Дзякуй за наведванне сайта Nature.com. Версія браўзера, якой вы карыстаецеся, мае абмежаваную падтрымку CSS. Для найлепшага карыстання рэкамендуем выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer). Тым часам, каб забяспечыць бесперапынную падтрымку, мы будзем адлюстроўваць сайт без стыляў і JavaScript.
Прывады выкарыстоўваюцца паўсюль і ствараюць кіраваны рух, прымяняючы правільную сілу ўзбуджэння або крутоўны момант для выканання розных аперацый у вытворчасці і прамысловай аўтаматызацыі. Патрэба ў больш хуткіх, меншых і больш эфектыўных прывадах стымулюе інавацыі ў канструкцыі прывадаў. Прывады са сплаваў з памяццю формы (SMA) прапануюць шэраг пераваг перад традыцыйнымі прывадамі, у тым ліку высокае суадносіны магутнасці да вагі. У гэтай дысертацыі быў распрацаваны прывад на аснове двухпёрых SMA, які спалучае перавагі пёравых цягліц біялагічных сістэм і унікальныя ўласцівасці SMA. Гэта даследаванне даследуе і пашырае папярэднія прывады SMA шляхам распрацоўкі матэматычнай мадэлі новага прывада на аснове бімадальнай размяшчэння правадоў SMA і яе эксперыментальнага тэставання. У параўнанні з вядомымі прывадамі на аснове SMA, сіла прывада новага прывада як мінімум у 5 разоў вышэйшая (да 150 Н). Адпаведная страта вагі складае каля 67%. Вынікі аналізу адчувальнасці матэматычных мадэляў карысныя для налады параметраў канструкцыі і разумення ключавых параметраў. У гэтым даследаванні таксама прадстаўлены шматузроўневы N-ступенчаты прывад, які можа быць выкарыстаны для далейшага паляпшэння дынамікі. Мышачныя прывады дыпвалератнага тыпу на аснове SMA маюць шырокі спектр прымянення, ад аўтаматызацыі будынкаў да сістэм дакладнай дастаўкі лекаў.
Біялагічныя сістэмы, такія як мышачныя структуры млекакормячых, могуць актываваць мноства тонкіх прывадаў1. Млекакормячыя маюць розныя мышачныя структуры, кожная з якіх выконвае пэўную мэту. Аднак большую частку структуры мышачнай тканіны млекакормячых можна падзяліць на дзве шырокія катэгорыі. Паралельныя і перыстыя. У падкаленных сухажыллях і іншых згінальніках, як вынікае з назвы, паралельная мускулатура мае мышачныя валокны, паралельныя цэнтральнаму сухажыллю. Ланцуг мышачных валокнаў выстраены і функцыянальна звязаны злучальнай тканінай вакол іх. Нягледзячы на ​​тое, што гэтыя мышцы маюць вялікую экскурсію (працэнтнае скарачэнне), іх агульная мышачная сіла вельмі абмежаваная. Наадварот, у трохгаловай мышцы галёнкі2 (латэральная ікроножная мышца (ГЛ)3, медыяльная ікроножная мышца (МГ)4 і камбалавідная мышца (КМ)) і разгінальніку сцягна (квадрыцэпс)5,6 перыстая мышачная тканіна знаходзіцца ў кожнай мышцы7. У перыстай структуры мышачныя валокны ў двухперыстай мышцы прысутнічаюць па абодва бакі цэнтральнага сухажылля пад касымі вугламі (перыстыя вуглы). Слова «пеннат» паходзіць ад лацінскага слова «penna», што азначае «пяро», і, як паказана на мал. 1, мае выгляд, падобны на пяро. Валакны перыстых мышцаў карацейшыя і размешчаны пад вуглом да падоўжнай восі мышцы. З-за перыстай структуры агульная рухомасць гэтых мышцаў зніжаецца, што прыводзіць да папярочных і падоўжных кампанентаў працэсу скарачэння. З іншага боку, актывацыя гэтых мышцаў прыводзіць да большай агульнай сілы мышцаў з-за спосабу вымярэння фізіялагічнай плошчы папярочнага сячэння. Такім чынам, для дадзенай плошчы папярочнага сячэння перыстыя мышцы будуць мацнейшымі і будуць генераваць большыя сілы, чым мышцы з паралельнымі валокнамі. Сілы, якія генеруюцца асобнымі валокнамі, генеруюць мышачныя сілы на макраскапічным узроўні ў гэтай мышачнай тканіне. Акрамя таго, яны валодаюць такімі ўнікальнымі ўласцівасцямі, як хуткае скарачэнне, абарона ад пашкоджанняў пры расцяжэнні, амартызацыя. Яны змяняюць сувязь паміж уваходнай магутнасцю валокнаў і выходнай магутнасцю мышцаў, выкарыстоўваючы унікальныя асаблівасці і геаметрычную складанасць размяшчэння валокнаў, звязаных з лініямі дзеяння мышцаў.
Паказаны схематычныя дыяграмы існуючых канструкцый прывадаў на аснове SMA ў дачыненні да бімадальнай мышачнай архітэктуры, напрыклад, (а), якія адлюстроўваюць узаемадзеянне тактыльнай сілы, у якой прылада ў форме рукі, якая прыводзіцца ў дзеянне правадамі SMA, усталявана на двухколавым аўтаномным мабільным робаце9,10., (б) Рабатызаваны арбітальны пратэз з антаганістычна размешчаным спружыністым арбітальным пратэзам SMA. Палажэнне пратэза вока кіруецца сігналам ад вочнай мышцы вока11, (в) Прывады SMA ідэальна падыходзяць для падводных прымяненняў дзякуючы сваёй высокай частаце і нізкай прапускной здольнасці. У гэтай канфігурацыі прывады SMA выкарыстоўваюцца для стварэння хвалевага руху шляхам імітацыі руху рыбы, (г) Прывады SMA выкарыстоўваюцца для стварэння робата для інспекцыі мікратруб, які можа выкарыстоўваць прынцып руху цалевага чарвяка, які кіруецца рухам правадоў SMA ўнутры канала 10, (д) ​​паказаны кірунак скарачэння мышачных валокнаў і генерацыі скарачальнай сілы ў тканінах ікроножнай мышцы, (е) паказаны правады SMA, размешчаныя ў выглядзе мышачных валокнаў у структуры перыстай мышцы.
