復(fù)合式介電彈性體發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

復(fù)合式介電彈性體發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)摘要：介電彈性體材料作為一種新型的電活性材料，既可以用于驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，作為優(yōu)秀的人工肌肉材料；也可用于發(fā)電領(lǐng)域，具有能量密度高、形變大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等突出特點(diǎn)，本文針對(duì)復(fù)合式介電彈性體發(fā)電機(jī)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)復(fù)合式介電彈性體發(fā)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)其實(shí)用性進(jìn)行了初步的探索，主要內(nèi)容包括：通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)的分析，了解和掌握了新型介電彈性體材料及其發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)閱讀相關(guān)文獻(xiàn)和書(shū)籍，學(xué)習(xí)和掌握介電彈性體的發(fā)電方法，運(yùn)用仿真軟件對(duì)介電彈性體發(fā)電過(guò)程進(jìn)行了仿真研究。在對(duì)介電彈性體發(fā)電特點(diǎn)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)復(fù)合式介電彈性體發(fā)電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。運(yùn)用Solidworks三維繪圖軟件進(jìn)行繪圖，并設(shè)計(jì)二維尺寸圖。運(yùn)用Ansys軟件進(jìn)行有限元仿真和優(yōu)化。設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的控制電路，實(shí)現(xiàn)壓電-介電彈性體復(fù)合式能量回收發(fā)電。關(guān)鍵詞：介電彈性材料；復(fù)合式；機(jī)械結(jié)構(gòu)CompositedielectricelastomergeneratordesignCollegeofEngineeringxxxxxxInstructor:CaoJianbo(AssociateProfessor)Abstract：Asanewtypeofelectroactivematerial,dielectricelastomermaterialcanbeusedinthefieldofdriving,asanexcellentartificialmusclematerial;itcanalsobeusedinthefieldofpowergeneration,withoutstandingcharacteristicssuchashighenergydensity,largedeformation,simplestructureandlowcost.Inviewofthecurrentsituationanddevelopmenttrendofcompositedielectricelastomergenerators,combinedwiththeadvantagesanddisadvantagesofstructuraldesignofpowergenerationdevicesathomeandabroad,thecompositedielectricelastomergeneratorsareoptimizedandtheirpracticabilityisexplored.,Themaincontentsinclude:(1)Throughtheanalysisofrelevantliteratureathomeandabroad,thestatusquoanddevelopmenttrendofnewdielectricelastomermaterialsandtheirpowergenerationtechnologiesareunderstoodandmastered.(2)Byreadingrelevantliteratureandbooks,learningandmasteringthepowergenerationmethodofdielectricelastomer,simulationsoftwarewasusedtosimulatethepowergenerationprocessofdielectricelastomer.(3)Basedontheresearchonthecharacteristicsofdielectricelastomerpowergeneration,themechanicalstructureofthecompositedielectricelastomergeneratorisdesigned.DrawingwithSolidworks3Ddrawingsoftwareanddesigning2Ddimensionaldrawings.FiniteelementsimulationandoptimizationusingAnsyssoftware.Thecorrespondingcontrolcircuitisdesignedtorealizepiezoelectric-dielectricelastomercompositeenergyrecoverypowergeneration.Keywords:dielectricelasticmaterial;composite;mechanicalstructure1緒論研究背景及意義世界是由各種各樣的材料構(gòu)建起來(lái)的，尋求高力學(xué)性能并能滿足實(shí)際應(yīng)用的材料是科研人員的不懈追求。