一种柔性液态金属传感器电阻值的数值计算方法技术

本发明专利技术为一种柔性液态金属传感器电阻值的数值计算方法，步骤1根据柔性液态金属传感器的设计方案，建立传感器柔性基体和内部液态金属流道的三维模型；步骤2对传感器三维模型进行非线性的大变形有限元数值分析，获取传感器在不同拉伸量下的应力、应变结果；步骤3导出步骤2中不同拉伸量下计算获得的传感器的体网格，从中抽取液态金属流道的面网格；步骤4根据步骤3中液态金属流道的面网格，生成液态金属流道的体网格；步骤5对液态金属流道进行稳态的热‑电耦合有限元分析，计算单位时间内液态金属流道区域对外所做的耗散功；步骤6根据计算获得的耗散功，并结合电阻计算公式，计算传感器的电阻，建立液态金属传感器的变形‑电阻变化规律曲线。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性液态金属传感器电阻值的数值计算方法
本专利技术涉及一种柔性液态金属传感器电阻值的数值计算方法。
技术介绍
液态金属因具有低毒性、可变形性、高导电性、大表面张力等特点，成为制作低模量、低回滞的可拉伸、柔性应力传感器的优选材料，这种柔性传感器作为可穿戴设备可以作为外界环境或人体的检测单元，对于可穿戴设备的发展起着重要作用。柔性液态金属应力传感器主要通过导电功能的液态金属材料和弹性体材料复合而成。这种传感器的基本原理就是在柔性基体变形的情况下，液态金属流道的截面积和长度发生变化，进而导致电阻值或者电容值发生变化。根据柔性传感器变形量与电阻或电容值的对应关系，就可以将其作为传感器使用。目前，在柔性液态金属传感器设计工作中，需要制备多种方案的传感元件实体，包括不同的液态金属流道长度和截面积，并逐个进行试验，来测试、对比传感器的变形-电阻响应规律，很难在设计过程中了解传感元件的变形-电阻对应关系。整个试验的周期长，工作内容复杂，耗费一定的人力与经费。采用数值计算分析方法，在柔性液态金属传感器的设计过程中就对设计方案进行分析，研究柔性液态金属传感器变形与电阻值之间的对应关系和变化规律，有利于提高柔性液态金属传感器的设计效率、设计方案的优化。现有的获取柔性液态金属传感器变形与电阻值之间关系的手段主要是依赖试验测试，在制备完成柔性液态金属传感器实物后，通过两端加载电压测取电流，进而测得传感器的电阻值。目前存在以下缺点：1、必须制备完成传感器实物才能展开测试，耗时长、成本高。2、针对多方案优化、对比的情形，很难短期内制备数十个传感器实物，效率低。3、试验测试只能获得宏观上的电阻值，传感器变形后的电势分布详情难以获得。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种柔性液态金属传感器电阻值的数值计算方法。解决如下问题：针对柔性液态金属传感器，如何在传感器设计初期计算出传感器在大变形后的电阻值和变形-电阻值变化规律曲线，为传感器的多方案设计与优选提供技术支撑。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：一种柔性液态金属传感器电阻值的数值计算方法，包括以下步骤：步骤1：根据柔性液态金属传感器的设计方案，建立传感器柔性基体和内部液态金属流道的三维模型；步骤2：对柔性液态金属传感器三维模型进行非线性的大变形有限元数值分析，获取柔性液态金属传感器在不同拉伸量下的应力、应变结果；步骤3：导出步骤2中不同拉伸量下计算获得的柔性液态金属传感器的体网格，从中抽取液态金属流道的面网格；步骤4：根据步骤3中液态金属流道的面网格，生成液态金属流道的体网格；步骤5：对液态金属流道的体网格进行稳态的热-电耦合有限元分析，计算单位时间内液态金属流道对外所做的耗散功；步骤6：根据计算获得的耗散功，并结合电阻计算公式，计算柔性液态金属传感器的电阻，建立液态金属传感器的变形-电阻变化规律曲线。在上述方案的基础上，步骤2的具体步骤为：步骤2.1将步骤1建立的柔性液态金属传感器三维模型导入有限元分析软件中，进行结构非线性、大变形有限元分析；步骤2.2将柔性基体材料设置为超弹性材料，选择胡克超弹性材料模型，相关参数设置为C10＝0.01105，D1＝0，设置超弹性材料的阻尼alpha值为10；步骤2.3设置边界条件，传感器一侧面约束全部自由度，另一侧面加载拉伸变形载荷，拉伸变形量范围在1-11mm之间，步长1mm；步骤2.4设置液态金属流道外表面类型为流体腔，流体体积模量设置为2.11Mpa；步骤2.5为柔性液态金属传感器三维模型布置网格种子，全局种子尺寸设置为1mm，液态金属流道网格进行加密，边长种子尺寸设置为0.03mm，随后对柔性液态金属传感器进行网格划分，整体网格数量控制在60万至90万之间；步骤2.6获取柔性液态金属传感器在不同拉伸量下的应力、应变结果。在上述方案的基础上，步骤5的具体步骤为：将步骤4得到的液态金属流道的体网格导入有限元分析软件进行稳态的热-电耦合分析，设置材料电导率为3400S/mm，设置液态金属流道的体网格的边界条件，将液态金属流道体网格的一端设置为触点1、触点2，将液态金属流道体网格的另一端设置为触点3、触点4，触点1、2的电势为0伏，触点3、4的电势为1伏，经过数值计算，得到液态金属流道单位时间内对外的耗散功随时间的变化曲线。在上述方案的基础上，步骤6的具体步骤为：假设电路元件是由电阻率为ρ的材料制成，在液态金属流道体网格的两端施加电位差ΔU，并计算Δt时间内的耗散功W，设置电位差ΔU为1V，Δt为1s，结合电阻计算公式计算液态金属传感器的电阻，计算公式如下：根据步骤5得到的耗散功数据，计算出柔性液态金属传感器的电阻，对数据进行函数拟合后，得到液态金属传感器的变形-电阻变化规律曲线。本专利技术的有益效果：采用数值方法计算柔性液态金属传感器在不同拉伸变形情形下的电阻值，并得到传感器变形-电阻对应关系。相比于试验测试，该方法周期短、效率高、成本低，可以在设计阶段就评估柔性液态金属传感器的灵敏度，获取液态金属流道与电阻的对应关系，有利于柔性液态金属传感器的设计和多方案优选。附图说明本专利技术有如下附图：图1为柔性液态金属传感器电阻值的数值计算方法流程图。图2柔性液态金属传感器三维模型。图3边界条件及位移载荷。图4柔性液态金属传感器三维体网格。图5柔性液态金属传感器变形后网格。图6液态金属流道体网格。图7边界条件。图8耗散功-时间关系图。图9柔性液态金属传感器变形-电阻响应曲线。具体实施方式以下结合附图1-9对本专利技术作进一步详细说明。以某型柔性液态金属传感器为例，如图1所示，本专利技术所述方法如下：1.建立柔性液态金属传感器三维模型根据传感器设计方案建立其三维模型，如图2所示。2.三维模型的结构拉伸变形分析将柔性液态金属传感器三维模型导入有限元分析软件中，进行结构非线性、大变形有限元分析。其中柔性基体材料设置为超弹性材料，选择胡克超弹性材料模型，相关参数设置为C10＝0.01105，D1＝0。设置材料的阻尼alpha值为10。设置边界条件，传感器一侧面约束全部自由度，另一侧面加载拉伸变形载荷，拉伸变形量范围在1-11mm之间，步长1mm。载荷及边界设置如图3所示。设置液态金属流道外表面类型为流体腔，流体体积模量设置为2.11Mpa。为柔性液态金属传感器三维模型布置网格种子，全局种子尺寸设置为1mm，液态金属流道网格进行加密，边长种子尺寸设置为0.03mm，随后对柔性液态金属传感器进行网格划分，如图4所示。整体网格数量控制在60万至90万之间。3.液态金属流道体网格获取通过计算分析，可以得到11个液态金属传感器拉伸变形后的体网格。以拉伸变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性液态金属传感器电阻值的数值计算方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：根据柔性液态金属传感器的设计方案，建立传感器柔性基体和内部液态金属流道的三维模型；/n步骤2：对柔性液态金属传感器三维模型进行非线性的大变形有限元数值分析，获取柔性液态金属传感器在不同拉伸量下的应力、应变结果；/n步骤3：导出步骤2中不同拉伸量下计算获得的柔性液态金属传感器的体网格，从中抽取液态金属流道的面网格；/n步骤4：根据步骤3中液态金属流道的面网格，生成液态金属流道的体网格；/n步骤5：对液态金属流道的体网格进行稳态的热-电耦合有限元分析，计算单位时间内液态金属流道对外所做的耗散功；/n步骤6：根据计算获得的耗散功，并结合电阻计算公式，计算柔性液态金属传感器的电阻，建立液态金属传感器的变形-电阻变化规律曲线。/n

