基于介電彈性體的可恢復(fù)式推銷器

李 響,梅江濤,陳 亮,李 曉

(航天科工四院探測與控制技術(shù)研究所， 湖北 孝感 432100)

基于介電彈性體的可恢復(fù)式推銷器

李 響,梅江濤,陳 亮,李 曉

(航天科工四院探測與控制技術(shù)研究所， 湖北 孝感 432100)

針對磁流變液體驅(qū)動(dòng)的可恢復(fù)式保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)易受環(huán)境溫度影響，且密封性要求高，形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的可恢復(fù)式保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度較慢等問題，提出了基于介電彈性體的可恢復(fù)式推銷器。該推銷器由壓縮彈簧、介電彈性體、左滑塊、右滑塊及熱縮套管等組成，具有結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)時(shí)間快的優(yōu)點(diǎn)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果分析表明，可恢復(fù)式推銷器的仿真位移44.1 mm，與實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)果45 mm相吻合。

可恢復(fù)式推銷器；介電彈性體；有限元；試驗(yàn)

0 引言

一般引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)只具備由保險(xiǎn)狀態(tài)向解除保險(xiǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的單向轉(zhuǎn)換功能，不具備由解除保險(xiǎn)狀態(tài)恢復(fù)至保險(xiǎn)狀態(tài)的雙向轉(zhuǎn)換功能。一旦發(fā)生誤傷誤炸現(xiàn)象，將會(huì)造成嚴(yán)重的損失。因此保險(xiǎn)狀態(tài)可恢復(fù)已成為引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢[1]。

基于步進(jìn)電機(jī)逆向運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)雖然具有可恢復(fù)性，但是這種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、體積大、質(zhì)量大，限制了其在引信中的應(yīng)用。為解決引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的安全狀態(tài)可恢復(fù)性問題，近年來，一些智能材料如磁流變液體、形狀記憶合金等被用來實(shí)現(xiàn)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的可恢復(fù)性。但是磁流變液體易受環(huán)境溫度影響，且密封性要求高；形狀記憶合金響應(yīng)速度較慢。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的可恢復(fù)式保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，通過給該機(jī)構(gòu)通斷電，可以實(shí)現(xiàn)保險(xiǎn)桿的伸縮運(yùn)動(dòng)，該機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可多次動(dòng)作，但機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，響應(yīng)慢。本文針對上述問題，提出了基于介電彈性體的可恢復(fù)式推銷器。

1 介電彈性體變形原理

在介電彈性體的上下表面涂上石墨電極，施加電壓后，其工作原理類似于一個(gè)平行板電容器，介電彈性體上的電極正負(fù)電荷相互吸引，產(chǎn)生靜電壓力，使得介電彈性體的厚度減小，由于該材料的不可壓縮特性，導(dǎo)致其面積增大。釋電后靜電壓力消失，材料恢復(fù)原狀。這樣介電彈性體材料就形成了如下的工作循環(huán)：通電，厚度減小，面積變大→斷電，恢復(fù)原狀。通過這種工作方式，介電彈性體實(shí)現(xiàn)了電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。介電彈性體的變形過程如圖1所示。

通電后產(chǎn)生的靜電壓力σz可以表示為[3]：

(1)

式中，σz為介電彈性體受到的靜電壓力，ε0為真空介電常數(shù)，εr為介電彈性體材料的相對介電常數(shù)，V為介電彈性體材料上施加的電壓，dz為介電彈性體材料的厚度。

2 可恢復(fù)式推銷器工作原理

圖2所示為可恢復(fù)式推銷器結(jié)構(gòu)示意圖，它由壓縮彈簧、介電彈性體(卷繞而成)、左滑塊、右滑塊及熱縮套管等組成。

將表面敷有石墨電極的預(yù)拉伸的介電彈性體卷繞在壓縮彈簧上，并在壓縮彈簧的左右兩端裝配滑塊進(jìn)行封裝，這里壓縮彈簧的作用是作為預(yù)拉伸介電彈性體的支撐載荷。

