Hvala vam što ste posjetili Nature.com.Verzija pretraživača koju koristite ima ograničenu podršku za CSS.Za najbolje iskustvo, preporučujemo da koristite ažurirani pretraživač (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).U međuvremenu, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, prikazat ćemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Aktuatori se koriste posvuda i stvaraju kontrolirano kretanje primjenom ispravne pobudne sile ili momenta za izvođenje različitih operacija u proizvodnji i industrijskoj automatizaciji.Potreba za bržim, manjim i efikasnijim pogonima pokreće inovacije u dizajnu pogona.Pogoni od legure memorije oblika (SMA) nude brojne prednosti u odnosu na konvencionalne pogone, uključujući visok omjer snage i težine.U ovoj disertaciji razvijen je aktuator baziran na SMA sa dva pera koji kombinuje prednosti pernatih mišića bioloških sistema i jedinstvena svojstva SMA.Ova studija istražuje i proširuje prethodne SMA aktuatore razvojem matematičkog modela novog aktuatora zasnovanog na bimodalnom rasporedu SMA žice i eksperimentalnim testiranjem.U poređenju sa poznatim pogonima zasnovanim na SMA, sila aktiviranja novog pogona je najmanje 5 puta veća (do 150 N).Odgovarajući gubitak težine je oko 67%.Rezultati analize osjetljivosti matematičkih modela korisni su za podešavanje parametara dizajna i razumijevanje ključnih parametara.Ova studija dalje predstavlja pogon na više nivoa Nth stepena koji se može koristiti za dalje poboljšanje dinamike.Dipvaleratni mišićni aktuatori bazirani na SMA imaju širok spektar primjena, od automatizacije zgrada do preciznih sistema za isporuku lijekova.
Biološki sistemi, kao što su mišićne strukture sisara, mogu aktivirati mnoge suptilne aktuatore1.Sisavci imaju različite mišićne strukture, od kojih svaka služi određenoj svrsi.Međutim, veći dio strukture mišićnog tkiva sisara može se podijeliti u dvije široke kategorije.Paralelni i pennatni.U tetivama koljena i drugim fleksorima, kao što ime govori, paralelna muskulatura ima mišićna vlakna paralelna sa centralnom tetivom.Lanac mišićnih vlakana je poređan i funkcionalno povezan vezivnim tkivom oko njih.Iako se kaže da ovi mišići imaju veliku ekskurziju (procentualno skraćivanje), njihova ukupna mišićna snaga je vrlo ograničena.Nasuprot tome, u mišiću tricepsa potkoljenice2 (lateralni gastrocnemius (GL)3, medijalni gastrocnemius (GM)4 i soleus (SOL)) i ekstenzor femorisa (kvadriceps)5,6 pennatno mišićno tkivo nalazi se u svakom mišiću7.U perastoj strukturi, mišićna vlakna u dvopenastoj muskulaturi su prisutna sa obe strane centralne tetive pod kosim uglovima (perasti uglovi).Pennate dolazi od latinske riječi “penna”, što znači “olovka”, i, kao što je prikazano na sl.1 ima izgled poput perja.Vlakna petokrakih mišića su kraća i nagnuta prema uzdužnoj osi mišića.Zbog peraste strukture smanjena je ukupna pokretljivost ovih mišića, što dovodi do poprečne i uzdužne komponente procesa skraćivanja.S druge strane, aktivacija ovih mišića dovodi do veće ukupne mišićne snage zbog načina na koji se mjeri fiziološka površina poprečnog presjeka.Stoga, za datu površinu poprečnog presjeka, petokraki mišići će biti jači i stvarat će veće sile od mišića s paralelnim vlaknima.Sile koje stvaraju pojedinačna vlakna stvaraju mišićne sile na makroskopskom nivou u tom mišićnom tkivu.Osim toga, ima takva jedinstvena svojstva kao što su brzo skupljanje, zaštita od vlačnih oštećenja, amortizacija.On transformiše odnos između unosa vlakana i izlazne snage mišića koristeći jedinstvene karakteristike i geometrijsku složenost rasporeda vlakana povezanih sa mišićnim linijama delovanja.
Prikazani su šematski dijagrami postojećih dizajna aktuatora baziranih na SMA u odnosu na bimodalnu mišićnu arhitekturu, na primjer (a), koji predstavlja interakciju taktilne sile u kojoj je uređaj u obliku ruke koji se pokreće pomoću SMA žica montiran na autonomni mobilni robot na dva točka9,10., (b) Robotska orbitalna proteza sa antagonistički postavljenom SMA orbitalnom protezom sa oprugom.Položaj protetskog oka kontrolira se signalom iz očnog mišića oka11, (c) SMA aktuatori su idealni za podvodne primjene zbog njihovog visokofrekventnog odziva i niske propusnosti.U ovoj konfiguraciji, SMA aktuatori se koriste za stvaranje talasnog kretanja simulacijom kretanja ribe, (d) SMA aktuatori se koriste za kreiranje robota za inspekciju mikro cijevi koji može koristiti princip pokreta inča crva, kontroliran kretanjem SMA žica unutar kanala 10, (e) pokazuje smjer kontrakcije mišićnih vlakana i generiranja mišićnog tkiva u obliku kontraktilnog mišića za generiranje mišićne kontrakcije za SMA vlakna u strukturi pennate mišića.
Aktuatori su postali važan dio mehaničkih sistema zbog svoje široke primjene.Stoga, potreba za manjim, bržim i efikasnijim pogonima postaje kritična.Uprkos svojim prednostima, tradicionalni pogoni su se pokazali kao skupi i dugotrajni za održavanje.Hidraulički i pneumatski aktuatori su složeni i skupi i podložni su habanju, problemima s podmazivanjem i kvarovima komponenti.Kao odgovor na potražnju, fokus je na razvoju isplativih, optimiziranih i naprednih aktuatora zasnovanih na pametnim materijalima.Tekuća istraživanja traže slojevite aktuatore od legure memorije oblika (SMA) kako bi se zadovoljila ova potreba.Hijerarhijski aktuatori su jedinstveni po tome što kombinuju mnoge diskretne aktuatore u geometrijski složene makropodsisteme kako bi obezbedili povećanu i proširenu funkcionalnost.U tom smislu, gore opisano ljudsko mišićno tkivo predstavlja odličan višeslojni primjer takvog višeslojnog aktiviranja.Trenutna studija opisuje višeslojni SMA pogon sa nekoliko pojedinačnih pogonskih elemenata (SMA žica) usklađenih sa orijentacijama vlakana prisutnim u bimodalnim mišićima, što poboljšava ukupne performanse pogona.