Прывады сталі важнай часткай механічных сістэм дзякуючы шырокаму спектру прымянення. Такім чынам, патрэба ў меншых, хутчэйшых і больш эфектыўных прывадах становіцца крытычнай. Нягледзячы на ​​свае перавагі, традыцыйныя прывады аказаліся дарагімі і працаёмкімі ў абслугоўванні. Гідраўлічныя і пнеўматычныя прывады складаныя і дарагія, схільныя да зносу, праблем са змазкай і паломак кампанентаў. У адказ на попыт, увага надаецца распрацоўцы эканамічна эфектыўных, аптымізаваных па памеры і перадавых прывадаў на аснове разумных матэрыялаў. Бягучыя даследаванні разглядаюць шматслаёвыя прывады са сплаваў з памяццю формы (SMA) для задавальнення гэтай патрэбы. Іерархічныя прывады ўнікальныя тым, што яны аб'ядноўваюць мноства дыскрэтных прывадаў у геаметрычна складаныя макрамаштабныя падсістэмы для забеспячэння пашыранай функцыянальнасці. У гэтым плане апісаная вышэй мышачная тканіна чалавека з'яўляецца выдатным шматслаёвым прыкладам такога шматслаёвага прывада. У гэтым даследаванні апісваецца шмат'ярусны прывад SMA з некалькімі асобнымі прываднымі элементамі (SMA правадамі), выраўнаванымі з арыентацыяй валокнаў, прысутных у бімадальных мышцах, што паляпшае агульную прадукцыйнасць прывада.
Асноўная мэта прывада - генерацыя механічнай магутнасці, такой як сіла і перамяшчэнне, 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 з памяццю формы прыводзіць да аднаўлення формы, што прыводзіць да больш высокай шчыльнасці энергіі прывядзення ў параўнанні з рознымі непасрэдна звязанымі разумнымі матэрыяламі. У той жа час пры механічных нагрузках сплавы з памяццю формы становяцца далікатнымі. Пры пэўных умовах цыклічная нагрузка можа паглынаць і вызваляць механічную энергію, праяўляючы зварачальныя гістэрэзісныя змены формы. Гэтыя ўнікальныя ўласцівасці робяць сплавы з памяццю формы ідэальнымі для датчыкаў, гашэння вібрацый і асабліва прывадаў12. Улічваючы гэта, было праведзена шмат даследаванняў прывадаў на аснове сплаваў з памяццю формы. Варта адзначыць, што прывады на аснове сплаваў з памяццю формы прызначаны для забеспячэння паступальнага і вярчальнага руху для розных ужыванняў13,14,15. Нягледзячы на ​​тое, што некаторыя вярчальныя прывады былі распрацаваны, даследчыкі асабліва зацікаўлены ў лінейных прывадах. Гэтыя лінейныя прывады можна падзяліць на тры тыпы прывадаў: аднамерныя, перамяшчэння і дыферэнцыяльныя прывады16. Першапачаткова гібрыдныя прывады ствараліся ў спалучэнні з SMA і іншымі традыцыйнымі прывадамі. Адным з такіх прыкладаў гібрыднага лінейнага прывада на аснове SMA з'яўляецца выкарыстанне провада SMA з рухавіком пастаяннага току для забеспячэння выходнай сілы каля 100 Н і значнага зрушэння17.
Адной з першых распрацовак прывадаў, цалкам заснаваных на SMA, быў паралельны прывад SMA. Выкарыстоўваючы некалькі правадоў SMA, паралельны прывад на аснове SMA прызначаны для павелічэння магутнасці прывада шляхам паралельнага размяшчэння ўсіх правадоў SMA18. Паралельнае падключэнне прывадаў не толькі патрабуе большай магутнасці, але і абмяжоўвае выходную магутнасць аднаго правада. Яшчэ адным недахопам прывадаў на аснове SMA з'яўляецца абмежаваны ход, які яны могуць дасягнуць. Каб вырашыць гэтую праблему, была створана кабельная бэлька SMA, якая змяшчае адхіленую гнуткую бэльку для павелічэння зрушэння і дасягнення лінейнага руху, але не стварае большых сіл19. Мяккія дэфармаваныя структуры і тканіны для робатаў на аснове сплаваў з памяццю формы былі распрацаваны ў першую чаргу для ўзмацнення ўдару20,21,22. Для прымянення, дзе патрабуюцца высокія хуткасці, паведамлялася аб кампактных прывадных помпах з выкарыстаннем тонкаплёнкавых SMA для прымянення мікрапомпаў23. Частата прывада тонкаплёнкавай мембраны SMA з'яўляецца ключавым фактарам у кіраванні хуткасцю прывада. Такім чынам, лінейныя рухавікі SMA маюць лепшы дынамічны водгук, чым спружынныя або стрыжневыя рухавікі SMA. Мяккая робататэхніка і тэхналогія захопу - гэта два іншыя прымянення, 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 быў выраблены мяккі прывад з памяццю формы з дапамогай дроту на аснове дроту з убудаванай матрыцай, здольнай ствараць максімальную сілу нацяжэння 30 Н. Дзякуючы сваім механічным уласцівасцям, памяць формы з дапамогай сплаву таксама выкарыстоўваецца для стварэння прывадаў, якія імітуюць біялагічныя з'явы. Адна з такіх распрацовак уключае 12-клетачнага робата, які з'яўляецца біяміметыкам арганізма, падобнага на дажджавога чарвяка, з памяццю формы для генерацыі сінусоіднага руху для стрэлу26,27.
Як ужо згадвалася раней, існуе абмежаванне максімальнай сілы, якую можна атрымаць з дапамогай існуючых прывадаў на аснове SMA. Каб вырашыць гэтую праблему, у гэтым даследаванні прадстаўлена біяміметычная бімадальная структура мышцы. Прыводзіцца ў рух дротам са сплаву з памяццю формы. Яна забяспечвае сістэму класіфікацыі, якая ўключае некалькі дротаў са сплаву з памяццю формы. На сённяшні дзень у літаратуры не паведамлялася пра прывады на аснове SMA з падобнай архітэктурай. Гэтая ўнікальная і новая сістэма на аснове SMA была распрацавана для вывучэння паводзін SMA падчас бімадальнага выраўноўвання мышцаў. У параўнанні з існуючымі прывадамі на аснове SMA, мэтай гэтага даследавання было стварэнне біяміметычнага дыпвалератнага прывада для генерацыі значна большых сіл у невялікім аб'ёме. У параўнанні з традыцыйнымі прывадамі, прываднымі ад крокавых рухавікоў, якія выкарыстоўваюцца ў сістэмах аўтаматызацыі і кіравання будынкамі HVAC, прапанаваная канструкцыя бімадальнага прывада на аснове SMA зніжае вагу прываднага механізму на 67%. Далей тэрміны «мышца» і «прывад» выкарыстоўваюцца ўзаемазаменна. У гэтым даследаванні даследуецца шматфізічнае мадэляванне такога прывада. Механічныя паводзіны такіх сістэм вывучаліся эксперыментальнымі і аналітычнымі метадамі. Размеркаванне сілы і тэмпературы было дадаткова даследавана пры ўваходным напружанні 7 В. Пасля гэтага быў праведзены параметрны аналіз, каб лепш зразумець сувязь паміж ключавымі параметрамі і выходнай сілай. Нарэшце, былі прадугледжаны іерархічныя прывады, і эфекты іерархічных узроўняў былі прапанаваны ў якасці патэнцыйнай будучай вобласці для немагнітных прывадаў для пратэтычных прымяненняў. Згодна з вынікамі вышэйзгаданых даследаванняў, выкарыстанне аднаступенчатай архітэктуры стварае сілы як мінімум у чатыры-пяць разоў вышэйшыя, чым у паведамлялася пра прывады на аснове SMA. Акрамя таго, было паказана, што тая ж рухаючая сіла, якая ствараецца шмат'ярусным шмат'ярусным прывадам, больш чым у дзесяць разоў перавышае звычайную рухаючую сілу прывадаў на аснове SMA. Затым у даследаванні прадстаўлены ключавыя параметры з выкарыстаннем аналізу адчувальнасці паміж рознымі канструкцыямі і ўваходнымі зменнымі. Пачатковая даўжыня драты SMA (\(l_0\)\), вугал пёрыстасці (\(\alpha\)\) і колькасць асобных нітак (n) у кожнай асобнай нітцы аказваюць моцны негатыўны ўплыў на велічыню рухаючай сілы, у той час як уваходнае напружанне (энергія) аказалася станоўча карэляваным.
