Благодарим ви, че посетихте Nature.com.Версията на браузъра, която използвате, има ограничена поддръжка на CSS.За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer).Междувременно, за да осигурим постоянна поддръжка, ние ще визуализираме сайта без стилове и JavaScript.
Актуаторите се използват навсякъде и създават контролирано движение чрез прилагане на правилната сила на възбуждане или въртящ момент за извършване на различни операции в производството и индустриалната автоматизация.Нуждата от по-бързи, по-малки и по-ефективни задвижвания стимулира иновациите в дизайна на задвижванията.Устройството Shape Memory Alloy (SMA) предлага редица предимства пред конвенционалните устройства, включително високо съотношение мощност към тегло.В тази дисертация е разработен задвижващ механизъм с две пера, базиран на SMA, който съчетава предимствата на перестите мускули на биологичните системи и уникалните свойства на SMA.Това проучване изследва и разширява предишни задвижващи механизми SMA чрез разработване на математически модел на новия задвижващ механизъм, базиран на подреждането на бимодалния проводник SMA, и експерименталното му тестване.В сравнение с известните задвижвания, базирани на SMA, силата на задействане на новото задвижване е поне 5 пъти по-висока (до 150 N).Съответната загуба на тегло е около 67%.Резултатите от анализа на чувствителността на математическите модели са полезни за настройка на параметрите на дизайна и разбиране на ключови параметри.Това проучване освен това представя многостепенно N-то задвижване, което може да се използва за допълнително подобряване на динамиката.Базираните на SMA дипвалератни мускулни задвижващи механизми имат широк спектър от приложения, от автоматизация на сгради до системи за прецизно доставяне на лекарства.
Биологичните системи, като мускулните структури на бозайниците, могат да активират много фини задвижващи механизми1.Бозайниците имат различни мускулни структури, всяка от които служи за определена цел.Въпреки това, голяма част от структурата на мускулната тъкан на бозайниците може да бъде разделена на две големи категории.Успоредни и пенати.В подколенните сухожилия и други флексори, както подсказва името, паралелната мускулатура има мускулни влакна, успоредни на централното сухожилие.Веригата от мускулни влакна е подредена и функционално свързана от съединителната тъкан около тях.Въпреки че се казва, че тези мускули имат голяма екскурзия (процентно скъсяване), общата им мускулна сила е много ограничена.За разлика от това, в мускула на трицепса на прасеца2 (латерален гастрокнемиус (GL)3, медиален гастрокнемиус (GM)4 и солеус (SOL)) и екстензорен феморис (четириглав бедрен мускул)5,6 пеннатна мускулна тъкан се намира във всеки мускул7.В перистата структура мускулните влакна в двуперестата мускулатура присъстват от двете страни на централното сухожилие под наклонени ъгли (перести ъгли).Pennate идва от латинската дума „penna“, което означава „писалка“ и, както е показано на фиг.1 има вид на перо.Влакната на пеннатните мускули са по-къси и под ъгъл спрямо надлъжната ос на мускула.Поради перистата структура общата подвижност на тези мускули е намалена, което води до напречните и надлъжните компоненти на процеса на скъсяване.От друга страна, активирането на тези мускули води до по-висока обща мускулна сила поради начина, по който се измерва физиологичната площ на напречното сечение.Следователно, за дадена площ на напречното сечение, пенатните мускули ще бъдат по-силни и ще генерират по-високи сили от мускулите с успоредни влакна.Силите, генерирани от отделни влакна, генерират мускулни сили на макроскопично ниво в тази мускулна тъкан.В допълнение, той има такива уникални свойства като бързо свиване, защита срещу повреда при опън, омекотяване.Той трансформира връзката между вложените влакна и изходната мускулна мощност, като използва уникалните характеристики и геометричната сложност на подреждането на влакната, свързани с мускулните линии на действие.
Показани са схематични диаграми на съществуващи дизайни на задвижващи механизми, базирани на SMA, във връзка с бимодална мускулна архитектура, например (a), представляваща взаимодействието на тактилна сила, при която ръчно оформено устройство, задействано от SMA проводници, е монтирано на двуколесен автономен мобилен робот9,10., (b) Роботизирана орбитална протеза с антагонистично поставена SMA пружинна орбитална протеза.Позицията на протезното око се контролира от сигнал от очния мускул на окото11, (c) SMA задвижващите механизми са идеални за подводни приложения поради тяхната висока честота и ниска честотна лента.В тази конфигурация SMA задвижващите механизми се използват за създаване на вълново движение чрез симулиране на движението на риба, (d) SMA задвижващите механизми се използват за създаване на робот за инспекция на микротръби, който може да използва принципа на движение на инчовия червей, контролиран от движението на SMA проводниците вътре в канал 10, (e) показва посоката на свиване на мускулните влакна и генериране на контрактилна сила в стомашно-чревната тъкан, (f) показва SMA проводници, подредени под формата на мускулни влакна в писалката естествена мускулна структура.
Задвижващите механизми се превърнаха във важна част от механичните системи поради широката им гама от приложения.Следователно необходимостта от по-малки, по-бързи и по-ефективни дискове става критична.Въпреки предимствата си, традиционните задвижвания са се оказали скъпи и отнемащи време за поддръжка.Хидравличните и пневматичните задвижващи механизми са сложни и скъпи и са обект на износване, проблеми със смазването и отказ на компоненти.В отговор на търсенето фокусът е върху разработването на рентабилни, оптимизирани по отношение на размера и усъвършенствани задвижващи механизми, базирани на интелигентни материали.Текущите изследвания разглеждат слоести задвижващи механизми от сплав с памет на формата (SMA), за да отговорят на тази нужда.Йерархичните задвижващи механизми са уникални с това, че комбинират много дискретни задвижващи механизми в геометрично сложни макромащабни подсистеми, за да осигурят повишена и разширена функционалност.В това отношение човешката мускулна тъкан, описана по-горе, предоставя отличен многопластов пример за такова многопластово задействане.Настоящото проучване описва многостепенно SMA задвижване с няколко отделни задвижващи елемента (SMA проводници), подравнени към ориентациите на влакната, налични в бимодалните мускули, което подобрява цялостната производителност на задвижването.
