的描述凝胶弹性体中水分子输运和大变形耦合行为的一般理论框架，他们采用flory和rehner自由能函数来描述体系的自由能[5]，将高聚物分子网络的变形梯度张量分解为弹性变形部分和溶胀变形部分，以表征水凝胶稳态溶胀过程的大变形响应。此后该理论还被用于含有硬核的球状凝胶溶胀分析、水凝胶复合薄膜的失稳分析、带有纠缠高分子链水凝胶的化学力学耦合分析等[6-8]。随着高分子材料与软物质科学的发展，近年来出现了许多具有新型特性的凝胶（例如可利用溶胀效应驱动的三维活性凝胶[9]）。不同于传统的各向同性凝胶（性能仅依赖于简单的试样膨胀和收缩），活性或智能凝胶的溶胀行为是由高分子网络运动以及其中的溶剂扩散规律共同决定的，对这些材料而言，溶胀响应时间是一个不可忽视的影响因素，稳态分析不再适用，因此有必要针对溶剂在聚合物内部的侵入过程进行瞬态耦合分析。
瞬态分析需考虑随时间变化且相互作用的两个场：凝胶网络运动和溶剂分子浓度，理论工具较为复杂，难于求解。相比之下，基于有限元法的数值模拟就成为了一个非常实用和有效的研究手段。针对凝胶溶胀耦合变形的力学行为的数值模拟可以与理论本构方程相呼应，重点关注溶胀过程中的应力应变分布和化学势云图。此前已经有一些开发凝胶瞬态有限元分析方法的尝试，如westbrook、qi[10]和hong等[6]开发了一种用于平衡状态下凝胶的有限元方法；suematsu等人[11]进行了三维显式有限元分析，通过在聚合物链和溶剂之间引入摩擦常数来研究凝胶溶胀的图案形成，不过这种方法不适用于模拟较大系统在较长时间的演化；dolbow等人[12]使用混合扩展有限元/水平集方法研究凝胶的溶胀；li等[13]使用显式方法交替解决了凝胶的耦合问题，即在获得溶剂扩散的收敛结果后，解决了凝胶的变形问题；birgersson等人[14]使用多物理场求解器comsol对温度敏感的二维凝胶进行了瞬态分析。
2. 研究的基本内容与方案
研究的基本内容
基于连续介质力学和凝胶材料大变形理论，同时考虑高分子凝胶吸收液体时内部网络与液体运移的相互作用，以描述耦合了材料的力学变形及内部流体分子扩散的溶胀行为。利用经典的自由能函数，引入运动学约束，导出本构关系和支配方程（包括材料的粘弹性本构方程、溶剂分子的质量守恒方程、溶剂分子的扩散方程和平衡条件等），再将这些方程离散化，在给定边界条件下（无约束自由溶胀和有载荷受限溶胀）求解得到这些方程理论解；然后建立相应的水凝胶瞬态溶胀有限元分析框架，并将相同的工况编制在通用有限元软件abaqus用户子程序中，实现数值模型的植入和计算求解，生成对应的应力、应变和化学势云图，以此模拟水凝胶非均匀的瞬态溶胀响应。最终将分析的结果与有限元求解结果进行对比，计算出差异相对大小，并分析存在差异的原因。
研究的目标
3. 研究计划与安排
第1-3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，确立基本的研究思路，完成开题报告。
第4-6周：学习并掌握连续介质力学和水凝胶大变形的基础理论知识。
第7-11周：建立能描述凝胶中水分子输运和溶胀大变形耦合行为的一般理论框架，完成相应的公式推导，并将之植入通用有限元软件abaqus，编写出相应的用户子程序。
4. 参考文献（12篇以上）
[1] 肖春生, 田华雨, 陈学思等. 智能性生物医用高分子研究进展[j]. 中国科学(b辑: 化学), 2008, 10: 867-880.
[2] pariksha k, yahya c, pierre k, et al. a review ofinjectable polymeric hydrogel systems for application in bone tissueengineering[j]. molecules, 2016, 21(11): 1580.
[3] liu t y, lin y l. novel ph-sensitivechitosan-based hydrogel for encapsulating poorly water-soluble drugs[j]. actabiomaterialia, 2010, 6(4): 1423.
课题毕业论文、开题报告、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
