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1、前部丝腺和丝素溶液的力学本构模型及仿真分析数值模抵过程兵宵可重Q性高、不哽外界环境枚丈竖人员心情陽响的特点：而瓦 在数值模拟过程中可以通过暇设.实现实笙研究中无法得到的理想条件.从而突出重 点硏咒的某些方而.便英拘理规悻更加清晰"帛章基前部眩.腺和统索瀋液准前态轴向拉伸力学件能讣算方法.村试样尺度为10mm的五辭第10 X家蚩前部绘腺准®态柚向拉忡试脸敎据进拧处理+假设前部线腺 和绞盍祈淞为不可压缩村料用Abu.K）的数据皿合功能确宦前部做腺的村料椎型 和材料勢数并对9合体前冊建腺的准静态轴向拉仲过程进存模拟分析实验与仿真 结果.验址材料模咀的止确性.5J前部丝腺和丝素溶液
2、准静态轴向拉伸超弹性本构模型任第4裁时实验研兜屮.得到了五勰第H）天复合体家蚤加部蛭腺枉低逋变串下的 轴向拽仲力常怦能.前部建腺和醴潯液的载荷蓉曲线.具有类似超弹性材料的大变 形特点* nJLU用应变能函数来描述它ff）的轴向非线性应加应变木构关系.木节假设丝 腺和线董溶液均为不-4乐缩的齐坝同性材料，瓯用A h凹叭氐10屮的材料评估功能.研 冗前都统腺和竝素潘戒的趨弹性丘构模型.5 I I丝素漕液准静态轴向拉伸超弹性模型国5J为更合休前部狀腺和谀估的皱叢溶液載荷/位移閒线.艮屮试样楚艮度为10mm的五龄第10天复合体削部緩腺.AS A. B和C为夏合体家蚕前部建腺载荷/ 位移曲线*这三塞曲线
3、均在中部出现義荷下卅或报断 然启載荷继续穗步增加.如阿 屮的A,-A：. Bj-B, 411 CrC2段，宜至断裂。通过观察实验过捉发现：住低应变串惴况 下.建腺斷裂石红蓋濬液继续被拉伸.将曲线A、B和C的后半部分视为纯醴盍洛液 的裁荷与位移关系.用式仕1）和側刀将載荷他移数据转换为应力/应变关埶 在AMu.10软件中用l阶Ogden进打试验数据硕估.哉存纯皱盍洛戕整个拉神过程的直力膻变关脉如鬧5.2所示）经转换得劃谨荷他移曲蜒即国5屮的曲线AX- >.2 ' .-'!： j?.L-1: ：?' Ill：-' '3.'>'.
4、«l:l!l<V'j I l：'i (uJcn 比 Hcuit屮uCeriar ilk 学1 汕nd Lind fibro its so Lu dun 伽；-広上.L注呂V fr体前關粽MUffflHfe的耳咅、辟汽准静書辆筒拉忡議橋曲暮曲Fi 典 5 J Expeuhneiiial a nd e »ti tn nied q 114 l - s u I ic边 I tensile lud/dh.pLdceitfeehi tel 虫iwz hip of th 首t-awl 九 bn '： >11(& -Luilji -u -eP J
5、.U1S- _*K* 44a.iF n-斗 t i 11-Jriv, 1 Id 上 一出一liltnaujr e. n.PlsFiy. 5 2 QudLsi-tdtic axial icii>i k ires/ti'ai ia rd alii011 tip of fibroin utk)ii (Eiper ini-entl mid eslimiiijCiJresults lK 5.1 1阶0®deu榄険搗数Table 5.1 Coelictenl of 1 order Opderi modelJ®l./KPuAr0.0 L321.44710.059B Pn o
6、 is239.469S 389CJ0.0256CJ3.R065 340图5.2 r的曲线为不同应变率下的丝索沼液釉向拉帅应力/应变散邮和分别用1阶 Ogden横型预估的绘索瀋液整侔粒仲过穆中的应力/应变关系.夙国中可以看出”虽然 应变率不同,但均可以被1 Ogden摸型很妳的拟合.桓5J为不同应变率卞的1阶 七血模地垂放.从表中nf以行出旳素濬液的1阶Oydcn榄熨系数与应变率相关*乩 中无量纲系蛙町随炖变率的増加逐步减小5J.2前部甦腺;隹静态轴向拉伸超弹性模型用图5J中复含体前部统腺轴向拉伸的载荷”立移数拯和对应的预估的纯建素灌 液找衙血&数据相减可以钱得不同应变章下的前部H腺轴向
7、拉伸扶術f位卷冀系，如 图5.3所示.Fi- 53 Qu 山iif LHk Mxiiil eiisile loiALl/dipLacenKiiL ilaliiMUihip tif llie MWiiiui “Ik hnad即5.3屮的曲线a. b 111 c为家蚕前部妗腺轴向轻伸載荷/位桜关系，H：中.拉神 应变辭分别为；001讥0.015s1 fil 0,025s1.从图中可以看出这曲线巳和b都先经过了 段近似线件变化的过F黒而后岀现戦荷的大幅搬蒜或戸接下降.戸举断裂：虽姻曲 线£住开始时不是明显的纨性变化.但三条曲线的走魁是相同的"研究曲线応bflU 非线件变化起止点的
