圓柱形介電型EAP驅(qū)動(dòng)器特性研究.pdf

1、介電型電活性聚合物(Electroactive Polymer, EAP)是一種具有粘彈性的高分子聚合物，能實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，具有變形大、運(yùn)動(dòng)平滑、零噪聲、能量密度高、響應(yīng)速度較快等優(yōu)點(diǎn)，在仿生機(jī)器人、康復(fù)訓(xùn)練等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。本文在國(guó)家、省自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助下深入研究介電型EAP膜(VHB4910)的粘超彈性行為，對(duì)圓柱形結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究，為該類型驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)、分析與應(yīng)用提供依據(jù)與指導(dǎo)。
　　根據(jù)連

2、續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，推導(dǎo)了常用應(yīng)變能函數(shù)對(duì)應(yīng)的EAP膜應(yīng)力應(yīng)變表達(dá)式，提出了一種彈性模量參數(shù)少的非線性超彈性模型。構(gòu)建了EAP膜的等雙軸拉伸裝置，采用等雙軸邊角點(diǎn)固定拉伸法對(duì)膜進(jìn)行拉伸，根據(jù)拉伸數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行擬合，對(duì)常用超彈性模型的擬合精度進(jìn)行了對(duì)比。利用有限元軟件ABAQUS對(duì)EAP膜的拉伸過(guò)程進(jìn)行仿真，結(jié)果表明等雙軸邊角點(diǎn)固定拉伸與等雙軸理想拉伸之間的名義應(yīng)力誤差小。
　　基于廣義Maxwell模型推導(dǎo)了準(zhǔn)線性粘彈性模型的Pr

3、ony級(jí)數(shù)，通過(guò)等雙軸松弛試驗(yàn)擬合其系數(shù)，利用該粘彈性模型對(duì)等雙軸拉伸-松弛過(guò)程進(jìn)行仿真，試驗(yàn)與仿真結(jié)果較吻合。提出一種基于Ogden模型彈性網(wǎng)絡(luò)的非線性粘彈性模型，根據(jù)不同拉伸速度下的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行擬合，推導(dǎo)了EAP膜的粘彈性機(jī)電耦合方程，分析了在自由狀態(tài)和單方向約束狀態(tài)下EAP膜的工作穩(wěn)定性，分析結(jié)果表明：在自由狀態(tài)下，EAP膜厚度變薄超過(guò)37％時(shí)會(huì)發(fā)生機(jī)電失穩(wěn)，粘性流動(dòng)能增大其穩(wěn)定工作范圍，獲得更大的變形；預(yù)拉伸能提高EA

4、P膜的相對(duì)臨界延伸率，減小作用電壓(或名義電場(chǎng))。
　　分析了圓柱形驅(qū)動(dòng)器中EAP膜的應(yīng)力狀態(tài)，以及EAP膜卷繞后的徑向收縮及膜層間壓力等對(duì)其軸向應(yīng)力的影響。研究了驅(qū)動(dòng)器的軸向伸長(zhǎng)、最內(nèi)層EAP膜的徑厚比及卷繞層數(shù)對(duì)膜厚度的影響。結(jié)合 EAP膜機(jī)電耦合方程，進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)器的靜態(tài)電壓-位移特性分析，分析與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。分析驅(qū)動(dòng)器的失效模式，研究其在有效工作范圍內(nèi)的參數(shù)——預(yù)拉伸率、卷繞層數(shù)、彈簧參數(shù)對(duì)其輸出位移和力的影響，可為驅(qū)動(dòng)器

5、的參數(shù)選擇提供依據(jù)。
　　建立圓柱形驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)模型，研究其階躍、斜坡和周期激勵(lì)電壓下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在階躍電壓時(shí)，增加電壓能產(chǎn)生較大位移且粘性變形更明顯，預(yù)拉伸能獲得更大的瞬時(shí)彈性變形，但粘性變形??；減小斜坡電壓的上升速率能獲得更大的瞬時(shí)伸長(zhǎng)率；改變周期電壓的相對(duì)偏移量，驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生不同位移輸出，但增加頻率，會(huì)抑制其輸出幅值。驅(qū)動(dòng)器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)表明了根據(jù)2個(gè)參數(shù)的粘彈性模型得到的分析結(jié)果與試驗(yàn)更接近，驗(yàn)證了周期激勵(lì)電壓下頻率對(duì)位移幅值的影