离子聚合物-金属复合材料Ionic polymer-metal composite（IPMC）作为一种极具发展潜力的离子型电激活智能材料，目前研究还处于实验室阶段，而国内则处于起步阶段。对于电场作用下IPMC的电致动变形，相关理论还不完善，还存在众多定性的描述，距准确的定量分析尚有距离，导致一些宏观现象不能得到满意地的解释。本文致力于IPMC电致动特性及其相关结构数值模拟研究，通过建立描述电场变化、金属离子和水分子迁移和扩散以及弯曲响应特性的数值模型、分析各种变量参数对变形的影响，最终实现变形状态的准确控制。该研究为充分发挥IPMC的潜在功能，实现其工程应用价值奠定了基础。本文的主要研究内容和研究成果体现在：（1）基于Tadokoro理论，应用Runge-Kutta法求解相关控制方程。首先采用差分法对空间域离散，将偏微分方程转化为时间变量的常微分方程，再用经典Runge-Kutta格式求解。数值结果表明与普通差分格式相比，R-K法虽然不能显著提高求解精度，但是数值稳定性有明显的提高。（2）通过制定合理的分析流程，编制用户子程序，采用温度场等效模拟水分子不均匀分布引起的湿度变形，基于ANSYS^?参数化开发平台建立仿真体系，对IPMC的电致动特性进行了数值模拟。通过钠离子浓度、等效应变、宏观位移和力的平衡等方面的比较，重点分析了水分子扩散阻力对致动过程的影响，结果表明控制方程中增加水分子扩散力项能更加准确地描述其致动行为；同时分析和总结了变形过程中，钠离子迁移速度、电场强度和输出力等参数的变化规律。由于该设计流程可操作性强，易于执行，将为IPMC材料的产品开发提供有力的技术支持。同时求解过程基于大型商业有限元软件开发平台，该方法将对IPMC性能分析及产品开发提供有益的帮助。（3）提出了改进的Tadokoro模型：模型中采用RC电路模拟膜内电流特性；通过三参数模型考虑Nafion的粘弹性特性；应变加载过程中引入衰减线性函数模拟IPMC的非均匀弯曲，比较了单位长度的转角变化；在交变电压作用下，针对低频和高频两种加载频率采用不同的控制方程组求解，成功模拟了IPMC在方波、正弦波等电压信号在不同频率激励下的位移动力响应。数值结果表明：不同RC电路参数对变形有很大影响，其中电流积分的不同形式是影响IPMC宏观变形的关键参数；通过最小二乘法拟合，确定了变形过程中，Nafion膜杨氏模量随时间变化函数及其相关参数；交变电压激励下，IPMC位移响应与激励频率有直接关系，高频作用下，IPMC表现为等幅振动，可以回到初始位置；低频作用下，IPMC表现为缩减振动，且回不到初始位移。（4）针对IPMC作为致动器在微机电和人工肌肉中的应用，对IPMC微夹钳和人工括约肌进行了数值模拟。提出了IPMC曲臂微夹钳机构，建立了IPMC曲梁控制方程，讨论了微央钳的运动轨迹和提供的夹持力以及在方波电压激励下的位移响应。根据前人对IPMC人工括约肌的设想，模拟了括约肌在4.5 V电压驱动下的开口位移。数值模拟结果将为IPMC在微机电和生物医学领域的应用提供有益的参考。（5）通过数值计算，对提高IPMC位移和力的输出特性的方法作了定量分析和讨论。通过比较电极厚度和输入电流与输出位移的关系，确定了在给定电流作用下金属电极层的最优厚度；模拟了IPMC并联层叠结构的弯曲变形，计算表明在位移减小可以接受的情况下，IPMC通过层叠结构很大的提高输出力的方法是可行的，但是随着层数的增加，层叠效率却是降低的；最后根据Nemat-Nasser微结构理论，结合本文的Tadokoro模型，对IPMC的超大变形做了初步探索。