A nonlinear, transient finite element method for coupled solvent diffusion and large deformation of hydrogels

有限元法 离散化 机械 孔力学 压缩性 非线性系统 材料科学 混合有限元法 线弹性 复合材料 数学分析 数学 多孔介质 物理 多孔性 热力学 量子力学
作者
Nikolaos Bouklas,Chad M. Landis,Rui Huang
出处
期刊:Journal of The Mechanics and Physics of Solids [Elsevier BV]
卷期号:79: 21-43 被引量:118
标识
DOI:10.1016/j.jmps.2015.03.004
摘要

Hydrogels are capable of coupled mass transport and large deformation in response to external stimuli. In this paper, a nonlinear, transient finite element formulation is presented for initial boundary value problems associated with swelling and deformation of hydrogels, based on a nonlinear continuum theory that is consistent with classical theory of linear poroelasticity. A mixed finite element method is implemented with implicit time integration. The incompressible or nearly incompressible behavior at the initial stage imposes a constraint to the finite element discretization in order to satisfy the Ladyzhenskaya–Babuska–Brezzi (LBB) condition for stability of the mixed method, similar to linear poroelasticity as well as incompressible elasticity and Stokes flow; failure to choose an appropriate discretization would result in locking and numerical oscillations in transient analysis. To demonstrate the numerical method, two problems of practical interests are considered: constrained swelling and flat-punch indentation of hydrogel layers. Constrained swelling may lead to instantaneous surface instability for a soft hydrogel in a good solvent, which can be regulated by assuming a stiff surface layer. Indentation relaxation of hydrogels is simulated beyond the linear regime under plane strain conditions, in comparison with two elastic limits for the instantaneous and equilibrium states. The effects of Poisson’s ratio and loading rate are discussed. It is concluded that the present finite element method is robust and can be extended to study other transient phenomena in hydrogels.

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