Дзякуй за наведванне Nature.com.Версія браўзера, якую вы выкарыстоўваеце, мае абмежаваную падтрымку CSS.Для найлепшага вопыту мы рэкамендуем вам выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer).Тым часам, каб забяспечыць бесперапынную падтрымку, мы будзем візуалізаваць сайт без стыляў і JavaScript.
Прывады выкарыстоўваюцца ўсюды і ствараюць кіраваны рух, ужываючы правільную сілу ўзбуджэння або крутоўны момант для выканання розных аперацый у вытворчасці і прамысловай аўтаматызацыі.Патрэба ў больш хуткіх, меншых і больш эфектыўных дысках стымулюе інавацыі ў дызайне дыскаў.Назапашвальнікі са сплаву памяці формы (SMA) прапануюць шэраг пераваг у параўнанні са звычайнымі назапашвальнікамі, у тым ліку высокае стаўленне магутнасці да вагі.У гэтай дысертацыі быў распрацаваны актуатар на аснове SMA з двума пёрамі, які спалучае ў сабе перавагі пёрыстых цягліц біялагічных сістэм і унікальныя ўласцівасці SMA.Гэта даследаванне даследуе і пашырае папярэднія прывады SMA шляхам распрацоўкі матэматычнай мадэлі новага прывада на аснове бімадальнага размяшчэння правадоў SMA і яе эксперыментальнага тэставання.У параўнанні з вядомымі прывадамі на аснове SMA сіла спрацоўвання новага прывада як мінімум у 5 разоў вышэй (да 150 Н).Адпаведная страта вагі складае каля 67%.Вынікі аналізу адчувальнасці матэматычных мадэляў карысныя для налады параметраў праектавання і разумення ключавых параметраў.Гэта даследаванне таксама прадстаўляе шматузроўневы прывад N-й ступені, які можна выкарыстоўваць для далейшага паляпшэння дынамікі.Дыпвалератныя цягліцавыя актуатары на аснове SMA маюць шырокі спектр прымянення - ад аўтаматызацыі будынкаў да дакладных сістэм дастаўкі лекаў.
Біялагічныя сістэмы, такія як мышачныя структуры млекакормячых, могуць актываваць мноства тонкіх актуаторов1.Сысуны маюць розныя структуры цягліц, кожная з якіх служыць пэўнай мэты.Аднак большую частку структуры мышачнай тканіны млекакормячых можна падзяліць на дзве шырокія катэгорыі.Паралельныя і пёрыстыя.У падкаленных сухажыллях і іншых згінальніках, як вынікае з назвы, паралельная мускулатура мае цягліцавыя валокны, паралельныя цэнтральнаму сухажыллі.Ланцуг цягліцавых валокнаў выбудаваны і функцыянальна звязаны злучальнай тканінай вакол іх.Нягледзячы на тое, што гэтыя мышцы, як кажуць, маюць вялікую экскурсію (працэнтнае скарачэнне), іх агульная мышачная сіла вельмі абмежаваная.Наадварот, у трохгаловай ікроножной мышцы2 (латэральнай ікроножной (GL)3, медыяльнай ікраножнай (GM)4 і камбаловидной (SOL)) і разгінальнік сцягна (чатырохгаловай)5,6 пеннате мышачнай тканіны знаходзіцца ў кожнай цягліцы7.У пёрыстай структуры цягліцавыя валокны двухпярыстай мускулатуры прысутнічаюць па абодва бакі ад цэнтральнага сухажыллі пад касымі вугламі (пёрыстыя вуглы).Пеннат паходзіць ад лацінскага слова «penna», што азначае «пяро», і, як паказана на мал.1 мае выгляд, падобны на пёры.Валакна пярыстых цягліц карацей і размешчаны пад вуглом да падоўжнай восі мышцы.З-за пёрыстых будынка агульная рухомасць гэтых цягліц зніжана, што прыводзіць да папярочнага і падоўжнага кампанентаў працэсу ўкарачэння.З іншага боку, актывацыя гэтых цягліц прыводзіць да павышэння агульнай мышачнай сілы дзякуючы спосабу вымярэння фізіялагічнай плошчы папярочнага сячэння.Такім чынам, для дадзенай плошчы папярочнага перасеку, пеннатные мышцы будуць мацнейшымі і будуць ствараць больш высокія сілы, чым мышцы з паралельнымі валокнамі.Сілы, якія ствараюцца асобнымі валокнамі, ствараюць цягліцавыя сілы на макраскапічным узроўні ў гэтай мышачнай тканіны.Акрамя таго, ён валодае такімі унікальнымі ўласцівасцямі, як хуткая ўсаджванне, абарона ад пашкоджанняў пры расцяжэнні, амартызацыя.Ён трансфармуе ўзаемасувязь паміж уваходам валокнаў і выхадам мышачнай энергіі, выкарыстоўваючы унікальныя асаблівасці і геаметрычную складанасць размяшчэння валокнаў, звязаных з лініямі дзеяння цягліц.
Паказаны схематычныя дыяграмы існуючых канструкцый прывадаў на аснове SMA у адносінах да бімадальнай мышачнай архітэктуры, напрыклад (а), якія прадстаўляюць узаемадзеянне тактыльнай сілы, пры якой прылада ў форме рукі, якое прыводзіцца ў дзеянне правадамі SMA, усталявана на двухколавым аўтаномным мабільным робаце9,10., (b) Рабатызаваны арбітальны пратэз з антаганістычна размешчаным SMA спружынным арбітальным пратэзам.Становішча пратэза вока кантралюецца сігналам ад вочнай мышцы вочы11, (c) Прывады SMA ідэальна падыходзяць для падводных прымянення з-за іх высокай частотнай характарыстыкі і нізкай прапускной здольнасці.У гэтай канфігурацыі актуатары SMA выкарыстоўваюцца для стварэння хвалевага руху шляхам імітацыі руху рыбы, (d) актуатары SMA выкарыстоўваюцца для стварэння робата для інспекцыі мікратрубаў, які можа выкарыстоўваць прынцып руху чарвяка ў цалях, які кіруецца рухам правадоў SMA ўнутры канала 10, (e) паказвае кірунак скарачэння цягліцавых валокнаў і генерацыю скарачальнай сілы ў тканіны ікраножнай мышцы, (f) паказвае драты SMA, размешчаныя ў форме цягліцавых валокнаў у ручцы нат структура цягліц.
Прывады сталі важнай часткай механічных сістэм дзякуючы іх шырокаму спектру прымянення.Такім чынам, патрэба ў меншых, больш хуткіх і больш эфектыўных дысках становіцца крытычнай.Нягледзячы на свае перавагі, традыцыйныя дыскі апынуліся дарагімі і працаёмкімі ў абслугоўванні.Гідраўлічныя і пнеўматычныя прывады складаныя і дарагія, падвяргаюцца зносу, праблемам са змазкай і няспраўнасці кампанентаў.У адказ на попыт, асноўная ўвага надаецца распрацоўцы эканамічна эфектыўных, аптымізаваных па памерах і перадавых прывадаў на аснове разумных матэрыялаў.Для задавальнення гэтай патрэбы ў цяперашні час праводзіцца даследаванне прывадаў са слаямі з памяццю формы (SMA).Іерархічныя прывады ўнікальныя тым, што яны аб'ядноўваюць мноства дыскрэтных прывадаў у геаметрычна складаныя падсістэмы макрамаштабу для забеспячэння павялічанай і пашыранай функцыянальнасці.У гэтым плане мышачная тканіна чалавека, апісаная вышэй, з'яўляецца выдатным шматслаёвым прыкладам такой шматслаёвай актывацыі.Цяперашняе даследаванне апісвае шматузроўневы прывад SMA з некалькімі асобнымі элементамі прывада (правадамі SMA), выраўнаванымі ў адпаведнасці з арыентацыяй валокнаў у бімадальных цягліцах, што паляпшае агульную прадукцыйнасць прывада.
