【摘要】：介電彈性體(Dielectric Elastomer,DE)具有柔軟、變形大、能量密度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是一種理想的人工肌肉材料,在軟體機(jī)器人、航空航天等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。為了提高介電彈性體驅(qū)動(dòng)器(Dielectric Elastomer Actuators,DEAs)的壽命并提高驅(qū)動(dòng)器的輸出速度,本文基于介電彈性體提出了平動(dòng)雙穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)器及旋轉(zhuǎn)雙穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法及尺寸優(yōu)化方法。第二章基于平衡熱力學(xué)框架和非平衡熱力學(xué)框架對(duì)介電彈性體純剪切試驗(yàn)分別進(jìn)行了數(shù)值仿真,分析了模型參數(shù)對(duì)介電彈性體驅(qū)動(dòng)器的影響。針對(duì)介電彈性體圓形驅(qū)動(dòng)器,對(duì)其分別施加三組恒電壓載荷及四組三角波電壓載荷,通過實(shí)驗(yàn)及數(shù)值仿真進(jìn)一步分析了黏彈性驅(qū)動(dòng)器性能的影響,驗(yàn)證了數(shù)值模型有效性。第三章基于鏈?zhǔn)搅杭s束模型對(duì)預(yù)壓縮梁進(jìn)行理論建模,通過分析預(yù)壓縮梁的穩(wěn)態(tài)跳轉(zhuǎn)過程,設(shè)計(jì)了基于預(yù)壓縮十字交叉梁和錐形介電彈性體驅(qū)動(dòng)器的緊湊型介電彈性體平動(dòng)雙穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)器。分別建立了錐形介電彈性體驅(qū)動(dòng)器及預(yù)壓縮十字交叉梁的理論模型,進(jìn)行了有限元仿真并搭建了力-位移測(cè)試平臺(tái),對(duì)十字交叉梁的理論模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)錐形介電彈性體的模型參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)�；诹ζ胶庠�,對(duì)平動(dòng)雙穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)器的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析并提出了尺寸優(yōu)化方法,通過制備驅(qū)動(dòng)器原型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。第四章基于預(yù)壓縮固接-鉸接梁和錐形介電彈性體驅(qū)動(dòng)器,提出了旋轉(zhuǎn)雙穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)器。分別建立了錐形介電彈性體驅(qū)動(dòng)器及預(yù)壓縮固接-鉸接梁的理論模型,進(jìn)行了有限元仿真并搭建了力矩-偏轉(zhuǎn)角測(cè)試平臺(tái),對(duì)預(yù)壓縮梁的理論模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)旋轉(zhuǎn)錐形介電彈性體驅(qū)動(dòng)器模型參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)�；诹仄胶庠�,對(duì)旋轉(zhuǎn)雙穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)器的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析并提出了尺寸優(yōu)化方法,通過制備驅(qū)動(dòng)器原型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。第五章建立了雙錐形介電彈性體驅(qū)動(dòng)器及平動(dòng)雙穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)模型,考慮了DE材料的黏彈特性及系統(tǒng)阻尼對(duì)驅(qū)動(dòng)器雙穩(wěn)態(tài)位置跳轉(zhuǎn)過程的影響。
【圖文】：

模量提高 DEAs 驅(qū)動(dòng)性能的關(guān)鍵。Zhang 等人以硅橡膠 D0 wt% 高介電常數(shù)的銅酞菁低聚物 (Copper-phthalocyanine o的相對(duì)介電常數(shù)從 3.27 提升到 11.82, 對(duì)于給定的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變 32 V/μm 降低至 25 V/μm。但不足的是材料的電場(chǎng)擊穿強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)應(yīng)變[35]。Carpi 和 Rossi 向硅橡膠（Cine-Skin A/B/C 50（Titanium dioxide）粉末, 材料相對(duì)介電常數(shù)從 6.2 提高至 8Madsen 等人詳細(xì)綜述了硅橡膠介電彈性體材料的性能及性閱覽該文獻(xiàn)[33]獲取更多信息。彈性體的失效形式主要失效形式包括：力電失穩(wěn) (Electromechanical instability, nsion, LT)、電擊穿 (Electrical breakdown, EB)、拉伸斷裂 (Ru動(dòng)器設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)控制等方面具有重要的指導(dǎo)意義。

電擊穿是指當(dāng)介電彈性體表面間電場(chǎng)強(qiáng)度超過臨界值時(shí)，彈性體失去介電性能成為導(dǎo)體，在材料內(nèi)部形成電流通路。電擊穿往往伴隨著燒蝕、薄膜破裂等現(xiàn)象，是一種不可逆的失效模式。圖1-3是介電彈性體電擊穿后的照片。圖 1-3 介電彈性體電擊穿現(xiàn)象拉伸斷裂是指當(dāng)介電彈性體的拉伸變形超過了其拉伸極限時(shí)，彈性體發(fā)生破裂。Plante 通過等雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)得 VHB4910 的最大拉伸率為 6，即面積變形超過 36 倍后，VHB4910 薄膜將發(fā)生拉伸斷裂。1.3 柔性電極雖然介電彈性體驅(qū)動(dòng)器可以通過電荷驅(qū)動(dòng)并獲得更大的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變，但實(shí)際應(yīng)用中難以快速有效地在 DE 薄膜表面施加及消除電荷，不利于實(shí)際應(yīng)用[41]，因此，柔性電極是介電彈性體驅(qū)動(dòng)器不可缺失的重要組成部分。為了不影響介電彈性體驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變，柔性電極的剛度應(yīng)該遠(yuǎn)低于彈性體薄膜，，能隨著彈性體的變形而發(fā)生變形，并能在發(fā)生大變形的條件下保持足夠好的導(dǎo)電性能。碳基柔性電極價(jià)格低廉、易于獲取
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH703

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 Hui-ming WANG;Shao-xing QU;;人工肌肉本構(gòu)模型的綜述（英文）[J];Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics & Engineering);2016年01期

2 劉立武;李金嶸;呂雄飛;李豐豐;劉彥菊;冷勁松;;電活性介電彈性體的本構(gòu)理論和穩(wěn)定性研究進(jìn)展[J];中國(guó)科學(xué):技術(shù)科學(xué);2015年05期

3 冷勁松;張震;劉立武;劉彥菊;杜善義;;介電彈性體復(fù)合材料的熱力學(xué)和熱機(jī)電穩(wěn)定性[J];中國(guó)科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué);2012年01期

4 ;THEORY OF DIELECTRIC ELASTOMERS[J];Acta Mechanica Solida Sinica;2010年06期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 趙劍;基于雙穩(wěn)態(tài)特性的加速度開關(guān)研究[D];西安電子科技大學(xué);2008年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 劉若男;丙烯酸樹脂彈性體復(fù)合薄膜的介電及電驅(qū)動(dòng)性能研究[D];南京航空航天大學(xué);2014年

2 吳清華;形狀記憶合金絲驅(qū)動(dòng)的仿烏賊外套膜和腕鰭研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2009年

本文編號(hào)：2618387