大形變
關(guān)注創(chuàng)建者：莽夫從不后退 創(chuàng)建時(shí)間：2023-02-26
大形變的實(shí)例教程
前者要求纖維產(chǎn)生大的收縮率，而后者則要求高的收縮速率。對(duì)熱響應(yīng)的LCE纖維而言，形變率由纖維所達(dá)到的溫度決定，而形變速率由纖維的升溫速率決定。通過電熱效應(yīng)操控LM-LCE纖維形變時(shí)，纖維溫度及升溫速率均可通過改變電刺激的參數(shù)進(jìn)行調(diào)控：通過調(diào)控電壓，LM-LCE纖維在各個(gè)通電時(shí)間下均可以達(dá)到約43%的最大形變率，與人類骨骼肌的最大收縮率（>40%）相近。在15 V，0.1 s的電壓刺激下，纖維的升溫速率達(dá)到最大，約為562 °C·s-1，此時(shí)，纖維的平均形變速率也達(dá)到最大，約為284 %·s-1，是人類骨骼肌收縮速率（>50%·s-1）的5倍以上。
圖3. 模仿人類肱三頭肌的LM-LCE纖維驅(qū)動(dòng)的精確拋球。
最后，該團(tuán)隊(duì)展示了LM-LCE纖維作為人工肌肉對(duì)外做功的能力。設(shè)計(jì)了人工手臂以模擬投籃時(shí)肱三頭肌快速收縮做功的過程：LM-LCE纖維在脈沖電刺激下發(fā)生快速收縮，帶動(dòng)模擬前臂的投射桿將小球加速投出。由于LM-LCE纖維可以通過調(diào)控電壓及通電時(shí)間發(fā)生可控形變，因此所制備的人工手臂實(shí)現(xiàn)了對(duì)小球拋射速度和距離的精確控制。在這一過程中，LM-LCE纖維的特征功率可以通過改變輸入電能實(shí)現(xiàn)在0~367 W·kg-1的大范圍內(nèi)精確控制，且纖維輸出的最大特征功率超過了人類骨骼肌（280 W·kg-1）。LM-LCE纖維在電致形變過程中能抬起自身重量220倍以上的物體，輸出0.6 MPa的收縮應(yīng)力，并產(chǎn)生最大417 kJ·m-3的功密度，是人類骨骼肌性能（40 kJ·m-3）的10倍。
展開 試片在出現(xiàn)屈服之后的斷裂稱之為韌性斷裂，試片在屈服后出現(xiàn)了較大的應(yīng)變，如果在試樣斷裂前停止拉伸，除去外力，試片的大形變已無法完全回復(fù)，但是如果讓試片的溫度升到玻璃化溫度Tg附近，則可發(fā)現(xiàn)，形變又回復(fù)了。這是一種高彈形變，從微觀上看，屈服點(diǎn)以后材料的大形變主要是分子鏈段運(yùn)動(dòng)，即在大外力的幫助下，本來被凍結(jié)的鏈段開始運(yùn)動(dòng)，高分子鏈的伸展提供了材料的大形變。這時(shí)由于材料處在玻璃態(tài)，即使外力除去后，也不能自發(fā)回復(fù)，而當(dāng)溫度升高到Tg以上時(shí)，鏈段運(yùn)動(dòng)解凍，分子鏈蜷曲起來，因而形變回復(fù)，在宏觀上表現(xiàn)為彈性回縮。
高彈變形的過程是外力作用促使材料主鏈發(fā)生內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過程，此過程需要的外力要小的多，而變形量卻大的多，所以在曲線上表現(xiàn)為屈服后應(yīng)力下降也就是圖上的YB段，高分子鏈段在伸展過程中所需力的大小變化不明顯，故在曲線中部出現(xiàn)比較平穩(wěn)的線段。
如果在分子鏈伸展后繼續(xù)拉伸，則曲于分子鏈取向排列，使材料強(qiáng)度進(jìn)一步提高，因而需要更大的力，所以應(yīng)力又出現(xiàn)逐漸的上升，直到發(fā)生斷裂（見圖中的BX段）。
以斷裂點(diǎn)為起始點(diǎn)向橫作標(biāo)作垂直線，此時(shí)的封閉曲線則為整個(gè)拉伸過程中吸收的能量（見圖1中的斜面部分），通常曲面面積大，說明材料的韌性好。
2. 高分子材料在拉伸強(qiáng)度上的分類
由于高分子材料的品種繁多，它們的應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出復(fù)雜情況。若按在拉伸過程中屈服點(diǎn)的表現(xiàn)、伸長(zhǎng)率大小及其斷裂情況，大致可以分為五種類型。它們是：(1)硬而脆，如聚苯乙烯、有機(jī)玻璃和酚醛樹脂；(2)硬而韌，如尼龍、聚碳酸酯；(3)硬而強(qiáng)，如不同配方的硬聚氯乙烯和聚苯乙烯的共混物；(4)軟而韌，如橡膠、增塑聚氯乙烯；(5)軟而弱，如柔軟的凝膠，很少用作材料來使用
3.
