Dankie dat u Nature.com besoek het. Die blaaierweergawe wat u gebruik, het beperkte CSS-ondersteuning. Vir die beste ervaring beveel ons aan dat u 'n opgedateerde blaaier gebruik (of Verenigbaarheidsmodus in Internet Explorer deaktiveer). Intussen, om voortgesette ondersteuning te verseker, sal ons die webwerf sonder style en JavaScript weergee.
Aktuators word oral gebruik en skep beheerde beweging deur die korrekte opwekkingskrag of wringkrag toe te pas om verskeie bewerkings in vervaardiging en industriële outomatisering uit te voer. Die behoefte aan vinniger, kleiner en meer doeltreffende aandrywers dryf innovasie in aandrywingsontwerp aan. Vormgeheue-allooi (SMA) aandrywers bied 'n aantal voordele bo konvensionele aandrywers, insluitend 'n hoë krag-tot-gewig-verhouding. In hierdie proefskrif is 'n twee-geveerde SMA-gebaseerde aktuator ontwikkel wat die voordele van die veeragtige spiere van biologiese stelsels en die unieke eienskappe van SMA's kombineer. Hierdie studie ondersoek en brei vorige SMA-aktuators uit deur 'n wiskundige model van die nuwe aktuator te ontwikkel gebaseer op die bimodale SMA-draadreëling en dit eksperimenteel te toets. In vergelyking met bekende aandrywers gebaseer op SMA, is die aandrywingskrag van die nuwe aandrywer ten minste 5 keer hoër (tot 150 N). Die ooreenstemmende gewigsverlies is ongeveer 67%. Die resultate van sensitiwiteitsanalise van wiskundige modelle is nuttig vir die afstemming van ontwerpparameters en die begrip van sleutelparameters. Hierdie studie bied verder 'n multivlak-Nde stadium-aandrywer aan wat gebruik kan word om dinamika verder te verbeter. SMA-gebaseerde dipvaleraatspieraktuators het 'n wye reeks toepassings, van gebououtomatisering tot presisie-dwelmafleweringstelsels.
Biologiese stelsels, soos die spierstrukture van soogdiere, kan baie subtiele aktuators1 aktiveer. Soogdiere het verskillende spierstrukture, wat elk 'n spesifieke doel dien. Baie van die struktuur van soogdierspierweefsel kan egter in twee breë kategorieë verdeel word. Parallel en pennate. In die hamstrings en ander fleksors, soos die naam aandui, het die parallelle muskulasie spiervesels parallel met die sentrale tendon. Die ketting van spiervesels is opgestel en funksioneel verbind deur die bindweefsel rondom hulle. Alhoewel hierdie spiere na bewering 'n groot ekskursie (persentasie verkorting) het, is hul algehele spierkrag baie beperk. In teenstelling hiermee, in die triceps kuitspier2 (laterale gastrocnemius (GL)3, mediale gastrocnemius (GM)4 en soleus (SOL)) en ekstensor femoris (quadriceps)5,6 word pennate spierweefsel in elke spier7 gevind. In 'n pinnate struktuur is die spiervesels in die bipennate muskulasie aan beide kante van die sentrale tendon teenwoordig teen skuins hoeke (pinnate hoeke). Pennate kom van die Latynse woord "penna", wat "pen" beteken, en, soos getoon in fig. 1, het dit 'n veeragtige voorkoms. Die vesels van die pennate-spiere is korter en skuins tot die longitudinale as van die spier. As gevolg van die pinnate-struktuur word die algehele mobiliteit van hierdie spiere verminder, wat lei tot die transversale en longitudinale komponente van die verkortingsproses. Aan die ander kant lei die aktivering van hierdie spiere tot hoër algehele spierkrag as gevolg van die manier waarop fisiologiese dwarssnitarea gemeet word. Daarom sal pennate-spiere vir 'n gegewe dwarssnitarea sterker wees en hoër kragte genereer as spiere met parallelle vesels. Kragte wat deur individuele vesels gegenereer word, genereer spierkragte op 'n makroskopiese vlak in daardie spierweefsel. Daarbenewens het dit unieke eienskappe soos vinnige krimping, beskerming teen trekskade, en demping. Dit transformeer die verhouding tussen veselinvoer en spierkraguitset deur die unieke kenmerke en geometriese kompleksiteit van die veselrangskikking wat met spieraksielyne geassosieer word, te benut.
Skematiese diagramme van bestaande SMA-gebaseerde aktuatorontwerpe in verhouding tot 'n bimodale spierargitektuur word getoon, byvoorbeeld (a), wat die interaksie van tasbare krag voorstel waarin 'n handvormige toestel wat deur SMA-drade aangedryf word, op 'n tweewielige outonome mobiele robot9,10 gemonteer is. , (b) Robotiese orbitale protese met antagonisties geplaasde SMA-veerbelaaide orbitale protese. Die posisie van die prostetiese oog word beheer deur 'n sein van die oogspier van die oog11, (c) SMA-aktuators is ideaal vir onderwatertoepassings as gevolg van hul hoëfrekwensierespons en lae bandwydte. In hierdie konfigurasie word SMA-aktuators gebruik om golfbeweging te skep deur die beweging van visse te simuleer, (d) SMA-aktuators word gebruik om 'n mikropypinspeksirobot te skep wat die duimwurmbewegingsbeginsel kan gebruik, beheer deur die beweging van SMA-drade binne kanaal 10, (e) toon die rigting van sametrekkingspiervesels en die opwekking van sametrekkende krag in gastrocnemiusweefsel, (f) toon SMA-drade wat in die vorm van spiervesels in die pennate spierstruktuur gerangskik is.
Aktuators het 'n belangrike deel van meganiese stelsels geword as gevolg van hul wye reeks toepassings. Daarom word die behoefte aan kleiner, vinniger en meer doeltreffende aandrywers krities. Ten spyte van hul voordele, het tradisionele aandrywers bewys dat dit duur en tydrowend is om te onderhou. Hidrouliese en pneumatiese aktuators is kompleks en duur en is onderhewig aan slytasie, smeerprobleme en komponentversaking. In reaksie op die vraag, is die fokus op die ontwikkeling van koste-effektiewe, grootte-geoptimaliseerde en gevorderde aktuators gebaseer op slim materiale. Voortgesette navorsing kyk na vormgeheue-legering (SMA) gelaagde aktuators om aan hierdie behoefte te voldoen. Hiërargiese aktuators is uniek deurdat hulle baie diskrete aktuators in geometries komplekse makroskaal substelsels kombineer om verhoogde en uitgebreide funksionaliteit te bied. In hierdie verband bied die menslike spierweefsel wat hierbo beskryf word 'n uitstekende meerlaagse voorbeeld van sulke meerlaagse aandrywing. Die huidige studie beskryf 'n meervlakkige SMA-aandrywer met verskeie individuele aandrywingselemente (SMA-drade) in lyn met die veseloriëntasies wat in bimodale spiere teenwoordig is, wat die algehele aandrywingsprestasie verbeter.