Дрот з плоскім электродам (ПМА) праяўляе эфект памяці формы (ПМФ), які назіраецца ў сямействе нікель-тытанавых (Ni-Ti) сплаваў. Як правіла, ПМА маюць дзве тэмпературна-залежныя фазы: нізкатэмпературную фазу і высокатэмпературную фазу. Абедзве фазы маюць унікальныя ўласцівасці дзякуючы наяўнасці розных крышталічных структур. У аўстэнітнай фазе (высокатэмпературнай фазе), якая існуе вышэй за тэмпературу ператварэння, матэрыял праяўляе высокую трываласць і дрэнна дэфармуецца пад нагрузкай. Сплаў паводзіць сябе як нержавеючая сталь, таму ён здольны вытрымліваць больш высокі ціск прывада. Скарыстаўшыся гэтай уласцівасцю нікель-тытанавых сплаваў, дроты з ПМА нахіленыя, утвараючы прывад. Распрацаваны адпаведныя аналітычныя мадэлі для разумення фундаментальнай механікі цеплавых паводзін ПМА пад уплывам розных параметраў і розных геаметрый. Была атрымана добрая адпаведнасць паміж эксперыментальнымі і аналітычнымі вынікамі.
Эксперыментальнае даследаванне было праведзена на прататыпе, паказаным на мал. 9a, для ацэнкі прадукцыйнасці бімадальнага прывада на аснове SMA. Дзве з гэтых уласцівасцей: сіла, якая ствараецца прывадам (цягліцавая сіла), і тэмпература драта SMA (тэмпература SMA) былі вымераны эксперыментальна. Па меры павелічэння рознасці напружанняў па ўсёй даўжыні драта ў прывадзе тэмпература драта павялічваецца з-за эфекту нагрэву Джоўля. Уваходнае напружанне падавалася ў двух 10-секундных цыклах (паказаны чырвонымі кропкамі на мал. 2a, b) з 15-секундным перыядам астуджэння паміж кожным цыклам. Блакуючая сіла вымяралася з дапамогай п'езаэлектрычнага тэнзаметра, а размеркаванне тэмпературы драта SMA кантралявалася ў рэжыме рэальнага часу з дапамогай навуковай LWIR-камеры высокага разрознення (гл. характарыстыкі выкарыстанага абсталявання ў табліцы 2). Гэта паказвае, што падчас фазы высокага напружання тэмпература драта манатонна павялічваецца, але калі ток не працякае, тэмпература драта працягвае падаць. У бягучай эксперыментальнай устаноўцы тэмпература дроту SMA знізілася падчас фазы астуджэння, але яна ўсё яшчэ была вышэй за тэмпературу навакольнага асяроддзя. На мал. 2e паказаны здымак тэмпературы дроту SMA, зроблены з дапамогай LWIR-камеры. З іншага боку, на мал. 2a паказана блакуючая сіла, якая ствараецца прываднай сістэмай. Калі сіла мышцы перавышае сілу аднаўлення спружыны, рухомы рычаг, як паказана на мал. 9a, пачынае рухацца. Як толькі пачынаецца прывад, рухомы рычаг уступае ў кантакт з датчыкам, ствараючы сілу цела, як паказана на мал. 2c, d. Калі максімальная тэмпература блізкая да \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), максімальная назіраная сіла складае 105 Н.
Графік паказвае эксперыментальныя вынікі тэмпературы дроту SMA і сілы, якая ствараецца бімадальным прывадам на аснове SMA на працягу двух цыклаў. Уваходнае напружанне падаецца ў двух 10-секундных цыклах (паказаны чырвонымі кропкамі) з 15-секундным перыядам астуджэння паміж кожным цыклам. Для эксперыментаў выкарыстоўваўся дрот SMA дыяметрам 0,51 мм Flexinol ад Dynalloy, Inc. (a) Графік паказвае эксперыментальную сілу, атрыманую на працягу двух цыклаў, (c, d) паказаны два незалежныя прыклады дзеяння прывадаў рухомага рычага на п'езаэлектрычны пераўтваральнік сілы PACEline CFT/5kN, (b) Графік паказвае максімальную тэмпературу ўсяго дроту SMA на працягу двух цыклаў, (e) паказвае здымак тэмпературы, зроблены з дроту SMA з дапамогай LWIR-камеры праграмнага забеспячэння FLIR ResearchIR. Геаметрычныя параметры, якія ўлічваліся ў эксперыментах, прыведзены ў табліцы 1.
