Gràcies per visitar Nature.com.La versió del navegador que utilitzeu té un suport CSS limitat.Per obtenir la millor experiència, us recomanem que utilitzeu un navegador actualitzat (o desactiveu el mode de compatibilitat a Internet Explorer).Mentrestant, per garantir un suport continuat, renderitzarem el lloc sense estils ni JavaScript.
Els actuadors s'utilitzen a tot arreu i creen un moviment controlat aplicant la força o el parell d'excitació correctes per realitzar diverses operacions en la fabricació i l'automatització industrial.La necessitat d'accionaments més ràpids, petits i eficients està impulsant la innovació en el disseny d'accionaments.Les unitats d'aliatge de memòria de forma (SMA) ofereixen una sèrie d'avantatges respecte a les unitats convencionals, inclosa una alta relació potència-pes.En aquesta tesi, es va desenvolupar un actuador basat en SMA de dues plomes que combina els avantatges dels músculs plomosos dels sistemes biològics i les propietats úniques dels SMA.Aquest estudi explora i amplia els actuadors SMA anteriors desenvolupant un model matemàtic del nou actuador basat en la disposició bimodal de cables SMA i provant-lo experimentalment.En comparació amb les unitats conegudes basades en SMA, la força d'accionament de la nova unitat és almenys 5 vegades més gran (fins a 150 N).La pèrdua de pes corresponent és d'un 67%.Els resultats de l'anàlisi de sensibilitat dels models matemàtics són útils per ajustar els paràmetres de disseny i comprendre els paràmetres clau.Aquest estudi presenta a més una unitat d'etapa N de diversos nivells que es pot utilitzar per millorar encara més la dinàmica.Els actuadors musculars dipvalerats basats en SMA tenen una àmplia gamma d'aplicacions, des de l'automatització d'edificis fins a sistemes d'administració de fàrmacs de precisió.
Els sistemes biològics, com les estructures musculars dels mamífers, poden activar molts actuadors subtils1.Els mamífers tenen diferents estructures musculars, cadascuna amb un propòsit específic.Tanmateix, gran part de l'estructura del teixit muscular dels mamífers es pot dividir en dues grans categories.Paral·lel i pennat.En els isquiotibials i altres flexors, com el seu nom indica, la musculatura paral·lela té fibres musculars paral·leles al tendó central.La cadena de fibres musculars està alineada i connectada funcionalment pel teixit connectiu que les envolta.Tot i que es diu que aquests músculs tenen una gran excursió (percentatge d'escurçament), la seva força muscular general és molt limitada.En canvi, al múscul tríceps del panxell2 (gastrocnemi lateral (GL)3, gastrocnemi medial (GM)4 i sòleo (SOL)) i extensor femoral (quadriceps)5,6 es troba teixit muscular pinnat a cada múscul7.En una estructura pinnada, les fibres musculars de la musculatura bipennada estan presents a ambdós costats del tendó central en angles oblics (angles pinnats).Pennat prové de la paraula llatina “penna”, que significa “bolígraf”, i, com es mostra a la fig.1 té un aspecte de ploma.Les fibres dels músculs pinnats són més curtes i angulades amb l'eix longitudinal del múscul.A causa de l'estructura pinnada, la mobilitat global d'aquests músculs es redueix, la qual cosa condueix als components transversals i longitudinals del procés d'escurçament.D'altra banda, l'activació d'aquests músculs condueix a una força muscular general més alta a causa de la forma en què es mesura l'àrea transversal fisiològica.Per tant, per a una àrea de secció transversal determinada, els músculs pennats seran més forts i generaran forces més altes que els músculs amb fibres paral·leles.Les forces generades per fibres individuals generen forces musculars a nivell macroscòpic en aquest teixit muscular.A més, té propietats úniques com la contracció ràpida, la protecció contra danys per tracció, l'amortiment.Transforma la relació entre l'entrada de fibra i la sortida de la potència muscular aprofitant les característiques úniques i la complexitat geomètrica de la disposició de les fibres associades a les línies d'acció muscular.
Es mostren diagrames esquemàtics dels dissenys d'actuadors basats en SMA existents en relació amb una arquitectura muscular bimodal, per exemple (a), que representen la interacció de la força tàctil en què un dispositiu en forma de mà accionat per cables SMA està muntat en un robot mòbil autònom de dues rodes9,10., (b) Pròtesi orbital robòtica amb pròtesi orbital SMA amb molla col·locada de manera antagònica.La posició de l'ull protèsic està controlada per un senyal del múscul ocular de l'ull11, (c) Els actuadors SMA són ideals per a aplicacions submarines a causa de la seva resposta d'alta freqüència i baix ample de banda.En aquesta configuració, els actuadors SMA s'utilitzen per crear moviment d'ona simulant el moviment dels peixos, (d) Els actuadors SMA s'utilitzen per crear un robot d'inspecció de micro canonades que pot utilitzar el principi de moviment del cuc de polzades, controlat pel moviment de cables SMA dins del canal 10, (e) mostra la direcció de la contracció de les fibres musculars i genera força contràctil en el teixit gastrocnemi en forma de fibres musculars SMA, en forma de teixit muscular. estructura muscular.
