介電型電活性聚合物(EAP)驅(qū)動器失效行為分析

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1、航空學報ActaAeronauticaetAstronauticaSlnlcaFeb.252012V01.33No.2347.353ISSN1000-6893ON11-1929/Vhttp:#hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn文章編號:1000—6893(2012)02—0347—07介電型電活性聚合物(EAP)驅(qū)動器失效行為分析朱銀龍,王化明*,趙東標南京航空航天大學機電學院,江蘇南京210016摘要,介電型電活性聚合物(EAP)驅(qū)動器在工作過程中,邊界條件及驅(qū)動

2、電壓的改變經(jīng)常導致EAP薄膜發(fā)生起皺現(xiàn)象以及介電擊穿,致使驅(qū)動器失去工作能力。為了保障驅(qū)動器的正常工作,避免失效行為的發(fā)生,對EAP驅(qū)動器的失效行為進行了研究。針對錐形驅(qū)動器,計算出不同驅(qū)動電壓下驅(qū)動器EAP薄膜的變形情況以及其中的應力、應變和電場強度的分布情況。利用薄膜起皺判別方法,對驅(qū)動器的起皺行為進行預測,同時分析了預拉伸倍數(shù)對驅(qū)動器失效的影響。試驗結果表明,EAP驅(qū)動器的理論臨界起皺電壓與理論分析比較吻合,預拉伸可以提高薄膜的機電穩(wěn)定性能。研究結果可用于預測介電型EAP驅(qū)動器發(fā)生失效的臨

3、界電壓,有利于保障驅(qū)動器的安全工作。關鍵詞:介電型EAPI驅(qū)動器;失效I起皺現(xiàn)象;介電擊穿中圖分類號:TB34文獻標識碼:A近年來,電活性聚合物(EAP)材料以其具有大變形(380%)、高能量質(zhì)量比(3.4J/g)、高效率(60%~90%)和響應速度快等優(yōu)點[1‘21引起了國內(nèi)外學者的廣泛關注。介電型EAP屬于電活性聚合物的一種,目前針對介電型EAP的研究主要集中在移動機器人、醫(yī)療器械、光學儀器等[3’6]方面。EAP薄膜材料是一種軟材料,具有零彎曲剛度,只可以承受拉應力,無法承受壓力和彎矩。一

4、旦薄膜受到面內(nèi)壓力,很容易失穩(wěn),進而發(fā)生起皺現(xiàn)象。薄膜發(fā)生起皺以后,薄膜內(nèi)部應力重新分布,同時產(chǎn)生了較大的面外變形,影響薄膜的力學性能,從而影響驅(qū)動器正常工作。另外,當驅(qū)動電場超過一定的臨界值時,介電型EAP薄膜會被擊穿,從而失去工作能力。起皺行為通常發(fā)生在介電擊穿之前,因此對介電型EAP驅(qū)動器起皺行為的研究十分必要。針對EAP驅(qū)動器失效行為的研究,國內(nèi)外學者已經(jīng)做了一定的工作。哈佛大學的Suo等[7{]利用線性的彈性應變能方程對機電穩(wěn)定性進行分析,建立了名義電場和名義電位移之間的關系,從理論上

5、驗證了預拉伸有助于提高EAP穩(wěn)定性這一結論,對影響EAP材料擊穿的因素進行了分析。麻省理工學院的Plante[10]針對菱形、環(huán)形驅(qū)動器的失效行為進行了理論分析與試驗研究,分析了驅(qū)動器工作速度對其失效行為的影響。哈爾濱工業(yè)大學的劉彥菊[1卜123等利用Monney-Riv—lin、Ogden形式的彈性應變能方程來分析EAP材料的穩(wěn)定性,討論了薄膜材料參數(shù)對其穩(wěn)定性的影響。線性模型在描述諸如EAP薄膜等超彈性、大變形材料的力學行為時往往不夠精確。圓環(huán)形驅(qū)動器用于研究比較方便,但無法輸出力和功。相比

6、之下,錐形驅(qū)動器的輸出性能更佳。本文采用Yeoh形式的應變能方程,對錐形驅(qū)動器的失效行收稿日期:2011·05·18;退修日期:2011.06.18;錄用日期:2011·08-01;網(wǎng)絡出版時間:2011-08—1011:18網(wǎng)絡出版地址:WWW.cnki.net/kcms/detaB/11.1929.V.20110810.1118.005.htmIDOI:CNKI:11-1929/V.20110810.1118.005基金項目:國家自然科學基金(50975139);機器人學國家重點實驗室開放基

7、金(RL0200912);江蘇省自然科學基金(BK2011735)*通訊作者.Tel:025—84892503E—mail:hmwang@nuaa.edu.cn葶{蓐撂式IZhuYL,WangHM,ZhaoDB.Failureanalysisofdielectricelectroactivepolymer(EAP)actuator.ActaAeronauticaetAstro—nauticaSinfca.2012.33(2):347-353.朱銀龍.I憂磅.趙東標i介電型電活性聚合物(EAP)驅(qū)

8、動器失效行為分析航空學報.2012.33(2):347-353.航空學報為進行了深入研究,對驅(qū)動器的安全工作范圍進行了理論預測。1驅(qū)動器的失效模式及其判據(jù)介電型EAP驅(qū)動器一般有3種失效方式[10

9、:機械強度、介電擊穿強度與起皺現(xiàn)象。諸如材料缺陷、應力集中等局部影響導致的失效不在本文討論范圍以內(nèi)。驅(qū)動器的機械強度失效主要由EAP薄膜的材料強度決定,當薄膜內(nèi)部的分子鏈狀結構被拉伸到其允許范圍以外,薄膜發(fā)生撕裂。機械強度可以通過試驗確定,常用的VHB4910薄膜一般在拉伸到其薄膜初始面積的36倍時發(fā)

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