Основната цел на задвижващия механизъм е да генерира механична изходна мощност като сила и изместване чрез преобразуване на електрическа енергия.Сплавите с памет на формата са клас „умни“ материали, които могат да възстановят формата си при високи температури.При високи натоварвания повишаването на температурата на проводника SMA води до възстановяване на формата, което води до по-висока енергийна плътност на задействане в сравнение с различни директно свързани интелигентни материали.В същото време при механични натоварвания SMA стават крехки.При определени условия цикличното натоварване може да абсорбира и освобождава механична енергия, проявявайки обратими хистеретични промени на формата.Тези уникални свойства правят SMA идеален за сензори, гасене на вибрации и особено задвижващи механизми12.Имайки това предвид, има много изследвания на SMA-базирани устройства.Трябва да се отбележи, че базираните на SMA задвижващи механизми са проектирани да осигуряват транслационно и въртеливо движение за различни приложения13,14,15.Въпреки че са разработени някои въртящи се задвижващи механизми, изследователите се интересуват особено от линейните задвижващи механизми.Тези линейни задвижващи механизми могат да бъдат разделени на три типа задвижващи механизми: едномерни, преместващи и диференциални задвижващи механизми 16 .Първоначално хибридните задвижвания са създадени в комбинация със SMA и други конвенционални задвижвания.Един такъв пример за базиран на SMA хибриден линеен задвижващ механизъм е използването на проводник SMA с постояннотоков двигател за осигуряване на изходна сила от около 100 N и значително изместване17.
Едно от първите разработки в задвижванията, базирани изцяло на SMA, беше паралелното задвижване SMA.Използвайки множество SMA проводници, базираното на SMA паралелно устройство е проектирано да увеличи мощността на устройството чрез поставяне на всички SMA18 проводници паралелно.Паралелното свързване на изпълнителни механизми не само изисква повече мощност, но също така ограничава изходната мощност на един проводник.Друг недостатък на базираните на SMA задвижки е ограниченото движение, което могат да постигнат.За да се реши този проблем, беше създадена кабелна греда SMA, съдържаща отклонена гъвкава греда за увеличаване на изместването и постигане на линейно движение, но не генерира по-високи сили19.Меките деформируеми структури и тъкани за роботи на базата на сплави с памет на формата са разработени предимно за усилване на удара 20, 21, 22.За приложения, където се изискват високи скорости, се съобщава за компактни задвижвани помпи, използващи тънкослойни SMA за приложения, задвижвани от микропомпи23.Честотата на задвижване на тънкослойната SMA мембрана е ключов фактор за контролиране на скоростта на водача.Следователно линейните двигатели SMA имат по-добра динамична реакция от пружинните или прътовите двигатели SMA.Меката роботика и технологията за захващане са две други приложения, които използват задвижващи механизми, базирани на SMA.Например, за да замени стандартния задвижващ механизъм, използван в 25 N пространствена скоба, беше разработен паралелен задвижващ механизъм 24 от сплав с памет за формата.В друг случай мек задвижващ механизъм SMA е произведен на базата на тел с вградена матрица, способна да произведе максимална теглителна сила от 30 N. Поради техните механични свойства, SMA се използват също за производство на задвижващи механизми, които имитират биологични явления.Една такава разработка включва 12-клетъчен робот, който е биомиметик на подобен на земен червей организъм със SMA за генериране на синусоидално движение към огън 26, 27.
Както бе споменато по-рано, има ограничение за максималната сила, която може да бъде получена от съществуващите задвижващи механизми, базирани на SMA.За да се справи с този проблем, това изследване представя биомиметична бимодална мускулна структура.Задвижван от тел от сплав с памет за формата.Той предоставя система за класификация, която включва няколко жици от сплав с памет за формата.Към днешна дата в литературата не са докладвани задвижващи механизми, базирани на SMA, с подобна архитектура.Тази уникална и нова система, базирана на SMA, е разработена за изследване на поведението на SMA по време на бимодално подреждане на мускулите.В сравнение със съществуващите задвижващи механизми, базирани на SMA, целта на това проучване беше да се създаде биомиметичен дипвалератен задвижващ механизъм, който да генерира значително по-високи сили в малък обем.В сравнение с конвенционалните задвижвания със стъпкови двигатели, използвани в системите за автоматизация и управление на сгради с ОВК, предложеният бимодален дизайн на задвижване, базиран на SMA, намалява теглото на задвижващия механизъм с 67%.По-нататък термините „мускул“ и „задвижване“ се използват взаимозаменяемо.Това проучване изследва мултифизичната симулация на такова задвижване.Механичното поведение на такива системи е изследвано с експериментални и аналитични методи.Разпределението на силата и температурата бяха допълнително изследвани при входно напрежение от 7 V. Впоследствие беше извършен параметричен анализ, за да се разбере по-добре връзката между ключовите параметри и изходната сила.И накрая, предвидени са йерархични задвижващи механизми и са предложени ефекти на йерархично ниво като потенциална бъдеща област за немагнитни задвижващи механизми за протетични приложения.Според резултатите от гореспоменатите проучвания, използването на едностепенна архитектура създава сили поне четири до пет пъти по-високи от докладваните задвижващи механизми, базирани на SMA.В допълнение, същата задвижваща сила, генерирана от многостепенно многостепенно задвижване, е доказано, че е повече от десет пъти по-голяма от тази на конвенционалните базирани на SMA задвижвания.След това проучването докладва ключови параметри, използвайки анализ на чувствителността между различни дизайни и входни променливи.Първоначалната дължина на проводника SMA (\(l_0\)), ъгълът на перото (\(\alpha\)) и броят на единичните нишки (n) във всяка отделна нишка имат силен отрицателен ефект върху величината на движещата сила.сила, докато входното напрежение (енергия) се оказва положително корелирано.
