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超弹性模型基于ANSYS的超弹性模型参数确定

2022/07/16177 作者:佚名
导读:超弹性模型研究背景 电场活化聚合物(Dielectric Elastomer)是一类膜状绝缘材料(如软硅树脂、聚丙烯酸橡胶等),在直流电场作用下会产生大幅度的形变(面积增大,厚度减小),这种现象被称为麦克斯韦尔应力。由于此类材料变形幅度大(例如软硅树脂的应变可以达到20%~30%,而聚丙烯酸橡胶甚至可以提供更大的应变和能量输出,其线性应变达380%之多)、反应速度快(微秒级),使得它们具备了作为制

超弹性模型研究背景

电场活化聚合物(Dielectric Elastomer)是一类膜状绝缘材料(如软硅树脂、聚丙烯酸橡胶等),在直流电场作用下会产生大幅度的形变(面积增大,厚度减小),这种现象被称为麦克斯韦尔应力。由于此类材料变形幅度大(例如软硅树脂的应变可以达到20%~30%,而聚丙烯酸橡胶甚至可以提供更大的应变和能量输出,其线性应变达380%之多)、反应速度快(微秒级),使得它们具备了作为制作电致动器(Actuators)或者反过来制作传感器(Sensors)的基础材料的可能性,又由于此类材料具有柔软性,因而甚至被视为将来制造人造肌肉的理想材料。

超弹性模型超弹性拟合曲线确定模型参数

表 1 超弹性曲线拟合模型类型 已经发展起来的橡胶类材料的数学模型有多种(见表1) ,利用ANSYS提供的线性和非线性回归算法,直接输入超弹性材料的试验数据可以获得其材料参数值和拟合曲线,通过比较试验数据与拟合曲线之间的逼近程度选取最合适的超弹性模型。

超弹性拟合曲线是一个通过输入试验数据用来计算模型材料的力学模型常数的工具,可以通过命令流的方式来实现曲线拟合。输入试验数据,从超弹性模型提供的九个模型中选择一个或数个模型,计算出模型参数,绘制出拟合结果,把这个拟合结果和实验数据进行比较,选出合适描述材料的超弹性模型。

表2 单轴拉伸试验数据 表2 为单轴拉伸是的实验数据和计算结果。其中力和变形量一栏是实验测量数据,面积为变形后的面积,应变为变形量比原长,应力为力比变形后的面积,变形率为1加应变,把这些数据代入上面推导出的表达式计算出工程应力,与试验中实测的工程应力值相比较,最终得到两者的相对误差不超过13.4%,从而验证了推导出的电场活化聚合物工程应力表达式的正确性和可实用性,计算结果见表2(实际数据比较多,这里只取了其中的一部分)。

超弹性模型研究结论

研究利用连续介质力学理论,采用Mooney-Rivlin模型和Ogden模型推导出了电场活化聚合物(DE)的力学性能公式。根据实验测出的应力T和相应的主变形率 λ 等,可以通过数据拟合获得两种模型公式中的材料常数,从而得到能正确描述电场活化聚合物力学性能的数学模型,用于后续研究和电场活化聚合物致动器、传感器元件的设计。

*文章为作者独立观点,不代表造价通立场,除来源是“造价通”外。
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