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专利号: 2023107729897
申请人: 安徽建筑大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-03-20
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于导电液晶弹性体的自振动体系,其特征在于:包括柔性导线(10)、质量球(11)、电压源(12)、导线(13)、动态激活装置(2)和刚性管(3);

所述柔性导线(10)包括液晶弹性体(101)和电阻丝(102),所述电阻丝(102)设置于双层液晶弹性体(101)内部,且所述电阻丝(102)之间存在一定间距;

所述导线(13)包括触发导线(131)与连接导线(132),所述电压源(12)置于固定架的上部固定端,并通过连接导线(132)与柔性导线(10)内部的电阻丝(102)连接;

所述柔性导线(10)的一端与固定架的上部固定端连接,所述柔性导线(10)的另一端与质量球(11)连接,所述触发导线(131)通过质量球(11)上的贯穿孔与柔性导线(10)内部电阻丝(102)连接;

所述动态激活装置(2)设置在质量球(11)的下方;

所述动态激活装置(2)包括激活室(21)、储液室(22)、导液管(23)和双向齿轮阀(24),所述导液管(23)连接激活室(21)和储液室(22),所述双向齿轮阀(24)位于导液管(23)内,所述激活室(21)和储液室(22)内分别装有电解质溶液;

所述激活室(21)位于质量球(11)的正下方,所述激活室(21)的顶部设置有能够满足工作过程中电阻丝(102)往复运动的孔洞,所述触发导线(131)的自由端穿插于激活室(21)内,并满足未工作时激活室(21)内部的液面高度不与触发导线(131)接触;

所述刚性管(3)固定于质量球(11)上,且所述刚性管(3)套设在触发导线(131)的外侧。

2.根据权利要求1所述的基于导电液晶弹性体的自振动体系,其特征在于,所述质量球(11)由设置有贯穿孔两个半球体合并而成。

3.一种如权利要求1所述的基于导电液晶弹性体的自振动体系的控制方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤S101:制备自振动体系;

步骤S102:确定液面的初始高度h0,柔性导线(10)仅在质量球(11)重力作用下时触发导线(131)与液面之间的距离h1,当启动外接电机使双向齿轮阀(24)正向输液,随着激活室(21)内部的电解质溶液液面高度升高并与触发导线(131)接触时,电路变为通路并使电阻丝(102)加热,随着液晶弹性体(101)温度T升高,开始产生收缩变形并向上运动;

步骤S103:测量质量球(11)质量m1以及在质量球重力下液晶弹性体(101)的原长L0,确定液晶弹性体(101)的弹簧常数k1与收缩系数α,并测定阻尼系数C以及重力加速度g,并由此确定液晶弹性体(101)电热收缩的收缩应变ε、液晶弹性体(101)受到的拉力F以及阻尼Fd,得到质量球(11)运动的控制方程;

步骤S104:首先记录常温下环境温度TE(假设液晶弹性体常温下温度等于环境温度),测量液晶弹性体(101)的比热容ρc以及电阻丝(102)的电阻值R,并确定传热系数k,并由此确定通电时单位时间内电阻丝(102)产生的热量Q总、液晶弹性体(101)所吸收的热量Q吸以及传热过程中损失的热量Q损,从而得到通电时液晶弹性体(101)内部温度T1随时间t变化方程以及断电时温度T2随时间t变化方程;

步骤S105:得到液晶弹性体(101)的动态响应,即质量球(11)的位移u和速度v与时间t的关系,若质量球(11)中心位置为原点O,以竖直向下方向为正方向建立二维平面直角坐标系,可由计算得出位移u与原点O之间的关系判定柔性导线(10)处于通电或断电状态,当质量球(11)位移u<0时,则表示触发导线(131)远离液面,处于断电状态,当质量球(11)位移u≥0时,则表示触发导线(131)接触液面,处于通电状态。

4.根据权利要求3所述的控制方法,其特征在于,所述步骤S101中制备自振动体系的方法为:准备液晶弹性体(101)、电阻丝(102),并将电阻丝(102)夹在两层交联的液晶弹性体(101)薄膜之间制备成柔性导线(10),接着将柔性导线(10)固定于固定架的固定端,两条电阻丝(102)通过连接导线(132)分别与固定端内部的电压源(12)正负极连接,同时在柔性导线(10)的自由端设置触发导线(131),触发导线(131)与电阻丝(102)连接,接着将带有贯穿孔的两个半球体粘接固定于触发导线(131)与电阻丝(102)的连接处,触发导线(131)刚好通过贯穿孔延伸出来,并在延伸出的触发导线(131)外部套设刚性管(3),刚性管固定于质量球(11)外侧,接着在触发导线(131)正下方设置动态激活装置(2)。

