【摘要】：與傳統(tǒng)的金屬等硬質(zhì)材料相比,軟質(zhì)材料具有多物理場響應(yīng)、變形大等特點,在外界刺激下能夠產(chǎn)生變形或發(fā)生某種響應(yīng),因此軟質(zhì)材料越來越受到科研人員的廣泛關(guān)注。而介電彈性體(Dielectric Elastomer)作為典型的軟質(zhì)材料,比其他的軟質(zhì)材料綜合性能要好,它具有質(zhì)量輕、柔性好、反應(yīng)時間短、力電轉(zhuǎn)化率高等特點,因此該材料可以用來制造和設(shè)計成各種換能器,如作動器、能量采集器、傳感器等。介電彈性體換能器通常是由平的、薄的介電彈性體薄膜組成,在大的外荷載作用下薄膜容易發(fā)生失效破壞。目前很多研究主要涉及介電彈性體材料與時間無關(guān)的彈性行為。而大多數(shù)介電彈性體是橡膠類材料,它的非線性變形和力電轉(zhuǎn)化能力會受到與時間相關(guān)的耗散過程即力電耗散的影響。因此對介電彈性體粘彈性的研究可以改善和提高換能器的力電行為和力電性能。本文的主要研究內(nèi)容包括(1)基于耗散介電彈性體的非線性理論和非平衡熱力學(xué)原理,對圓形介電彈性體薄膜作動器在力電耦合作用下的粘彈性力學(xué)行為進(jìn)行了研究。圓形薄膜中心粘接一輕質(zhì)的剛性圓盤,然后薄膜外邊界固定到剛性圓環(huán)上。在力電載荷作用下,圓形薄膜發(fā)生面外軸對稱大變形。選取Neo-Hookean模型和粘彈性模型結(jié)合,通過非平衡熱力學(xué)理論并利用能量變分原理推導(dǎo)出描述大變形的控制方程,而薄膜的粘彈性行為是由一個包含兩個平行單元的彈簧—黏壺的流變模型來描述的。運(yùn)用打靶法求出控制方程的數(shù)值解,并用圖像描繪出了文中相關(guān)物理量的變化和薄膜的變形規(guī)律。結(jié)果表明當(dāng)薄膜只受到外力作用時,在同一時刻隨著外力的增大,徑向拉伸、豎向位移等物理量的值也增大;當(dāng)力一定時,它們的值隨時間的推移逐漸增大并最終趨于穩(wěn)定。而薄膜在力電耦合作用下,當(dāng)力一定時,在同一時刻隨著電壓的增大,徑向拉伸、豎向位移等物理量的值也增大;當(dāng)電壓一定時,它們的值隨時間的推移逐漸增大并最終趨于穩(wěn)定。該研究有助于介電薄膜作動器力電性能的提高。(2)在上述結(jié)論的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步研究了設(shè)計參數(shù)對圓形介電薄膜作動器粘彈性行為的影響,研究結(jié)果表明對薄膜進(jìn)行預(yù)拉伸,徑向拉伸、豎向位移、電場強(qiáng)度等物理量的值隨時間的推移最后趨于穩(wěn)定,并且除了圓盤的豎向位移隨著預(yù)拉伸的增大而減小外,其他物理量的值都隨著預(yù)拉伸的增大而增大。薄膜在力電耦合作用下,改變其內(nèi)外徑的比值,徑向拉伸、豎向位移、電場強(qiáng)度等物理量的值隨時間的推移最后趨于穩(wěn)定,并且除了圓盤的豎向位移隨著內(nèi)外徑比值的增大而增大外,其他物理量的值都隨著內(nèi)外徑比值的增大而減小。對介電作動器材料選取和器件的優(yōu)化設(shè)計有一定的幫助。
[Abstract]:Compared with traditional hard materials such as metal, soft materials have the characteristics of multi-physical field response and large deformation, which can produce deformation or some kind of response under external stimulation. Therefore, soft materials have been paid more and more attention by researchers. The dielectric elastomer (Dielectric Elastomer), as a typical soft material, has better comprehensive properties than other soft materials. It has the advantages of light weight, good flexibility, short reaction time and high conversion rate. Therefore, the material can be used to manufacture and design various transducers, such as actuators, energy collectors, sensors and so on. Dielectric elastomer transducers are usually composed of flat thin dielectric elastomer films which are prone to failure under large external loads. At present, many studies are mainly concerned with the time-independent elastic behavior of dielectric elastomer materials. Most dielectric elastomers are rubber materials, and their nonlinear deformation and electromechanical transformation ability are affected by the time-dependent dissipation process, I. e., the force and electricity dissipation. Therefore, the study of viscoelasticity of dielectric elastomer can improve the electromechanical behavior and mechanical properties of the transducer. The main contents of this paper are as follows: (1) based on the nonlinear theory of dissipative dielectric elastomer and the nonequilibrium thermodynamic principle, the viscoelastic behavior of circular dielectric elastomer film actuator under the action of electromechanical coupling is studied. A lightweight rigid disk is attached to the center of the circular film, and the outer boundary of the film is fixed to the rigid ring. Under the action of mechanical and electrical load, the circular thin film is subjected to a large deformation of axial symmetry outside the plane. The Neo-Hookean model and the viscoelastic model are selected. The governing equations for large deformation are derived by using the theory of nonequilibrium thermodynamics and the energy variational principle. The viscoelastic behavior of the film is described by the rheological model of a spring-pot with two parallel elements. The numerical solution of the governing equation is obtained by using the shooting method, and the variation of the relevant physical quantities and the deformation law of the film are described by using the image. The results show that when the film is only subjected to external force, at the same time, with the increase of external force, the values of radial stretching and vertical displacement also increase, and when the force is fixed, their values gradually increase with the passage of time and eventually tend to stabilize. When the force is constant, the values of the physical quantities such as radial stretching and vertical displacement also increase with the increase of voltage when the force is constant, and when the voltage is fixed, Their values increase over time and eventually tend to stabilize. This study is helpful to improve the mechanical and electrical properties of dielectric thin film actuators. (2) based on the above conclusions, the effects of design parameters on viscoelastic behavior of circular dielectric film actuators are further studied. The results show that the films are prestretched. The values of radial tension, vertical displacement, electric field intensity and so on tend to be stable with time, and the values of other physical quantities increase with the increase of pretension, except that the vertical displacement of disk decreases with the increase of pretension. Under the action of electromechanical coupling, the values of physical quantities such as radial stretching, vertical displacement, electric field intensity and so on, which change the ratio of internal and external diameter of the film, finally tend to stabilize with the passage of time. In addition, the vertical displacement of the disk increases with the increase of the ratio of inner and outer diameter, and the values of other physical quantities decrease with the increase of the ratio of inner and outer diameter. It is helpful to the material selection of dielectric actuator and the optimum design of the device.
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.2

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本文編號：2197956