本发明涉及材料结构设计，具体为基于团簇微观结构分析的ipmc驱动模型的构造方法及系统。
背景技术：
1、离子聚合物金属复合材料是一种新型的智能材料，因其在电场作用下能够快速响应并产生形变而被广泛应用于人工肌肉、微型机器人和生物医学设备等领域。然而，现有的ipmc材料在驱动效率、响应时间方面还存在明显不足，制约了其实际应用的范围和效果。具体来说，传统的ipmc材料由于缺乏对纳米级微观结构的深入分析和优化，导致其在电场驱动下的能量转化效率较低、响应速度较慢，并且在长时间工作下容易出现疲劳失效的问题。因此，亟需一种从微观结构进行分析的ipmc模型构建方法，以优化模型的微观结构，提高整体性能。
2、现有技术中，公开号cn110136782b公开了一种金属氧化物团簇结构模型的构造方法，获取目标金属氧化物的特征参数，根据特征参数提取目标金属氧化物的团簇基本结构单元的构型，选择并调整多面体拓扑结构组装模板，将团簇基本结构单元在多面体拓扑结构组装模板结构上进行组装构建，得到金属氧化物团簇的基本构型，对基本构型进行结构优化并判断结构的稳定性，选取无结构错误并且能量稳定的构型作为实际的金属氧化物团簇结构模型。
3、上述方法存在的主要问题是：先根据多面体拓扑结构组装模板构建团簇基本结构，再进行优化，未在构建团簇基本结构时就采取一定的优化措施，直接进行优化需要大量的计算资源和时间，尤其是对较大的团簇结构；主要关注于静态结构优化，对于团簇在实际环境中的动态行为的优化有所缺失，导致结构模型的泛用性受到影响。
4、在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种基于团簇微观结构分析的ipmc驱动模型的构造方法及系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、一种基于团簇微观结构分析的ipmc驱动模型的构造方法，具体步骤包括：
4、步骤1：选择包含典型离子聚合物和金属复合层结构的ipmc样品，对样品进行切割，使得样品厚度在100nm以下；
5、步骤2：通过分辨率达到亚纳米级别的高分辨率透射电子显微镜采集样品的图像，记录纳米团簇的分布和形态；
6、步骤3：通过小角x射线散射设备记录样品的散射图谱，并建立数学模型拟合散射数据，计算纳米团簇的平均半径并记录内部结构；
7、步骤4：在分子动力学模拟软件中根据纳米团簇的分布、形态以及纳米团簇的平均半径和内部结构建立团簇结构模型，设置模拟参数并运行模拟，记录在设定的模拟参数下作用在纳米团簇的离子上的电场力以及离子的位置变化和速度，所述模拟参数包括温度、频率和电场强度；
8、步骤5：将电场施加在ipmc材料上的电能作为输入功率，ipmc材料在电场作用下产生的机械能作为输出功率，基于输入功率和输出功率生成用于反映电场驱动效率的适应度函数，以适应度函数的驱动效率最大化为优化目标，通过遗传算法对模拟参数的取值进行优化；
9、步骤6：在有限元分析软件中输入优化之后的模拟参数，建立ipmc的仿真模型，运行仿真模型，记录ipmc材料在优化之后的模拟参数作用下的弯曲角度和响应时间；
10、步骤7：根据实际需求选择合适的单体和交联剂，根据目标性能按照ipmc仿真模型合成新的离子聚合物，测量新的离子聚合物在不同频率电场下的弯曲角度和响应时间，通过疲劳测试仪评估新的离子聚合物的耐疲劳性能，根据耐疲劳性能调整离子聚合物中的化学成分和金属复合层结构，使得耐疲劳性能达到目标需求，所述目标性能包括导电性、机械强度和形变能力。
11、进一步地，典型离子聚合物包括全氟磺酸聚合物、聚乙烯醇和聚苯乙烯磺酸，金属复合层包括铂、银和铜。
12、进一步地，建立数学模型所依据的公式为：
13、；
14、其中，表示散射强度，表示入射光强度，表示散射矢量，表示团簇的均方根半径；
15、纳米团簇的平均半径为：
16、；
17、其中，表示纳米团簇的平均半径。
18、进一步地，计算离子上的电场力所依据的公式为：
19、；
20、其中，表示施加在离子上的电场力，表示离子所带电荷量，表示电场强度；
21、计算离子位置变化所依据的公式为：
22、；
23、其中，表示离子在时间处的位置，表示离子的初始位置，表示离子在时间处的速度，和表示不同的时间点，且；
24、计算离子速度所依据的公式为：
25、；
26、其中，表示离子在时间处的速度。
27、进一步地，生成适应度函数所依据的原理为：
28、；
29、；
30、；
31、；
32、其中，表示输入功率，表示施加在ipmc上的电压，表示通过ipmc的电流，表示输出功率，表示ipmc形变过程中产生的机械功，表示形变所需时间，表示形变过程中产生的力，表示形变过程中ipmc移动的距离，表示适应度函数。
33、进一步地，生成ipmc材料的弯曲角度所依据的公式为：
34、；
35、其中，表示ipmc材料的弯曲角度，表示弯矩，表示ipmc材料长度，表示ipmc材料的杨氏模量，表示截面惯性矩。
