Abstract

Today, tunable soft elastomeric actuators due to their remotely-controllability, fast-response and stiffening have gained great attention. This article aims to develop analytical and numerical tools for thermo-mechanical analysis of an incompressible isotropic thermally-soft actuator subjected to finite bending deformation. To model the finite bending of soft actuator, amongst all existing energy density functions of hyperelastic models, exp-exp, Mooney-Rivlin, and Neo-Hookean models are selected. Under different temperature distributions, the radial and hoop stress components and the bending moment versus mean radius of curvature are presented. The results show the radial stress is more sensitive to the variation of the temperature gradient than the hoop stress. In addition, the variation of the mean radius of curvature has the most significant effect on stress components. It could be concluded, in a constant mean radius of curvature, positive and negative temperature gradient have direct and inverse effect on the stress components magnitude, respectively. As state of the art, the results show that in some mean radius of curvatures and temperature differences (e.g., temperature difference of 70 °C at mean radius of curvatures of 5 m), self-bending phenomenon is observed which means the actuator could be used as a purely thermal actuator. Furthermore, to verify the proposed solution, as a proof-of-concept study, Finite Element Method (FEM) using a user-defined subroutine, UHYPER was used. The results of FEM and analytical solutions are shown to be in a good fit.

摘要

如今，可调谐软弹性体致动器由于其可远程控制、快速响应和刚性而受到广泛关注。本文旨在开发用于有限弯曲变形的不可压缩各向同性热软致动器的热机械分析的分析和数值工具。为了模拟软致动器的有限弯曲，在超弹性模型的所有现有能量密度函数中，选择了 exp-exp、Mooney-Rivlin 和 Neo-Hookean 模型。在不同的温度分布下，给出了径向和环向应力分量以及弯矩与平均曲率半径的关系。结果表明，径向应力对温度梯度的变化比环向应力更敏感。此外，平均曲率半径的变化对应力分量的影响最为显着。可以得出结论，在恒定平均曲率半径下，正负温度梯度分别对应力分量大小有正向和反向影响。作为现有技术，结果表明，在某些平均曲率半径和温差下（例如，平均曲率半径为 5 m 时温差为 70 °C），观察到自弯曲现象，这意味着执行器可以用作纯热致动器。此外，为了验证所提出的解决方案，作为概念验证研究，使用了用户定义的子程序 UHYPER 的有限元方法 (FEM)。有限元法和解析解的结果非常吻合。在恒定平均曲率半径下，正温度梯度和负温度梯度分别对应力分量大小有直接和反向影响。作为现有技术，结果表明，在某些平均曲率半径和温差下（例如，平均曲率半径为 5 m 时温差为 70 °C），观察到自弯曲现象，这意味着执行器可以用作纯热致动器。此外，为了验证所提出的解决方案，作为概念验证研究，使用了用户定义的子程序 UHYPER 的有限元方法 (FEM)。有限元法和解析解的结果非常吻合。在恒定平均曲率半径下，正温度梯度和负温度梯度分别对应力分量大小有直接和反向影响。作为现有技术，结果表明，在某些平均曲率半径和温差下（例如，平均曲率半径为 5 m 时温差为 70 °C），观察到自弯曲现象，这意味着执行器可以用作纯热致动器。此外，为了验证所提出的解决方案，作为概念验证研究，使用了用户定义的子程序 UHYPER 的有限元方法 (FEM)。有限元法和解析解的结果非常吻合。结果表明，在某些平均曲率半径和温差下（例如，平均曲率半径为 5 m 时温差为 70 °C），观察到自弯曲现象，这意味着执行器可以用作纯热执行器. 此外，为了验证所提出的解决方案，作为概念验证研究，使用了用户定义的子程序 UHYPER 的有限元方法 (FEM)。有限元法和解析解的结果非常吻合。结果表明，在某些平均曲率半径和温差下（例如，平均曲率半径为 5 m 时温差为 70 °C），观察到自弯曲现象，这意味着执行器可以用作纯热执行器. 此外，为了验证所提出的解决方案，作为概念验证研究，使用了用户定义的子程序 UHYPER 的有限元方法 (FEM)。有限元法和解析解的结果非常吻合。使用用户定义子程序的有限元法 (FEM)，使用了 UHYPER。有限元法和解析解的结果非常吻合。使用用户定义子程序的有限元法 (FEM)，使用了 UHYPER。有限元法和解析解的结果非常吻合。