IPMC電致動特性分析及其相關(guān)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬.pdf

1、離子聚合物-金屬復(fù)合材料Ionic polymer-metal composite (IPMC)作為一種極具發(fā)展?jié)摿Φ碾x子型電激活智能材料，目前研究還處于實驗室階段，而國內(nèi)則處于起步階段。對于電場作用下IPMC的電致動變形，相關(guān)理論還不完善，還存在眾多定性的描述，距準(zhǔn)確的定量分析尚有距離，導(dǎo)致一些宏觀現(xiàn)象不能得到滿意地的解釋。
　　 本文致力于IPMC 電致動特性及其相關(guān)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬研究，通過建立描述電場變化、金屬離子和水分子遷

2、移和擴散以及彎曲響應(yīng)特性的數(shù)值模型、分析各種變量參數(shù)對變形的影響，最終實現(xiàn)變形狀態(tài)的準(zhǔn)確控制。該研究為充分發(fā)揮IPMC的潛在功能，實現(xiàn)其工程應(yīng)用價值奠定了基礎(chǔ)。本文的主要研究內(nèi)容和研究成果體現(xiàn)在：
　　 (1)基于Tadokoro 理論，應(yīng)用Runge-Kutta法求解相關(guān)控制方程。首先采用差分法對空間域離散，將偏微分方程轉(zhuǎn)化為時間變量的常微分方程，再用經(jīng)典Runge-Kutta格式求解。數(shù)值結(jié)果表明與普通差分格式相比，R-K法

3、雖然不能顯著提高求解精度，但是數(shù)值穩(wěn)定性有明顯的提高。
　　 (2)通過制定合理的分析流程，編制用戶子程序，采用溫度場等效模擬水分子不均勻分布引起的濕度變形，基于ANSYS參數(shù)化開發(fā)平臺建立仿真體系，對IPMC的電致動特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過鈉離子濃度、等效應(yīng)變、宏觀位移和力的平衡等方面的比較，重點分析了水分子擴散阻力對致動過程的影響，結(jié)果表明控制方程中增加水分子擴散力項能更加準(zhǔn)確地描述其致動行為；同時分析和總結(jié)了變形過程中，鈉

4、離子遷移速度、電場強度和輸出力等參數(shù)的變化規(guī)律。由于該設(shè)計流程可操作性強，易于執(zhí)行，將為IPMC 材料的產(chǎn)品開發(fā)提供有力的技術(shù)支持。同時求解過程基于大型商業(yè)有限元軟件開發(fā)平臺，該方法將對IPMC 性能分析及產(chǎn)品開發(fā)提供有益的幫助。
　　 (3)提出了改進(jìn)的Tadokoro模型：模型中采用RC 電路模擬膜內(nèi)電流特性；通過三參數(shù)模型考慮Nafion的粘彈性特性；應(yīng)變加載過程中引入衰減線性函數(shù)模擬IPMC的非均勻彎曲，比較了單位長度的

5、轉(zhuǎn)角變化；在交變電壓作用下，針對低頻和高頻兩種加載頻率采用不同的控制方程組求解，成功模擬了IPMC 在方波、正弦波等電壓信號在不同頻率激勵下的位移動力響應(yīng)。數(shù)值結(jié)果表明：不同RC 電路參數(shù)對變形有很大影響，其中電流積分的不同形式是影響IPMC 宏觀變形的關(guān)鍵參數(shù)；通過最小二乘法擬合，確定了變形過程中，Nafion 膜楊氏模量隨時間變化函數(shù)及其相關(guān)參數(shù)；交變電壓激勵下，IPMC位移響應(yīng)與激勵頻率有直接關(guān)系，高頻作用下，IPMC表現(xiàn)為等幅振

6、動，可以回到初始位置；低頻作用下，IPMC 表現(xiàn)為縮減振動，且回不到初始位移。
　　 (4)針對IPMC作為致動器在微機電和人工肌肉中的應(yīng)用，對IPMC 微夾鉗和人工括約肌進(jìn)行了數(shù)值模擬。提出了IPMC 曲臂微夾鉗機構(gòu)，建立了IPMC 曲梁控制方程，討論了微夾鉗的運動軌跡和提供的夾持力以及在方波電壓激勵下的位移響應(yīng)。根據(jù)前人對IPMC人工括約肌的設(shè)想，模擬了括約肌在45V電壓驅(qū)動下的開口位移。數(shù)值模擬結(jié)果將為IPMC 在微機電和

7、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供有益的參考。
　　 (5)通過數(shù)值計算，對提高IPMC位移和力的輸出特性的方法作了定量分析和討論。通過比較電極厚度和輸入電流與輸出位移的關(guān)系，確定了在給定電流作用下金屬電極層的最優(yōu)厚度；模擬了IPMC 并聯(lián)層疊結(jié)構(gòu)的彎曲變形，計算表明在位移減小可以接受的情況下，IPMC 通過層疊結(jié)構(gòu)很大的提高輸出力的方法是可行的，但是隨著層數(shù)的增加，層疊效率卻是降低的；最后根據(jù)Nemat-Nasser 微結(jié)構(gòu)理論，結(jié)合本文