長(zhǎng)期以來(lái)，關(guān)于材料的科學(xué)研究大多集中于硬材料領(lǐng)域，例如傳統(tǒng)的金屬、陶瓷等。然而隨著社會(huì)和科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，傳統(tǒng)的硬質(zhì)材料已經(jīng)不能滿足社會(huì)生產(chǎn)和日常生活的很多需要。與此同時(shí)，仿生學(xué)的飛速發(fā)展給科研人員們指明了又一條道路——軟材料。我們知道，在自然界中，動(dòng)、植物結(jié)構(gòu)通常都是軟材料組成的，由這些軟材料所組成的柔性結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)各種高難度的動(dòng)作和難以想像的功能，這給了科研人員們以啟發(fā)。1991年，法國(guó)物理學(xué)家DeGennes在諾貝爾物理學(xué)頒獎(jiǎng)典禮上發(fā)表了一篇以“軟材料”為題的演講，這大大推動(dòng)了軟材料及其相關(guān)新興學(xué)科和研究領(lǐng)域的發(fā)展。介電彈性體是一種典型的智能軟材料，最初由美國(guó)斯坦福研究院于1991年提出并開(kāi)始研究?；诮殡姀椥泽w智能軟材料的可變電容性質(zhì)，它能夠在外加電場(chǎng)和機(jī)械力下產(chǎn)生大變形，撤去機(jī)械力后，又能夠利用彈性回復(fù)作用恢復(fù)形狀從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。它實(shí)質(zhì)上利用機(jī)械能將電能從一個(gè)較低水平激勵(lì)到一個(gè)較高水平，而這部分電能增加量即由機(jī)械能轉(zhuǎn)換而來(lái)。利用這一性質(zhì)我們可以設(shè)計(jì)制作能量收集器來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換，如圖1-1所示。圖1-1介電彈性體機(jī)電轉(zhuǎn)換特性介電彈性體的特性與其能量收集原理共同作為一個(gè)紐帶，連接了智能軟材料這一新興領(lǐng)域與能源問(wèn)題這一傳統(tǒng)問(wèn)題。因此我們有理由堅(jiān)信，致力于介電彈性體智能軟材料在能量收集方面的研究具有重要意義。介電彈性體的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀介電彈性體驅(qū)動(dòng)特性研究現(xiàn)狀國(guó)外學(xué)者對(duì)介電彈性體驅(qū)動(dòng)器展開(kāi)研究，始于上個(gè)世紀(jì)世紀(jì)末期。國(guó)外在介電體材研究領(lǐng)域比較著名的研究機(jī)構(gòu)有：美國(guó)斯坦福研究所(SRI)、美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)、比薩大學(xué)、韓國(guó)成均館大學(xué)等。其中SRI公司最早開(kāi)展介電彈性體驅(qū)動(dòng)器的研究，研制出了多種結(jié)構(gòu)型式驅(qū)動(dòng)器。上世紀(jì)90年代末，介電彈性體驅(qū)動(dòng)器首次被用作人工肌肉展開(kāi)研究，介電彈性體材料的研究和使用推動(dòng)了人工肌肉的發(fā)展，并逐漸發(fā)展成智能材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。2006年，美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)設(shè)計(jì)并制造出一種菱形介電彈性體驅(qū)動(dòng)器，并研發(fā)出一種新型彈跳機(jī)構(gòu)。一年以后又設(shè)計(jì)制作了圓環(huán)形介電彈性體驅(qū)動(dòng)器。2007年，來(lái)自韓國(guó)成均館大學(xué)的研究人員，成功設(shè)計(jì)并制造出一種新型蚯蚓機(jī)器人，該機(jī)器人采用圓柱形介電彈性體驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)蚯蚓機(jī)器人行走，如圖1-2所示。該驅(qū)動(dòng)器直徑為5.8mm，重量?jī)H僅為0.02g，動(dòng)蚯蚓機(jī)器人行走速度可以達(dá)到1mm/s。圖1-2驅(qū)動(dòng)蚯蚓機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器機(jī)構(gòu)國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)介電彈性體電驅(qū)動(dòng)效應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)展開(kāi)積極的相應(yīng)的研究。