光致形状记忆聚合物作动器及自调谐式俘能器的研究

摘要

光致形状记忆聚合物在外界光照的刺激下能够产生形变并且同时改变自身的杨氏模量。与形状记忆合金相比，光致形状记忆聚合物具有可塑性强，非接触式控制等优点，因此该材料具有良好的应用前景。本文主要以光致形状记忆聚合物为研究对象，针对其在梁的静态变形控制以及自调谐式压电俘能器方面展开研究。在对光致形状记忆聚合物进行建模时，首先根据比尔-朗伯-布格定律建立在光致形状记忆聚合物厚度方向上的光照强度分布。其次，根据对光致形状记忆聚合物照射光的波长不同，将该化学反应分为正反应和逆反应;通过一阶化学动力学方程对正、逆反应中的光学活性物质的浓度进行理论分析。在梁的静态变形控制研究中，本文建立了光致形状记忆聚合物在预拉伸条件下的本构方程，给出了在光致形状记忆聚合物作动器作用下梁的末端位移响应求解过程。随后在算例分析中对比了梁在不同的边界条件和外载荷作用下，光致形状记忆聚合物作动器对静态变形控制的效果;分析了当边界条件和外载荷确定时，光致形状记忆聚合物作动器在弹性梁上的最优粘贴位置。在此理论基础上，进行了悬臂梁静态变形控制实验，实验首先定性的验证了光致形状记忆聚合物作动器的可行性。其次，将光致形状记忆聚合物作动器作用下的悬臂梁末端位移实验数据与理论进行对比。在应用中，给出了光致形状记忆聚合物末端执行器的工作行程和最大负载。在自调谐式压电俘能器的研究中，首先针对材料的杨氏模量变化进行了理论建模，其次根据层合梁理论对各阶模态的固有频率的变化进行了求解，最后结合正压电效应，分析在采用纯电阻作为外部负载时，闭路条件下俘能器的输出电压及有效输出功率。

目录

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致谢

摘要

符号列表

附图列表

表格列表

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 课题研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 具有光致形状记忆效应的材料

1．2．2 形状记忆效应的理论建模

1．2．3 光致形状记忆聚合物的实验研究

1．2．4 形状记忆聚合物的应用

1．3 本文的主要研究内容

第2章 光致形状记忆聚合物在光照作用下的理论建模

2．1 引言

2．2 不同波长光照下，光活性物质的浓度建模

2．2．1 光照强度在光致形状记忆聚合物中的分布

2．2．2 一阶化学动力学模型

2．3 预拉伸条件下，光致形状记忆聚合物作动器的输出力

2．3．1 基于应变建立光致形状记忆聚合物作动器输出力

2．3．2 基于杨氏模量建立光致形状记忆聚合物作动器输出力

2．4 光致形状记忆聚合物的杨氏模量建模

2．5 一阶化学动力学模型验证

2．6 本章小结

第3章 光致形状记忆聚合物作动器的分析

3．1 引言

3．2 基于光致形状记忆聚合物的粱结构静态变形控制理论

3．2．1 光致形状记忆聚合物作动器变形控制的动力学建模

3．2．2 不同边界条件下的变形控制求解

3．3 算例分析

3．3．1 完全粘贴光致形状记忆聚合物作动器的悬臂梁

3．3．2 施加有外载荷弯矩的简支梁变形控制

3．3．3 光致形状记忆聚合物作动器的最优粘贴位置

3．4 光致形状记忆聚合物的制备

3．4．1 制备光致形状记忆聚合物的原材料介绍

3．4．2 制备光致形状记忆聚合物的实验设备

3．4．3 制备光致形状记忆聚合物的流程

3．5 悬臂粱静态变形控制实验

3．6 本章小结

第4章 光致形状记忆聚合物作动器应用-光致末端执行器

4．1 引言

4．2 光致末端执行器设计

4．3 双层光致形状记忆聚合物作动器的理论分析

4．3．1 光致形状记忆聚合物作动器的杨氏模量建模

4．3．2 双层光致形状记忆聚合物作动器的行程

4．3．3 双层光致形状记忆聚合物作动器的等效输出力

4．4 算例分析

4．4．1 单层光致形状记忆聚合物作动器

4．4．2 双层交长度光致形状记忆聚合物作动器

4．4．3 最优作动器长度下的性能分析

4．5 本章小结

第5章 基于光致形状记忆聚合物的自调谐式压电俘能器

5．1 引言

5．2 自调谐式压电俘能器

5．2．1 变杨氏模量功能建模

5．2．2 俘能器可调式频率分析

5．2．3 俘能器的机电耦合建模

5．3 算例分析

5．4 本章小结

第6章 结论

参考文献

附录

个人简介

攻读硕士学位期间科研成果