展開 近年來，基于阻抗、電容及感應(yīng)電勢(shì)等檢測(cè)技術(shù)的電子織物傳感器得到了迅猛發(fā)展，但是，這些傳感器的組分之間的機(jī)械性能、電化學(xué)行為差異較大；而且為了保證材料能夠?qū)崿F(xiàn)可重復(fù)的可逆形變，傳感材料通常需要復(fù)雜的制備過程，難以量產(chǎn)化。
為了解決這一問題，科學(xué)家們將光纖整合到織物中以監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)情況。傳統(tǒng)的光纖材料如石英玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯等剛性過強(qiáng)，只能監(jiān)測(cè)小范圍的形變。而彈性體、水凝膠等能允許較大形變的材料在量產(chǎn)方面又面臨諸多困難。因此，急需一個(gè)新方法和技術(shù)制備能量產(chǎn)化的、允許較大形變的材料。
麻省理工學(xué)院的Mathias Kolle教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種能量產(chǎn)化的具有優(yōu)異拉伸和彎曲性能的光纖。這種光纖由具有相似機(jī)械性能和不同折光指數(shù)的兩種透明熱塑性彈性體組成，形成殼-包層的結(jié)構(gòu)。同時(shí)利用熱塑性彈性體能夠熔融加工的優(yōu)點(diǎn)，利用一步法共擠出成型得到幾百米長(zhǎng)的光纖。與傳統(tǒng)的光纖材料相比，作者制備的光纖材料具有較好的形變能力，能夠承受極大的伸長(zhǎng)、彎曲以及壓力形變。這種光化學(xué)的耦合是量化可穿戴織物傳感器機(jī)械刺激的基礎(chǔ)。
為了評(píng)估這種光纖的性能，作者將其整合到低成本的電子器件中對(duì)幾種人體行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)：（1）膝蓋的連續(xù)彎曲；（2）手指的運(yùn)動(dòng)；（3）球落在球拍上時(shí)的壓力及位置。
圖1 光纖材料的制備及結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 光纖材料的機(jī)械及光學(xué)性能
從圖2可以看出光纖的斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到(545±35)%，伸長(zhǎng)率在40%和300%之間重復(fù)變化時(shí)，光纖表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性行為。在400~850 nm光波范圍內(nèi)，相對(duì)于短波，光纖對(duì)長(zhǎng)波具有更好的透過性，但是其光纖衰減系數(shù)卻比聚甲基丙烯酸甲酯高三個(gè)數(shù)量級(jí)。這可能是由核-包層界面存在的顆粒、氣泡以及不均勻的核直徑導(dǎo)致的。為了驗(yàn)證包層結(jié)構(gòu)存在的必要性，作者對(duì)比了核-包層結(jié)構(gòu)和只有核材料的光纖的性能。
展開 填料對(duì)橡膠的抗撕性能有很大影響,炭黑對(duì)提高橡膠抗撕性能有良好作用。多量填充具有向異性粒子的填料、如陶土、云母粉、滑石粉等,能夠惡化抗撕性能。
加工方法也可影響抗撕性能、如壓延、壓出等過程,使橡膠大分子結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的取向作用,抗撕性能在各方向上有明顯不同。表5-3所示是幾種橡膠的撕裂特性。
(二)橡膠撕裂能
橡膠撕裂過程的形變,具有粘彈性質(zhì)。因此,撕裂形變時(shí)的彈性儲(chǔ)能,促使裂口的增長(zhǎng),另一部份塑性功耗,對(duì)裂口增長(zhǎng)有抑制作用。所以,橡膠的撕裂性能就與形變時(shí)的彈性儲(chǔ)能有密切關(guān)系。圖5-21所示是硫化膠撕裂試樣及受力狀態(tài)。