Els actuadors s'han convertit en una part important dels sistemes mecànics a causa de la seva àmplia gamma d'aplicacions.Per tant, la necessitat d'unitats més petites, ràpides i eficients esdevé crítica.Malgrat els seus avantatges, les unitats tradicionals han demostrat que són cares i requereixen temps de manteniment.Els actuadors hidràulics i pneumàtics són complexos i cars i estan subjectes a desgast, problemes de lubricació i fallades dels components.En resposta a la demanda, l'enfocament se centra en el desenvolupament d'actuadors rendibles, optimitzats per la mida i avançats basats en materials intel·ligents.La investigació en curs està buscant actuadors en capes d'aliatge de memòria de forma (SMA) per satisfer aquesta necessitat.Els actuadors jeràrquics són únics perquè combinen molts actuadors discrets en subsistemes d'escala macro geomètricament complexos per proporcionar una funcionalitat augmentada i ampliada.En aquest sentit, el teixit muscular humà descrit anteriorment proporciona un excel·lent exemple multicapa d'aquesta actuació multicapa.L'estudi actual descriu una unitat SMA multinivell amb diversos elements d'accionament individuals (fills SMA) alineats amb les orientacions de la fibra presents als músculs bimodals, cosa que millora el rendiment global de la unitat.
L'objectiu principal d'un actuador és generar potència mecànica com ara força i desplaçament mitjançant la conversió d'energia elèctrica.Els aliatges amb memòria de forma són una classe de materials "intel·ligents" que poden restaurar la seva forma a altes temperatures.Sota càrregues elevades, un augment de la temperatura del cable SMA condueix a la recuperació de la forma, donant lloc a una densitat d'energia d'actuació més alta en comparació amb diversos materials intel·ligents connectats directament.Al mateix temps, sota càrregues mecàniques, els SMA es tornen trencadissos.En determinades condicions, una càrrega cíclica pot absorbir i alliberar energia mecànica, mostrant canvis de forma histerètics reversibles.Aquestes propietats úniques fan que SMA sigui ideal per a sensors, amortiment de vibracions i sobretot actuadors12.Tenint això en compte, hi ha hagut molta investigació sobre les unitats basades en SMA.Cal tenir en compte que els actuadors basats en SMA estan dissenyats per proporcionar moviment de translació i rotació per a una varietat d'aplicacions13,14,15.Tot i que s'han desenvolupat alguns actuadors rotatius, els investigadors estan especialment interessats en els actuadors lineals.Aquests actuadors lineals es poden dividir en tres tipus d'actuadors: actuadors unidimensionals, de desplaçament i diferencials 16 .Inicialment, les unitats híbrides es van crear en combinació amb SMA i altres unitats convencionals.Un exemple d'un actuador lineal híbrid basat en SMA és l'ús d'un cable SMA amb un motor de corrent continu per proporcionar una força de sortida d'uns 100 N i un desplaçament significatiu17.
Un dels primers desenvolupaments en unitats basades completament en SMA va ser la unitat paral·lela SMA.Utilitzant diversos cables SMA, la unitat paral·lela basada en SMA està dissenyada per augmentar la capacitat de potència de la unitat col·locant tots els cables SMA18 en paral·lel.La connexió en paral·lel dels actuadors no només requereix més potència, sinó que també limita la potència de sortida d'un sol cable.Un altre desavantatge dels actuadors basats en SMA és el recorregut limitat que poden aconseguir.Per resoldre aquest problema, es va crear un feix de cable SMA que contenia un feix flexible desviat per augmentar el desplaçament i aconseguir un moviment lineal, però no va generar forces més elevades19.Estructures i teixits deformables suaus per a robots basats en aliatges amb memòria de forma s'han desenvolupat principalment per a l'amplificació d'impacte20,21,22.Per a aplicacions on es requereixen altes velocitats, s'han informat bombes compactes accionades que utilitzen SMA de pel·lícula fina per a aplicacions impulsades per microbombes23.La freqüència de conducció de la membrana SMA de pel·lícula fina és un factor clau per controlar la velocitat del conductor.Per tant, els motors lineals SMA tenen una millor resposta dinàmica que els motors de molla o varetes SMA.La robòtica suau i la tecnologia de presa són dues altres aplicacions que utilitzen actuadors basats en SMA.Per exemple, per substituir l'actuador estàndard utilitzat a la pinça espacial de 25 N, es va desenvolupar un actuador paral·lel 24 d'aliatge de memòria de forma.En un altre cas, es va fabricar un actuador tou SMA a partir d'un cable amb una matriu incrustada capaç de produir una força de tracció màxima de 30 N. A causa de les seves propietats mecàniques, els SMA també s'utilitzen per produir actuadors que imiten fenòmens biològics.Un d'aquests desenvolupaments inclou un robot de 12 cèl·lules que és un biomimètic d'un organisme semblant a un cuc de terra amb SMA per generar un moviment sinusoïdal per disparar26,27.