Die hoofdoel van 'n aktuator is om meganiese kraguitset soos krag en verplasing te genereer deur elektriese energie om te skakel. Vormgeheue-legerings is 'n klas "slim" materiale wat hul vorm by hoë temperature kan herstel. Onder hoë belastings lei 'n toename in die temperatuur van die SMA-draad tot vormherstel, wat lei tot 'n hoër aktuasie-energiedigtheid in vergelyking met verskeie direk gebonde slim materiale. Terselfdertyd word SMA's onder meganiese belastings bros. Onder sekere omstandighede kan 'n sikliese lading meganiese energie absorbeer en vrystel, wat omkeerbare histeretiese vormveranderinge toon. Hierdie unieke eienskappe maak SMA ideaal vir sensors, vibrasiedemping en veral aktuators12. Met dit in gedagte, is daar baie navorsing gedoen oor SMA-gebaseerde aandrywers. Daar moet kennis geneem word dat SMA-gebaseerde aktuators ontwerp is om translasionele en roterende beweging vir 'n verskeidenheid toepassings te verskaf13,14,15. Alhoewel sommige roterende aktuators ontwikkel is, stel navorsers veral belang in lineêre aktuators. Hierdie lineêre aktuators kan in drie tipes aktuators verdeel word: eendimensionele, verplasings- en differensiële aktuators16. Aanvanklik is hibriede aandrywers in kombinasie met SMA en ander konvensionele aandrywers geskep. Een so 'n voorbeeld van 'n SMA-gebaseerde hibriede lineêre aktuator is die gebruik van 'n SMA-draad met 'n GS-motor om 'n uitsetkrag van ongeveer 100 N en beduidende verplasing te verskaf.
Een van die eerste ontwikkelings in aandrywers wat geheel en al op SMA gebaseer is, was die SMA-parallelle aandrywer. Deur veelvuldige SMA-drade te gebruik, is die SMA-gebaseerde parallelle aandrywer ontwerp om die kragvermoë van die aandrywer te verhoog deur alle SMA18-drade parallel te plaas. Parallelle verbinding van aktuators vereis nie net meer krag nie, maar beperk ook die uitsetkrag van 'n enkele draad. Nog 'n nadeel van SMA-gebaseerde aktuators is die beperkte beweging wat hulle kan bereik. Om hierdie probleem op te los, is 'n SMA-kabelbalk geskep wat 'n afgebuigde buigsame balk bevat om verplasing te verhoog en lineêre beweging te bereik, maar het nie hoër kragte gegenereer nie19. Sagte vervormbare strukture en materiale vir robotte gebaseer op vormgeheue-legerings is hoofsaaklik ontwikkel vir impakversterking20,21,22. Vir toepassings waar hoë snelhede benodig word, is kompakte aangedrewe pompe gerapporteer wat dunfilm-SMA's gebruik vir mikropomp-aangedrewe toepassings23. Die aandrywingsfrekwensie van die dunfilm-SMA-membraan is 'n sleutelfaktor in die beheer van die spoed van die aandrywer. Daarom het SMA-lineêre motors 'n beter dinamiese reaksie as SMA-veer- of staafmotors. Sagte robotika en gryptegnologie is twee ander toepassings wat SMA-gebaseerde aktuators gebruik. Byvoorbeeld, om die standaardaktuator te vervang wat in die 25 N-ruimteklamp gebruik word, is 'n parallelle aktuator 24 van vormgeheue-legering ontwikkel. In 'n ander geval is 'n sagte SMA-aktuator vervaardig gebaseer op 'n draad met 'n ingebedde matriks wat 'n maksimum trekkrag van 30 N kan produseer. As gevolg van hul meganiese eienskappe word SMA's ook gebruik om aktuators te vervaardig wat biologiese verskynsels naboots. Een so 'n ontwikkeling sluit 'n 12-sel-robot in wat 'n biomimetikum van 'n erdwurmagtige organisme is met SMA om 'n sinusvormige beweging te genereer om te vuur26,27.
Soos vroeër genoem, is daar 'n beperking op die maksimum krag wat verkry kan word uit bestaande SMA-gebaseerde aktuators. Om hierdie probleem aan te spreek, bied hierdie studie 'n biomimetiese bimodale spierstruktuur aan. Aangedryf deur vormgeheue-legeringsdraad. Dit bied 'n klassifikasiestelsel wat verskeie vormgeheue-legeringsdrade insluit. Tot op hede is geen SMA-gebaseerde aktuators met 'n soortgelyke argitektuur in die literatuur gerapporteer nie. Hierdie unieke en nuwe stelsel gebaseer op SMA is ontwikkel om die gedrag van SMA tydens bimodale spierbelyning te bestudeer. In vergelyking met bestaande SMA-gebaseerde aktuators, was die doel van hierdie studie om 'n biomimetiese dipvaleraat-aktuator te skep om aansienlik hoër kragte in 'n klein volume te genereer. In vergelyking met konvensionele stapmotor-aangedrewe aandrywers wat in HVAC-gebououtomatisering en beheerstelsels gebruik word, verminder die voorgestelde SMA-gebaseerde bimodale aandrywingsontwerp die gewig van die aandrywingsmeganisme met 67%. In die volgende word die terme "spier" en "aandrywing" uitruilbaar gebruik. Hierdie studie ondersoek die multifisika-simulasie van so 'n aandrywing. Die meganiese gedrag van sulke stelsels is bestudeer deur eksperimentele en analitiese metodes. Krag- en temperatuurverspreidings is verder ondersoek by 'n insetspanning van 7 V. Vervolgens is 'n parametriese analise uitgevoer om die verband tussen sleutelparameters en die uitsetkrag beter te verstaan. Laastens is hiërargiese aktuators in die vooruitsig gestel en hiërargiese vlakeffekte is voorgestel as 'n potensiële toekomstige gebied vir nie-magnetiese aktuators vir prostetiese toepassings. Volgens die resultate van die bogenoemde studies produseer die gebruik van 'n enkelstadium-argitektuur kragte wat ten minste vier tot vyf keer hoër is as gerapporteerde SMA-gebaseerde aktuators. Daarbenewens is dieselfde dryfkrag wat deur 'n multivlak-multivlak-aandrywer gegenereer word, getoon om meer as tien keer dié van konvensionele SMA-gebaseerde aandrywers te wees. Die studie rapporteer dan sleutelparameters deur sensitiwiteitsanalise tussen verskillende ontwerpe en insetveranderlikes te gebruik. Die aanvanklike lengte van die SMA-draad (\(l_0\)), die pinnate hoek (\(\alpha\)) en die aantal enkelstringe (n) in elke individuele string het 'n sterk negatiewe effek op die grootte van die dryfkragsterkte, terwyl die insetspanning (energie) positief gekorreleer blyk te wees.
