介电高弹聚合物运动轨迹跟踪控制研究

针对介电高弹聚合物的轨迹跟踪控制问题,本文提出自适应径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络滑模控制(sliding mode control,SMC)算法,实现了对介电高弹聚合物运动轨迹的跟踪控制。首先考虑超弹性和粘黏性等引起动力学模型中的未知项,外界干扰导致模型的不确定性,利用RBF神经网络的任意逼近连续函数特性、滑模控制的鲁棒性和自适应控制在线调整控制率设计控制器,并构造Lyapunov函数,证明控制器的稳定性,实现了对介电聚合物轨迹跟踪控制,结果显示聚合物的位置跟踪极值误差小于1%,响应时间约为0.7 s,表明系统具有较高的动态性能,实现了结构的线性运动轨迹跟踪。同时,分析了激励频率和宽度预拉伸比对结构跟踪轨迹的影响规律,设计了系数参数的优化方法。研究结果表明,该控制器提高了轨迹跟踪的精确度,验证了所提控制系统具有较强的自适应性、稳定性及优化方法的有效性。该研究为软体机器人的仿生驱动与轨迹跟踪控制提供了理论依据。

介电高弹聚合物理论

软材料受刺激会发生变形,该变形会引起相应的功能,这种材料称为活性软材料(softactive material,SAM).本综述主要讨论介电高弹聚合物这一类活性软材料.当介电高弹聚合物薄膜受到厚度方向的电压作用时,薄膜厚度减小同时面积增大,可导致超过100%的应变.介电高弹聚合物作为转换器被广泛应用,包括柔性机器人、智能光学器件、盲文显示屏、发电机等.本文综述了建立在连续介质力学和热力学框架内的、并且基于分子理论描述和经验观测的介电高弹聚合物理论.该理论耦合了大变形和电势,描述了非线性和非平衡行为,如力电失稳和黏弹性.采用该理论能够通过有限元方法模拟实际构型的转换器,计算力电能量转换的效率,给出电致大变形的可行途径.该理论有助于材料和器件设计.

电致动介电高弹聚合物材料研究进展

介电高弹聚合物是一类活性软材料,被广泛应用于转换器。文章介绍了介电高弹聚合物材料的工作原理、工作模式,以及介电高弹聚合物材料的几种失效行为,总结了介电高弹聚合物的国内外应用现状。

介电高弹聚合物力电行为研究与器件设计

相对于人们通常熟悉的金属、陶瓷、玻璃等"硬材料","软材料"是自然界、生命体系、日常生活和工程应用中广泛存在的物质体系,例如动植物组织结构、人造聚合物、液晶、胶体、泡沫、颗粒物质等.许多软材料在受外界激励后会发生变形或引发相应的功能响应,这种材料被称为功能软材料(soft active material,SAM).介电高弹聚合物属于典型的功能软材料,通过电压作用,介电高弹聚合物可产生超过100%的应变,并具有轻质量、快反应和高能量密度等优点,在智能仿生、航空航天、机械、新能源等领域有巨大的应用潜力.本学位论文主要研究介电高弹聚合物这一类功能软材料,研究了介电高弹聚合物的失拉、断裂、电击穿、粘弹性、失稳等力电失效和力电耗散现象,通过分析这些现象的产生机理和特性,得到克服或利用介电高弹聚合物特有的力电性能,实现换能器极大电致变形(1692%电致面积变形)、高效能量收集、主动调频振动等性能的理论方案.通过仿真模拟,进行换能器结构与介电高弹聚合物材料的优化设计,在试验上完成介电高弹聚合物换能器在不同工作模式下的高性能实现.

单轴限制下的介电高弹力-电转换器失效行为分析

介电高弹聚合物力电转换器在工作中常受断裂、失拉、电击穿和力电失稳等失效行为的影响而失去工作能力。为了保障介电高弹聚合物力电转换器正常工作,论文对单轴限制下的介电高弹聚合物力电转换器的失效行为进行了研究,分析预拉伸对介电高弹聚合物薄膜力学性能以及允许工作区域的影响。结果表明:预拉伸可以提高薄膜的允许工作区域和机电稳定性能。研究工作可用于预测薄膜的最大允许工作区域,有利于保障转换器的安全工作。

一个新的自由能函数对介电高弹薄膜的多组等双轴预拉伸下力电耦合实验的预测

当介电高弹聚合物薄膜被施以面内等双轴预拉伸后,受到厚度方向的电压作用时,薄膜在力场和电场共同作用下产生大变形.电场采用Maxwell应力分析,力场采用橡胶弹性模型分析.拟合这类变形的常用橡胶弹性模型主要有Neo-Hookean,Arruda-Boyce,Gent等模型.这些模型对实验数据的定量拟合存在不同程度的偏差.通过对实验数据的分析,结合数学方法,提出了一个新的自由能函数模型.通过该模型对VHB4905介电高弹聚合物薄膜的多组等双轴预拉伸电力耦合实验进行拟合,并以Neo-Hookean,Gent模型作为对照,结果与实验数据拟合很好,比对照模型的偏差明显缩小.