Com s'ha esmentat anteriorment, hi ha un límit a la força màxima que es pot obtenir dels actuadors existents basats en SMA.Per abordar aquest problema, aquest estudi presenta una estructura muscular bimodal biomimètica.Impulsat per filferro d'aliatge amb memòria de forma.Proporciona un sistema de classificació que inclou diversos cables d'aliatge amb memòria de forma.Fins ara, no s'ha informat a la literatura d'actuadors basats en SMA amb una arquitectura similar.Aquest sistema únic i nou basat en SMA es va desenvolupar per estudiar el comportament de l'SMA durant l'alineació muscular bimodal.En comparació amb els actuadors basats en SMA existents, l'objectiu d'aquest estudi era crear un actuador de dipvalerat biomimètic per generar forces significativament més altes en un volum petit.En comparació amb els accionaments de motor pas a pas convencionals utilitzats en sistemes d'automatització i control d'edificis HVAC, el disseny d'accionament bimodal proposat basat en SMA redueix el pes del mecanisme d'accionament en un 67%.A continuació, els termes "múscul" i "impuls" s'utilitzen indistintament.Aquest estudi investiga la simulació multifísica d'aquesta unitat.El comportament mecànic d'aquests sistemes s'ha estudiat mitjançant mètodes experimentals i analítics.Les distribucions de força i temperatura es van investigar més a un voltatge d'entrada de 7 V. Posteriorment, es va realitzar una anàlisi paramètrica per entendre millor la relació entre els paràmetres clau i la força de sortida.Finalment, s'han imaginat actuadors jeràrquics i s'han proposat efectes a nivell jeràrquic com a potencial àrea futura per als actuadors no magnètics per a aplicacions protèsiques.Segons els resultats dels estudis esmentats, l'ús d'una arquitectura d'una sola etapa produeix forces almenys quatre o cinc vegades més grans que els actuadors basats en SMA reportats.A més, s'ha demostrat que la mateixa força motriu generada per una unitat multinivell multinivell és més de deu vegades la de les unitats convencionals basades en SMA.A continuació, l'estudi informa dels paràmetres clau mitjançant l'anàlisi de sensibilitat entre diferents dissenys i variables d'entrada.La longitud inicial del cable SMA (\(l_0\)), l'angle pinnat (\(\alpha\)) i el nombre de fils individuals (n) a cada fil individual tenen un fort efecte negatiu en la magnitud de la força motriu.força, mentre que la tensió d'entrada (energia) va resultar positivament correlacionada.
El filferro SMA presenta l'efecte de memòria de forma (SME) vist a la família d'aliatges de níquel-titani (Ni-Ti).Normalment, els SMA presenten dues fases dependents de la temperatura: una fase de baixa temperatura i una fase d'alta temperatura.Ambdues fases tenen propietats úniques a causa de la presència de diferents estructures cristal·lines.En la fase d'austenita (fase d'alta temperatura) existent per sobre de la temperatura de transformació, el material presenta una gran resistència i es deforma poc sota càrrega.L'aliatge es comporta com l'acer inoxidable, de manera que és capaç de suportar pressions d'accionament més altes.Aprofitant aquesta propietat dels aliatges Ni-Ti, els cables SMA estan inclinats per formar un actuador.Es desenvolupen models analítics adequats per comprendre la mecànica fonamental del comportament tèrmic de l'SMA sota la influència de diversos paràmetres i diverses geometries.S'ha obtingut una bona concordança entre els resultats experimentals i analítics.
Es va realitzar un estudi experimental sobre el prototip que es mostra a la figura 9a per avaluar el rendiment d'una unitat bimodal basada en SMA.Dues d'aquestes propietats, la força generada per la unitat (força muscular) i la temperatura del cable SMA (temperatura SMA), es van mesurar experimentalment.A mesura que la diferència de tensió augmenta al llarg de tota la longitud del cable de la unitat, la temperatura del cable augmenta a causa de l'efecte d'escalfament Joule.La tensió d'entrada es va aplicar en dos cicles de 10 s (mostrats com a punts vermells a la figura 2a, b) amb un període de refredament de 15 s entre cada cicle.La força de bloqueig es va mesurar mitjançant un extensímetre piezoelèctric i es va controlar la distribució de la temperatura del cable SMA en temps real mitjançant una càmera LWIR d'alta resolució de grau científic (vegeu les característiques de l'equip utilitzat a la taula 2).mostra que durant la fase d'alta tensió, la temperatura del cable augmenta de manera monòtona, però quan no flueix corrent, la temperatura del cable continua baixant.A la configuració experimental actual, la temperatura del cable SMA va baixar durant la fase de refredament, però encara estava per sobre de la temperatura ambient.A la fig.La figura 2e mostra una instantània de la temperatura al cable SMA presa de la càmera LWIR.D'altra banda, a la fig.La figura 2a mostra la força de bloqueig generada pel sistema d'accionament.Quan la força muscular supera la força de restauració de la molla, el braç mòbil, com es mostra a la figura 9a, comença a moure's.Tan bon punt comença l'accionament, el braç mòbil entra en contacte amb el sensor, creant una força corporal, tal com es mostra a la fig.2c, d.Quan la temperatura màxima és propera a \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), la força màxima observada és de 105 N.