介電彈性體在通電和失電后其形狀會(huì)發(fā)生改變，相當(dāng)于一個(gè)剛度可變的彈簧[4]。圖3所示為可恢復(fù)式推銷器工作原理。

圖3中，fv(s)為介電彈性體通電時(shí)的剛度曲線，fn(s)為介電彈性體失電后的剛度曲線，fp(s)為壓縮彈簧的剛度曲線。a為可恢復(fù)式推銷器中的壓縮彈簧的自由狀態(tài)；b為將彈簧預(yù)壓縮后卷繞預(yù)拉伸的介電彈性體時(shí)的狀態(tài)；c為通電前可恢復(fù)式推銷器的平衡狀態(tài)，此時(shí)彈簧力與介電彈性體的內(nèi)應(yīng)力相互平衡，可恢復(fù)式推銷器穩(wěn)定在A點(diǎn)；d為通電后可恢復(fù)式推銷器的狀態(tài)，當(dāng)通電后，介電彈性體的剛度下降，壓縮彈簧的恢復(fù)力大于預(yù)拉伸介電彈性體的內(nèi)應(yīng)力，推動(dòng)可恢復(fù)式推銷器伸長運(yùn)動(dòng)，直至兩者達(dá)到新的平衡，可恢復(fù)式推銷器穩(wěn)定在B點(diǎn)。

失電后介電彈性體的剛度上升，介電彈性體的內(nèi)應(yīng)力大于彈簧抗力，可恢復(fù)式推銷器又回到原來的平衡點(diǎn)A。由此可見，可恢復(fù)式推銷器是利用介電彈性體通電前后與預(yù)載荷相互平衡的原理進(jìn)行工作。

3 可恢復(fù)式推銷器有限元仿真

3.1 可恢復(fù)式推銷器本構(gòu)模型

為分析可恢復(fù)式推銷器的運(yùn)動(dòng)，采用有限元軟件Abaqus對可恢復(fù)式推銷器進(jìn)行有限元分析。由于介電彈性體在卷繞到壓縮彈簧之前的形狀為矩形，卷繞到壓縮彈簧之后，介電彈性體的每層之間有電極隔開，不會(huì)產(chǎn)生相互干擾，因此以介電彈性體卷繞到壓縮彈簧之前的形狀進(jìn)行分析。

介電彈性體作為一種粘-超彈性材料，文中采用常見的Yeoh超彈性模型，分析描述其力學(xué)性能的應(yīng)變能函數(shù)W[5]：

(2)

式中，C10，C20，C30為材料本構(gòu)關(guān)系的常數(shù)，其值分別為6.93×10-2MPa、-8.88×10-4MPa、1.67×10-5MPa，材料參數(shù)由單向拉伸測試獲得[6]。

式(2)中的I1為關(guān)于左Cauchy-Green變形張量的第1不變量[6]：

I1=λ12+λ22+λ32

(3)

式中，λ1,λ2,λ3為介電彈性體的主伸長率，由于介電彈性體材料具有的不可壓縮性，故λ1λ2λ3=1。

3.2 仿真分析

對可恢復(fù)式推銷器進(jìn)行有限元分析，為后續(xù)可恢復(fù)式推銷器的設(shè)計(jì)提供參考。有限元分析過程如下：

1)介電彈性體預(yù)拉伸。首先將介電彈性體進(jìn)行雙向預(yù)拉伸(這里將尺寸為42mm×7mm×1mm的介電彈性體進(jìn)行3.75×3.75倍的預(yù)拉伸)，拉伸后尺寸變?yōu)?57.5mm×26.25mm×0.071 1mm。預(yù)拉伸后介電彈性體內(nèi)的應(yīng)力云圖如圖4所示，介電彈性體內(nèi)的應(yīng)力為0.168 8MPa。

2)施加預(yù)載荷。考慮到可恢復(fù)式推銷器中介電彈性體的實(shí)際約束與受力情況，施加在介電彈性體的約束與受力情況為：

①解除介電彈性體的側(cè)面約束；

②對介電彈性體的下邊進(jìn)行固定；

③對介電彈性體的上邊施加一個(gè)y向的由壓縮彈簧提供的預(yù)載荷，其余自由度全部約束。

圖5為施加預(yù)載荷后得到的位移云圖，可恢復(fù)式推銷器在預(yù)載荷作用下沿y向伸長了17.85 mm，即可恢復(fù)式推銷器的有效長度為44.1 mm。此時(shí)，介電彈性體的厚度變?yōu)?.041 4 mm。