圖1-3展示了四種常用的介電彈性體驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)形式，分別為管型驅(qū)動(dòng)器、折疊型驅(qū)動(dòng)器、堆棧型驅(qū)動(dòng)器、卷形驅(qū)動(dòng)器。不同結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器，在電能機(jī)械能轉(zhuǎn)化率和形變大小、變化頻率等不同方面有著各自的優(yōu)勢(shì)。圖1-3各介電彈性體驅(qū)動(dòng)器機(jī)構(gòu)介電彈性體發(fā)電特性研究現(xiàn)狀介電彈性體發(fā)電機(jī)是一種基于可變電容原理的新型微發(fā)電機(jī)，在構(gòu)造上分為三層：中間層為介電彈性體材料，其余兩層為柔性電極材料，如圖1-4所示。柔性電極由碳、石墨、硅油和硅膠按一定比例混合制成。圖1.4介電彈性體發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖1.5表示的是介電彈性體發(fā)電系統(tǒng)總體方案，總體由機(jī)械機(jī)構(gòu)、介電彈性體和電氣接口等部分構(gòu)成。介電彈性體有將廣泛存在于自然界的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的能力。發(fā)電循環(huán)完成后，通過(guò)電壓變換器等電氣環(huán)節(jié)，將產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成高壓或低壓的形式供負(fù)載使用或者傳輸?shù)絻?chǔ)能元件中。機(jī)械能通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)被傳遞到介電彈性體，介電彈性體內(nèi)部應(yīng)變/應(yīng)力的變化使機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽ㄔ谌嵝噪姌O上產(chǎn)生一種交變電荷）。所得到的電能不能直接與能量?jī)?chǔ)存裝置或電子、電氣設(shè)備直接相連接，需要電氣接口將交流電能轉(zhuǎn)換為需要的直流電能。電氣接口在該系統(tǒng)中還有優(yōu)化改善能量轉(zhuǎn)換效率的重要作用。圖1-5介電彈性體發(fā)電系統(tǒng)總體方案介電彈性體發(fā)電機(jī)能夠?qū)⒆匀画h(huán)境中的低頻率大幅度機(jī)械能，如風(fēng)能、海洋能轉(zhuǎn)換為電能。介電彈性體發(fā)電機(jī)的發(fā)電周期包括如下階段，預(yù)拉伸、預(yù)充電荷、收縮回復(fù)形變和釋放電荷四個(gè)階段，其產(chǎn)生電能的過(guò)程如下：(1)首先通過(guò)機(jī)械拉伸變形將應(yīng)變能存儲(chǔ)在介電彈性體發(fā)電機(jī)中（外力做功）。通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置，由自然環(huán)境中機(jī)械能（風(fēng)能、海洋能等）帶動(dòng)介電彈性體發(fā)電機(jī)進(jìn)行拉伸與壓縮的往復(fù)運(yùn)動(dòng)；(2)施加高壓偏置為介電彈性體發(fā)電機(jī)充填電荷。在介電彈性體發(fā)電機(jī)上下兩層柔性電極間填充電荷，通過(guò)其機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電能；(3)介電彈性體發(fā)電機(jī)弛豫，釋放機(jī)械變形，此時(shí)介電彈性體發(fā)電機(jī)厚度增加，電極面積減小，電荷勢(shì)能提高(發(fā)電過(guò)程)。(4)通過(guò)電能變換器變換，將介電彈性體發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能降壓后供負(fù)載使用，或者把電能存儲(chǔ)到儲(chǔ)能裝置中待用。目前，對(duì)介電彈性體發(fā)電機(jī)所進(jìn)行的研究工作主要集中在介電彈性體發(fā)電機(jī)發(fā)電原理及基本理論研究和介電彈性體發(fā)電機(jī)樣機(jī)的試制與實(shí)驗(yàn)工作兩個(gè)方面。關(guān)于發(fā)電原理的研究奠定了介電彈性體發(fā)電機(jī)研究的理論基礎(chǔ)，其內(nèi)容主要集中于介電彈性體發(fā)電機(jī)基本發(fā)電原理的研究；通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行介電彈性體發(fā)電機(jī)發(fā)電原理的驗(yàn)證工作；介電彈性體發(fā)電機(jī)工作邊界條件與其發(fā)電效率的研究以及分析介電彈性體發(fā)電機(jī)的機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)理及耦合因素。而通過(guò)不同樣機(jī)的試制與實(shí)驗(yàn)工作，可以驗(yàn)證介電彈性體發(fā)電機(jī)的性能特點(diǎn)，并探索其中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。Prahlad等人，將介電彈性體發(fā)電機(jī)與電磁發(fā)電機(jī)和電場(chǎng)激活技術(shù)做比較，羅列出介電彈性體發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)舉例介電彈性體發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)的各種應(yīng)用場(chǎng)合。