软材料丝的封装力学行为

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细长柔性丝在受限空间内的封装是生物、医学、数学、材料、信息等多个领域的普遍现象。为了高效地利用空间,DNA、染色质纤维、手术导管和线圈、导线等细长柔性丝状结构在受限空间中通过多种方式形成各种复杂的形态。封装结构的形态和力学特性是细长柔性丝受限空间封装的两个重要问题,与生物封装结构、柔性器件功能等息息相关。目前的工作大多是对于金属丝基于各向同性弹性杆的理论框架来进行计算模拟或者通过二维封装实验来进行统计分析。对于软材料的封装行为、封装结构的曲率分布、能量分布等力学特性的关注和理解还十分有限,并且各种因素对于封装过程的影响还有待探究。本文主要采用实验的方法进行研究。设计了二维圆盘封装装置对典型软材料柔性丝-橡皮筋进行封装。研究了封装方式、材料表面摩擦性能、腔体环境对封装行为的影响,揭示了封装结构形态的演变规律,定量统计了封装长度、环数和接触数等参数,计算了计盒维数、封装率、曲率分布和能量分布等力学参量。本文设计了不同直径的三维圆筒封装装置对典型软材料柔性丝-橡皮筋进行封装实验。揭示了橡皮筋在不同直径圆筒内的封装结构形态的演变规律,定量统计了封装长度等参数,计算了计盒维数、封装率等力学参量。并且使用了硬材料柔性丝-铝线进行了对比实验。此外,针对橡皮筋在三维封装装置所形成的结构,进行了有序封装结构和无序封装结构的压缩实验、将橡皮筋切割成不同段数的压缩实验、不同直径圆筒内的封装结构压缩实验。得到了压缩力-压缩位移曲线、压缩力-封装率曲线等。并且使用了硬材料柔性丝-铝线进行了对比实验。上述工作将给受限自组装系统的设计、柔性高分子链的输运、柔性电子封装、细长结构的致密化技术等提供启发和参考。
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