El gràfic mostra els resultats experimentals de la temperatura del cable SMA i la força generada per l'actuador bimodal basat en SMA durant dos cicles.La tensió d'entrada s'aplica en dos cicles de 10 segons (mostrats com a punts vermells) amb un període de refredament de 15 segons entre cada cicle.El cable SMA utilitzat per als experiments va ser un cable Flexinol de 0,51 mm de diàmetre de Dynalloy, Inc. (a) El gràfic mostra la força experimental obtinguda durant dos cicles, (c, d) mostra dos exemples independents de l'acció dels actuadors de braç mòbil en un transductor de força piezoelèctric PACEline CFT/5kN, (b) el gràfic de temperatura màxima durant els cicles mostra els dos cicles SMA fotografia presa des del cable SMA mitjançant la càmera LWIR del programari FLIR ResearchIR.Els paràmetres geomètrics que es tenen en compte en els experiments es mostren a la taula.un.
Els resultats de simulació del model matemàtic i els resultats experimentals es comparen sota la condició d'una tensió d'entrada de 7V, tal com es mostra a la Fig.5.Segons els resultats de l'anàlisi paramètrica i per evitar la possibilitat de sobreescalfament del cable SMA, es va subministrar a l'actuador una potència d'11,2 W.Es va utilitzar una font d'alimentació de CC programable per subministrar 7 V com a tensió d'entrada i es va mesurar un corrent d'1,6 A a través del cable.La força generada per l'accionament i la temperatura de l'SDR augmenten quan s'aplica corrent.Amb una tensió d'entrada de 7V, la força de sortida màxima obtinguda dels resultats de la simulació i dels resultats experimentals del primer cicle és de 78 N i 96 N, respectivament.En el segon cicle, la força de sortida màxima dels resultats de simulació i experimentals va ser de 150 N i 105 N, respectivament.La discrepància entre les mesures de la força d'oclusió i les dades experimentals pot ser deguda al mètode utilitzat per mesurar la força d'oclusió.Els resultats experimentals que es mostren a la fig.5a correspon a la mesura de la força de bloqueig, que al seu torn es va mesurar quan l'eix d'accionament estava en contacte amb el transductor de força piezoelèctric PACEline CFT/5kN, tal com es mostra a la fig.2s.Per tant, quan l'eix motriu no està en contacte amb el sensor de força al començament de la zona de refrigeració, la força es torna immediatament zero, tal com es mostra a la figura 2d.A més, altres paràmetres que afecten la formació de força en cicles posteriors són els valors del temps de refredament i el coeficient de transferència de calor convectiva en el cicle anterior.De la fig.2b, es pot veure que després d'un període de refredament de 15 segons, el cable SMA no va arribar a la temperatura ambient i, per tant, tenia una temperatura inicial més alta (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) en el segon cicle de conducció en comparació amb el primer cicle (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Així, en comparació amb el primer cicle, la temperatura del cable SMA durant el segon cicle d'escalfament arriba a la temperatura inicial d'austenita (\(A_s\)) abans i es manté en el període de transició més temps, donant lloc a tensió i força.D'altra banda, les distribucions de temperatura durant els cicles de calefacció i refrigeració obtingudes a partir d'experiments i simulacions tenen una gran similitud qualitativa amb exemples de l'anàlisi termogràfica.L'anàlisi comparativa de les dades tèrmiques de filferro SMA d'experiments i simulacions va mostrar consistència durant els cicles de calefacció i refrigeració i dins de toleràncies acceptables per a les dades experimentals.La temperatura màxima del cable SMA, obtinguda a partir dels resultats de la simulació i experiments del primer cicle, és \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) i \(75\,^{\circ }\hbox { C }\, respectivament), i en el segon cicle la temperatura màxima del cable SMA és \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) i \circ (94\,\)\h,\circ{^C }\ casella {C}\).El model desenvolupat fonamentalment confirma l'efecte de l'efecte de memòria de forma.El paper de la fatiga i el sobreescalfament no es va considerar en aquesta revisió.En el futur, el model es millorarà per incloure l'historial d'estrès del cable SMA, fent-lo més adequat per a aplicacions d'enginyeria.La força de sortida de l'accionament i els diagrames de temperatura SMA obtinguts del bloc Simulink es troben dins de les toleràncies permeses de les dades experimentals sota la condició d'un pols de tensió d'entrada de 7 V. Això confirma la correcció i la fiabilitat del model matemàtic desenvolupat.