Асноўная мэта прывада - генераваць механічную выхадную магутнасць, напрыклад сілу і зрушэнне, шляхам пераўтварэння электрычнай энергіі.Сплавы з памяццю формы - гэта клас «разумных» матэрыялаў, якія могуць аднаўляць сваю форму пры высокіх тэмпературах.Пры высокіх нагрузках павышэнне тэмпературы дроту SMA прыводзіць да аднаўлення формы, што прыводзіць да больш высокай шчыльнасці энергіі спрацоўвання ў параўнанні з рознымі разумнымі матэрыяламі, звязанымі непасрэдна.Пры гэтым пры механічных нагрузках СМА становяцца далікатнымі.Пры пэўных умовах цыклічная нагрузка можа паглынаць і вылучаць механічную энергію, выяўляючы зварачальныя змены формы.Гэтыя унікальныя ўласцівасці робяць SMA ідэальным для датчыкаў, гасільнікаў вібрацыі і асабліва выканаўчых механізмаў12.Маючы гэта на ўвазе, было праведзена шмат даследаванняў дыскаў на аснове SMA.Варта адзначыць, што прывады на аснове SMA прызначаны для забеспячэння паступальнага і вярчальнага руху для розных прыкладанняў13,14,15.Нягледзячы на тое, што некаторыя паваротныя прывады былі распрацаваны, даследчыкі асабліва зацікаўлены ў лінейных прывадах.Гэтыя лінейныя прывады можна падзяліць на тры тыпу прывадаў: аднамерныя, са зрушэннем і дыферэнцыяльныя прывады 16 .Першапачаткова гібрыдныя дыскі ствараліся ў спалучэнні з SMA і іншымі звычайнымі дыскамі.Адным з такіх прыкладаў гібрыднага лінейнага прывада на аснове SMA з'яўляецца выкарыстанне дроту SMA з рухавіком пастаяннага току для забеспячэння выхадной сілы каля 100 Н і значнага перамяшчэння17.
Адной з першых распрацовак у галіне прывадаў, цалкам заснаваных на SMA, быў паралельны прывад SMA.Выкарыстоўваючы некалькі правадоў SMA, паралельны прывад на аснове SMA прызначаны для павелічэння магутнасці прывада шляхам размяшчэння ўсіх правадоў SMA18 паралельна.Паралельнае злучэнне актуаторов не толькі патрабуе большай магутнасці, але і абмяжоўвае выходную магутнасць аднаго провада.Яшчэ адным недахопам прывадаў на аснове SMA з'яўляецца абмежаваны ход, які яны могуць дасягнуць.Для вырашэння гэтай праблемы была створана кабельная бэлька SMA, якая змяшчае адхіленую гнуткую бэльку для павелічэння перамяшчэння і дасягнення лінейнага руху, але не стварала больш высокіх сіл19.Мяккія дэфармуемыя структуры і тканіны для робатаў на аснове сплаваў з памяццю формы былі распрацаваны галоўным чынам для ўзмацнення ўдару20,21,22.Для прыкладанняў, дзе патрабуюцца высокія хуткасці, паведамлялася, што кампактныя помпы з прывадам выкарыстоўваюць тонкаплёнкавыя SMA для прымянення з мікрапомпамі23.Частата прывада тонкаплёнкавай мембраны SMA з'яўляецца ключавым фактарам у кіраванні хуткасцю кіроўцы.Такім чынам, лінейныя рухавікі SMA маюць лепшую дынамічную рэакцыю, чым спружынныя або стрыжневыя рухавікі SMA.Мяккая робататэхніка і тэхналогія захопу - яшчэ два прыкладанні, якія выкарыстоўваюць прывады на аснове SMA.Напрыклад, для замены стандартнага прывада, які выкарыстоўваецца ў прасторавым заціску 25 Н, быў распрацаваны паралельны прывад 24 са сплаву з памяццю формы.У іншым выпадку мяккі актуатар SMA быў выраблены на аснове дроту з убудаванай матрыцай, здольнай ствараць максімальную сілу выцягвання ў 30 Н. Дзякуючы сваім механічным уласцівасцям, SMA таксама выкарыстоўваюцца для вытворчасці актуатораў, якія імітуюць біялагічныя з'явы.Адна з такіх распрацовак уключае 12-клетачны робат, які з'яўляецца біяміметыкам падобнага дажджавога чарвяка арганізма з SMA для стварэння сінусоіднага руху да агню26,27.
Як згадвалася раней, існуе абмежаванне максімальнай сілы, якую можна атрымаць ад існуючых прывадаў на аснове SMA.Каб вырашыць гэтую праблему, у гэтым даследаванні прадстаўлена біяміметычная бімадальная цягліцавая структура.Прыводзіцца ў рух дротам са сплаву з памяццю формы.Ён забяспечвае сістэму класіфікацыі, якая ўключае некалькі правадоў са сплаву з памяццю формы.На сённяшні дзень у літаратуры не паведамлялася пра прывады на аснове SMA з падобнай архітэктурай.Гэтая унікальная і новая сістэма, заснаваная на SMA, была распрацавана для вывучэння паводзін SMA падчас бімадальнага выраўноўвання цягліц.У параўнанні з існуючымі прывадамі на аснове SMA, мэтай гэтага даследавання было стварэнне біяміметычнага прывада дыпвалерату для стварэння значна большых сіл у невялікім аб'ёме.У параўнанні са звычайнымі прывадамі з крокавым рухавіком, якія выкарыстоўваюцца ў сістэмах аўтаматызацыі і кіравання будынкамі HVAC, прапанаваная канструкцыя бімадальнага прывада на аснове SMA зніжае вагу прываднага механізму на 67%.У далейшым тэрміны «цягліца» і «драйв» выкарыстоўваюцца як узаемазаменныя.Гэта даследаванне даследуе мультыфізічнае мадэляванне такога прывада.Механічныя паводзіны такіх сістэм даследаваны эксперыментальна-аналітычнымі метадамі.Размеркаванне сілы і тэмпературы было дадаткова даследавана пры ўваходным напрузе 7 В. Пасля быў праведзены параметрычны аналіз, каб лепш зразумець сувязь паміж ключавымі параметрамі і выхадной сілай.Нарэшце, былі прадугледжаны іерархічныя прывады, а эфекты іерархічнага ўзроўню былі прапанаваны ў якасці патэнцыйнай будучай вобласці для немагнітных прывадаў для пратэзавання.Згодна з вынікамі вышэйзгаданых даследаванняў, выкарыстанне аднаступеньчатай архітэктуры стварае сілы, па меншай меры, у чатыры-пяць разоў большыя, чым заяўленыя прывады на аснове SMA.Акрамя таго, было паказана, што тая ж самая рухаючая сіла, створаная шматузроўневым шматузроўневым прывадам, больш чым у дзесяць разоў большая, чым у звычайных прывадаў на аснове SMA.Затым даследаванне паведамляе аб ключавых параметрах з дапамогай аналізу адчувальнасці паміж рознымі дызайнамі і ўваходнымі зменнымі.Пачатковая даўжыня дроту SMA (\(l_0\)), пёрыстыя вугал (\(\alpha\)) і колькасць адзіночных нітак (n) у кожнай асобнай нітцы аказваюць моцны негатыўны ўплыў на велічыню рухаючай сілы.сіла, у той час як уваходнае напружанне (энергія) аказалася станоўча карэлюе.
