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Electro-viscoelastic behaviors of circular dielectric elastomer membrane actuator containing concentric rigid inclusion 被引量:1
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作者 Zhengang WANG Tianhu HE 《Applied Mathematics and Mechanics(English Edition)》 SCIE EI CSCD 2018年第4期547-560,共14页
The time-dependent electro-viscoelastic performance of a circular dielectric elastomer(DE) membrane actuator containing an inclusion is investigated in the context of the nonlinear theory for viscoelastic dielectrics.... The time-dependent electro-viscoelastic performance of a circular dielectric elastomer(DE) membrane actuator containing an inclusion is investigated in the context of the nonlinear theory for viscoelastic dielectrics. The membrane, a key part of the actuator, is centrally attached to a rigid inclusion of the radius a, and then connected to a fixed rigid ring of the radius b. When subject to a pressure and a voltage, the membrane inflates into an out-of-plane shape and undergoes an inhomogeneous large deformation. The governing equations for the large deformation are derived by means of non-equilibrium thermodynamics, and viscoelasticity of the membrane is characterized by a rheological spring-dashpot model. In the simulation, effects of the pressure, the voltage, and design parameters on the electromechanical viscoelastic behaviors of the membrane are investigated. Evolutions of the considered variables and profiles of the deformed membrane are obtained numerically and illustrated graphically. The results show that electromechanical loadings and design parameters significantly influence the electro-viscoelastic behaviors of the membrane. The design parameters can be tailored to improve the performance of the membrane. The approach may provide guidelines in designing and optimizing such DE devices. 展开更多
关键词 dielectric elastomer(DE) membrane soft active material ACTUATOR timedependent behavior electro-viscoelastic performance
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A 3D multi-field element for simulating the electromechanical coupling behavior of dielectric elastomers 被引量:2
2
作者 Jun Liu Choon Chiang Foo Zhi-Qian Zhang 《Acta Mechanica Solida Sinica》 SCIE EI CSCD 2017年第4期374-389,共16页
We propose a multi-field implicit finite element method for analyzing the electromechanical behavior of dielectric elastomers. This method is based on a four-field variational principle, which includes displacement an... We propose a multi-field implicit finite element method for analyzing the electromechanical behavior of dielectric elastomers. This method is based on a four-field variational principle, which includes displacement and electric potential for the electromechanical coupling analysis, and additional independent fields to address the incompressible constraint of the hyperelastic material. Linearization of the variational form and finite element discretization are adopted for the numerical implementation. A general FEM program framework is devel- oped using C++ based on the open-source finite element library deal.II to implement this proposed algorithm. Numerical examples demonstrate the accuracy, convergence properties, mesh-independence properties, and scalability of this method. We also use the method for eigenvalue analysis of a dielectric elastomer actuator subject to electromechanical loadings. Our finite element implementation is available as an online supplementary material. 展开更多
关键词 dielectric elastomer electromechanical coupling Implicit multi-field finite element method Eigenvalue problem
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Electromechanical phase transition of a dielectric elastomer tube under internal pressure of constant mass
3
作者 Song Che Tongqing Lu T.J. Wang 《Theoretical & Applied Mechanics Letters》 CAS CSCD 2017年第3期121-125,共5页
The electromechanical phase transition for a dielectric elastomer (DE) tube has been demonstrated in recent experiments, where it is found that the unbulged phase gradually changed into bulged phase. Previous theore... The electromechanical phase transition for a dielectric elastomer (DE) tube has been demonstrated in recent experiments, where it is found that the unbulged phase gradually changed into bulged phase. Previous theoretical works only studied the transition process under pressure control condition, which is not consistent with the real experimental condition. This paper focuses on more complex features of the electromechanical phase transition under internal pressure of constant mass. We derive the equilibrium equations and the condition for coexistent states for a DE tube under an internal pressure, a voltage through the thickness and an axial force. We find that under mass control condition the voltage needed to maintain the phase transition increases as the process proceeds. We analyze the entire process of electromechanical phase transition and find that the evolution of configurations is also different from that for pressure control condition. 展开更多
关键词 Phase transition dielectric elastomer electromechanical coupling Phase coexistence
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Numerical study on the electromechanical behavior of dielectric elastomer with the influence of surrounding medium
4
作者 Kun Jia Tongqing Lu 《International Journal of Smart and Nano Materials》 SCIE EI 2016年第1期52-68,共17页