El model matemàtic es va desenvolupar a l'entorn MathWorks Simulink R2020b utilitzant les equacions bàsiques descrites a la secció Mètodes.A la fig.La figura 3b mostra un diagrama de blocs del model matemàtic de Simulink.El model es va simular per a un pols de tensió d'entrada de 7 V tal com es mostra a la figura 2a, b.Els valors dels paràmetres utilitzats en la simulació es mostren a la Taula 1. Els resultats de la simulació de processos transitoris es presenten a les Figures 1 i 1. Figures 3a i 4. A la fig.La figura 4a,b mostra la tensió induïda al cable SMA i la força generada per l'actuador en funció del temps. Durant la transformació inversa (escalfament), quan la temperatura del cable SMA, \(T <A_s^{\prime}\) (temperatura inicial de la fase d'austenita modificada per l'estrès), la taxa de canvi de la fracció de volum de martensita (\(\dot{\xi }\)) serà zero. Durant la transformació inversa (escalfament), quan la temperatura del cable SMA, \(T <A_s^{\prime}\) (temperatura inicial de la fase d'austenita modificada per l'estrès), la taxa de canvi de la fracció de volum de martensita (\(\dot{\xi }\)) serà zero. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (тетустнай на фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\жением) скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\жением) скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot) фазы Durant la transformació inversa (escalfament), quan la temperatura del cable SMA, \(T <A_s^{\prime}\) (temperatura d'inici de l'austenita modificada per l'estrès), la taxa de canvi de la fracció de volum de martensita (\(\dot{\ xi }\ )) serà zero.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T <A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体秩奥氏体秩帩度氏体秩度氏体秩度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 ) Resultat de la simulació que mostra la distribució de la temperatura i la temperatura de la unió induïda per l'estrès en un actuador divalerat basat en SMA.Quan la temperatura del filferro creua la temperatura de transició de l'austenita en l'etapa de calefacció, la temperatura de transició de l'austenita modificada comença a augmentar i, de la mateixa manera, quan la temperatura del filferro creua la temperatura de transició martensítica a l'etapa de refredament, la temperatura de transició martensítica disminueix.SMA per a la modelització analítica del procés d'actuació.(Per obtenir una visió detallada de cada subsistema d'un model Simulink, consulteu la secció d'apèndix del fitxer suplementari.)
Els resultats de l'anàlisi per a diferents distribucions de paràmetres es mostren per a dos cicles de la tensió d'entrada de 7 V (cicles d'escalfament de 10 segons i cicles de refredament de 15 segons).Mentre que (ac) i (e) representen la distribució al llarg del temps, en canvi, (d) i (f) il·lustren la distribució amb la temperatura.Per a les condicions d'entrada respectives, la tensió màxima observada és de 106 MPa (menys de 345 MPa, força elàstica del cable), la força és de 150 N, el desplaçament màxim és de 270 µm i la fracció de volum martensítica mínima és de 0,91.D'altra banda, el canvi en l'estrès i el canvi en la fracció de volum de la martensita amb la temperatura són similars a les característiques de la histèresi.
La mateixa explicació s'aplica a la transformació directa (refrigerament) de la fase d'austenita a la fase de martensita, on la temperatura del fil SMA (T) i la temperatura final de la fase de martensita modificada per l'estrès (\(M_f^{\prime}\ )) és excel·lent.A la fig.La figura 4d,f mostra el canvi en l'estrès induït (\(\sigma\)) i la fracció de volum de martensita (\(\xi\)) al cable SMA en funció del canvi de temperatura del cable SMA (T), per als dos cicles de conducció.A la fig.La figura 3a mostra el canvi en la temperatura del cable SMA amb el temps en funció del pols de tensió d'entrada.Com es pot veure a la figura, la temperatura del cable continua augmentant proporcionant una font de calor a tensió zero i el posterior refredament per convecció.Durant l'escalfament, la retransformació de la martensita a la fase d'austenita comença quan la temperatura del fil SMA (T) creua la temperatura de nucleació de l'austenita corregida per l'estrès (\(A_s^{\prime}\)).Durant aquesta fase, el cable SMA es comprimeix i l'actuador genera força.També durant el refredament, quan la temperatura del cable SMA (T) creua la temperatura de nucleació de la fase de martensita modificada per l'estrès (\(M_s^{\prime}\)) hi ha una transició positiva de la fase d'austenita a la fase de martensita.la força motriu disminueix.
