基于W-M函数的IPMC界面建模仿真方法

发布时间：2022-01-06 18:42

　　离子聚合物-金属复合材料（ionic polymer-metal composite, IPMC）界面的粗糙特性对材料的电致动性能有重要作用,文章针对IPMC界面表征模型难以体现实际界面复杂特性的研究现状,提出利用W-M函数来模拟界面轮廓。从制备的样片界面轮廓出发建立传质方程,将实际界面、平电极、Koch曲线和W-M函数模型的拟合结果进行对比,发现仅W-M函数模型与实际界面模型拟合结果相近,且误差均小于5%。此外,文章给出了W-M函数核心参数的获取方法和经验公式,并用来表征复杂界面轮廓。 

【文章来源】：合肥工业大学学报(自然科学版). 2020,43(02)北大核心

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

图3 分形维数求解方法图

在工程应用中,常取γ=1.5, n1=100,n=1∶100[11]。分形维数D和特征尺度G是决定W-M函数轮廓的核心参数。而分形维数通过分规法可以求出,特征尺度G成为应用W-M拟合界面的关键参数。本文基于W-M函数提出结合有限元思想来拟合界面的方法,其流程如图4所示,由此可获得最佳特征尺度G*。文献[14-15]发现IPMC的单位体积内膜的应变与膜内的含水量(质量分数)成正比。IPMC在电场下偏转是由于内部阳离子携带水分子由阳极向阴极移动造成的,阳极受拉力,阴极受压力,因此,IPMC类似于均布载荷下的悬臂梁。根据欧拉梁理论,材料最终变形的曲率与材料上下表面的应变差成正相关。因此,IPMC变形曲率与上下表面的水浓度差值成正相关。在计算过程中,本文将阴阳极间水浓度线积分的差值定义为特征浓度C*来反映材料的变形能力。其计算公式为:

为了探究以W-M函数建立的几何模型的可行性,本文对4个样片计算了特征浓度随时间变化情况,并将平电极模型和3次迭代的Koch曲线模型作为对照组。4个样片实际界面模型网格划分如图5所示,W-M函数模型网格划分如图6所示,平电极和Koch曲线模型网格划分如图7所示,除了平电极模型采用映射网格外,其余均采用自由三角形网格。图6 样片W-M函数模型网格划分图

【参考文献】：
期刊论文
[1]W-M函数模型下表面轮廓形貌的变化规律[J]. 邓可月,刘政,邓居军,赵运才.  机械设计与制造. 2017(01)
[2]新型智能材料:电活性聚合物的研究状况[J]. 党智敏,王岚,王海燕.  功能材料. 2005(07)



本文编号：3572973