SMA-draad vertoon die vormgeheue-effek (VGE) wat in die nikkel-titaan (Ni-Ti)-familie van legerings gesien word. Tipies vertoon VGE's twee temperatuurafhanklike fases: 'n laetemperatuurfase en 'n hoëtemperatuurfase. Beide fases het unieke eienskappe as gevolg van die teenwoordigheid van verskillende kristalstrukture. In die austenietfase (hoëtemperatuurfase) wat bo die transformasietemperatuur bestaan, vertoon die materiaal hoë sterkte en word dit swak vervorm onder las. Die legering tree op soos vlekvrye staal, dus is dit in staat om hoër aktuasiedruk te weerstaan. Deur voordeel te trek uit hierdie eienskap van Ni-Ti-legerings, word die VGE-drade skuins gestel om 'n aktuator te vorm. Toepaslike analitiese modelle word ontwikkel om die fundamentele meganika van die termiese gedrag van VGE onder die invloed van verskeie parameters en verskeie geometrieë te verstaan. Goeie ooreenstemming is verkry tussen die eksperimentele en analitiese resultate.
'n Eksperimentele studie is uitgevoer op die prototipe wat in Fig. 9a getoon word om die werkverrigting van 'n bimodale aandrywing gebaseer op SMA te evalueer. Twee van hierdie eienskappe, die krag wat deur die aandrywing gegenereer word (spierkrag) en die temperatuur van die SMA-draad (SMA-temperatuur), is eksperimenteel gemeet. Soos die spanningsverskil oor die hele lengte van die draad in die aandrywing toeneem, neem die temperatuur van die draad toe as gevolg van die Joule-verhittingseffek. Die insetspanning is in twee 10-s siklusse toegepas (getoon as rooi kolletjies in Fig. 2a, b) met 'n afkoelperiode van 15 sekondes tussen elke siklus. Die blokkeringskrag is gemeet met behulp van 'n piezo-elektriese spanningsmeter, en die temperatuurverspreiding van die SMA-draad is intyds gemonitor met behulp van 'n wetenskaplike hoë-resolusie LWIR-kamera (sien die eienskappe van die toerusting wat in Tabel 2 gebruik word). Dit toon dat die temperatuur van die draad gedurende die hoëspanningsfase monotonies toeneem, maar wanneer geen stroom vloei nie, bly die temperatuur van die draad daal. In die huidige eksperimentele opstelling het die temperatuur van die SMA-draad gedurende die afkoelfase gedaal, maar dit was steeds bo die omgewingstemperatuur. Fig. 2e toon 'n momentopname van die temperatuur op die SMA-draad, geneem vanaf die LWIR-kamera. Aan die ander kant toon Fig. 2a die blokkeringskrag wat deur die aandryfstelsel gegenereer word. Wanneer die spierkrag die herstelkrag van die veer oorskry, begin die beweegbare arm, soos getoon in Figuur 9a, beweeg. Sodra die aandrywing begin, kom die beweegbare arm in kontak met die sensor, wat 'n liggaamskrag skep, soos getoon in Fig. 2c, d. Wanneer die maksimum temperatuur naby 84 °C is, is die maksimum waargenome krag 105 N.
Die grafiek toon die eksperimentele resultate van die temperatuur van die SMA-draad en die krag wat deur die SMA-gebaseerde bimodale aktuator gedurende twee siklusse gegenereer word. Die insetspanning word in twee 10 sekondes siklusse toegepas (getoon as rooi kolletjies) met 'n afkoelperiode van 15 sekondes tussen elke siklus. Die SMA-draad wat vir die eksperimente gebruik is, was 'n Flexinol-draad met 'n diameter van 0,51 mm van Dynalloy, Inc. (a) Die grafiek toon die eksperimentele krag wat oor twee siklusse verkry is, (c, d) toon twee onafhanklike voorbeelde van die werking van bewegende arm-aktuators op 'n PACEline CFT/5kN piezo-elektriese kragtransduktor, (b) die grafiek toon die maksimum temperatuur van die hele SMA-draad gedurende twee siklusse, (e) toon 'n temperatuurkiekie wat van die SMA-draad geneem is met behulp van die FLIR ResearchIR-sagteware LWIR-kamera. Die geometriese parameters wat in die eksperimente in ag geneem is, word in Tabel een gegee.
Die simulasieresultate van die wiskundige model en die eksperimentele resultate word vergelyk onder die voorwaarde van 'n insetspanning van 7V, soos getoon in Fig.5. Volgens die resultate van parametriese analise en om die moontlikheid van oorverhitting van die SMA-draad te vermy, is 'n krag van 11.2 W aan die aktuator voorsien. 'n Programmeerbare GS-kragtoevoer is gebruik om 7V as die insetspanning te verskaf, en 'n stroom van 1.6A is oor die draad gemeet. Die krag wat deur die aandrywer gegenereer word en die temperatuur van die SDR neem toe wanneer stroom toegepas word. Met 'n insetspanning van 7V is die maksimum uitsetkrag wat verkry is uit die simulasieresultate en eksperimentele resultate van die eerste siklus onderskeidelik 78 N en 96 N. In die tweede siklus was die maksimum uitsetkrag van die simulasie- en eksperimentele resultate onderskeidelik 150 N en 105 N. Die verskil tussen okklusiekragmetings en eksperimentele data kan te wyte wees aan die metode wat gebruik is om okklusiekrag te meet. Die eksperimentele resultate wat in fig. 5a stem ooreen met die meting van die sluitkrag, wat weer gemeet is toe die dryfas in kontak was met die PACEline CFT/5kN piezo-elektriese kragtransduktor, soos getoon in fig. 2s. Daarom, wanneer die dryfas nie in kontak is met die kragsensor aan die begin van die verkoelingsone nie, word die krag onmiddellik nul, soos getoon in Fig. 2d. Daarbenewens is ander parameters wat die vorming van krag in daaropvolgende siklusse beïnvloed, die waardes van die verkoelingstyd en die koëffisiënt van konvektiewe hitte-oordrag in die vorige siklus. Uit fig. 2b kan gesien word dat die SMA-draad na 'n verkoelingstydperk van 15 sekondes nie kamertemperatuur bereik het nie en dus 'n hoër aanvanklike temperatuur (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) in die tweede dryfasiklus gehad het in vergelyking met die eerste siklus (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Dus, in vergelyking met die eerste siklus, bereik die temperatuur van die SMA-draad tydens die tweede verhittingsiklus die aanvanklike austeniettemperatuur (\(A_s\)) vroeër en bly langer in die oorgangstydperk, wat spanning en krag tot gevolg het. Aan die ander kant het temperatuurverspreidings tydens verhittings- en verkoelingsiklusse verkry uit eksperimente en simulasies 'n hoë kwalitatiewe ooreenkoms met voorbeelde uit termografiese analise. Vergelykende analise van SMA-draadtermiese data uit eksperimente en simulasies het konsekwentheid getoon tydens verhittings- en verkoelingsiklusse en binne aanvaarbare toleransies vir eksperimentele data. Die maksimum temperatuur van die SMA-draad, verkry uit die resultate van simulasie en eksperimente van die eerste siklus, is onderskeidelik \(89\,^{\circ }\hbox {{}}) en \(75\,^{\circ }\hbox {{}}), en in die tweede siklus is die maksimum temperatuur van die SMA-draad \(94\,^{\circ }\hbox {{}}) en \(83\,^{\circ }\hbox {{}}). Die fundamenteel ontwikkelde model bevestig die effek van die vormgeheue-effek. Die rol van moegheid en oorverhitting is nie in hierdie oorsig oorweeg nie. In die toekoms sal die model verbeter word om die spanningsgeskiedenis van die SMA-draad in te sluit, wat dit meer geskik maak vir ingenieurstoepassings. Die aandrywingsuitsetkrag en SMA-temperatuurgrafieke wat van die Simulink-blok verkry is, is binne die toelaatbare toleransies van die eksperimentele data onder die toestand van 'n insetspanningspuls van 7 V. Dit bevestig die korrektheid en betroubaarheid van die ontwikkelde wiskundige model.