Вынікі мадэлявання матэматычнай мадэлі і эксперыментальныя вынікі параўноўваюцца пры ўмове ўваходнага напружання 7 В, як паказана на мал. 5. Згодна з вынікамі параметрнага аналізу і каб пазбегнуць магчымасці перагрэву провада SMA, на прывад падавалася магутнасць 11,2 Вт. Для падачы ўваходнага напружання 7 В выкарыстоўвалася праграмуемая крыніца пастаяннага току, а па провадзе вымяраўся ток 1,6 А. Сіла, якая ствараецца прывадам, і тэмпература SDR павялічваюцца пры падачы току. Пры ўваходным напружанні 7 В максімальная выходная сіла, атрыманая з вынікаў мадэлявання і эксперыментальных вынікаў першага цыкла, складае 78 Н і 96 Н адпаведна. У другім цыкле максімальная выходная сіла, атрыманая з вынікаў мадэлявання і эксперыментальных вынікаў, склала 150 Н і 105 Н адпаведна. Разыходжанне паміж вымярэннямі сілы аклюзіі і эксперыментальнымі дадзенымі можа быць звязана з метадам, які выкарыстоўваецца для вымярэння сілы аклюзіі. Эксперыментальныя вынікі, паказаныя на мал. 5a адпавядаюць вымярэнню сілы блакавання, якая, у сваю чаргу, вымяралася, калі прывадны вал кантактаваў з п'езаэлектрычным пераўтваральнікам сілы PACEline CFT/5kN, як паказана на мал. 2s. Такім чынам, калі прывадны вал не кантактуе 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 значэнні часу астуджэння і каэфіцыента канвектыўнай цеплаперадачы ў папярэднім цыкле. З мал. 2b відаць, што пасля 15-секунднага перыяду астуджэння провад SMA не дасягнуў пакаёвай тэмпературы і таму меў больш высокую пачатковую тэмпературу (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) у другім цыкле кіравання ў параўнанні з першым цыклам (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Такім чынам, у параўнанні з першым цыклам, тэмпература дроту з плоскім электродам (SMA) падчас другога цыклу нагрэву дасягае пачатковай тэмпературы аўстэніту (\(A_s\)) раней і даўжэй застаецца ў пераходным перыядзе, што прыводзіць да ўзнікнення напружанняў і сіл. З іншага боку, размеркаванне тэмпературы падчас цыклаў нагрэву і астуджэння, атрыманае з эксперыментаў і мадэлявання, мае высокае якаснае падабенства з прыкладамі з цеплаграфічнага аналізу. Параўнальны аналіз тэрмічных дадзеных дроту з SMA з эксперыментаў і мадэлявання паказаў паслядоўнасць падчас цыклаў нагрэву і астуджэння і знаходжанне ў межах дапушчальных адхіленняў для эксперыментальных дадзеных. Максімальная тэмпература дроту з SMA, атрыманая з вынікаў мадэлявання і эксперыментаў першага цыклу, складае \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) і \(75\,^{\circ }\hbox {C}\) адпаведна, а ў другім цыкле максімальная тэмпература дроту з SMA складае \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) і \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Фундаментальна распрацаваная мадэль пацвярджае ўплыў эфекту памяці формы. Роля стомленасці і перагрэву ў гэтым аглядзе не разглядалася. У будучыні мадэль будзе ўдасканалена, каб уключыць гісторыю напружанняў дроту SMA, што зробіць яе больш прыдатнай для інжынерных ужыванняў. Графікі выходнай сілы прывада і тэмпературы SMA, атрыманыя з блока Simulink, знаходзяцца ў межах дапушчальных адхіленняў эксперыментальных дадзеных пры ўмове імпульсу ўваходнага напружання 7 В. Гэта пацвярджае правільнасць 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 паказана блок-схема матэматычнай мадэлі Simulink. Мадэль была мадэлявана для імпульсу ўваходнага напружання 7 В, як паказана на мал. 2a, b. Значэнні параметраў, якія выкарыстоўваліся пры мадэляванні, прыведзены ў табліцы 1. Вынікі мадэлявання пераходных працэсаў прадстаўлены на мал. 1 і 1. Мал. 3a і 4. На мал. 4a, b паказана індукаванае напружанне ў провадзе SMA і сіла, якая ствараецца прывадам, у залежнасці ад часу. Падчас адваротнага пераўтварэння (награвання), калі тэмпература дроту SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (тэмпература пачатку фазы аўстэніту, мадыфікаванага напружаннем), хуткасць змены аб'ёмнай долі мартэнсіту (\(\dot{\xi }\)) будзе роўная нулю. Падчас адваротнага пераўтварэння (награвання), калі тэмпература дроту SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (тэмпература пачатку фазы аўстэніту, мадыфікаванага напружаннем), хуткасць змены аб'ёмнай долі мартэнсіту (\(\dot{\ xi }\)) будзе роўная нулю. Падчас адваротнага 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 (награвання), калі тэмпература дроту SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (тэмпература пачатку фарміравання аўстэніту, мадыфікаванага 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（\(\dot{\ xi }\))将为零.在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t Пры адваротным пераўтварэнні (нагрэве) пры тэмпературы правалакна СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (тэмпература зараджэння аўстэнітнай фазы з папраўкай на напружанне) хуткасць змены аб'ёмнай долі мартэнсіта (\( \dot{\ xi }\)) будзе роўная нулю. Падчас адваротнага пераўтварэння (награвання) пры тэмпературы дроту SMA (T < A_s^{\prime}) (тэмпература зародкаўтварэння аўстэнітавай фазы з папраўкай на напружанне) хуткасць змены аб'ёмнай долі мартэнсіту (\( \dot{\ xi }\)) будзе роўная нулю.Такім чынам, хуткасць змены напружання (\(\dot{\sigma}\)) будзе залежаць ад хуткасці дэфармацыі (\(\dot{\epsilon}\)) і градыенту тэмпературы (\(\dot{T} \)) толькі з выкарыстаннем ураўнення (1). Аднак, па меры павышэння тэмпературы дроту SMA і перасячэння (\(A_s^{\prime}\)), пачынае фармавацца фаза аўстэніту, і (\(\dot{\xi}\)) прымаецца за зададзенае значэнне ўраўнення (3). Такім чынам, хуткасць змены напружання (\(\dot{\sigma}\)) сумесна кантралюецца \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) і \(\dot{\xi}\) будзе роўнай зададзенай у формуле (1). Гэта тлумачыць змены градыенту, якія назіраюцца на картах напружання і сілы, якія змяняюцца ў часе падчас цыклу нагрэву, як паказана на мал. 4a, b.
(a) Вынік мадэлявання, які паказвае размеркаванне тэмпературы і тэмпературу спая, выкліканую напружаннем, у прывадзе на аснове дывалерату з плоскім электронным сплавам (SPM). Калі тэмпература дроту перасякае тэмпературу пераходу ў аўстэніт на стадыі нагрэву, тэмпература пераходу ў мадыфікаваны аўстэніт пачынае павялічвацца, і аналагічна, калі тэмпература дроту перасякае тэмпературу мартэнсітнага пераходу на стадыі астуджэння, тэмпература мартэнсітнага пераходу паніжаецца. SMA для аналітычнага мадэлявання працэсу прывада. (Падрабязны агляд кожнай падсістэмы мадэлі Simulink глядзіце ў дадатку дадатковага файла.)
Вынікі аналізу для 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 з цягам часу, 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 — 150 Н, максімальнае зрушэнне — 270 мкм, а мінімальная аб'ёмная доля мартэнсіту — 0,91. З іншага боку, змена напружання і змена аб'ёмнай долі мартэнсіту з тэмпературай падобныя да характарыстык гістэрэзісу.
Такое ж тлумачэнне датычыцца і прамога пераўтварэння (астуджэння) з аўстэнітнай фазы ў мартэнсітную фазу, дзе тэмпература дроту з мадыфікаваным стрэсавым злучэннем (T) і канчатковая тэмпература фазы мартэнсіту з мадыфікаваным напружаннем (M_f^{\prime}\ )) выдатныя. На мал. 4d,f паказана змяненне выкліканага напружання (sigma\) і аб'ёмнай долі мартэнсіту (xi\) у дроце з мадыфікаваным стрэсавым злучэннем у залежнасці ад змены тэмпературы дроту з мадыфікаваным стрэсавым злучэннем (T) для абодвух цыклаў кіравання. На мал. 3a паказана змяненне тэмпературы дроту з мадыфікаваным стрэсавым злучэннем з часам у залежнасці ад імпульсу ўваходнага напружання. Як відаць з малюнка, тэмпература дроту працягвае павялічвацца за кошт забеспячэння крыніцы цяпла пры нулявым напружанні і наступнага канвектыўнага астуджэння. Падчас награвання рэпераўтварэнне мартэнсіту ў аўстэнітную фазу пачынаецца, калі тэмпература дроту з мадыфікаваным электродам з вадкім электродам (T) перасякае тэмпературу зародкаўтварэння аўстэніту з карэкцыяй напружання (\(A_s^{\prime}\)). Падчас гэтай фазы дрот з мадыфікаваным электродам з вадкім электродам сціскаецца, і прывад стварае сілу. Таксама падчас астуджэння, калі тэмпература дроту з мадыфікаваным электродам з вадкім электродам (T) перасякае тэмпературу зародкаўтварэння фазы мартэнсіту з мадыфікаваным напружаннем (\(M_s^{\prime}\)), адбываецца станоўчы пераход ад фазы аўстэніту да фазы мартэнсіту. Прывадная сіла памяншаецца.
