介电蠕动驱动器的大变形力电耦合分析.pdfVIP

中国力学学会学术大会2011 （CCTAM2011 ） 介电蠕动驱动器的大变形力电耦合分析1) * * *2) 孙文杰 伍晓红 周进雄 * （西安交通大学航天航空学院，西安 710049 ） 摘要：蠕动驱动器在生物医疗、空间技术、微流体设备和机器人等众多领域有着不可替代的作用。 其中由涂有柔性电极的介电弹性体(Dielectric Elastomer)制造的新型线性蠕动驱动器备受关注。基于 非线性弹性大变形理论，采用Arruda-Boyce应变能模型，本文分析了蠕动泵中的DE 管状驱动器在 静态时的大变形力电耦合特性，讨论了轴向预拉伸对驱动变形量的影响，预测了由介电弹性体击穿 电压限制的驱动器的最大驱动变形量。本文的研究扩展了以往基于线弹性变形理论的相关研究，有 益于深入理解这种新型驱动器在大变形下的机电耦合行为。 关键词：介电弹性体；蠕动泵；大变形；力电耦合；Arruda-Boyce 模型 引言 介电弹性体 （Dielectric Elastomer)，也称电致活性聚合物人工肌肉，在外加电场下能够产生较 大的应变及作用力，已经广泛应用于发电机、传感器、驱动器、空间技术、微流体设备以及机器人 [1-4] 等众多领域 。与传统的驱动器相比，电活性聚合物材料驱动器具有质量轻、伸长应变大、能量密 度高、响应速度快、环境适应性好，制造简单、更接近于生物肌肉等突出特点。目前，由于DE驱动 [5-7] 器的显著特征而在理论和实验方面激起了广泛的深入研究 。 最近，DE材料被提出来设计一种用来传输不可压缩流体的新型蠕动泵，其中有关DE蠕动泵的 [8] 理论分析以及实验数据的测量工作已经完成 。图1 描述了这种新型线性蠕动泵的工作机理；对于 这个新型线性蠕动泵，它是由一些空心且可以沿环向扩张的的柔性管状单元组成，在每一节管状单 元的内壁和外壁施加一定的电压，在电压的作用下，每一节单元通过环向的扩张使得液体流入到管 [9] 内，然后通过环向的收缩使得管内的液体挤压到下一单元 。目前对于蠕动泵的理论分析以及数值 [10] 模拟计算，大多都是基于线性弹性理论下的小变形；Zhu 等 基于Neo-Hookean 应变能模型下，分 析了单一管状驱动器的非均匀大变形问题。 1) 基金项目：国家自然科学基金项目 资助 2) Email: jxzhouxx@mail.xjtu.edu.cn 1 中国力学学会学术大会2011 （CCTAM2011 ） 由于线性蠕动泵是由一系列等距的DE 管状驱动器组成，为了更好、深入的研究这种特殊泵在 液体传输过程中的各项性能以及稳定性，我们基于Arruda-Boyce应变能模型，分析了蠕动单元的均 匀大变形，讨论了轴向预拉伸对驱动变形量的影响，预测了由介电弹性体击穿电压限制的驱动器的 最大驱动变形量。研究结果延伸了以往基于线弹性变形理论的相关研究，有益于深入理解这种新型 驱动器在大变形下的机电耦合行为。 图1 蠕动泵工作机理 图2 力学分析模型 一、控制方程 图2 所示为本文分析过程中所用力学模型，一个内壁和外壁均涂有柔性电极的介电弹性体管状 单元，选择初始无应力状态下的管状单元作为参考构型，在此状态下单元的轴向长度为L，内径与 l a 外径分别为A 、B ；在轴向预应力P 的作用下，其长度变为 ，内径与外径分别变为 、