本书是一本关于软材料与生物软组织力学的专著，介绍了软材料失稳力学的基本理论、数值、实验方法及其应用，主要内容是作者在该领域取得的研究成果。全书共17章，介绍了软材料稳定性理论的国内外研究现状、基本理论与数值计算方法、在不同几何和载荷下薄膜-基底系统的失稳分析与形貌演化、基于失稳技术的表面形貌制备方法、生物软组织由于非均匀生长所引起的表面失稳与形貌演化等。
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丛书序
前言
第1章 绪论 1
1.1 软材料及其变形特点 1
1.2 表面失稳技术的应用 3
1.2.1 平版印刷技术 3
1.2.2 功能表面仿生制备 3
1.2.3 柔性电子器件 4
1.2.4 材料性质表征 6
1.2.5 生物组织形态学 7
1.3 软材料表面失稳力学 8
1.3.1 理论分析与数值方法 8
1.3.2 高分子软膜的稳定性 9
1.3.3 硬膜-软基系统的稳定性 12
1.3.4 生物软组织的表面失稳 14
1.4 软材料失稳力学的若干关键问题 15
1.5 本书内容 17
参考文献 17
第2章 弹性稳定性基础理论 26
2.1 失稳类型 26
2.1.1 分岔点失稳 27
2.1.2 极值点失稳 27
2.2 稳定性判断方法 28
2.2.1 静力法 29
2.2.2 能量法 36
2.2.3 动力法 39
2.3 Koiter弹性稳定性理论 42
2.3.1 临界失稳分析 42
2.3.2 后屈曲分析 43
2.3.3 应用举例之一：压杆失稳 44
2.3.4 应用举例之二：硬膜-软基系统 47
2.4 软材料本构模型 48
2.4.1 线弹性本构关系 49
2.4.2 超弹性本构关系 49
2.5 本章小结 51
参考文献 52
第3章 弹性稳定性计算方法 55
3.1 牛顿-拉普森法 55
3.2 弧长法 56
3.3 伪动力学法 58
3.4 傅里叶谱方法 59
3.5 算例 61
3.5.1 膜基系统的整体失稳 61
3.5.2 膜基系统的局部化失稳 65
3.6 本章小结 67
参考文献 67
第4章 无限大硬膜--软基系统 69
4.1 平面应变失稳分析 69
4.2 薄膜的局部化失稳 71
4.2.1 弹塑性薄膜 71
4.2.2 超弹性薄膜 80
4.3 三维失稳分析 84
4.3.1 实验观察 86
4.3.2 理论模型 87
4.3.3 失稳模式 89
4.3.4 能量分析 89
4.3.5 表面曲率效应 94
4.4 含表面微纳米结构薄膜的失稳 96
4.4.1 量纲分析 97
4.4.2 计算模型 98
4.4.3 结果与讨论 99
4.4.4 应用 102
4.5 花瓣表面微观形貌的形成机理 103
4.5.1 实验方法 104
4.5.2 实验结果 104
4.5.3 分析与讨论 109
4.5.4 力学模型 112
4.6 本章小结 113
参考文献 113
第5章 局部载荷作用下的薄膜失稳 118
5.1 局部预拉伸诱发的径向失稳 118
5.1.1 理论分析 119
5.1.2 数值模拟 127
5.1.3 结果与讨论 128
5.1.4 后屈曲形貌演化分析 132
5.2 局部扭转失稳 133
5.2.1 理论模型 133
5.2.2 数值模拟 135
5.2.3 实验验证 137
5.3 本章小结 138
参考文献 138
第6章 夹层结构失稳分析 140
6.1 单层膜夹层结构 141
6.1.1 理论模型 141
6.1.2 临界屈曲分析 146
6.1.3 后屈曲分析 146
6.2 双层与多层膜夹层结构 149
6.2.1 数值模拟 149
6.2.2 理论分析 151
6.2.3 后屈曲形貌演化 152
6.3 本章小结 153
参考文献 154
第7章 梁--基系统 156
7.1 软基底上有限宽度薄膜的失稳 157
7.2 软基底上纤维的失稳 161
7.2.1 理论分析 161
