介电薄膜作动器的粘弹性行为研究
[Abstract]:Compared with traditional hard materials such as metal, soft materials have the characteristics of multi-physical field response and large deformation, which can produce deformation or some kind of response under external stimulation. Therefore, soft materials have been paid more and more attention by researchers. The dielectric elastomer (Dielectric Elastomer), as a typical soft material, has better comprehensive properties than other soft materials. It has the advantages of light weight, good flexibility, short reaction time and high conversion rate. Therefore, the material can be used to manufacture and design various transducers, such as actuators, energy collectors, sensors and so on. Dielectric elastomer transducers are usually composed of flat thin dielectric elastomer films which are prone to failure under large external loads. At present, many studies are mainly concerned with the time-independent elastic behavior of dielectric elastomer materials. Most dielectric elastomers are rubber materials, and their nonlinear deformation and electromechanical transformation ability are affected by the time-dependent dissipation process, I. e., the force and electricity dissipation. Therefore, the study of viscoelasticity of dielectric elastomer can improve the electromechanical behavior and mechanical properties of the transducer. The main contents of this paper are as follows: (1) based on the nonlinear theory of dissipative dielectric elastomer and the nonequilibrium thermodynamic principle, the viscoelastic behavior of circular dielectric elastomer film actuator under the action of electromechanical coupling is studied. A lightweight rigid disk is attached to the center of the circular film, and the outer boundary of the film is fixed to the rigid ring. Under the action of mechanical and electrical load, the circular thin film is subjected to a large deformation of axial symmetry outside the plane. The Neo-Hookean model and the viscoelastic model are selected. The governing equations for large deformation are derived by using the theory of nonequilibrium thermodynamics and the energy variational principle. The viscoelastic behavior of the film is described by the rheological model of a spring-pot with two parallel elements. The numerical solution of the governing equation is obtained by using the shooting method, and the variation of the relevant physical quantities and the deformation law of the film are described by using the image. The results show that when the film is only subjected to external force, at the same time, with the increase of external force, the values of radial stretching and vertical displacement also increase, and when the force is fixed, their values gradually increase with the passage of time and eventually tend to stabilize. When the force is constant, the values of the physical quantities such as radial stretching and vertical displacement also increase with the increase of voltage when the force is constant, and when the voltage is fixed, Their values increase over time and eventually tend to stabilize. This study is helpful to improve the mechanical and electrical properties of dielectric thin film actuators. (2) based on the above conclusions, the effects of design parameters on viscoelastic behavior of circular dielectric film actuators are further studied. The results show that the films are prestretched. The values of radial tension, vertical displacement, electric field intensity and so on tend to be stable with time, and the values of other physical quantities increase with the increase of pretension, except that the vertical displacement of disk decreases with the increase of pretension. Under the action of electromechanical coupling, the values of physical quantities such as radial stretching, vertical displacement, electric field intensity and so on, which change the ratio of internal and external diameter of the film, finally tend to stabilize with the passage of time. In addition, the vertical displacement of the disk increases with the increase of the ratio of inner and outer diameter, and the values of other physical quantities decrease with the increase of the ratio of inner and outer diameter. It is helpful to the material selection of dielectric actuator and the optimum design of the device.
【学位授予单位】:兰州理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB383.2
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,本文编号:2197956
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