基于二次正交回归实验的电场活化聚合物变形特性的建模与仿真研究

摘要

电场活化聚合物是电子型电活性聚合物中的一类膜状的绝缘塑料，其富有弹性、重量轻、驱动效率高、抗振动性能好，类似动物的肌肉诸多特点。特别是它在直流电场作用下会产生大幅度的应变，其变形率远大于压电陶瓷等传统的电致伸缩材料的特点，这就使得这类材料具备了作为微型机械中电致动器（Actuators）基础材料的可能性，甚至被视为将来在机器人、特别是微型机器人中作为制造人造肌肉的理想材料；同时也是构造未来更具柔性的微驱动器的最具优势的材料之一，在医疗、仿生机械微驱动和传感等方面具有极大的应用潜力。由于我国国内对电场活化聚合物的研究尚处在起步研究阶段，因此，我们开展了对电场活化聚合物变形特性的研究。 本文主要研究内容是以电场活化聚合物的选择到材料特性的试验研究为基础，采用二次正交回归试验方法建立了电场活化聚合物变形的模拟仿真数学模型，在AutoCAD平台上用Visual Lisp语言开发了电场活化聚合物变形机理模拟仿真程序，不仅有效地验证了对电场活化聚合物变形机理的研究结论，而且证明二次正交回归的试验方法所建立的数学模型是可行的，模拟仿真的效果令人满意。 本文的创新之处是通过实验定量地研究预应力大小对材料变形的影响，包括降低麦克斯韦应力、加快响应速度、减小介电常数、减少变形等等，这些影响在国外文献中曾定性地提及，但定量的分析未见报道，我们大量的实验数据充分填补了所缺的此项空白，从而为将来电场活化聚合物在不同场合的实际应用、特别是实现任何复杂运动、开发出任何复杂产品在动力学应用方面打下坚实的理论基础。

目录

文摘

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致谢

第一章绪论

1.1课题的背景

1.2智能材料在微机械中的研究状况

1.2.1智能材料的定义

1.2.2智能材料的几种基础材料研究状况

1.2.3人造肌肉的研究状况

1.3本课题研究内容

第二章新型智能驱动材料-电活性聚合物(Electroactive ploymer,EAP)

引言

2.1微机械系统对驱动材料的要求

2.2微驱动新型材料-电活性聚合物

2.2.1电活性聚合物的定义

2.2.2电活性聚合物的分类及特性

2.2.3电活性聚合物与传统微驱动材料特性的比较

2.3电活性聚合物的应用及发展趋势

第三章电场活化聚合物变形特性试验过程与分析

3.1试验目的

3.2试验材料及设备

3.2.1试验材料

3.2.2试验设备

3.2.3定性试验装置

3.2.4定量试验系统构成

3.3单因素试验结果及分析

3.3.1电极两端电压与变形率的关系

3.3.2预变形与变形率的关系

3.3.3窗口形状、尺寸与变形率的关系

3.3.4电极厚度与变形率的关系

第四章基于二次正交回归试验的电场活化聚合物的多因素研究

引言

4.1二次正交回归设计基本理论

4.1.1概述

4.1.2二次正交回归方程的建立

4.1.3回归方程的显著性检验

4.1.4回归系数的检验

4.2二次正交回归设计程序流程图

4.3本课题试验安排及数据处理

4.3.1试验设计

4.3.2试验结果与数据处理

4.3.3回归方程显著性检验

第五章电场活化聚合物变形的仿真模型建立

5.1微机械系统建模与仿真概述

5.1.1仿真建模的基本理论

5.1.2建模方法

5.2模拟仿真模型的建立

5.2.1电场活化聚合物变形机理的物理模型

5.2.2电场活化聚合物变形机理的数学模型

5.3电场活化聚合物变形机理数学模型的显著性检验

第六章用AUTOLISP语言实现电场活化聚合物特性的模拟仿真

引言

6.1AUTOLIASP程序设计语言

6.1.1AUTOLIASP语言的简介

6.1.2AUTOLISP语言的特点

6.1.3加载和运行AUTOLISP程序

6.1.4AUTOLISP的程序结构特点

6.1.5AUTOLISP语言缺陷及改进方法

6.2仿真程序设计理论

6.2.1仿真程序体系结构

6.2.2仿真软件主要功能模块

6.2.3下拉菜单设计

6.3仿真程序的运行和结果分析

第七章结论与展望

7.1研究结论

7.2工作展望

参考文献

攻读硕士期间已发表的学术论文