The considerable electric-induced shape change,together with the attributes of lightweight,high efficiency,and inexpensive cost,makes dielectric elastomer,a promising soft active material for the realization of actuat... The considerable electric-induced shape change,together with the attributes of lightweight,high efficiency,and inexpensive cost,makes dielectric elastomer,a promising soft active material for the realization of actuators in broad applications.Although,a number of prototype devices have been demonstrated in the past few years,the further development of this technology necessitates adequate analytical and numerical tools.Especially,previous the-oretical studies always neglect the influence of surrounding med-ium.Due to the large deformation and nonlinear equations of states involved in dielectric elastomer,finite element method(FEM)is anticipated;however,the few available formulations employ homemade codes,which are inconvenient to implement.The aim of this work is to present a numerical approach with the commercial FEM package COMSOL to investigate the nonlinear response of dielectric elastomer under electric stimulation.The influence of surrounding free space on the electric field is analyzed and the corresponding electric force is taken into account through an electric surface traction on the circumstances edge.By employ-ing Maxwell stress tensor as actuation pressure,the mechanical and electric governing equations for dielectric elastomer are coupled,and then solved simultaneously with the Gent model of stain energy to derive the electric induced large deformation as well as the electromechanical instability.The finite element imple-mentation presented here may provide a powerful computational tool to help design and optimize the engineering applications of dielectric elastomer. 展开更多
关键词 dielectric elastomer electromechanical coupling finite element method Maxwell stress tensor
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RATE DEPENDENT STRESS-STRETCH RELATION OF DIELECTRIC ELASTOMERS SUBJECTED TO PURE SHEAR LIKE LOADING AND ELECTRIC FIELD 被引量:5
5
作者 Shaoxing Qu Ke Li +3 位作者 Tiefeng Li Hanqing Jiang Miao Wang Zhenhua Li 《Acta Mechanica Solida Sinica》 SCIE EI 2012年第5期542-549,共8页
The performance of dielectric elastomer (DE) transducers is significantly affected by viscoelastic relaxation-induced electromechanical dissipations. This paper presents an experi- mental study to obtain the rate de... The performance of dielectric elastomer (DE) transducers is significantly affected by viscoelastic relaxation-induced electromechanical dissipations. This paper presents an experi- mental study to obtain the rate dependent stress-stretch relation of DE membranes (VHBTM9473) subjected to pure shear like loading and electric loading simultaneously. Stretching rate depen- dent behavior is observed. The results also show that the tensile force decreases as the voltage increases. The observations are compared with predictions by a viscoelastic model of DE. This experiment may be used for further studies of dynamic electromechanical coupling properties of DEs. 展开更多
关键词 dielectric elastomer viscoelastic electromechanical coupling membranes
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A FINITE ELEMENT METHOD FOR DIELECTRIC ELASTOMER TRANSDUCERS 被引量:3
6
作者 Shaoxing Qu Zhigang Suo 《Acta Mechanica Solida Sinica》 SCIE EI 2012年第5期459-466,共8页
We present a finite element method for dielectric elastomer (DE) transducers based on the nonlinear field theory of DE. The method is implemented in the commercial finite element software ABAQUS, which provides a la... We present a finite element method for dielectric elastomer (DE) transducers based on the nonlinear field theory of DE. The method is implemented in the commercial finite element software ABAQUS, which provides a large library functions to describe finite elasticity. This method can be used to solve electromechanical coupling problems of DE transducers with complex configurations and under inhomogeneous deformation. 展开更多
关键词 finite element method dielectric elastomer electromechanical coupling
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Constitutive models of ferroelectric composites with a viscoelastic and dielectric relaxation matrix (Ⅱ)——Experiment, calculation and analysis 被引量:2
7
作者 江冰 方岱宁 黄克智 《Science China Mathematics》 SCIE 2000年第6期647-654,共8页
Experimental analysis of ferroelectric composites with a viscoelastic and dieiectric relax-ation matrix is carried out, and the electromechanical coupling behavior of the ferroelectric composites is calculated by mean... Experimental analysis of ferroelectric composites with a viscoelastic and dieiectric relax-ation matrix is carried out, and the electromechanical coupling behavior of the ferroelectric composites is calculated by means of the constitutive model proposed in this paper. Comparisons between the ex-perimental results and the calculations show that the constitutive model can reflect the electromechanical coupling behavior of the ferroelectric composites. The analysis indicates that the effect of viscoelas-ticity and dieiectric relaxation of the matrix on the electromechanical coupling behavior of ferroelectric composites cannot be neglected. 展开更多
关键词 viscoelasticITY dielectric relaxation MICROMECHANICS switching criterion CONSTITUTIVE model electromechanical coupling experiment.