文獻(xiàn)提出一種丙烯酸材料的腳跟發(fā)電機(jī)，它可以把人體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能。這種發(fā)電機(jī)擁有400J/g的能量密度，每走一步可以輸出800兆焦耳的電能。后來(lái)，研究人員提出另一種基于丙烯酸彈性體的發(fā)電機(jī)，它沒(méi)有任何外部機(jī)械系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)施加壓力并可以輸出28uJ電能。美國(guó)的SRI（斯坦福研究所）研究所提出了一種鞋式發(fā)電機(jī)(如圖1-6)可以將步行能量轉(zhuǎn)換為電能以及一種聚合體發(fā)電/電動(dòng)裝置。和鞋式壓電發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能量輸出相比，鞋式介電彈性體發(fā)電機(jī)的電能輸出量更好，它可以把人體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能。這種發(fā)電機(jī)擁有400J/g的能量密度，每走一步可以輸出0.8焦耳的電能。另外該機(jī)構(gòu)還研究介電彈性體的膨脹變形代替原有的活塞式的單軸形變，從另一方面證明了介電彈性體在發(fā)電實(shí)現(xiàn)方面具有更好的適應(yīng)性和更廣泛的應(yīng)用前景。圖1-6鞋式介電彈性體發(fā)電機(jī)機(jī)構(gòu)圖除了回收人體動(dòng)能領(lǐng)域，介電彈性體發(fā)電機(jī)在更具挑戰(zhàn)性的環(huán)境也表現(xiàn)出相當(dāng)大的潛力，比如風(fēng)能和波浪能。一種基于聚合物的水磨發(fā)電機(jī)，通過(guò)曲軸連接到一個(gè)旋轉(zhuǎn)的水車，在實(shí)驗(yàn)中小水泵每轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生35兆焦耳的能量。一個(gè)相似的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，放置在一個(gè)美國(guó)的海灣的測(cè)試浮標(biāo)上，在只有10厘米的峰峰值時(shí)，最大功率達(dá)到1.2瓦。Kornbluh等人提出了一種基于鉸接的多體系統(tǒng)的介電彈性體海洋發(fā)電機(jī)，放置在加利福尼亞附近的太平洋測(cè)試，能夠產(chǎn)生11J的能量并擁有50mJ/g相對(duì)能量密度。此外，SRI還研制了水力式介電彈性體發(fā)電實(shí)驗(yàn)機(jī)。在模擬河流中，水力驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)機(jī)水輪運(yùn)動(dòng)，水輪通過(guò)曲柄傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，使得介電彈性體進(jìn)行垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)如圖1-7，可以有效的收集水力資源。水力式介電彈性體發(fā)電實(shí)驗(yàn)機(jī)驗(yàn)證了介電彈性體用于收集水力能的可行性。圖1.7水力式介電彈性體發(fā)電實(shí)驗(yàn)機(jī)韓國(guó)成均館大學(xué)還與內(nèi)華達(dá)州立大學(xué)合作，進(jìn)行基于介電彈性體的傳感器的研究，傳感器機(jī)構(gòu)如圖1-9所示。介電彈性體與電阻構(gòu)成一個(gè)RC電路，通過(guò)檢測(cè)介電彈性體傳感器的輸入和輸出的電壓信號(hào)，就可以得知介電彈性體的形變量。圖1-9介電彈性體傳感器論文研究的主要內(nèi)容介電彈性體材料作為一種新型的電活性材料，既可以用于驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，作為優(yōu)秀的人工肌肉材料；也可用于發(fā)電領(lǐng)域，具有能量密度高、形變大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等突出特點(diǎn)，本文針對(duì)復(fù)合式介電彈性體發(fā)電機(jī)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)復(fù)合式介電彈性體發(fā)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)其實(shí)用性進(jìn)行了初步的探索，主要內(nèi)容包括：通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)的分析，了解和掌握了新型介電彈性體材料及其發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)閱讀相關(guān)文獻(xiàn)和書(shū)籍，學(xué)習(xí)和掌握介電彈性體的發(fā)電方法，運(yùn)用仿真軟件對(duì)介電彈性體發(fā)電過(guò)程進(jìn)行了仿真研究。在對(duì)介電彈性體發(fā)電特點(diǎn)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)復(fù)合式介電彈性體發(fā)電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。