电场活化聚合物变形机理及本构关系研究

发布时间：2017-09-07 03:18

  本文关键词：电场活化聚合物变形机理及本构关系研究

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【摘要】：电场活化聚合物(Dieletric Elastomer,简称DE)是一种具有特殊力学性能和机械性能的智能材料。本文通过研究材料的变形响应特性、材料应力应变行为,分析其变形机理特性和本构关系。在研究过程中采用理论和试验相结合的方法,通过大量的试验数据来验证所建立的各种特性的理论模型,为电场活化聚合物材料在未来的应用里提供一定的参考依据。根据超弹性理论,研究了电场活化聚合物粘弹性和超弹性的本构关系。针对材料的粘弹性特性研究包括：设计单轴拉伸试验,根据三元件模型构建电场活化聚合物粘弹性特性模型,通过试验数据处理和分析,应用回归模型参数,估算出特征时间常数,通过特征时间常数来衡量电场活化聚合物粘弹性蠕变和松弛特性造成的变形响应影响。针对材料的超弹性特性研究包括：基于材料的应变能函数本构方程,建立电场活化聚合物本构模型,根据单轴拉伸试验数据,应用数值计算方法,分别得到超弹性模型的材料参数。并通过仿真进行分析验证,将获取的材料常数作为电场活化聚合物机电耦合特性模型建立、有限元模拟仿真以及驱动器件研制的重要参数。根据Maxwell理论,设计变形机理特性研究试验方案,依次按照不同的电压、不同的预拉伸、不同的电极厚度以及不同的边界条件等因素反复试验,测试出材料的变形率大小。在考虑单因素影响时,预拉伸、电压、模板尺寸和电极厚度对电场活化聚合物变形大小有着不同程度的影响；在考虑综合因素影响时,通过建立回归方程对上述的四个影响因素上下限的值的范围内进行优化计算,得到电场活化聚合物材料最大变形速率的参数匹配。针对电场活化聚合物具有材料和几何非线性的双重特性,电场活化聚合物变形机理及规律除了进行相关的基础理论和实验研究以外,还采用了多种仿真分析方法加以描述材料的变形机理及规律。应用有限元方法和二次正交回归方法,建立了有限元模型和数学模型,开发了仿真运行程序,通过仿真实验对比验证了电场活化聚合物变形机理及其规律,充分说明了仿真分析方法为电场活化聚合物变形机理特性研究提供了一种可行的创新方法。由于电场活化聚合物在电场作用下,电压会达到或超过电场活化聚合物的临界点,薄膜会被击穿,导致电场活化聚合物机电耦合系统不稳定,为了解决这样的问题,构建三种超弹性机电耦合模型,分别通过平面机电驱动试验验证,延伸率和材料的参数对电场活化聚合物机电稳定性产生重要影响。通过对电场活化聚合物材料在应用研究,分析了卷筒型驱动器工作原理等,研制出卷筒型驱动器。在研制过程中,通过改变弹簧的数量、初始长度以及刚度系数能够实现电场活化聚合物器件不同自由度驱动。并通过仿真进行分析验证所研制的伸缩驱动器、弯曲驱动器、转角驱动器等卷筒型驱动器是合理可行的,这为后续多维复合驱动器设计研究提供了重要基础。
【关键词】：电场活化聚合物 变形机理 本构关系 Ansys 机电耦合 驱动器
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O631
【目录】：

• 摘要9-11
• ABSTRACT11-13
• 致谢13-21
• 第一章 绪论21-35
• 1.1 引言21
• 1.2 课题的研究背景及意义21-25
• 1.2.1 电场活化聚合物变形机理22-25
• 1.2.2 电场活化聚合物的非线性本构理论25
• 1.3 国内外研究现状25-33
• 1.3.1 电场活化聚合物超弹性本构理论研究状况25-27
• 1.3.2 电场活化聚合物变形机理研究状况27-29
• 1.3.3 电场活化聚合物机电耦合性能研究状况29
• 1.3.4 电场活化聚合物应用领域研究状况29-32
• 1.3.5 电场活化聚合物国内研究现状32-33
• 1.4 国内外研究现状评述33
• 1.5 课题研究的主要内容33-35
• 第二章 电场活化聚合物力学特性的本构关系研究35-62
• 2.1 引言35
• 2.2 电场活化聚合物粘弹性力学特性理论35-44
• 2.2.1 电场活化聚合物粘弹性的主要特征35-37
• 2.2.2 粘弹性元件37-38
• 2.2.3 构建电场活化聚合物粘弹性响应的本构模型38-41
• 2.2.4 实验方法41-42
• 2.2.5 确定电场活化聚合物模型参数及结果分析42-43
• 2.2.6 电场活化聚合物材料的蠕变和松弛特性分析43-44
• 2.3 电场活化聚合物超弹性力学特性的基本理论44-61
• 2.3.1 超弹性材料本构模型简介47
• 2.3.2 基于连续介质力学唯象学方法的超弹性材料本构模型分析47-61
• 2.4 本章小结61-62
• 第三章 电场活化聚合物变形机理实验研究62-79
• 3.1 引言62
• 3.2 实验方案62-64
• 3.2.1 实验装置62-63
• 3.2.2 实验过程63
• 3.2.3 实验方法63-64
• 3.3 电场活化聚合物的变形特性分析64-72
• 3.3.1 单因素实验结果与分析64-70
• 3.3.2 多因素实验结果与分析70-72
• 3.4 电场活化聚合物的失效特性研究72-78
• 3.4.1 拉断失效72-73
• 3.4.2 机电不稳定73-74
• 3.4.3 失去张力74
• 3.4.4 击穿失效74-78
• 3.5 本章小结78-79
• 第四章 电场活化聚合物变形机理特性仿真分析79-92
• 4.1 引言79
• 4.2 电场活化聚合物变形机理的有限元模型仿真分析79-87
• 4.2.1 迭代方法79-80
• 4.2.2 收敛标准80
• 4.2.3 Ansys非线性求解过程80-81
• 4.2.4 构建电场活化聚合物有限元模型81-83
• 4.2.5 有限元仿真结果及分析83-85
• 4.2.6 结果讨论85-87
• 4.3 电场活化聚合物变形机理的物理模型仿真分析87-89
• 4.4 电场活化聚合物变形机理的数学模型仿真分析89-90
• 4.5 分析结果90-91
• 4.6 本章小结91-92
• 第五章 电场活化聚合物驱动器动态机电耦合特性研究92-102
• 5.1 引言92
• 5.2 构建电场活化聚合物驱动器动态机电耦合模型工作原理92-97
• 5.2.1 电场活化聚合物机驱动器电耦合工作原理92-93
• 5.2.2 电场活化聚合物驱动器的机电耦合模型93-97
• 5.3 机电响应实验97-101
• 5.3.1 实验方案97-99
• 5.3.2 实验结果及分析99-101
• 5.4 本章小结101-102
• 第六章 电场活化聚合物驱动器设计方法研究102-114
• 6.1 引言102
• 6.2 驱动器器件制作原理102
• 6.3 驱动器工作原理102-103
• 6.4 驱动器设计方法103-113
• 6.4.1 伸缩驱动器104-106
• 6.4.2 弯曲驱动器106-109
• 6.4.3 复合驱动器(转角驱动器)109-113
• 6.5 本章小结113-114
• 第七章 工作总结及展望114-117
• 7.1 全文工作总结114-115
• 7.2 论文的创新点115-116
• 7.3 工作展望116-117
• 参考文献117-125
• 攻在读期间发表的学术成果及发明专利125

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本文编号：807102