锥形介电弹性体柔性器件动力学设计与控制研究

发布时间：2020-06-04 03:25

【摘要】：介电弹性体作为一种新型电活性聚合物,由于具有质量轻、响应快、机电转换效率高等特点,在柔性驱动器设计领域受到了广泛的关注。锥形介电弹性体驱动器相对于平面膜、堆栈型等其他驱动器应力、应变较为均衡,而且连续固定的边界降低了驱动器薄膜的破裂风险。本文围绕锥形介电弹性体驱动器,利用介电弹性柔顺性、大变形等特点,采用了理论推导、数值仿真、实验分析等方法,在多稳态驱动器设计、自传感特性以及振动控制等方面进行了研究。主要内容如下:1、提出了非线性磁吸力的力平衡调节方法,设计实现了具有本征三稳态性质的驱动器,并通过控制加载电压实现了稳态间的可控切换。建立了耦合磁力的介电弹性体超弹性模型,揭示了系统本征的三稳态特性,研究了不同影响因素下系统势能的变化。讨论了多个特征参数对驱动器稳态数的影响,并给出了不同稳态的特征参数区间。通过设计制作三稳态样机进行试验分析,验证了驱动器本征的三稳态特性和稳态转换机制,讨论了磁力和稳态突跳对驱动器执行性能的影响。多稳态驱动器只需在稳态转换时施加电压,达到稳定状态时即可断电,避免了介电弹性体长时间通电击穿的可能性,同时降低功耗。2、提出了一种物理模型和数据共同驱动的介电弹性体自传感算法。建立了驱动器的电学模型,讨论了不同参数下模型的简化情况。研究了不同输入下驱动器的自传感电流,揭示了介电弹性体驱动器响应位移和自传感电流的相关性。设计制作锥形介电弹性体驱动器,采集了不同激励下的自传感电流、响应位移等数据,并研究了自传感电流、响应位移之间的映射关系,分析了神经网络超参数对预测精度的影响。通过增加训练样本类型和数量,提高了神经网络的泛化能力,在未知信号上也获得了良好的预测结果。3、研究了基座激励下锥形介电弹性体减振器的隔振效果。利用虚功原理建立了质量负载下介电弹性体减振器动力学模型。讨论了不同阻尼、预拉伸、质量下减振器的被动隔振效果。研究了预拉伸、重力以及电压载荷对减振器平衡位置的影响,在此基础上分析了电压载荷对系统固有频率的影响。设计制作了单自由度锥形介电弹性减振器样机,研究了不同的正弦激振频率下减振器的隔振传递率,得到了被动隔振的工作区间。研究了不同直流电压对减振器固有频率的影响,验证了电压负载下介电弹性体减振器的移频特性。针对正弦基座激励,根据DE的机电耦合特性,通过调节电压的幅值、相位使减振器在系统固有频率处的振幅衰减为隔振前的5.3%。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34;TP183;TP212

【参考文献】