Дрот SMA дэманструе эфект памяці формы (SME), які назіраецца ў сямействе сплаваў нікель-тытан (Ni-Ti).Як правіла, SMA дэманструюць дзве фазы, якія залежаць ад тэмпературы: фазу нізкай тэмпературы і фазу высокай тэмпературы.Абедзве фазы валодаюць унікальнымі ўласцівасцямі з-за наяўнасці розных крышталічных структур.У аустенитной фазе (фазе высокай тэмпературы), якая існуе вышэй тэмпературы ператварэння, матэрыял праяўляе высокую трываласць і слаба дэфармуецца пад нагрузкай.Сплаў паводзіць сябе як нержавеючая сталь, таму ён здольны вытрымліваць больш высокі ціск спрацоўвання.Выкарыстоўваючы гэтую ўласцівасць сплаваў Ni-Ti, драты SMA нахілены, каб утварыць прывад.Адпаведныя аналітычныя мадэлі распрацаваны для разумення фундаментальнай механікі цеплавых паводзін SMA пад уплывам розных параметраў і розных геаметрый.Атрымана добрае супадзенне эксперыментальных і аналітычных вынікаў.
На прататыпе, паказаным на мал. 9а, было праведзена эксперыментальнае даследаванне для ацэнкі прадукцыйнасці бімадальнага прывада на аснове SMA.Дзве з гэтых уласцівасцей, сіла, якая ствараецца прывадам (цягліцавая сіла), і тэмпература дроту SMA (тэмпература SMA), былі вымераны эксперыментальна.Па меры павелічэння рознасці напружання па ўсёй даўжыні провада ў прывадзе тэмпература провада павялічваецца з-за эфекту нагрэву Джоўля.Уваходнае напружанне падавалі ў двух 10-секундных цыклах (паказаны чырвонымі кропкамі на мал. 2а, б) з 15-секундным перыядам астуджэння паміж кожным цыклам.Сіла блакіроўкі вымяралася з дапамогай п'езаэлектрычнага тензодатчика, а размеркаванне тэмпературы провада SMA кантралявалася ў рэжыме рэальнага часу з дапамогай LWIR-камеры навуковага ўзроўню з высокім раздзяленнем (гл. характарыстыкі выкарыстоўванага абсталявання ў табліцы 2).паказвае, што падчас фазы высокага напружання тэмпература провада манатонна павялічваецца, але калі ток не цячэ, тэмпература провада працягвае падаць.У бягучай эксперыментальнай устаноўцы тэмпература дроту SMA знізілася падчас фазы астуджэння, але яна ўсё яшчэ была вышэй тэмпературы навакольнага асяроддзя.На мал.2e паказвае здымак тэмпературы на провадзе SMA, зроблены з камеры LWIR.З іншага боку, на мал.2а паказвае сілу блакіроўкі, якую стварае сістэма прывада.Калі цягліцавая сіла перавышае аднаўляючую сілу спружыны, рухомая рука, як паказана на малюнку 9а, пачынае рухацца.Як толькі пачынаецца прывядзенне ў дзеянне, рухомая рука ўступае ў кантакт з датчыкам, ствараючы сілу цела, як паказана на мал.2в, д.Калі максімальная тэмпература блізкая да \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), максімальная назіраная сіла складае 105 Н.
На графіку паказаны эксперыментальныя вынікі тэмпературы дроту SMA і сілы, ствараемай бімадальным актуатарам на аснове SMA на працягу двух цыклаў.Уваходнае напружанне падаецца ў два 10-секундныя цыклы (паказаны чырвонымі кропкамі) з 15-секундным перыядам астывання паміж кожным цыклам.Дрот SMA, які выкарыстоўваўся для эксперыментаў, быў дротам Flexinol дыяметрам 0,51 мм ад Dynalloy, Inc. (a) Графік паказвае эксперыментальную сілу, атрыманую за два цыклы, (c, d) паказвае два незалежныя прыклады дзеяння рухомых прывадаў рычагоў на п'езаэлектрычны пераўтваральнік сілы PACEline CFT/5kN, (b) графік паказвае максімальную тэмпературу ўсяго провада SMA на працягу двух цыклаў, (e) паказвае тэмпературу здымак, зроблены з провада SMA з дапамогай камеры LWIR праграмнага забеспячэння FLIR ResearchIR.Геаметрычныя параметры, улічаныя ў эксперыментах, прыведзены ў табл.адзін.