Асноўныя якасныя аспекты бімадальнага прывада на аснове SMA можна атрымаць з вынікаў мадэлявання. У выпадку імпульснага ўваходнага напружання тэмпература дроту SMA павялічваецца з-за эфекту джоўлевага нагрэву. Пачатковае значэнне аб'ёмнай долі мартэнсіту (\(\xi\)) усталёўваецца роўным 1, паколькі матэрыял першапачаткова знаходзіцца ў цалкам мартэнсітнай фазе. Па меры таго, як дрот працягвае награвацца, тэмпература дроту SMA перавышае тэмпературу зародкаўтварэння аўстэніту з карэкцыяй напружання \(A_s^{\prime}\), што прыводзіць да зніжэння аб'ёмнай долі мартэнсіту, як паказана на малюнку 4c. Акрамя таго, на мал. 4e паказана размеркаванне ходаў прывада ў часе, а на мал. 5 - рухаючая сіла ў залежнасці ад часу. Звязаная сістэма ўраўненняў уключае тэмпературу, аб'ёмную долю мартэнсіту і напружанне, якое ўзнікае ў дроце, што прыводзіць да ўсаджвання дроту SMA і сілы, якая ствараецца прывадам. Як паказана на мал. 4d,f, змяненне напружання з тэмпературай і змяненне аб'ёмнай долі мартэнсіту з тэмпературай адпавядаюць гістэрэзісным характарыстыкам SMA ў мадэляваным выпадку пры 7 В.
Параўнанне параметраў кіравання 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. Кут перыстасці ўсталяваны на \(40^{\circ}\), а пачатковая даўжыня правады SMA ў кожнай асобнай ножцы ўсталявана на 83 мм. (a) Вымярэнне рухаючай сілы з дапамогай датчыка нагрузкі (b) Маніторынг тэмпературы правады з дапамогай цеплавізійнай камеры.
Каб зразумець уплыў фізічных параметраў на сілу, якая ствараецца прывадам, быў праведзены аналіз адчувальнасці матэматычнай мадэлі да выбраных фізічных параметраў, і параметры былі ранжыраваны ў адпаведнасці з іх уплывам. Спачатку выбарка параметраў мадэлі была зроблена з выкарыстаннем прынцыпаў эксперыментальнага праектавання, якія адпавядалі раўнамернаму размеркаванню (гл. Дадатковы раздзел па аналізе адчувальнасці). У гэтым выпадку параметры мадэлі ўключаюць уваходнае напружанне (V_{in})), пачатковую даўжыню дроту SMA (l_0)), вугал трыкутніка (α), каэфіцыент спружыны зрушэння (K_x)), каэфіцыент канвектыўнай цеплаперадачы (h_T) і колькасць унімадальных галін (n). На наступным этапе ў якасці патрабавання да дызайну даследавання была абрана пікавая сіла цягліц, і былі атрыманы параметрычныя ўплывы кожнага набору зменных на сілу. Дыяграмы тарнада для аналізу адчувальнасці былі атрыманы з каэфіцыентаў карэляцыі для кожнага параметра, як паказана на мал. 6a.
(a) Значэнні каэфіцыентаў карэляцыі параметраў мадэлі і іх уплыў на максімальную выходную сілу 2500 унікальных груп вышэйзгаданых параметраў мадэлі паказаны на графіку тарнада. Графік паказвае рангавую карэляцыю некалькіх паказчыкаў. Відавочна, што \(V_{in}\) — адзіны параметр са станоўчай карэляцыяй, а \(l_0\) — параметр з найбольшай адмоўнай карэляцыяй. Уплыў розных параметраў у розных камбінацыях на пікавую сілу цягліц паказаны ў (b, c). \(K_x\) вагаецца ад 400 да 800 Н/м, а n вагаецца ад 4 да 24. Напружанне (\(V_{in}\)) змянялася ад 4 В да 10 В, даўжыня провада (\(l_{0 } \)) змянялася ад 40 да 100 мм, а вугал хваста (\(\alpha \)) змяняўся ад \(20 – 60 \, ^ {\circ }\).
На мал. 6а паказаны графік тарнада розных каэфіцыентаў карэляцыі для кожнага параметра з патрабаваннямі да распрацоўкі пікавай прывадной сілы. З мал. 6а відаць, што параметр напружання (\(V_{in}\)) непасрэдна звязаны з максімальнай выходнай сілай, а каэфіцыент канвектыўнай цеплаперадачы (\(h_T\)\), вугал полымя (\( \alpha\)\)\, пастаянная спружыны зрушэння ( \(K_x\)\)\)\ адмоўна карэлююць з выходнай сілай і пачатковай даўжынёй (\(l_0\)\) драты SMA, а колькасць унімадальных галін (n) паказвае моцную адваротную карэляцыю ў выпадку прамой карэляцыі. У выпадку больш высокага значэння каэфіцыента карэляцыі напружання (\(V_{in}\)\)\) паказвае, што гэты параметр аказвае найбольшы ўплыў на выходную магутнасць. Іншы падобны аналіз вымярае пікавую сілу шляхам ацэнкі ўплыву розных параметраў у розных камбінацыях двух вылічальных прастор, як паказана на мал. 6b, c. \(V_{in}\) і \(l_0\), \(\alpha\) і \(l_0\) маюць падобныя заканамернасці, і графік паказвае, што \(V_{in}\) і \(\alpha\) і \(\alpha\) маюць падобныя заканамернасці. Меншыя значэнні \(l_0\) прыводзяць да больш высокіх пікавых сіл. Два іншыя графікі адпавядаюць малюнку 6a, дзе n і \(K_x\) маюць адмоўную карэляцыю, а \(V_{in}\) — станоўчую карэляцыю. Гэты аналіз дапамагае вызначыць і адрэгуляваць параметры ўплыву, з дапамогай якіх выхадная сіла, ход і эфектыўнасць прываднай сістэмы могуць быць адаптаваны да патрабаванняў і прымянення.
