本文選題：介電薄膜　切入點：力電換能器　出處：《蘭州理工大學》2017年碩士論文

【摘要】：介電聚合物屬軟物質(zhì),當上下表面附著有柔順電極的介電聚合物薄膜受外加電場作用時,該薄膜將減小厚度,同時擴大面積,產(chǎn)生大變形,將電能轉(zhuǎn)化為機械能。加之此類材料具有輕質(zhì)、高效、低成本、能量密度高、無噪音、易加工等優(yōu)異的材料和力學性能,近年來,此類材料受到了學術界和工業(yè)界的廣泛關注,可被設計成致動器、傳感器及能量采集器等換能器,并已在或有望在人工肌肉、機器人、光學、生物醫(yī)學、電子產(chǎn)品、能量采集等領域發(fā)揮重要的作用,具有潛在的巨大的市場價值。目前,學者們對介電聚合物薄膜換能器的作動機理、失效模式及其力電彈性行為已做了大量卓有成效的理論及實驗研究,而對其粘彈性力電行為的刻畫不多,本文則圍繞介電聚合物薄膜換能器的粘彈性力電行為展開研究,所開展的創(chuàng)新性的研究工作如下:(1)建立了中心粘接有輕質(zhì)圓盤的圓形介電薄膜致動器,受內(nèi)壓及電壓作用、產(chǎn)生面外大變形的粘彈性力學模型,并對其力電粘彈性行為進行了研究。通過非平衡熱力學理論,推導得到了該致動器的狀態(tài)方程及控制方程;采用彈簧-黏壺流變模型,得到了該致動器的運動學方程。數(shù)值得到了所考慮變量和變形薄膜輪廓的演變過程并進行了圖示說明。計算中,考慮了內(nèi)壓、電壓及設計參數(shù)等對介電薄膜粘彈性行為的影響效應,結(jié)果表明:內(nèi)壓、電壓及設計參數(shù)對該致動器的力電粘彈性行為都有著顯著影響。(2)建立了上下兩端連接有輕質(zhì)剛性圓盤,受內(nèi)壓和電壓作用,產(chǎn)生軸對稱大變形的管狀介電薄膜致動器的粘彈性力學模型。經(jīng)推導得到了描述其大變形的控制方程及描述其粘彈性的運動學方程,并聯(lián)合使用打靶法及改進的歐拉法對方程進行了數(shù)值求解,得到了各物理量的變化規(guī)律。計算中,重點考慮了內(nèi)壓、電壓及管狀介電薄膜的縱橫比對該致動器力電粘彈性行為的影響效應,結(jié)果表明,它們極大地影響著其力電粘彈性行為。(3)建立了受軸向拉力和電壓作用,上下兩端連接有輕質(zhì)剛性圓盤的管狀介電薄膜致動器的粘彈性力學模型。通過準靜態(tài)平衡法,推導得到了描述該致動器大變形的控制方程,而運動學方程仍由流變模型所給出。經(jīng)數(shù)值求解,得到了各物理量的分布規(guī)律。計算中,重點研究了力電載荷、薄膜的環(huán)向預拉伸、薄膜的縱橫比對該致動器粘彈性力電行為的影響。結(jié)果表明,它們的影響顯著。(4)建立了管狀薄膜-彈簧致動器的力學模型。通過準靜態(tài)平衡法,推導出描述該致動器大變形的控制方程,運動學方程仍由流變模型所給出。通過數(shù)值計算,分別研究了該模型在恒定力電載荷和周期力電載荷作用下的粘彈性行為。從計算結(jié)果得出,彈簧的剛度、加載率對薄膜的時間依賴行為影響顯著。本文的研究將有助于更好地掌握此類介電薄膜致動器的粘彈性力電行為,并為這幾款類致動器的優(yōu)化設計提供理論指導,大力推進這幾款致動器的工程化應用。
[Abstract]:Dielectric polymer is a soft material, when the upper and lower dielectric polymer film attached to the surface of the electrode by compliant external electric field, the film thickness will decrease, while expanding the area, large deformation, electrical energy into mechanical energy. And this kind of material has the advantages of light weight, high efficiency, low cost, high energy density, no noise, easy processing and excellent material mechanical properties, in recent years, this kind of material has attracted wide attention in both academia and industry, can be designed as actuator, sensor and transducer energy collector, and has been or is expected in the artificial muscle, robotics, optics, biomedicine, electronic products, play an important role in energy acquisition and other fields, has great potential market value. At present, the actuating mechanism of the scholars on the dielectric polymer thin film transducer, failure mode and stress elastic behavior has made a lot of theoretical and very fruitful Experimental study and characterization of the viscoelastic mechanical and electrical behavior is not much studied viscoelastic mechanical and electrical behavior of the dielectric polymer thin film transducer, the innovation of the research work are as follows: (1) the establishment of a circular dielectric thin film actuator bonded with light disk center, under internal pressure and the effect of voltage, viscoelastic mechanics model of plane deformation, and the mechanical and electrical viscoelastic behavior were studied. The non-equilibrium thermodynamic theory, derive the state equations and control equations of the actuator; the spring dashpot rheological equations of kinematics are obtained by using the model of the actuator is obtained. Numerical by considering the variables and deformation of the thin film profile evolution process were illustrated. In the calculation, considering the internal pressure, effect, influence of the voltage and the design parameters of dielectric film viscoelastic behavior results show that the internal pressure, and voltage The design parameters have significant influence on the viscoelastic behavior of electric actuator force. (2) the establishment of the upper and lower ends are connected with light rigid disk, inner pressure and voltage, viscoelastic mechanical model of axisymmetric large deformation of the tubular dielectric thin film actuator. The deduced to describe the large deformation the control equation and the kinematics equation to describe the viscoelastic properties, and the combined use of shooting method and the improved Euler method for solving equations, obtains the variation law of each physical quantity. In the calculation, considering the internal pressure, the effect of the electric actuator, and force viscoelastic behavior than voltage and tubular dielectric film the results show that it greatly affects the mechanical and electrical viscoelastic behavior. (3) established by the axial force and voltage, the upper and lower ends connected with viscoelastic lightweight rigid disk tubular dielectric thin film actuator Model. Through the quasi-static equilibrium method is derived to describe the control equation of the large deformation of the actuator, and the kinematics equation by rheological model presented. By numerical calculation, the distribution of various physical quantities. In the calculation of mechanical and electric loads, film circumferential pre stretch, the influence of vertical and horizontal actuator the viscoelastic behavior of the electric force alignment film. The results show that their impact is significant. (4) established the mechanical model of tubular film spring actuator. Through the static equilibrium method, the governing equations describing the large deformation of the actuator are derived. The motion equation is given by the rheological model. By numerical calculation. The viscoelastic behavior of the model under constant force electric load and periodic force electrical loads are studied. The computational results show that the stiffness of the springs, the loading rate of the films significantly affects the time dependent behavior. This study will be It helps to better understand the viscoelastic force and electric behavior of such dielectric film actuator, and provide theoretical guidance for the optimization design of these kinds of actuators, and vigorously promote the engineering applications of these actuators.

【學位授予單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O34;TB383.2

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本文編號：1722548