3)施加靜電壓力。在介電彈性體上施加4.4 kV的電壓，根據(jù)公式(1)計(jì)算出相應(yīng)的靜電壓力為0.47 MPa，并將該壓力施加在介電彈性體上。圖6為施加靜電壓力后，所得到的介電彈性體的輸出位移云圖，介電彈性體在y向的位移增加到了24.09 mm，即可恢復(fù)式推銷器在通電后產(chǎn)生的輸出位移為6.24 mm。

4 可恢復(fù)式推銷器的制作及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 可恢復(fù)式推銷器的制作

可恢復(fù)式推銷器的制作過程如下：

1)將介電彈性體進(jìn)行雙軸均勻預(yù)拉伸；

2)在拉伸后的介電彈性體上下表面敷石墨電極，石墨電極采用超細(xì)碳黑EC-300J、硅油、正庚烷等制備而成[7]。石墨電極在介電彈性體上的涂敷如圖7所示，并將鋁箔分別粘貼在石墨電極兩側(cè)作為電極引線，如此采用，可防止石墨電極短路；

3)將壓縮彈簧進(jìn)行預(yù)壓縮，然后轉(zhuǎn)動(dòng)卷繞軸，把預(yù)拉伸后的介電彈性體均勻的卷繞在壓縮彈簧、左滑塊和右滑塊的凹槽上；

4)上述1)～3)的操作步驟完成后，取下卷繞軸，把左滑塊和右滑塊兩端多余的介電彈性體裁剪掉，并采用熱縮套管將卷繞在左滑塊和右滑塊上的介電彈性體固定。如此采用，可有效防止可恢復(fù)式推銷器運(yùn)動(dòng)時(shí)，介電彈性體從左滑塊和右滑塊上松脫，導(dǎo)致可恢復(fù)式推銷器結(jié)構(gòu)失效。

其中介電彈性體選用美國3M 公司的VHB4910材料，左滑塊和右滑塊以及卷繞軸均采用縮醛樹脂材料。圖8為可恢復(fù)式推銷器的實(shí)物。

4.2 試驗(yàn)情況

影響可恢復(fù)式推銷器性能的因素，主要有介電彈性體的預(yù)拉伸率λ、簧絲直徑d、卷繞層數(shù)N等。設(shè)計(jì)如表1所示的試驗(yàn)方案。

表1 試驗(yàn)方案

由高壓直流電源進(jìn)行通電試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：可恢復(fù)式推銷器施加電壓在4.5 kV左右時(shí)容易被擊穿。因此對每組可恢復(fù)式推銷器試驗(yàn)時(shí)，最高電壓施加為4.4 kV，可恢復(fù)式推銷器輸出位移-電壓曲線如圖9所示。可以看出，其中第4組可恢復(fù)式推銷器在施加4.4 kV電壓時(shí)輸出位移達(dá)到8.4 mm，相應(yīng)的伸長應(yīng)變達(dá)到18.7%。

圖10中左圖為通電前的可恢復(fù)式推銷器的狀態(tài)，其原始有效長度為45 mm；右圖所示為可恢復(fù)式推銷器通電后的狀態(tài)，通電后的長度變?yōu)?3.4 mm；斷電后可恢復(fù)式推銷器恢復(fù)到通電前的原始狀態(tài)。該可恢復(fù)式推銷器的性能參數(shù)如表2所示。