У бягучых даследаваннях прадстаўлены і даследуюцца іерархічныя прывады з N узроўнямі. У двухузроўневай іерархіі, як паказана на мал. 7a, замест кожнага правада SMA прывада першага ўзроўню дасягаецца бімадальная кампаноўка, як паказана на мал. 9e. На мал. 7c паказана, як правад SMA намотваецца на рухомы рычаг (дапаможны рычаг), які рухаецца толькі ў падоўжным кірунку. Аднак рухомы рычаг першаснага ўзроўню працягвае рухацца гэтак жа, як і рухомы рычаг шматступенчатага прывада 1-й ступені. Як правіла, N-ступенчаты прывад ствараецца шляхам замены правада SMA ступені \(N-1\) прывада прывадам першай ступені. У выніку кожная галіна імітуе прывад першай ступені, за выключэннем галіны, якая ўтрымлівае сам правад. Такім чынам, можна сфарміраваць укладзеныя структуры, якія ствараюць сілы, якія ў некалькі разоў перавышаюць сілы першасных прывадаў. У гэтым даследаванні для кожнага ўзроўню ўлічвалася агульная эфектыўная даўжыня правада SMA 1 м, як паказана ў таблічным фармаце на мал. 7d. Ток праз кожны провад у кожнай унімадальнай канструкцыі і атрыманае папярэдняе напружанне і напружанне ў кожным сегменце провада SMA аднолькавыя на кожным узроўні. Згодна з нашай аналітычнай мадэллю, выходная сіла станоўча карэлюе з узроўнем, у той час як зрушэнне адмоўна карэлюе. У той жа час назіраўся кампраміс паміж зрушэннем і сілай мышцы. Як відаць на мал. 7b, у той час як максімальная сіла дасягаецца ў найбольшай колькасці слаёў, найбольшае зрушэнне назіраецца ў самым ніжнім слаі. Калі ўзровень іерархіі быў усталяваны на \(N=5\), пікавая сіла мышцы 2,58 кН была выяўлена пры 2 назіраных ходах \(\upm\)m. З іншага боку, прывад першай ступені генеруе сілу 150 Н пры ходзе 277 \(\upm\)m. Шмат'ярусныя прывады здольныя імітаваць рэальныя біялагічныя мышцы, у той час як штучныя мышцы на аснове сплаваў з памяццю формы здольныя генераваць значна большыя сілы з дакладнымі і больш тонкімі рухамі. Абмежаванні гэтай мініяцюрнай канструкцыі заключаюцца ў тым, што па меры павелічэння іерархіі рух значна памяншаецца, а складанасць працэсу вырабу прывада павялічваецца.
(a) Паказана двухступеньчатая (\(N=2\)) лінейная сістэма прывада са сплаву з памяццю формы ў бімадальнай канфігурацыі. Прапанаваная мадэль дасягаецца шляхам замены дроту SMA ў шматслаёвым прывадзе першай ступені іншым аднаступеньчатым шматслаёвым прывадам. (c) Дэфармаваная канфігурацыя шматслаёвага прывада другой ступені. (b) Апісана размеркаванне сіл і перамяшчэнняў у залежнасці ад колькасці ўзроўняў. Было ўстаноўлена, што пікавая сіла прывада станоўча карэлюе з узроўнем шкалы на графіку, у той час як ход адмоўна карэлюе з узроўнем шкалы. Ток і папярэдняе напружанне ў кожным провадзе застаюцца пастаяннымі на ўсіх узроўнях. (d) У табліцы паказана колькасць адводаў і даўжыня дроту SMA (валакна) на кожным узроўні. Характарыстыкі правадоў пазначаны індэксам 1, а колькасць другасных галін (адна падключана да першаснай галіны) пазначана найбольшым лікам у ніжнім індэксе. Напрыклад, на ўзроўні 5, \(n_1\) адносіцца да колькасці правадоў SMA, якія прысутнічаюць у кожнай бімадальнай структуры, а \(n_5\) адносіцца да колькасці дапаможных ног (адна падлучаная да асноўнай).
Шматлікія даследчыкі прапанавалі розныя метады для мадэлявання паводзін SMA з памяццю формы, якія залежаць ад тэрмамеханічных уласцівасцей, што суправаджаюць макраскапічныя змены ў крышталічнай структуры, звязаныя з фазавым пераходам. Фармулёўка канстытутыўных метадаў з'яўляецца складанай па сваёй сутнасці. Найбольш распаўсюджаная фенаменалагічная мадэль прапанавана Танакай28 і шырока выкарыстоўваецца ў інжынерных дадатках. Фенаменалагічная мадэль, прапанаваная Танакай [28], мяркуе, што аб'ёмная доля мартэнсіту з'яўляецца экспанентнай функцыяй тэмпературы і напружання. Пазней Лян і Роджэрс29 і Брынсан30 прапанавалі мадэль, у якой дынаміка фазавага пераходу лічылася косінуснай функцыяй напружання і тэмпературы з невялікімі мадыфікацыямі мадэлі. Бекер і Брынсан прапанавалі кінетычную мадэль на аснове фазавай дыяграмы для мадэлявання паводзін SMA-матэрыялаў пры адвольных умовах нагрузкі, а таксама пры частковых пераходах. Банерджы32 выкарыстоўвае метад дынамікі фазавай дыяграмы Бекера і Брынсана31 для мадэлявання маніпулятара з адной ступенню свабоды, распрацаванага Элахініяй і Ахмадзянам33. Кінетычныя метады, заснаваныя на фазавых дыяграмах, якія ўлічваюць неманатоннае змяненне напружання з тэмпературай, цяжка рэалізаваць у інжынерных прыкладаннях. Элахінія і Ахмадзян 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 з полімерным валакном (SMA) дае напружанне (\(\sigma\)), дэфармацыю (\(\epsilon\)), тэмпературу (T) і аб'ёмную долю мартэнсіту (\(\xi\)) дроту з полімерным валакном. Фенаменалагічная канстытутыўная мадэль была ўпершыню прапанавана Танакай28, а пазней прынята Лянгам29 і Брынсанам30. Вытворная ўраўнення мае выгляд:
дзе E — гэта фазава-залежны модуль Юнга поліэфірнага дроту з даданнем мадуляцыі (SMA), атрыманы з выкарыстаннем \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\), а \(E_A\) і \(E_M\), якія прадстаўляюць модуль Юнга, — гэта аўстэнітная і мартэнсітная фазы адпаведна, а каэфіцыент цеплавога пашырэння прадстаўлены як \(\theta _T\). Каэфіцыент укладу фазавага пераходу складае \(\Omega = -E \epsilon _L\), а \(\epsilon _L\) — максімальная аднаўляемая дэфармацыя ў дроце з даданнем мадуляцыі.
Ураўненне фазавай дынамікі супадае з косінуснай функцыяй, распрацаванай Лянгам29 і пазней прынятай Брынсанам30 замест экспанентнай функцыі, прапанаванай Танакай28. Мадэль фазавага пераходу з'яўляецца пашырэннем мадэлі, прапанаванай Элахініяй і Ахмадзянам34, і мадыфікаванай на аснове ўмоў фазавага пераходу, дадзеных Лянгам29 і Брынсанам30. Умовы, якія выкарыстоўваюцца для гэтай мадэлі фазавага пераходу, справядлівыя пры складаных тэрмамеханічных нагрузках. У кожны момант часу значэнне аб'ёмнай долі мартэнсіту разлічваецца пры мадэляванні канстытутыўнага ўраўнення.
