[发明专利]一种微胶囊自愈合材料损伤和愈合机理的数值仿真方法

权利要求书

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；

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：

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：

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，为损伤变量随着时间的变化率

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，σ_y0是损伤起始时的屈服应力，G_f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。