本文關(guān)鍵詞：電場活化聚合物變形機理及本構(gòu)關(guān)系研究

  更多相關(guān)文章： 電場活化聚合物 變形機理 本構(gòu)關(guān)系 Ansys 機電耦合 驅(qū)動器

【摘要】：電場活化聚合物(Dieletric Elastomer,簡稱DE)是一種具有特殊力學(xué)性能和機械性能的智能材料。本文通過研究材料的變形響應(yīng)特性、材料應(yīng)力應(yīng)變行為,分析其變形機理特性和本構(gòu)關(guān)系。在研究過程中采用理論和試驗相結(jié)合的方法,通過大量的試驗數(shù)據(jù)來驗證所建立的各種特性的理論模型,為電場活化聚合物材料在未來的應(yīng)用里提供一定的參考依據(jù)。根據(jù)超彈性理論,研究了電場活化聚合物粘彈性和超彈性的本構(gòu)關(guān)系。針對材料的粘彈性特性研究包括：設(shè)計單軸拉伸試驗,根據(jù)三元件模型構(gòu)建電場活化聚合物粘彈性特性模型,通過試驗數(shù)據(jù)處理和分析,應(yīng)用回歸模型參數(shù),估算出特征時間常數(shù),通過特征時間常數(shù)來衡量電場活化聚合物粘彈性蠕變和松弛特性造成的變形響應(yīng)影響。針對材料的超彈性特性研究包括：基于材料的應(yīng)變能函數(shù)本構(gòu)方程,建立電場活化聚合物本構(gòu)模型,根據(jù)單軸拉伸試驗數(shù)據(jù),應(yīng)用數(shù)值計算方法,分別得到超彈性模型的材料參數(shù)。并通過仿真進(jìn)行分析驗證,將獲取的材料常數(shù)作為電場活化聚合物機電耦合特性模型建立、有限元模擬仿真以及驅(qū)動器件研制的重要參數(shù)。根據(jù)Maxwell理論,設(shè)計變形機理特性研究試驗方案,依次按照不同的電壓、不同的預(yù)拉伸、不同的電極厚度以及不同的邊界條件等因素反復(fù)試驗,測試出材料的變形率大小。在考慮單因素影響時,預(yù)拉伸、電壓、模板尺寸和電極厚度對電場活化聚合物變形大小有著不同程度的影響；在考慮綜合因素影響時,通過建立回歸方程對上述的四個影響因素上下限的值的范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化計算,得到電場活化聚合物材料最大變形速率的參數(shù)匹配。針對電場活化聚合物具有材料和幾何非線性的雙重特性,電場活化聚合物變形機理及規(guī)律除了進(jìn)行相關(guān)的基礎(chǔ)理論和實驗研究以外,還采用了多種仿真分析方法加以描述材料的變形機理及規(guī)律。應(yīng)用有限元方法和二次正交回歸方法,建立了有限元模型和數(shù)學(xué)模型,開發(fā)了仿真運行程序,通過仿真實驗對比驗證了電場活化聚合物變形機理及其規(guī)律,充分說明了仿真分析方法為電場活化聚合物變形機理特性研究提供了一種可行的創(chuàng)新方法。由于電場活化聚合物在電場作用下,電壓會達(dá)到或超過電場活化聚合物的臨界點,薄膜會被擊穿,導(dǎo)致電場活化聚合物機電耦合系統(tǒng)不穩(wěn)定,為了解決這樣的問題,構(gòu)建三種超彈性機電耦合模型,分別通過平面機電驅(qū)動試驗驗證,延伸率和材料的參數(shù)對電場活化聚合物機電穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。通過對電場活化聚合物材料在應(yīng)用研究,分析了卷筒型驅(qū)動器工作原理等,研制出卷筒型驅(qū)動器。在研制過程中,通過改變彈簧的數(shù)量、初始長度以及剛度系數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)電場活化聚合物器件不同自由度驅(qū)動。并通過仿真進(jìn)行分析驗證所研制的伸縮驅(qū)動器、彎曲驅(qū)動器、轉(zhuǎn)角驅(qū)動器等卷筒型驅(qū)動器是合理可行的,這為后續(xù)多維復(fù)合驅(qū)動器設(shè)計研究提供了重要基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：電場活化聚合物 變形機理 本構(gòu)關(guān)系 Ansys 機電耦合 驅(qū)動器
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O631
【目錄】：