SMA телта показва ефекта на паметта на формата (SME), наблюдаван в семейството на сплави от никел-титан (Ni-Ti).Обикновено SMA показват две зависими от температурата фази: фаза с ниска температура и фаза с висока температура.И двете фази имат уникални свойства поради наличието на различни кристални структури.В аустенитната фаза (фаза с висока температура), съществуваща над температурата на трансформация, материалът показва висока якост и слабо се деформира при натоварване.Сплавта се държи като неръждаема стомана, така че е в състояние да издържи на по-високи налягания на задействане.Възползвайки се от това свойство на Ni-Ti сплавите, проводниците SMA са наклонени, за да образуват задвижващ механизъм.Разработени са подходящи аналитични модели за разбиране на фундаменталната механика на термичното поведение на SMA под въздействието на различни параметри и различни геометрии.Беше получено добро съответствие между експерименталните и аналитичните резултати.
Беше проведено експериментално изследване на прототипа, показан на фиг. 9а, за да се оцени ефективността на бимодално задвижване, базирано на SMA.Две от тези свойства, силата, генерирана от задвижването (мускулна сила) и температурата на SMA проводника (SMA температура), бяха измерени експериментално.Тъй като разликата в напрежението се увеличава по цялата дължина на проводника в устройството, температурата на проводника се увеличава поради ефекта на нагряване на Джаул.Входното напрежение беше приложено в два цикъла от 10 s (показани като червени точки на фиг. 2a, b) с период на охлаждане от 15 s между всеки цикъл.Блокиращата сила беше измерена с помощта на пиезоелектричен тензометър и разпределението на температурата на SMA проводника беше наблюдавано в реално време с помощта на научна LWIR камера с висока разделителна способност (вижте характеристиките на използваното оборудване в таблица 2).показва, че по време на фазата на високо напрежение температурата на проводника нараства монотонно, но когато не тече ток, температурата на проводника продължава да пада.В текущата експериментална настройка температурата на проводника SMA спадна по време на фазата на охлаждане, но все още беше над температурата на околната среда.На фиг.2e показва моментна снимка на температурата на SMA проводника, направена от камерата LWIR.От друга страна, на фиг.2а показва блокиращата сила, генерирана от задвижващата система.Когато мускулната сила превиши възстановяващата сила на пружината, подвижното рамо, както е показано на фигура 9а, започва да се движи.Веднага след като задействането започне, подвижното рамо влиза в контакт със сензора, създавайки телесна сила, както е показано на фиг.2c, d.Когато максималната температура е близо до \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), максималната наблюдавана сила е 105 N.
Графиката показва експерименталните резултати от температурата на проводника SMA и силата, генерирана от базирания на SMA бимодален задвижващ механизъм по време на два цикъла.Входното напрежение се прилага в два цикъла от по 10 секунди (показани като червени точки) с период на охлаждане от 15 секунди между всеки цикъл.SMA проводникът, използван за експериментите, беше Flexinol проводник с диаметър 0,51 mm от Dynalloy, Inc. (a) Графиката показва експерименталната сила, получена за два цикъла, (c, d) показва два независими примера за действие на движещи се задвижващи механизми на рамото върху PACEline CFT/5kN пиезоелектричен преобразувател на сила, (b) графиката показва максималната температура на целия SMA проводник по време на два цикъла, (e) показва температура моментна снимка, направена от SMA проводника с помощта на LWIR камерата на софтуера FLIR ResearchIR.Геометричните параметри, взети предвид в експериментите, са дадени в табл.един.
Резултатите от симулацията на математическия модел и експерименталните резултати се сравняват при условие на входно напрежение от 7V, както е показано на фиг.5.Според резултатите от параметричния анализ и за да се избегне възможността от прегряване на SMA проводника, към задвижващия механизъм беше подадена мощност от 11,2 W.Програмируемо захранване с постоянен ток беше използвано за подаване на 7V като входно напрежение и беше измерен ток от 1,6A през проводника.Силата, генерирана от задвижването, и температурата на SDR се увеличават, когато се приложи ток.При входно напрежение от 7 V, максималната изходна сила, получена от резултатите от симулацията и експерименталните резултати от първия цикъл, е съответно 78 N и 96 N.Във втория цикъл максималната изходна сила на симулационните и експерименталните резултати беше съответно 150 N и 105 N.Несъответствието между измерванията на силата на оклузия и експерименталните данни може да се дължи на метода, използван за измерване на силата на оклузия.Експерименталните резултати, показани на фиг.5а съответстват на измерването на силата на заключване, която от своя страна беше измерена, когато задвижващият вал беше в контакт с PACEline CFT/5kN преобразувател на пиезоелектрическа сила, както е показано на фиг.2s.Следователно, когато задвижващият вал не е в контакт със сензора за сила в началото на зоната за охлаждане, силата веднага става нула, както е показано на Фиг. 2d.В допълнение, други параметри, които влияят върху формирането на сила в следващите цикли, са стойностите на времето за охлаждане и коефициента на конвективен топлопренос в предишния цикъл.От фиг.2b, може да се види, че след 15 секунден период на охлаждане проводникът SMA не достигна стайна температура и следователно имаше по-висока начална температура (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) във втория цикъл на движение в сравнение с първия цикъл (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).По този начин, в сравнение с първия цикъл, температурата на проводника SMA по време на втория цикъл на нагряване достига първоначалната температура на аустенита (\(A_s\)) по-рано и остава в преходния период по-дълго, което води до напрежение и сила.От друга страна, температурните разпределения по време на цикли на нагряване и охлаждане, получени от експерименти и симулации, имат високо качествено сходство с примери от термографски анализ.Сравнителният анализ на термичните данни за SMA проводник от експерименти и симулации показа последователност по време на циклите на нагряване и охлаждане и в рамките на приемливите толеранси за експерименталните данни.Максималната температура на SMA проводника, получена от резултатите от симулацията и експериментите от първия цикъл, е \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) и \(75\,^{\circ }\hbox { C }\, съответно), а във втория цикъл максималната температура на SMA проводника е \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) и \(83\,^{\ circ }\ hbox {C}\).Фундаментално разработеният модел потвърждава ефекта на ефекта на паметта на формата.Ролята на умората и прегряването не е разгледана в този преглед.В бъдеще моделът ще бъде подобрен, за да включва историята на напрежението на проводника SMA, което го прави по-подходящ за инженерни приложения.Изходната сила на задвижването и температурните графики на SMA, получени от блока Simulink, са в рамките на допустимите отклонения на експерименталните данни при условие на импулс на входно напрежение от 7 V. Това потвърждава коректността и надеждността на разработения математически модел.
