基于负刚度预载荷机构的锥形介电型EAP驱动器研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaSep．252011V01．32No．91746-1754ISSN1000-6893ON11·1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．on文章编号：1000—6893(2011)09—1746—09基于负刚度预载荷机构的锥形介电型EAP驱动器研究朱银龙1，王化明1’2一，赵东标1，栾云广11．南京航空航天大学机电学院，江苏南京2100162．中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，辽宁

2、沈阳110016摘要：为了便于对介电型EAP驱动器进行优化设计，针对介电型EAP驱动器进行建模是极其重要的。结合弹性大变形理论及Maxwell应力建立介电型EAP材料的机电耦合模型，分析一种可以提高驱动器性能的负刚度预载荷机构，在此基础上建立基于负刚度预载荷机构的锥形介电型EAP驱动器模型。通过对微分代数方程组的求解，分析预载荷机构对驱动器驱动性能的影响。得出特定尺寸的锥形驱动器在不同驱动电压下的电压一位移曲线以及驱动器薄膜中的主延伸率、主应力分布情况。同时给出了锥形驱动器的力一位移曲线。最后将试验结果与理论分析进行

3、比较，给出了导致偏差的原因。结果表明，本文建立的模型可以为锥形介电型EAP驱动器的设计应用提供参考依据。关键词：负刚度；介电型EAP；预载荷机构；驱动器；机电耦合中图分类号：V214；TP24；TB34文献标识码：A介电型EAP作为电活性聚合物材料的一种，以其大变形、高能量密度、高效率、高响应速度等优点[妇在仿生机器人[2]、流体器件[3]、医疗康复训练[4]、光学器件[53等场合有着潜在的应用前景。介电型EAP驱动器由两边涂有柔性电极、具有一定形状的介电型EAP薄膜和预载荷机构组成。施加电压后，静电压力使得弹性体薄

4、膜在平面方向上延展，厚度变薄。这种变形机制使得介电型EAP驱动器可输出力和位移，对外做功。特定形状和尺寸的驱动器性能由EAP膜和预载荷机构的性质共同决定。常见的预载荷机构邛1主要有恒预载荷、弹簧预载荷(正刚度)、负刚度预载荷机构。本文采用的是一种具有负刚度特性的双滑块预载荷机构[7]，该机构可显著增加驱动器的输出位移。由于介电型EAP材料的非线性本构关系以及机电耦合特性，对驱动器进行精确建模比较复杂。目前描述介电型EAP材料在电激励情况下的应力应变关系主要有两种方法：一种是利用热动力学能量守恒的观点将薄膜材料的应变能

5、与电场密度联系起来组成整个系统的应变能方程，利用虚功原理推导电激励下的本构关系，如Suo等【80提出的非线性介电变形场理论；另一种是在连续介质力学框架内将整体柯西应力表示为机械应力与Maxwell应力的和，如Goulbourne等[9j提出的基于Toupinr10]的电活性聚合物力电模型。尽管这两种方法的阐述不一样，但两者之间是可以相互推导的。收稿日期：2010—12．08；退修日期：2011-02—28；录用日期：2011—03—25；网络出版时间：2011—04—1215：41：57网络出版地址：WWW．cnki

6、net／kcms／detail／11．1929．V201104121541．009．htmlDOI：ONKI：11．1929／V．20110412．1541．009基金项目：国家自然科学摹金(50975139)；机器人学圈家重点实验室开放基金(RL0200912)*通讯作者．Tel．；025—84892503E—mail：hmwang@nuaa．edu．cn戤用棒武I朱银龙．I化胡．赵东标．等．基f负刚度预载荷机构的锥形介电型EAP驱动器研究!J]．靛空学援．201f．32(9)：1746-1754．ZhuYinlo

7、ng．WangHuaming·ZhaoDongbiao，eta1．Researchofconically-shapeddielectricelectroactivepolymeractu·atorsbasedonnegativestiffnesspreloadmechanism[如．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2011．32(9)：1746-1754。朱银龙等：基于负刚度预载荷机构的锥形介电型EAP驱动器研究锥形结构超弹性膜的变形分析可以追溯到Tezduyar等¨13关于圆

8、环形超弹性膜受集中力载荷的变形分析，得到了Mooney—Rivlin应变能函数参数对薄膜变形的影响。但没有涉及到预拉伸和电激励。He等[123提出的基于Suo等Ⅲ的介电变形场理论分析了锥形膜结构在电激励下受恒力集中载荷的变形情况，但文中没有考虑预载荷机构对驱动器性能的影响。为了提高锥形驱动器的输出位移，本文采用一种双滑块形式的负刚度预载荷机构，