圖21中撕裂試樣厚度h,裂口長(zhǎng)度C,試樣寬度2b,試樣兩腳長(zhǎng)1。在外力F作用下,發(fā)生撕裂破壞現(xiàn)象,即dc增大。發(fā)生撕裂破壞過程,體系的彈性儲(chǔ)能w應(yīng)有所降低,即dw,且彈性儲(chǔ)能的變化應(yīng)大于試樣的撕裂能T。即:
式(25)中,dA=hdc,表示增加的撕裂斷面積,依式(25),撕裂能可定義為：
展開 彈性材料利用形變儲(chǔ)存或釋放能量，其儲(chǔ)存或釋放能量的幅度以及效率取決于彈性形變的程度以及形變過程中的能量耗散率。對(duì)于需要彈性材料重復(fù)做功的應(yīng)用場(chǎng)景而言，盡量減小其形變過程中的能量耗散率可以最大限度地發(fā)揮這類材料的優(yōu)勢(shì)。然而，大形變往往與高能量損耗率相對(duì)應(yīng)，成為一對(duì)共生的矛盾體。比如具備超大形變能力的聚合料彈性體材料，其超大形變能力往往建立在低交聯(lián)密度基礎(chǔ)上，由此會(huì)顯著增加高分子鏈段的纏結(jié)程度，進(jìn)而在形變過程中產(chǎn)生明顯的能量耗散。雖然借助特殊的交聯(lián)方式或者交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以在一定程度上兼顧大形變與低能量耗散率，但是目前仍然缺乏通用的策略來解決這對(duì)矛盾。
圖1. 低回滯納米復(fù)合水凝膠材料的結(jié)構(gòu)示意及其力學(xué)行為。
針對(duì)以上問題，近期中科院化學(xué)所邱東研究員研究團(tuán)隊(duì)基于之前的研究成果，從高分子/納米顆粒界面相互作用調(diào)控角度出發(fā)，通過將高度支化的二氧化硅納米顆粒（比表面積高達(dá)1000 m2.g-1）引入適度化學(xué)交聯(lián)的聚合物膠網(wǎng)絡(luò)，利用高界面曲率和大比表面積的協(xié)同增強(qiáng)顆粒/高分子界面作用原理，形成以超支化二氧化硅顆粒為主要交聯(lián)點(diǎn)的一類高含水量的純彈性納米復(fù)合水凝膠材料（圖1）。在含水量達(dá)96 wt%的條件下，該類納米復(fù)合水凝膠表現(xiàn)出高達(dá)11.5倍的斷裂伸長(zhǎng)率。由于消除了凝膠網(wǎng)絡(luò)中的能量耗散機(jī)制（高分子鏈解纏結(jié)、共價(jià)鍵斷裂等），此類納米復(fù)合水凝膠在循環(huán)載荷作用下幾乎沒有任何應(yīng)力回滯，表現(xiàn)出類似于彈簧的純彈性力學(xué)行為。
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大形變的最新內(nèi)容
熔體強(qiáng)度高的材料能夠承受更大的拉伸形變而不破裂，這對(duì)于吹塑、熱成型、發(fā)泡和紡絲等涉及拉伸流動(dòng)的加工工藝至關(guān)重要。熔體強(qiáng)度主要取決于分子鏈的纏結(jié)程度、分子量大小、支化結(jié)構(gòu)（長(zhǎng)鏈支化可顯著提高熔體強(qiáng)度）以及是否存在交聯(lián)。
值得注意的是，熔體粘度和熔體強(qiáng)度并不總是正相關(guān)。
熔體強(qiáng)度高的材料能夠承受更大的拉伸形變而不破裂，這對(duì)于吹塑、熱成型、發(fā)泡和紡絲等涉及拉伸流動(dòng)的加工工藝至關(guān)重要。熔體強(qiáng)度主要取決于分子鏈的纏結(jié)程度、分子量大小、支化結(jié)構(gòu)（長(zhǎng)鏈支化可顯著提高熔體強(qiáng)度）以及是否存在交聯(lián)。
值得注意的是，熔體粘度和熔體強(qiáng)度并不總是正相關(guān)。
然后模擬金箍棒會(huì)對(duì)地面附近產(chǎn)生多大的擾動(dòng)，同時(shí)這個(gè)擾動(dòng)會(huì)讓地上的草產(chǎn)生多大的形變。這一套操作是足夠嚴(yán)謹(jǐn)，但可能要計(jì)算個(gè)幾小時(shí)。