【技术特征摘要】
1.一种柔性液态金属传感器电阻值的数值计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据柔性液态金属传感器的设计方案，建立传感器柔性基体和内部液态金属流道的三维模型；
步骤2：对柔性液态金属传感器三维模型进行非线性的大变形有限元数值分析，获取柔性液态金属传感器在不同拉伸量下的应力、应变结果；
步骤3：导出步骤2中不同拉伸量下计算获得的柔性液态金属传感器的体网格，从中抽取液态金属流道的面网格；
步骤4：根据步骤3中液态金属流道的面网格，生成液态金属流道的体网格；
步骤5：对液态金属流道的体网格进行稳态的热-电耦合有限元分析，计算单位时间内液态金属流道对外所做的耗散功；
步骤6：根据计算获得的耗散功，并结合电阻计算公式，计算柔性液态金属传感器的电阻，建立液态金属传感器的变形-电阻变化规律曲线。


2.如权利要求1所述的柔性液态金属传感器电阻值的数值计算方法，其特征在于，步骤2的具体步骤为：
步骤2.1将步骤1建立的柔性液态金属传感器三维模型导入有限元分析软件中，进行结构非线性、大变形有限元分析；
步骤2.2将柔性基体材料设置为超弹性材料，选择胡克超弹性材料模型，相关参数设置为C10＝0.01105，D1＝0，设置超弹性材料的阻尼alpha值为10；
步骤2.3设置边界条件，传感器一侧面约束全部自由度，另一侧面加载拉伸变形载荷，拉伸变形量范围在1-11mm之间，步长1mm；
步骤2.4设置液态金属流道外表面类型为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张庆，代进，何志祝，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11