介電彈性體俘能器力電耦合及能量轉化機理的基礎研究

《介電彈性體俘能器力電耦合及能量轉化機理的基礎研究》是依託西安交通大學，由伍曉紅擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：介電彈性體俘能器力電耦合及能量轉化機理的基礎研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：伍曉紅
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

基於新型軟聚合物介電彈性體材料的俘能器的研究在國際上也剛剛起步，是目前電活性聚合物研究領域的前沿和熱點問題之一，相關的基礎理論研究還有很多尚屬空白的地方，如介電彈性體俘能器能量轉化機理、數值仿真手段等。本項目將對軟聚合物介電彈性體俘能器的力電耦合模型、俘能器能量轉化機理、俘能器力學分析和數值仿真等方面開展基礎研究：發展介電彈性體大變形力電耦合理論，得到大變形情況下介電材料的非線性介電模型及其物理描述；揭示俘能器在周期振動、隨機載荷作用下的動態回響和能量轉化機理；建立俘能器的力學分析模型和數值仿真方法，開發仿真程式，對其性能進行預測；給出影響俘能器設計的關鍵力學和材料參數，研究提高能量轉化效率的途徑。研究成果將為電活性軟材料力學行為的研究和新型俘能器的設計提供新的理論方法、新的研究思路和技術手段。項目所開發的程式有望開發為計算仿真模組嵌入已有大型商用軟體，具有一定的套用開發前景和良好的效益。

結題摘要

基於介電高彈聚合物理論，結合失效機制，研究了聚合物介電彈性體（DE）俘能器在等雙軸變形、單軸變形和純剪下變形三種不同變形模式下的最大能量收集量，並分析其穩定性特徵。根據非線性彈性大變形理論，分析了蠕動泵中的介電彈性體管狀驅動器的均勻大變形力電耦合特性，並討論了軸向預拉伸對驅動變形量的影響，預測了由介電彈性體擊穿電壓限制的驅動器的極大電致變形量。將柔性光柵置於圓形介電彈性驅動器上，通過電壓的調節可實現光柵的連續改變。理論分析了這種圓形驅動器的變形和應力，得到在不同電壓下驅動器的變形以及光柵周期隨電壓變化的改變，並與實驗數據相吻合，還可預測當失拉發生時的臨界電壓值。研究了錐型介電彈性體驅動器的力電穩定性問題，數值計算得到驅動器發生力電失穩時的臨界電壓，表明可以通過預拉伸來增加臨界真實電場強度來實現更大的電致變形。結合材料用戶子程式UMAT，運用ABAQUS軟體數值模擬了幾種典型的DE驅動器在機電載荷共同作用下的大變形、失穩等力學性能。基於定義用戶單元的子程式UEL，數值模擬求解了圓形、管狀和錐形等俘能器的能量轉換過程，得到其在力電耦合作用下的變形、能量收集密度和能量轉換效率的大小，討論施加的電壓、電荷量和機械載荷及結構參數等對俘能器能量收集密度和轉換效率的影響。研究DE俘能器的能量轉化機理和和影響能量轉化效率的主要因素，針對三種不同形狀的典型俘能器，理論分析計算了俘能器構形、失效形式、材料特性等對俘能器最大能量採集、能量轉化效率的影響。基於熱動力學理論，考慮慣性力的影響，建立力學模型，分析了環形DE振動器在動態載荷下的非線性振動回響等動力學行為。