Die wiskundige model is ontwikkel in die MathWorks Simulink R2020b-omgewing met behulp van die basiese vergelykings wat in die Metodes-afdeling beskryf word. Fig. 3b toon 'n blokdiagram van die Simulink-wiskundemodel. Die model is gesimuleer vir 'n 7V-insetspanningspuls soos getoon in Fig. 2a, b. Die waardes van die parameters wat in die simulasie gebruik is, word in Tabel 1 gelys. Die resultate van die simulasie van oorgangsprosesse word in Figure 1 en 1 aangebied. Figure 3a en 4. In Fig. 4a, b toon die geïnduseerde spanning in die SMA-draad en die krag wat deur die aktuator gegenereer word as 'n funksie van tyd. Tydens omgekeerde transformasie (verhitting), wanneer die SMA-draadtemperatuur, \(T < A_s^{\prime}\) (spanningsgemodifiseerde austenietfase-begintemperatuur), sal die tempo van verandering van martensietvolumefraksie (\(\dot{\xi }\)) nul wees. Tydens omgekeerde transformasie (verhitting), wanneer die SMA-draadtemperatuur, \(T < A_s^{\prime}\) (spanningsgemodifiseerde austenietfase-begintemperatuur), sal die tempo van verandering van martensietvolumefraksie (\(\dot{\xi }\)) nul wees. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (темпуратура начай модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Tydens die omgekeerde transformasie (verhitting), wanneer die temperatuur van die SMA-draad, \(T < A_s^{\prime}\) (spanningsgemodifiseerde austeniet-aanvangstemperatuur), sal die tempo van verandering van die martensiet-volumefraksie (\(\dot{\xi }\)) nul wees.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率}\(xi)\(xi)将为零.在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Simulasieresultaat wat temperatuurverspreiding en spanningsgeïnduseerde aansluitingstemperatuur in 'n SMA-gebaseerde divaleraat-aktuator toon. Wanneer die draadtemperatuur die austeniet-oorgangstemperatuur in die verhittingsfase kruis, begin die gewysigde austeniet-oorgangstemperatuur toeneem, en soortgelyk, wanneer die draadstaaftemperatuur die martensitiese oorgangstemperatuur in die verkoelingsfase kruis, daal die martensitiese oorgangstemperatuur. SMA vir analitiese modellering van die aandrywingsproses. (Vir 'n gedetailleerde oorsig van elke substelsel van 'n Simulink-model, sien die bylaagafdeling van die aanvullende lêer.)
Die resultate van die analise vir verskillende parameterverspreidings word getoon vir twee siklusse van die 7V-insetspanning (10 sekondes opwarmingsiklusse en 15 sekondes afkoelingsiklusse). Terwyl (ac) en (e) die verspreiding oor tyd uitbeeld, illustreer (d) en (f) aan die ander kant die verspreiding met temperatuur. Vir die onderskeie insettoestande is die maksimum waargenome spanning 106 MPa (minder as 345 MPa, draadvloeigrens), die krag is 150 N, die maksimum verplasing is 270 µm, en die minimum martensitiese volumefraksie is 0.91. Aan die ander kant is die verandering in spanning en die verandering in die volumefraksie van martensiet met temperatuur soortgelyk aan histerese-eienskappe.
Dieselfde verduideliking geld vir die direkte transformasie (verkoeling) van die austenietfase na die martensietfase, waar die SMA-draadtemperatuur (T) en die eindtemperatuur van die spanningsgemodifiseerde martensietfase (\(M_f^{\prime}\ )) uitstekend is. Op fig. 4d toon f die verandering in die geïnduseerde spanning (\(\sigma\)) en die volumefraksie van martensiet (\(\xi\)) in die SMA-draad as 'n funksie van die verandering in temperatuur van die SMA-draad (T), vir beide aandryfsiklusse. Op fig. Figuur 3a toon die verandering in die temperatuur van die SMA-draad met tyd, afhangende van die insetspanningspuls. Soos uit die figuur gesien kan word, bly die temperatuur van die draad toeneem deur 'n hittebron teen nulspanning en daaropvolgende konvektiewe verkoeling te verskaf. Tydens verhitting begin die hertransformasie van martensiet na die austenietfase wanneer die SMA-draadtemperatuur (T) die spanningsgekorrigeerde austeniet-nukleasietemperatuur (\(A_s^{\prime}\)) oorskry. Gedurende hierdie fase word die SMA-draad saamgepers en die aktuator genereer krag. Ook tydens afkoeling, wanneer die temperatuur van die SMA-draad (T) die nukleasietemperatuur van die spanningsgemodifiseerde martensietfase (\(M_s^{\prime}\)) oorskry, is daar 'n positiewe oorgang van die austenietfase na die martensietfase. Die dryfkrag neem af.