運(yùn)用Solidworks三維繪圖軟件進(jìn)行繪圖，并設(shè)計(jì)二維尺寸圖。運(yùn)用hyperworks軟件進(jìn)行有限元仿真和優(yōu)化。設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的控制電路，實(shí)現(xiàn)壓電-介電彈性體復(fù)合式能量回收發(fā)電。第二章 復(fù)合式介電彈性體發(fā)電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1介電彈性體發(fā)電的基本原理介電彈性體是在丙烯酸或硅樹(shù)脂等彈性體材料基質(zhì)的上、下表面滲入屈從電極材料(如碳或石墨等)而形成的,是基于麥克斯韋效應(yīng)的一種新型電活性聚合物材料。由此,介電彈性體的發(fā)電原理可簡(jiǎn)化為圖1所示,即可看作為可變電容裝置。在伸展?fàn)顟B(tài)下(大電容)電荷注入到介電彈性體薄膜電極上,當(dāng)在外力作用下緊縮弛豫時(shí)(小電容),彈性體材料的彈性應(yīng)力抵抗電場(chǎng)力,提高了電能。從微觀上看,厚度增加時(shí),由于異性電荷被推離,同性電荷被壓縮靠近,提高了電荷電壓?？梢?jiàn),當(dāng)外力作用在具有預(yù)加電壓的介電彈性體上使其變形時(shí),通過(guò)電容的改變即可發(fā)電,變形越大,發(fā)電能力越強(qiáng)。而介電彈性體發(fā)電過(guò)程即為介電彈性體的伸展與緊縮弛豫的交替過(guò)程。圖2-1中,Vin為預(yù)加偏置電壓,V(t)為介電彈性體輸出電壓。圖2-1介電彈性體的發(fā)電原理依據(jù)介電彈性體發(fā)電原理可簡(jiǎn)化為可變電容裝置,則電容C為:C=εε0A/d（1）式中:ε為相對(duì)介電常數(shù);ε0為自由空間介電常數(shù),為常值,ε0=8.85×10-12F/m;A為介電彈性體材料的面積;d為介電彈性體材料的厚度。面積A及厚度d隨著材料變形而變化。以B表示材料的體積,有:B=Ad（2）將式(2)代入式(1)有:C=εε0A2/B（3）則任意時(shí)刻,介電彈性體薄膜中電荷電壓V可表示為:V=QC=QBεε0A2（4）式中：Q為介電彈性體材料薄膜中電荷。而對(duì)于一個(gè)單個(gè)的伸展和收縮周期,介電彈性體發(fā)電機(jī)能量E輸出與介電彈性體電容改變量相關(guān),為:E=ηεε0BE2maxln[Ci/Cf]（5）式中:Ci和Cf分別為介電彈性體層在伸展和收縮狀態(tài)下的總電容量;Emax為通過(guò)聚合體的最大電場(chǎng);η為電能轉(zhuǎn)換效率,包括電子學(xué)轉(zhuǎn)換效率及材料的機(jī)電耦合?？梢?jiàn),若知道介電彈性體材料在一個(gè)變形周期(伸展和收縮)內(nèi)面積的改變量,就能得到所輸出的電能大小。2.2復(fù)合式介電彈性體發(fā)電機(jī)裝置簡(jiǎn)介能量收集是用于描述將環(huán)境中浪費(fèi)的能量轉(zhuǎn)化為可用電能的術(shù)語(yǔ)。例如，橋梁隨著車輛在其上行駛而振動(dòng)，而這種振動(dòng)具有可用于發(fā)電的動(dòng)能。一臺(tái)能量收集器可以將足夠多的振動(dòng)轉(zhuǎn)化成電能，從而操作傳感器和無(wú)線節(jié)點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)橋梁上的溫度、壓力或濕度，并將信息傳遞給監(jiān)聽(tīng)崗位進(jìn)行分析。先前已有研究將活性材料用作機(jī)械-電能傳感器。復(fù)合式介電彈性體作為這些特殊應(yīng)用的活性材料具有許多優(yōu)點(diǎn)。由于技術(shù)相對(duì)較新，有可能進(jìn)一步發(fā)展成為機(jī)電換能器。大多數(shù)關(guān)于復(fù)合式介電彈性體的工作都是基于研究，包括嘗試建立行為模型，改進(jìn)性能或以較低的成本實(shí)現(xiàn)。此外，復(fù)合式介電彈性體可以維持較大的應(yīng)變，使其成為這種高應(yīng)變的理想材料環(huán)境。耐受大應(yīng)變的能力也允許聚合物有一個(gè)大的行程，這將有利于從人體運(yùn)動(dòng)中獲取能量。這些原因使得復(fù)合式介電彈性體成為智能紡織品的理想選擇。當(dāng)使用復(fù)合式介電彈性體時(shí)，存在兩種收集能量的技術(shù)。第一個(gè)由Ren等人提出，即創(chuàng)造一個(gè)能量循環(huán)，而第二個(gè)技術(shù)則是應(yīng)用一個(gè)偏置電壓在偽電壓模式下工作。然而，使用復(fù)合式介電彈性體收集能量的缺點(diǎn)是工作在偽壓電模式或?qū)崿F(xiàn)能量循環(huán)需要偏壓。要發(fā)展現(xiàn)實(shí)的發(fā)電機(jī)，另一種電活性材料必須產(chǎn)生靜電場(chǎng)，使建立自主系統(tǒng)成為可能。因此，本文主要研究開(kāi)發(fā)一類新的復(fù)合式介電彈性體發(fā)電機(jī)。圖2-1復(fù)合式介電彈性體發(fā)電機(jī)的概念圖(a)帶有高壓放大器，(b)帶有電池，(c)帶有駐極體如圖2-1（a）所示，系統(tǒng)中總是需要一個(gè)高壓放大器不可取。如圖2-1（b）所示可能使用電池和升壓電壓轉(zhuǎn)換器來(lái)產(chǎn)生高壓，但是，這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是引入了限制發(fā)電機(jī)壽命的電池。