تحلیل غیرخطی عددی پاسخ محرکی کنسول کامپوزیت فلزپلیمریونی با در نظر گرفتن کوپل میدان‌های الکتریکی، شیمیایی و مکانیکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیأت علمی دانشگاه شهید بهشتی

2 دانشکدة مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده

محرک‌های کامپوزیت فلزپلیمریونی (آی‌پی‌ام‌سی) نوارهای ساندویچی بسیار نازک با یک پلیمر الکترواکتیو در وسط و دو الکترود فلزی در طرفین هستند. کوپل میدان‌های الکتریکی، شیمیایی و مکانیکی، موجب تغییرشکل خمشی در آن می‌شود، بطوری‌که اعمال ولتاژ به الکترود‌ها منجر به مهاجرت یونی در پلیمر و تغییر غلظت یون در ضخامت نوار می‌شود. در این مقاله، تحلیل غیرخطی کوپل الکتروشیمی مکانیکیِ پاسخ محرکیِ کنسول آی‌پی‌ام‌سی انجام می‌گیرد. ابتدا پاسخ الکتروشیمیایی اولیه با کوپل کردن میدان‌های شیمیایی و الکتریکی بدست می‌آید. این معادله با روش تفاضل محدود، و با استفاده از روش نیوتن-رافسون حل می‌شود. سپس این پاسخ در میدان مکانیکی ماده وارد می‌شود. معادله انتقال حلال نوشته شده، و نرخ کرنش ویژه، و نرخ تغییرات لنگر خمشی محرک بدست می‌آید. با استخراج میزان آبپوشی در لایه مرزی کاتد و آند، پاسخ جابجایی انتهای تیر تعیین می‌شود. نتایج حاصل از مدل با شبیه‌سازی اجزای محدود صورت گرفته در تحقیق حاضر و مطالعات پیشینِ دردسترس مورد مقایسه و اعتبار سنجی قرار می‌گیرد. نتایج تناسب بین پاسخ محرک و تحریک الکتریکی را بطور معقول نشان می‌دهد، و تایید می‌کند که مدل ارائه شده پیش‌بینی پاسخ سریع نوار را فراهم می‌کند. تحت تحریک یک ولت، خیز حداکثر و پسماند انتهای کنسول بترتیب به اندازه 11/0 و 04/0طول نوار بدست آمد، و غلظت کاتیون در ضخامت میانی نوار به اندازه 1150 مول بر مترمکعب محاسبه شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Nonlinear numerical analysis of actuation response of ionic polymer metal composite cantilever considering coupled electrical, chemical, and mechanical fields

نویسندگان [English]

  • Mohammad Javad Mahmoodi 1
  • Amirhossein Taghavi-Ganji 2
1 Shahid Beheshti University,Tehran, Iran.
2 Amirkabir University of Technology
چکیده [English]

Ionic Polymer-Metal composite (IPMC) actuators are very thin sandwich strips with an electroactive polymer in the middle and two metal electrodes on the sides. The coupling of electric, chemical and mechanical fields causes bending deformation, as applying voltage to the electrodes leads to the ions migration through the thickness. In this paper, a nonlinear coupled electrochemical mechanical analysis of the actuation response of an IPMC cantilever is performed. First, the primary electrochemical response is obtained by coupling chemical and electric fields. This equation is solved by the finite difference method using the Newton-Raphson method. This response inserts into the mechanical field. Using the solvent transfer equation, the eigen strain and bending moment rates are obtained. By extracting the water coverage in the boundary layer of cathode and anode, the cantilever end displacement is determined. The results are compared and validated with the finite element simulation done in the current work and previous available studies. The results show reasonably a fit between the response of the actuator and the electrical excitation, and confirm the presented model provides the fast response prediction of the strip. Under 1 Volt excitation, the maximum and residual deflections of the cantilever end were found to be 0.11 and 0.04 of the strip length, respectively, and the cation concentration in the middle of the thickness was calculated to be 1150 mol/m3.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ionic Polymer-Metal Composite
  • Actuation response
  • Electrochemical-mechanical model
  • Finite difference method