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介电弹性材料的机电耦合性能研究 被引量:6
8
作者 盛俊杰 陈花玲 +2 位作者 强俊花 李博 王永泉 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2012年第1期38-42,116,共5页
作为一种新型的电活性聚合物,介电弹性材料可被用作柔性致动器。其中材料的介电性能和机械性能是影响其机电耦合致动性能的关键因素。通过实验方法研究了一种典型的介电弹性材料VHB4910在不同温度和频率下的介电常数和弹性模量,基于实... 作为一种新型的电活性聚合物,介电弹性材料可被用作柔性致动器。其中材料的介电性能和机械性能是影响其机电耦合致动性能的关键因素。通过实验方法研究了一种典型的介电弹性材料VHB4910在不同温度和频率下的介电常数和弹性模量,基于实验结果分析了该材料的机电耦合性能。结果表明:依赖于频率和温度的弹性模量是影响该介电弹性材料致动变形的主要因素,对致动性能的影响最大可达4个数量级,材料的介电常数对其致动性能的影响相对较小。 展开更多
关键词 介电弹性材料 介电常数 弹性模量 频率 温度 机电耦合
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介电弹性体卷形换能器设计与参数优化 被引量:3
9
作者 曹建波 任钰雪 +3 位作者 鄂世举 夏文俊 张海艇 朱喜林 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第5期412-419,共8页
为研究介电弹性体(DE)换能器在纯剪切拉伸模式下的发电特性,利用弹簧制作了具有预拉伸特性的DE卷形换能器,并结合Neo-Hooken模型建立了DE卷形换能器在纯剪切拉伸模式下的机电耦合数学模型,运用Matlab/Simulink软件建立了DE卷形换能器的... 为研究介电弹性体(DE)换能器在纯剪切拉伸模式下的发电特性,利用弹簧制作了具有预拉伸特性的DE卷形换能器,并结合Neo-Hooken模型建立了DE卷形换能器在纯剪切拉伸模式下的机电耦合数学模型,运用Matlab/Simulink软件建立了DE卷形换能器的纯剪切发电仿真模型,对DE卷形换能器的发电特性及不同弹簧系数对其发电特性的影响进行了仿真。对DE卷形换能器进行了实验,并与仿真结果对比。仿真与实验结果表明,DE卷形换能器发电特性优于一般拉伸模式换能器;在相同的拉伸条件及初始电压下,在预拉伸限制范围内,弹簧弹性系数越大其发电特性越好。 展开更多
关键词 介电弹性体 卷形换能器 纯剪切 弹簧 机电耦合模型
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基于Neo-Hooken的介电弹性体单轴拉伸发电特性研究 被引量:4
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作者 曹建波 葛彩军 +3 位作者 鄂世举 刘爱飞 金丽丽 江孝琪 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第3期389-394,共6页
为研究介电弹性体发电机(DEG)在单轴拉伸下的发电特性,结合Neo-Hooken模型建立了DEG在单轴拉伸下的机电耦合数学模型,运用Matlab/Simulink软件建立了DEG的单轴发电仿真模型,对DEG的发电过程及拉伸力、拉伸率、初始电压与电势差之间的关... 为研究介电弹性体发电机(DEG)在单轴拉伸下的发电特性,结合Neo-Hooken模型建立了DEG在单轴拉伸下的机电耦合数学模型,运用Matlab/Simulink软件建立了DEG的单轴发电仿真模型,对DEG的发电过程及拉伸力、拉伸率、初始电压与电势差之间的关系进行了仿真研究,通过搭建DEG发电测试试验台,进行了试验研究并与仿真结果进行对比。仿真和试验结果表明在单轴拉伸收缩发电过程中,DEG两端电压先降后升;在初始拉伸时和即将拉伸至最大时电压有两个突变点;电势差随着初始电压、拉伸力的增加而近似线性增加。 展开更多