8、我荷他移值发现*三荼曲线非线性变化起止点位移均随应变率的 增加而变大*但起止点处的栽荷却没有明显变化-用式4和式4卫处理曲线耳、b和 £的我荷/位桜散册，决得前部蚁腺化不同应变率下的向一力/应变关条"住Abiiqusf) 1() 软件中选择材料模型对非线H-变化Z前的应力/应变tt据进行拟含可以获得前部纯腺 的趙萍性材料摸型块热戦.缶5.2 3阶応秋分姜琐式模堂羸敌Table 5.2 CoefTkient of 3 order Reduced pok no mill modelC ,JKP匸h/KP呂CJKP4d0.0L113175.570J 09.026h0JH557.4
9、144.413-65.500c0.02523.3J00.B56-26.500图 乳4是应变率为：O.Ols-1. 0.015s-1和0.02梟-1时的前部銓廉轴向拉神应力/应 变卅线绘诛税分务项式皿合脐线.从图屮可以百出实验曲浊禺可以假3阶减枳分模 型很好地拟含拟合相关別为*的3珏、W59和如勺7%表§2为不同应变率F的3阶械枳分姿项式数.从表中可W (i出前部狀腺的模塑廉数与应变率相 关.tOLIlS应愛率为0,01$寄-.亠-匚:T0融吟 c .rotY?trnin 叮ibi 问变 r Al 0015sfrTnrtnufiifl 皿睾!Ajr»e :!»j b
10、M Ni_ i !_.- irrf ulTjfl tlL-M HJTWi c i h；i Hi 卜为 D.O25?i圈5+前邮魏腺准静衣轴向拉忡应力應吏曲蝮与减积井寒攻式拥介仙红Fig. 5.4 Q U43<t-iti< axil lenileidltiudiship uf the anLefiur Uk Luiid 4nd filling c山、*5 2复合体前部丝腺有限元模型建立本节用5A节推导出的应变率为0.025®-1家蚕前部建腺和建素诰液的准静态轴向 超弹性本构模箴枳仏足合体前部建腺准静态轴向拉神过程，对比仿真和实验结果. 验证材料帳据的止确性.典盘的有限元分析
11、过程是册处理、计畀求解及后处理.前 处理工要包括：儿何或冇限兀榄型的创建、单处选取、定义材料参数、施加边界条件* 计算求解主要是指：定义求解类型、定义求解器和求解方式等：后赴理主要是指：査 荷结!J!、站果处理及分析等.m几何模型的建辽仿真分析是为了模拟真实的实骑过程所以袒建模时屁建工三維尖休的实际模舉.貝仟体前制鏡腺试样的尺寸如图5占所示，其中L, »和內的尺寸分别为10 mm. 0 05 irim #1： 0 J 5 nnn研咒衣明；对几何换空进行合理的简化.町以缩短计當时闾.提高许析效率.而 撲的方式建立试样的)L何摸型；同时.仿直分析时不考虑夹持端径向的束给拉忡变形 带来的於
12、响.只研氏家蚕前部绞腺和绞盍潯液在等栓伸长过程中两者变龙及模型用力 随时问的变化规律 所以左仿真彷析时减丰试样怏臃.團 久h为衣Ah*屮血10屮建辽 的简化儿何愼型.1L111 L. 和门的尺寸井别为10.025 mm和0.075 nunD1二二谢5.5试徉的姑构与尺1Fi>2. 5.5 Su nt liic til id ?iize ufllic niplen援触面前時竝腕碎面-轻韋胎ftfi(b)几何模塑頂部的局都放大图3.6简化的几何模型及島擁放大第肿Rg. 5.6The siuiiplified geometric model ajid local aniplifiilioh(2
13、) 材料參数设置根据5节研龙确定的材料模型和系数输入前部丝棣、怨盍落鮫的轴向拉伸力学 件能材料參黄见衣5 1和我5.2d前部匹腺的解度川卞述方法测呈：将前部收腺固 于硫礙铜水落液中恃耳处f-悬浮状态时计算水溶液密度匸炖黄次圈量结果取均值.得 前部纹腺诸度为：I肿Kg/mn；：统嶽济戒幣瘦采用乂献刚屮的ffi： l.36Kg/mm(3) 分析步设宙试样的拉伸过崔分为苗亍阶段*即前部皱棣破坏閒与峨坏頤亠所以，本次仿嵐分 析的分析步为：第一分析步：前部址腺和鎚素济液共同拉神阶段.该阶段的拉忡地性为O.25mm/s, 命析模型长嗖为1 mm,模型在应变A 1J87时,前部建腺彻底从中部断裂t设置分析
