[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

说明书

本发明公开了一种微胶囊自愈合材料损伤和愈合机理的数值仿真方法。该方法包含以下步骤：a.构建材料的单胞模型；b.对单胞划分有限元网格；c.为基体和微胶囊赋予材料属性；d.采用耦合的欧拉‑拉格朗日方法建立流‑固耦合关系；e.施加载荷并提交分析；f.查看结果，揭示材料的损伤和愈合机理；g.进行参数分析和优化设计。该方法首次采用流‑固耦合的数值方法模拟微胶囊自愈合材料在载荷作用下的损伤起始和扩展过程，揭示微胶囊自愈合材料损伤和愈合的内在机制。该方法可以为微胶囊自愈合材料的优化设计提供理论依据，从而有助于开发出具有更优性能的自愈合材料。

技术领域

本发明属于材料力学领域，尤其涉及一种微胶囊自愈合材料损伤和愈合机理的数值仿真方法。

背景技术

材料在使用过程中，受到载荷和环境因素的影响，其内部难免会产生微裂纹损伤。微裂纹的出现和扩展使材料性能退化，影响其使用寿命，并对结构安全造成潜在威胁。因此，人类希望开发出一种能对材料中的微裂纹尽早察觉并尽快修复的结构/功能一体化材料，这就是所谓的自愈合材料。其中，微胶囊自愈合材料是最受关注的自愈合材料之一，其原理是将包裹有修复剂的微胶囊和催化剂一同植入到基体材料中，当材料产生裂缝时引发微胶囊破裂，修复剂从微胶囊里释放出来渗入微裂纹，遇到分散在基体材料中的催化剂后产生交联聚合，从而修复裂纹使材料性能得到恢复。

微胶囊自愈合材料的概念被提出来之后，人们在修复剂材料体系的选取、微胶囊的制备和性能表征、愈合效果的评价等方面开展了深入研究。但是，目前针对微胶囊自愈合材料的研究，基本都是基于经验进行材料的设计，然后通过实验手段对材料的性能进行表征和评价，并没有从根本上理解其损伤和愈合机理，以及材料愈合效果的影响因素。这样就不利于材料性能的最优化。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种微胶囊自愈合材料损伤和愈合机理的数值仿真方法，该方法包括下述步骤：

1)构建材料的单胞模型

一般来说，微胶囊在基体材料中是随机分布的。但是，若只研究一个微胶囊的破裂过程，可以将微胶囊与其周围的基体取出来，作为数值分析的单胞模型。不是一般性地，可以将单胞取为一个正方体，微胶囊位于正方体的中心。

2)对单胞划分网格

在有限元软件中对单胞划分三维实体网格，得到模拟所需的有限元模型。

3)为基体和微胶囊赋予材料属性

为了模拟基体中微裂纹的萌生和扩展以及在裂纹作用下微胶囊破裂的过程，需要同时考虑基体和微胶囊材料的力学本构模型和损伤模型。根据材料特性和分析的需要，可以直接选用有限元软件提供的材料模型；也可以发展新的材料模型，通过编写子程序实现其功能。

4)在有限元模型中建立流-固耦合关系

微胶囊内部装有液态的修复剂，该修复剂和微胶囊之间会有相互作用；而微胶囊破裂后，修复剂与基体之间也会产生相互作用。为了考虑这种液态材料和固态材料之间的相互作用，可采用耦合的欧拉-拉格朗日(CEL)方法来建立流-固耦合关系。

5)对有限元模型施加载荷，提交分析

为了模拟微胶囊自愈合材料在不同载荷下的损伤和愈合机理，可以对单胞有限元模型施加不同的载荷，然后就可以在有限元软件中进行计算。

6)查看分析结果，揭示材料损伤和愈合机理

计算完成后，通过查看材料在载荷作用下的变形和破坏过程，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。

7)进行参数分析和优化设计