دانشگاه صنعتی شاهرود مکانیک سازه ها و شاره ها 2251-9475 15 6 2027 01 21 Reduction of detrimental torsion in ionic polymer-metal composite actuators through coupled electrochemical-mechanical simulation کاهش پیچش مخرب در عملگرهای پلیمر یونی فلزی با شبیه‌سازی کوپله‌ی الکتروشیمیایی–مکانیکی 491 507 3770 10.22044/jsfm.2026.16539.3998 FA رضا پورعینی گروه مهندسی مکانیک، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران حمید سلیمانی مهر 1. مرکز تحقیقات نوین خودرو 2. گروه مهندسی مکانیک، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران نوید سیدکاظم ویلیانی گروه مهندسی مکانیک، واحد ابهر، دانشگاه آزاد اسلامی، ابهر، ایران علی عبدالهی مرکز تحقیقات نوین خودرو، گروه مهندسی مکانیک، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران Journal Article 2025 07 19 In this paper, a multiphysics framework is proposed for the analysis and mitigation of torsion in ionic polymer–metal composite (IPMC) actuators, where both viscoelastic and electroactive effects of the material are considered simultaneously. The governing equations were first derived based on Euler–Bernoulli beam theory and the principle of minimum energy, and then coupled with the Nernst–Planck–Poisson electrochemical relations to obtain the torsional moment induced by ion migration under an electric field. To account for material softening, the mechanical moduli were formulated as combined models dependent on both time and electric field. Numerical simulations reveal that, under an applied voltage of 5 V and a thickness of 1 mm, the shear modulus decreases by nearly 85% within about 10 seconds; however, by introducing transverse stiff layers and symmetric longitudinal excitation, the torsional moment drops to less than 5% of its initial value and the torsional angle is effectively eliminated. A stability analysis was performed through the definition of a specific index that simultaneously captures the influence of time, electric field intensity, and boundary constraints. The numerical results demonstrate that while modulus reduction over time and with higher voltages decreases the shear and bending stiffness and increases viscous energy, the imposition of boundary conditions at the edges suppresses torsion even under severe softening. Geometrical sensitivity analysis further indicated that variations in length and width have only a limited effect on viscous energy, whereas boundary conditions play a decisive role in torsion control. در این مقاله یک چارچوب چندفیزیکی برای تحلیل و کاهش پیچش در عملگرهای کامپوزیت پلیمر یونی-فلزی (IPMC) ارائه گردید که در آن هم‌زمان اثرات ویسکوالاستیک و الکتروفعال ماده در نظر گرفته شده است. معادلات حاکم ابتدا بر اساس نظریه تیر اویلر–برنولی و بر اساس اصل کمینه‌سازی انرژی استخراج شده و سپس با اتصال به روابط الکتروشیمیایی نرنست–پلانک–پواسون، ممان پیچشی ناشی از انتقال یون‌ها تحت میدان الکتریکی تعیین گردید. به‌منظور لحاظ‌کردن نرم‌شدگی ماده، مدول‌های مکانیکی به صورت مدل‌های ترکیبی وابسته به زمان و میدان الکتریکی تعریف شدند. شبیه‌سازی عددی نشان می‌دهد که در ولتاژ ۵ ولت و ضخامت ۱ میلی‌متر، مدول برشی در حدود ۱۰ ثانیه تقریبا تا ۸۵% افت می‌کند؛ اما با لایه‌های سخت عرضی و تحریک طولی متقارن، ممان پیچشی به کمتر از ۵ % مقدار اولیه رسیده و زاویه پیچش عملاً حذف می‌شود. تحلیل پایداری با معرفی یک شاخص انجام شد که اثر زمان، شدت میدان و قید مرزی را هم‌زمان بر پایداری نشان می‌دهد. نتایج عددی بیانگر آن است که کاهش مدول‌ها در گذر زمان و با افزایش ولتاژ، مقاومت برشی و خمشی ماده را کاهش داده و انرژی ویسکوز افزایش می‌یابد؛ با این حال، اعمال شرط مرزی در لبه‌ها موجب سرکوب پیچش حتی در شرایط نرم‌شدگی شدید می‌شود. تحلیل حساسیت هندسه نیز نشان داد تغییر طول و عرض اثر محدودی بر انرژی ویسکوز دارد، اما نقش شرط مرزی در کنترل پیچش بسیار تعیین‌کننده است. https://jsfm.shahroodut.ac.ir/article_3770_6ba98b0e50828dc0c5915c078ac1ea9f.pdf