Кіруючае ўраўненне рэпертварэння, якое выражаецца ператварэннем мартэнсіту ў аўстэніт пры награванні, мае наступны выгляд:
дзе \(\xi\) — аб'ёмная доля мартэнсіту, \(\xi _M\) — аб'ёмная доля мартэнсіту, атрыманага да награвання, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) і \(C_A\) — параметры апраксімацыі крывой, T — тэмпература дроту SMA, \(A_s\) і \(A_f\) — адпаведна тэмпература пачатку і канца аўстэнітнай фазы.
Раўнанне кіравання прамым ператварэннем, прадстаўленае фазавым ператварэннем аўстэніту ў мартэнсіт ва ўмовах астуджэння, мае выгляд:
дзе \(\xi _A\) — аб'ёмная доля мартэнсіту, атрыманага да астуджэння, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) і \ ( C_M \) — параметры апраксімацыі крывой, T — тэмпература дроту SMA, \(M_s\) і \(M_f\) — пачатковая і канчатковая тэмпературы мартэнсіту адпаведна.
Пасля дыферэнцыявання ўраўненняў (3) і (4), адваротнае і прамое пераўтварэнні спрашчаюцца да наступнага выгляду:
Падчас прамога і зваротнага пераўтварэння \(\eta_{\sigma}\) і \(\eta_{T}\) прымаюць розныя значэнні. Асноўныя ўраўненні, звязаныя з \(\eta_{\sigma}\) і \(\eta_{T}\), былі выведзены і падрабязна абмеркаваны ў дадатковым раздзеле.
Цеплавая энергія, неабходная для павышэння тэмпературы дроту з лёгкім злучэннем (SMA), паступае ад эфекту нагрэву Джоўля. Цеплавая энергія, якая паглынаецца або вылучаецца дротам з лёгкім злучэннем, прадстаўлена схаванай цеплынёй ператварэння. Страты цяпла ў дроце з лёгкім злучэннем абумоўлены вымушанай канвекцыяй, і, улічваючы нязначны ўплыў выпраменьвання, ураўненне балансу цеплавой энергіі мае наступны выгляд:
Дзе (m_{wire}) — агульная маса дроту з лёгкім злучэннем (SMA), (c_{p}) — удзельная цеплаёмістасць SMA, (V_{in}) — напружанне, прыкладзенае да дроту, (R_{ohm}) — супраціўленне SMA, якое залежыць ад фазы і вызначаецца як: (R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi)r_A]), дзе (r_M) і (r_A) — фазавае супраціўленне SMA ў мартэнсіце і аўстэніце адпаведна, (A_{c}) — плошча паверхні дроту з лёгкім злучэннем, (ΔH) — сплаў з памяццю формы. Схаваная цеплыня пераходу дроту, T і (T_{\infty}) — тэмпература дроту з лёгкім злучэннем і навакольнага асяроддзя адпаведна.
Калі дрот са сплаву з памяццю формы прыводзіцца ў дзеянне, ён сціскаецца, ствараючы сілу ў кожнай галіне бімадальнай канструкцыі, якая называецца сілай валакна. Сілы валокнаў у кожнай нітцы дроту з SMA разам ствараюць сілу мышцы для прывядзення ў дзеянне, як паказана на мал. 9e. З-за наяўнасці спружыны зрушэння агульная сіла мышцы N-га шматслаёвага прывада складае:
Падставіўшы \(N = 1\) у раўнанне (7), сілу цягліц прататыпа бімадальнага прывада першай ступені можна атрымаць наступным чынам:
дзе n — колькасць унімадальных калодак, \(F_m\) — сіла цягліц, якая генеруецца прывадам, \​​(F_f\) — трываласць валакна ў провадзе SMA, \(K_x\) — калянасць спружыны зрушэння, \(\alpha\) — вугал трыкутніка, \(x_0\) — пачатковае зрушэнне спружыны зрушэння для ўтрымання кабеля SMA ў папярэдне нацягнутым становішчы, і \(\Delta x\) — ход прывада.
Поўнае зрушэнне або рух прывада (Δx) у залежнасці ад напружання (sigma) і дэфармацыі (ε) на провадзе SMA N-га каскаду, на якое настроены прывад (гл. мал. дадатковую частку выхаду):
Кінематычныя ўраўненні паказваюць сувязь паміж дэфармацыяй прывада (\(\epsilon\)) і зрушэннем або зрушэннем (\(\Delta x\)). 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 = Δx^2 + (Δx_1)^2 – 2l_0 (Δx_1)cos α_1) атрымліваецца шляхам ужывання формулы косінуса ў ΔABB ', як паказана на малюнку 8. Для прывада першай ступені (N = 1)), Δx_1 роўна Δx, а α_1 роўна α, як паказана на малюнку 8. Як паказана на малюнку 8, шляхам дыферэнцыявання часу з ураўнення (11) і падстаноўкі значэння l, хуткасць дэфармацыі можна запісаць як:
дзе l_0 — пачатковая даўжыня дроту з лёгкім злучэннем (SMA), l — даўжыня дроту ў любы момант часу t у адной унімадальнай галіны, ε — дэфармацыя, якая развіваецца ў дроце з лёгкім злучэннем (SMA), а α — вугал трыкутніка, Δx — зрушэнне прывада (як паказана на малюнку 8).
Усе n аднапікавых структур (n=6 на гэтым малюнку) злучаны паслядоўна з уваходным напружаннем V_{in}. Этап I: Схематычная дыяграма провада SMA ў бімадальнай канфігурацыі пры нулявом напружанні. Этап II: Паказана кіраваная 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 мадэляванага вываду асноўных ураўненняў з эксперыментальнымі вынікамі. CAD-мадэль бімадальнага лінейнага прывада паказана на мал. 9a. З іншага боку, на мал. 9c паказана новая канструкцыя, прапанаваная для ратацыйнага прызматычнага злучэння з выкарыстаннем двухплоскаснага прывада на аснове SMA з бімадальнай структурай. Кампаненты прывада былі выраблены з выкарыстаннем адытыўнага вытворчасці на 3D-прынтары Ultimaker 3 Extended. Матэрыялам, які выкарыстоўваўся для 3D-друку кампанентаў, з'яўляецца полікарбанат, які падыходзіць для цеплаўстойлівых матэрыялаў, паколькі ён трывалы, даўгавечны і мае высокую тэмпературу шклавання (110-113 °C). Акрамя таго, у эксперыментах выкарыстоўваўся дрот з памяццю формы Flexinol ад Dynalloy, Inc., і ўласцівасці матэрыялу, якія адпавядаюць дроту Flexinol, выкарыстоўваліся ў мадэляванні. Некалькі правадоў SMA размешчаны ў выглядзе валокнаў, прысутных у бімадальным размяшчэнні цягліц для атрымання высокіх сіл, якія ствараюцца шматслаёвымі прывадамі, як паказана на мал. 9b, d.