圖2-1（c）給出了一個(gè)解決方案，由駐極體提供的偏置電壓組成，這使得無(wú)需電池就可以創(chuàng)建一個(gè)自主系統(tǒng)。事實(shí)上，駐極體是一種具有準(zhǔn)永久電矩的固體電介質(zhì)材料，在沒(méi)有外加電場(chǎng)的情況下也能表現(xiàn)出外加電場(chǎng)。2.3復(fù)合式介電彈性體發(fā)電機(jī)主要組成圖2-2主要機(jī)械裝置示意圖如圖2-2所示為復(fù)合式介電彈性發(fā)電機(jī)主要機(jī)械裝置示意圖。復(fù)合式介電彈性體和PU樣品的一部分夾在兩個(gè)機(jī)械鉗口之間，以防止復(fù)合式介電彈性體從PU移動(dòng)。在器械的另一側(cè)，通過(guò)在剛性?shī)A鉗之間使用導(dǎo)電膠帶確保PU每側(cè)之間的電接觸。2.4復(fù)合式介電彈性體發(fā)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)合式介電彈性體發(fā)電機(jī)主要由電機(jī)、控制器、線性滑臺(tái)、剛性固定塊、復(fù)合式介電彈性體薄膜、PU、導(dǎo)電膠帶、電氣負(fù)載R、電流放大器等組成。通過(guò)控制器控制電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)線性滑臺(tái)，固定在滑臺(tái)上的一部分沿滑臺(tái)橫向進(jìn)行線性運(yùn)動(dòng)，因此復(fù)合薄膜產(chǎn)生應(yīng)變，且沿一個(gè)方向，在力傳感器的幫助下測(cè)量產(chǎn)生的應(yīng)力。2.4.1整體三維結(jié)構(gòu)圖繪制SolidWorks作為目前市面上機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域主流的設(shè)計(jì)軟件，它完美的總結(jié)和繼承了原有大型機(jī)械CAD軟件的優(yōu)點(diǎn)，并采用廣大用戶熟悉的MicrosoftWindows圖形界面管理。它采用非全約束的特征建模技術(shù)，可以很好的為工程師提供更好地靈活性。因?yàn)镾olidWorks軟件在設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)聯(lián)性，所以當(dāng)用戶對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行到某一部分進(jìn)行完善的時(shí)候，與這一部分內(nèi)容相連的部分也會(huì)隨之改變。自從問(wèn)世以來(lái)，憑借其能夠有提供不同的設(shè)計(jì)方案，減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤，提高產(chǎn)品質(zhì)量，并且操作方便、易學(xué)易用和不斷創(chuàng)新的技術(shù)，廣泛的應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)，從航空航天到通用機(jī)械，從電子消費(fèi)到醫(yī)療器械，它極大的提高了機(jī)械設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率，與同類軟件相比能夠使用較少的時(shí)間就可以研發(fā)出更加合理、更有競(jìng)爭(zhēng)力、更能滿足市場(chǎng)需求，成為市場(chǎng)上最受喜愛(ài)的產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，隨著在市場(chǎng)的普及面越來(lái)越廣，SolidWorks不僅為機(jī)械工程師提供了進(jìn)行產(chǎn)品幵發(fā)的工具，加快了產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，而且隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來(lái)，電子商務(wù)的興起，為制造業(yè)的各方提供三維的電子商務(wù)平臺(tái)，為制造業(yè)的各個(gè)相關(guān)環(huán)節(jié)提供服務(wù)。本文主要采用Solidworks對(duì)發(fā)電機(jī)裝置進(jìn)行三維設(shè)計(jì)。線性滑臺(tái)的設(shè)計(jì)：傳統(tǒng)的直線導(dǎo)軌副分為導(dǎo)軌、滑塊、反向器、滾動(dòng)體和保持器等，是一種滾動(dòng)支承裝置，起到支承和導(dǎo)向作用，使得滑塊在軌道上成相對(duì)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)在于將滾動(dòng)接觸代替滑動(dòng)接觸，大大減小了接觸摩擦力，避免了許多無(wú)用功，而且滾動(dòng)體借助反向器的作用在滾道和滑塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)限循環(huán)。直線導(dǎo)軌構(gòu)造簡(jiǎn)單，滑塊與導(dǎo)軌間的摩擦系數(shù)小，精度高，操作穩(wěn)定被人們廣泛應(yīng)用。直線導(dǎo)軌又稱精密滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，因其精度高且穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可以承擔(dān)一定范圍內(nèi)的扭矩，即使是在高負(fù)載的情況下，也能實(shí)現(xiàn)高精度的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。