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1、中圖分類號:TP24論文編號:102870514-B026學(xué)科分類號:080202博士學(xué)位論文圓柱形介電型EAP驅(qū)動器特性研究研究生姓名羅華安學(xué)科、專業(yè)機(jī)械電子工程研究方向機(jī)電控制及自動化指導(dǎo)教師游有鵬教授王化明教授南京航空航天大學(xué)研究生院機(jī)電學(xué)院二О一五年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMechanicalandElectricalEngineeringResearchoncharacteristicsofcylindricaldielectric
2、electoactivepolymer(EAP)actuatorADissertationinMechanicalandElectricalEngineeringbyLuoHuaanAdvisedbyProf.YouYoupengProf.WangHuamingSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyMarch,2015承諾書本人聲明所呈交的博/碩士學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外,論文中
3、不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果,也不包含為獲得南京航空航天大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。本人授權(quán)南京航空航天大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。(保密的學(xué)位論文在解密后適用本承諾書)作者簽名:日期:南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文摘要介電型電活性聚合物(ElectroactivePolymer,EAP)是一種具有粘彈性的高分子聚合物,能實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換,具有變形大、運(yùn)動平滑、零噪聲、能量密度高、響應(yīng)速度較快等優(yōu)點(diǎn),在仿生機(jī)器人、康復(fù)訓(xùn)練等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。本
4、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(jìn)行理論和試驗(yàn)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(dá)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(diǎn)固定拉伸法對膜進(jìn)行拉伸,根據(jù)拉伸數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進(jìn)行擬合,對常用超彈性模型的擬合精度進(jìn)行了對比。利用有限元軟件ABAQUS對EAP膜的拉伸過程進(jìn)行仿真,結(jié)果表明等雙軸邊角點(diǎn)固定拉伸與等雙軸理想拉伸之間的名義應(yīng)力誤差小?;趶V義
5、Maxwell模型推導(dǎo)了準(zhǔn)線性粘彈性模型的Prony級數(shù),通過等雙軸松弛試驗(yàn)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(jìn)行仿真,試驗(yàn)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(jìn)行擬合,推導(dǎo)了EAP膜的粘彈性機(jī)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(jī)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EAP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)
6、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(jī)電耦合方程,進(jìn)行了驅(qū)動器的靜態(tài)電壓-位移特性分析,分析與試驗(yàn)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??;減小斜坡電壓的上升速率能獲得更大
7、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(yàn)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(yàn)更接近,驗(yàn)證了周期激勵電壓下頻率對位移幅值的影響,并發(fā)現(xiàn)驅(qū)動器的“激勵死區(qū)”會減小其振動中心偏移及振動幅度。構(gòu)建了圓柱形驅(qū)動器等效電路模型,測試其參數(shù)。計算表明,在圓柱形驅(qū)動器中,VHB膜I圓柱形介電型EAP驅(qū)動器特性研究材料的相對介電常數(shù)取εr=3.24與試驗(yàn)結(jié)果較吻合。驅(qū)動器漏電流試驗(yàn)表明漏電流是影響驅(qū)動器效率的重要因素。在準(zhǔn)靜態(tài)工作循環(huán)試驗(yàn)中,由于電容儲存能量及漏電流損耗,使對驅(qū)動器機(jī)電轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生較
8、大影響。關(guān)鍵詞:介電型E