Вынікі мадэлявання матэматычнай мадэлі і вынікі эксперыментаў параўноўваюцца пры ўмове ўваходнага напружання 7 В, як паказана на мал.5.Па выніках параметрычнага аналізу і для таго, каб пазбегнуць магчымасці перагрэву провада SMA, на актуатор была пададзена магутнасць 11,2 Вт.Праграмуемы блок харчавання пастаяннага току выкарыстоўваўся для падачы 7 В у якасці ўваходнага напружання, і ток 1,6 А быў вымераны праз провад.Сіла, якая ствараецца прывадам, і тэмпература SDR павялічваюцца пры падачы току.Пры ўваходным напрузе 7 В максімальная выхадная сіла, атрыманая з вынікаў мадэлявання і эксперыментальных вынікаў першага цыклу, складае 78 Н і 96 Н адпаведна.У другім цыкле максімальная выхадная сіла па выніках мадэлявання і эксперыменту склала 150 Н і 105 Н адпаведна.Неадпаведнасць паміж вымярэннямі сілы аклюзіі і эксперыментальнымі дадзенымі можа быць звязана з метадам, які выкарыстоўваецца для вымярэння сілы аклюзіі.Вынікі эксперыментаў, паказаныя на мал.5a адпавядаюць вымярэнню сілы фіксацыі, якая, у сваю чаргу, вымяралася, калі прывадны вал быў у кантакце з п'езаэлектрычным пераўтваральнікам сілы PACEline CFT/5kN, як паказана на мал.2с.Такім чынам, калі прывадны вал не датыкаецца з датчыкам сілы ў пачатку зоны астуджэння, сіла адразу становіцца роўнай нулю, як паказана на мал. 2d.Акрамя таго, іншымі параметрамі, якія ўплываюць на фарміраванне сілы ў наступных цыклах, з'яўляюцца значэння часу астуджэння і каэфіцыента канвектыўных цеплааддачы ў папярэднім цыкле.З мал.2b, відаць, што пасля 15-секунднага перыяду астуджэння дрот SMA не дасягнуў пакаёвай тэмпературы і таму меў больш высокую пачатковую тэмпературу (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) у другім цыкле руху ў параўнанні з першым цыклам (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Такім чынам, у параўнанні з першым цыклам, тэмпература дроту SMA падчас другога цыклу нагрэву дасягае пачатковай тэмпературы аўстэніту (\(A_s\)) раней і застаецца ў пераходным перыядзе даўжэй, што прыводзіць да напружання і сілы.З іншага боку, размеркаванне тэмператур падчас цыклаў нагрэву і астуджэння, атрыманае ў выніку эксперыментаў і мадэлявання, мае высокае якаснае падабенства з прыкладамі тэрмаграфічнага аналізу.Параўнальны аналіз цеплавых дадзеных дроту SMA, атрыманых у выніку эксперыментаў і мадэлявання, паказаў паслядоўнасць падчас цыклаў нагрэву і астуджэння і ў межах прымальных допускаў для эксперыментальных даных.Максімальная тэмпература провада SMA, атрыманая па выніках мадэлявання і эксперыментаў першага цыкла, складае \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) і \(75\,^{\circ }\hbox { C }\ адпаведна), а ў другім цыкле максімальная тэмпература провада SMA складае \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) і \(83\,^{\ цырк }\ hbox {C}\).Фундаментальна распрацаваная мадэль пацвярджае дзеянне эфекту памяці формы.Роля стомленасці і перагрэву ў гэтым аглядзе не разглядалася.У будучыні мадэль будзе ўдасканалена, каб уключыць гісторыю напружання дроту SMA, што зробіць яе больш прыдатнай для інжынерных прымянення.Выхадная сіла прывада і тэмпературныя графікі SMA, атрыманыя з блока Simulink, знаходзяцца ў межах дапушчальных адхіленняў эксперыментальных дадзеных пры ўмове ўваходнага імпульсу напружання 7 В. Гэта пацвярджае карэктнасць і надзейнасць распрацаванай матэматычнай мадэлі.
Матэматычная мадэль была распрацавана ў асяроддзі MathWorks Simulink R2020b з выкарыстаннем асноўных ураўненняў, апісаных у раздзеле "Метады".На мал.3b паказвае блок-схему матэматычнай мадэлі Simulink.Мадэль была змадэлявана для імпульсу ўваходнага напружання 7 В, як паказана на мал. 2a, b.Значэнні параметраў, якія выкарыстоўваюцца пры мадэляванні, прыведзены ў табліцы 1. Вынікі мадэлявання пераходных працэсаў прадстаўлены на малюнках 1 і 1. Малюнкі 3а і 4. На мал.На малюнках 4a,b паказаны індукцыйнае напружанне ў провадзе SMA і сіла, ствараемая прывадам, у залежнасці ад часу. Падчас адваротнага пераўтварэння (нагрэву), калі тэмпература дроту SMA \(T < A_s^{\prime}\) (тэмпература пачатку фазы аўстэніту з мадыфікаванай напругай), хуткасць змены аб'ёмнай долі мартэнсіту (\(\dot{\xi }\)) будзе роўная нулю. Падчас адваротнага пераўтварэння (нагрэву), калі тэмпература дроту SMA \(T < A_s^{\prime}\) (тэмпература пачатку фазы аўстэніту з мадыфікаваным напружаннем), хуткасць змены аб'ёмнай долі мартэнсіту (\(\dot{\ xi }\)) будзе роўная нулю. Падчас зваротнага пераўтварэння (нагрэву), калі тэмпература правалакна SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (тэмпература пачатку аустенитной фазы, мадыфікаванае напружанне), хуткасць змены аб'ёмнай долі мартэнсіта (\(\dot{\ xi }\)) будзе роўная нулю. Падчас адваротнага пераўтварэння (нагрэву), калі тэмпература дроту SMA \(T < A_s^{\prime}\) (тэмпература пачатку аўстэніту з мадыфікаваным напружаннем), хуткасць змены аб'ёмнай долі мартэнсіту (\(\dot{\ xi }\ )) будзе роўная нулю.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（\(\кропка{\ xi }\)) 将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Вынік мадэлявання, які паказвае размеркаванне тэмпературы і тэмпературу спалучэння, выкліканую напружаннем, у двухвалерным прывадзе на аснове SMA.Калі тэмпература дроту перасякае тэмпературу пераходу аўстэніту на стадыі нагрэву, тэмпература пераходу мадыфікаванага аўстэніту пачынае павялічвацца, і аналагічным чынам, калі тэмпература катанкі перасякае тэмпературу мартэнсітнага пераходу на стадыі астуджэння, тэмпература мартенсітнага пераходу зніжаецца.SMA для аналітычнага мадэлявання працэсу спрацоўвання.(Падрабязны агляд кожнай падсістэмы мадэлі Simulink глядзіце ў раздзеле дадатку дадатковага файла.)
Вынікі аналізу розных размеркаванняў параметраў паказаны для двух цыклаў уваходнага напружання 7 В (10-секундныя цыклы разагрэву і 15-секундныя цыклы астуджэння).У той час як (ac) і (e) адлюстроўваюць размеркаванне ў часе, з іншага боку, (d) і (f) ілюструюць размеркаванне з тэмпературай.Для адпаведных уваходных умоў максімальнае назіранае напружанне складае 106 МПа (менш за 345 МПа, мяжа цякучасці дроту), сіла складае 150 Н, максімальнае зрушэнне складае 270 мкм, а мінімальная аб'ёмная доля мартенсита складае 0,91.З іншага боку, змяненне напружання і змяненне аб'ёмнай долі мартэнсіту з тэмпературай падобныя на характарыстыкі гістарэзісу.
Тое ж тлумачэнне прымяняецца да прамога пераўтварэння (астуджэння) з фазы аўстэніту ў фазу мартэнсіту, дзе тэмпература дроту SMA (T) і канчатковая тэмпература фазы мартэнсіту з мадыфікацыяй напружання (\(M_f^{\prime}\ )) выдатныя.На мал.4d,f паказвае змяненне індукаванага напружання (\(\sigma\)) і аб'ёмнай долі мартэнсіту (\(\xi\)) у дроце SMA у залежнасці ад змены тэмпературы дроту SMA (T) для абодвух цыклаў руху.На мал.На малюнку 3а паказана змяненне тэмпературы провада SMA з часам у залежнасці ад імпульсу ўваходнага напружання.Як відаць з малюнка, тэмпература дроту працягвае павялічвацца за кошт забеспячэння крыніцы цяпла пры нулявым напрузе і наступнага Канвектыўныя астуджэння.Падчас награвання паўторнае ператварэнне мартэнсіта ў фазу аўстэніту пачынаецца, калі тэмпература дроту SMA (T) перасякае тэмпературу зараджэння аўстэніту з папраўкай на напружанне (\(A_s^{\prime}\)).Падчас гэтай фазы провад SMA сціскаецца, і прывад стварае сілу.Акрамя таго, падчас астуджэння, калі тэмпература дроту SMA (T) перасякае тэмпературу зараджэння фазы мартэнсіту з мадыфікаванай напругай (\(M_s^{\prime}\)), адбываецца станоўчы пераход ад фазы аўстэніту да фазы мартэнсіту.рухаючая сіла памяншаецца.
