圆柱形介电型eap驱动器特性研究

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1、中图分类号：TP24论文编号：102870514-B026学科分类号：080202博士学位论文圆柱形介电型EAP驱动器特性研究研究生姓名罗华安学科、专业机械电子工程研究方向机电控制及自动化指导教师游有鹏教授王化明教授南京航空航天大学研究生院机电学院二О一五年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMechanicalandElectricalEngineeringResearchoncharacteristicsofcylindricaldielectric

2、electoactivepolymer(EAP)actuatorADissertationinMechanicalandElectricalEngineeringbyLuoHuaanAdvisedbyProf.YouYoupengProf.WangHuamingSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyMarch,2015承诺书本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中

3、不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学博士学位论文摘要介电型电活性聚合物(ElectroactivePolymer,EAP)是一种具有粘弹性的高分子聚合物，能实现电能向机械能的转换，具有变形大、运动平滑、零噪声、能量密度高、响应速度较快等优点，在仿生机器人、康复训练等领域具有潜在应用前景。本

4、文在国家、省自然科学基金项目的资助下深入研究介电型EAP膜(VHB4910)的粘超弹性行为，对圆柱形结构的驱动器进行理论和试验研究，为该类型驱动器的设计、分析与应用提供依据与指导。根据连续介质力学理论，推导了常用应变能函数对应的EAP膜应力应变表达式，提出了一种弹性模量参数少的非线性超弹性模型。构建了EAP膜的等双轴拉伸装置，采用等双轴边角点固定拉伸法对膜进行拉伸，根据拉伸数据对模型参数进行拟合，对常用超弹性模型的拟合精度进行了对比。利用有限元软件ABAQUS对EAP膜的拉伸过程进行仿真，结果表明等双轴边角点固定拉伸与等双轴理想拉伸之间的名义应力误差小。基于广义

5、Maxwell模型推导了准线性粘弹性模型的Prony级数，通过等双轴松弛试验拟合其系数，利用该粘弹性模型对等双轴拉伸-松弛过程进行仿真，试验与仿真结果较吻合。提出一种基于Ogden模型弹性网络的非线性粘弹性模型，根据不同拉伸速度下的测试数据对模型参数进行拟合，推导了EAP膜的粘弹性机电耦合方程，分析了在自由状态和单方向约束状态下EAP膜的工作稳定性，分析结果表明：在自由状态下，EAP膜厚度变薄超过37%时会发生机电失稳，粘性流动能增大其稳定工作范围，获得更大的变形；预拉伸能提高EAP膜的相对临界延伸率，减小作用电压(或名义电场)。分析了圆柱形驱动器中EAP膜的应

6、力状态，以及EAP膜卷绕后的径向收缩及膜层间压力等对其轴向应力的影响。研究了驱动器的轴向伸长、最内层EAP膜的径厚比及卷绕层数对膜厚度的影响。结合EAP膜机电耦合方程，进行了驱动器的静态电压-位移特性分析，分析与试验结果相吻合。分析驱动器的失效模式，研究其在有效工作范围内的参数——预拉伸率、卷绕层数、弹簧参数对其输出位移和力的影响，可为驱动器的参数选择提供依据。建立圆柱形驱动器的动态模型，研究其阶跃、斜坡和周期激励电压下的动态响应。在阶跃电压时，增加电压能产生较大位移且粘性变形更明显，预拉伸能获得更大的瞬时弹性变形，但粘性变形小；减小斜坡电压的上升速率能获得更大

7、的瞬时伸长率；改变周期电压的相对偏移量，驱动器产生不同位移输出，但增加频率，会抑制其输出幅值。驱动器动态试验表明了根据2个参数的粘弹性模型得到的分析结果与试验更接近，验证了周期激励电压下频率对位移幅值的影响，并发现驱动器的“激励死区”会减小其振动中心偏移及振动幅度。构建了圆柱形驱动器等效电路模型，测试其参数。计算表明，在圆柱形驱动器中，VHB膜I圆柱形介电型EAP驱动器特性研究材料的相对介电常数取εr=3.24与试验结果较吻合。驱动器漏电流试验表明漏电流是影响驱动器效率的重要因素。在准静态工作循环试验中，由于电容储存能量及漏电流损耗，使对驱动器机电转换效率产生较

8、大影响。关键词：介电型E