卷轴形介电弹性体驱动器的理论分析及其抓取机构研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jukai9751
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介电弹性体是一类能够在电场作用下产生大变形的智能软材料,它不仅可以实现机械能和电场能的相互转换,而且具有质量轻、响应速度快、能量密度高、生物亲和性好等优点。目前,科研人员已经研发了多种类型的介电弹性体驱动器,使其在生物医学、工业生产和航空航天等领域展现出巨大的发展潜力和应用前景。  本文制作了一种新型的卷轴形介电弹性体驱动器,并从理论分析、仿真模拟、设计制作、性能测试和具体应用等方面进行了系统研究。(1)在理论分析方面,基于热力学系统中的 Helmholtz自由能研究了该驱动器的初始状态以及在电压和外载荷作用下的状态曲线。通过考察介电弹性体的多种失效形式描绘了驱动器的许用区间,并研究了轴向伸长率和电荷量等指标对其变形能力的影响。最后,利用 neo-Hookean模型和 Yeoh模型分析了驱动器的电致变形,讨论了介电弹性体薄膜的厚度等参数对电致应变的影响。(2)在仿真模拟方面,利用Yeoh模型和粘弹性模型对驱动器的简化模型进行有限元数值模拟,得到该驱动器在力电耦合作用下的电致变形量。(3)在设计制作方面,基于理论模型优化了驱动器结构,制作了双层介电弹性体薄膜和弹簧装置,最终得到了所需的卷轴形介电弹性体驱动器。(4)在性能测试方面,使用不同预拉伸率和初始厚度的丙烯酸薄膜制作了多种驱动器,基于初步筛选的结果,利用激光测距仪和力传感器等设备对其进行了驱动力、电致变形和疲劳寿命等测试,最终挑选出综合性能突出的驱动器型号。(5)在具体应用方面,参考驱动器的力学测试结果和相应的理论分析,利用3D打印技术制作了抓取机构并对其进行了性能测试,并利用形状记忆聚合物制作的强化结构进一步提高了其抓取能力。
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