Die belangrikste kwalitatiewe aspekte van die bimodale aandrywing gebaseer op SMA kan verkry word uit die simulasieresultate. In die geval van 'n spanningspulsinset, neem die temperatuur van die SMA-draad toe as gevolg van die Joule-verhittingseffek. Die aanvanklike waarde van die martensietvolumefraksie (\(\xi\)) word op 1 gestel, aangesien die materiaal aanvanklik in 'n volledig martensitiese fase is. Soos die draad aanhou verhit, oorskry die temperatuur van die SMA-draad die spannings-gekorrigeerde austeniet-nukleasietemperatuur \(A_s^{\prime}\), wat lei tot 'n afname in die martensietvolumefraksie, soos getoon in Figuur 4c. Daarbenewens toon fig. 4e die verspreiding van hale van die aktuator in tyd, en in fig. 5 - dryfkrag as 'n funksie van tyd. 'n Verwante stelsel vergelykings sluit temperatuur, martensietvolumefraksie en spanning in wat in die draad ontwikkel, wat lei tot krimping van die SMA-draad en die krag wat deur die aktuator gegenereer word. Soos getoon in fig. 4d,f, spanningsvariasie met temperatuur en martensietvolumefraksievariasie met temperatuur stem ooreen met die histerese-eienskappe van die SMA in die gesimuleerde geval teen 7 V.
Vergelyking van dryfparameters is verkry deur eksperimente en analitiese berekeninge. Die drade is vir 10 sekondes aan 'n gepulseerde insetspanning van 7 V onderwerp, en daarna vir 15 sekondes (afkoelfase) oor twee siklusse afgekoel. Die pinnatehoek is gestel op 40 mm en die aanvanklike lengte van die SMA-draad in elke enkele penbeen is gestel op 83 mm. (a) Meting van die dryfkrag met 'n lassel (b) Monitering van draadtemperatuur met 'n termiese infrarooikamera.
Om die invloed van fisiese parameters op die krag wat deur die aandrywer geproduseer word, te verstaan, is 'n analise van die sensitiwiteit van die wiskundige model vir die gekose fisiese parameters uitgevoer, en die parameters is volgens hul invloed gerangskik. Eerstens is die steekproefneming van modelparameters gedoen met behulp van eksperimentele ontwerpbeginsels wat 'n eenvormige verspreiding gevolg het (sien Aanvullende Afdeling oor Sensitiwiteitsanalise). In hierdie geval sluit die modelparameters insetspanning (\(V_{in}\)), aanvanklike SMA-draadlengte (\(l_0\)), driehoekhoek (\(\alpha\)), voorspanningsveerkonstante (\(K_x\)), die konvektiewe hitte-oordragkoëffisiënt (\(h_T\)) en die aantal unimodale takke (n) in. In die volgende stap is piekspierkrag gekies as 'n studie-ontwerpvereiste en die parametriese effekte van elke stel veranderlikes op krag is verkry. Die tornado-grafieke vir die sensitiwiteitsanalise is afgelei van die korrelasiekoëffisiënte vir elke parameter, soos getoon in Fig. 6a.
(a) Die korrelasiekoëffisiëntwaardes van die modelparameters en hul effek op die maksimum uitsetkrag van 2500 unieke groepe van die bogenoemde modelparameters word in die tornado-grafiek getoon. Die grafiek toon die rangkorrelasie van verskeie aanwysers. Dit is duidelik dat \(V_{in}\) die enigste parameter met 'n positiewe korrelasie is, en \(l_0\) die parameter met die hoogste negatiewe korrelasie is. Die effek van verskeie parameters in verskeie kombinasies op piekspierkrag word in (b, c) getoon. \(K_x\) wissel van 400 tot 800 N/m en n wissel van 4 tot 24. Spanning (\(V_{in}\)) het verander van 4V na 10V, draadlengte (\(l_{0} \)) het verander van 40 tot 100 mm, en die sterthoek (\(\alpha \)) het gewissel van \(20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Fig. 6a toon 'n tornado-grafiek van verskeie korrelasiekoëffisiënte vir elke parameter met die ontwerpvereistes vir die piekdryfkrag. Uit fig. 6a kan gesien word dat die spanningsparameter (\(V_{in}\)) direk verband hou met die maksimum uitsetkrag, en die konvektiewe hitte-oordragkoëffisiënt (\(h_T\)), vlamhoek (\(\alpha\)), verplasingsveerkonstante (\(K_x\)) negatief gekorreleer is met die uitsetkrag en die aanvanklike lengte (\(l_0\)) van die SMA-draad, en die aantal unimodale takke (n) toon 'n sterk inverse korrelasie. In die geval van direkte korrelasie, in die geval van 'n hoër waarde van die spanningskorrelasiekoëffisiënt (\(V_{in}\)) dui aan dat hierdie parameter die grootste effek op die kraglewering het. 'n Ander soortgelyke analise meet die piekkrag deur die effek van verskillende parameters in verskillende kombinasies van die twee berekeningsruimtes te evalueer, soos getoon in Fig. 6b, c. \(V_{in}\) en \(l_0\), \(\alpha\) en \(l_0\) het soortgelyke patrone, en die grafiek toon dat \(V_{in}\) en \(\alpha\) en \(\alpha\) soortgelyke patrone het. Kleiner waardes van \(l_0\) lei tot hoër piekkragte. Die ander twee grafieke stem ooreen met Figuur 6a, waar n en \(K_x\) negatief gekorreleer is en \(V_{in}\) positief gekorreleer is. Hierdie analise help om die beïnvloedende parameters te definieer en aan te pas waardeur die uitsetkrag, slag en doeltreffendheid van die aandryfstelsel aangepas kan word by die vereistes en toepassing.
