具有线性介电常数的Ogden型介电弹性体的本构关系和机电稳定性

应用多材料常数的Ogden弹性应变能函数分析了介电弹性体的力学行为,研究了介电弹性体的机电稳定性.数值结果表明,通过对材料系数(如材料常数比和电致伸缩系数等)的恰当调节可以使得介电弹性体材料或介电弹性体结构更趋稳定.这些有益于深入理解介电弹性体的机电稳定性行为,进而设计恰当的介电弹性体器件.     

Hamilton体系下介电弹性体圆形薄膜的动力学建模与辛求解

采用辛算法研究了Hamilton体系下介电弹性体圆形薄膜的动力学响应。首先,将该问题引入Hamilton对偶变量体系,借助Legendre变换,给出系统的广义动量和Hamilton函数,通过对Hamilton函数作用量的变分,得到Hamilton体系下的正则方程。其次,对于得到的正则方程给出了辛Runge-Kutta的计算格式。最后,采用二级四阶辛Runge-Kutta算法对动力学系统进行了数值求解,和四级四阶经典Runge-Kutta算法进行对比,结果表明,二级四阶辛Runge-Kutta算法具有保能量以及长时间数值稳定的优势,同时说明四级四阶经典Runge-Kutta算法对于步长依赖的局限性。     

温度对介电弹性体材料力电耦合变形的影响

介电弹性体(Dielectric Elastomer,简称DE)材料是一类在电场激励下可以产生大幅度尺寸或形状变化的新型柔性功能材料.DE材料具有非常宽的温度应用范围,这种宽的温度工作范围和快速大变形性能为各种柔性致动器结构提供了良好的基础,但作为一种粘弹性高分子材料,温度对其性能的影响也是非常明显的.然而到目前为止,所有关于DE材料驱动性能的研究仅局限于室温条件下,温度变化对DE材料力电耦合稳定性的影响几乎没有相关报道.基于此,通过实验研究了温度对最常用的DE材料(VHB 4910,3M)力电耦合变形的影响,结果表明:升高温度可以提高DE材料的力电耦合变形;温度越高,DE材料越容易发生力电耦合失稳.然后,从热力学和粘弹性力学出发,建立了考虑温度影响后的DE材料的粘弹性力电耦合模型,数值模拟理论结果和实验结果定性地吻合.     

介电流变弹性体的电致变形与电流变效应研究

介电弹性体(Dielectric Elastomer,DE)具有显著的电致变形效应,刚度无法调控是制约其应用的关键瓶颈问题.本文将具有电致变模量特性的电流变弹性体(Electrorheological Elas-tomer,ERE)与商用介电弹性体VHB4910层叠复合,并涂覆柔性电板,制备介电流变弹性体(Dielec...     

内压下弹性薄膜球的稳定性

在大变形条件下,给出内压下弹性薄膜球的几何非线性问题的解答,并给出临界载荷的表达式     

一种新型介电弹性体仿生可调焦透镜的变焦分析

介电弹性体 (dielectric elastomer) 是电活性聚合物智能材料的一种,在外加电场作用下,可产生多种形式的响应.在驱动柔性透镜的变焦方面,相对于传统的机械操控变焦方法 显示出独特的优势.针对一款在电压激励下可高效调节焦距的介电弹性体仿人眼变焦透镜,该透镜由上下两层介电弹性薄膜和固定框架构成,并在封闭腔内充入盐水,上层薄膜涂覆环形柔性电极.在电压激励下,上层膜发生变形,由于盐水的体积保持恒定,引 起下层膜随之变形,使得透镜的焦距发生改变.采用 neo-Hookean 模型,利用变分原理导出了该透镜的控制方程、边界条件和连 续条件.利用打靶法求解了该非线性问题并高效地处理了非线性问题的界面连续条件. 理论分析结果与实验结果相吻合. 利用此模型开展了广泛的参数分析,研究表明,透镜的几何形状、初始焦距、介电弹性体薄膜的预拉伸率、涂覆的电极面积、材料的剪切模量等对透镜焦距的调节性能都有重要的影响.所建立的理论分析模型可为柔性仿生透镜的设计和参数优化提供有效的分析方法.      

基于辛本征值方法的受约束介电弹性体中褶皱不稳定性的分析

辛弹性力学已广泛应用于弹性学中各种边值问题的精确解、计算表面波模式以及预测多层超弹性薄膜中的表面褶皱。本文展示了辛分析框架还可应用于受约束介电弹性体中的表面褶皱。机械和电位移向量是两个基本变量来描述介电弹性体中机械变形与电场紧密耦合。褶皱的临界电压可以通过引入基本变量的对偶变量来从辛本征值问题中解决。本文采用扩展的W-W（Wittrick-Williams）算法和精确的积分方法,准确而高效地解决制定的辛本征值问题的本征值。通过将褶皱电压和波数与有无表面能的褶皱基准结果进行比较,验证了辛分析的有效性。辛分析框架简洁且适用于其他不稳定问题,如分层电介质弹性体、磁弹性不稳定性以及层压复合结构的微观和宏观不稳定性。     

离子导体驱动的介电弹性体软机器研究进展

基于介电弹性体的软机器在柔性机器人、能量收集、柔性电子等领域有着广泛的应用.传统的介电弹性器件由不透明的流体碳膏电极或其他硬材料制作的电子导体来驱动.可拉伸透明离子导体作为电极驱动介电弹性体时,两种软材料互相结合,为软机器提供了一种独特的实现方式.论文综述了离子导体驱动的介电弹性体软机器的近期研究进展,展望了未来的研究方向和存在的问题.     