Glavna svrha aktuatora je stvaranje mehaničke izlazne snage kao što su sila i pomak pretvaranjem električne energije.Legure sa memorijom oblika su klasa "pametnih" materijala koji mogu vratiti svoj oblik na visokim temperaturama.Pod velikim opterećenjima, povećanje temperature SMA žice dovodi do oporavka oblika, što rezultira većom gustinom energije pokretanja u poređenju s različitim direktno povezanim pametnim materijalima.Istovremeno, pod mehaničkim opterećenjima, SMA postaju krhki.Pod određenim uvjetima, ciklično opterećenje može apsorbirati i osloboditi mehaničku energiju, pokazujući reverzibilne histerezne promjene oblika.Ova jedinstvena svojstva čine SMA idealnim za senzore, prigušivanje vibracija i posebno aktuatore12.Imajući to na umu, bilo je mnogo istraživanja o pogonima zasnovanim na SMA.Treba napomenuti da su aktuatori zasnovani na SMA dizajnirani da obezbede translatorno i rotaciono kretanje za različite primene13,14,15.Iako su razvijeni neki rotacijski aktuatori, istraživači su posebno zainteresirani za linearne aktuatore.Ovi linearni aktuatori se mogu podijeliti u tri tipa aktuatora: jednodimenzionalni, pomačni i diferencijalni aktuatori 16 .U početku su hibridni pogoni kreirani u kombinaciji sa SMA i drugim konvencionalnim pogonima.Jedan takav primjer hibridnog linearnog aktuatora baziranog na SMA je upotreba SMA žice sa DC motorom da bi se osigurala izlazna sila od oko 100 N i značajan pomak17.
Jedan od prvih razvoja pogona u potpunosti zasnovanih na SMA bio je SMA paralelni pogon.Koristeći više SMA žica, paralelni pogon zasnovan na SMA je dizajniran da poveća kapacitet pogona tako što će sve SMA18 žice postaviti paralelno.Paralelno povezivanje aktuatora ne samo da zahtijeva više snage, već i ograničava izlaznu snagu jedne žice.Još jedan nedostatak aktuatora baziranih na SMA je ograničeno kretanje koje mogu postići.Da bi se riješio ovaj problem, kreiran je SMA kabelski snop koji sadrži odmaknutu fleksibilnu gredu za povećanje pomaka i postizanje linearnog kretanja, ali nije generirao veće sile19.Meke deformabilne strukture i tkanine za robote na bazi legura sa memorijom oblika razvijene su prvenstveno za pojačanje udara20,21,22.Za aplikacije u kojima su potrebne velike brzine, prijavljene su pumpe s kompaktnim pogonom koje koriste tankoslojne SMA za aplikacije pokretane mikropumpama23.Pogonska frekvencija tankoslojne SMA membrane je ključni faktor u kontroli brzine vozača.Stoga, SMA linearni motori imaju bolji dinamički odziv od SMA motora sa oprugama ili šipkama.Meka robotika i tehnologija hvatanja su dvije druge aplikacije koje koriste aktuatore zasnovane na SMA.Na primjer, da bi se zamijenio standardni aktuator koji se koristi u 25 N prostornoj stezaljci, razvijen je paralelni aktuator 24 od legure memorije oblika.U drugom slučaju, SMA meki aktuator je proizveden na bazi žice sa ugrađenom matricom koja je sposobna da proizvede maksimalnu vučnu silu od 30 N. Zbog svojih mehaničkih svojstava, SMA se takođe koriste za proizvodnju aktuatora koji oponašaju biološke fenomene.Jedan takav razvoj uključuje robota od 12 ćelija koji je biomimetik organizma nalik glisti sa SMA za generisanje sinusoidnog pokreta za paljenje26,27.
Kao što je ranije spomenuto, postoji ograničenje maksimalne sile koja se može dobiti od postojećih aktuatora baziranih na SMA.Kako bi se riješio ovaj problem, ova studija predstavlja biomimetičku bimodalnu mišićnu strukturu.Pokreće se žicom od legure sa memorijom oblika.Pruža sistem klasifikacije koji uključuje nekoliko žica od legure sa memorijom oblika.Do danas, u literaturi nisu prijavljeni aktuatori zasnovani na SMA sa sličnom arhitekturom.Ovaj jedinstveni i novi sistem zasnovan na SMA je razvijen da proučava ponašanje SMA tokom bimodalnog poravnanja mišića.U poređenju sa postojećim aktuatorima baziranim na SMA, cilj ove studije bio je da se stvori biomimetički dipvaleratni aktuator za generisanje značajno veće sile u maloj zapremini.U poređenju sa konvencionalnim pogonima sa koračnim motorom koji se koriste u sistemima za automatizaciju i kontrolu zgrada HVAC, predloženi dizajn bimodalnog pogona zasnovan na SMA smanjuje težinu pogonskog mehanizma za 67%.U nastavku se termini "mišić" i "pogon" koriste naizmjenično.Ova studija istražuje multifizičku simulaciju takvog pogona.Mehaničko ponašanje takvih sistema proučavano je eksperimentalnim i analitičkim metodama.Raspodjela sile i temperature dalje su istražene pri ulaznom naponu od 7 V. Nakon toga je izvršena parametarska analiza kako bi se bolje razumio odnos između ključnih parametara i izlazne sile.Konačno, predviđeni su hijerarhijski aktuatori i predloženi su efekti hijerarhijskog nivoa kao potencijalno buduće područje za nemagnetne aktuatore za protetske primjene.Prema rezultatima gore navedenih studija, upotreba jednostepene arhitekture proizvodi sile najmanje četiri do pet puta veće od prijavljenih aktuatora baziranih na SMA.Pored toga, pokazalo se da je ista pogonska sila koju generiše višeslojni pogon na više nivoa više od deset puta veća od konvencionalnih pogona zasnovanih na SMA.Studija zatim izvještava o ključnim parametrima koristeći analizu osjetljivosti između različitih dizajna i ulaznih varijabli.Početna dužina SMA žice (\(l_0\)), perasti ugao (\(\alpha\)) i broj pojedinačnih niti (n) u svakom pojedinačnom lancu imaju snažan negativan uticaj na veličinu pokretačke sile.snage, dok se pokazalo da je ulazni napon (energija) pozitivno koreliran.
