介电型EAP柔性运动单元特性分析

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介电型EAP(Electro-active Polymer)在电场作用下,具有变形大、响应速度快、能量密度高等优良性能,具有良好的类生物特性。本文以介电型EAP柔性单元为研究对象,对其动力学进行建模分析,为其今后在仿生领域的应用打下理论基础。结合介电型EAP的超弹性本构方程,对介电型EAP柔性单元进行静力分析,得到了弹簧刚度设计的计算方法,可用于弹簧刚度参数的选择。利用几何精确梁理论(GEBT),结合旋量描述法,建立了介电型EAP柔性单元的连续性运动学模型;并利用旋量形式的牛顿-欧拉方程,推导了其正向动力学方程。结合介电型EAP的粘弹性机电耦合方程,分析了其在MATLAB中运动数值仿真的流程及边值条件;其微分方程在MATLAB中用有限差分法进行数值求解。利用介电型EAP柔性单元,构建了一种可移动的运动单元。将柔性单元所受的外力及惯性力均等效到头部截面的坐标系中,建立了其移动动力学方程。利用拉格朗日方程,推导了该运动单元车轮的动力学方程。通过仿真得到了柔性单元伸缩模型在阶跃电压、正弦电压、斜坡电压下的动态响应。仿真结果表明,通电频率为3Hz时,柔性单元具有最大响应位移15.5mm。根据采集到的柔性单元上的实际电压值,拟合得到了其充放电的时间常数。对运动单元在不同频率下的伸缩步态进行了仿真,仿真结果与试验结果均表明其在通电频率为1Hz时具有最大平均速度。
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