7.2.2 横截面效应 163
7.2.3 无量纲函数 164
7.3 软基体内纤维的失稳 166
7.3.1 实验方法 166
7.3.2 理论分析 167
7.3.3 结果与讨论 175
7.4 本章小结 176
参考文献 176
第8章 非均匀基底上硬膜的失稳 180
8.1 软基底上双层膜的失稳 180
8.1.1 理论分析 181
8.1.2 数值验证 186
8.1.3 结果与讨论 189
8.2 梯度弹性基底上硬膜的失稳 192
8.2.1 理论分析 192
8.2.2 数值模拟 199
8.2.3 形貌演化 201
8.2.4 结果与讨论 203
8.3 本章小结 203
参考文献 203
第9章 非线性基底上的薄膜失稳 206
9.1 结构化基底 206
9.1.1 微柱阵列基底 206
9.1.2 周期粘接界面 208
9.1.3 分段线性本构模型 209
9.2 双模量基底上薄膜的二维失稳分析 210
9.2.1 理论分析 210
9.2.2 结果和讨论 212
9.3 双模量基底上薄膜的三维失稳分析 214
9.3.1 理论模型 214
9.3.2 等轴加载 220
9.3.3 非等轴加载 223
9.3.4 三维失稳形貌相图 228
9.4 微柱阵列基底上薄膜的二维失稳分析 229
9.5 本章小结 231
参考文献 232
第10章 柱状核壳结构 235
10.1 实验方法 235
10.2 数值模拟 236
10.3 理论分析 238
10.3.1 临界失稳分析 239
10.3.2 后屈曲分析 242
10.4 结果与讨论 247
10.5 本章小结 252
参考文献 253
第11章 基于失稳的表面形貌制备方法 255
11.1 基于薄膜刚度周期性变化的表面形貌制备方法 255
11.1.1 理论模型 256
11.1.2 实验方法 257
11.1.3 数值模拟 261
11.2 基于界面结构的表面形貌制备方法 263
11.2.1 理论模型 264
11.2.2 数值模拟 265
11.3 具有周期结构的膜基系统的临界失稳分析 269
11.4 多级表面形貌制备方法 275
11.4.1 实验方法 275
11.4.2 实验结果 275
11.4.3 理论分析 279
11.4.4 表面浸润性质 282
11.5 本章小结 283
参考文献 283
第12章 表面折痕失稳 286
12.1 Biot折痕失稳分析方法 287
12.2 折痕失稳临界应变 290
12.2.1 表面折痕 290
12.2.2 界面折痕 291
12.3 缺陷敏感性分析 293
12.3.1 初始后屈曲分析 293
12.3.2 数值模拟 297
12.4 本章小结 301
参考文献 302
第13章 软膜的自发性失稳 303
13.1 能量分析 303
13.1.1 范德瓦耳斯相互作用势 304
13.1.2 弹性应变能 305
13.1.3 表面能 305
13.1.4 能量分析 306
13.2 二维分析 307
13.2.1 失稳临界条件 307
13.2.2 失稳特征波数 313
13.2.3 表面应力效应 313
13.2.4 失稳特征波长 314
13.2.5 失稳相图 315
13.3 三维分析 316
13.3.1 失稳临界条件 316
13.3.2 失稳特征波数 321
13.3.3 表面应力效应 322
13.3.4 失稳特征波长 323
13.3.5 失稳相图 324
13.4 曲面软薄膜 325
13.4.1 理论模型 325
13.4.2 圆柱形基底上的薄膜失稳 326
13.4.3 球形基底上的薄膜失稳 332
13.4.4 结果与讨论 338
13.5 本章小结 343
参考文献 343
第14章 外场作用下弹性软薄膜的失稳 347
14.1 LISA工艺中薄膜失稳 347
14.1.1 二维模型 348
14.1.2 三维模型 353
14.1.3 数值模拟 358
