介电弹性体发电机机电耦合机理研究

发布时间：2017-07-03 22:31

  本文关键词：介电弹性体发电机机电耦合机理研究

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【摘要】：介电弹性体(DE-Dielectric Elastomer)作为一种新型智能材料引起了国内外学者的广泛关注。相对于其他智能材料,DE这种特殊的材料具有超大变形、高理论能量密度比、高效率等特点。研究表明,DE既是一种良好仿生驱动材料,也可逆向应用于发电领域,可以用来构造形式多样、成本低廉的介电弹性体发电机(DEG-Dielectric Elastomer Generator),在微机电系统以及可再生能源发电等领域具有广阔的应用前景。然而,国内对DE的研究目前主要集中在驱动领域,针对其发电领域的研究尚处于起步阶段。因此对DE材料的机电耦合机理研究具有重要意义。本文的主要研究内容及结论概括如下：(1)通过研究介电弹性体材料的力学特性,结合国内外研究文献,提出了力学模型建立——电学模型建立——机电耦合分析建模的三步分析策略。建立力学模型以分析DE在外力作用下的力学特性,建立电学模型以分析DE在电场中的电学行为,机电耦合则将DE的力学模型和电学模型有效统一,方便分析DE工作过程中各个阶段的参数。(2)根据建立的DEG机电耦合模型,利用Matlab/Simulink软件建立了DEG双轴拉伸、单轴拉伸发电仿真分析模型,并对DEG的发电过程及拉伸力、拉伸率、初始偏置电压与输出电压之间的关系进行了仿真分析研究。(3)研发了DEG发电测试实验平台。设计了单轴拉伸、双轴拉伸的实验方案,并根据所设计方案进行了实验研究。实验研究了DE两端电压与DE拉伸率的关系,所加初始偏置电压、拉伸频率与DE输出电压的关系。通过实验研究,验证了DEG机电耦合模型的准确性。(4)分析了在发电过程中DE材料可能发生的失效破坏行为。利用Suo提出的DE模型进行了失效形式的数值求解,给出了DE材料的安全区域。针对DE材料工作过程中常见的起皱失效行为进行了进一步的研究,运用联合判据,理论计算了DE在不同初始拉伸率下的临界起皱电压,分析了预拉伸率与起皱临界电压之间的关系,并进行了相关实验研究。
【关键词】：介电弹性体发电机 机电耦合模型 起皱失效 仿真与实验
【学位授予单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB381;TM30
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 研究背景及意义10-13
• 1.2 介电弹性体发电机研究现状13-21
• 1.2.1 国外研究现状13-17
• 1.2.2 国内研究现状17-21
• 1.3 现阶段研究中存在的问题21-22
• 1.4 本文主要研究内容及章节安排22-24
• 第2章 介电弹性体材料机电耦合基础理论24-32
• 2.1 介电弹性体材料机电耦合机理概述24-26
• 2.2 介电弹性体材料的力学特性研究26-29
• 2.2.1 介电弹性体材料大变形的应变描述26-28
• 2.2.2 介电弹性体材料的应变能函数描述28-29
• 2.3 介电弹性体材料在电场中的受力分析29-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第3章 介电弹性体发电机建模与仿真研究32-48
• 3.1 力学模型32-37
• 3.1.1 双轴拉伸模型32-35
• 3.1.2 单轴拉伸模型35-36
• 3.1.3 纯剪切模型36-37
• 3.2 电学模型37-39
• 3.2.1 外围电路设计37-38
• 3.2.2 电学模型38-39
• 3.3 机电耦合模型及仿真研究39-47
• 3.3.1 双轴拉伸仿真研究39-44
• 3.3.2 单轴拉伸仿真研究44-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第4章 介电弹性体发电机实验研究48-62
• 4.1 实验总体方案48-49
• 4.2 实验平台设计与构建49-56
• 4.2.1 实验平台硬件设计与构建49-53
• 4.2.2 实验平台软件开发53-56
• 4.3 实验过程与结果分析56-61
• 4.3.1 实验材料选择及制作56-57
• 4.3.2 电压与拉伸率的关系57-59
• 4.3.3 偏置电压与输出电压的关系59-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第5章 介电弹性体材料失效行为研究62-72
• 5.1 失效形式概述62
• 5.2 失效行为分析62-67
• 5.3 起皱失效研究67-71
• 5.4 本章小结71-72
• 第6章 结论72-76
• 6.1 结论72-74
• 6.2 展望74-76
• 参考文献76-82
• 致谢82-84
• 攻读学位期间取得的研究成果84-87

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 ;Performance Investigation of Cone Dielectric Elastomer Actuator Using Taguchi Method[J];Chinese Journal of Mechanical Engineering;2011年04期

2 王剑;郭吉丰;郭帅;;压电发电技术研究综述[J];压电与声光;2011年03期

3 陈明;林桂娟;宋德朝;;电活性聚合物微型发电机[J];光学精密工程;2010年11期

4 叶正芳,李彦锋,贾付云,卓仁禧,苏致兴;压电陶瓷电性能老化问题的研究[J];兰州大学学报;2001年03期

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本文编号：515445