SMA žica pokazuje efekat memorije oblika (SME) koji se vidi u porodici legura nikl-titanijuma (Ni-Ti).Tipično, SMA pokazuju dvije temperaturno zavisne faze: fazu niske temperature i fazu visoke temperature.Obje faze imaju jedinstvena svojstva zbog prisustva različitih kristalnih struktura.U austenitnoj fazi (faza visoke temperature) koja postoji iznad temperature transformacije, materijal pokazuje veliku čvrstoću i slabo se deformiše pod opterećenjem.Legura se ponaša kao nehrđajući čelik, tako da je u stanju izdržati veće pritiske aktiviranja.Koristeći prednost ove osobine Ni-Ti legura, SMA žice su nagnute da formiraju aktuator.Razvijeni su odgovarajući analitički modeli za razumijevanje fundamentalne mehanike termičkog ponašanja SMA pod utjecajem različitih parametara i različitih geometrija.Dobivena je dobra saglasnost između eksperimentalnih i analitičkih rezultata.
Eksperimentalna studija je sprovedena na prototipu prikazanom na slici 9a da bi se procenile performanse bimodalnog pogona zasnovanog na SMA.Dva od ovih svojstava, sila koju stvara pogon (mišićna sila) i temperatura SMA žice (SMA temperatura), izmjerene su eksperimentalno.Kako se razlika napona povećava duž cijele dužine žice u pogonu, temperatura žice raste zbog Joule efekta zagrijavanja.Ulazni napon je primijenjen u dva ciklusa od 10 s (prikazano kao crvene tačke na slici 2a, b) sa periodom hlađenja od 15 s između svakog ciklusa.Sila blokiranja je izmjerena pomoću piezoelektričnog mjernog mjerača, a raspodjela temperature SMA žice je praćena u realnom vremenu pomoću LWIR kamere visoke rezolucije naučne kvalitete (pogledajte karakteristike opreme koja se koristi u tabeli 2).pokazuje da tokom faze visokog napona temperatura žice raste monotono, ali kada ne teče struja, temperatura žice nastavlja da pada.U trenutnoj eksperimentalnoj postavci, temperatura SMA žice je pala tokom faze hlađenja, ali je i dalje bila iznad temperature okoline.Na sl.2e prikazuje snimak temperature na SMA žici snimljen sa LWIR kamere.S druge strane, na sl.2a prikazuje silu blokiranja koju stvara pogonski sistem.Kada mišićna sila premaši povratnu silu opruge, pokretna ruka, kao što je prikazano na slici 9a, počinje da se kreće.Čim aktiviranje počne, pokretna ruka dolazi u kontakt sa senzorom, stvarajući tjelesnu silu, kao što je prikazano na sl.2c, d.Kada je maksimalna temperatura blizu \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), maksimalna uočena sila je 105 N.
Grafikon prikazuje eksperimentalne rezultate temperature SMA žice i sile koju generiše bimodalni aktuator baziran na SMA tokom dva ciklusa.Ulazni napon se primenjuje u dva ciklusa od 10 sekundi (prikazano kao crvene tačke) sa periodom hlađenja od 15 sekundi između svakog ciklusa.SMA žica korišćena za eksperimente bila je Flexinol žica prečnika 0,51 mm iz Dynalloy, Inc. (a) Grafikon prikazuje eksperimentalnu silu dobijenu u dva ciklusa, (c, d) prikazuje dva nezavisna primera delovanja pokretača pokretnih ruku na PACEline CFT/5kN piezoelektrični pretvarač sile, (b) prikazuje maksimalnu žicu za vreme ciklusa, (b) prikazuje maksimalnu žicu za vreme ciklusa (b) slika snimljena sa SMA žice pomoću FLIR ResearchIR softverske LWIR kamere.Geometrijski parametri uzeti u obzir u eksperimentima dati su u tabeli.jedan.
Rezultati simulacije matematičkog modela i eksperimentalni rezultati su upoređeni pod uslovima ulaznog napona od 7V, kao što je prikazano na sl.5.Prema rezultatima parametarske analize, a kako bi se izbjegla mogućnost pregrijavanja SMA žice, na aktuator je dovedena snaga od 11,2 W.Programabilno DC napajanje je korišteno za napajanje od 7V kao ulaznog napona, a struja od 1,6A je izmjerena preko žice.Sila koju stvara pogon i temperatura SDR-a se povećavaju kada se primjenjuje struja.Sa ulaznim naponom od 7V, maksimalna izlazna sila dobijena iz rezultata simulacije i eksperimentalnih rezultata prvog ciklusa je 78 N odnosno 96 N.U drugom ciklusu, maksimalna izlazna sila simulacijskih i eksperimentalnih rezultata bila je 150 N odnosno 105 N.Neslaganje između mjerenja sile okluzije i eksperimentalnih podataka može biti posljedica metode koja se koristi za mjerenje sile okluzije.Eksperimentalni rezultati prikazani na sl.5a odgovaraju mjerenju sile zaključavanja, koja je izmjerena kada je pogonsko vratilo bilo u kontaktu sa PACEline CFT/5kN piezoelektričnim pretvaračem sile, kao što je prikazano na sl.2s.Stoga, kada pogonsko vratilo nije u kontaktu sa senzorom sile na početku zone hlađenja, sila odmah postaje nula, kao što je prikazano na slici 2d.Osim toga, drugi parametri koji utječu na formiranje sile u narednim ciklusima su vrijednosti vremena hlađenja i koeficijenta konvektivnog prijenosa topline u prethodnom ciklusu.Od sl.2b, može se vidjeti da nakon perioda hlađenja od 15 sekundi, SMA žica nije dostigla sobnu temperaturu i stoga je imala višu početnu temperaturu (\(40\,^{\circ}\hbox {C}\)) u drugom ciklusu vožnje u odnosu na prvi ciklus (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Dakle, u poređenju sa prvim ciklusom, temperatura SMA žice tokom drugog ciklusa grejanja dostiže početnu temperaturu austenita (\(A_s\)) ranije i duže ostaje u prelaznom periodu, što rezultira naprezanjem i silom.S druge strane, raspodjele temperature tokom ciklusa grijanja i hlađenja dobivene iz eksperimenata i simulacija imaju visoku kvalitativnu sličnost s primjerima iz termografske analize.Komparativna analiza termičkih podataka SMA žice iz eksperimenata i simulacija pokazala je konzistentnost tokom ciklusa grijanja i hlađenja i unutar prihvatljivih tolerancija za eksperimentalne podatke.Maksimalna temperatura SMA žice, dobijena iz rezultata simulacije i eksperimenata prvog ciklusa, je \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) i \(75\,^{\circ }\hbox { C }\), au drugom ciklusu maksimalna temperatura SMA žice je \\(94\,^{\circ }\hbox {C}\) i \(75\,^{\circ }\hbox { C }\), a u drugom ciklusu maksimalna temperatura SMA žice je \\(94\, circ , 8 h ) }\ hbox {C}\).Temeljno razvijeni model potvrđuje učinak efekta memorije oblika.U ovom pregledu nije uzeta u obzir uloga umora i pregrijavanja.U budućnosti, model će biti poboljšan kako bi uključio istoriju naprezanja SMA žice, što ga čini pogodnijim za inženjerske aplikacije.Grafikoni izlazne sile pogona i SMA temperature dobijeni iz Simulink bloka su u okviru dozvoljenih tolerancija eksperimentalnih podataka pod uslovom impulsa ulaznog napona od 7 V. Ovo potvrđuje ispravnost i pouzdanost razvijenog matematičkog modela.
