多相介質的多場耦合理論及數(shù)值模擬.pdf

1、多相介質一般指材料中包含幾種物質的復雜材料,如聚合物膠體中包含聚合物網(wǎng)絡結構、自由移動水和鹽離子。由于多相介質具有復雜的微觀結構,其宏觀性能也表現(xiàn)出復雜的多場耦合性質,如流-固耦合、化學-力學耦合現(xiàn)象。本文根據(jù)基于熱力學框架下的混合物理論,建立了多相介質的多場耦合理論,其主要研究內容如下:
　　 (1)建立了描述兩相介質流-固耦合效應的理論模型。兩相介質包含固相和液相,固相一般是多孔介質其幾何形狀十分復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,兩相物質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)混合物理論推導了兩相介質的一般本構方程,并且用無窮小應變假設、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,得到了兩相介質的線性本構方程。
　　 (2)由守恒定律和線性本構方程推導了兩相介質的有限元方程。最后把兩相流固耦合模型應用到椎問盤組織,結果表明椎間盤組織在受到均布載荷時,材料的應力由固相和液相共同承擔,

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

4、物膠體材料。數(shù)值模擬的結果表明聚合物膠體在受到力學和化學載荷作用下,材料的應力由固相應力、液相壓力和離子引起的膨脹應力三部分組成。
　　 本文應用混合物理論建立了兩相介質的流-固耦合模型和三相介質的化學-力學耦合模型。研究結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-力學耦合現(xiàn)象的材料的力學行為。
　　 本課題由國家自然科學基金項目(項目編號:10872011)和北京市自然科學基金項目(項目編號:3