管状介电薄膜—弹簧驱动器的粘弹性变形分析

发布时间：2020-06-29 08:59

【摘要】：电活性聚合物(Electroactive polymer,EAP)是近年发展起来的一种新型柔性智能材料,已成为软材料领域研究的重要组成部分。EAP材料根据其作用机理主要分为离子型和电子型,介电弹性体(Dielectric elastomer,DE)属于电子型聚合物,其具有应变大、重量轻、柔韧性好、响应快、成本低等优异的材料性能。因此,基于DE材料加工而成的驱动器、发电机、人工肌肉等具有巨大的市场价值和应用前景。利用DE材料加工制作的驱动器实现驱动的机理是:先将DE材料表面均匀涂覆柔性电极,之后对介电弹性体进行通电,在外加电场激发下,DE材料的厚度将减小,而表面积将增大,利用DE材料的尺寸变形来实现驱动功能并将电能转换为机械能。然而,作为高分子聚合物材料,DE材料具有显著的粘弹性属性。目前关于DE材料的弹性行为研究已开展较多,而对其粘弹性行为研究则方兴未艾。本文针对基于DE材料制作而成的管状介电薄膜-弹簧驱动器粘弹性力电行为开展研究,主要研究内容如下:(1)构建了一个由管状介电薄膜、轻质弹簧、刚性圆盘组成的管状介电薄膜-弹簧驱动器模型。基于非平衡热力学原理,结合介电弹性体的非线性耗散理论,以管状介电薄膜-弹簧驱动器为研究对象,利用能量变分原理,选取Neo-Hookean材料模型和由弹簧和黏壶组成的粘弹性流变模型推导出描述管状介电薄膜变形情况下的状态方程和运动方程,通过打靶法和改进的欧拉法,数值求解了模型的状态方程和运动方程,得到了所考虑的物理变量随时间的变化规律以及管状介电薄膜轮廓变形随时间的变化示意图。数值模拟计算表明:管状介电薄膜-弹簧驱动器的力电载荷形式,弹簧刚度大小对其粘弹性力电行为有着显著影响;管状介电薄膜-弹簧驱动器失稳时相关载荷存在阈值;不同的弹簧刚度系数对介电薄膜的轮廓变形过程有着显著影响。(2)讨论了管状介电薄膜-弹簧驱动器的纵横比、正弦函数形式的周期性力电载荷对其粘弹性力电行为的影响。数值模拟计算表明:外载荷一定的情况下,纵横比越小,管状介电薄膜-弹簧驱动器稳定性越好。在正弦函数形式的周期性力电载荷作用下,由于粘弹性的影响导致介电薄膜的剪切模量逐渐减小,数值模拟计算中考虑的真实径向拉伸比_1?和真实径向应力?_1随着循环次数的增加而增大。本文的相关计算结果将有助于理解管状介电薄膜-弹簧驱动器的粘弹性力电行为,并对这种介电薄膜驱动器优化设计提供理论支持。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O631;TH703
【图文】：

材料制作,驱动器

电弹性体材料力电耦合变形的影响，得出升高温度可以提高 DE 薄膜的变形能力，温度越高，DE 材料越容易发生力电耦合失稳。Liu 等[44-45]描述了温度对 DE 薄膜热力学系统影响的热贡献表达式，在自由能密度函数的表达式中引入熵密度的表达式。Liu 等[46]研究了在绝热环境中，DE 材料在外加电场的激励下，引起 DE 材料温度和熵的变化，建立了温度与变形耦合的热力学自由能模型，该理论可以用来设计制造能量收集器和制冷器件。1.3 介电弹性体相关产品的工程应用因为 DE 材料具有大变形、能量密度高、反应速度快等诸多优点，目前相关产品的研发和工程应用主要集中在驱动器、发电机和“人工肌肉”等领域。图 1.1展示的是基于 DE 材料制作的驱动器，通过控制驱动电压来控制驱动器的收缩和舒张，进而实现驱动达到抓取物体的目的。这种夹持驱动器适应性较强，在狭小空间等特殊工况下，有着独特优势。

驱动器,介电,几何构型,薄膜

的研发和工程应用主要集中在驱动器、发电机和“人工肌肉”等领域。图 1的是基于 DE 材料制作的驱动器，通过控制驱动电压来控制驱动器的收缩和，进而实现驱动达到抓取物体的目的。这种夹持驱动器适应性较强，在狭小等特殊工况下，有着独特优势。(a)三爪型抓取器[47](b)软体夹持器[48]图 1.1 基于 DE 材料制作而成的驱动器

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