Математическият модел е разработен в средата MathWorks Simulink R2020b с помощта на основните уравнения, описани в раздела Методи.На фиг.3b показва блокова диаграма на математическия модел Simulink.Моделът беше симулиран за импулс на входно напрежение 7V, както е показано на Фиг. 2a, b.Стойностите на параметрите, използвани в симулацията, са изброени в таблица 1. Резултатите от симулацията на преходни процеси са представени на фигури 1 и 1. Фигури 3а и 4. На фиг.4a,b показва индуцираното напрежение в SMA проводника и силата, генерирана от задвижващия механизъм като функция на времето. По време на обратна трансформация (нагряване), когато температурата на проводника SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (начална температура на аустенитна фаза, модифицирана от напрежението), скоростта на промяна на обемната фракция на мартензита (\(\dot{\xi }\)) ще бъде нула. По време на обратна трансформация (нагряване), когато температурата на проводника SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (начална температура на аустенитна фаза, модифицирана от напрежението), скоростта на промяна на обемната фракция на мартензита (\(\dot{\ xi }\)) ще бъде нула. По време на обратното превръщане (нагряване), когато температурата на проволоките SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура на началната аустенитна фаза, модифицирано напрежение), скоростта на изменение на обемната дола на мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) ще бъде равно на нула. По време на обратната трансформация (нагряване), когато температурата на проводника SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (начална температура на аустенит, модифициран от напрежението), скоростта на промяна на обемната фракция на мартензита (\(\dot{\ xi }\ )) ще бъде нула.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
(a) Резултат от симулация, показващ разпределение на температурата и предизвикана от напрежението температура на свързване в базиран на SMA дивалератен задвижващ механизъм.Когато температурата на телта пресече температурата на аустенитния преход в етапа на нагряване, модифицираната температура на аустенитния преход започва да се повишава и по подобен начин, когато температурата на валцдрана пресече температурата на мартензитния преход в етапа на охлаждане, температурата на мартензитния преход намалява.SMA за аналитично моделиране на процеса на задействане.(За подробен изглед на всяка подсистема на модел на Simulink вижте раздела за приложения на допълнителния файл.)
Резултатите от анализа за различни разпределения на параметрите са показани за два цикъла на входното напрежение 7 V (10 секунди цикъла на загряване и 15 секунди цикъла на охлаждане).Докато (ac) и (e) изобразяват разпределението във времето, от друга страна, (d) и (f) илюстрират разпределението с температура.За съответните входни условия максималното наблюдавано напрежение е 106 MPa (по-малко от 345 MPa, граница на провлачане на тел), силата е 150 N, максималното изместване е 270 µm, а минималната мартензитна обемна фракция е 0,91.От друга страна, промяната в напрежението и промяната в обемната част на мартензита с температурата са подобни на хистерезисните характеристики.
Същото обяснение важи и за директната трансформация (охлаждане) от аустенитната фаза към мартензитната фаза, където температурата на проводника SMA (T) и крайната температура на мартензитната фаза с модифициран стрес (\(M_f^{\prime}\ )) е отлична.На фиг.4d,f показва промяната в индуцираното напрежение (\(\sigma\)) и обемната фракция на мартензита (\(\xi\)) в проводника SMA като функция от промяната в температурата на проводника SMA (T), за двата цикъла на шофиране.На фиг.Фигура 3а показва промяната в температурата на SMA проводника с времето в зависимост от импулса на входното напрежение.Както може да се види от фигурата, температурата на проводника продължава да се повишава чрез осигуряване на източник на топлина при нулево напрежение и последващо конвективно охлаждане.По време на нагряване, повторното преобразуване на мартензита в аустенитната фаза започва, когато температурата на проводника SMA (T) пресече коригираната на напрежението температура на зараждане на аустенит (\(A_s^{\prime}\)).По време на тази фаза проводникът SMA се компресира и задвижващият механизъм генерира сила.Също така по време на охлаждане, когато температурата на проводника SMA (T) пресича температурата на нуклеация на мартензитната фаза с модифициран стрес (\(M_s^{\prime}\)), има положителен преход от аустенитната фаза към мартензитната фаза.движещата сила намалява.
