V型电热驱动器的理论建模及位移响应特性

李峰; 王新杰; 陈浩

doi:10.37188/OPE.20223013.1572

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V型电热驱动器的理论建模及位移响应特性

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2022-08-07

- V型电热驱动器的理论建模及位移响应特性
- Theoretical modeling and displacement response characteristics of V-shaped electrothermal actuator
- 光学精密工程 2022年30卷第13期页码：1572-1581
- 作者机构：
  
  南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094
- 作者简介：
  
  [ "李　峰（1998-），男，山东枣庄人，硕士研究生，2020年于山东理工大学获得学士学位，主要从事智能材料结构驱动及其控制的研究。E-mail：3475009020@qq.com" ]
  [ "王新杰（1982-），男，河南人，博士，副教授，2011年于哈尔滨工业大学获得博士学位，主要从事微机电系统，智能材料驱动及其控制的研究。E-mail：xjwang@njust.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52075263)
- DOI：10.37188/OPE.20223013.1572
  中图分类号： TH122
- 收稿日期：2022-02-26，
  
  修回日期：2022-03-25，
  
  纸质出版日期：2022-07-10
- 稿件说明：
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李峰,王新杰,陈浩.V型电热驱动器的理论建模及位移响应特性[J].光学精密工程,2022,30(13):1572-1581.

LI Feng,WANG Xinjie,CHEN Hao.Theoretical modeling and displacement response characteristics of V-shaped electrothermal actuator[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(13):1572-1581.
李峰,王新杰,陈浩.V型电热驱动器的理论建模及位移响应特性[J].光学精密工程,2022,30(13):1572-1581. DOI： 10.37188/OPE.20223013.1572.

LI Feng,WANG Xinjie,CHEN Hao.Theoretical modeling and displacement response characteristics of V-shaped electrothermal actuator[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(13):1572-1581. DOI： 10.37188/OPE.20223013.1572.

摘要

为了研究V型电热驱动器的位移响应特性，考虑到材料参数的温度非线性及数学模型中存在的非连续性边界问题，从理论、仿真和实验三个方面对V型电热驱动器进行研究。通过引入与温度相关的材料参数更新函数，建立V型电热驱动器的电-热-力耦合模型；利用改进型切比雪夫谱方法求解所构建的耦合模型，得到V型电热驱动器温度和瞬态位移表达式。然后，对V型电热驱动器温度和位移进行有限元仿真和理论分析。最后，搭建电热驱动器瞬态位移响应实验平台，将恒定电压激励下的V型电热驱动器位移响应实验结果与理论和仿真结果进行对比，并对周期性方波电压下V型电热驱动器的位移响应进行了测试。实验结果表明：在一段时间后，V型电热驱动器的位移响应呈现周期性变化，且周期与方波电压周期相等；在其他参数相同的条件下，峰峰值为14 V的周期方波电压作用下，电热驱动器位移均值为20 µm，峰峰值为7 V的周期方波电压作用下，位移均值为28 µm；频率为50 Hz的周期方波电压作用下，电热驱动器位移变化幅度比频率100 Hz下多7 µm。V型电热驱动器的位移均值基本不变，但位移变化幅度与频率负相关。

Abstract

To study the characteristics of displacement response for a V-shaped electrothermal actuator， considering that the material parameters are affected by temperature nonlinearity and discontinuous boundary problems in the mathematical model， the characteristics of displacement response for the V-shaped electrothermal actuator were studied in theory， simulation， and experiment. First， an electro-thermal-mechanical coupling model of a V-shaped electrothermal actuator was established by introducing updating functions of a material parameter related to the temperature. Expressions for the temperature and transient displacement of the V-shaped electrothermal actuator were obtained using the improved Chebyshev spectrum method to solve the constructed coupling model. Then， a finite element simulation and theoretical analysis of the temperature and displacement of the V-shaped electrothermal actuator were performed to verify the correctness of the model. Finally， an experimental platform for the transient displacement response of the electrothermal actuator was constructed. The experimental results of the displacement response for the V-shaped electrothermal actuator under constant voltage excitation were compared with the theoretical and simulation results. The displacement response of the V-shaped electrothermal actuator under a periodic square wave voltage was tested. The test results reveal the following： the V-shaped electrothermal actuator performs periodic variation after a certain amount of time. The cycle is identical to that of the square wave voltage. Under similar conditions of other parameters， the average displacements of the electrothermal driver under the action of the peak-to-peak 14 V periodic square wave voltage are 20 µm. Furthermore， the average displacements under the action of the peak-to-peak 7 V periodic square wave voltage are 28 µm. The displacement variation of the electrothermal actuator under the action of a periodic square wave voltage with a frequency of 50 Hz is 7 µm larger than that under a frequency of 100 Hz. The mean displacement is approximately equal. However， the variation range of displacement is negatively correlated with frequency.

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Keywords

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