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

محرک‌ های 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.

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

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.