Основните качествени аспекти на бимодалното задвижване, базирано на SMA, могат да бъдат получени от резултатите от симулацията.В случай на въвеждане на импулс на напрежение, температурата на SMA проводника се повишава поради ефекта на нагряване на Джаул.Първоначалната стойност на обемната фракция на мартензита (\(\xi\)) е зададена на 1, тъй като материалът първоначално е в напълно мартензитна фаза.Тъй като телта продължава да се нагрява, температурата на телта SMA надвишава температурата на нуклеация на аустенит с коригирана напрегнатост \(A_s^{\prime}\), което води до намаляване на обемната фракция на мартензита, както е показано на фигура 4c.Освен това на фиг.4д е показано разпределението на ходовете на изпълнителния механизъм във времето, а на фиг.5 – движеща сила като функция на времето.Свързана система от уравнения включва температура, обемна фракция на мартензита и напрежение, което се развива в жицата, което води до свиване на SMA телта и силата, генерирана от задвижващия механизъм.Както е показано на фиг.4d, f, промяната на напрежението с температурата и промяната на обемната фракция на мартензита с температурата съответстват на хистерезисните характеристики на SMA в симулирания случай при 7 V.
Сравнението на параметрите на шофиране беше получено чрез експерименти и аналитични изчисления.Проводниците се подлагат на импулсно входно напрежение от 7 V за 10 секунди, след което се охлаждат за 15 секунди (фаза на охлаждане) в продължение на два цикъла.Перестият ъгъл е настроен на \(40^{\circ}\), а първоначалната дължина на проводника SMA във всеки единичен крак на щифта е настроена на 83 mm.(a) Измерване на движещата сила с динамометрична клетка (b) Наблюдение на температурата на проводника с термична инфрачервена камера.
За да се разбере влиянието на физическите параметри върху силата, произведена от задвижването, беше извършен анализ на чувствителността на математическия модел към избраните физически параметри и параметрите бяха класирани според тяхното влияние.Първо, вземането на проби от параметрите на модела беше извършено с помощта на принципи на експериментален дизайн, които следваха равномерно разпределение (вижте Допълнителен раздел за анализ на чувствителността).В този случай параметрите на модела включват входно напрежение (\(V_{in}\)), първоначална дължина на проводника SMA (\(l_0\)), ъгъл на триъгълник (\(\alpha\)), константа на пружината на отклонение (\(K_x\)), коефициент на конвективен топлопренос (\(h_T\)) и броя на унимодалните клонове (n).В следващата стъпка пиковата мускулна сила беше избрана като изискване за дизайн на изследването и бяха получени параметричните ефекти на всеки набор от променливи върху силата.Графиките на торнадо за анализа на чувствителността са получени от корелационните коефициенти за всеки параметър, както е показано на Фиг. 6а.
(a) Стойностите на коефициента на корелация на параметрите на модела и техния ефект върху максималната изходна сила на 2500 уникални групи от горните параметри на модела са показани в диаграмата на торнадо.Графиката показва ранговата корелация на няколко индикатора.Ясно е, че \(V_{in}\) е единственият параметър с положителна корелация, а \(l_0\) е параметърът с най-висока отрицателна корелация.Ефектът на различни параметри в различни комбинации върху пиковата мускулна сила е показан в (b, c).\(K_x\) варира от 400 до 800 N/m, а n варира от 4 до 24. Напрежението (\(V_{in}\)) се променя от 4V на 10V, дължината на проводника (\(l_{0} \)) се променя от 40 на 100 mm, а ъгълът на опашката (\ (\alpha \)) варира от \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
На фиг.6а показва диаграма на торнадо на различни коефициенти на корелация за всеки параметър с изисквания за проектиране на пикова задвижваща сила.От фиг.6a може да се види, че параметърът на напрежението (\(V_{in}\)) е пряко свързан с максималната изходна сила, а коефициентът на конвективен топлопренос (\(h_T\)), ъгълът на пламъка (\ ( \alpha\)), константата на изместващата пружина (\(K_x\)) е в отрицателна корелация с изходната сила и първоначалната дължина (\(l_0\)) на SMA проводника и броя на унимодалните разклонения es (n) показва силна обратна корелация В случай на пряка корелация В случай на по-висока стойност на коефициента на корелация на напрежението (\(V_ {in}\)) показва, че този параметър има най-голям ефект върху изходната мощност.Друг подобен анализ измерва пиковата сила чрез оценка на ефекта на различни параметри в различни комбинации от двете изчислителни пространства, както е показано на Фиг. 6b, c.\(V_{in}\) и \(l_0\), \(\alpha\) и \(l_0\) имат подобни модели, а графиката показва, че \(V_{in}\) и \(\alpha\ ) и \(\alpha\) имат подобни модели.По-малките стойности на \(l_0\) водят до по-високи пикови сили.Другите два графика са в съответствие с Фигура 6а, където n и \(K_x\) са отрицателно корелирани и \(V_{in}\) са положително корелирани.Този анализ помага да се определят и коригират влияещите параметри, чрез които изходната сила, ходът и ефективността на задвижващата система могат да бъдат адаптирани към изискванията и приложението.
