电场活化聚合物驱动器动态机电耦合特性研究

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。     

黏弹性材料动态时温模型及其宽频域动态力学特性研究

受真实作业工况中高频冲击载荷的影响,黏弹性材料的动态力学特性产生了较大的变化。为了准确预测宽频域内材料动态力学特性的变化情况,依据时温等效原理,结合Vogel-Fulcher-Tammann黏度方程,建立黏弹性材料动态时温等效（DTT）模型,并与分数阶温频等效模型进行对比。结果表明：DTT模型构造的主曲线具有更好的连续性和一致性,能更加精准地预测宽频域内黏弹性材料的动态力学特性。基于DTT模型,提出了构造宽频域内材料动态力学特性主曲线和诺模图的方法,同时,为了降低计算成本,缩短产品研制周期,研发了一款黏弹性材料动态力学性能计算与分析专用软件。     

多层回转体预紧结构层间转动试验

为研究含黏弹性材料多层回转体结构在轴向振动作用下的层间转动特性,设计了多层回转体试验件,进行了黏弹性材料压缩力学性能研究,建立了考虑黏弹性材料非线性力学特性的结构动力学模型。基于模态试验考察了不同预紧力条件下结构的模态变化规律,在此基础上开展了随机振动环境下试验件层间转动特性试验,获得了确定的层间转动现象,并研究了不同振动量级及预紧力对层间转动的影响。基于随机振动试验获得了含黏弹性材料回转体预紧结构层间转动与否的预紧力、振动量级分界线。相关试验结果可为工程设计提供支持。     

电场活化聚合物（DE）平面弯曲致动器设计

电场活化聚合物在电场力作用下会产生大幅度的形变,可用做微型致动器的理想材料。文章探索电场活化聚合物（DE）平面弯曲致动器的设计方法,为将来更为复杂致动器的设计和应用提供理论依据;阐述了电场活化聚合物卷筒型平面弯曲致动器的工作原理,建立了力学模型,设计了致动器的结构几何参数,推导了圆柱螺旋弹簧横向弯曲刚度及其挠度、转角的计算公式。数值模拟结果表明所设计的平面弯曲致动器可以实现预期的平面弯曲运动,从而验证了这种设计方法的正确性。     

基于有限元法的黏弹性材料动态力学参数测量方法

提出一种通过测量黏弹性空腔覆盖层反射系数,结合有限元法计算黏弹性材料动态力学参数的方法。分别测量黏弹性空腔覆盖层在两种不同背衬条件下的反射系数,并根据黏弹性空腔覆盖层反射系数的有限元计算模型,建立求解黏弹性材料动态力学参数的二元方程组。利用二元非线性方程组求根的牛顿迭代法,求解方程组可以获得黏弹性材料的复纵波声速和复剪切波声速,进而计算复弹性模量和复泊松比等其他黏弹性动态力学参数。在水声声管中采用双水听器法测量某种聚氨酯材料样品的反射系数,获得了黏弹性材料的动态力学参数,并讨论试验误差对结果的影响:当双水听器的幅值不一致时,对复弹性模量和复泊松比实部的影响较大;当双水听器的相位不一致时,主要影响复弹性模量和复泊松比实部的损耗因子。     

聚合物注塑内应力数值计算的黏弹性模型

在聚合物黏弹性理论和注塑蠕变实验的基础上,结合注塑成形的工艺特点,构建了注塑制品内应力计算的四元件串联力学模型,推导了相应的本构方程,提出了聚合物材料参数弹性模量和黏壶黏度系数的计算公式。为了验证模型的可靠性,利用该模型对聚合物平板注塑制件的内应力进行了模拟计算并与相关文献的实验结果进行比较。计算结果表明：模型对注塑内应力发展的表征可以用固体高聚物的结构和力学性能的相关研究进行解释,结果真实可靠。     

频率依赖性对黏弹性复合结构振动特性的影响分析

获取黏弹性材料频率依赖性对复合结构振动特性的影响,对于黏弹性复合结构建模及阻尼减振具有重要的意义。在合理引入黏弹性材料力学特性参数的基础上,创建了处于基础激励状态并且考虑频率依赖性的黏弹性复合结构动力学分析模型,并获得了复合结构固有特性和振动响应的求解公式。以贴敷黏弹性阻尼材料的悬臂钛板为例,用试验对所研发的模型进行了验证。最后,基于所创建的模型,分析了悬臂板贴敷两种不同的阻尼材料时,黏弹性材料的频率依赖性对复合结构振动特性的影响。具体可描述为:求解复合结构固有频率和非共振响应时可忽略黏弹性材料的频率依赖性,而求解模态损耗因子和共振振动响应时,需要引入黏弹性材料的频率依赖特性;假如不考虑频率依赖性,取黏弹性材料参数所考虑频率范围的平均值获得的结算结果与考虑频率依赖性时的结果更为接近。     

