本课题的内容主要围绕聚合物凝胶溶胀的非平衡态热力学理论模型展开,并针对凝胶在溶胀和退溶胀过程中模量随高分子体积分数变化的标度律加以修正,利用开源有限元平台结合上述理论研究了一些有趣的凝胶溶胀现象。对于化学凝胶溶胀的非平衡态热力学理论,回顾介绍了经典的化学凝胶溶胀理论,在此基础上推导出有限元建模的控制方程,并在开源平台FEniCS上实现了凝胶溶胀仿真程序。其次,本课题还将最近发表的水凝胶溶胀与退溶胀过程中的标度律扩展到描述复杂构型凝胶结构在力化学耦合作用下行为的连续介质场论,并进行了有限元实现。将开源有限元平台FEniCS应用于研究上述化学凝胶溶胀的非平衡态热力学理论,利用上述推导出有限元建模的控制方程建立相关的FEniCS化学凝胶溶胀模型,并在上述程序的基础上进行扩展应用:将标度律修正的水凝胶场论应用到化学凝胶溶胀FEniCS二维模型中,与经典Flory-Huggins理论以及COMSOL模型的结果进行比较;结合FEniCS建模研究水凝胶薄膜溶胀过程中的起皱现象;结合FEniCS建模研究不对称截面化学凝胶长条溶胀动力学行为。FEniCS非常适合处理多物理场耦合的有限元问题,相比商用软件,其主要优势是开放性、支持高性能并行运算、并内置多种求解器,开源自定义的形式可以让研究者对所研究问题的理论有更深刻的认识,非常适合用于教学与科研。在过去的十年中,大量的研究人员致力于提高水凝胶性能,使其在生物医学、柔性电子、传感器和致动器等众多领域的应用机会大大增加。研究水凝胶的溶胀的理论模型以及基于理论的数值模型与仿真工具对扩展水凝胶的应用而言非常重要。此研究将不同领域的先进技术结合起来,致力于提高水凝胶的力学性能、设计制造更实用的结构,引进一些新的功能,并结合其工程实际应用,推动水凝胶研究的进一步创新发展。