基于介电弹性体的可恢复式推销器

李 响,梅江涛,陈 亮,李 晓

(航天科工四院探测与控制技术研究所， 湖北 孝感 432100)

基于介电弹性体的可恢复式推销器

李 响,梅江涛,陈 亮,李 晓

(航天科工四院探测与控制技术研究所， 湖北 孝感 432100)

针对磁流变液体驱动的可恢复式保险机构易受环境温度影响，且密封性要求高，形状记忆合金驱动的可恢复式保险机构响应速度较慢等问题，提出了基于介电弹性体的可恢复式推销器。该推销器由压缩弹簧、介电弹性体、左滑块、右滑块及热缩套管等组成，具有结构简单，响应时间快的优点。仿真和试验结果分析表明，可恢复式推销器的仿真位移44.1 mm，与实际试验的结果45 mm相吻合。

可恢复式推销器；介电弹性体；有限元；试验

0 引言

一般引信保险机构只具备由保险状态向解除保险状态转换的单向转换功能，不具备由解除保险状态恢复至保险状态的双向转换功能。一旦发生误伤误炸现象，将会造成严重的损失。因此保险状态可恢复已成为引信保险机构的发展趋势[1]。

基于步进电机逆向运动设计的保险机构虽然具有可恢复性，但是这种驱动机构机械结构复杂、价格昂贵、体积大、质量大，限制了其在引信中的应用。为解决引信保险机构的安全状态可恢复性问题，近年来，一些智能材料如磁流变液体、形状记忆合金等被用来实现保险机构的可恢复性。但是磁流变液体易受环境温度影响，且密封性要求高；形状记忆合金响应速度较慢。文献[2]提出了一种基于形状记忆合金驱动的可恢复式保险机构，通过给该机构通断电，可以实现保险杆的伸缩运动，该机构的优点是可多次动作，但机构较复杂，响应慢。本文针对上述问题，提出了基于介电弹性体的可恢复式推销器。

1 介电弹性体变形原理

在介电弹性体的上下表面涂上石墨电极，施加电压后，其工作原理类似于一个平行板电容器，介电弹性体上的电极正负电荷相互吸引，产生静电压力，使得介电弹性体的厚度减小，由于该材料的不可压缩特性，导致其面积增大。释电后静电压力消失，材料恢复原状。这样介电弹性体材料就形成了如下的工作循环：通电，厚度减小，面积变大→断电，恢复原状。通过这种工作方式，介电弹性体实现了电能向机械能的转换。介电弹性体的变形过程如图1所示。

通电后产生的静电压力σz可以表示为[3]：

(1)

式中，σz为介电弹性体受到的静电压力，ε0为真空介电常数，εr为介电弹性体材料的相对介电常数，V为介电弹性体材料上施加的电压，dz为介电弹性体材料的厚度。

2 可恢复式推销器工作原理

图2所示为可恢复式推销器结构示意图，它由压缩弹簧、介电弹性体(卷绕而成)、左滑块、右滑块及热缩套管等组成。

将表面敷有石墨电极的预拉伸的介电弹性体卷绕在压缩弹簧上，并在压缩弹簧的左右两端装配滑块进行封装，这里压缩弹簧的作用是作为预拉伸介电弹性体的支撑载荷。

介电弹性体在通电和失电后其形状会发生改变，相当于一个刚度可变的弹簧[4]。图3所示为可恢复式推销器工作原理。

图3中，fv(s)为介电弹性体通电时的刚度曲线，fn(s)为介电弹性体失电后的刚度曲线，fp(s)为压缩弹簧的刚度曲线。a为可恢复式推销器中的压缩弹簧的自由状态；b为将弹簧预压缩后卷绕预拉伸的介电弹性体时的状态；c为通电前可恢复式推销器的平衡状态，此时弹簧力与介电弹性体的内应力相互平衡，可恢复式推销器稳定在A点；d为通电后可恢复式推销器的状态，当通电后，介电弹性体的刚度下降，压缩弹簧的恢复力大于预拉伸介电弹性体的内应力，推动可恢复式推销器伸长运动，直至两者达到新的平衡，可恢复式推销器稳定在B点。

失电后介电弹性体的刚度上升，介电弹性体的内应力大于弹簧抗力，可恢复式推销器又回到原来的平衡点A。由此可见，可恢复式推销器是利用介电弹性体通电前后与预载荷相互平衡的原理进行工作。

3 可恢复式推销器有限元仿真

3.1 可恢复式推销器本构模型

为分析可恢复式推销器的运动，采用有限元软件Abaqus对可恢复式推销器进行有限元分析。由于介电弹性体在卷绕到压缩弹簧之前的形状为矩形，卷绕到压缩弹簧之后，介电弹性体的每层之间有电极隔开，不会产生相互干扰，因此以介电弹性体卷绕到压缩弹簧之前的形状进行分析。

介电弹性体作为一种粘-超弹性材料，文中采用常见的Yeoh超弹性模型，分析描述其力学性能的应变能函数W[5]：

(2)

式中，C10，C20，C30为材料本构关系的常数，其值分别为6.93×10-2MPa、-8.88×10-4MPa、1.67×10-5MPa，材料参数由单向拉伸测试获得[6]。

式(2)中的I1为关于左Cauchy-Green变形张量的第1不变量[6]：

I1=λ12+λ22+λ32

(3)

