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

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکدة مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران،

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

چکیده

محرک‌های کامپوزیت فلزپلیمریونی نوارهای ساندویچی بسیار نازک با یک پلیمر الکترواکتیو در وسط و دو الکترود فلزی در طرفین هستند. اعمال ولتاژ به الکترودها منجر به مهاجرت یونی در پلیمر و تغییر غلظت یون در ضخامت نوار می‌شود و با کوپل میدان‌های شیمیایی، الکتریکی و مکانیکی، تغییرشکل در نوار بوجود می‌آید. در این مقاله، تحلیل غیرخطی کوپل الکتروشیمی مکانیکیِ پاسخ محرکیِ کنسول کامپوزیت فلزپلیمریونی انجام می‌گیرد. از کوپل میدان‌های شیمیایی و الکتریکی، معادله پاسخ الکتروشیمیایی با روش تفاضل محدود، و بهره‌گیری از روش نیوتن-رافسون حل می‌شود. با نوشتن معادله انتقال حلال و پاسخ الکتروشیمیایی، نرخ کرنش ویژه، و نرخ تغییرات لنگر خمشی محرک و در ادامه پاسخ جابجایی انتهای تیر با استخراج میزان آبپوشی در لایه مرزی کاتد و آند بدست می‌آید. نتایج بدست آمده با 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 0/11 و 0/04 طول 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 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 a voltage to the electrodes leads to the ion's migration through the thickness. A nonlinear coupled electrochemical mechanical analysis of the actuation response of an IPMC cantilever is performed. From the coupling of chemical and electric fields, the electrochemical response equation is solved by the finite difference and Newton-Raphson methods. This response inserts into the mechanical field. Using the solvent transfer equation, the eigenstrain and bending moment rates are obtained. The cCantilever’s tip deflection is determined by extracting the water coverage in the boundary layer of the cathode and anode. The results are compared and validated with previous available studies. The results show 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’s end were found 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
  • Newton-Raphson Method

مراجع

[1] E. Biddiss, T. Chau, Electroactive polymeric sensors in hand prostheses: Bending response of an ionic polymer metal composite, Medical engineering & physics, 28 (2006) 568-578.
[2] M. Shahinpoor, Micro-Electro-Mechanics of Ionic Polymeric Gels As Electrically Controllable Artificial Muscles, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 6(3) (1995) 307-314.
[3] P.E. Grimshaw, J.H. Nussbaum, A.J. Grodzinsky, M.L. Yarmush, Kinetics of electrically and chemically induced swelling in polyelectrolyte gels, The Journal of Chemical Physics, 93(6) (1990) 62-72.
[4] Y. Bar-Cohen, Electroactive Polymers as Artificial Muscles: Reality and Challenges, 19th AIAA Applied Aerodynamics Conference, (2001).
[5] W. Jung, S.S. Kang, Y. Toi, Computational modeling of electrochemical–mechanical behaviors of Flemion-based actuators considering the effects of electro-osmosis and electrolysis, Computers & Structures, 88(15-16) (2010) 38-48.
[6] S. Nemat-Nasser, J.Y. Li, Electromechanical response of ionic polymer-metal composites, Journal of Applied Physics, 87(7) (2000) 21-31.
[7] S. Nemat-Nasser, Y. Wu, Comparative experimental study of ionic polymer metal composites with different backbone ionomers and in various cation forms, Journal of Applied Physics, 93(9) (2003) 55-67.
[8] S. Nemat-Nasser, S. Zamani, Y. Tor, Effect of solvents on the chemical and physical properties of ionic polymer-metal composites, Journal of Applied Physics, 99(10) (2006) 1-17.
[9] S. Nemat-Nasser, Micromechanics of actuation of ionic polymer-metal composites, Journal of Applied Physics, 92(5) (2002) 2899-2915.
[10] A. Karimdoost Yasuri, M. Izadi, H. Hatami, Numerical Study of Natural Convection in a Square Enclosure Filled by Nanofluid with a Baffle in the Presence of Magnetic Field, Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering, 38(5) (2019) 209-220.
[11] H. Hatami, M. Hosseini, A. Karimdoost Yasuri, Perforation of Thin AluminumTargetsUnder Hypervelocity Impact ofAluminumSpherical Projectiles, Materials Evaluation, 77 (2019) 411-422.
[12] H. Hatami, M. Hosseini, Elastic-Plastic Analysis of Bending Moment – Axial Force Interaction in Metallic Beam of T-Section, Journal of Applied and Computational Mechanics, 5(1) (2019) 162-173.
[13] H. Liu, S. Han., Y. Li, M. Zhang, J. Zhu, Deflection analysis of IPMC actuators under AC voltages using DIC method, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series 12550 (2023).
[14] JE. Traver, C. Nuevo-Gallardo, P. Rodríguez, I. Tejado, BM. Vinagre, Modeling and control of IPMC-based artificial eukaryotic flagellum swimming robot: Distributed actuation, Algorithms, 15(6) (2022) 181.
[15] S. SamPour, H. Moeinkhah, H. Rahmani, Electrochemical viscoelastic modelling to predict quasi-static and dynamic response of IPMC actuators, Mechanics of Materials, 138 (2019) 103172.
[16] M. Rao, F. Tang, Y. Li, LF. Chang, Z. Zhu, A. Aabloo, Multi-physical modeling and fabrication of high-performance IPMC actuators with serrated interface, Journal of Smart Materials and Structures, 31(9) (2022) 095023.
[17] A. Gupta, S. Mukherjee, Dynamic modeling of biomimetic undulatory ribbon fin underwater propulsor actuated by IPMC, Journal of Materials Today, 44(1) (2021) 1086-1089.
[18] P. G. De Gennes, K. Okumura, M. Shahinpoor, K. J. Kim, Mechanoelectric effects in ionic gels, EPL, 50 (2000) 513-518.
[19] K. Asaka, K. Oguro, Bending of polyelectrolyte membrane platinum composites by electric stimuli: Part II. Response kinetics, Journal of Electroanalytical Chemistry, 480(1-2) (2000) 186-198.
[20] K. J. Kim, S. Tadokoro, Electroactive Polymers for Robotics Applications: Artificial Muscles and Sensors, Springer, (2007).
[21] S. Nemat-Nasser, Y. Wu, Tailoring the actuation of ionic polymer–metal composites, Smart materials and structures, 15(4) (2006) 909-923.
[22] Z. Zhu, K. Asaka, L. Chang, K. Takagi, H. Chen, Physical interpretation of deformation evolvement with water content of ionic polymer-metal composite actuator, Journal of Applied Physics, 114(18) (2013) 902-912.
[23] D. Schicker, T. Wallmersperger, Modeling and simulation of the chemo-electro-mechanical behavior of ionic polymer-metal composites, Journal of Applied Physics, 114(16) (2013) 709-717.
[24] Z. Zhu, K. Asaka, L. Chang, K. Takagi, H. Chen, Multiphysics of ionic polymer–metal composite actuator, Journal of Applied Physics, 114(8) (2013) 902-912.
[25] T. R. Brumleve, R. P. Buck, Numerical solution of the Nernst-Planck and poisson equation system with applications to membrane electrochemistry and solid state physics, Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry, 90(1) (1978) 1-31.
[26] L. Zhang, Y. Yang, Modeling of an ionic polymer–metal composite beam on human tissue, Smart Materials and Structures, 16(2) (2007) 197-207.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 56، شماره 1
1403
صفحه 125-146

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار