拉脹材料因其負泊松比特性深度契合生物組織變形,在生物醫(yī)學領域得到廣泛應用。然而,其在應用過程中與生物組織形成的雙層結構存在發(fā)生褶皺失穩(wěn)的風險?,F有研究主要集中于壓縮載荷作用下的褶皺失穩(wěn)行為,而拉伸所引發(fā)的褶皺失穩(wěn)機理尚不明確,同時,適用于大變形條件下的褶皺失穩(wěn)理論模型也亟待完善。因此,愛爾蘭高威大學Sairam Pamulaparthi Venkata教授團隊建立了適用于大變形拉伸載荷條件下的褶皺失穩(wěn)模型,并進一步分析了泊松比失配對褶皺失穩(wěn)的影響,為實際應用中抗褶皺提供了新思路。
本文基于Blatz-Ko超彈性本構模型(圖1)構建理論框架。首先推導出薄膜與基底的變形梯度和應力關系,進而通過增量分岔理論建立線性失穩(wěn)條件,并推導高階漸進表達式用于大變形修正,最后實現半解析求解以預測臨界拉伸比λc和波數Kc。通過將理論模型的預測結果與有限元計算結果進行對比,驗證了理論模型的有效性和合理性(圖2)。
圖1 基于Blatz-Ko超彈性本構模型的實驗與有限元模擬結果對比
圖2 理論解與有限元模擬結果對比
結果表明,當且僅當基底泊松比V?大于薄膜泊松比Vf(V?>Vf)時,才會發(fā)生平行于拉伸方向的褶皺失穩(wěn)現象,這是由于具有更高泊松比的基底發(fā)生了更顯著的橫向收縮,在薄膜內誘發(fā)壓縮應力(圖3);臨界拉伸比λc隨| V? - Vf |減小而急劇增大,而皺紋波長則隨泊松比差異增大而縮短,但高壓縮性材料(V? ≤ -0.7)出現波長反??s短現象(圖4d),表明Blatz-Ko模型對強拉脹行為的預測存在局限。本文進一步結合逆設計方法,成功實現薄膜微結構(正交橢圓/矩形孔)的泊松比靶向調控(圖5a),其均質化模型與ABAQUS微結構模擬的臨界拉伸比誤差<6.3%(圖5b)。
圖3 雙層結構受拉伸載荷作用示意圖
圖4 基于Blatz-Ko超彈性模型的有限元模擬結果與理論解對比
圖5 (a)微結構幾何形狀,(b)不同微結構的雙層結構受拉伸載荷褶皺情況
綜上所述,本文系統(tǒng)探究了3D拉脹雙層結構在單軸拉伸下的起皺不穩(wěn)定性機制,通過理論建模和數值模擬揭示核心規(guī)律。本文通過微結構設計實現褶皺可控,為生物醫(yī)學器件的抗褶皺設計提供了理論支撐。
相關論文以“Wrinkling instability of 3D auxetic bilayers in tension"為題發(fā)表在《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》。
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