式中，λ1,λ2,λ3为介电弹性体的主伸长率，由于介电弹性体材料具有的不可压缩性，故λ1λ2λ3=1。

3.2 仿真分析

对可恢复式推销器进行有限元分析，为后续可恢复式推销器的设计提供参考。有限元分析过程如下：

1)介电弹性体预拉伸。首先将介电弹性体进行双向预拉伸(这里将尺寸为42mm×7mm×1mm的介电弹性体进行3.75×3.75倍的预拉伸)，拉伸后尺寸变为157.5mm×26.25mm×0.071 1mm。预拉伸后介电弹性体内的应力云图如图4所示，介电弹性体内的应力为0.168 8MPa。

2)施加预载荷。考虑到可恢复式推销器中介电弹性体的实际约束与受力情况，施加在介电弹性体的约束与受力情况为：

①解除介电弹性体的侧面约束；

②对介电弹性体的下边进行固定；

③对介电弹性体的上边施加一个y向的由压缩弹簧提供的预载荷，其余自由度全部约束。

图5为施加预载荷后得到的位移云图，可恢复式推销器在预载荷作用下沿y向伸长了17.85 mm，即可恢复式推销器的有效长度为44.1 mm。此时，介电弹性体的厚度变为0.041 4 mm。

3)施加静电压力。在介电弹性体上施加4.4 kV的电压，根据公式(1)计算出相应的静电压力为0.47 MPa，并将该压力施加在介电弹性体上。图6为施加静电压力后，所得到的介电弹性体的输出位移云图，介电弹性体在y向的位移增加到了24.09 mm，即可恢复式推销器在通电后产生的输出位移为6.24 mm。

4 可恢复式推销器的制作及试验验证

4.1 可恢复式推销器的制作

可恢复式推销器的制作过程如下：

1)将介电弹性体进行双轴均匀预拉伸；

2)在拉伸后的介电弹性体上下表面敷石墨电极，石墨电极采用超细碳黑EC-300J、硅油、正庚烷等制备而成[7]。石墨电极在介电弹性体上的涂敷如图7所示，并将铝箔分别粘贴在石墨电极两侧作为电极引线，如此采用，可防止石墨电极短路；

3)将压缩弹簧进行预压缩，然后转动卷绕轴，把预拉伸后的介电弹性体均匀的卷绕在压缩弹簧、左滑块和右滑块的凹槽上；

4)上述1)～3)的操作步骤完成后，取下卷绕轴，把左滑块和右滑块两端多余的介电弹性体裁剪掉，并采用热缩套管将卷绕在左滑块和右滑块上的介电弹性体固定。如此采用，可有效防止可恢复式推销器运动时，介电弹性体从左滑块和右滑块上松脱，导致可恢复式推销器结构失效。

其中介电弹性体选用美国3M 公司的VHB4910材料，左滑块和右滑块以及卷绕轴均采用缩醛树脂材料。图8为可恢复式推销器的实物。

4.2 试验情况

影响可恢复式推销器性能的因素，主要有介电弹性体的预拉伸率λ、簧丝直径d、卷绕层数N等。设计如表1所示的试验方案。

表1 试验方案

由高压直流电源进行通电试验发现：可恢复式推销器施加电压在4.5 kV左右时容易被击穿。因此对每组可恢复式推销器试验时，最高电压施加为4.4 kV，可恢复式推销器输出位移-电压曲线如图9所示。可以看出，其中第4组可恢复式推销器在施加4.4 kV电压时输出位移达到8.4 mm，相应的伸长应变达到18.7%。

图10中左图为通电前的可恢复式推销器的状态，其原始有效长度为45 mm；右图所示为可恢复式推销器通电后的状态，通电后的长度变为53.4 mm；断电后可恢复式推销器恢复到通电前的原始状态。该可恢复式推销器的性能参数如表2所示。

名称参数有效长度/mm45输出位移/mm8 4伸长应变/%18 7工作电压/kV4 4质量/g6 3

该可恢复式推销器的结构尺寸还可以做的很小，以满足引信使用要求。文中结构尺寸仅是为了制作方便。

4.3 试验结果分析

通过仿真分析与试验对比：可恢复式推销器施加预载荷后长度的仿真结果为44.1 mm，与实际试验的结果45 mm相吻合。由于有限元分析时对介电弹性体的模型施加的静电压力为恒定压力，而实际情况是，当静电压力作用在介电弹性体上时，介电弹性体的厚度减小，又会导致作用在其上的静电压力增加，这样又将进一步导致介电弹性体的厚度减小，产生更大的变形，因此导致仿真分析结果小于试验结果。

从试验可以看出，研究的可恢复式推销器原理可行，但是尺寸及连线方式等距实用化还有一定差距。此外，可恢复式推销器的驱动电压偏高，通过减小介电弹性体的厚度或者研制具有更大介电常数的介电弹性体等方法，可有效降低驱动电压，降低驱动电压是未来产品实用化研究的方向。

5 结论

本文提出了基于介电弹性体的可恢复式推销器，该可恢复式推销器具有结构简单、响应时间快的优点。仿真和试验结果分析表明，可恢复式推销器的仿真位移44.1 mm，与实际试验的结果45 mm相吻合。

[1]朱珊,李豪杰.基于滑块继续运动的安全状态可恢复隔爆机构[J]. 探测与控制学报,2010,32(3):39-42.

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[7]王化明,朱剑英,叶克贝，等.介电弹性体线性驱动器研究[J].机械工程学报,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

李响(1985—)，男，安徽宿州人，硕士，工程师，研究方向：引信总体设计。E-mail:lixiangnuaa@163.com。

TJ430.2

A

1008-1194(2017)03-0097-04