基于负刚度预载荷机构的锥形介电型EAP驱动器研究

doi:CNKI:11-1929/V.20110412.1541.009

材料工程与机械制造

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

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, 赵东标¹, 栾云广¹

1. 南京航空航天大学机电学院, 江苏南京 210016;
2. 中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室, 辽宁沈阳 110016

收稿日期:2010-12-08 修回日期:2011-02-28 出版日期:2011-09-25 发布日期:2011-09-16
通讯作者: 王化明(1973-) 男,博士,副教授。主要研究方向:介电型EAP换能器、微操作、机器人。 Tel: 025-84892503 E-mail: hmwang@nuaa.edu.cn E-mail:hmwang@nuaa.edu.cn
作者简介:朱银龙(1981-) 男,博士研究生。主要研究方向:介电型EAP换能器、机器人。 E-mail: zhuyinlong@nuaa.edu.cn; 赵东标(1963-) 男,博士,教授。主要研究方向:数控技术、机器人技术。 E-mail: zdbme@nuaa.edu.cn; 栾云广(1983-) 男,博士研究生。主要研究方向:弹跳机器人。 E-mail: luanyunguang@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(50975139);机器人学国家重点实验室开放基金(RLO200912)

Research of Conically-shaped Dielectric Electroactive Polymer Actuators Based on Negative Stiffness Preload Mechanism

ZHU Yinlong¹, WANG Huaming^1,2, ZHAO Dongbiao¹, LUAN Yunguang¹

1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China;
2. State Key Laboratory of Robotics, Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China

Received:2010-12-08 Revised:2011-02-28 Online:2011-09-25 Published:2011-09-16

摘要/Abstract

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-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-位移曲线。最后将试验结果与理论分析进行比较,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

Abstract: Modeling a dielectric electroactive polymer (EAP) actuator is crucial for the design and optimization of actuators. By combining the large deformation elastic theory of membranes and Maxwell stress, this paper builds a model that describes the electromechanical coupling of dielectric EAP materials. A negative stiffness preload mechanism is analyzed which can significantly improve the actuation characteristics of an EAP actuator, and a model of a conically-shaped dielectric EAP actuator with negative stiffness preload mechanism is founded. By computing the nonlinear ordinary differential algebraic equations, the main factors that contribute to the performance of the conically-shaped dielectric EAP actuator are analyzed. The voltage-displacement curves and principal stretch ratio and the distribution of principal stress in the membrane under different voltages are obtained. At the same time, the force-displacement curve of the EAP actuator with voltage on or off is also derived. Finally, factors contributing to the deviation between theoretical analysis and experimental results are listed. The results show that the proposed model can guide the design and application of conically-shaped dielectric EAP actuators.

Key words: negative stiffness, dielectric EAP, preload mechnism, actuator, electromechanical coupling

中图分类号:

朱银龙, 王化明, 赵东标, 栾云广. 基于负刚度预载荷机构的锥形介电型EAP驱动器研究[J]. 航空学报, 2011, 32(9): 1746-1754.

ZHU Yinlong, WANG Huaming, ZHAO Dongbiao, LUAN Yunguang. Research of Conically-shaped Dielectric Electroactive Polymer Actuators Based on Negative Stiffness Preload Mechanism[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2011, 32(9): 1746-1754.

参考文献

[1] Yoseph B C. Electroactive polymer (EAP) actuators as artificial muscles-reality, potential and challenges[M]. Bellingham: SPIE Press, 2004.

[2] Dubowsky S, Lagnemma K, Liberatore S, et al. A concept mission: microbots for large-scale planetary surface and subsurface exploration//AIP Conference Proceedings. 2006: 1449-1458.

[3] Jhong Y Y, Huang C M, Hsieh C C, et al. Improvement of viscoelastic effects of dielectric elastomer actuator and its application for valve devices//Proceedings of SPIE. 2007, 6524: 65241Y.1-65241Y.9.

[4] Goulbourne N C, Frecker M I, Mockensturm E, et al. Electro-elastic modeling of a dielectric elastomer diaphragm for a prosthetic blood pump//Proceedings of SPIE. 2004, 5385: 122-133.

[5] Aschwanden M, Beck M, Stemmer A, et al. Diffractive transmission grating tuned by dielectric elastomer actuator[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2007, 19(14):1090-1092.

[6] 王化明,朱剑英,叶克贝, 等. 介电弹性体线性驱动器研究[J]. 机械工程学报, 2009, 45(7): 291-296. Wang Huaming, Zhu Jianying, Ye Kebei, et al. Research on linear dielectric elastomer actuator[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2009, 45(7): 291-296. (in Chinese)

[7] Luan Y G, Wang H M, Zhu Y L. Design and implementation of cone dielectric elastomer actuator with double-slider mechanism[J]. Journal of Bionic Engineering, 2010, 7(Supplement 1): S212-S217.

[8] Suo Z G, Zhao X H, Greene W H. A nonlinear field theory of deformable dielectrics[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2008, 56(2): 467-486.

