基于介电弹性体的双稳态驱动器设计与分析

发布时间：2020-04-07 21:01

【摘要】：介电弹性体(Dielectric Elastomer,DE)具有柔软、变形大、能量密度高、响应速度快等优点,被认为是一种理想的人工肌肉材料,在软体机器人、航空航天等领域有重要的应用前景。为了提高介电弹性体驱动器(Dielectric Elastomer Actuators,DEAs)的寿命并提高驱动器的输出速度,本文基于介电弹性体提出了平动双稳态驱动器及旋转双稳态驱动器的设计方法及尺寸优化方法。第二章基于平衡热力学框架和非平衡热力学框架对介电弹性体纯剪切试验分别进行了数值仿真,分析了模型参数对介电弹性体驱动器的影响。针对介电弹性体圆形驱动器,对其分别施加三组恒电压载荷及四组三角波电压载荷,通过实验及数值仿真进一步分析了黏弹性驱动器性能的影响,验证了数值模型有效性。第三章基于链式梁约束模型对预压缩梁进行理论建模,通过分析预压缩梁的稳态跳转过程,设计了基于预压缩十字交叉梁和锥形介电弹性体驱动器的紧凑型介电弹性体平动双稳态驱动器。分别建立了锥形介电弹性体驱动器及预压缩十字交叉梁的理论模型,进行了有限元仿真并搭建了力-位移测试平台,对十字交叉梁的理论模型进行了实验验证;通过实验数据对锥形介电弹性体的模型参数进行了辨识。基于力平衡原理,对平动双稳态驱动器的工作原理进行了详细分析并提出了尺寸优化方法,通过制备驱动器原型进行了实验验证。第四章基于预压缩固接-铰接梁和锥形介电弹性体驱动器,提出了旋转双稳态驱动器。分别建立了锥形介电弹性体驱动器及预压缩固接-铰接梁的理论模型,进行了有限元仿真并搭建了力矩-偏转角测试平台,对预压缩梁的理论模型进行了实验验证;通过实验数据对旋转锥形介电弹性体驱动器模型参数进行了辨识。基于力矩平衡原理,对旋转双稳态驱动器的工作原理进行了详细分析并提出了尺寸优化方法,通过制备驱动器原型进行了实验验证。第五章建立了双锥形介电弹性体驱动器及平动双稳态驱动器的动态模型,考虑了DE材料的黏弹特性及系统阻尼对驱动器双稳态位置跳转过程的影响。
【图文】：

介电,弹性体,褶皱,薄膜

模量提高 DEAs 驱动性能的关键。Zhang 等人以硅橡胶 D0 wt% 高介电常数的铜酞菁低聚物 (Copper-phthalocyanine o的相对介电常数从 3.27 提升到 11.82, 对于给定的驱动应变 32 V/μm 降低至 25 V/μm。但不足的是材料的电场击穿强度驱动应变[35]。Carpi 和 Rossi 向硅橡胶（Cine-Skin A/B/C 50（Titanium dioxide）粉末, 材料相对介电常数从 6.2 提高至 8Madsen 等人详细综述了硅橡胶介电弹性体材料的性能及性阅览该文献[33]获取更多信息。弹性体的失效形式主要失效形式包括：力电失稳 (Electromechanical instability, nsion, LT)、电击穿 (Electrical breakdown, EB)、拉伸断裂 (Ru动器设计及驱动控制等方面具有重要的指导意义。

照片,介电,弹性体,电击穿现象

电击穿是指当介电弹性体表面间电场强度超过临界值时，弹性体失去介电性能成为导体，在材料内部形成电流通路。电击穿往往伴随着烧蚀、薄膜破裂等现象，是一种不可逆的失效模式。图1-3是介电弹性体电击穿后的照片。图 1-3 介电弹性体电击穿现象拉伸断裂是指当介电弹性体的拉伸变形超过了其拉伸极限时，弹性体发生破裂。Plante 通过等双轴拉伸实验测得 VHB4910 的最大拉伸率为 6，即面积变形超过 36 倍后，VHB4910 薄膜将发生拉伸断裂。1.3 柔性电极虽然介电弹性体驱动器可以通过电荷驱动并获得更大的驱动应变，但实际应用中难以快速有效地在 DE 薄膜表面施加及消除电荷，不利于实际应用[41]，因此，柔性电极是介电弹性体驱动器不可缺失的重要组成部分。为了不影响介电弹性体驱动器的驱动应变，柔性电极的刚度应该远低于弹性体薄膜，，能随着弹性体的变形而发生变形，并能在发生大变形的条件下保持足够好的导电性能。碳基柔性电极价格低廉、易于获取
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH703

【参考文献】