聚合物螺旋卷绕型作动器建模与振动控制
发布时间:2021-11-10 22:54
聚合物螺旋卷绕型作动器具有径向热膨胀效应,在温度变化时产生驱动力或驱动位移。该材料具有低迟滞、低成本、可承载变形大、工作寿命长等优点,有着广泛的应用前景。本文主要研究聚合物螺旋卷绕型作动器的建模方法及其在动力学控制中的应用。聚合物螺旋卷绕作动器的建模过程侧重于描述其静态及准静态条件下力学性能与材料、结构参数的关系。首先,从作动器几何构型出发,建立了加捻后聚合物纤维的刚度模型。进一步研究作动器解捻趋势并提出恢复力矩的宏观表达式,最后结合卡式定理计算作动器在不同温度下的热位移。该模型能够根据作动器的几何特性、负载情况预测其在不同温度下的驱动位移,为设计理想性能作动器提供理论支持。然而,对于其动力学特性及控制,该模型过于复杂。为此,首先分析了作动器一阶热力学模型的局限性,在此基础上提出了基于多层感知机形式神经网络的正、逆模型,能够更加准确的描述作动器的电压-驱动力映射关系。随后通过实验验证了模型的有效性,实现驱动力的准确追踪。此外,本文利用提出的作动器神经网络模型实现了悬臂梁的驱动和开环振动控制,从仿真和实验角度分析了作动器驱动和减振效果,为空间柔性结构的动力学控制提供了新的解决方案。
【文章来源】:浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】:90 页
【学位级别】:硕士
【部分图文】:
聚合物纤维加捻前后内部微观结构示意图[20];(a)不受力状态(b)高度拉伸状态(c)高度加捻/拉伸状态
浙江大学硕士学位论文绪论4卷绕型作动器在受热变形时,内部非晶相结构的变化过程,解释了聚合物螺旋卷绕型作动器热驱动的内在机理[20]。尽管聚合物螺旋卷绕型作动器的微观模型能够解释其热变形机理,但是分子层面的模型较为复杂,参数难以识别,难以从微观角度对作动器进行建模[20]。图1.3聚合作动器内部微观结构(a)升温前(b)升温后(c)完全收缩[20]TPA由先导纤维加捻制备而成,加捻前后的力学特性会根据其几何特征发生改变[21,22]。实验数据表明,相比于先导纤维,TPA加捻后轴向热收缩能力减弱:以尼龙66为例当温度从25℃升至100℃时,先导纤维的轴向热收缩0.5%,而TPA的轴向热收缩仅为0.2%[23]。因此相比于聚合物螺旋卷绕型作动器的热收缩,TPA的轴向热收缩可以忽略不计。相比于TPA的轴向热收缩,TPA的径向热膨胀趋势更加明显,当温度从22℃升至60℃时,其径向热膨胀为2%[24]。根据上述现象,Aziz建立了TPA解捻行程和恢复力矩(TPA两端固定时由解捻趋势产生的热应力)的宏观模型。通过材料热膨胀系数、刚度、加捻数和TPA几何参数计算TPA受热时产生的解捻角度,进一步计算恢复力矩,该结果为定量分析聚合物螺旋卷绕型作动器热变形打下了基础[24]。制备聚合物螺旋卷绕型作动器的先导纤维大多属于横观各项同性材料[25],而先导纤维在加捻过程中其弹性模量发生改变,形成刚度随半径变化的变刚度材料[26],因此其等效模量的计算较为困难[27]。Shafer,Swartz等人对TPA模型做了简化处理,认为TPA由不同螺旋升角、半径的螺旋状纤维单丝组成,其几何构型如图1.4所示[26]。纤维单丝在加捻过程中保持横观各向同性。随着加捻过程的进行,不同半径处的纤维单丝具有不同螺旋升角,结合先导纤维的热膨胀系数、材料刚度计算出不同半径处
浙江大学硕士学位论文绪论5由于分子层面的参数难以识别,Sharafi等人结合文献[28]中对聚合物模量的研究,分析聚合物螺旋卷绕型作动器的热驱动特性,提出了公式(1-1)所示的唯象模型。图1.4TPA内部等效结构[26]=erf(+√2)(1-1)其中为作动器热应变;为作动器温度;为聚合物玻璃化转变温度;为聚合物玻璃态带宽;、、是通过实验拟合得到的,尽管模型能够描述作动器的热驱动特性,但是参数拟合项多,物理意义不够清晰。Karami等人研究了电加热驱动的聚合物螺旋卷绕型作动器,建立了作动器输入功率和温度的一阶热力学模型[29]。进一步将聚合物螺旋卷绕型作动器视作由先导纤维构成的弹簧结构,计算作动器等效模量,最后根据随温度变化的等效模量和外负载计算作动器的热位移:=020(0)020(0)(1-2)其中0为纤维原长;0为作动器初始高度;0为初始温度;为纤维轴向热膨胀系数;为作动器径向热膨胀系数。该模型从材料属性和作动器几何属性两方面解释了作动器热收缩原因,但是弹簧模型的简化和解捻效应的忽视让该模型需要引入额外的拟合参数,模型适用性较差[20,29]。进一步的,Lamuta等人从先导纤维出发,基于最小势能原理计算出不同负载下聚合物螺旋卷绕型作动器的理论构型。该模型认为加捻过程中,聚合物螺旋卷绕型作动器存在一个最佳螺旋结构,使作动器在该温度下势能最小,建立了一套形式简单、解释性好的理论模型。但是作动器并非由先导纤维直接制备而成,其性能还受退火温度有影响。因此计算得到作动器热收缩位移是不准确的[30]。Yang等人从聚合物微观结构出发,建立了自上而下的多尺度模型,其模型结构如图1.5所示[31]。该模型在微观尺度上分析了
