用于仿生推进的高分子聚合物(IPMC)电响应的仿真方法

摘要

螺旋桨作为一种发展已经比较完善的刚性推进方式，仍然存在一些不可克服的弊端。在寻求比螺旋桨更优越的推进方式时，联想到鱼的游动是通过自己身体的摆动，新型的驱动器材料应该具备柔软、能耗小等特点。作为人工肌肉的离子导电性高分子聚合物材料引起了注意，如果能以它作为驱动器的材料将使现有的刚性驱动方式完全改观。 本文的主要研究内容就是探索建立离子导电性高分子聚合物在电刺激下响应行为的仿真方法。离子导电性高分子聚合物是目前在国际上受到了广泛关注的一类新型复合材料。 本文首先介绍了离子导电性高分子聚合物的构成、性能特点、致动机理和用途，回顾了各国研究者在材料行为仿真方面建立的多种计算模型。然后基于对离子导电性高分子聚合物性能的理解和对数据的分析，选择了利用通用有限元软件ANSYS材料库中包含的压电陶瓷来模拟离子导电性高分子聚合物的变形行为。从压电陶瓷的计算模式中抽象出具有通用性的理论公式，寻找离子导电性高分子聚合物相应的等价材料参数，找出了等价材料参数的确定方法，建立了离子导电性高分子聚合物的参数等价模型。 最后用ANSYS 计算软件实现了梁模型的模拟，给出了仿真计算的程序体系，并对数值仿真的结果进行了分析和讨论，计算结果与实验数据误差不大，证实了该计算模型的可行性。为进一步探明离子导电性高分子聚合物复杂行为的仿真计算奠定了基础。