本文裝置選用的是行程為300mm的TH-16光軸導(dǎo)軌滑臺(tái)，L1尺寸為454mm，L2尺寸為374mm，L3尺寸為360mm，L4尺寸為300mm，重量為4.77kg，表面經(jīng)噴砂氧化處理。具有以下特性：(1)各個(gè)方向都有高剛性，滾珠之間成45°排列，滾珠之間兩點(diǎn)接觸能承受各個(gè)方向的載荷，若在一定范圍內(nèi)，外部施加一個(gè)壓力則可完美提高剛性。(2)具有靈活性，由于不同廠家對(duì)生產(chǎn)制造精度要求不同，而直線導(dǎo)軌尺寸的范圍是一定的，這時(shí)需要對(duì)直線導(dǎo)軌進(jìn)行拆分，因此部分系列精度需要可更換性。這樣客戶可依需要訂購(gòu)導(dǎo)軌或滑塊，選擇相應(yīng)的導(dǎo)軌或滑塊。(3)自動(dòng)調(diào)心能力，鋼珠在圓弧溝槽內(nèi)成DF(-45°—45°)組合，在安裝的時(shí)候，鋼珠之間兩點(diǎn)接觸發(fā)生擠壓，鋼珠發(fā)生彈性變形使得重心不在一條直線上，但是在自動(dòng)調(diào)心作用下，安裝面的一些偏差就能被線軌滑塊內(nèi)部吸收，確保平滑運(yùn)動(dòng)的正常運(yùn)行，這一特性使得光軸導(dǎo)軌滑臺(tái)被廣泛使用。(4)將滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，鋼珠無(wú)限滾動(dòng)循環(huán)的作用下，使平臺(tái)能夠穩(wěn)定精準(zhǔn)的線性運(yùn)動(dòng)，同時(shí)降低了滑塊與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)，避免了許多無(wú)用功的產(chǎn)生，從而能輕易地實(shí)現(xiàn)高精度穩(wěn)定的線性運(yùn)動(dòng)。如圖2-3所示為線性滑臺(tái)三維圖。圖2-3線性滑臺(tái)三維圖復(fù)合式介電彈性薄膜的設(shè)計(jì)復(fù)合式介電彈性發(fā)電裝置通過(guò)復(fù)合式介電彈性薄膜的形變進(jìn)行發(fā)電，復(fù)合式介電彈性薄膜是復(fù)合式介電彈性氣動(dòng)發(fā)電裝置的核心部件，復(fù)合式介電彈性薄膜的性能好壞直接影響到復(fù)合式介電彈性氣動(dòng)發(fā)電裝置性能的好壞。復(fù)合式介電彈性薄膜選用圓盤(pán)形狀，要想薄膜具有正逆壓電效應(yīng)的特性，還需要在電活性聚合物材料的上下表面涂覆上一層導(dǎo)電膏，從而形成能導(dǎo)電的新型壓電材料。通過(guò)查閱資料了解到除了導(dǎo)電膏，在薄膜表面涂覆上碳、石墨或銀粉，也能達(dá)到相同的效果，形成具有正逆壓電效應(yīng)的新型壓電材料。在外力的作用下能產(chǎn)生電壓，在外部電場(chǎng)的作用下，材料發(fā)生伸縮變形，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換，即新型壓電材料的大變形導(dǎo)致能量的轉(zhuǎn)換就被定義為電活性聚合物的機(jī)電耦合性。本文選用40*10*0.5mm的復(fù)合式介電彈性薄膜，其三維圖如圖2-4所示。圖2-4復(fù)合式介電彈性薄膜三維圖發(fā)電機(jī)裝配體圖2-5發(fā)電機(jī)裝配三維圖第三章復(fù)合式介電彈性體發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1介電彈性體電學(xué)模型介電彈性體本質(zhì)上是一種可變電容。介電彈性體材料是一種電介質(zhì)，它具有絕緣電阻。柔性電極由碳粉、硅油、硅膠按一定比例混合制成，或者使用導(dǎo)電膏制備柔性電極，所以它也具有電阻。介電彈性體的等效電學(xué)模型如圖3-1所示，在工作過(guò)程中，其厚度及面積均隨著形變量改變而改變，則介電彈性體的電容值、絕緣電阻以及柔性電極電阻都是變化的。圖3-x介電彈性體等效電學(xué)模型其中Rp為介電彈性體絕緣電阻，Cp為介電彈性體等效電容，Rs為柔性電極等效串聯(lián)電阻。等效電學(xué)模型描述了介電彈性體的等效電學(xué)特性。3.2步進(jìn)電機(jī)的研究查閱資料，了解到步進(jìn)電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：1.在額定負(fù)載范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)的速度只與輸入脈沖的頻率有關(guān)；2.步進(jìn)電機(jī)能夠控制轉(zhuǎn)動(dòng)的角度或移動(dòng)的位移，且精度較高，而且使用非常方便；3.步進(jìn)電機(jī)的核心原理是電磁感應(yīng)，采用分時(shí)供電，多相時(shí)序控制，以達(dá)到精確控制的目的，通過(guò)PWM波脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)每一次供電的電流的大小穩(wěn)定，就能控制每一步行進(jìn)的角度，誤差非常小?？紤]到絲杠的長(zhǎng)度和重量以及活塞與連桿的參數(shù)，在盡可能考慮安全和成本的情況下，盡量選擇力矩大一點(diǎn)的電機(jī)，通過(guò)查閱資料，選擇2.8NM力矩57步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)滿足要求。