基于NI-DAQ的双轴拉伸试验平台的设计和实现

　　电活性聚合物是一种广泛用于机器人、机器昆虫、人工假肢、人工机械手、发动机及医疗卫生、电机械工业、军事情报等高科技领域的智能材料,也称“人工肌肉”[1]。电活性聚合物材料是一种超弹性材料,其本构关系是进行设计、优化各类电活性聚合物驱动器的基础。现能进行单向拉伸试验的设备已很普遍,但能对材料进行压缩性(双向等轴拉伸)试验的测试仪器尚不多见,因此设计一种能检测电活性聚合物双向拉伸性能的测试仪器显得尤其重要。虚拟仪器是现代计算机技术、仪器仪表技术及现代计算机辅助测试(CAT)技术相结合的产物,广泛应用于数据采集和自动测试领域。其优点在于通用硬件平台确定后,可利用软件的灵活性来完成和扩展仪器的功能,并增强仪器的性能;仪器的功能是用户根据需要由软件设计和定义的,可以灵活方便地定制仪器,满足各种特殊需要;其研制周期短,在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有的灵活性与经济性,特别适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高更新的测量要求。作者详细介绍一种利用虚拟仪器组建的双轴拉伸试验平台,通过检测等轴拉伸力和位移之间的关系,能最终得到电活性聚合物膜材料的本构关系。

　　1　超弹性材料的本构模型

　　超弹性材料的本构模型是由应变能函数导出的,常用的应变能函数有如下3种形式:

　　(1) Mooney-Rivlin应变能函数

主方向的拉伸率,N是阶数。

　　对于不可压缩材料,λ1λ2λ3=1,上述应变能函数可做相应简化。主柯西应力ti(i=1, 2, 3)可由如下公式得出

式中:p是静水压力,由动力学边界条件确定。根据上述公式及材料不可压缩性假设,可得出柯西应力-拉伸率之间的关系式,对等轴拉伸有

　　该试验台就是通过对电活性聚合物的膜材料进行等轴拉伸,对测得的数据进行处理后得到应力和拉伸率之间的关系,经拟合得到材料参数。通过对3种形式的材料本构模型进行对比,从而最终确定材料的本构模型。

　　2　双轴拉伸试验原理

　　该双轴拉伸试验平台主要是用来检测超弹性膜材料在等轴拉伸时的力和应变的关系,从而确定其本构模型。图1表示了双轴拉伸试验平台拉伸试验原理。由步进电机(图中未画出)驱动图中两对反向丝杠旋转,从而带动x、y轴两对滑道分别沿图示x、y方向作等轴对称慢速移动, 20个自紧夹头夹紧试样进行等速拉伸,同时自紧夹头随其后部的轴承在滑道上滚动。安装在滑道另一侧的x、y轴向测力传感器对拉力进行检测,通过定点测试拉力,即可获得拉伸力和位移之间的关系。图2为双轴拉伸试验平台拉伸试验支架图。