Асноўныя якасныя аспекты бімадальнага прывада на аснове SMA можна атрымаць з вынікаў мадэлявання.У выпадку падачы імпульсу напружання тэмпература провада SMA павялічваецца з-за эфекту нагрэву Джоўля.Пачатковае значэнне аб'ёмнай долі мартэнсіту (\(\xi\)) усталёўваецца роўным 1, паколькі першапачаткова матэрыял знаходзіцца ў цалкам мартэнсітнай фазе.Калі дрот працягвае награвацца, тэмпература дроту SMA перавышае тэмпературу зараджэння аўстэніту з папраўкай на напружанне \(A_s^{\prime}\), што прыводзіць да памяншэння аб'ёмнай долі мартэнсіту, як паказана на малюнку 4c.Акрамя таго, на мал.4е паказана размеркаванне хадоў прывада ў часе, а на мал.5 – рухальная сіла ў залежнасці ад часу.Адпаведная сістэма ўраўненняў уключае тэмпературу, аб'ёмную долю мартэнсіту і напружанне, якое ўзнікае ў дроце, што прыводзіць да ўсаджвання дроту SMA і сілы, ствараемай прывадам.Як паказана на мал.4d,f, змяненне напружання з тэмпературай і змяненне аб'ёмнай долі мартэнсіта з тэмпературай адпавядаюць характарыстыкам гістэрэзісу SMA ў змадэляваным выпадку пры 7 В.
Параўнанне хадавых параметраў было атрымана з дапамогай эксперыментаў і аналітычных разлікаў.Правады падвяргаліся імпульснаму ўваходнаму напружанню 7 В на працягу 10 секунд, затым астуджаліся на працягу 15 секунд (фаза астуджэння) на працягу двух цыклаў.Пёрыстыя вугал усталяваны на \(40^{\circ}\), а пачатковая даўжыня провада SMA у кожнай ножцы штыфта роўная 83 мм.(А) Вымярэнне рухаючай сілы з дапамогай датчыка нагрузкі (Б) Маніторынг тэмпературы правадоў з дапамогай цеплавой інфрачырвонай камеры.
Каб зразумець уплыў фізічных параметраў на сілу, ствараемую прывадам, быў праведзены аналіз адчувальнасці матэматычнай мадэлі да абраных фізічных параметраў, і параметры былі ранжыраваны ў залежнасці ад іх уплыву.Па-першае, выбарка параметраў мадэлі была зроблена з выкарыстаннем прынцыпаў дызайну эксперыменту, якія прытрымліваліся раўнамернага размеркавання (гл. Дадатковы раздзел па аналізе адчувальнасці).У гэтым выпадку параметры мадэлі ўключаюць у сябе ўваходнае напружанне (\(V_{in}\)), пачатковую даўжыню провада SMA (\(l_0\)), вугал трохвугольніка (\(\alpha\)), канстанту спружыны зрушэння (\(K_x\ )), каэфіцыент канвектыўнай цеплааддачы (\(h_T\)) і колькасць унімадальных галін (n).На наступным этапе пікавая мышачная сіла была абраная ў якасці патрабавання да дызайну даследавання і былі атрыманы параметрычныя эфекты кожнага набору зменных на сілу.Графікі тарнада для аналізу адчувальнасці былі атрыманы з каэфіцыентаў карэляцыі для кожнага параметру, як паказана на мал. 6а.
(a) Значэнні каэфіцыента карэляцыі параметраў мадэлі і іх уплыў на максімальную выходную сілу 2500 унікальных груп вышэйзгаданых параметраў мадэлі паказаны на графіку тарнада.На графіку паказана рангавая карэляцыя некалькіх паказчыкаў.Відавочна, што \(V_{in}\) — адзіны параметр са станоўчай карэляцыяй, а \(l_0\) — параметр з самай высокай адмоўнай карэляцыяй.Уплыў розных параметраў у розных камбінацыях на пік мышачнай сілы паказаны на (b, c).\(K_x\) знаходзіцца ў дыяпазоне ад 400 да 800 Н/м, а n - у дыяпазоне ад 4 да 24. Напружанне (\(V_{in}\)) змянялася ад 4В да 10В, даўжыня провада (\(l_{0} \)) змянялася ад 40 да 100 мм, а вугал хваста (\ (\alpha \)) вар'іраваўся ад \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
На мал.6a паказвае графік тарнада розных каэфіцыентаў карэляцыі для кожнага параметра з патрабаваннямі да пікавай рухаючай сілы.З мал.6a відаць, што параметр напружання (\(V_{in}\)) непасрэдна звязаны з максімальнай выхаднай сілай, а каэфіцыент канвектыўнай цеплааддачы (\(h_T\)), вугал полымя (\ ( \alpha\)) , канстанта спружыны перамяшчэння (\(K_x\)) адмоўна карэлюе з выхадной сілай і пачатковай даўжынёй (\(l_0\)) провада SMA і колькасцю ўнімадальных галін es (n) паказвае моцную зваротную карэляцыю У выпадку прамой карэляцыі У выпадку больш высокага значэння каэфіцыента карэляцыі напружання (\(V_ {in}\)) паказвае, што гэты параметр аказвае найбольшы ўплыў на выхадную магутнасць.Іншы падобны аналіз вымярае пікавую сілу шляхам ацэнкі ўплыву розных параметраў у розных камбінацыях дзвюх вылічальных прастор, як паказана на мал. 6b, c.\(V_{in}\) і \(l_0\), \(\alpha\) і \(l_0\) маюць падобныя шаблоны, і графік паказвае, што \(V_{in}\) і \(\alpha\ ) і \(\alpha\) маюць падобныя шаблоны.Меншыя значэнні \(l_0\) прыводзяць да больш высокіх пікавых сіл.Астатнія два графікі адпавядаюць малюнку 6a, дзе n і \(K_x\) адмоўна карэлююць, а \(V_{in}\) станоўча карэлююць.Гэты аналіз дапамагае вызначыць і наладзіць уплыўныя параметры, з дапамогай якіх выходную сілу, ход і эфектыўнасць прываднай сістэмы можна адаптаваць да патрабаванняў і прымянення.