关键词 介电弹性体发电机 单轴拉伸 发电机理 机电耦合模型
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介电弹性体圆柱形驱动器机电耦合致动过程分析 被引量:3
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作者 罗华安 王化明 游有鹏 《南京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第6期869-875,共7页
驱动器薄膜施加高压直流电后产生的轴向力差能使圆柱形驱动器伸长。为研究介电弹性体圆柱形驱动器的动态反应,本文对其机电耦合致动原理及过程进行了分析。圆柱形驱动器的机电耦合致动过程类似于蠕变过程,提出一种广义Voigt线性粘弹性... 驱动器薄膜施加高压直流电后产生的轴向力差能使圆柱形驱动器伸长。为研究介电弹性体圆柱形驱动器的动态反应,本文对其机电耦合致动原理及过程进行了分析。圆柱形驱动器的机电耦合致动过程类似于蠕变过程,提出一种广义Voigt线性粘弹性模型来对其进行描述,并对计算结果与试验之间产生误差的主要原因进行分析。根据驱动器机电耦合致动过程中驱动器的准静态位移的非线性及轴向应力的变化对原模型进行改进。试验表明,在驱动器工作电压范围内,改进的广义Voigt模型能较好地描述驱动器机电耦合致动过程,此模型可用于介电弹性体圆柱形驱动器的性能预测和优化。 展开更多
关键词 介电弹性体 圆柱形驱动器 机电耦合 致动过程 Voigt模型
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基于介电弹性体的驱动器研究进展 被引量:1
12
作者 邓亚峰 周洪福 +1 位作者 李全来 李建 《中国塑料》 CAS CSCD 北大核心 2021年第11期161-172,共12页
针对目前介电弹性体驱动器成本高、能量转换效率低等问题,简要介绍了介电弹性体发电的基本原理及拉伸模式的研究进展,总结了国内外不同基于介电弹性体驱动器的构型研究进展,对不同类型的驱动器特点及适用场合进行了分析,并对它们的性能... 针对目前介电弹性体驱动器成本高、能量转换效率低等问题,简要介绍了介电弹性体发电的基本原理及拉伸模式的研究进展,总结了国内外不同基于介电弹性体驱动器的构型研究进展,对不同类型的驱动器特点及适用场合进行了分析,并对它们的性能特征、加工技术和潜在应用等方面进行了讨论。最后阐述了当前介电弹性体驱动器研究方面亟待解决的问题,并对进一步解决上述问题提出了建议。 展开更多
关键词 介电弹性体 驱动器 拉伸模式 机电耦合
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电场活化聚合物驱动器动态机电耦合特性研究 被引量:2
13
作者 陈娟 刘焜 《中国机械工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第19期2575-2580,共6页
通过分析电场活化聚合物材料的力学行为理论,建立了基于常见应变能函数(Mooney-Rivlin模型、Ogden模型和Yeoh模型)的电场活化聚合物驱动器的机电耦合本构模型。通过驱动实验,将3种机电耦合模型结果与实验数据进行了对比分析,得出影响电... 通过分析电场活化聚合物材料的力学行为理论,建立了基于常见应变能函数(Mooney-Rivlin模型、Ogden模型和Yeoh模型)的电场活化聚合物驱动器的机电耦合本构模型。通过驱动实验,将3种机电耦合模型结果与实验数据进行了对比分析,得出影响电场活化聚合物机电稳定性的重要因素,确定了最适用于电场活化聚合物的机电耦合性能行为的模型。 展开更多