Текущата изследователска работа въвежда и изследва йерархични задвижвания с N нива.В йерархия на две нива, както е показано на Фиг. 7а, където вместо всеки SMA проводник на задвижващия механизъм от първо ниво, се постига бимодално разположение, както е показано на фиг.9д.На фиг.7c показва как проводникът SMA се навива около подвижно рамо (спомагателно рамо), което се движи само в надлъжна посока.Основното подвижно рамо обаче продължава да се движи по същия начин като подвижното рамо на многостепенния задвижващ механизъм от 1-ва степен.Обикновено N-степенно задвижване се създава чрез замяна на \(N-1\) SMA проводник с първостепенно задвижване.В резултат на това всеки клон имитира задвижването на първия етап, с изключение на клона, който държи самия проводник.По този начин могат да се образуват вложени структури, които създават сили, които са няколко пъти по-големи от силите на първичните задвижвания.В това изследване за всяко ниво е взета предвид обща ефективна дължина на SMA проводника от 1 m, както е показано в табличен формат на Фиг. 7d.Токът през всеки проводник във всяка унимодална конструкция и полученото предварително напрежение и напрежение във всеки сегмент от проводник SMA са еднакви на всяко ниво.Според нашия аналитичен модел, изходната сила е положително свързана с нивото, докато изместването е отрицателно свързана.В същото време имаше компромис между изместването и мускулната сила.Както се вижда на фиг.7b, докато максималната сила се постига в най-голям брой слоеве, най-голямото изместване се наблюдава в най-долния слой.Когато йерархичното ниво беше зададено на \(N=5\), беше установена пикова мускулна сила от 2,58 kN с 2 наблюдавани удара \(\upmu\)m.От друга страна, задвижването на първия етап генерира сила от 150 N при ход от 277 \(\upmu\)m.Многостепенните задвижващи механизми са в състояние да имитират истински биологични мускули, където изкуствените мускули, базирани на сплави с памет на формата, са в състояние да генерират значително по-високи сили с прецизни и по-фини движения.Ограниченията на този миниатюризиран дизайн са, че с увеличаването на йерархията движението е значително намалено и сложността на производствения процес на задвижването се увеличава.
(a) Двустепенна (\(N=2\)) слоеста линейна задвижваща система от сплав с памет за формата е показана в бимодална конфигурация.Предложеният модел се постига чрез замяна на проводника SMA в първостепенния слоест задвижващ механизъм с друг едностъпален слоест задвижващ механизъм.(c) Деформирана конфигурация на втория етап на многослоен задвижващ механизъм.б) Описано е разпределението на силите и преместванията в зависимост от броя на нивата.Установено е, че пиковата сила на задвижващия механизъм е в положителна корелация с нивото на скалата на графиката, докато ходът е в отрицателна корелация с нивото на скалата.Токът и предварителното напрежение във всеки проводник остават постоянни на всички нива.(d) Таблицата показва броя на отводите и дължината на SMA проводника (влакното) на всяко ниво.Характеристиките на проводниците са обозначени с индекс 1, а броят на вторичните клонове (един свързан към първичния крак) е обозначен с най-голямото число в долния индекс.Например, на ниво 5, \(n_1\) се отнася до броя на SMA проводниците, присъстващи във всяка бимодална структура, а \(n_5\) се отнася до броя на спомагателните крака (единият е свързан с основния крак).
Различни методи са предложени от много изследователи за моделиране на поведението на SMA с памет на формата, които зависят от термомеханичните свойства, придружаващи макроскопичните промени в кристалната структура, свързани с фазовия преход.Формулирането на конститутивните методи е по своята същност сложно.Най-често използваният феноменологичен модел е предложен от Tanaka28 и се използва широко в инженерни приложения.Феноменологичният модел, предложен от Танака [28], предполага, че обемната фракция на мартензита е експоненциална функция на температурата и напрежението.По-късно Liang и Rogers29 и Brinson30 предлагат модел, в който динамиката на фазовия преход се приема като косинусова функция на напрежението и температурата, с леки модификации на модела.Бекер и Бринсън предложиха базиран на фазова диаграма кинетичен модел за моделиране на поведението на SMA материали при произволни условия на натоварване, както и при частични преходи.Banerjee32 използва динамичния метод на фазовата диаграма на Bekker и Brinson31, за да симулира манипулатор с една степен на свобода, разработен от Elahinia и Ahmadian33.Кинетичните методи, базирани на фазови диаграми, които отчитат немонотонната промяна на напрежението с температура, са трудни за прилагане в инженерните приложения.Elakhinia и Ahmadian обръщат внимание на тези недостатъци на съществуващите феноменологични модели и предлагат разширен феноменологичен модел за анализиране и дефиниране на поведението на паметта на формата при всякакви сложни условия на натоварване.
Структурният модел на SMA тел дава напрежение (\(\sigma\)), деформация (\(\epsilon\)), температура (T) и мартензитна обемна фракция (\(\xi\)) на SMA тел.Феноменологичният конститутивен модел беше предложен за първи път от Tanaka28 и по-късно приет от Liang29 и Brinson30.Производната на уравнението има формата:
където E е зависимият от фазата SMA модул на Юнг, получен с помощта на \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) и \(E_A\) и \(E_M\), представляващи модула на Янг, са съответно аустенитни и мартензитни фази, а коефициентът на топлинно разширение е представен от \(\theta _T\).Коефициентът на принос на фазовия преход е \(\Omega = -E \epsilon _L\) и \(\epsilon _L\) е максималното възстановимо напрежение в SMA проводника.
Уравнението на фазовата динамика съвпада с функцията косинус, разработена от Liang29 и по-късно приета от Brinson30 вместо експоненциалната функция, предложена от Tanaka28.Моделът на фазовия преход е разширение на модела, предложен от Elakhinia и Ahmadian34 и модифициран въз основа на условията за фазов преход, дадени от Liang29 и Brinson30.Условията, използвани за този модел на фазов преход, са валидни при сложни термомеханични натоварвания.Във всеки момент от време стойността на обемната фракция на мартензита се изчислява при моделиране на конститутивното уравнение.
Управляващото уравнение за ретрансформация, изразено чрез превръщането на мартензита в аустенит при условия на нагряване, е както следва:
където \(\xi\) е обемната част на мартензита, \(\xi _M\) е обемната част на мартензита, получена преди нагряване, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) и \(C_A\) – параметри за приближаване на кривата, T – SMA температура на проводника, \(A_s\) и \(A _f\) – съответно начало и край на аустенитната фаза, температура.