36、进一步地，根据耐疲劳性能调整离子聚合物中的化学成分和金属复合层结构所依据的原理为：
37、耐疲劳性能未达到目标需求时，对化学成分进行的调整包括：选择pvdf高强度聚合物单体柔性聚合物；增加交联剂的浓度或选取如戊二醛一类的交联剂来增强聚合物链之间的交联度；在聚合物中添加铂、银、铜或陶瓷纳米颗粒；
38、对金属复合层结构进行的调整包括：增加金属复合层厚度，通过实验确定最佳的金属复合层厚度；采用多层复合结构，在聚合物基体中加入夹层金属薄膜以分散应力；通过等离子处理或界面偶联剂改善金属层与聚合物基体之间的界面粘结强度。
39、本发明还提供一种基于团簇微观结构分析的ipmc驱动模型的构造系统，所述系统用于实现上述的基于团簇微观结构分析的ipmc驱动模型的构造方法，具体包括：
40、样品切割模块，用于选择包含典型离子聚合物和金属复合层结构的ipmc样品，对样品进行切割，使得样品厚度在100nm以下；
41、形态采集模块，用于通过分辨率达到亚纳米级别的高分辨率透射电子显微镜采集样品的图像，记录纳米团簇的分布和形态；
42、结构采集模块，用于通过小角x射线散射设备记录样品的散射图谱，并建立数学模型拟合散射数据，计算纳米团簇的平均半径并记录内部结构；
43、电场模拟模块，用于在分子动力学模拟软件中根据纳米团簇的分布、形态以及纳米团簇的平均半径和内部结构建立团簇结构模型，设置模拟参数并运行模拟，记录在设定的模拟参数下作用在纳米团簇的离子上的电场力以及离子的位置变化和速度，所述模拟参数包括温度、频率和电场强度；
44、参数优化模块，用于将电场施加在ipmc材料上的电能作为输入功率，ipmc材料在电场作用下产生的机械能作为输出功率，基于输入功率和输出功率生成用于反映电场驱动效率的适应度函数，以适应度函数的驱动效率最大化为优化目标，通过遗传算法对模拟参数的取值进行优化；
45、模型仿真模块，用于在有限元分析软件中输入优化之后的模拟参数，建立ipmc的仿真模型，运行仿真模型，记录ipmc材料在优化之后的模拟参数作用下的弯曲角度和响应时间；
46、结构合成模块，用于根据实际需求选择合适的单体和交联剂，根据目标性能按照ipmc仿真模型合成新的离子聚合物，测量新的离子聚合物在不同频率电场下的弯曲角度和响应时间，通过疲劳测试仪评估新的离子聚合物的耐疲劳性能，根据耐疲劳性能调整离子聚合物中的化学成分和金属复合层结构，使得耐疲劳性能达到目标需求，所述目标性能包括导电性、机械强度和形变能力。
47、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
48、本发明通过高分辨率透射电子显微镜和小角x射线散射设备采集纳米团簇的基本形态数据，通过详细的微观结构数据，使得后续的分子动力模拟和遗传算法优化有可靠的初始条件和限值参数，确保优化结果的准确性和实用性；在模拟软件中建立团簇结构模型，灵活设置多种模拟参数，全面分析各种状况下的ipmc材料行为，详细记录和分析离子在电场作用下的动态信息，提升了ipmc在实际应用中的性能；并通过遗传算法评估ipmc材料的驱动性能，进而优化模拟参数，能够快速找到更优的参数组合，实现驱动效率的最大化。
49、本发明还利用优化之后的模拟参数建立ipmc仿真模型，通过有限元软件同时分析多个变量，对模型提供全面的性能评估；根据仿真模型和优化参数，定向合成满足需求的ipmc材料，并对材料进行耐疲劳性能测试，确保材料在实际应用中的长期稳定性和可靠性，形成从仿真优化到实际合成再到性能优化的闭环反馈系统，持续提升ipmc驱动模型的性能。
1.基于团簇微观结构分析的ipmc驱动模型的构造方法，其特征在于，具体步骤包括：
2.根据权利要求1所述的基于团簇微观结构分析的ipmc驱动模型的构造方法，其特征在于：所述步骤1中典型离子聚合物包括全氟磺酸聚合物、聚乙烯醇和聚苯乙烯磺酸，金属复合层包括铂、银和铜。
3.根据权利要求1所述的基于团簇微观结构分析的ipmc驱动模型的构造方法，其特征在于：所述步骤3中建立数学模型所依据的公式为：
4.根据权利要求1所述的基于团簇微观结构分析的ipmc驱动模型的构造方法，其特征在于：所述步骤4中计算离子上的电场力所依据的公式为：
5.根据权利要求1所述的基于团簇微观结构分析的ipmc驱动模型的构造方法，其特征在于：所述步骤5中生成适应度函数所依据的原理为：
6.根据权利要求1所述的基于团簇微观结构分析的ipmc驱动模型的构造方法，其特征在于：所述步骤6中生成ipmc材料的弯曲角度所依据的公式为：
7.根据权利要求1所述的基于团簇微观结构分析的ipmc驱动模型的构造方法，其特征在于：所述步骤7中根据耐疲劳性能调整离子聚合物中的化学成分和金属复合层结构所依据的原理为：
8.基于团簇微观结构分析的ipmc驱动模型的构造系统，其特征在于：所述系统用于实现权利要求1-7任一项所述的基于团簇微观结构分析的ipmc驱动模型的构造方法，具体包括：