关键词 电场活化聚合物 本构关系 机电耦合 驱动性能
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新型弹簧支撑介电弹性作动器的力学特性建模及参数影响分析 被引量:1
14
作者 毛伯永 谢石林 +1 位作者 苏健军 翟兴辉 《科学技术与工程》 北大核心 2019年第28期88-93,共6页
为了研究新型弹簧支撑介电弹性作动器参数对其力学性能的影响规律,基于热力学理论建立了作动器力电耦合模型,提出了作动器内置弹簧刚度和驱动变形表征方法,并通过试验进行了验证,在此基础上分析了薄膜参数对作动器力学性能的影响。结果... 为了研究新型弹簧支撑介电弹性作动器参数对其力学性能的影响规律,基于热力学理论建立了作动器力电耦合模型,提出了作动器内置弹簧刚度和驱动变形表征方法,并通过试验进行了验证,在此基础上分析了薄膜参数对作动器力学性能的影响。结果表明:该作动器在电压驱动下表现出了良好的轴向驱动特性,建立的力电耦合模型能够描述作动器的静态力学性能;作动器的静态刚度随薄膜轴向拉伸比、薄膜横截面积的增加而增大,随薄膜径向拉伸比、作动器有效长度及弹簧压缩量的增加而减少;而增大轴向、径向的拉伸比和薄膜横截面积可提高作动器的驱动性能。可见,研究结果可为作动器的设计和性能优化提供理论依据。 展开更多
关键词 介电弹性作动器 力电耦合模型 力学特性 参数影响
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混合拉伸模式下介电弹性体发电性能研究
15
作者 余国晖 陈洁 +1 位作者 李宝权 李玉麒 《新疆大学学报(自然科学版)(中英文)》 CAS 2022年第5期625-631,640,共8页
为探究介电弹性体发电机在等双轴预拉伸和锥形拉伸相结合下的发电特性,采用Neo-Hookean模型建立了介电弹性体在等双轴预拉伸和锥形拉伸情况下的机电不稳定性模型.运用Matlab/Simulink建立了介电弹性体发电机在此混合拉伸下的机电耦合模... 为探究介电弹性体发电机在等双轴预拉伸和锥形拉伸相结合下的发电特性,采用Neo-Hookean模型建立了介电弹性体在等双轴预拉伸和锥形拉伸情况下的机电不稳定性模型.运用Matlab/Simulink建立了介电弹性体发电机在此混合拉伸下的机电耦合模型,对介电弹性体发电机在不同预拉伸、输入偏置电压和锥形拉伸位移下的能量收集性能进行研究.实验及仿真结果表明:该混合拉伸模式不仅可以有效地改善机电不稳定性的影响,还可以提升介电弹性体发电机的能量收集性能.在预拉伸比为4、施加电压为2.5 k V、锥形拉伸位移为60 mm时,介电弹性体发电机产生的能量为114.49 m J,是相同条件下预拉伸比为2时的4倍. 展开更多
关键词 介电弹性体发电机 拉伸模式 机电耦合模型 能量转换
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高极性、低模量介电弹性体的合成及力电耦合性能 被引量:1
16
作者 周海洁 王彩艳 +3 位作者 陈玮珑 乔梓豪 石磊 李斌 《科学通报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第20期3047-3058,共12页
介电弹性体在人工肌肉、柔性传感、健康监测和能量收集等领域拥有广泛的应用前景.目前,介电弹性体存在介电常数低、模量高、黏弹性高等缺点,导致驱动电场大、机械损耗大.为了实现介电弹性体驱动器和传感器的高驱动应变、灵敏机电响应,... 介电弹性体在人工肌肉、柔性传感、健康监测和能量收集等领域拥有广泛的应用前景.目前,介电弹性体存在介电常数低、模量高、黏弹性高等缺点,导致驱动电场大、机械损耗大.为了实现介电弹性体驱动器和传感器的高驱动应变、灵敏机电响应,本研究提出了一种液体丁腈橡胶(LNBR)与丙烯酸丁酯(BA)和丙烯腈(AN)增塑制备高介电常数弹性体的方法.采用光固化法,将极性基团氰基引入聚合物网络中,合成了一种均相PAN/PBA/NBR(PPN)介电弹性体,提高介电常数(10.13@10 kHz)的同时,有效降低了弹性体的杨氏模量(96.47 kPa).与VHB和PBA相比,PPN的介电常数分别提高了2.3和1.2倍.PPN驱动器在低电场下能产生大的驱动应变(11.4%),且PPN传感器具有高灵敏度和快速响应的优势,可以实现人体运动监测.此外,该制备策略简单方便,可大规模生产,在柔性驱动和传感方面有着广阔的应用前景. 展开更多