Бягучая даследчая праца ўводзіць і даследуе іерархічныя дыскі з N узроўняў.У двухузроўневай іерархіі, як паказана на мал. 7а, дзе замест кожнага провада SMA прывада першага ўзроўню дасягаецца бімадальнае размяшчэнне, як паказана на мал.9e.На мал.7c паказвае, як дрот SMA намотваецца вакол рухомага рычага (дапаможнага рычага), які рухаецца толькі ў падоўжным кірунку.Аднак асноўны рухомы рычаг працягвае рухацца такім жа чынам, як і рухомы рычаг шматступеністага прывада 1-й ступені.Як правіла, N-ступеністы прывад ствараецца шляхам замены провада SMA ступені \(N-1\) прывадам першай ступені.У выніку кожная галіна імітуе прывад першай ступені, за выключэннем галіны, якая ўтрымлівае сам провад.Такім чынам могуць утварацца ўкладзеныя структуры, якія ствараюць сілы, якія ў некалькі разоў перавышаюць сілы першасных прывадаў.У гэтым даследаванні для кожнага ўзроўню была ўлічана агульная эфектыўная даўжыня провада SMA 1 м, як паказана ў таблічным фармаце на мал. 7d.Ток праз кожны провад у кожнай унімадальнай канструкцыі і выніковае папярэдняе напружанне і напружанне ў кожным сегменце провада SMA аднолькавыя на кожным узроўні.Згодна з нашай аналітычнай мадэллю, выхадная сіла станоўча карэлюе з узроўнем, а зрушэнне - адмоўна.У той жа час існаваў кампраміс паміж перамяшчэннем і сілай цягліц.Як відаць на мал.7б, у той час як максімальная сіла дасягаецца ў найбольшай колькасці слаёў, найбольшае зрушэнне назіраецца ў самым ніжнім пласце.Калі ўзровень іерархіі быў усталяваны на \(N=5\), пікавая цягліцавая сіла была знойдзена ў 2,58 кН з 2 назіранымі ўдарамі \(\upmu\)м.З іншага боку, прывад першай ступені стварае сілу 150 Н пры ходзе 277 \(\upmu\)м.Шматузроўневыя прывады здольныя імітаваць рэальныя біялагічныя мышцы, дзе штучныя мышцы, заснаваныя на сплавах з памяццю формы, здольныя генераваць значна большыя сілы з дапамогай дакладных і тонкіх рухаў.Абмежаванні гэтай мініяцюрнай канструкцыі заключаюцца ў тым, што па меры павелічэння іерархіі рух значна скарачаецца і павялічваецца складанасць працэсу вытворчасці прывада.
(a) Двухступеньчатая (\(N=2\)) слаістая сістэма лінейнага прывада са сплаву з памяццю формы паказана ў бімадальнай канфігурацыі.Прапанаваная мадэль дасягаецца шляхам замены провада SMA ў шматслаёвым прывадзе першай ступені іншым аднаступеністым шматслойным актуатарам.(c) Дэфармаваная канфігурацыя шматслаёвага прывада другой ступені.(б) Апісана размеркаванне сіл і зрушэнняў у залежнасці ад колькасці ўзроўняў.Было ўстаноўлена, што пікавая сіла прывада станоўча карэлюе з узроўнем шкалы на графіцы, у той час як ход адмоўна карэлюе з узроўнем шкалы.Ток і папярэдняе напружанне ў кожным провадзе застаюцца нязменнымі на ўсіх узроўнях.(d) Табліца паказвае колькасць адводаў і даўжыню провада SMA (валакна) на кожным узроўні.Характарыстыкі правадоў абазначаюцца індэксам 1, а колькасць другасных галін (адна злучаная з першаснай ножкай) паказваецца найбольшай лічбай у ніжнім індэксе.Напрыклад, на ўзроўні 5 \(n_1\) адносіцца да колькасці правадоў SMA, прысутных у кожнай бімадальнай структуры, а \(n_5\) адносіцца да колькасці дапаможных ножак (адна з якіх злучана з асноўнай ножкай).
Многімі даследчыкамі былі прапанаваны розныя метады мадэлявання паводзін SMA з памяццю формы, якія залежаць ад тэрмамеханічных уласцівасцей, якія суправаджаюць макраскапічныя змены ў крышталічнай структуры, звязаныя з фазавым пераходам.Фармулёўка канстытутыўных метадаў па сваёй сутнасці складаная.Найбольш часта выкарыстоўваная фенаменалагічная мадэль прапанавана Tanaka28 і шырока выкарыстоўваецца ў інжынерных прыкладаннях.Фенаменалагічная мадэль, прапанаваная Танака [28], мяркуе, што аб'ёмная доля мартенсита з'яўляецца экспанентнай функцыяй тэмпературы і напружання.Пазней Лян, Роджэрс29 і Брынсан30 прапанавалі мадэль, у якой дынаміка фазавага пераходу лічылася косінуснай функцыяй напругі і тэмпературы, з невялікімі мадыфікацыямі ў мадэлі.Бекер і Брынсан прапанавалі кінетычную мадэль на аснове фазавай дыяграмы для мадэлявання паводзін матэрыялаў SMA пры адвольных умовах нагрузкі, а таксама пры частковых пераходах.Банерджы32 выкарыстоўвае метад дынамікі фазавай дыяграмы Бекера і Брынсана31 для мадэлявання маніпулятара адной ступені свабоды, распрацаваны Элахіняй і Ахмадыянам33.Кінетычныя метады, заснаваныя на фазавых дыяграмах, якія ўлічваюць неманатоннае змяненне напружання з тэмпературай, цяжка рэалізаваць у інжынерных прылажэннях.Элахінія і Ахмадзіян звяртаюць увагу на гэтыя недахопы існуючых фенаменалагічных мадэляў і прапануюць пашыраную фенаменалагічную мадэль для аналізу і вызначэння паводзін памяці формы пры любых складаных умовах нагрузкі.
Структурная мадэль дроту SMA паказвае напружанне (\(\sigma\)), дэфармацыю (\(\epsilon\)), тэмпературу (T) і аб'ёмную долю мартэнсіту (\(\xi\)) дроту SMA.Фенаменалагічная канстытутыўная мадэль упершыню была прапанавана Танака28, а пазней прынята Лянам29 і Брынсанам30.Вытворная ўраўнення мае выгляд:
дзе E — залежны ад фазы SMA модуль Юнга, атрыманы з выкарыстаннем \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) і \(E_A\) і \(E_M\), якія прадстаўляюць модуль Юнга, з'яўляюцца адпаведна аўстэнітнай і мартэнсітнай фазамі, а каэфіцыент цеплавога пашырэння прадстаўлены \(\theta _T\).Каэфіцыент укладу фазавага пераходу складае \(\Omega = -E \epsilon _L\), а \(\epsilon _L\) - гэта максімальная аднаўляемая дэфармацыя ў дроце SMA.
Ураўненне фазавай дынамікі супадае з функцыяй косінуса, распрацаванай Liang29 і пазней прынятай Brinson30 замест экспанентнай функцыі, прапанаванай Tanaka28.Мадэль фазавага пераходу з'яўляецца пашырэннем мадэлі, прапанаванай Elakhinia і Ahmadian34 і мадыфікаванай на аснове ўмоў фазавага пераходу, прадстаўленых Liang29 і Brinson30.Умовы, якія выкарыстоўваюцца для гэтай мадэлі фазавага пераходу, сапраўдныя пры складаных тэрмамеханічных нагрузках.У кожны момант часу значэнне аб'ёмнай долі мартенсита разлічваецца пры мадэляванні ўстаўнога ўраўнення.
Кіруючае ўраўненне рэтрансфармацыі, выражанае ператварэннем мартэнсіту ў аўстэніт пры награванні, выглядае наступным чынам:
дзе \(\xi\) — аб'ёмная доля мартэнсіту, \(\xi _M\) — аб'ёмная доля мартэнсіту, атрыманага перад награваннем, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) і \(C_A\) — параметры апраксімацыі крывой, T — тэмпература дроту SMA, \(A_s\) і \(A _f\) – адпаведна пачатак і канец аустенитной фазы, тэмпература.
