IPMC電致動(dòng)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?gòu)?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(shí)驗(yàn)室階段，而國(guó)內(nèi)則處于起步階段。對(duì)于電場(chǎng)作用下IPMC的電致動(dòng)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(dòng)特性及其相關(guān)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬研究，通過(guò)建立描述電場(chǎng)變化、金屬離子和水分子遷

2、移和擴(kuò)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(duì)變形的影響，最終實(shí)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(shí)現(xiàn)其工程應(yīng)用價(jià)值奠定了基礎(chǔ)。本文的主要研究?jī)?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(duì)空間域離散，將偏微分方程轉(zhuǎn)化為時(shí)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(guò)制定合理的分析流程，編制用戶子程序，采用溫度場(chǎng)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(kāi)發(fā)平臺(tái)建立仿真體系，對(duì)IPMC的電致動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)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(diǎn)分析了水分子擴(kuò)散阻力對(duì)致動(dòng)過(guò)程的影響，結(jié)果表明控制方程中增加水分子擴(kuò)散力項(xiàng)能更加準(zhǔn)確地描述其致動(dòng)行為；同時(shí)分析和總結(jié)了變形過(guò)程中，鈉

4、離子遷移速度、電場(chǎng)強(qiáng)度和輸出力等參數(shù)的變化規(guī)律。由于該設(shè)計(jì)流程可操作性強(qiáng)，易于執(zhí)行，將為IPMC 材料的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供有力的技術(shù)支持。同時(shí)求解過(guò)程基于大型商業(yè)有限元軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該方法將對(duì)IPMC 性能分析及產(chǎn)品開(kāi)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(guò)三參數(shù)模型考慮Nafion的粘彈性特性；應(yīng)變加載過(guò)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(zhǎng)度的

5、轉(zhuǎn)角變化；在交變電壓作用下，針對(duì)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(hào)在不同頻率激勵(lì)下的位移動(dòng)力響應(yīng)。數(shù)值結(jié)果表明：不同RC 電路參數(shù)對(duì)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(guò)最小二乘法擬合，確定了變形過(guò)程中，Nafion 膜楊氏模量隨時(shí)間變化函數(shù)及其相關(guān)參數(shù)；交變電壓激勵(lì)下，IPMC位移響應(yīng)與激勵(lì)頻率有直接關(guān)系，高頻作用下，IPMC表現(xiàn)為等幅振

6、動(dòng)，可以回到初始位置；低頻作用下，IPMC 表現(xiàn)為縮減振動(dòng)，且回不到初始位移。
　　 (4)針對(duì)IPMC作為致動(dòng)器在微機(jī)電和人工肌肉中的應(yīng)用，對(duì)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(jī)構(gòu)，建立了IPMC 曲梁控制方程，討論了微夾鉗的運(yùn)動(dòng)軌跡和提供的夾持力以及在方波電壓激勵(lì)下的位移響應(yīng)。根據(jù)前人對(duì)IPMC人工括約肌的設(shè)想，模擬了括約肌在45V電壓驅(qū)動(dòng)下的開(kāi)口位移。數(shù)值模擬結(jié)果將為IPMC 在微機(jī)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(guò)數(shù)值計(jì)算，對(duì)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(guò)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(jì)算表明在位移減小可以接受的情況下，IPMC 通過(guò)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