Els principals aspectes qualitatius de l'accionament bimodal basat en SMA es poden obtenir a partir dels resultats de la simulació.En el cas d'una entrada de pols de tensió, la temperatura del cable SMA augmenta a causa de l'efecte d'escalfament Joule.El valor inicial de la fracció de volum de martensita (\(\xi\)) s'estableix a 1, ja que el material es troba inicialment en una fase totalment martensítica.A mesura que el cable continua escalfant-se, la temperatura del cable SMA supera la temperatura de nucleació d'austenita corregida per l'estrès \(A_s^{\prime}\), donant lloc a una disminució de la fracció de volum de martensita, tal com es mostra a la figura 4c.A més, a la fig.4e mostra la distribució de les curses de l'actuador en el temps, i a la fig.5 – força motriu en funció del temps.Un sistema d'equacions relacionat inclou la temperatura, la fracció de volum de martensita i l'estrès que es desenvolupa al cable, donant lloc a la contracció del cable SMA i la força generada per l'actuador.Com es mostra a la fig.4d,f, la variació de tensió amb la temperatura i la variació de la fracció de volum de martensita amb la temperatura corresponen a les característiques d'histèresi de l'SMA en el cas simulat a 7 V.
La comparació dels paràmetres de conducció es va obtenir mitjançant experiments i càlculs analítics.Els cables es van sotmetre a una tensió d'entrada polsada de 7 V durant 10 segons, després es van refredar durant 15 segons (fase de refrigeració) durant dos cicles.L'angle pinnat s'estableix en \(40^{\circ}\) i la longitud inicial del cable SMA a cada pot de pin s'estableix en 83 mm.(a) Mesura de la força motriu amb una cèl·lula de càrrega (b) Monitorització de la temperatura del cable amb una càmera infraroja tèrmica.
Per tal d'entendre la influència dels paràmetres físics en la força produïda per l'accionament, es va realitzar una anàlisi de la sensibilitat del model matemàtic als paràmetres físics seleccionats i es van classificar els paràmetres segons la seva influència.En primer lloc, el mostreig dels paràmetres del model es va fer mitjançant principis de disseny experimental que seguien una distribució uniforme (vegeu la secció complementària sobre l'anàlisi de sensibilitat).En aquest cas, els paràmetres del model inclouen la tensió d'entrada (\(V_{in}\)), la longitud inicial del cable SMA (\(l_0\)), l'angle del triangle (\(\alpha\)), la constant de la molla de polarització (\(K_x\)), el coeficient de transferència de calor convectiva (\(h_T\)) i el nombre de branques unimodals (n).En el següent pas, es va triar la força muscular màxima com a requisit del disseny de l'estudi i es van obtenir els efectes paramètrics de cada conjunt de variables sobre la força.Els diagrames de tornado per a l'anàlisi de sensibilitat es van derivar dels coeficients de correlació per a cada paràmetre, tal com es mostra a la figura 6a.
(a) Els valors del coeficient de correlació dels paràmetres del model i el seu efecte sobre la força de sortida màxima de 2500 grups únics dels paràmetres del model anteriors es mostren a la gràfica del tornado.El gràfic mostra la correlació de rang de diversos indicadors.És clar que \(V_{in}\) és l'únic paràmetre amb una correlació positiva, i \(l_0\) és el paràmetre amb la correlació negativa més alta.L'efecte de diversos paràmetres en diverses combinacions sobre la força muscular màxima es mostra a (b, c).\(K_x\) oscil·la entre 400 i 800 N/m i n oscil·la entre 4 i 24. La tensió (\(V_{in}\)) va canviar de 4V a 10V, la longitud del cable (\(l_{0} \)) va canviar de 40 a 100 mm i l'angle de la cua (\ (\-{\circ}) va variar (\ (\\circ.)).
A la fig.La figura 6a mostra un diagrama de tornado de diversos coeficients de correlació per a cada paràmetre amb els requisits màxims de disseny de la força motriu.De la fig.A la figura 6a es pot veure que el paràmetre de tensió (\(V_{in}\)) està directament relacionat amb la força de sortida màxima, i el coeficient de transferència de calor convectiva (\(h_T\)), l'angle de la flama (\ ( \alpha\)), la constant de la molla de desplaçament ( \(K_x\)) està correlacionat negativament amb la força de sortida i la longitud inicial de la ramificació i el nombre de ramificació inicial (n) mostra una forta correlació inversa En el cas de correlació directa En el cas d'un valor més alt del coeficient de correlació de tensió (\(V_ {in}\)) indica que aquest paràmetre té el major efecte sobre la potència de sortida.Una altra anàlisi similar mesura la força màxima avaluant l'efecte de diferents paràmetres en diferents combinacions dels dos espais computacionals, tal com es mostra a la figura 6b, c.\(V_{in}\) i \(l_0\), \(\alpha\) i \(l_0\) tenen patrons similars, i el gràfic mostra que \(V_{in}\) i \(\alpha\ ) i \(\alpha\) tenen patrons similars.Valors més petits de \(l_0\) donen lloc a forces màximes més altes.Les altres dues gràfics són coherents amb la figura 6a, on n i \(K_x\) estan correlacionats negativament i \(V_{in}\) estan correlacionats positivament.Aquesta anàlisi ajuda a definir i ajustar els paràmetres d'influència mitjançant els quals la força de sortida, la carrera i l'eficiència del sistema d'accionament es poden adaptar als requisits i l'aplicació.