Matematički model je razvijen u MathWorks Simulink R2020b okruženju koristeći osnovne jednačine opisane u odjeljku Metode.Na sl.3b prikazuje blok dijagram Simulink matematičkog modela.Model je simuliran za impuls ulaznog napona od 7 V kao što je prikazano na slici 2a, b.Vrijednosti parametara korištenih u simulaciji navedene su u tabeli 1. Rezultati simulacije prolaznih procesa prikazani su na slikama 1 i 1. Slike 3a i 4. Na sl.4a,b prikazuje inducirani napon u SMA žici i silu koju stvara aktuator kao funkciju vremena. Tokom reverzne transformacije (zagrijavanja), kada je temperatura žice SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura početka faze modificirane naprezanjem austenita), brzina promjene zapreminskog udjela martenzita (\(\dot{\xi }\)) će biti nula. Tokom reverzne transformacije (zagrijavanja), kada je temperatura SMA žice, \(T < A_s^{\prime}\) (naprezanjem modificirana početna temperatura austenitne faze), brzina promjene zapreminskog udjela martenzita (\(\dot{\ xi }\)) će biti nula. Za vreme povratnog prevraštanja (nagrevanja), kada temperatura provoloka SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura početka austenitne faze, modifikovana napona), brzina promene zapremine doli martensita (\(\dot{\ xi }\)) će biti ravnomerno nultu. Tokom reverzne transformacije (zagrijavanja), kada je temperatura SMA žice, \(T < A_s^{\prime}\) (naprezanjem modificirana početna temperatura austenita), brzina promjene volumnog udjela martenzita (\(\dot{\ xi }\ )) će biti nula.在反向转变（加热）过程中,当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)(应力修正奥氼体盋，当温度\(T < A_s^{\prime}\)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) Rezultat simulacije koji pokazuje distribuciju temperature i temperaturu spoja izazvanu naprezanjem u divaleratnom aktuatoru na bazi SMA.Kada temperatura žice pređe temperaturu prijelaza austenita u fazi grijanja, modificirana temperatura prijelaza austenita počinje rasti, a slično, kada temperatura žičane šipke pređe temperaturu martenzitnog prijelaza u fazi hlađenja, temperatura martenzitnog prijelaza se smanjuje.SMA za analitičko modeliranje procesa aktiviranja.(Za detaljan prikaz svakog podsistema Simulink modela, pogledajte odeljak dodatka dodatne datoteke.)
Rezultati analize za različite distribucije parametara prikazani su za dva ciklusa ulaznog napona od 7V (ciklusi zagrijavanja od 10 sekundi i ciklusi hlađenja od 15 sekundi).Dok (ac) i (e) opisuju distribuciju tokom vremena, s druge strane, (d) i (f) ilustruju raspodjelu s temperaturom.Za odgovarajuće ulazne uslove, maksimalno uočeno naprezanje je 106 MPa (manje od 345 MPa, granica tečenja žice), sila je 150 N, maksimalni pomak je 270 µm, a minimalni martenzitni volumenski udio je 0,91.S druge strane, promjena naprezanja i promjena volumnog udjela martenzita s temperaturom su slične karakteristikama histereze.
Isto objašnjenje vrijedi i za direktnu transformaciju (hlađenje) iz austenitne faze u martenzitnu fazu, gdje je temperatura SMA žice (T) i krajnja temperatura modificirane naprezanjem martenzitne faze (\(M_f^{\prime}\ )) odlična.Na sl.4d,f prikazuje promjenu induciranog naprezanja (\(\sigma\)) i volumnog udjela martenzita (\(\xi\)) u SMA žici kao funkciju promjene temperature SMA žice (T), za oba ciklusa vožnje.Na sl.Slika 3a prikazuje promjenu temperature SMA žice s vremenom u zavisnosti od impulsa ulaznog napona.Kao što se može vidjeti sa slike, temperatura žice nastavlja rasti osiguravanjem izvora topline na nultom naponu i naknadnim konvektivnim hlađenjem.Tokom zagrijavanja, retransformacija martenzita u austenitnu fazu počinje kada temperatura SMA žice (T) pređe temperaturu nukleacije austenita korigovanu naprezanjem (\(A_s^{\prime}\)).Tokom ove faze, SMA žica je komprimirana i aktuator stvara silu.Takođe tokom hlađenja, kada temperatura SMA žice (T) pređe temperaturu nukleacije naprezanjem modifikovane martenzitne faze (\(M_s^{\prime}\)) dolazi do pozitivnog prelaza iz austenitne faze u martenzitnu fazu.pogonska sila se smanjuje.
