关键词:
介电弹性体
硬磁软材料
软体结构
有限变形
突跳失稳
纤维增强
残余应力
粘弹性
摘要:
电/磁活性软材料在生物医学工程和智能结构等领域展现出广阔的应用前景。这类材料在外界电场/磁场的刺激下表现出的柔性变形特性和快速响应的能力,可实现复杂可控的变形模式,并有效拓展了软材料智能结构在复杂工况下的应用范围。在实际工况中,软体结构常受到力、电场、磁场等多种载荷的共同作用。材料的各向异性、粘弹性以及力-电/力-磁耦合特性共同影响着结构的非线性变形及稳定性。对于介电弹性体管驱动器(DETA),当考虑残余应力、粘弹性或纤维夹杂时,管将呈现复杂的力电耦合行为,并且在不同加载方式下,驱动器可能经历多种失效模式。对于硬磁软驱动器(HMSA),由应变失配导致的双层HMSA在外部磁场下具有更加复杂的的磁-力响应,其宏观几何与材料参数对驱动器工作空间、局部最大曲率等关键性能的影响尚未完全阐明。因此,准确预测软材料结构在复杂载荷下的非线性变形行为,在此基础上系统分析其多种失效模式,并建立相应的优化设计框架,对于设计和开发高性能的软体驱动器具有重要意义。本文以DETA和双层弯曲HMSA为主要研究对象,通过理论分析、数值模拟和实验相结合的方法,系统研究了两类驱动器在不同加载条件下的稳定性问题,深入分析了多种材料特性对驱动器非线性力学响应的影响。论文的主要研究内容如下:
首先,基于介电弹性体的热力学框架与本构关系,推导了包括DE板、膜、气球和管等典型软体结构的力电耦合变形控制方程,并建立了相应的数值模型。探讨了机电不稳定性随几何和材料参数的变化规律。基于两种经典粘弹性模型,分析了DE板的加卸载力学行为,并阐明了两类粘弹性模型的不同演化机制。针对硬磁软材料,推导了基于变形梯度(F-based模型)和旋转张量(R-based模型)的两种磁能表达形式对应的力-磁本构关系,并通过有限元软件进行了数值实现。通过与实验结果的对比,验证了两种模型的有效范围。
其次,通过引入与变形相关的介电常数,建立了有限厚度DETA的理论模型,并通过数值模拟验证了模型的准确性。分析了不同加载方式(力调控和电调控)及边界约束条件下DETA的力电响应。在力调控下,揭示了轴向力和电压之间的竞争关系,以及Gent模型的应变硬化特性对DETA非线性变形的影响。在电调控下,探讨了管的厚度、初始内压和介电常数对机电不稳定性和电击穿失效的影响。在轴向约束条件下,研究了DETA的两种失效模式(机电失稳和张力损失)及其竞争关系。最后,理论研究了螺旋纤维增强DETA的拉伸-膨胀-扭转耦合变形行为,分析了纤维刚度和角度对机电失稳模式的调控作用。
进一步,研究了残余应力和粘弹性效应对有限厚度DETA分岔和后分岔行为的影响。建立了考虑残余应力的理论模型,分析了DETA在电压、内压和轴向力共同作用下的分岔行为,并推导了起鼓分岔条件。结合Maxwell等面积法则,建立了管的相变条件,并通过实验和数值模拟验证了理论模型的准确性。探讨了电压、轴向力和残余应力对分岔和相共存条件的影响,揭示了分岔与电击穿之间的竞争关系。基于粘弹性数值模型,研究了粘弹性效应对DETA分岔临界压力和加卸载路径的显著影响。最后,分析了纤维夹杂对DETA临界和相共存内压的调控作用。
最后,搭建了磁力测试平台,实现了HMS结构从制备、磁化到驱动的完整过程。采用电磁铁和永磁体两种激励方式对HMS直/曲梁结构进行了驱动,并将实验与理论结果进行了对比。设计并制备了一种基于预拉伸诱导的残余应力双层弯曲硬磁软驱动器(HMSA)。建立了相应的理论模型,并通过实验和数值模拟验证了其有效性。进一步分析了预拉伸、厚度比和剪切模量比对驱动器的工作空间、重量及局部弯曲曲率的影响。结合非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ),建立了HMSA的多目标优化框架,得到了包括重量、局部弯曲曲率和工作空间在内的帕雷托(Pareto)前沿,揭示了三个目标之间的权衡关系。