如圖3-1所示為步進(jìn)電機(jī)的接線圖。圖3-1步進(jìn)電機(jī)控制器接線圖3.3控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本文裝置選用的控制器型號(hào)為BR010-11T8X2M標(biāo)準(zhǔn)型，工作電壓為直流24V，≥2A，晶體管輸出，2路步進(jìn)電機(jī)控制?？刂破魍ㄟ^(guò)編程控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及行進(jìn)速度，來(lái)實(shí)現(xiàn)活塞的行進(jìn)和后退，從而擠壓氣缸內(nèi)的氣體達(dá)到復(fù)合式介電彈性薄膜的伸張和收縮。本文選用的控制器較為簡(jiǎn)單，尺寸較小，操作容易，在控制器內(nèi)部已經(jīng)編好程序，只需輸入命令指令就能實(shí)現(xiàn)控制效果。其尺寸和外形如圖3-2所示。圖3-2控制器第四章復(fù)合式介電彈性體發(fā)電機(jī)仿真分析4.1單軸拉伸分析介電彈性體是一種具有大變形非線性粘超彈特性的薄膜材料。當(dāng)外力卸載后恢復(fù)到初始形狀，這體現(xiàn)了介電彈性體超彈性的表現(xiàn)。應(yīng)變保持恒定時(shí)，介電彈性體膜內(nèi)應(yīng)力隨時(shí)間逐漸減小，最終穩(wěn)定后發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象。介電彈性體粘彈性的表現(xiàn)是指，當(dāng)保持材料內(nèi)應(yīng)力不變，介電彈性體應(yīng)變隨時(shí)間增大，最終穩(wěn)定并發(fā)生蠕變現(xiàn)象。由于介電彈性體薄膜材料具備大變形的特性，直接描述應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的模型不適合用來(lái)描述其本構(gòu)關(guān)系。針對(duì)橡膠材料和類橡膠高聚材料，因?yàn)樗淖冃物@著，所以把它當(dāng)成彈性材料來(lái)分析。在研究橡膠材料時(shí)，一般規(guī)定它是一種各向同性且不可壓縮的材料。復(fù)合式介電彈性體單軸拉伸，即在一個(gè)方向上施加拉伸作用力，使復(fù)合式介電彈性體中的高分子鏈沿一個(gè)方向進(jìn)行取向排列，如圖4-1所示。在x方向?qū)EG施加力后，DEG就會(huì)被拉伸。設(shè)DEG的初始尺寸為x0、y0、z0，單軸拉伸后尺寸為x、y、z，定義λx、λy、λz分別為x、y、z方向上的拉伸率，則有本章認(rèn)為DEG在拉伸過(guò)程中體積保持恒定，則有由于y方向變形較難分析，根據(jù)體積恒定，有所以，DEG在單軸拉伸后的實(shí)際尺寸可以表示為根據(jù)Neo-Hooken模型，應(yīng)變能函數(shù)可以表示成其中μ=Y/3式中W———應(yīng)變能μ———材料剪切模量Y———彈性模量λ1、λ2、λ3———彈性體3個(gè)方向上的相對(duì)拉伸變形率x方向上的應(yīng)變能可表示為對(duì)于一個(gè)完全不可壓縮的材料，其主應(yīng)力σi由應(yīng)變能相對(duì)拉伸比率λi求導(dǎo)給出，即式中σi———i方向的應(yīng)力p———靜水壓力，取決于動(dòng)力學(xué)的邊界條件這里p取值為0，所以有對(duì)DEG沿x軸進(jìn)行受力分析，根據(jù)牛頓第二定律可得式中Fx———x方向上施加的外界拉力Ff———DEG所受阻力m———DEG質(zhì)量a———加速度根據(jù)公式(4)和公式(9)可得式中dv———阻尼系數(shù)運(yùn)用類似方法，z方向的應(yīng)力可表示為在z方向上運(yùn)用牛頓第二定律可得式中Fz———電場(chǎng)力公式(10)、(12)共同構(gòu)成了DEG在單軸拉伸下的力學(xué)模型。4.2有限元分析前處理、求解、后處理是有限元分析過(guò)程的三個(gè)階段，以前處理所花費(fèi)時(shí)間最長(zhǎng)。前處理就是針對(duì)所研究的問(wèn)題建立其忠于實(shí)際的有限元模型；求解即驅(qū)動(dòng)有限元程序在計(jì)算機(jī)上計(jì)算；后處理是對(duì)求解后結(jié)果進(jìn)行查看。鑒于求解過(guò)程都是通過(guò)通用有限元程序的驅(qū)動(dòng)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，所以計(jì)算結(jié)果的精度在很大程度上就取決于所建立有限元模型的精準(zhǔn)度。hypeworks系列軟件是由公司開(kāi)發(fā)的、專注于企業(yè)級(jí)解決方案的一款大型通用有限元軟件。它集成了設(shè)計(jì)與分析的各種工具，具有交互性良好、求解技術(shù)精確高效、建模和可視化技術(shù)功能強(qiáng)大、業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的優(yōu)化創(chuàng)新技術(shù)以及強(qiáng)大而可靠的流程和數(shù)據(jù)管理技術(shù)。本文所研宄的發(fā)電機(jī)薄膜結(jié)構(gòu)有限元分析就是借助與其平臺(tái)下的radios高效率的有限元前處理軟件和快速精確的求解器來(lái)完成的。hypermesh是目前應(yīng)用最廣泛的一個(gè)高效的有限元前處理器，特別是在汽車行業(yè)，幾乎所有的整車廠商和大多數(shù)配件廠商都在釆用它。它最突出的優(yōu)勢(shì)在于：對(duì)CAD接口的廣泛