Glavni kvalitativni aspekti bimodalnog pogona zasnovanog na SMA mogu se dobiti iz rezultata simulacije.U slučaju naponskog impulsnog ulaza, temperatura SMA žice se povećava zbog Joule efekta zagrijavanja.Početna vrijednost volumnog udjela martenzita (\(\xi\)) je postavljena na 1, budući da je materijal u početku u potpuno martenzitnoj fazi.Kako žica nastavlja da se zagrijava, temperatura SMA žice prelazi temperaturu nukleacije austenita \(A_s^{\prime}\), što dovodi do smanjenja zapreminskog udjela martenzita, kao što je prikazano na slici 4c.Osim toga, na sl.4e prikazuje distribuciju hodova aktuatora u vremenu, a na sl.5 – pokretačka sila u funkciji vremena.Povezani sistem jednadžbi uključuje temperaturu, zapreminski udio martenzita i naprezanje koje se razvija u žici, što rezultira skupljanjem SMA žice i silom koju stvara aktuator.Kao što je prikazano na sl.4d,f, varijacija napona sa temperaturom i varijacija zapreminskog udjela martenzita sa temperaturom odgovaraju histereznim karakteristikama SMA u simuliranom slučaju na 7 V.
Eksperimentima i analitičkim proračunima dobijeno je poređenje parametara vožnje.Žice su bile podvrgnute impulsnom ulaznom naponu od 7 V u trajanju od 10 sekundi, a zatim su hlađene 15 sekundi (faza hlađenja) u dva ciklusa.Perasti ugao je postavljen na \(40^{\circ}\), a početna dužina SMA žice u svakom pojedinačnom kraku igle je postavljena na 83 mm.(a) Mjerenje pogonske sile pomoću merne ćelije (b) Praćenje temperature žice termalnom infracrvenom kamerom.
U cilju razumijevanja utjecaja fizičkih parametara na silu koju proizvodi pogon, izvršena je analiza osjetljivosti matematičkog modela na odabrane fizičke parametre, te su parametri rangirani prema njihovom utjecaju.Prvo, uzorkovanje parametara modela je urađeno korištenjem eksperimentalnih principa dizajna koji su pratili jednoliku distribuciju (vidi Dodatni odjeljak o analizi osjetljivosti).U ovom slučaju, parametri modela uključuju ulazni napon (\(V_{in}\)), početnu dužinu SMA žice (\(l_0\)), ugao trougla (\(\alpha\)), konstantu opruge prednapona (\( K_x\ )), koeficijent konvektivnog prijenosa topline (\(h_T\)) i broj unimodalnih grana (n).U sljedećem koraku, vršna mišićna snaga je odabrana kao zahtjev za dizajn studije i dobiveni su parametarski efekti svakog skupa varijabli na snagu.Grafici tornada za analizu osjetljivosti izvedeni su iz koeficijenata korelacije za svaki parametar, kao što je prikazano na slici 6a.
(a) Vrijednosti koeficijenta korelacije parametara modela i njihov utjecaj na maksimalnu izlaznu snagu 2500 jedinstvenih grupa gore navedenih parametara modela prikazani su na dijagramu tornada.Grafikon prikazuje korelaciju ranga nekoliko indikatora.Jasno je da je \(V_{in}\) jedini parametar sa pozitivnom korelacijom, a \(l_0\) parametar sa najvećom negativnom korelacijom.Utjecaj različitih parametara u različitim kombinacijama na vršnu snagu mišića prikazan je na (b, c).\(K_x\) se kreće od 400 do 800 N/m, a n je u rasponu od 4 do 24. Napon (\(V_{in}\)) je promijenjen sa 4V na 10V, dužina žice (\(l_{0 } \)) promijenjena od 40 do 100 mm, a zadnji ugao (\) (\rc, \al) je promijenjen od 40 do 100 mm (\) (\rc, \al} \).
Na sl.Slika 6a prikazuje dijagram tornada različitih koeficijenata korelacije za svaki parametar sa zahtjevima dizajna vršne pogonske sile.Od sl.6a se vidi da je parametar napona (\(V_{in}\)) u direktnoj vezi sa maksimalnom izlaznom silom, a koeficijent konvektivnog prolaza toplote (\(h_T\)), ugao plamena (\ ( \alpha\)), konstanta opruge pomaka ( \(K_x\)) je u negativnoj korelaciji sa izlaznom silom i početnom dužinom žice \mo i početnom dužinom žice \mo i početnom dužinom žice \mo (n) pokazuje jaku inverznu korelaciju U slučaju direktne korelacije U slučaju veće vrijednosti koeficijenta korelacije napona (\(V_ {in}\)) ukazuje da ovaj parametar ima najveći utjecaj na izlaznu snagu.Druga slična analiza mjeri vršnu silu procjenom uticaja različitih parametara u različitim kombinacijama dva računarska prostora, kao što je prikazano na slici 6b, c.\(V_{in}\) i \(l_0\), \(\alpha\) i \(l_0\) imaju slične obrasce, a grafikon pokazuje da \(V_{in}\) i \(\alpha\ ) i \(\alpha\) imaju slične obrasce.Manje vrijednosti \(l_0\) rezultiraju većim vršnim silama.Druga dva dijagrama su u skladu sa slikom 6a, gdje su n i \(K_x\) negativno korelirani, a \(V_{in}\) pozitivno korelirani.Ova analiza pomaže da se definišu i podese uticajni parametri pomoću kojih se izlazna sila, hod i efikasnost pogonskog sistema mogu prilagoditi zahtevima i primeni.