14、时阿4.749乩 时fnjiftfir为0.4749s*増虽救为10.第-V I | A前部的除破坏杠纯対门仁.在应变为|.血 时西紀帝吨 斷製.拉仲遗度不变*设置分析时例为2.55U.时何02551s.增虽数为 0(4) 定及接触闻5血町中的绞索淞液和前部纯腺在拉伸过程中会出现接*图5.6(b)为局部放 大国形，在锂模时留有空f® 0.001mm.偎推第3章的实鉴检测机理*前部録腺和罐素 潯液在拉伸过程中具有独立性.emsttK斷裂后.不考虑接触面的粘性对拉伸过程 的腐响"Irtierucnon 決中设汽搖戲居性，设遥堆盍涓液的接粒i何为主面*肺触.|.5)单冗选样及网格
15、创分AbuqusfiJO甘对不同的分析娄熨提供彭达数百种的可选单元.本文选用笛为 CAJUH. 4筋点區续实休单兀，炜儿何模型进疔网格划彷竝腺单祀数为404个.纯素iS液单元数为300个如国57(a)所示。(6)边界条件及区域先效设置对诲轴甘称模型施加的边界荼件是-在系统预设分析出伽1讪血卩中匸囱定姑称轴匕的径向位移U和醴素瀋液、前部建腺底边的轴向忖移U2,如图?.7(h)所示f眼元网格(b)边界条件S 5.7育駁无网格及说界聲件Fig. 5.7 Finite eLemeni mesh and houridiif eutidiiwnK在第一和第二分析步中设置録素溶液、前部螳腺顶端的釉向拉伸速度
16、025mm/s 宜合怵前部醴膿拉伸过程中前部録腺发生断裂，为模拟真实的拉伸过程.在仿真分析中需设置前部此腺单元的破坏/失效屣性.研究前部此腺和醴素榕液的力学特性. AbaqusKH）软件提供的模按检怦斷製的方法有单元损伤法和麒无先效法.前者通过定 义损怙准则和演化甘式，修改单就的状态参嚴便单元刚度减小.达到模拟斷裂的效 果.左要用于腕性材料或小变形的韧性材料:后者是遍过在指宦分析步中定汕标区 域徹元失效的方法来模JU斷裂"本文采用单元尖效的方法模抱前部建腺的斷製现仏 在第二分析步中使几何模型中部猎定区JS单元失效该区域尺寸为宽:0,05mm，高: 0r02mm» 如阳 5.
17、7（b）所示.53实验与仿真结果对比分析在后处理过程中提取前部建腺和綾素落液顶瑞的单兀节点的轴向作用力.求和获 得检伸戦剛位犠的关氟 分别提収节点轴向武实应力和貞实应变，用4.3式和4上式 计算获得应力/股变的关系口图5.8为家蚕前部殊.腺准静蛊轴向拉伸应力/应变的实验和仿真结果.从圏中可以 n ,.幕:呷I眾匚（）（ii 1< '/.'. J i；ii； I： mu. -冷 j 以th I 丄二.m 积分多顼式能磐代表前部统腺破坏前的力学性能.曲4JH在H1点后与实弊仙绒仃权 大養异.产生上述现象的原因是*前飙丝腺的3阶减积分茅项式模樂在应变0.825 时出现爲至段应力
18、随应变下降的现象'比贞时进入第二分析步*此时前酩建腺模 麵中剖预设单元先效，前制建腺斷裂后开始收縮.磁力谨步减小至趙近于零.円加"V3j时口1171 A：图5.S前部建律准静态轴向拉忡磁力腕愛关蔵实越和谕克納第）Fig. 5. S QuiisL-'-ulk 讣I retiKile、i；rvq、/崗lip of lhe utiterim- 'iilk uLuid lEixpeiimemiil midsinu lition redts）图5.9为前部組腺内龍素瘠液准静态轴向拉神应咖变的奕脸与仿克井折结果- 从圈屮可以看出阿策棚线儿乎完全重合，表明：建素洛液的1阶O
19、fidcn蟆里能翳很 好地应示其力学轴向拉伸力学特性.D<!-rot': r： ii-j图5.復盍濤ift准静奋轴向拉伸腌力/应童羔衆（实鲨与苗aFll1 5.9 Quj-ii Utic nual tensile stress / strain reLitioiiiip or Uhroin sclulinn iEiperinient；LU andM 5 40 g音体前韶倬腺准靜态轴向折神的皱荷附移Xi系陕腔与仿專斷果)Fig, 5.JO (jii.L-ni-Hiaik aiuil lenxile load/displacemenl relatk>rahq)Ml he civnpltx anterior Kilk 耳Idndi Kxpei'iirienlid and、“mLluiiwi rewlhj附5.10为虹合休前部皱腺轴向检伸我荷/位移关系的实监9仿自分析结果°从悄 中可以看出*在為点之前和点之后的仿直结果与实验结果基木重合：1川A至人 段的应力存在很大邃异.这主耍是因为*模拟材料斷裂时采用了基于“唯象”理论的 取k矢败法便得该段的仿真站果与实验敌邮仔杆枚大聲异<