14.2 电场作用下软物质薄膜的六方形貌失稳 359
14.2.1 理论模型 360
14.2.2 失稳临界条件 361
14.2.3 失稳特征形貌 363
14.3 SOL 薄膜结构的表面失稳 364
14.3.1 理论模型 365
14.3.2 失稳临界条件 370
14.3.3 失稳相图 371
14.3.4 失稳特征波长 373
14.3.5 临界薄膜应力 374
14.3.6 数值模拟 375
14.4 本章小结 375
参考文献 376
第15章 电场作用下软材料的表面失稳 379
15.1 基本方程 379
15.2 平面构型中粘性流体薄膜的电致失稳 380
15.3 圆柱基底上粘性流体薄膜的表面失稳 382
15.3.1 稳态物理场求解 383
15.3.2 线性稳定性分析 383
15.3.3 结果与讨论 387
15.3.4 多级形貌制备 391
15.4 纤维状粘性流体的表面失稳 392
15.4.1 理论分析 392
15.4.2 结果与讨论 394
15.5 带电软球的表面失稳 396
15.5.1 理论分析 397
15.5.2 结果与讨论 399
15.6 本章小结 401
参考文献 402
第16章 生物软组织的表面失稳 404
16.1 体生长理论 404
16.1.1 乘法分解 405
16.1.2 加法分解 406
16.2 应力分析与增量变形理论 406
16.2.1 应力分析 406
16.2.2 增量变形理论 407
16.3 平面构型中的失稳分析 409
16.3.1 变形分析 409
16.3.2 稳定性分析 410
16.3.3 结果与讨论 411
16.4 圆柱形单层组织的失稳分析 412
16.4.1 应力分析 413
16.4.2 稳定性分析 415
16.4.3 结果与讨论 417
16.4.4 讨论 419
16.5 圆柱状管腔粘膜失稳的三层模型 421
16.5.1 应力分析 421
16.5.2 稳定性分析 424
16.5.3 有限元模拟 426
16.5.4 非均匀生长 429
16.5.5 后屈曲演化 430
16.5.6 结果与讨论 434
16.6 圆柱管腔结构的三维失稳 435
16.6.1 理论模型 435
16.6.2 外表面自由圆柱 440
16.6.3 外表面固支圆柱 447
16.7 球腔内壁粘膜的失稳分析 451
16.7.1 应力分析 451
16.7.2 稳定性分析 454
16.7.3 有限元模拟 459
16.8 本章小结 462
参考文献 462
第17章 核壳结构的生长失稳分析 466
17.1 圆柱核壳结构的二维分析 466
17.1.1 应力分析 466
17.1.2 稳定性分析 469
17.1.3 失稳临界条件 470
17.1.4 有限元模拟 471
17.1.5 后屈曲演化 472
17.2 圆柱核壳结构的三维分析 475
17.2.1 应力分析 476
17.2.2 增量变形理论 478
17.2.3 失稳临界条件 481
17.2.4 有限元模拟 483
17.2.5 结果与讨论 483
17.3 球形核壳结构 486
17.3.1 应力分析 486
17.3.2 稳定性分析 489
17.3.3 有限元模拟 493
17.3.4 轴对称形貌演化 494
17.3.5 三维形貌演化 495
17.3.6 结果与讨论 499
17.4 可压缩核壳软物质的极值点失稳 500
17.4.1 基本公式 500
17.4.2 球形颗粒 501
17.4.3 柱形纤维 502
17.4.4 结果分析 503
17.4.5 极值点失稳 506
17.5 可压缩核壳软球的表面失稳 508
17.5.1 基本公式 508
17.5.2 稳定性分析 510
17.5.3 结果与讨论 512
17.6 本章小结 514
参考文献 514
索引 517
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