基于双弹簧双活塞本构模型的聚合物密封材料黏弹特性表征

提出一种新型的双弹簧、双活塞黏弹性本构模型来表征聚合物密封材料黏弹特性,并推导相应的蠕变方程和应力松驰方程。以聚四氟乙烯和聚醚型聚氨酯,在CETR UMT-2型试验机及LKDM-2000轮廓摩擦磨损仪上考察其蠕变、松驰特性,并与本构模型计算结果进行比较。该本构模型计算得到的聚四氟乙烯和聚醚型聚氨酯的蠕变、松驰特性与实验结果基本一致,表明该本构模型能较好地反映这2种聚合物材料的黏弹性质。     

基于电场活化聚合物的一维伸缩致动器设计

电场活化聚合物一维伸缩致动器是一种能够将电能直接转化为直线运动的装置,可应用于机器人等方面.文中以HN-1110T型DE材料的Ogden本构模型为基础,以卷筒型一维伸缩致动器为设计对象,探索可靠的电场活化聚合物一维伸缩致动器设计方法.     

电路板组件板级跌落冲击动力学分析

从黏弹性角度研究电路板组件跌落冲击作用下的动力学特性.电路板基板材料主要以高分子树脂为主,是典型的黏弹性材料.为了简化分析,假设电路板四边简支.从黏弹性角度,基于板模型计算电路板在跌落冲击作用下的动力学响应.结果表明,电路板的黏性系数和尺寸对板的动力学特性有显著影响.这不仅有助于认清电路板跌落冲击作用下的真实动力学特性,完善其理论研究;还为电路板可靠性设计和可靠度评估提供理论依据.     

柔性立管内衬层的非线性力学行为分析

由于聚合物材料的黏弹性,柔性立管内衬层易发生蠕变而"嵌入"至骨架层沟槽中,这一现象可能造成立管结构完整性缺失和骨架层撕裂等安全隐患,但现有的分析理论及有限元模型中,对材料的性质均是做了简单的线性假设,并未考虑聚合物材料的非线性黏弹性特性。基于PA11的试验测试结果,分别采用时间硬化非线性本构模型和考虑时温影响的多重积分非线性本构模型来表征材料性质,并对比两种模型与试验数据拟合情况。根据内衬层与骨架层的真实结构建立二维有限元数值模型,采用两种理论模型进行结构的非线性蠕变行为分析及对比。结果表明：非线性蠕变本构模型能够在在非稳态阶段和存在温度梯度的条件下,更加准确地预测的结构关键部位应变和应力,可为柔性立管内衬层的设计及评估提供借鉴和参考。     

短纤维增强PTFE密封复合材料的蠕变松弛模型

根据黏弹性理论,建立适合填充改性PTFE复合材料的蠕变松弛理论模型,通过数学方法推导其蠕变方程,利用蠕变方程进行蠕变曲线的拟合分析,并将计算结果与实验数据进行比较.结果表明:所建立的理论模型能够较好地表征PTFE复合材料的蠕变松弛特性,可用于预测材料的长时间力学行为及使用寿命;纤维的填充改性能够明显提高T F E材料的高弹模量,延长高弹变形平均推迟时间,从而明显改善材料的抗蠕变性能.     

聚合物超声波封接过程中超声传播的数值模拟

在聚合物超声波封接中超声波的传播效率能够实时反映聚合物材料的力学状态变化,使其能够成为封接中的参考变量.针对该参量对超声波封接过程中的超声波传播进行了有限元仿真,依据超声波封接过程建立包含工具头、微器件和底座等有限元模型.根据聚合物材料的黏弹性本构关系,模拟了不同温度和振幅下的超声波封接.通过计算模型中每组接触面间的接触力,研究界面间接触力与温度、振幅的关系,从而分析超声波在聚合物内的传播规律.结果表明:聚合物微器件熔接区内与温度、能量相关的力学性能模量对超声波在聚合物内的传播具有重大影响,超声波的传播效率随着微器件温度的升高而衰减,随着超声波振幅的增大而增加.     