[9] Goulbourne N C, Mockensturm E M, Frecker M I. Electro-elastomers: large deformation analysis of silicone membranes[J]. International Journal of Solids and Structures, 2007, 44(9): 2609-2626.

[10] Toupin R A. The elastic dielectric[J]. Journal of Rational Mechanics and Analysis, 1956(5): 850-915.

[11] Tezduyar T E, Wheeler L T, Graux L. Finite deformation of a circular elastic membrane containing a concentric rigid inclusion[J]. International Journal of Non-Linear Mechanics, 1987, 22(1): 61-72.

[12] He T H, Zhao X H, Suo Z G. Dielectric elastomer membranes undergoing inhomogeneous deformation[J]. Journal of Applied Physics, 2009, 106(8): 083522-083528.

[13] Yeoh O H. Characterization of elastic properties of carbon-black-filled rubber vulcanizates[J]. Rubber Chemistry & Technology, 1990, 63(5): 792-805.

[14] Fung Y C. Biomechanics: mechanical properties of living tissues[M]. 2nd ed. New York: Springer-Verlag, 1993: 277-278.

[15] Kofod G, Kornbluh R, Pelrine R, et al. Actuation response of polyacrylate dielectric elastomers[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2003, 14(12): 787-793.

[16] Liu Y J, Liu L W, Yu K, et al. An investigation on electromechanical stability of dielectric elastomers undergoing large deformation[J]. Smart Materials and Structures, 2009, 18(9): 095040-095048.

编辑推荐 0

Metrics

阅读次数

全文

1136

HTML			PDF

最新录用	在线预览	正式出版	最新录用	在线预览	正式出版
0	0	0	0	0	1136

来源	本网站	其他网站

次数	307	829
比例	27%	73%

摘要

3140

最新录用	在线预览	正式出版

0	0	3140

来源	本网站	其他网站

次数	129	3011
比例	4%	96%

本文评价

地址：北京市海淀区北四环中路辅路238号柏彦大厦

邮政编码：100083

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

基于负刚度预载荷机构的锥形介电型EAP驱动器研究

Research of Conically-shaped Dielectric Electroactive Polymer Actuators Based on Negative Stiffness Preload Mechanism

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐 0

Metrics

本文评价

[1]	周金龙, 董凌华, 杨卫东. 直升机后缘襟翼驱动器迟滞现象仿真与抑制[J]. 航空学报, 2020, 41(4): 223384-223384.
[2]	李强, 董光旭, 张希农, 罗亚军, 张亚红, 谢石林. 新型可调动力吸振器设计及参数优化[J]. 航空学报, 2018, 39(6): 221721-221721.
[3]	董光旭, 罗亚军, 严博, 张希农. 基于正负刚度并联的低频隔振器研究[J]. 航空学报, 2016, 37(7): 2189-2199.
[4]	冷劲松, 孙健, 刘彦菊. 智能材料和结构在变体飞行器上的应用现状与前景展望[J]. 航空学报, 2014, 35(1): 29-45.
[5]	朱银龙, 王化明, 赵东标. 介电型电活性聚合物(EAP)驱动器失效行为分析[J]. 航空学报, 2012, 33(2): 347-353.
[6]	李伟, 熊克, 陈宏, 张绪, 苏永刚, 任智毅. 含有SMA弹簧驱动器的可变倾斜角翼梢小翼研究[J]. 航空学报, 2012, 33(1): 22-33.
[7]	李敏;陈伟民;贾丽杰. 压电纤维复合材料铺层用于翼面设计的驱动特性与刚度影响[J]. 航空学报, 2010, 31(2): 418-425.
[8]	罗剑;苑伟政;邓进军;马炳和;姜澄宇. 压电式微型合成射流多域耦合数值模拟[J]. 航空学报, 2009, 30(7): 1181-1186.
[9]	周勇;王帮峰;王鑫伟;张立;钱黄生. 半钹形压电合成射流驱动器及其特征参数研究[J]. 航空学报, 2009, 30(2): 265-270.
[10]	李敏;陈伟民;贾丽杰. 压电驱动器的气动弹性应用[J]. 航空学报, 2009, 30(12): 2301-2310.
[11]	熊克;陶宝祺;姚恩涛. 形状记忆合金扭力驱动器的力学模型和实验研究[J]. 航空学报, 2001, 22(4): 379-381.
[12]	陈伟民;管德;李敏;诸德超. 压电驱动器用于薄板型结构振动主动控制研究[J]. 航空学报, 2001, 22(2): 109-112.
[13]	何存富;陶宝祺;金江;熊克. 提高形状记忆合金丝工作频率的一种方法[J]. 航空学报, 1999, 20(2): 148-151.
[14]	熊克;陶宝祺;陈仁文;刘果. 直升机自适应旋翼驱动系统的研究进展[J]. 航空学报, 1997, 18(6): 641-647.
[15]	陶云刚;周洁敏;路小波;何延伟. 利用压电传感器/驱动器的柔性结构主动振动控制研究[J]. 航空学报, 1997, 18(6): 720-724.