In this article, the mechanical swelling behavior of poly-(N-isopropylacrylamide) hydrogel is scrutinized considering a hollow circular cylinder subjected to temperature variation-extension-torsion. Accordingly, an analytical solution is presented to consider the general combined loading on temperature-sensitive hydrogel cylinder for two approaches, considering same temperature for whole structure and solving heat equation to compute internal temperature of structure. Additionally, to evaluate the proposed solution, finite element analysis has been conducted for same problem which revealed excellent conformity for various case studies. Therefore, a user-material subroutine, UHYPER, is implemented to be employed in finite element analysis in order to define swelling of PNIPAM hydrogels. This subroutine was validated using free swelling and constraint swelling with previous and their analytical solutions. Regarding the complexity of material and loading namely, nonlinear finite behavior of hydrogel as well as combined cooling-extension-torsional loading, various factors, cross-linked density, axial stretch, torsional twist and temperature variation, were investigated to clarify the swelling behavior of hydrogel. Solving heat equation, in the second approach, enables us to apply various thermal conditions on this structure, while in previous studies, the temperature of whole structure is considered to vary simultaneously with the same function. This approach can help researchers to examine diverse thermo-mechanicals problem for temperature-sensitive hydrogels.

中文翻译：

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拉伸-扭转下热响应水凝胶空心圆柱体的热-机械耦合膨胀：解析解和有限元法

在这篇文章中，聚（N-异丙基丙烯酰胺）水凝胶的机械溶胀行为考虑到一个中空圆柱体受到温度变化-拉伸-扭转的影响。因此，提出了一种解析解来考虑两种方法的温度敏感水凝胶圆柱体上的一般组合载荷，考虑整个结构的相同温度和求解热方程来计算结构的内部温度。此外，为了评估所提出的解决方案，对同一问题进行了有限元分析，显示出各种案例研究的良好一致性。因此，实施了一个用户材料子程序 UHYPER，用于有限元分析，以定义 PNIPAM 水凝胶的溶胀。该子程序使用自由膨胀和约束膨胀与先前的解析解和它们的解析解进行验证。针对材料和载荷的复杂性，即水凝胶的非线性有限行为以及组合冷却-拉伸-扭转载荷，研究了交联密度、轴向拉伸、扭转扭曲和温度变化等各种因素，以阐明水凝胶的溶胀行为。水凝胶。在第二种方法中求解热方程使我们能够在该结构上应用各种热条件，而在以前的研究中，整个结构的温度被认为是随着同一函数同时变化的。这种方法可以帮助研究人员检查温度敏感水凝胶的各种热力学问题。针对材料和载荷的复杂性，即水凝胶的非线性有限行为以及组合冷却-拉伸-扭转载荷，研究了交联密度、轴向拉伸、扭转扭曲和温度变化等各种因素，以阐明水凝胶的溶胀行为。水凝胶。在第二种方法中求解热方程使我们能够在该结构上应用各种热条件，而在以前的研究中，整个结构的温度被认为是随着同一函数同时变化的。这种方法可以帮助研究人员检查温度敏感水凝胶的各种热力学问题。针对材料和载荷的复杂性，即水凝胶的非线性有限行为以及组合冷却-拉伸-扭转载荷，研究了交联密度、轴向拉伸、扭转扭曲和温度变化等各种因素，以阐明水凝胶的溶胀行为。水凝胶。在第二种方法中求解热方程使我们能够在该结构上应用各种热条件，而在以前的研究中，整个结构的温度被认为是随着同一函数同时变化的。这种方法可以帮助研究人员检查温度敏感水凝胶的各种热力学问题。研究了扭转扭曲和温度变化以阐明水凝胶的溶胀行为。在第二种方法中求解热方程使我们能够在该结构上应用各种热条件，而在以前的研究中，整个结构的温度被认为是随着同一函数同时变化的。这种方法可以帮助研究人员检查温度敏感水凝胶的各种热力学问题。研究了扭转扭曲和温度变化以阐明水凝胶的溶胀行为。在第二种方法中求解热方程使我们能够在该结构上应用各种热条件，而在以前的研究中，整个结构的温度被认为是随着同一函数同时变化的。这种方法可以帮助研究人员检查温度敏感水凝胶的各种热力学问题。