新型复合式柔性触觉传感器研究与仿真

摘要

本文介绍了目前国内外复合式柔性传感器的研究现状和技术上存在的问题,以及有限元技术在传感器设计中应用现状。
　　 论文首先研究了柔性触觉传感器用力敏导电橡胶的材料特性,针对目前现有的橡胶材料本构模型,通过有限元分析和实验对比,从而得到可以准确描述力敏导电橡胶的本构模型和材料参数,并分析了力敏导电橡胶的表面压阻效应和体压阻效应,为传感器模型仿真提供依据。
　　 其次,论文提出了一种柔性三维力传感器的结构和数学模型,并针对该传感器模型,利用有限元分析软件ANSYS,对传感器模型进行加载力分析,通过提取和分析传感器模型在三维力作用下的应力应变信息,并结合三维力传感器加载试验结果,验证了传感器三维力数学模型。实验表明,传感器在一定的量程范围内,实验和仿真结果均符合理论分析。
　　 最后,针对复合式柔性传感器的结构特点,采用有限元优化设计算法,对传感器模型进行结构上的改进,从而获得传感器的最优化模型。针对复合式传感器的温度测试原理,对传感器进行热学特性分析,为传感器结构的进一步优化和设计提供了依据。

目录

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第一章 绪论

1.1 课题的研究意义

1.2 课题国内外的概况

1.3 有限元方法在传感器设计中的应用

1.4 本课题来源及主要研究工作

第二章 非线性力敏导电橡胶材料的有限元分析法

2.1.橡胶材料的本构关系

2.2.1 橡胶材料的统计理论

2.2.2 唯象理论

2.2 橡胶材料本构模型

2.2.1 Neo-Hookean材料

2.2.2 Rivilin表达式

2.2.3 Yeoh模型

2.2.4 Mooney-Rivlin模型

2.3 力敏导电橡胶的本构模型

2.1.1 不同本构模型的对比

2.1.2 二参数模型的对比分析

2.4 力敏橡胶表面电阻

2.5 力敏导电橡胶压阻效应分析

2.6 小结

第三章 柔性复合式传感器结构有限元与实验分析

3.1 有限元分析方法

3.1.1 有限元分析原理及概述

3.1.2 力敏导电橡胶的非线性有限元分析

3.2 三电极传感器结构设计

3.2.1 三维力数学模型

3.3 传感器结构仿真与实验分析

3.3.1 模型仿真

3.3.2 仿真与实验分析

3.4 模型试验与讨论

3.5 小结

第四章 柔性复合式传感器的结构优化

4.1 一种四电极原理的三维力传感器

4.1.1 传感器结构和数学模型

4.1.2 传感器模型仿真与分析

4.2 有限元优化设计

4.2.1 ANSYS优化设计

4.2.2 基于ANSYS的优化设计方法和流程

4.3.传感器材料和结构参数的优化

4.3.1 触头弹性模量对传感器性能的影响

4.3.2 不同触头形状传力效果分析

4.4 小结

第五章 复合式传感器的力与温度耦合分析

5.1 耦合场的有限元计算

5.2 复合式传感器的有限元耦合分析

5.2.1 温度对力传感器的影响

5.2.2 传感器温度测量单元仿真研究

5.3 小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 下一步的工作及展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文