El treball de recerca actual introdueix i investiga les unitats jeràrquiques amb nivells N.En una jerarquia de dos nivells, com es mostra a la figura 7a, on en comptes de cada cable SMA de l'actuador de primer nivell, s'aconsegueix una disposició bimodal, tal com es mostra a la fig.9e.A la fig.La figura 7c mostra com el cable SMA s'enrotlla al voltant d'un braç mòbil (braç auxiliar) que només es mou en direcció longitudinal.Tanmateix, el braç mòbil primari continua movent-se de la mateixa manera que el braç mòbil de l'actuador multietapa de la primera etapa.Normalment, es crea una unitat d'etapa N substituint el cable SMA de l'etapa \(N-1\) per una unitat de primera etapa.Com a resultat, cada branca imita la unitat de la primera etapa, amb l'excepció de la branca que subjecta el propi cable.D'aquesta manera, es poden formar estructures imbricades que creen forces diverses vegades més grans que les forces dels accionaments primaris.En aquest estudi, per a cada nivell, es va tenir en compte una longitud de cable SMA efectiva total d'1 m, tal com es mostra en format tabular a la figura 7d.El corrent a través de cada cable en cada disseny unimodal i la pretensió i la tensió resultants a cada segment de cable SMA són els mateixos a cada nivell.Segons el nostre model analític, la força de sortida es correlaciona positivament amb el nivell, mentre que el desplaçament està correlacionat negativament.Al mateix temps, hi va haver un compromís entre el desplaçament i la força muscular.Com es veu a la fig.7b, mentre que la força màxima s'aconsegueix en el major nombre de capes, el major desplaçament s'observa a la capa més baixa.Quan el nivell de jerarquia es va establir a \(N=5\), es va trobar una força muscular màxima de 2,58 kN amb 2 cops observats \(\upmu\)m.D'altra banda, l'accionament de la primera etapa genera una força de 150 N amb una carrera de 277 \(\upmu\)m.Els actuadors de diversos nivells són capaços d'imitar els músculs biològics reals, on els músculs artificials basats en aliatges de memòria de forma són capaços de generar forces significativament més altes amb moviments precisos i fins.Les limitacions d'aquest disseny miniaturitzat són que a mesura que augmenta la jerarquia, el moviment es redueix molt i augmenta la complexitat del procés de fabricació de la unitat.
(a) Es mostra un sistema d'actuador lineal d'aliatge de memòria de forma de dues etapes (\(N=2\)) en capes en una configuració bimodal.El model proposat s'aconsegueix substituint el cable SMA de l'actuador en capes de la primera etapa per un altre actuador en capes d'una sola etapa.(c) Configuració deformada de l'actuador multicapa de la segona etapa.(b) Es descriu la distribució de forces i desplaçaments en funció del nombre de nivells.S'ha trobat que la força màxima de l'actuador es correlaciona positivament amb el nivell d'escala del gràfic, mentre que la carrera està correlacionada negativament amb el nivell d'escala.El corrent i la pretensió de cada cable es mantenen constants a tots els nivells.(d) La taula mostra el nombre d'aixetes i la longitud del cable SMA (fibra) a cada nivell.Les característiques dels cables s'indiquen amb l'índex 1 i el nombre de branques secundàries (una connectada a la pota primària) s'indica amb el nombre més gran del subíndex.Per exemple, al nivell 5, \(n_1\) es refereix al nombre de cables SMA presents a cada estructura bimodal, i \(n_5\) es refereix al nombre de potes auxiliars (un connectat a la pota principal).
Molts investigadors han proposat diversos mètodes per modelar el comportament dels SMA amb memòria de forma, que depenen de les propietats termomecàniques que acompanyen els canvis macroscòpics en l'estructura cristal·lina associats a la transició de fase.La formulació de mètodes constitutius és intrínsecament complexa.El model fenomenològic més utilitzat és el proposat per Tanaka28 i s'utilitza àmpliament en aplicacions d'enginyeria.El model fenomenològic proposat per Tanaka [28] suposa que la fracció de volum de martensita és una funció exponencial de la temperatura i l'estrès.Més tard, Liang i Rogers29 i Brinson30 van proposar un model en el qual es va suposar que la dinàmica de transició de fase era una funció cosinus de la tensió i la temperatura, amb lleugeres modificacions al model.Becker i Brinson van proposar un model cinètic basat en diagrames de fases per modelar el comportament dels materials SMA en condicions de càrrega arbitràries, així com en transicions parcials.Banerjee32 utilitza el mètode de dinàmica del diagrama de fase Bekker i Brinson31 per simular un manipulador d'un sol grau de llibertat desenvolupat per Elahinia i Ahmadian33.Els mètodes cinètics basats en diagrames de fases, que tenen en compte el canvi no monòton de la tensió amb la temperatura, són difícils d'implementar en aplicacions d'enginyeria.Elakhinia i Ahmadian criden l'atenció sobre aquestes deficiències dels models fenomenològics existents i proposen un model fenomenològic estès per analitzar i definir el comportament de la memòria de forma en qualsevol condició de càrrega complexa.