• 摘要9-11
• ABSTRACT11-13
• 致謝13-21
• 第一章 緒論21-35
• 1.1 引言21
• 1.2 課題的研究背景及意義21-25
• 1.2.1 電場活化聚合物變形機理22-25
• 1.2.2 電場活化聚合物的非線性本構(gòu)理論25
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀25-33
• 1.3.1 電場活化聚合物超彈性本構(gòu)理論研究狀況25-27
• 1.3.2 電場活化聚合物變形機理研究狀況27-29
• 1.3.3 電場活化聚合物機電耦合性能研究狀況29
• 1.3.4 電場活化聚合物應(yīng)用領(lǐng)域研究狀況29-32
• 1.3.5 電場活化聚合物國內(nèi)研究現(xiàn)狀32-33
• 1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀評述33
• 1.5 課題研究的主要內(nèi)容33-35
• 第二章 電場活化聚合物力學(xué)特性的本構(gòu)關(guān)系研究35-62
• 2.1 引言35
• 2.2 電場活化聚合物粘彈性力學(xué)特性理論35-44
• 2.2.1 電場活化聚合物粘彈性的主要特征35-37
• 2.2.2 粘彈性元件37-38
• 2.2.3 構(gòu)建電場活化聚合物粘彈性響應(yīng)的本構(gòu)模型38-41
• 2.2.4 實驗方法41-42
• 2.2.5 確定電場活化聚合物模型參數(shù)及結(jié)果分析42-43
• 2.2.6 電場活化聚合物材料的蠕變和松弛特性分析43-44
• 2.3 電場活化聚合物超彈性力學(xué)特性的基本理論44-61
• 2.3.1 超彈性材料本構(gòu)模型簡介47
• 2.3.2 基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)唯象學(xué)方法的超彈性材料本構(gòu)模型分析47-61
• 2.4 本章小結(jié)61-62
• 第三章 電場活化聚合物變形機理實驗研究62-79
• 3.1 引言62
• 3.2 實驗方案62-64
• 3.2.1 實驗裝置62-63
• 3.2.2 實驗過程63
• 3.2.3 實驗方法63-64
• 3.3 電場活化聚合物的變形特性分析64-72
• 3.3.1 單因素實驗結(jié)果與分析64-70
• 3.3.2 多因素實驗結(jié)果與分析70-72
• 3.4 電場活化聚合物的失效特性研究72-78
• 3.4.1 拉斷失效72-73
• 3.4.2 機電不穩(wěn)定73-74
• 3.4.3 失去張力74
• 3.4.4 擊穿失效74-78
• 3.5 本章小結(jié)78-79
• 第四章 電場活化聚合物變形機理特性仿真分析79-92
• 4.1 引言79
• 4.2 電場活化聚合物變形機理的有限元模型仿真分析79-87
• 4.2.1 迭代方法79-80
• 4.2.2 收斂標(biāo)準(zhǔn)80
• 4.2.3 Ansys非線性求解過程80-81
• 4.2.4 構(gòu)建電場活化聚合物有限元模型81-83
• 4.2.5 有限元仿真結(jié)果及分析83-85
• 4.2.6 結(jié)果討論85-87
• 4.3 電場活化聚合物變形機理的物理模型仿真分析87-89
• 4.4 電場活化聚合物變形機理的數(shù)學(xué)模型仿真分析89-90
• 4.5 分析結(jié)果90-91
• 4.6 本章小結(jié)91-92
• 第五章 電場活化聚合物驅(qū)動器動態(tài)機電耦合特性研究92-102
• 5.1 引言92
• 5.2 構(gòu)建電場活化聚合物驅(qū)動器動態(tài)機電耦合模型工作原理92-97
• 5.2.1 電場活化聚合物機驅(qū)動器電耦合工作原理92-93
• 5.2.2 電場活化聚合物驅(qū)動器的機電耦合模型93-97
• 5.3 機電響應(yīng)實驗97-101
• 5.3.1 實驗方案97-99
• 5.3.2 實驗結(jié)果及分析99-101
• 5.4 本章小結(jié)101-102
• 第六章 電場活化聚合物驅(qū)動器設(shè)計方法研究102-114
• 6.1 引言102
• 6.2 驅(qū)動器器件制作原理102
• 6.3 驅(qū)動器工作原理102-103
• 6.4 驅(qū)動器設(shè)計方法103-113
• 6.4.1 伸縮驅(qū)動器104-106
• 6.4.2 彎曲驅(qū)動器106-109
• 6.4.3 復(fù)合驅(qū)動器(轉(zhuǎn)角驅(qū)動器)109-113
• 6.5 本章小結(jié)113-114
• 第七章 工作總結(jié)及展望114-117
• 7.1 全文工作總結(jié)114-115
• 7.2 論文的創(chuàng)新點115-116
• 7.3 工作展望116-117
• 參考文獻(xiàn)117-125
• 攻在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)成果及發(fā)明專利125

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本文編號：807102