聚合物熔体跨尺度挤出过程的黏弹性流变特性

在聚合物熔体微尺度动态黏弹特性实验的基础上，基于分子理论建立了跨尺度挤出过程中的熔体黏弹特性微尺度效应流变模型。流变模型反映了流道特征对黏弹性流动过程应力状态的影响。微尺度效应弱化了熔体的黏弹性流变响应，促进了分子链松弛。模型的微尺度效应通过储能模量和耗能模量的微尺度效应系数及二者的比值表征。微尺度效应系数越小，特征尺度对黏弹特性的影响越显著；黏弹性微尺度效应系数比值越小，特征尺度对松弛过程的影响越明显。     

聚合物分散液晶（PDLC）光开关研究

聚合物分散液晶材料具有电控开关特性 ,利用材料的这一特性制成聚合物分散液晶光栅则具有衍射特性的电场可调性。理论和实验表明 ,采用一定的材料配方和工艺 ,可以获得理想的聚合物分散液晶全息光栅 ,若干个不同频率的光栅叠加可以制成实现多点光切换的光开关     

电活性聚合物材料及其在驱动器中的应用研究

介绍电活性聚合物(Electro-active polymer,EAP)材料的基本概念与分类,并以离子聚合物-金属复合材料(Ionicpolymer-metal composites,IPMC)和介电弹性材料(Dielectric elastomers,DE)分别作为离子型和电子型EAP材料的典型代表,详细介绍其国内外研究现状。重点介绍本课题组对上述两种材料的制备工艺、基础理论等方面的研究进展及成果。针对IPMC材料,研究了制备工艺对电极沉积的影响及工艺优化、IPMC界面物理模型、铸膜及封装技术、IPMC材料大变形机理及建模;针对DE材料,研究其电致驱动的机电耦合特性及预拉伸、温度及黏弹性对其机电耦合稳定性的影响。简要介绍本课题组在基于EAP材料的微泵、微镜头驱动器以及面向微创手术的多自由度机械臂等方面的应用研究成果。     

剪切型阻尼U型柔性铰链设计与实验分析

根据柔性铰链的无阻尼结构特点,并利用黏弹性阻尼材料的剪切损耗特性,提出一种剪切型阻尼U型柔性铰链的结构模型,并结合GHM(Goulla-Hughes-MacTavish,简称GHM)黏弹性理论模型建立带阻尼铰链动力学方程。该铰链通过提高外加黏弹性阻尼层材料的剪切效应,达到增强结构阻尼目的。为了测试剪切型阻尼结构对该U型铰链的振动抑制效果,对其进行自由振动信号测试和动态力学分析(dynamic mechanical analysis,简称DMA)实验。结果显示,该阻尼结构能使铰链结构在120~150Hz的共振频段内因振幅增大,阻尼层剪切效应加剧,出现明显的阻尼损耗峰值,有效增强了铰链的结构阻尼。     

隔振橡胶材料超弹性本构模型适用性研究

填充橡胶材料在工程减隔振结构中广泛应用，对其超弹性力学特性的准确模拟对工程结构的服役性能准确预测至关重要。针对一种隔振橡胶材料试样进行了单轴拉伸(UT)、单轴压缩(UC)和简单剪切(SS)试验等3种基本材料力学试验，对其超弹性力学行为进行了表征，讨论了在3种力学试验数据不全的情况下4种常用超弹性本构模型预测其他变形模式的能力，并提出了3个误差评价指标和1个拟合优度系数R来评价拟合精度。最后，根据研究结果，讨论了不同试验条件下超弹性材料本构模型的适用性并给出了选择建议。     

电场活化聚合物卷筒型致动器设计方法研究

通过研究电场活化聚合物(dielectric elastomer,DE)卷筒型致动器的工作原理,分别构建出一维伸缩驱动器、平面弯曲驱动器和平面转角驱动器的力学模型,并提出其设计方法。数值模拟的结果表明,所设计的卷筒型致动器可以实现预期的伸缩、平面弯曲和平面转动等运动,从而为该类微致动器的进一步设计研究和应用奠定基础。     

泡孔微结构对弹性泡沫材料宏观压缩力学性能的影响分析

弹性泡沫材料是一类典型的非均质多孔材料,其宏观力学特性取决于基体材料特性和细观组成。通过构造一系列泡孔规则分布、朝向随机的椭圆形泡孔模型,以及随机分布圆形泡孔模型,采用有限元方法分析了弹性泡沫材料细观变形机制,以及泡孔形状、泡孔分布以及孔隙率等因素对弹性泡沫材料宏观压缩力学性能的影响规律。细观力学模型计算结果表明,弹性泡沫材料的单向压缩应力—应变曲线表现出泡沫材料共有的三阶段变形特性;与椭圆形泡孔模型相比,圆形泡孔模型具有较长的压缩平台段和稳定的力学性能;制备规则分布的球形泡孔结构是弹性泡沫材料微结构设计的优选方案。研究结果可用于指导弹性泡沫微结构设计。