Huidige navorsingswerk stel hiërargiese aandrywers met N vlakke bekend en ondersoek dit. In 'n tweevlak-hiërargie, soos getoon in Fig. 7a, waar in plaas van elke SMA-draad van die eerstevlak-aktuator, 'n bimodale rangskikking bereik word, soos getoon in Fig. 9e. Fig. 7c toon hoe die SMA-draad om 'n beweegbare arm (hulparm) gewikkel is wat slegs in die longitudinale rigting beweeg. Die primêre beweegbare arm beweeg egter steeds op dieselfde manier as die beweegbare arm van die 1ste-stadium-meerstadium-aktuator. Tipies word 'n N-stadium-aandrywing geskep deur die \(N-1\) stadium SMA-draad met 'n eerste-stadium-aandrywing te vervang. Gevolglik boots elke tak die eerste-stadium-aandrywing na, met die uitsondering van die tak wat die draad self vashou. Op hierdie manier kan geneste strukture gevorm word wat kragte skep wat verskeie kere groter is as die kragte van die primêre aandrywers. In hierdie studie is vir elke vlak 'n totale effektiewe SMA-draadlengte van 1 m in ag geneem, soos in tabelformaat getoon in Fig. 7d. Die stroom deur elke draad in elke unimodale ontwerp en die gevolglike voorspanning en spanning in elke SMA-draadsegment is dieselfde op elke vlak. Volgens ons analitiese model is die uitsetkrag positief gekorreleer met die vlak, terwyl die verplasing negatief gekorreleer is. Terselfdertyd was daar 'n afweging tussen verplasing en spierkrag. Soos gesien in fig. 7b, terwyl die maksimum krag in die grootste aantal lae bereik word, word die grootste verplasing in die laagste laag waargeneem. Toe die hiërargievlak op \(N=5\) gestel is, is 'n piekspierkrag van 2.58 kN gevind met 2 waargenome hale \(\upmu\)m. Aan die ander kant genereer die eerste stadium-aandrywing 'n krag van 150 N teen 'n slag van 277 \(\upmu\)m. Multivlak-aktuators kan werklike biologiese spiere naboots, waar kunsmatige spiere gebaseer op vormgeheue-legerings aansienlik hoër kragte met presiese en fyner bewegings kan genereer. Die beperkings van hierdie geminiaturiseerde ontwerp is dat soos die hiërargie toeneem, die beweging aansienlik verminder word en die kompleksiteit van die aandrywingvervaardigingsproses toeneem.
(a) 'n Tweestadium (\(N=2\)) gelaagde vormgeheue-legering lineêre aktuatorstelsel word in 'n bimodale konfigurasie getoon. Die voorgestelde model word bereik deur die SMA-draad in die eerstestadium gelaagde aktuator te vervang met 'n ander enkelstadium gelaagde aktuator. (c) Vervormde konfigurasie van die tweedestadium meerlaag-aktuator. (b) Die verspreiding van kragte en verplasings afhangende van die aantal vlakke word beskryf. Daar is gevind dat die piekkrag van die aktuator positief gekorreleer is met die skaalvlak op die grafiek, terwyl die slag negatief gekorreleer is met die skaalvlak. Die stroom en voorspanning in elke draad bly konstant op alle vlakke. (d) Die tabel toon die aantal aftakkings en die lengte van die SMA-draad (vesel) op elke vlak. Die eienskappe van die drade word aangedui deur indeks 1, en die aantal sekondêre takke (een gekoppel aan die primêre been) word aangedui deur die grootste getal in die onderskrif. Byvoorbeeld, op vlak 5 verwys \(n_1\) na die aantal SMA-drade wat in elke bimodale struktuur teenwoordig is, en \(n_5\) verwys na die aantal hulpbene (een wat aan die hoofbeen gekoppel is).
Verskeie metodes is deur baie navorsers voorgestel om die gedrag van SMA's met vormgeheue te modelleer, wat afhang van die termomeganiese eienskappe wat die makroskopiese veranderinge in die kristalstruktuur wat met die fase-oorgang geassosieer word, vergesel. Die formulering van konstitutiewe metodes is inherent kompleks. Die mees algemeen gebruikte fenomenologiese model word deur Tanaka28 voorgestel en word wyd gebruik in ingenieurstoepassings. Die fenomenologiese model wat deur Tanaka [28] voorgestel word, neem aan dat die volumefraksie van martensiet 'n eksponensiële funksie van temperatuur en spanning is. Later het Liang en Rogers29 en Brinson30 'n model voorgestel waarin die fase-oorgangsdinamika aangeneem is as 'n kosinusfunksie van spanning en temperatuur, met geringe wysigings aan die model. Becker en Brinson het 'n fasediagram-gebaseerde kinetiese model voorgestel om die gedrag van SMA-materiale onder arbitrêre laaitoestande sowel as gedeeltelike oorgange te modelleer. Banerjee32 gebruik die Bekker en Brinson31 fasediagram-dinamikametode om 'n enkele vryheidsgraadmanipulator te simuleer wat deur Elahinia en Ahmadian33 ontwikkel is. Kinetiese metodes gebaseer op fasediagramme, wat die nie-monotoniese verandering in spanning met temperatuur in ag neem, is moeilik om in ingenieurstoepassings te implementeer. Elakhinia en Ahmadian vestig die aandag op hierdie tekortkominge van bestaande fenomenologiese modelle en stel 'n uitgebreide fenomenologiese model voor om vormgeheuegedrag onder enige komplekse laaitoestande te analiseer en te definieer.
Die strukturele model van SMA-draad gee spanning (\(\sigma\)), vervorming (\(\epsilon\)), temperatuur (T), en martensietvolumefraksie (\(\xi\)) van SMA-draad. Die fenomenologiese konstitutiewe model is eers deur Tanaka28 voorgestel en later deur Liang29 en Brinson30 aangeneem. Die afgeleide van die vergelyking het die vorm:
waar E die fase-afhanklike SMA Young se modulus is, verkry deur gebruik te maak van \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) en \(E_A\) en \(E_M\) wat Young se modulus verteenwoordig, is onderskeidelik austenitiese en martensitiese fases, en die termiese uitbreidingskoëffisiënt word voorgestel deur \(\theta_T\). Die fase-oorgangsbydraefaktor is \(\Omega = -E \epsilon_L\) en \(\epsilon_L\) is die maksimum herstelbare spanning in die SMA-draad.
Die fasedinamika-vergelyking val saam met die kosinusfunksie wat deur Liang29 ontwikkel is en later deur Brinson30 aangeneem is in plaas van die eksponensiële funksie wat deur Tanaka28 voorgestel is. Die fase-oorgangsmodel is 'n uitbreiding van die model wat deur Elakhinia en Ahmadian34 voorgestel is en gewysig is gebaseer op die fase-oorgangsvoorwaardes wat deur Liang29 en Brinson30 gegee word. Die voorwaardes wat vir hierdie fase-oorgangsmodel gebruik word, is geldig onder komplekse termomeganiese belastings. Op elke oomblik van die tyd word die waarde van die volumefraksie van martensiet bereken wanneer die konstitutiewe vergelyking gemodelleer word.
Die heersende hertransformasievergelyking, uitgedruk deur die transformasie van martensiet na austeniet onder verhittingstoestande, is soos volg:
waar γ die volumefraksie van martensiet is, xi-M die volumefraksie van martensiet is wat voor verhitting verkry is, (aA = π /(Af – As)), (bA = -aA/CA) en (CA) – kurwe-benaderingsparameters, T – SMA-draadtemperatuur, (As) en (Af) – begin en einde van die austenietfase, onderskeidelik, temperatuur.
