离子聚合物金属复合材料电致动特性数值模拟

基于ANSYS参数化开发平台,通过编制龙格-库塔算法用户子程序求解离子浓度偏微分方程,采用温度场模型等效模拟水分子重新分布引起的机械变形,制定分析流程,对离子交换膜金属复合材料(IPMC)的电致动特性进行了数值模拟.研究了在外加电场作用下,Na+迁移运动规律与IPMC变形过程特征,通过结果比较证明了所提出方法的正确性.

水分子扩散阻力对IPMC致动特性的影响

基于Tadokoro理论模型,采用有限元方法对离子交换膜金属复合材料(ionic polymermetal composite, IPMC)的电致动特性进行了数值模拟.通过比较求解控制方程中不考虑水分子扩散阻力和考虑水分子扩散力的两种计算模型,着重探讨和比较了水分子扩散阻力对钠离子携带周围水分子的迁移运动规律和变形过程中各个特征物理量的影响.结果表明,控制方程中增加水分子扩散阻力这一非线性项,对最终的宏观挠曲位移影响并不明显;但是对于钠离子浓度、等效应变、内部平衡力分布等物理量影响很大;这种影响还具有区域性特征,主要集中于电极板附近区域,其他区域影响较弱.控制方程中增加水分子扩散力可以更准确地描述钠离子在迁移过程各物理量的变化规律.

蠕动爬行微电机械力-电耦合的致动特性分析

对于以施加电场作为驱动的蠕动爬行微电机构 ,在柔韧薄板理论和电学物理基础上 ,通过考虑驱动元件在电场力作用下的几何非线性变形和与结构变形相关的电荷分布及电场力分布 ,建立了其驱动元件的非线性耦合模型。在此基础上 ,采用矩量法和增量有限元法相结合 。

螺旋卷绕型纤维基人工肌肉的致动特性研究

螺旋卷绕型纤维基人工肌肉是模仿天然肌肉的新型致动器,在柔性驱动领域具有广阔的应用前景。通过将尼龙6纤维和铜丝复合卷绕,制备了电阻丝附着型纤维基人工肌肉;搭建了表征人工肌肉致动特性的实验平台,对人工肌肉的致动特性进行研究,发现致动效率与输入功率、螺旋直径有关。对螺旋卷绕型纤维基人工肌肉的致动特性进行理论分析,预测了致动应变随温度的变化规律,与实验结果吻合;并讨论了手性、纤维偏转角等参数对人工肌肉致动性能的影响。本研究提供了高性能纤维基人工肌肉的制备和测试方法,可为其先进结构设计及性能调控提供参考。

Pt-Ni/Nafion材料的制备及电致动性能研究

IPMC智能材料具有在低电压下产生较大形变和张力的特点,可作为新型的致动器。为了降低制备成本,采用渗透还原法制备了Pt-Ni/Nafion双金属层离子聚合物复合材料,确定了一套完整的制备工艺,测试了Pt-Ni/Nafion材料在不同驱动电压下的致动特性。结果表明,IPMC膜的形变随着直流电压的增大而增大,与初始位置的最大偏转角为47°;IPMC膜在正弦交流电压驱动下,形变随着电压幅值增大而增大,随着电压频率的增大而减小,并且电压输入与位移输出具有线性关系。

基于螺旋卷绕型人工肌肉驱动的机械手指设计及其运动分析

螺旋卷绕型聚合物人工肌肉作为一种新型致动器,因具有较高的柔韧性、通用性和功率密度,在柔性驱动领域具有广阔的应用前景。本文设计了一种螺旋卷绕型人工肌肉驱动的多自由度机械手指模型,建立了热驱动型人工肌肉的物理模型,实现了对机械手指多关节偏转的控制和运动分析。结果表明,人工肌肉的收缩量随温度的增加呈非线性增加;机械手指的关节偏转角随温度或肌肉收缩量的增大而增大。提出的人工肌肉驱动的多自由度手指模型,为实现其在机械手领域中的应用奠定了基础。

IPMC的制备研究

研究了IPMC的制备过程.制备主要分为前期预处理、主化学镀反应和次化学镀反应.在进行一次主化学镀反应之后,对比了不同次数的次化学镀反应所制备的样品的性能.设计了用于驱动IPMC的信号发生器,建立了基于PC机和数据采集卡的测试平台.对制备出来的样品进行了致动特性的测试,测试了激励信号的频率、幅值、以及镀膜厚度对致动特性的影响,为人工肌肉的控制设计提供了依据.实验结果表明:镀膜的电阻和激励信号的频率越小,摆动幅度越大;激励信号的幅值越大,摆动幅度越大;镀层厚度增大有利于电阻的降低,但是由于表面硬度的增加,镀膜并不能太厚;镀膜的打磨导致了电极的不均匀,增大了电阻,降低了材料活性.