帥臣：也就是你揮一下棒，幾小時(shí)后，唉，草動(dòng)了。那肯定不行哈，游戲中只需要根據(jù)金箍棒的移動(dòng)方向，給地上植物一個(gè)方向一致的均勻力，讓植物在這個(gè)力的作用下變形就行了。至于這個(gè)力有多大，應(yīng)不應(yīng)該均勻分布，不重要。游戲中的物理現(xiàn)象不需要多精確，快而流暢就好了。
試片在出現(xiàn)屈服之后的斷裂稱之為韌性斷裂，試片在屈服后出現(xiàn)了較大的應(yīng)變，如果在試樣斷裂前停止拉伸，除去外力，試片的大形變已無法完全回復(fù)，但是如果讓試片的溫度升到玻璃化溫度Tg附近，則可發(fā)現(xiàn)，形變又回復(fù)了。這是一種高彈形變，從微觀上看，屈服點(diǎn)以后材料的大形變主要是分子鏈段運(yùn)動(dòng)，即在大外力的幫助下，本來被凍結(jié)的鏈段開始運(yùn)動(dòng)，高分子鏈的伸展提供了材料的大形變。
這個(gè)喊呀，咱必須得科學(xué)的喊，每個(gè)玻璃杯都有自己的固有頻率，當(dāng)我們喊聲的頻率和它的固有頻率一樣時(shí)，就會(huì)引起杯子的共振，產(chǎn)生形變。大到一定程度，它就啪，碎掉了。所以喊碎杯子的第一步，就是要先測(cè)出杯子的固有頻率是多少。
測(cè)的方式也很簡(jiǎn)單，手潤濕，去摩擦杯口，杯子就會(huì)發(fā)出聲音。這個(gè)聲音頻率就是它的一個(gè)固有頻率，為什么這樣就能測(cè)出呢？知道原理的歡迎彈幕留言。
例如，使用更合適的加載方式或者減小加載的幅度來避免過大的形變引起的計(jì)算沙漏。
在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的模擬對(duì)象和加載情況選擇合適的控制方法，并不斷進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化。
電池爆噴及燃燒仿真
電池降階技術(shù)
推薦Ansys模塊
Ansys fluent+ Optislang+HPC+Twin Builder
電池結(jié)構(gòu)可靠性分析
設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)
滿足國標(biāo)要求
在受限空間內(nèi)布置
振動(dòng)/沖擊大形變仿真
深入學(xué)習(xí)靜力學(xué)的高級(jí)技術(shù)和功能，如材料非線性行為、大形變分析和剛性體結(jié)構(gòu)等。
2、動(dòng)力學(xué)
動(dòng)力學(xué)研究物體在受到外部力作用下的運(yùn)動(dòng)和響應(yīng)。我們需要學(xué)習(xí)基本概念如慣性、加速度和振動(dòng)頻率，以幫助更好地理解動(dòng)力學(xué)分析。動(dòng)力學(xué)分析流程包括預(yù)處理、求解和后處理步驟，類似于靜力學(xué)分析流程。
了解振動(dòng)分析的原理和方法是學(xué)習(xí)動(dòng)力學(xué)的重要一步。包括自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)的分析方法。
其中：
幾何非線性，指橡膠為體積不可壓縮材料，其在工況中會(huì)出現(xiàn)大彈性形變，已不能用小形變理論分析；
材料非線性，指橡膠材料為粘彈性材料，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線為非線性的，且動(dòng)態(tài)特性與頻率、振幅、溫度相關(guān)；
邊界非線性，指橡膠材料與金屬的接觸過程中，其邊界條件在分析過程中發(fā)生變化。
由于電子在運(yùn)動(dòng)過程中不僅受到外電場(chǎng)力的作用，還會(huì)不斷的與晶格、雜質(zhì)、缺陷等發(fā)生無規(guī)則的碰撞，導(dǎo)致計(jì)算載流子遷移率的難度很大。本文基于形變勢(shì)理論方法為基礎(chǔ)，介紹了二維材料電子和空穴的有效質(zhì)量與載流子遷移率的計(jì)算方法。