Ураўненне прамога кіравання трансфармацыяй, прадстаўленае фазавым ператварэннем аўстэніту ў мартэнсіт ва ўмовах астуджэння, мае наступны выгляд:
дзе \(\xi _A\) - аб'ёмная доля мартэнсіту, атрыманага перад астуджэннем, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) і \ ( C_M \) - параметры падганяння крывой, T - тэмпература дроту SMA, \(M_s\) і \(M_f\) - пачатковая і канчатковая тэмпературы мартэнсіту адпаведна.
Пасля дыферэнцыравання ўраўненняў (3) і (4) ураўненні адваротнага і прамога пераўтварэння спрашчаюцца да наступнага выгляду:
Падчас прамога і зваротнага пераўтварэнняў \(\eta _{\sigma}\) і \(\eta _{T}\) прымаюць розныя значэнні.Асноўныя ўраўненні, звязаныя з \(\eta _{\sigma}\) і \(\eta _{T}\), былі атрыманы і падрабязна абмеркаваны ў дадатковым раздзеле.
Цеплавая энергія, неабходная для павышэння тэмпературы провада SMA, паходзіць ад эфекту награвання Джоўля.Цеплавая энергія, паглынутая або вылучаная дротам SMA, прадстаўлена схаванай цеплынёй пераўтварэння.Страты цяпла ў провадзе SMA абумоўлены вымушанай канвекцыяй, і з улікам нязначнага эфекту выпраменьвання ўраўненне балансу цеплавой энергіі выглядае наступным чынам:
Дзе \(m_{wire}\) — агульная маса провада SMA, \(c_{p}\) — удзельная цеплаёмістасць SMA, \(V_{in}\) — напружанне, якое прыкладваецца да провада, \(R_{ohm} \ ) — залежнае ад фазы супраціўленне SMA, вызначанае як;\(R_{ом} = (l/A_{крыжык})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ), дзе \(r_M\ ) і \(r_A\) — удзельнае супраціўленне фазы SMA ў мартэнсіце і аўстэніце адпаведна, \(A_{c}\) — плошча паверхні дроту SMA, \(\Delta H \) — сплаў з памяццю формы.Схаваная цеплыня пераходу дроту, T і \(T_{\infty}\) — тэмпература дроту SMA і навакольнага асяроддзя адпаведна.
Калі прыводзіцца ў дзеянне дрот са сплаву з памяццю формы, дрот сціскаецца, ствараючы сілу ў кожнай галіны бімадальнай канструкцыі, якая называецца сілай валакна.Сілы валокнаў у кожнай нітцы дроту SMA разам ствараюць мышачную сілу для прывядзення ў дзеянне, як паказана на мал. 9e.З-за наяўнасці спружыны зрушэння агульная цягліцавая сіла N-га шматслойнага актуатара складае:
Падставіўшы \(N = 1\) ва ўраўненне (7), мышачную сілу прататыпа бімадальнага прывада першай ступені можна атрымаць наступным чынам:
дзе n — колькасць унімадальных ножак, \(F_m\) — цягліцавая сіла, якая ствараецца прывадам, \(F_f\) — трываласць валакна ў дроце SMA, \(K_x\) — калянасць зрушэння.спружына, \(\alpha\) — вугал трохвугольніка, \(x_0\) — пачатковае зрушэнне спружыны зрушэння для ўтрымання кабеля SMA ў папярэдне нацягнутым становішчы, а \(\Delta x\) — ход прывада.
Агульны перамяшчэнне або перамяшчэнне прывада (\(\Delta x\)) у залежнасці ад напружання (\(\sigma\)) і дэфармацыі (\(\epsilon\)) на провадзе SMA N-га этапу, прывад усталяваны на (гл. мал. дадатковую частку вываду):
Кінематычныя ўраўненні даюць залежнасць паміж дэфармацыяй прывада (\(\epsilon\)) і перамяшчэннем або перамяшчэннем (\(\Delta x\)).Дэфармацыя дроту Arb як функцыя пачатковай даўжыні дроту Arb (\(l_0\)) і даўжыні дроту (l) у любы момант часу t у адной унімадальнай галіны выглядае наступным чынам:
дзе \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) атрымліваецца прымяненнем формулы косінуса ў \(\Delta\)ABB ', як паказана на малюнку 8. Для прывада першай ступені (\(N = 1\)) \(\Delta x_1\) роўна \(\Delta x\), і \(\alpha _1\) роўна \(\alpha \), як паказана на малюнку 8, шляхам дыферэнцыравання часу з ураўнення (11) і замены значэння l хуткасць дэфармацыі можа быць запісана як:
дзе \(l_0\) — пачатковая даўжыня провада SMA, l — даўжыня провада ў любы момант часу t у адной унімадальнай галіны, \(\epsilon\) — дэфармацыя, развітая ў провадзе SMA, і \(\alpha \) — вугал трохвугольніка, \(\Delta x\) — гэта зрушэнне прывада (як паказана на малюнку 8).
Усе n аднапікавых структур (\(n=6\) на гэтым малюнку) злучаны паслядоўна з \(V_{in}\) у якасці ўваходнага напружання.Этап I: прынцыповая дыяграма провада SMA у бімадальнай канфігурацыі ва ўмовах нулявога напружання. Этап II: паказана кантраляваная структура, дзе провад SMA сціскаецца з-за адваротнага пераўтварэння, як паказана чырвонай лініяй.
У якасці доказу канцэпцыі быў распрацаваны бімадальны прывад на аснове SMA для праверкі змадэляванага вываду асноўных ураўненняў з дапамогай эксперыментальных вынікаў.CAD-мадэль бімадальнага лінейнага прывада паказана на мал.9а.З іншага боку, на мал.9c паказвае новую канструкцыю, прапанаваную для паваротнага прызматычнага злучэння з выкарыстаннем двухплоскаснага прывада на аснове SMA з бімадальнай структурай.Кампаненты прывада былі выраблены з дапамогай адытыўнай вытворчасці на 3D-прынтары Ultimaker 3 Extended.Матэрыял, які выкарыстоўваецца для 3D-друку кампанентаў, - гэта полікарбанат, які падыходзіць для тэрмаўстойлівых матэрыялаў, паколькі ён трывалы, даўгавечны і мае высокую тэмпературу шклавання (110-113 \(^{\circ }\) C).Акрамя таго, у эксперыментах выкарыстоўваўся дрот са сплаву Flexinol з памяццю формы Dynalloy, Inc., а ў мадэляванні выкарыстоўваліся ўласцівасці матэрыялу, якія адпавядаюць дроту Flexinol.Множныя правады SMA размешчаны ў выглядзе валокнаў, якія прысутнічаюць у бімадальным размяшчэнні цягліц, каб атрымаць высокія сілы, ствараемыя шматслойнымі актуатарамі, як паказана на мал. 9b, d.