Trenutni istraživački rad uvodi i istražuje hijerarhijske pogone sa N nivoima.U hijerarhiji na dva nivoa, kao što je prikazano na slici 7a, gde se umesto svake SMA žice aktuatora prvog nivoa, postiže bimodalni raspored, kao što je prikazano na sl.9e.Na sl.7c prikazuje kako je SMA žica namotana oko pokretne ruke (pomoćne ruke) koja se kreće samo u uzdužnom smjeru.Međutim, primarni pokretni krak nastavlja da se kreće na isti način kao i pokretni krak višestepenog aktuatora 1. stepena.Tipično, N-stepeni pogon se kreira zamjenom žice SMA faze \(N-1\) s pogonom prvog stupnja.Kao rezultat, svaka grana imitira pogon prve faze, s izuzetkom grane koja drži samu žicu.Na taj način se mogu formirati ugniježđene strukture koje stvaraju sile koje su nekoliko puta veće od sila primarnih pogona.U ovoj studiji, za svaki nivo, uzeta je u obzir ukupna efektivna dužina SMA žice od 1 m, kao što je prikazano u tabelarnom formatu na slici 7d.Struja kroz svaku žicu u svakom unimodalnom dizajnu i rezultirajući prednapon i napon u svakom segmentu SMA žice su isti na svakom nivou.Prema našem analitičkom modelu, izlazna sila je u pozitivnoj korelaciji sa nivoom, dok je pomak u negativnoj korelaciji.U isto vrijeme, postojao je kompromis između pomaka i snage mišića.Kao što se vidi na sl.7b, dok se maksimalna sila postiže u najvećem broju slojeva, najveći pomak se uočava u najnižem sloju.Kada je hijerarhijski nivo postavljen na \(N=5\), pronađena je maksimalna mišićna sila od 2,58 kN sa 2 uočena poteza \(\upmu\)m.S druge strane, pogon prvog stupnja stvara silu od 150 N pri hodu od 277 \(\upmu\)m.Višeslojni aktuatori su u stanju da oponašaju prave biološke mišiće, gdje su umjetni mišići zasnovani na legurama za pamćenje oblika u stanju generirati znatno veće sile preciznim i finijim pokretima.Ograničenja ovog minijaturiziranog dizajna su da kako se hijerarhija povećava, kretanje se uvelike smanjuje i povećava se složenost procesa proizvodnje pogona.
(a) Dvostepeni (\(N=2\)) slojeviti sistem linearnog aktuatora od legure sa memorijom oblika prikazan je u bimodalnoj konfiguraciji.Predloženi model je postignut zamjenom SMA žice u prvostepenom slojevitom aktuatoru sa drugim jednostepenim slojevitim aktuatorom.(c) Deformisana konfiguracija višeslojnog aktuatora drugog stepena.(b) Opisana je raspodjela sila i pomaka u zavisnosti od broja nivoa.Utvrđeno je da je vršna sila aktuatora u pozitivnoj korelaciji sa nivoom skale na grafikonu, dok je hod u negativnoj korelaciji sa nivoom skale.Struja i prednapon u svakoj žici ostaju konstantni na svim nivoima.(d) Tabela prikazuje broj slavina i dužinu SMA žice (vlakna) na svakom nivou.Karakteristike žica su označene indeksom 1, a broj sekundarnih grana (jedan spojen na primarni krak) je označen najvećim brojem u indeksu.Na primjer, na nivou 5, \(n_1\) se odnosi na broj SMA žica prisutnih u svakoj bimodalnoj strukturi, a \(n_5\) se odnosi na broj pomoćnih krakova (jedan spojen na glavni krak).
Mnogi istraživači su predložili različite metode za modeliranje ponašanja SMA s memorijom oblika, koje zavise od termomehaničkih svojstava koja prate makroskopske promjene u kristalnoj strukturi povezane s faznim prijelazom.Formulacija konstitutivnih metoda je sama po sebi složena.Najčešće korišteni fenomenološki model predlaže Tanaka28 i široko se koristi u inženjerskim aplikacijama.Fenomenološki model koji je predložio Tanaka [28] pretpostavlja da je volumenski udio martenzita eksponencijalna funkcija temperature i naprezanja.Kasnije su Liang i Rogers29 i Brinson30 predložili model u kojem se pretpostavlja da je dinamika faznog prijelaza kosinusna funkcija napona i temperature, uz male modifikacije modela.Becker i Brinson su predložili kinetički model zasnovan na faznom dijagramu za modeliranje ponašanja SMA materijala pod proizvoljnim uvjetima opterećenja, kao i parcijalnim prijelazima.Banerjee32 koristi metod dinamike faznog dijagrama Bekker i Brinson31 da simulira jedan manipulator sa stepenom slobode koji su razvili Elahinia i Ahmadian33.Kinetičke metode zasnovane na faznim dijagramima, koje uzimaju u obzir nemonotonsku promjenu napona s temperaturom, teško je implementirati u inženjerske primjene.Elakhinia i Ahmadian skreću pažnju na ove nedostatke postojećih fenomenoloških modela i predlažu prošireni fenomenološki model za analizu i definiranje ponašanja memorije oblika pod bilo kojim složenim uvjetima opterećenja.
Strukturni model SMA žice daje naprezanje (\(\sigma\)), deformaciju (\(\epsilon\)), temperaturu (T) i martenzitni volumenski udio (\(\xi\)) SMA žice.Fenomenološki konstitutivni model prvi je predložio Tanaka28, a kasnije su ga usvojili Liang29 i Brinson30.Izvod jednačine ima oblik:
gdje je E fazno ovisan SMA Youngov modul dobiven korištenjem \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) i \(E_A\) i \(E_M\) koji predstavljaju Youngov modul su austenitna i martenzitna faza, respektivno, a koeficijent termičkog širenja(\) je predstavljen kao \\).Faktor doprinosa fazne tranzicije je \(\Omega = -E \epsilon _L\) i \(\epsilon _L\) je maksimalno nadoknadivo naprezanje u SMA žici.
Jednadžba fazne dinamike poklapa se sa kosinusnom funkcijom koju je razvio Liang29 i kasnije usvojio Brinson30 umjesto eksponencijalne funkcije koju je predložio Tanaka28.Model fazne tranzicije je proširenje modela koji su predložili Elakhinia i Ahmadian34 i modificiran na osnovu uvjeta faznog prijelaza koje su dali Liang29 i Brinson30.Uvjeti korišteni za ovaj model faznog prijelaza vrijede pod složenim termomehaničkim opterećenjima.U svakom trenutku vremena, vrijednost volumnog udjela martenzita se izračunava prilikom modeliranja konstitutivne jednačine.