Як паказана на малюнку 9a, востры вугал, утвораны рухомым рычагом дроту SMA, называецца вуглом (α). З дапамогай клемных заціскаў, прымацаваных да левага і правага заціскаў, провад SMA ўтрымліваецца пад патрэбным бімадальным вуглом. Прылада спружыны зрушэння, якая ўтрымліваецца на спружынным раздыме, прызначана для рэгулявання розных груп падаўжэння спружыны зрушэння ў залежнасці ад колькасці (n) валокнаў SMA. Акрамя таго, размяшчэнне рухомых частак распрацавана такім чынам, каб провад SMA знаходзіўся пад уздзеяннем знешняга асяроддзя для прымусовага канвекцыйнага астуджэння. Верхняя і ніжняя пласціны здымнага вузла дапамагаюць падтрымліваць астуджэнне дроту SMA з дапамогай экструдаваных выразаў, прызначаных для зніжэння вагі. Акрамя таго, абодва канцы дроту CMA замацаваны адпаведна да левага і правага клем з дапамогай абціску. Да аднаго канца рухомага вузла прымацаваны плунжер для падтрымання зазору паміж верхняй і ніжняй пласцінамі. Плунжер таксама выкарыстоўваецца для прыкладання блакуючай сілы да датчыка праз кантакт для вымярэння блакуючай сілы пры актывацыі дроту SMA.
Бімадальная мускульная структура SMA электрычна злучана паслядоўна і сілкуецца ад уваходнага імпульснага напружання. Падчас цыклу імпульсаў напружання, калі напружанне падаецца і провад SMA награваецца вышэй за пачатковую тэмпературу аўстэніту, даўжыня дроту ў кожнай нітцы скарачаецца. Гэта ўцягванне актывуе рухомы вузел рычага. Калі напружанне абнулявалася ў тым жа цыкле, нагрэты провад SMA астуджаўся ніжэй за тэмпературу паверхні мартэнсіту, тым самым вяртаючыся ў зыходнае становішча. Ва ўмовах нулявога напружання провад SMA спачатку пасіўна расцягваецца спружынай зрушэння, каб дасягнуць расдвоенага мартэнсітнага стану. Шруба, праз якую праходзіць провад SMA, рухаецца з-за сціску, які ствараецца прымяненнем імпульсу напружання да провада SMA (SPA дасягае фазы аўстэніту), што прыводзіць да спрацоўвання рухомага рычага. Калі провад SMA ўцягваецца, спружына зрушэння стварае супрацьлеглую сілу, далей расцягваючы спружыну. Калі напружанне ў імпульсным напрузе становіцца роўным нулю, провад SMA падаўжаецца і змяняе сваю форму з-за вымушанага канвекцыйнага астуджэння, дасягаючы падвойнай мартэнсітнай фазы.
Прапанаваная сістэма лінейных прывадаў на аснове SMA мае бімадальную канфігурацыю, у якой правады SMA размешчаны пад вуглом. (a) паказвае CAD-мадэль прататыпа, у якой згадваюцца некаторыя кампаненты і іх значэнні для прататыпа, (b, d) прадстаўляюць распрацаваны эксперыментальны прататып35. У той час як (b) паказвае выгляд зверху прататыпа з электрычнымі злучэннямі і выкарыстанымі спружынамі зрушэння і тэнзаметрамі, (d) паказвае перспектыўны выгляд устаноўкі. (e) Схема лінейнай прываднай сістэмы з правадамі SMA, размешчанымі бімадальна ў любы момант часу t, якая паказвае кірунак і шлях валакна і сілу мышцы. (c) Для разгортвання двухплоскаснага прывада на аснове SMA было прапанавана ратацыйнае прызматычнае злучэнне з 2 ступенямі свабоды. Як паказана, злучэнне перадае лінейны рух ад ніжняга прывада да верхняга рычага, ствараючы ратацыйнае злучэнне. З іншага боку, рух пары прызм такі ж, як і рух шматслаёвага прывада першай ступені.
Эксперыментальнае даследаванне было праведзена на прататыпе, паказаным на мал. 9b, для ацэнкі прадукцыйнасці бімадальнага прывада на аснове SMA. Як паказана на мал. 10a, эксперыментальная ўстаноўка складалася з праграмуемай крыніцы харчавання пастаяннага току для падачы ўваходнага напружання на правады SMA. Як паказана на мал. 10b, для вымярэння сілы блакавання з дапамогай рэгістратара дадзеных Graphtec GL-2000 выкарыстоўваўся п'езаэлектрычны тэнзаметр (PACEline CFT/5kN). Дадзеныя запісваюцца хостам для далейшага вывучэння. Тензаметры і ўзмацняльнікі зараду патрабуюць пастаяннага харчавання для выпрацоўкі сігналу напружання. Адпаведныя сігналы пераўтвараюцца ў выхадныя магутнасці ў залежнасці ад адчувальнасці п'езаэлектрычнага датчыка сілы і іншых параметраў, як апісана ў табліцы 2. Пры падачы імпульсу напружання тэмпература правадыра SMA павялічваецца, што прыводзіць да яго сціскання, што, у сваю чаргу, прымушае прывад генераваць сілу. Эксперыментальныя вынікі выпрацоўкі мышачнай сілы імпульсам уваходнага напружання 7 В паказаны на мал. 2a.
(a) У эксперыменце была створана лінейная прывадная сістэма на аснове SMA для вымярэння сілы, якая ствараецца прывадам. Тэнзадатчык вымярае блакуючую сілу і сілкуецца ад крыніцы пастаяннага току 24 В. Па ўсёй даўжыні кабеля з дапамогай праграмуемай крыніцы пастаяннага току GW Instek прыкладалася падзенне напружання 7 В. Провад SMA сціскаецца з-за нагрэву, і рухомы рычаг датыкаецца з тэнзадатчыкам і стварае блакуючую сілу. Тэнзадатчык падключаны да рэгістратара дадзеных GL-2000, і дадзеныя захоўваюцца на хасце для далейшай апрацоўкі. (b) Схема, якая паказвае ланцуг 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. 11a, цеплавізійныя і тэмпературныя вымярэнні былі праведзены на прататыпе прывада на аснове дывалерату з SMA. Праграмуемы крыніца пастаяннага току падавала ўваходнае напружанне на правады SMA ў эксперыментальнай устаноўцы, як паказана на мал. 11b. Змяненне тэмпературы правадыра SMA вымяралася ў рэжыме рэальнага часу з дапамогай камеры з высокім разрозненнем LWIR (FLIR A655sc). Хост выкарыстоўвае праграмнае забеспячэнне ResearchIR для запісу дадзеных для далейшай апрацоўкі. Пры падачы імпульсу напружання тэмпература правадыра SMA павялічваецца, што прыводзіць да яго сціскання. На мал. 2b паказаны эксперыментальныя вынікі залежнасці тэмпературы правадыра SMA ад часу пры імпульсе ўваходнага напружання 7 В.