Die direkte transformasiebeheervergelyking, verteenwoordig deur die fasetransformasie van austeniet na martensiet onder verkoelingstoestande, is:
waar \(\xi_A\) die volumefraksie van martensiet verkry voor afkoeling is, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) en \(C_M \) – krommepassingsparameters, T – SMA-draadtemperatuur, \(M_s\) en \(M_f\) – aanvanklike en finale martensiettemperature, onderskeidelik.
Nadat vergelykings (3) en (4) gedifferensieer is, word die inverse en direkte transformasievergelykings vereenvoudig tot die volgende vorm:
Tydens voorwaartse en terugwaartse transformasie neem \(\eta _{\sigma}\) en \(\eta _{T}\) verskillende waardes aan. Die basiese vergelykings wat met \(\eta _{\sigma}\) en \(\eta _{T}\) geassosieer word, is afgelei en in detail in 'n addisionele afdeling bespreek.
Die termiese energie wat benodig word om die temperatuur van die SMA-draad te verhoog, kom van die Joule-verhittingseffek. Die termiese energie wat deur die SMA-draad geabsorbeer of vrygestel word, word voorgestel deur die latente transformasiewarmte. Die hitteverlies in die SMA-draad is as gevolg van geforseerde konveksie, en gegewe die weglaatbare effek van straling, is die hitte-energiebalansvergelyking soos volg:
Waar \(m_{draad}\) die totale massa van die SMA-draad is, \(c_{p}\) die spesifieke hittekapasiteit van die SMA is, \(V_{in}\) die spanning is wat op die draad toegepas word, \(R_{ohm}\) – faseafhanklike weerstand SMA, gedefinieer as; \(R_{ohm} = (l/A_{kruis})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) waar \(r_M\) en \(r_A\) die SMA-faseweerstand in martensiet en austeniet onderskeidelik is, \(A_{c}\) die oppervlakarea van die SMA-draad is, \(\Delta H \) 'n vormgeheue-legering is. Die latente oorgangswarmte van die draad, T en \(T_{\infty}\) die temperature van die SMA-draad en die omgewing onderskeidelik is.
Wanneer 'n vormgeheue-legeringsdraad geaktiveer word, druk die draad saam, wat 'n krag in elke tak van die bimodale ontwerp skep, genaamd veselkrag. Die kragte van die vesels in elke string van die SMA-draad skep saam die spierkrag om te aktiveer, soos getoon in Fig. 9e. As gevolg van die teenwoordigheid van 'n voorspanningsveer, is die totale spierkrag van die Nde meerlaag-aktuator:
Deur \(N = 1\) in vergelyking (7) te vervang, kan die spierkrag van die eerste fase bimodale aandrywingsprototipe soos volg verkry word:
waar n die aantal unimodale bene is, \(F_m\) die spierkrag is wat deur die aandrywing gegenereer word, \(F_f\) die veselsterkte in die SMA-draad is, \(K_x\) die voorspanningsstyfheid van die veer is, \(\α\) die hoek van die driehoek is, \(x_0\) die aanvanklike verstelling van die voorspanningsveer is om die SMA-kabel in die voorgespanne posisie te hou, en \(\Deltax\) die aktuator se beweging is.
Die totale verplasing of beweging van die aandrywer (\(\Delta x\)) afhangende van die spanning (\(\sigma\)) en spanning (\(\epsilon\)) op die SMA-draad van die Nde stadium, die aandrywer word ingestel op (sien Fig. addisionele deel van die uitset):
Die kinematiese vergelykings gee die verband tussen aandrywingsvervorming (\(\epsilon\)) en verplasing of verplasing (\(\Deltax\)). Die vervorming van die Arb-draad as 'n funksie van die aanvanklike Arb-draadlengte (\(l_0\)) en die draadlengte (l) op enige tydstip t in een unimodale tak is soos volg:
waar \(l = \sqrt{l_0^2 +(Δx_1)^2 – 2 l_0 (Δx_1) \cos \alpha_1}\) verkry word deur die kosinusformule in \(Δ)ABB' toe te pas, soos getoon in Figuur 8. Vir die eerste stadium-aandrywing (\(N = 1\)), \(Δx_1\) is \(Δx\), en \(α_1\) is \(α \) soos getoon in Soos getoon in Figuur 8, deur die tyd van Vergelyking (11) te differensieer en die waarde van l te vervang, kan die vervormingstempo geskryf word as:
waar \(l_0\) die aanvanklike lengte van die SMA-draad is, l die lengte van die draad op enige tydstip t in een unimodale tak is, \(\epsilon\) die vervorming is wat in die SMA-draad ontwikkel, en \(\alpha\) die hoek van die driehoek is, \(\Deltax\) die aandrywingsverskuiwing is (soos getoon in Figuur 8).
Alle n enkelpiekstrukture (\(n=6\) in hierdie figuur) is in serie gekoppel met \(V_{in}\) as die insetspanning. Stadium I: Skematiese diagram van die SMA-draad in 'n bimodale konfigurasie onder nulspanningstoestande. Stadium II: 'n Beheerde struktuur word getoon waar die SMA-draad saamgepers word as gevolg van inverse omskakeling, soos aangedui deur die rooi lyn.
As bewys van konsep is 'n SMA-gebaseerde bimodale aandrywer ontwikkel om die gesimuleerde afleiding van die onderliggende vergelykings met eksperimentele resultate te toets. Die CAD-model van die bimodale lineêre aktuator word in fig. 9a getoon. Aan die ander kant toon fig. 9c 'n nuwe ontwerp wat voorgestel word vir 'n rotasieprismatiese verbinding met behulp van 'n tweevlak-SMA-gebaseerde aktuator met 'n bimodale struktuur. Die aandrywerkomponente is vervaardig met behulp van additiewe vervaardiging op 'n Ultimaker 3 Extended 3D-drukker. Die materiaal wat gebruik word vir 3D-drukwerk van komponente is polikarbonaat, wat geskik is vir hittebestande materiale aangesien dit sterk, duursaam is en 'n hoë glasoorgangstemperatuur het (110-113 °C). Daarbenewens is Dynalloy, Inc. Flexinol-vormgeheue-legeringsdraad in die eksperimente gebruik, en die materiaaleienskappe wat ooreenstem met die Flexinol-draad is in die simulasies gebruik. Verskeie SMA-drade word as vesels in 'n bimodale rangskikking van spiere gerangskik om die hoë kragte wat deur meerlaag-aktuators geproduseer word, te verkry, soos getoon in Fig. 9b, d.
