圓柱形介電型EAP驅(qū)動器特性研究.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，能實現(xiàn)電能向機械能的轉(zhuǎn)換，具有變形大、運動平滑、零噪聲、能量密度高、響應(yīng)速度較快等優(yōu)點，在仿生機器人、康復(fù)訓(xùn)練等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。本文在國家、省自然科學(xué)基金項目的資助下深入研究介電型EAP膜(VHB4910)的粘超彈性行為，對圓柱形結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器進行理論和試驗研究，為該類型驅(qū)動器的設(shè)計、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)對應(yīng)的EAP膜應(yīng)力應(yīng)變表達式，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，采用等雙軸邊角點固定拉伸法對膜進行拉伸，根據(jù)拉伸數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行擬合，對常用超彈性模型的擬合精度進行了對比。利用有限元軟件ABAQUS對EAP膜的拉伸過程進行仿真，結(jié)果表明等雙軸邊角點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級數(shù)，通過等雙軸松弛試驗擬合其系數(shù)，利用該粘彈性模型對等雙軸拉伸-松弛過程進行仿真，試驗與仿真結(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試數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行擬合，推導(dǎo)了EAP膜的粘彈性機電耦合方程，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37％時會發(fā)生機電失穩(wěn)，粘性流動能增大其穩(wěn)定工作范圍，獲得更大的變形；預(yù)拉伸能提高EA

4、P膜的相對臨界延伸率，減小作用電壓(或名義電場)。
　　分析了圓柱形驅(qū)動器中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其軸向應(yīng)力的影響。研究了驅(qū)動器的軸向伸長、最內(nèi)層EAP膜的徑厚比及卷繞層數(shù)對膜厚度的影響。結(jié)合 EAP膜機電耦合方程，進行了驅(qū)動器的靜態(tài)電壓-位移特性分析，分析與試驗結(jié)果相吻合。分析驅(qū)動器的失效模式，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)對其輸出位移和力的影響，可為驅(qū)動器

5、的參數(shù)選擇提供依據(jù)。
　　建立圓柱形驅(qū)動器的動態(tài)模型，研究其階躍、斜坡和周期激勵電壓下的動態(tài)響應(yīng)。在階躍電壓時，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彈性變形，但粘性變形?。粶p小斜坡電壓的上升速率能獲得更大的瞬時伸長率；改變周期電壓的相對偏移量，驅(qū)動器產(chǎn)生不同位移輸出，但增加頻率，會抑制其輸出幅值。驅(qū)動器動態(tài)試驗表明了根據(jù)2個參數(shù)的粘彈性模型得到的分析結(jié)果與試驗更接近，驗證了周期激勵電壓下頻率對位移幅值的影