Relativna jednačina retransformacije, izražena transformacijom martenzita u austenit pod uslovima zagrijavanja, je sljedeća:
gdje je \(\xi\) zapreminski udio martenzita, \(\xi _M\) je zapreminski udio martenzita dobijen prije zagrijavanja, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) i \(C_A\) – parametar krivulje parametara T \A, temperatura žica A_ _f\) – početak i kraj austenitne faze, respektivno, temperatura.
Jednačina kontrole direktne transformacije, predstavljena faznom transformacijom austenita u martenzit u uslovima hlađenja, je:
gdje je \(\xi _A\) zapreminski udio martenzita dobijen prije hlađenja, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) i \ ( C_M \) – parametri prilagođavanja krivulje, T – početna temperatura žice SMA, \(M_s početna temperatura žice\) i tens(M_s konačna temperatura_ mar_)
Nakon diferenciranja jednadžbi (3) i (4), jednadžbe inverzne i direktne transformacije se pojednostavljuju na sljedeći oblik:
Tokom transformacije naprijed i nazad \(\eta _{\sigma}\) i \(\eta _{T}\) uzimaju različite vrijednosti.Osnovne jednačine povezane sa \(\eta _{\sigma}\) i \(\eta _{T}\) su izvedene i detaljno razmotrene u dodatnom odjeljku.
Toplotna energija potrebna za podizanje temperature SMA žice dolazi od Joule efekta zagrijavanja.Toplotna energija koju apsorbuje ili oslobađa SMA žica predstavljena je latentnom toplotom transformacije.Gubitak topline u SMA žici nastaje zbog prisilne konvekcije, a s obzirom na zanemarljiv učinak zračenja, jednadžba bilansa toplinske energije je sljedeća:
Gdje je \(m_{wire}\) ukupna masa SMA žice, \(c_{p}\) je specifični toplinski kapacitet SMA, \(V_{in}\) je napon primijenjen na žicu, \(R_{ohm} \ ) – fazni otpor SMA, definisan kao;\(R_{ohm} = (l/A_{križ})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) gdje su \(r_M\ ) i \(r_A\) SMA fazni otpor u martenzitu i austenitu, respektivno, \(A_{c}\) je površina površine \) a SMA žičana memorija, (\ o je sve SMA memorija žice).Latentna toplina prijelaza žice, T i \(T_{\infty}\) su temperature SMA žice i okoline, respektivno.
Kada se aktivira žica od legure sa memorijom oblika, žica se komprimira, stvarajući silu u svakoj grani bimodalnog dizajna koja se naziva sila vlakana.Sile vlakana u svakom lancu SMA žice zajedno stvaraju mišićnu silu za aktiviranje, kao što je prikazano na slici 9e.Zbog prisustva nagibne opruge, ukupna mišićna sila N-tog višeslojnog aktuatora je:
Zamjenom \(N = 1\) u jednačinu (7), mišićna snaga prototipa bimodalnog pogona prve faze može se dobiti na sljedeći način:
gdje je n broj unimodalnih nogu, \(F_m\) je mišićna sila koju generiše pogon, \(F_f\) je snaga vlakna u SMA žici, \(K_x\) je krutost prednapona.opruga, \(\alpha\) je ugao trougla, \(x_0\) je početni pomak prednaponske opruge koja drži SMA kabl u prethodno zategnutom položaju, a \(\Delta x\) je hod aktuatora.
Ukupni pomak ili kretanje pogona (\(\Delta x\)) u zavisnosti od napona (\(\sigma\)) i naprezanja (\(\epsilon\)) na SMA žici N-og stepena, pogon je podešen na (vidi sl. dodatni dio izlaza):
Kinematske jednadžbe daju odnos između deformacije pogona (\(\epsilon\)) i pomaka ili pomaka (\(\Delta x\)).Deformacija Arb žice kao funkcija početne dužine Arb žice (\(l_0\)) i dužine žice (l) u bilo kojem trenutku t u jednoj unimodalnoj grani je sljedeća:
gdje se \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) dobija primjenom kosinusne formule u \(\Delta\)ABB ', kao što je prikazano na slici 8. Za pogon prvog stepena (\el)), \(N =\ta je \(N = \\) \(\alpha _1\) je \(\alpha \) kao što je prikazano na Kako je prikazano na slici 8, razlikovanjem vremena od jednačine (11) i zamjenom vrijednosti l, brzina deformacije se može napisati kao:
gdje je \(l_0\) početna dužina SMA žice, l je dužina žice u bilo kojem trenutku t u jednoj unimodalnoj grani, \(\epsilon\) je deformacija razvijena u SMA žici, a \(\alpha \) je ugao trokuta, \(\Delta x\) je pomak pogona (kao što je prikazano na slici 8).
Svih n jednovrhnih struktura (\(n=6\) na ovoj slici) su povezane u seriju sa \(V_{in}\) kao ulaznim naponom.Faza I: Šematski dijagram SMA žice u bimodalnoj konfiguraciji pod uslovima nultog napona Faza II: Prikazana je kontrolirana struktura gdje je SMA žica komprimirana zbog inverzne konverzije, kao što je prikazano crvenom linijom.
Kao dokaz koncepta, razvijen je bimodalni pogon zasnovan na SMA kako bi se testiralo simulirano izvođenje osnovnih jednačina s eksperimentalnim rezultatima.CAD model bimodalnog linearnog aktuatora prikazan je na sl.9a.S druge strane, na sl.9c prikazuje novi dizajn predložen za rotacijsko prizmatičnu vezu koristeći dvoravni SMA aktuator sa bimodalnom strukturom.Komponente pogona su proizvedene aditivnom proizvodnjom na Ultimaker 3 Extended 3D štampaču.Materijal koji se koristi za 3D štampanje komponenti je polikarbonat koji je pogodan za materijale otporne na toplotu jer je jak, izdržljiv i ima visoku temperaturu prelaska stakla (110-113 \(^{\circ }\) C).Dodatno, Dynalloy, Inc. Flexinol žica od legure sa memorijom oblika korištena je u eksperimentima, a svojstva materijala koja odgovaraju Flexinol žici su korištena u simulacijama.Višestruke SMA žice su raspoređene kao vlakna prisutna u bimodalnom rasporedu mišića kako bi se dobile velike sile koje proizvode višeslojni aktuatori, kao što je prikazano na slici 9b, d.