关键词 介电弹性体 高介电常数 柔性传感 电致驱动 力电耦合
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温度对介电弹性体材料力电耦合变形的影响 被引量:3
17
作者 盛俊杰 张玉庆 +2 位作者 李树勇 刘磊 陈花玲 《固体力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2015年第2期129-136,共8页
介电弹性体(Dielectric Elastomer,简称DE)材料是一类在电场激励下可以产生大幅度尺寸或形状变化的新型柔性功能材料.DE材料具有非常宽的温度应用范围,这种宽的温度工作范围和快速大变形性能为各种柔性致动器结构提供了良好的基础,但作... 介电弹性体(Dielectric Elastomer,简称DE)材料是一类在电场激励下可以产生大幅度尺寸或形状变化的新型柔性功能材料.DE材料具有非常宽的温度应用范围,这种宽的温度工作范围和快速大变形性能为各种柔性致动器结构提供了良好的基础,但作为一种粘弹性高分子材料,温度对其性能的影响也是非常明显的.然而到目前为止,所有关于DE材料驱动性能的研究仅局限于室温条件下,温度变化对DE材料力电耦合稳定性的影响几乎没有相关报道.基于此,通过实验研究了温度对最常用的DE材料(VHB 4910,3M)力电耦合变形的影响,结果表明:升高温度可以提高DE材料的力电耦合变形;温度越高,DE材料越容易发生力电耦合失稳.然后,从热力学和粘弹性力学出发,建立了考虑温度影响后的DE材料的粘弹性力电耦合模型,数值模拟理论结果和实验结果定性地吻合. 展开更多
关键词 介电弹性体 温度 粘弹性 力电耦合
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介电高弹体的材料、结构和器件力学(英文)
18
作者 Feng-bo ZHU 《Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics & Engineering)》 SCIE EI CAS CSCD 2016年第1期1-21,共21页
目的:介电高弹体是典型电敏性材料,在外加电场的作用下会产生大的变形,这一特点使其成为人工肌肉致动的理想材料,近年来引起研究者的广泛关注。本文着重介绍介电高弹体的基本力学理论和方法,旨在为相关材料、结构和器件的设计提供参考,... 目的:介电高弹体是典型电敏性材料,在外加电场的作用下会产生大的变形,这一特点使其成为人工肌肉致动的理想材料,近年来引起研究者的广泛关注。本文着重介绍介电高弹体的基本力学理论和方法,旨在为相关材料、结构和器件的设计提供参考,也有助于不同专业背景的研究者了解并开展介电高弹体的相关研究。概要:本文介绍了近年来关于介电高弹体力电耦合问题的一些理论和数值研究,重点包括力电耦合的控制方程、材料本构关系、粘弹性响应、力电失稳以及致动器设计等方面。文中讨论了基于非平衡热动力学的介电高弹体力学模型处理复杂构型或与时间相关变形时常被采用的数值方法,优化介电高弹体致动极限的力学设计,以及介电高弹体力电响应在典型致动器中的应用。 展开更多
关键词 人工肌肉 智能材料 介电高弹体 力电耦合 本构关系 粘弹性 力电失稳 致动
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