Уравнението за контрол на директната трансформация, представено чрез фазовата трансформация на аустенит в мартензит при условия на охлаждане, е:
където \(\xi _A\) е обемната част на мартензита, получена преди охлаждане, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) и \ ( C_M \) – параметри за напасване на кривата, T – температура на проводника SMA, \(M_s\) и \(M_f\) – съответно начална и крайна температура на мартензит.
След диференциране на уравнения (3) и (4), уравненията за обратна и директна трансформация се опростяват до следната форма:
По време на преобразуване напред и назад \(\eta _{\sigma}\) и \(\eta _{T}\) приемат различни стойности.Основните уравнения, свързани с \(\eta _{\sigma}\) и \(\eta _{T}\) са извлечени и обсъдени подробно в допълнителен раздел.
Топлинната енергия, необходима за повишаване на температурата на проводника SMA, идва от топлинния ефект на Джаул.Топлинната енергия, абсорбирана или освободена от проводника SMA, е представена от латентната топлина на трансформация.Загубата на топлина в проводника SMA се дължи на принудителна конвекция и като се има предвид незначителният ефект на радиацията, уравнението на баланса на топлинната енергия е както следва:
Където \(m_{wire}\) е общата маса на проводника SMA, \(c_{p}\) е специфичният топлинен капацитет на SMA, \(V_{in}\) е напрежението, приложено към проводника, \(R_{ohm} \ ) – зависимо от фазата съпротивление SMA, дефинирано като;\(R_{ohm} = (l/A_{кръст})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ), където \(r_M\ ) и \(r_A\) са SMA фазовото съпротивление в мартензит и аустенит, съответно, \(A_{c}\) е повърхностната площ на SMA проводника, \(\Delta H \) е сплав с памет за формата.Скритата топлина на прехода на проводника, T и \(T_{\infty}\) са съответно температурите на SMA проводника и околната среда.
Когато се задейства тел от сплав с памет за формата, телта се компресира, създавайки сила във всеки клон на бимодалния дизайн, наречена сила на влакното.Силите на влакната във всяка нишка на проводника SMA заедно създават мускулната сила за задействане, както е показано на фиг. 9e.Поради наличието на отклоняваща пружина, общата мускулна сила на N-тия многослоен задвижващ механизъм е:
Замествайки \(N = 1\) в уравнение (7), мускулната сила на прототипа на бимодалното задвижване от първия етап може да се получи, както следва:
където n е броят на унимодалните крака, \(F_m\) е мускулната сила, генерирана от задвижването, \(F_f\) е здравината на влакното в SMA проводника, \(K_x\) е твърдостта на отклонението.пружина, \(\alpha\) е ъгълът на триъгълника, \(x_0\) е първоначалното изместване на наклонената пружина за задържане на SMA кабела в предварително натегнато положение и \(\Delta x\) е ходът на задвижващия механизъм.
Общото изместване или движение на задвижването (\(\Delta x\)) в зависимост от напрежението (\(\sigma\)) и напрежението (\(\epsilon\)) на SMA проводника на N-тия етап, задвижването е настроено на (вижте Фиг. допълнителна част от изхода):
Кинематичните уравнения дават връзката между деформацията на задвижването (\(\epsilon\)) и изместването или изместването (\(\Делта x\)).Деформацията на проводника Arb като функция на първоначалната дължина на проводника Arb (\(l_0\)) и дължината на проводника (l) по всяко време t в едно унимодално разклонение е както следва:
където \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) се получава чрез прилагане на формулата за косинус в \(\Delta\)ABB ', както е показано на Фигура 8. За задвижване от първи етап (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) е \(\Delta x\), и \(\alpha _1\) е \(\alpha \), както е показано на Фигура 8, чрез диференциране на времето от уравнение (11) и заместване на стойността на l, скоростта на деформация може да бъде записана като:
където \(l_0\) е първоначалната дължина на проводника SMA, l е дължината на проводника във всеки момент t в едно унимодално разклонение, \(\epsilon\) е деформацията, развита в проводника SMA, и \(\alpha \) е ъгълът на триъгълника, \(\Delta x\) е отместването на задвижването (както е показано на Фигура 8).
Всички n структури с един пик (\(n=6\) на тази фигура) са свързани последователно с \(V_{in}\) като входно напрежение.Етап I: Схематична диаграма на SMA проводника в бимодална конфигурация при условия на нулево напрежение Етап II: Показана е контролирана структура, където SMA проводникът е компресиран поради обратно преобразуване, както е показано от червената линия.
Като доказателство на концепцията беше разработено бимодално задвижване, базирано на SMA, за да се тества симулираното извеждане на основните уравнения с експериментални резултати.CAD моделът на бимодалния линеен задвижващ механизъм е показан на фиг.9а.От друга страна, на фиг.9с показва нов дизайн, предложен за ротационна призматична връзка, използваща двуплоскостен SMA-базиран задвижващ механизъм с бимодална структура.Компонентите на задвижването са произведени с помощта на адитивно производство на 3D принтер Ultimaker 3 Extended.Материалът, използван за 3D печат на компоненти, е поликарбонат, който е подходящ за топлоустойчиви материали, тъй като е здрав, издръжлив и има висока температура на встъкляване (110-113 \(^{\circ }\) C).Освен това Dynalloy, Inc. Flexinol сплав от сплав с памет за памет на формата беше използвана в експериментите и свойствата на материала, съответстващи на Flexinol телта, бяха използвани в симулациите.Множество SMA проводници са подредени като влакна, присъстващи в бимодална подредба на мускули, за да се получат високите сили, произведени от многослойни задвижващи механизми, както е показано на Фиг. 9b, d.