Kao što je prikazano na slici 9a, akutni ugao koji formira SMA žica pokretnog kraka naziva se ugao (\(\alpha\)).Sa terminalnim stezaljkama pričvršćenim na lijevu i desnu stezaljku, SMA žica se drži pod željenim bimodalnim kutom.Uređaj opruge za prednapon koji se drži na konektoru opruge je dizajniran da prilagodi različite grupe produžetaka opruge za prednapon prema broju (n) SMA vlakana.Osim toga, lokacija pokretnih dijelova je dizajnirana tako da je SMA žica izložena vanjskom okruženju radi hlađenja prisilnom konvekcijom.Gornja i donja ploča odvojivog sklopa pomažu u održavanju SMA žice hladnom sa ekstrudiranim izrezima dizajniranim da smanje težinu.Osim toga, oba kraja CMA žice su fiksirana na lijevi i desni terminal, respektivno, pomoću crip-a.Klip je pričvršćen na jedan kraj pokretnog sklopa kako bi se održao razmak između gornje i donje ploče.Klip se također koristi za primjenu sile blokiranja na senzor preko kontakta za mjerenje sile blokiranja kada se SMA žica aktivira.
Bimodalna mišićna struktura SMA je električno povezana serijski i napaja se ulaznim impulsnim naponom.Tokom ciklusa naponskog impulsa, kada se primeni napon i SMA žica se zagreje iznad početne temperature austenita, dužina žice u svakom lancu se skraćuje.Ovo uvlačenje aktivira podsklop pokretne ruke.Kada je napon u istom ciklusu bio nula, zagrijana SMA žica se ohladila ispod temperature martenzitne površine, čime se vratila u prvobitni položaj.U uslovima nultog naprezanja, SMA žica se prvo pasivno rasteže uz pomoć prednaponske opruge da bi dostigla razdvojeno martenzitno stanje.Vijak kroz koji prolazi SMA žica pomiče se zbog kompresije nastale primjenom naponskog impulsa na SMA žicu (SPA dolazi do austenitne faze), što dovodi do aktiviranja pokretne poluge.Kada se SMA žica uvuče, opruga stvara suprotnu silu daljnjim istezanjem opruge.Kada napon u impulsnom naponu postane nula, SMA žica se izdužuje i mijenja svoj oblik zbog prisilnog hlađenja konvekcijom, dostižući dvostruku martenzitnu fazu.
Predloženi sistem linearnog aktuatora baziran na SMA ima bimodalnu konfiguraciju u kojoj su SMA žice pod uglom.(a) prikazuje CAD model prototipa, koji spominje neke od komponenti i njihova značenja za prototip, (b, d) predstavlja razvijeni eksperimentalni prototip35.Dok (b) prikazuje pogled odozgo na prototip sa električnim priključcima i upotrijebljenim oprugama i mjeračima naprezanja, (d) prikazuje perspektivni pogled na postavljanje.(e) Dijagram linearnog sistema aktiviranja sa SMA žicama postavljenim bimodalno u bilo koje vrijeme t, koji pokazuje smjer i tok vlakana i mišićne snage.(c) Predložena je 2-DOF rotaciona prizmatična veza za postavljanje aktuatora baziranog na SMA u dvije ravni.Kao što je prikazano, veza prenosi linearno kretanje od donjeg pogona do gornje ruke, stvarajući rotirajuću vezu.S druge strane, kretanje para prizmi je isto kao i kretanje višeslojnog pogona prve faze.
Eksperimentalna studija je sprovedena na prototipu prikazanom na slici 9b da bi se procenile performanse bimodalnog pogona zasnovanog na SMA.Kao što je prikazano na slici 10a, eksperimentalna postavka se sastojala od programabilnog istosmjernog napajanja za napajanje ulaznog napona na SMA žice.Kao što je prikazano na sl.10b, piezoelektrični mjerač deformacije (PACEline CFT/5kN) korišten je za mjerenje sile blokiranja pomoću Graphtec GL-2000 data logera.Podatke snima domaćin radi daljeg proučavanja.Mjerač naprezanja i pojačala naboja zahtijevaju konstantno napajanje za proizvodnju signala napona.Odgovarajući signali se pretvaraju u izlazne snage u skladu s osjetljivošću senzora piezoelektrične sile i drugim parametrima kao što je opisano u Tabeli 2. Kada se primijeni impuls napona, temperatura SMA žice se povećava, uzrokujući kompresiju SMA žice, što uzrokuje da aktuator stvara silu.Eksperimentalni rezultati izlazne mišićne snage impulsom ulaznog napona od 7 V prikazani su na sl.2a.
(a) Sistem linearnog aktuatora baziran na SMA postavljen je u eksperimentu za mjerenje sile koju stvara aktuator.Merna ćelija mjeri silu blokiranja i napaja se 24 V DC napajanjem.Pad napona od 7 V primijenjen je duž cijele dužine kabela korištenjem GW Instek programabilnog DC napajanja.SMA žica se skuplja zbog topline, a pokretna ruka dolazi u kontakt sa mjernom ćelijom i vrši silu blokiranja.Merna ćelija je povezana na GL-2000 data logger i podaci se pohranjuju na host za dalju obradu.(b) Dijagram koji prikazuje lanac komponenti eksperimentalne postavke za mjerenje mišićne snage.
Legure sa memorijom oblika pobuđuju se toplotnom energijom, tako da temperatura postaje važan parametar za proučavanje fenomena memorije oblika.Eksperimentalno, kao što je prikazano na slici 11a, mjerenja termičke slike i temperature izvedena su na prototipu divaleratnog aktuatora baziranog na SMA.Programabilni izvor jednosmjerne struje primijenio je ulazni napon na SMA žice u eksperimentalnoj postavci, kao što je prikazano na slici 11b.Promjena temperature SMA žice mjerena je u realnom vremenu pomoću LWIR kamere visoke rezolucije (FLIR A655sc).Domaćin koristi softver ResearchIR za snimanje podataka za dalju naknadnu obradu.Kada se primeni impuls napona, temperatura SMA žice se povećava, uzrokujući da se SMA žica skuplja.Na sl.Slika 2b prikazuje eksperimentalne rezultate temperature SMA žice u odnosu na vrijeme za impuls ulaznog napona od 7 V.
Vrijeme objave: Sep-28-2022