Як паказана на малюнку 9а, востры вугал, утвораны дротам SMA рухомай рукі, называецца вуглом (\(\alpha\)).З клеммамі, прымацаванымі да левага і правага заціскаў, провад SMA утрымліваецца пад патрэбным бімадальным вуглом.Прылада спружыны зрушэння, якая трымаецца на раздыме спружыны, прызначана для рэгулявання розных груп падаўжэння спружыны зрушэння ў адпаведнасці з колькасцю (n) валокнаў SMA.Акрамя таго, размяшчэнне рухомых частак распрацавана такім чынам, каб провад SMA падвяргаўся ўздзеянню знешняга асяроддзя для астуджэння з прымусовай канвекцыяй.Верхняя і ніжняя пласціны здымнага вузла дапамагаюць трымаць дрот SMA астуджаным з экструдаванымі выразамі, прызначанымі для зніжэння вагі.Акрамя таго, абодва канцы провада CMA фіксуюцца да левай і правай клем адпаведна з дапамогай абціскання.Плунжер прымацаваны да аднаго канца рухомага вузла для захавання зазору паміж верхняй і ніжняй пласцінамі.Поршань таксама выкарыстоўваецца для прымянення сілы блакіроўкі да датчыка праз кантакт для вымярэння сілы блакіроўкі пры націсканні на провад SMA.
Бімадальная цягліцавая структура SMA электрычна злучана паслядоўна і сілкуецца ад уваходнага імпульснага напружання.Падчас цыкла імпульсу напружання, калі падаецца напружанне і дрот SMA награваецца вышэй пачатковай тэмпературы аўстэніту, даўжыня дроту ў кожнай нітцы скарачаецца.Гэта ўцягванне актывуе падвузел рухомай рукі.Калі напружанне абнулялася ў тым жа цыкле, нагрэты дрот SMA астуджаўся ніжэй тэмпературы паверхні мартэнсіту, такім чынам вяртаючыся ў зыходнае становішча.Ва ўмовах нулявога напружання дрот SMA спачатку пасіўна расцягваецца з дапамогай спружыны зрушэння, каб дасягнуць дэдвойнікаванага мартенсітнага стану.Шруба, праз якую праходзіць провад SMA, рухаецца за кошт сціску, які ствараецца пры падачы імпульсу напружання на провад SMA (SPA дасягае аўстэнітнай фазы), што прыводзіць да прывядзення ў дзеянне рухомага рычага.Калі дрот SMA ўцягваецца, спружына зрушэння стварае супрацьлеглую сілу, яшчэ больш расцягваючы спружыну.Калі напружанне ў імпульсным напрузе становіцца роўным нулю, дрот SMA падаўжаецца і змяняе сваю форму за кошт прымусовага канвекцыйнага астуджэння, дасягаючы падвойнай мартенситной фазы.
Прапанаваная сістэма лінейнага прывада на аснове SMA мае бімадальную канфігурацыю, у якой драты SMA размешчаны пад вуглом.(a) адлюстроўвае мадэль САПР прататыпа, у якой згадваюцца некаторыя кампаненты і іх значэнне для прататыпа, (b, d) прадстаўляюць распрацаваны эксперыментальны прататып35.У той час як (b) паказвае выгляд зверху прататыпа з электрычнымі злучэннямі і выкарыстоўванымі спружынамі зрушэння і тензодатчиками, (d) паказвае перспектыву ўстаноўкі.(Е) Дыяграма лінейнай сістэмы прывада з правадамі SMA, размешчанымі бімадальна ў любы момант t, паказваючы кірунак і ход валакна і мышачнай сілы.(c) Ратацыйнае прызматычнае злучэнне з 2 DOF было прапанавана для разгортвання двухплоскаснага прывада на аснове SMA.Як паказана, звяно перадае лінейны рух ад ніжняга прывада да верхняга рычага, ствараючы вярчальнае злучэнне.З іншага боку, рух пары прызмаў такі ж, як рух шматслойнага прывада першай ступені.
На прататыпе, паказаным на мал. 9b, было праведзена эксперыментальнае даследаванне для ацэнкі прадукцыйнасці бімадальнага прывада на аснове SMA.Як паказана на малюнку 10а, эксперыментальная ўстаноўка складалася з праграмуемага крыніцы харчавання пастаяннага току для падачы ўваходнага напружання на правады SMA.Як паказана на мал.10b, п'езаэлектрычны тензодатчик (PACEline CFT/5kN) быў выкарыстаны для вымярэння сілы блакавання з дапамогай прылады рэгістрацыі дадзеных Graphtec GL-2000.Дадзеныя запісваюцца гаспадаром для далейшага вывучэння.Для атрымання сігналу напружання тензодатчики і ўзмацняльнікі зарада патрабуюць пастаяннага харчавання.Адпаведныя сігналы пераўтвараюцца ў выхадныя магутнасці ў адпаведнасці з адчувальнасцю п'езаэлектрычнага датчыка сілы і іншымі параметрамі, як апісана ў табліцы 2. Калі прымяняецца імпульс напружання, тэмпература провада SMA павялічваецца, у выніку чаго провад SMA сціскаецца, што прымушае прывад ствараць сілу.Эксперыментальныя вынікі вываду мышачнай сілы уваходным імпульсам напругі 7 У паказаны на мал.2а.
(а) Сістэма лінейнага актуатара на аснове SMA была створана ў эксперыменце для вымярэння сілы, ствараемай актуатарам.Датчык нагрузкі вымярае сілу блакавання і сілкуецца ад крыніцы харчавання 24 В пастаяннага току.Падзенне напружання 7 В было прыменена па ўсёй даўжыні кабеля з дапамогай праграмуемага блока харчавання пастаяннага току GW Instek.Дрот SMA сціскаецца з-за цяпла, і рухомы рычаг датыкаецца з тензодатчиком і аказвае сілу блакавання.Датчык нагрузкі падключаецца да рэгістратара дадзеных GL-2000, і дадзеныя захоўваюцца на хасце для далейшай апрацоўкі.(Б) Схема, якая паказвае ланцужок кампанентаў эксперыментальнай устаноўкі для вымярэння мышачнай сілы.
Сплавы з памяццю формы ўзбуджаюцца цеплавой энергіяй, таму тэмпература становіцца важным параметрам для вывучэння з'явы памяці формы.Эксперыментальна, як паказана на мал. 11а, цеплавізійныя і тэмпературныя вымярэнні былі выкананы на прататыпе двухвалернага прывада на аснове SMA.Праграмуемая крыніца пастаяннага току падавала ўваходнае напружанне да правадоў SMA ў эксперыментальнай устаноўцы, як паказана на малюнку 11b.Змена тэмпературы провада SMA вымяралася ў рэжыме рэальнага часу з дапамогай камеры LWIR з высокім разрозненнем (FLIR A655sc).Хост выкарыстоўвае праграмнае забеспячэнне ResearchIR для запісу даных для далейшай апрацоўкі.Пры падачы імпульсу напружання тэмпература провада SMA павялічваецца, у выніку чаго провад SMA скарачаецца.На мал.На малюнку 2b паказаны эксперыментальныя вынікі залежнасці тэмпературы провада SMA ад часу для імпульсу ўваходнага напружання 7 В.
Час публікацыі: 28 верасня 2022 г