Както е показано на Фигура 9а, острият ъгъл, образуван от SMA проводника на подвижното рамо, се нарича ъгъл (\(\alpha\)).С клемни скоби, прикрепени към лявата и дясната скоба, SMA проводникът се държи под желания бимодален ъгъл.Устройството за преднаклонена пружина, държано върху пружинния съединител, е проектирано да регулира различните групи удължения на наклонената пружина според броя (n) на SMA влакната.В допълнение, местоположението на движещите се части е проектирано така, че проводникът SMA да е изложен на външната среда за охлаждане с принудителна конвекция.Горната и долната плоча на разглобяемия модул помагат да се запази SMA проводникът хладен с екструдирани изрези, предназначени да намалят теглото.Освен това двата края на CMA проводника са фиксирани съответно към левия и десния извод посредством гофриране.Бутало е прикрепено към единия край на подвижния възел, за да се поддържа хлабина между горната и долната плочи.Буталото също се използва за прилагане на блокираща сила към сензора чрез контакт за измерване на блокиращата сила, когато проводникът SMA се задейства.
Бимодалната мускулна структура SMA е електрически свързана последователно и се захранва от входно импулсно напрежение.По време на цикъла на импулс на напрежение, когато се прилага напрежение и проводникът SMA се нагрява над първоначалната температура на аустенита, дължината на проводника във всяка нишка се скъсява.Това прибиране активира подвъзела на подвижното рамо.Когато напрежението се нулира в същия цикъл, нагрятият SMA проводник се охлажда под температурата на повърхността на мартензита, като по този начин се връща в първоначалното си положение.При условия на нулево напрежение проводникът SMA първо се разтяга пасивно от напрегната пружина, за да достигне мартензитно състояние с детуиниране.Винтът, през който минава проводникът SMA, се движи поради компресията, създадена от прилагането на импулс на напрежение към проводника SMA (SPA достига аустенитната фаза), което води до задействане на подвижния лост.Когато проводникът SMA се прибере, наклонената пружина създава противоположна сила чрез допълнително разтягане на пружината.Когато напрежението в импулсното напрежение стане нула, проводникът SMA се удължава и променя формата си поради принудително конвективно охлаждане, достигайки двойна мартензитна фаза.
Предложената линейна задвижваща система, базирана на SMA, има бимодална конфигурация, в която SMA проводниците са под ъгъл.(a) изобразява CAD модел на прототипа, който споменава някои от компонентите и техните значения за прототипа, (b, d) представляват разработения експериментален прототип35.Докато (b) показва изглед отгоре на прототипа с електрически връзки и използвани пружини и тензодатчици, (d) показва изглед в перспектива на настройката.( д ) Диаграма на линейна система за задействане със SMA проводници, поставени бимодално по всяко време t, показваща посоката и хода на влакното и мускулната сила.(c) Предложена е ротационна призматична връзка с 2 DOF за разгръщане на задвижващ механизъм, базиран на SMA в две равнини.Както е показано, връзката предава линейно движение от долното задвижване към горното рамо, създавайки ротационна връзка.От друга страна, движението на двойката призми е същото като движението на многослойното първостепенно задвижване.
Беше проведено експериментално изследване на прототипа, показан на фиг. 9b, за да се оцени ефективността на бимодално задвижване, базирано на SMA.Както е показано на фигура 10а, експерименталната настройка се състоеше от програмируемо захранване с постоянен ток за подаване на входно напрежение към SMA проводниците.Както е показано на фиг.10b, пиезоелектричен тензометричен уред (PACEline CFT/5kN) беше използван за измерване на блокиращата сила с помощта на устройство за регистриране на данни Graphtec GL-2000.Данните се записват от хоста за по-нататъшно проучване.Тензодатчиците и усилвателите на заряд изискват постоянно захранване, за да произведат сигнал за напрежение.Съответните сигнали се преобразуват в изходни мощности в съответствие с чувствителността на сензора за пиезоелектрична сила и други параметри, както е описано в таблица 2. Когато се приложи импулс на напрежение, температурата на SMA проводника се повишава, което води до компресиране на SMA проводника, което кара задвижващия механизъм да генерира сила.Експерименталните резултати от изхода на мускулна сила чрез импулс на входно напрежение от 7 V са показани на фиг.2а.
( а ) Базирана на SMA линейна задвижваща система беше създадена в експеримента за измерване на силата, генерирана от задвижващия механизъм.Весовата клетка измерва блокиращата сила и се захранва от 24 V DC захранване.Беше приложен спад на напрежението от 7 V по цялата дължина на кабела с помощта на програмируем DC захранващ блок GW Instek.SMA проводникът се свива поради топлината и подвижното рамо влиза в контакт с динамометричната клетка и упражнява блокираща сила.Датчикът за натоварване е свързан към регистратора на данни GL-2000 и данните се съхраняват на хоста за по-нататъшна обработка.( b ) Диаграма, показваща веригата от компоненти на експерименталната настройка за измерване на мускулната сила.
Сплавите с памет на формата се възбуждат от топлинна енергия, така че температурата се превръща във важен параметър за изучаване на феномена на паметта на формата.Експериментално, както е показано на Фиг. 11а, термичните изображения и измерванията на температурата бяха извършени на прототип на базиран на SMA дивалератен задвижващ механизъм.Програмируем източник на постоянен ток приложи входно напрежение към SMA проводниците в експерименталната настройка, както е показано на фигура 11b.Промяната на температурата на SMA проводника беше измерена в реално време с помощта на LWIR камера с висока разделителна способност (FLIR A655sc).Хостът използва софтуера ResearchIR, за да записва данни за по-нататъшна последваща обработка.Когато се приложи импулс на напрежение, температурата на SMA проводника се повишава, което води до свиване на SMA проводника.На фиг.Фигура 2b показва експерименталните резултати от температурата на проводника SMA спрямо времето за импулс на входно напрежение 7 V.
Време на публикуване: 28 септември 2022 г