5.根据权利要求3所述的控制方法,其特征在于,所述步骤S103中得到质量球(11)运动的控制方程方法为:电热驱动下液晶弹性体(101)收缩应变ε与温度T的关系按照公式(a)计算,公式(a)如下:ε(t)=‑αT(t)··················(a)电热驱动下液晶弹性体(101)受到的拉力为F(t)按照公式(b)计算,公式(b)如下:F(t)=k1[u(t)‑L0ε(t)]··············(b)电热驱动下质量球(11)运动过程中受到的阻尼Fd按照公式(c)计算,公式(c)如下:由公式(a)、(b)和(c)得到电热驱动下质量球(11)运动的控制方程(d),公式(d)如下:

2 2

其中,u(t),v=du(t)/dt,a=du(t)/dt分别为质量球(11)运动过程中位移、速度以及加速度。

6.根据权利要求3所述的控制方法,其特征在于,所述步骤S104中得到通电时液晶弹性体(101)内部温度T1随时间t变化方程以及断电时内部温度T2随时间t变化方程的方法为:电热驱动下电阻丝(102)单位时间内产生的热量Q总按照公式(e)计算,公式(e)如下:2

Q总=IR·······················(e)

电热驱动下液晶弹性体(101)吸收的热量Q吸按照公式(f)计算,公式(f)如下:Q吸=ρc(T绝对‑TE)····················(f)电热驱动下传热过程中损失的热量Q损按照公式(g)计算,公式(g)如下:Q损=k(T绝对‑TE)··················(g)其中,T绝对为液晶弹性体的绝对温度,并令T相对=T绝对‑TE;

传热过程中的热平衡公式按照公式(h)计算,公式(h)如下:

ρcΔT=[Q总‑Q损]Δt·················(h)其中,ΔT为液晶弹性体(101)温度变化量,即ΔT=T相对=T绝对‑TE;

因此液晶弹性体101温度T相对随时间t变化关系按照公式(i)计算,公式(i)如下:综合公式(e)、(f)和(g),于是公式(h)可被改写为公式(j),公式(j)如下:其中,τ=ρc/k反映电热刺激液晶弹性体光纤的热弛豫时间;

于是公式(j)被改写为公式(k),公式(k)如下:

通过求解公式(k),分别得到通电与断电时液晶弹性体(101)内部温度的变化方程以及相应的控制方程;

通电时液晶弹性体(101)温度T1随时间t变化关系按照公式(l)计算,公式(l)如下:则通电时质量球(11)运动时的控制方程按照公式(m)计算,公式(m)如下:断电时液晶弹性体(101)内部温度T2随时间t变化关系按照公式(n)计算,公式(n)如下:则断电时质量球(11)运动时的控制方程按照公式(o)计算,公式(o)如下:从而得到通电时液晶弹性体(101)内部温度T1随时间t变化方程以及断电时内部温度T2随时间t变化方程。

7.根据权利要求3所述的控制方法,其特征在于,所述步骤S105中质量球(11)的位移u和速度v与时间t的关系计算方法如下:位移u和速度v与时间t的关系按照公式(p)、(q)以及(r)计算,公式(p)、(q)以及(r)如下:其中,h是时间步长,

即得质量球运动时的位移u和速度v的关系。

8.根据权利要求3所述的控制方法,其特征在于,所述步骤S105中,断电状态,液晶弹性体内部温度T2将按以下规律演化:通电状态,液晶弹性体内部温度T1将按以下规律演化:

因此,当电阻丝(102)材质、液晶弹性体(101)材质、质量球(11)质量m1选定,电阻丝(102)与液面之间的距离h1以及阻尼系数C恒定的情况下,系统的振动状态只与输入系统的电流强度相关;

当电流强度过低时,则电阻丝(102)产生的热量不足,输入系统的能量不足以维持系统自激振动,最终由于阻尼耗散处于稳定状态;

当电流强度足够大时,输入系统的能量可以维持系统振动运动,最终系统处于自振动状态。