聚合物螺旋卷繞型作動器具有徑向熱膨脹效應(yīng),在溫度變化時產(chǎn)生驅(qū)動力或驅(qū)動位移。該材料具有低遲滯、低成本、可承載變形大、工作壽命長等優(yōu)點(diǎn),有著廣泛的應(yīng)用前景。本文主要研究聚合物螺旋卷繞型作動器的建模方法及其在動力學(xué)控制中的應(yīng)用。聚合物螺旋卷繞作動器的建模過程側(cè)重于描述其靜態(tài)及準(zhǔn)靜態(tài)條件下力學(xué)性能與材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。首先,從作動器幾何構(gòu)型出發(fā),建立了加捻后聚合物纖維的剛度模型。進(jìn)一步研究作動器解捻趨勢并提出恢復(fù)力矩的宏觀表達(dá)式,最后結(jié)合卡式定理計算作動器在不同溫度下的熱位移。該模型能夠根據(jù)作動器的幾何特性、負(fù)載情況預(yù)測其在不同溫度下的驅(qū)動位移,為設(shè)計理想性能作動器提供理論支持。然而,對于其動力學(xué)特性及控制,該模型過于復(fù)雜。為此,首先分析了作動器一階熱力學(xué)模型的局限性,在此基礎(chǔ)上提出了基于多層感知機(jī)形式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的正、逆模型,能夠更加準(zhǔn)確的描述作動器的電壓-驅(qū)動力映射關(guān)系。隨后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性,實(shí)現(xiàn)驅(qū)動力的準(zhǔn)確追蹤。此外,本文利用提出的作動器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)了懸臂梁的驅(qū)動和開環(huán)振動控制,從仿真和實(shí)驗(yàn)角度分析了作動器驅(qū)動和減振效果,為空間柔性結(jié)構(gòu)的動力學(xué)控制提供了新的解決方案。 

【文章來源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：90 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

聚合物纖維加捻前后內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)示意圖[20]；(a)不受力狀態(tài)(b)高度拉伸狀態(tài)(c)高度加捻/拉伸狀態(tài)

浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論4卷繞型作動器在受熱變形時，內(nèi)部非晶相結(jié)構(gòu)的變化過程，解釋了聚合物螺旋卷繞型作動器熱驅(qū)動的內(nèi)在機(jī)理[20]。盡管聚合物螺旋卷繞型作動器的微觀模型能夠解釋其熱變形機(jī)理，但是分子層面的模型較為復(fù)雜，參數(shù)難以識別，難以從微觀角度對作動器進(jìn)行建模[20]。圖1.3聚合作動器內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)(a)升溫前(b)升溫后(c)完全收縮[20]TPA由先導(dǎo)纖維加捻制備而成，加捻前后的力學(xué)特性會根據(jù)其幾何特征發(fā)生改變[21,22]。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，相比于先導(dǎo)纖維，TPA加捻后軸向熱收縮能力減弱：以尼龍66為例當(dāng)溫度從25℃升至100℃時，先導(dǎo)纖維的軸向熱收縮0.5%，而TPA的軸向熱收縮僅為0.2%[23]。因此相比于聚合物螺旋卷繞型作動器的熱收縮，TPA的軸向熱收縮可以忽略不計。相比于TPA的軸向熱收縮，TPA的徑向熱膨脹趨勢更加明顯，當(dāng)溫度從22℃升至60℃時，其徑向熱膨脹為2%[24]。根據(jù)上述現(xiàn)象，Aziz建立了TPA解捻行程和恢復(fù)力矩(TPA兩端固定時由解捻趨勢產(chǎn)生的熱應(yīng)力)的宏觀模型。通過材料熱膨脹系數(shù)、剛度、加捻數(shù)和TPA幾何參數(shù)計算TPA受熱時產(chǎn)生的解捻角度，進(jìn)一步計算恢復(fù)力矩，該結(jié)果為定量分析聚合物螺旋卷繞型作動器熱變形打下了基礎(chǔ)[24]。制備聚合物螺旋卷繞型作動器的先導(dǎo)纖維大多屬于橫觀各項(xiàng)同性材料[25]，而先導(dǎo)纖維在加捻過程中其彈性模量發(fā)生改變，形成剛度隨半徑變化的變剛度材料[26]，因此其等效模量的計算較為困難[27]。Shafer，Swartz等人對TPA模型做了簡化處理，認(rèn)為TPA由不同螺旋升角、半徑的螺旋狀纖維單絲組成，其幾何構(gòu)型如圖1.4所示[26]。纖維單絲在加捻過程中保持橫觀各向同性。隨著加捻過程的進(jìn)行，不同半徑處的纖維單絲具有不同螺旋升角，結(jié)合先導(dǎo)纖維的熱膨脹系數(shù)、材料剛度計算出不同半徑處

浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論5由于分子層面的參數(shù)難以識別，Sharafi等人結(jié)合文獻(xiàn)[28]中對聚合物模量的研究，分析聚合物螺旋卷繞型作動器的熱驅(qū)動特性，提出了公式(1-1)所示的唯象模型。圖1.4TPA內(nèi)部等效結(jié)構(gòu)[26]=erf(+√2)(1-1)其中為作動器熱應(yīng)變；為作動器溫度；為聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；為聚合物玻璃態(tài)帶寬；、、是通過實(shí)驗(yàn)擬合得到的，盡管模型能夠描述作動器的熱驅(qū)動特性，但是參數(shù)擬合項(xiàng)多，物理意義不夠清晰。Karami等人研究了電加熱驅(qū)動的聚合物螺旋卷繞型作動器，建立了作動器輸入功率和溫度的一階熱力學(xué)模型[29]。進(jìn)一步將聚合物螺旋卷繞型作動器視作由先導(dǎo)纖維構(gòu)成的彈簧結(jié)構(gòu)，計算作動器等效模量，最后根據(jù)隨溫度變化的等效模量和外負(fù)載計算作動器的熱位移：=020(0)020(0)(1-2)其中0為纖維原長；0為作動器初始高度；0為初始溫度；為纖維軸向熱膨脹系數(shù)；為作動器徑向熱膨脹系數(shù)。該模型從材料屬性和作動器幾何屬性兩方面解釋了作動器熱收縮原因，但是彈簧模型的簡化和解捻效應(yīng)的忽視讓該模型需要引入額外的擬合參數(shù)，模型適用性較差[20,29]。進(jìn)一步的，Lamuta等人從先導(dǎo)纖維出發(fā)，基于最小勢能原理計算出不同負(fù)載下聚合物螺旋卷繞型作動器的理論構(gòu)型。該模型認(rèn)為加捻過程中，聚合物螺旋卷繞型作動器存在一個最佳螺旋結(jié)構(gòu)，使作動器在該溫度下勢能最小，建立了一套形式簡單、解釋性好的理論模型。但是作動器并非由先導(dǎo)纖維直接制備而成，其性能還受退火溫度有影響。因此計算得到作動器熱收縮位移是不準(zhǔn)確的[30]。Yang等人從聚合物微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，建立了自上而下的多尺度模型，其模型結(jié)構(gòu)如圖1.5所示[31]。該模型在微觀尺度上分析了


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