Soos getoon in Figuur 9a, word die skerphoek wat gevorm word deur die beweegbare arm SMA-draad die hoek (\(\alpha\)) genoem. Met terminaalklemme wat aan die linker- en regterklemme geheg is, word die SMA-draad teen die verlangde bimodale hoek gehou. Die voorspanningsveertoestel wat op die veerkonnektor gehou word, is ontwerp om die verskillende voorspanningsveer-uitbreidingsgroepe aan te pas volgens die aantal (n) SMA-vesels. Daarbenewens is die ligging van die bewegende dele so ontwerp dat die SMA-draad aan die eksterne omgewing blootgestel word vir geforseerde konveksie-verkoeling. Die boonste en onderste plate van die afneembare samestelling help om die SMA-draad koel te hou met geëxtrudeerde uitsparings wat ontwerp is om gewig te verminder. Daarbenewens word beide punte van die CMA-draad onderskeidelik aan die linker- en regterterminale vasgemaak deur middel van 'n krimp. 'n Suier is aan die een punt van die beweegbare samestelling geheg om speling tussen die boonste en onderste plate te handhaaf. Die suier word ook gebruik om 'n blokkeringskrag op die sensor toe te pas via 'n kontak om die blokkeringskrag te meet wanneer die SMA-draad geaktiveer word.
Die bimodale spierstruktuur SMA is elektries in serie gekoppel en aangedryf deur 'n insetpulsspanning. Gedurende die spanningspulssiklus, wanneer spanning toegepas word en die SMA-draad bo die aanvanklike temperatuur van die austeniet verhit word, word die lengte van die draad in elke string verkort. Hierdie terugtrekking aktiveer die beweegbare arm-subsamestelling. Toe die spanning in dieselfde siklus op nul gestel is, is die verhitte SMA-draad afgekoel tot onder die temperatuur van die martensietoppervlak, en sodoende na sy oorspronklike posisie teruggekeer. Onder nulspanningstoestande word die SMA-draad eers passief deur 'n voorspanningsveer gerek om die onttwinde martensitiese toestand te bereik. Die skroef, waardeur die SMA-draad gaan, beweeg as gevolg van die kompressie wat geskep word deur 'n spanningspuls op die SMA-draad toe te pas (SPA bereik die austenietfase), wat lei tot die aktivering van die beweegbare hefboom. Wanneer die SMA-draad teruggetrek word, skep die voorspanningsveer 'n teengestelde krag deur die veer verder te rek. Wanneer die spanning in die impulsspanning nul word, verleng die SMA-draad en verander sy vorm as gevolg van geforseerde konveksie-verkoeling, wat 'n dubbele martensitiese fase bereik.
Die voorgestelde SMA-gebaseerde lineêre aktuatorstelsel het 'n bimodale konfigurasie waarin die SMA-drade skuins is. (a) beeld 'n CAD-model van die prototipe uit, wat sommige van die komponente en hul betekenisse vir die prototipe noem, (b, d) verteenwoordig die ontwikkelde eksperimentele prototipe35. Terwyl (b) 'n bo-aansig van die prototipe toon met elektriese verbindings en voorspanningsvere en spanningsmeters wat gebruik word, toon (d) 'n perspektiefaansig van die opstelling. (e) Diagram van 'n lineêre aktuatorstelsel met SMA-drade wat bimodaal geplaas is op enige tyd t, wat die rigting en verloop van die vesel en spierkrag toon. (c) 'n 2-DOF rotasieprismatiese verbinding is voorgestel vir die ontplooiing van 'n tweevlak-SMA-gebaseerde aktuator. Soos getoon, dra die skakel lineêre beweging van die onderste aandrywing na die boonste arm oor, wat 'n rotasieverbinding skep. Aan die ander kant is die beweging van die paar prismas dieselfde as die beweging van die meerlaag-eerstestadium-aandrywing.
'n Eksperimentele studie is uitgevoer op die prototipe wat in Fig. 9b getoon word om die werkverrigting van 'n bimodale aandrywing gebaseer op SMA te evalueer. Soos getoon in Figuur 10a, het die eksperimentele opstelling bestaan uit 'n programmeerbare GS-kragtoevoer om insetspanning aan die SMA-drade te verskaf. Soos getoon in fig. 10b, is 'n piezo-elektriese spanningsmeter (PACEline CFT/5kN) gebruik om die blokkeringskrag te meet met behulp van 'n Graphtec GL-2000-datalogger. Die data word deur die gasheer vir verdere studie aangeteken. Rekspanningsmeters en ladingsversterkers benodig 'n konstante kragtoevoer om 'n spanningssein te produseer. Die ooreenstemmende seine word omgeskakel na kraguitsette volgens die sensitiwiteit van die piezo-elektriese kragsensor en ander parameters soos beskryf in Tabel 2. Wanneer 'n spanningspuls toegepas word, neem die temperatuur van die SMA-draad toe, wat veroorsaak dat die SMA-draad saamdruk, wat veroorsaak dat die aktuator krag genereer. Die eksperimentele resultate van die uitset van spierkrag deur 'n insetspanningspuls van 7 V word in fig. 2a getoon.
(a) 'n SMA-gebaseerde lineêre aktuatorstelsel is in die eksperiment opgestel om die krag wat deur die aktuator gegenereer word, te meet. Die lassel meet die blokkeringskrag en word aangedryf deur 'n 24 V GS-kragtoevoer. 'n Spanningsval van 7 V is oor die hele lengte van die kabel toegepas met behulp van 'n GW Instek programmeerbare GS-kragtoevoer. Die SMA-draad krimp as gevolg van hitte, en die beweegbare arm raak die lassel en oefen 'n blokkeringskrag uit. Die lassel word aan die GL-2000-datalogger gekoppel en die data word op die gasheer gestoor vir verdere verwerking. (b) Diagram wat die ketting van komponente van die eksperimentele opstelling vir die meting van spierkrag toon.
Vormgeheue-legerings word deur termiese energie opgewek, dus word temperatuur 'n belangrike parameter vir die bestudering van die vormgeheue-verskynsel. Eksperimenteel, soos getoon in Fig. 11a, is termiese beelding en temperatuurmetings uitgevoer op 'n prototipe SMA-gebaseerde divaleraat-aktuator. 'n Programmeerbare GS-bron het insetspanning op die SMA-drade in die eksperimentele opstelling toegepas, soos getoon in Figuur 11b. Die temperatuurverandering van die SMA-draad is intyds gemeet met behulp van 'n hoë-resolusie LWIR-kamera (FLIR A655sc). Die gasheer gebruik die ResearchIR-sagteware om data op te neem vir verdere naverwerking. Wanneer 'n spanningspuls toegepas word, neem die temperatuur van die SMA-draad toe, wat veroorsaak dat die SMA-draad krimp. Op fig. Fig. 2b toon die eksperimentele resultate van die SMA-draadtemperatuur teenoor tyd vir 'n 7V-insetspanningspuls.
Plasingstyd: 28 September 2022
