基于多物理场耦合的介电高弹聚合物综合性能及典型应用研究

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1、学校代号10532学号S1402W0157分类号U463密级公开工程硕士学位论文基于多物理场耦合的介电高弹聚合物综合性能及典型应用研究学位申请人姓名陈守锷培养单位机械与运载工程学院导师姓名及职称李光耀教授高晖高级工程师学科专业车辆工程研究方向汽车NVH论文提交日期2018年4月20日学校代号：10532学号：S1402W0157密级：公开湖南大学工程硕士学位论文基于多物理场耦合的介电高弹聚合物综合性能及典型应用研究学位申请人姓名：陈守锷导师姓名及职称：李光耀教授高晖高级工程师培养单位：机械与运载工程学院专业名称：车辆工程论文提交日期：2018年4月20日论文答辩日期：20

2、18年5月20日答辩委员会主席：冯凯教授ResearchontheComprehensivePerformanceandTypicalApplicationofDielectricElastomerBasedonMultiphysicsCouplingbyCHENShoueB.E.(HunanUniversity)2014AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftherequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringinVehicleEngineeringintheGraduateSchoolo

3、fHunanUniversitySupervisorProfessorLiGuangyaoSeniorEngineerGaoHuiMay,2018湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构

4、送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密□，在______年解密后适用本授权书。2、不保密□√。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日I基于多物理场耦合的介电高弹聚合物综合性能及典型应用研究摘要介电高弹聚合物作为一种新型的电活性聚合物材料有着工程中许多传统硬材料所不具备的优势，比如响应迅速、变形大、能量密度高、质量轻以及价格低廉。当介电高弹聚合物表面涂有柔性电极材料后，在外电场的驱

5、动下聚合物薄膜会产生数倍于自身平面面积的电致变形，而当外界电压撤除后其又能恢复到初始构型。由于涂覆有电极的介电高弹聚合物相当于柔性平行板电容器，因此在特定能量循环中介电高弹聚合物可以将机械能转换为电能。由于介电高弹聚合物的这些特性，其在先进致动器、人工肌肉、仿生机器人、能量收集器等方面拥有着巨大的潜能。尽管有关介电高弹聚合物的研究层出不穷，但是现阶段仍缺少介电高弹聚合物多物理场耦合模型以及在该模型下的应用研究。本文首先基于介电高弹聚合物热力学系统框架将力、电、温度三者充分结合并全面考虑介电高弹聚合物的耗散效应（粘弹性松弛、电流泄漏与介电弛豫）与失效形式（材料断裂、张力损失

6、、电击穿与力电失稳）从而建立现阶段较为完备的介电高弹聚合物多物理场耦合模型。针对介电高弹聚合物的致动器应用，本文基于聚合物惯性力作用以及欧拉-拉格朗日动力学方程建立多物理场耦合的动态模型，并在多种典型加载形式下对比聚合物薄膜的动态与准静态响应，从而探究惯性力的作用并且理解动态与准静态模型的使用状况。通过数值模拟可得到如下结论：当介电高弹聚合物处于线性或高幅值高频率简谐电压的驱动下，其动态与准静态响应之间会产生较大的差别。另外，当聚合物薄膜临近失效临界时，两模型的结果间也会产生较大差异。针对介电高弹聚合物的能量回收应用，本文基于类卡诺的能量回收循环对耗散型介电高弹聚合物发电

7、机的性能进行了详细的分析研究。首先建立介电高弹聚合物发电机的多物理场耦合模型，随后详细阐述能量转换机理与过程并考虑聚合物薄膜的失效形式。通过转换过程中各能量的结果可得出：介电高弹聚合物在较低工作温度(273~333K)下表现出更好的力电转换能力。针对介电高弹聚合物的振动控制应用，本文基于介电高弹聚合物弹簧辊致动器的机理，将介电高弹聚合物薄膜与弹簧-质量振动系统相结合从而研究该组合振动系统的影响因素并且实现了可编程式的单自由度系统的振动主动控制。关键词：介电高弹聚合物；力电响应；耗散效应；温度影响；动态及准静态；能量回收；振动控