Response analysis of the Duffing oscillator in dielectric elastomer transducers

超弹性材料 达芬方程 刚度 非线性系统 弹性体 电介质 软化 谐振子 材料科学 传感器 机械 经典力学 振动 物理 声学 复合材料 光电子学 量子力学
作者
Yuxin Xie,H. Q. Li,Xiao-Tian Song
出处
期刊:Proceedings of The Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences [Royal Society]
卷期号:480 (2295)
标识
DOI:10.1098/rspa.2023.0943
摘要

To elucidate the nonlinear oscillations inherent to dielectric elastomer transducers (DETs), this study delves into the dynamic behaviour exhibited by a one-dimensional asymmetric Duffing oscillator, which may exhibit either hardening or softening stiffness. The investigation utilizes hyperelastic and visco-hyperelastic constitutive models to capture the nonlinear stiffness properties of dielectric elastomers within compliant transducers. The canonical Duffing equation is employed to articulate the oscillator’s motion, complemented by both asymptotic and quantitative analyses of unforced vibrations and harmonic excitation. Our results reveal that the distinctive stiffness characteristics observed in DETs arise from the complex interplay among hyperelasticity, rheology and applied electric fields. Contrary to conventional oscillators, Maxwell stress substantially modifies the nonlinear dynamics of DETs, an aspect that has been quantitatively dissected in this study. Furthermore, the influence of additional system parameters on forced oscillation has also been meticulously evaluated.
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