介电弹性材料的机电耦合性能研究

作为一种新型的电活性聚合物,介电弹性材料可被用作柔性致动器。其中材料的介电性能和机械性能是影响其机电耦合致动性能的关键因素。通过实验方法研究了一种典型的介电弹性材料VHB4910在不同温度和频率下的介电常数和弹性模量,基于实验结果分析了该材料的机电耦合性能。结果表明:依赖于频率和温度的弹性模量是影响该介电弹性材料致动变形的主要因素,对致动性能的影响最大可达4个数量级,材料的介电常数对其致动性能的影响相对较小。     

弹性地基上圆底扁球壳的非线性动力问题

本文从Krmn非线性基本微分方程出发,提出了将修正迭代法和伽辽金法联合运用,分析了弹性地基上圆底扁球壳在均布荷载作用下周边固定边界条件的非线性动力响应问题,给出了中心振幅与时间t之间关系的二次近似解析表达式;同时还讨论了Winkler地基参数K对中心最大振幅的影响。此外将本文的部分结果和已有文献结果作了比较,二者吻合较好。     

非均质土层下基桩的动力稳定性研究

本文根据桩在轴向谐振力作用下，探讨了非均质层下基桩的动力稳定性问题，分析了各种地基土横向抗力系数K以及桩的几何特征，激振频率，桩土阻尼对桩动力稳定性的影响，结果表明，随地基土层的不同，基桩的动力不稳定区域将发生不同的变化，随桩径，桩长的增大，基桩的动力不稳定区域将逐渐减小，表明地基土的横向抗力对桩的动力稳定性起加强作用，桩土阻尼对基桩的动力稳定性影响较大，得出了一些有价值的结论，可为工程设计提供参考依据。     

Temperature effects on the dynamic response of viscoelastic dielectric elastomer

Viscoelasticity and temperature can significantly affect the performance of a dielectric elastomer. In the current study, we use a thermodynamic model to describe the effect of temperature and viscoelasticity on the electromechanical response undergoing a cyclic electric load by taking into account of the temperature dependent dielectric constant. Because of the significant viscoelasticity in the dielectric elastomer, the deformation and the nominal electric displacement can not keep in phase with the electric field at low frequencies. The results show that the magnitude of the cyclic electromechanical actuation strain increases with the decrease of the temperature and decreases with the increasing frequency, and viscoelasticity can result in significant hysteresis for dielectric elastomers under a relative low temperature and a low frequency.     

Dynamic Stability Problems of Anisotropic Cylindrical Shells via a Simplified Analysis

An analytical–numerical method involving a small number of generalized coordinates is presented for the analysis of the nonlinear vibration and dynamic stability behaviour of imperfect anisotropic cylindrical shells. Donnell-type governing equations are used and classical lamination theory is employed. The assumed deflection modes approximately satisfy simply supported boundary conditions. The axisymmetric mode satisfying a relevant coupling condition with the linear, asymmetric mode is included in the assumed deflection function. The shell is statically loaded by axial compression, radial pressure and torsion. A two-mode imperfection model, consisting of an axisymmetric and an asymmetric mode, is used. The static-state response is assumed to be affine to the given imperfection. In order to find approximate solutions for the dynamic-state equations, Hamiltons principle is applied to derive a set of modal amplitude equations. The dynamic response is obtained via numerical time-integration of the set of nonlinear ordinary differential equations. The nonlinear behaviour under axial parametric excitation and the dynamic buckling under axial step loading of specific imperfect isotropic and anisotropic shells are simulated using this approach. Characteristic results are discussed. The softening behaviour of shells under parametric excitation and the decrease of the buckling load under step loading, as compared with the static case, are illustrated.     

Dynamic Stability of Viscoelastic Plates under Increasing Compressing Loads

The dynamic stability problem of viscoelastic orthotropic and isotropic plates is considered in a geometrically nonlinear formulation using the generalized Timoshenko theory. The problem is solved by the Bubnov-Galerkin procedure combined with a numerical method based on quadrature formulas. The effect of viscoelastic and inhomogeneous properties of the material on the dynamic stability of a plate is discussed. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 47, No. 2, pp. 165–175, March–April, 2006.     

Nonlinear Theory of Dynamic Stability for Laminated Composite Cylindrical Shells

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＷｈｅｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｓｈｅｌｌｓａｒｅｕｎｄｅｒｔｈｅａｃｔｉｏｎｏｆｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｉｎｇ ,ｔｈｅｙｍａｙｆａｌｌｉｎｄｙｎａｍｉｃｂｕｃｋｌｉｎｇｏｒｄｙｎａｍｉｃｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ .Ｉｆｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｉｓｓｕｄｄｅｎｌｙａｐｐｌｉｅｄ ,ｏｒｉｔｉｓｃｈａｎｇｉｎｇｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｌｙ ,ｓｕｃｈａｓｉｍｐｕｌｓｉｖｅｌｏａｄｉｎｇ ,ｔｈｅｎ ,ｄｙｎａｍｉｃｂｕｃｋｌｉｎｇｗｉｌｌｈａｐｐｅｎｆｏｒｔｈｅｓｈ…     

粘弹性结构动力稳定性分析的谐波平衡法

本文分析了线粘弹性结构的长期动力稳定特性。设材料具积分型本构关系，且其松弛模量能用Prony级数描述，将微分-积分型控制方程化成微分型方程，应用谐波平衡法确定动力稳定区域，着重讨论了材料参数及系统振动频率对动力稳定区域的影响发现该类粘弹性结构具有与一般阻尼系统不同的动力稳定特性。文中也将系统平衡法直接应用于微分-积分型控制方程，忽略卷积积分运算后产生的随时间衰减的非谐波项来得到决定动力稳定边界的特征方程，并对两种应用所得结果进行了比较。