名稱參數(shù)有效長度/mm45輸出位移/mm8 4伸長應(yīng)變/%18 7工作電壓/kV4 4質(zhì)量/g6 3

該可恢復(fù)式推銷器的結(jié)構(gòu)尺寸還可以做的很小，以滿足引信使用要求。文中結(jié)構(gòu)尺寸僅是為了制作方便。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過仿真分析與試驗(yàn)對比：可恢復(fù)式推銷器施加預(yù)載荷后長度的仿真結(jié)果為44.1 mm，與實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)果45 mm相吻合。由于有限元分析時(shí)對介電彈性體的模型施加的靜電壓力為恒定壓力，而實(shí)際情況是，當(dāng)靜電壓力作用在介電彈性體上時(shí)，介電彈性體的厚度減小，又會(huì)導(dǎo)致作用在其上的靜電壓力增加，這樣又將進(jìn)一步導(dǎo)致介電彈性體的厚度減小，產(chǎn)生更大的變形，因此導(dǎo)致仿真分析結(jié)果小于試驗(yàn)結(jié)果。

從試驗(yàn)可以看出，研究的可恢復(fù)式推銷器原理可行，但是尺寸及連線方式等距實(shí)用化還有一定差距。此外，可恢復(fù)式推銷器的驅(qū)動(dòng)電壓偏高，通過減小介電彈性體的厚度或者研制具有更大介電常數(shù)的介電彈性體等方法，可有效降低驅(qū)動(dòng)電壓，降低驅(qū)動(dòng)電壓是未來產(chǎn)品實(shí)用化研究的方向。

5 結(jié)論

本文提出了基于介電彈性體的可恢復(fù)式推銷器，該可恢復(fù)式推銷器具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)時(shí)間快的優(yōu)點(diǎn)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果分析表明，可恢復(fù)式推銷器的仿真位移44.1 mm，與實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)果45 mm相吻合。

[1]朱珊,李豪杰.基于滑塊繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的安全狀態(tài)可恢復(fù)隔爆機(jī)構(gòu)[J]. 探測與控制學(xué)報(bào),2010,32(3):39-42.

[2]程進(jìn)紅,李娜,周遠(yuǎn)松.記憶合金可恢復(fù)式保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)應(yīng)用研究[C]//中國兵工學(xué)會(huì)第十七屆引信學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,西安:中國兵工學(xué)會(huì)引信專業(yè)委員會(huì),2011:596-599.

[3]Pelrine R E, Kornbluh R D, Joseph J P. Electrostriction of polymer dielectrics with compliant electrodes as a means of actuation[J]. Sensors and Actuators, A: Physical, 1998, 64(1): 77-85.

[4]王化明,朱劍英,何均.菱形介電彈性體驅(qū)動(dòng)器預(yù)載荷分析[J]. 機(jī)器人，2008(6):572-576.

[5]Wissler M, Mazza E. Modeling and simulation of dielectric elastomer actuators[J]. Smart Materials and Structures, 2005, 14: 1396-1402.

[6]Yeoh. Characterization of elastic properties of carbon-black-filled rubber vulcanizates[J]. Rubber Chemistry and Technology, 1990, 63: 792-805.

[7]王化明,朱劍英,葉克貝，等.介電彈性體線性驅(qū)動(dòng)器研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2009，45(7):291-296.

Recoverable Push Pin Based on Dielectric Elastomer

LI Xiang, MEI Jiangtao, CHEN Liang, LI Xiao

(Detection and Control Technology Institute of the 4thInstitute of Aerospace & Industry Corporation, Xiaogan 432100,China)

Aiming at the problems that the reversible fuze safety mechanism driving by magnetorheological fluid is liable to be effected by the environment temperature, and it has strict sealing demand,and the problems of slow response of the reversible fuze safety mechanism driving by shape memory alloy, a recoverable push pin based on the dielectric elastomer was designed.The recoverable push pin is made up of compression spring, dielectric elastomer,left-slide,right-slide,heat shrinkage bush and so on,which has the advantages such as simple structure,fast response.The finite element simulation. Experiments results and analysis indicated that the displacement of 44.1 mm of finite element simulation was well agreed with the results of 45 mm of experiments.

recoverable push pin; dielectric elastomer; finite element; test

2016-12-26

李響(1985—)，男，安徽宿州人，碩士，工程師，研究方向：引信總體設(shè)計(jì)。E-mail:lixiangnuaa@163.com。

TJ430.2

A

1008-1194(2017)03-0097-04