本文编号:3488100
【文章来源】:浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】:90 页
【学位级别】:硕士
【部分图文】:
聚合物纤维加捻前后内部微观结构示意图[20];(a)不受力状态(b)高度拉伸状态(c)高度加捻/拉伸状态
浙江大学硕士学位论文绪论4卷绕型作动器在受热变形时,内部非晶相结构的变化过程,解释了聚合物螺旋卷绕型作动器热驱动的内在机理[20]。尽管聚合物螺旋卷绕型作动器的微观模型能够解释其热变形机理,但是分子层面的模型较为复杂,参数难以识别,难以从微观角度对作动器进行建模[20]。图1.3聚合作动器内部微观结构(a)升温前(b)升温后(c)完全收缩[20]TPA由先导纤维加捻制备而成,加捻前后的力学特性会根据其几何特征发生改变[21,22]。实验数据表明,相比于先导纤维,TPA加捻后轴向热收缩能力减弱:以尼龙66为例当温度从25℃升至100℃时,先导纤维的轴向热收缩0.5%,而TPA的轴向热收缩仅为0.2%[23]。因此相比于聚合物螺旋卷绕型作动器的热收缩,TPA的轴向热收缩可以忽略不计。相比于TPA的轴向热收缩,TPA的径向热膨胀趋势更加明显,当温度从22℃升至60℃时,其径向热膨胀为2%[24]。根据上述现象,Aziz建立了TPA解捻行程和恢复力矩(TPA两端固定时由解捻趋势产生的热应力)的宏观模型。通过材料热膨胀系数、刚度、加捻数和TPA几何参数计算TPA受热时产生的解捻角度,进一步计算恢复力矩,该结果为定量分析聚合物螺旋卷绕型作动器热变形打下了基础[24]。制备聚合物螺旋卷绕型作动器的先导纤维大多属于横观各项同性材料[25],而先导纤维在加捻过程中其弹性模量发生改变,形成刚度随半径变化的变刚度材料[26],因此其等效模量的计算较为困难[27]。Shafer,Swartz等人对TPA模型做了简化处理,认为TPA由不同螺旋升角、半径的螺旋状纤维单丝组成,其几何构型如图1.4所示[26]。纤维单丝在加捻过程中保持横观各向同性。随着加捻过程的进行,不同半径处的纤维单丝具有不同螺旋升角,结合先导纤维的热膨胀系数、材料刚度计算出不同半径处
浙江大学硕士学位论文绪论5由于分子层面的参数难以识别,Sharafi等人结合文献[28]中对聚合物模量的研究,分析聚合物螺旋卷绕型作动器的热驱动特性,提出了公式(1-1)所示的唯象模型。图1.4TPA内部等效结构[26]=erf(+√2)(1-1)其中为作动器热应变;为作动器温度;为聚合物玻璃化转变温度;为聚合物玻璃态带宽;、、是通过实验拟合得到的,尽管模型能够描述作动器的热驱动特性,但是参数拟合项多,物理意义不够清晰。Karami等人研究了电加热驱动的聚合物螺旋卷绕型作动器,建立了作动器输入功率和温度的一阶热力学模型[29]。进一步将聚合物螺旋卷绕型作动器视作由先导纤维构成的弹簧结构,计算作动器等效模量,最后根据随温度变化的等效模量和外负载计算作动器的热位移:=020(0)020(0)(1-2)其中0为纤维原长;0为作动器初始高度;0为初始温度;为纤维轴向热膨胀系数;为作动器径向热膨胀系数。该模型从材料属性和作动器几何属性两方面解释了作动器热收缩原因,但是弹簧模型的简化和解捻效应的忽视让该模型需要引入额外的拟合参数,模型适用性较差[20,29]。进一步的,Lamuta等人从先导纤维出发,基于最小势能原理计算出不同负载下聚合物螺旋卷绕型作动器的理论构型。该模型认为加捻过程中,聚合物螺旋卷绕型作动器存在一个最佳螺旋结构,使作动器在该温度下势能最小,建立了一套形式简单、解释性好的理论模型。但是作动器并非由先导纤维直接制备而成,其性能还受退火温度有影响。因此计算得到作动器热收缩位移是不准确的[30]。Yang等人从聚合物微观结构出发,建立了自上而下的多尺度模型,其模型结构如图1.5所示[31]。该模型在微观尺度上分析了
本文编号:3488100
本文链接:https://www.wllwen.com/guanlilunwen/gongchengguanli/3488100.html