El model estructural del cable SMA dóna tensió (\(\sigma\)), tensió (\(\epsilon\)), temperatura (T) i fracció de volum de martensita (\(\xi\)) del cable SMA.El model constitutiu fenomenològic va ser proposat per primera vegada per Tanaka28 i posteriorment adoptat per Liang29 i Brinson30.La derivada de l'equació té la forma:
on E és el mòdul de Young de SMA dependent de la fase obtingut utilitzant \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) i \(E_A\) i \(E_M\) que representen el mòdul de Young són fases austenítiques i martensítiques, respectivament, i el coeficient d'expansió tèrmica està representat per \_T\.El factor de contribució de transició de fase és \(\Omega = -E \epsilon _L\) i \(\epsilon _L\) és la deformació màxima recuperable al cable SMA.
L'equació de dinàmica de fase coincideix amb la funció cosinus desenvolupada per Liang29 i adoptada posteriorment per Brinson30 en lloc de la funció exponencial proposada per Tanaka28.El model de transició de fase és una extensió del model proposat per Elakhinia i Ahmadian34 i modificat en funció de les condicions de transició de fase donades per Liang29 i Brinson30.Les condicions utilitzades per a aquest model de transició de fase són vàlides sota càrregues termomecàniques complexes.En cada moment de temps, el valor de la fracció de volum de martensita es calcula quan es modela l'equació constitutiva.
L'equació de retransformació que governa, expressada per la transformació de martensita a austenita en condicions de calefacció, és la següent:
on \(\xi\) és la fracció de volum de martensita, \(\xi _M\) és la fracció de volum de martensita obtinguda abans de l'escalfament, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ (\displaystyle b_A = -a_A/C_A\) i \(C_A\) – corba de paràmetres, temperatura, T_A\) i aproximació \(C_A\) – aproximació de paràmetres, T_A\ f\) - inici i final de la fase d'austenita, respectivament, temperatura.
L'equació de control de transformació directa, representada per la transformació de fase d'austenita a martensita en condicions de refredament, és:
on \(\xi _A\) és la fracció de volum de martensita obtinguda abans del refredament, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s - M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) i \ (C_M \) - paràmetres d'ajustament a la corba, T - temperatura del cable SMA, \) - temperatura final, \) -M_s, respectivament, temperatura final, \) -M__f\)
Després de diferenciar les equacions (3) i (4), les equacions de transformació inversa i directa es simplifiquen a la forma següent:
Durant la transformació cap endavant i cap enrere \(\eta _{\sigma}\) i \(\eta _{T}\) prenen valors diferents.Les equacions bàsiques associades a \(\eta _{\sigma}\) i \(\eta _{T}\) s'han derivat i discutit amb detall en una secció addicional.
L'energia tèrmica necessària per augmentar la temperatura del cable SMA prové de l'efecte d'escalfament Joule.L'energia tèrmica absorbida o alliberada pel cable SMA està representada per la calor latent de transformació.La pèrdua de calor al cable SMA es deu a la convecció forçada i, donat l'efecte insignificant de la radiació, l'equació del balanç d'energia tèrmica és la següent:
On \(m_{filfer}\) és la massa total del cable SMA, \(c_{p}\) és la capacitat calorífica específica de l'SMA, \(V_{in}\) és la tensió aplicada al cable, \(R_{ohm} \ ) – resistència dependent de la fase SMA, definida com;\(R_{ohm} = (l/A_{creu})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) on \(r_M\ ) i \(r_A\) són la resistivitat de fase SMA en martensita i austenita, respectivament, \(A_{c}\) és l'àrea superficial de la memòria de forma SMA \(\D)La calor latent de transició del cable, T i \(T_{\infty}\) són les temperatures del cable SMA i de l'entorn, respectivament.
Quan s'acciona un cable d'aliatge amb memòria de forma, el cable es comprimeix, creant una força a cada branca del disseny bimodal anomenada força de fibra.Les forces de les fibres de cada fil del cable SMA juntes creen la força muscular per accionar, tal com es mostra a la figura 9e.A causa de la presència d'una molla de polarització, la força muscular total de l'actuador multicapa enèsimo és:
Substituint \(N = 1\) a l'equació (7), la força muscular del prototip d'accionament bimodal de la primera etapa es pot obtenir de la següent manera:
on n és el nombre de potes unimodals, \(F_m\) és la força muscular generada per la unitat, \(F_f\) és la força de la fibra al cable SMA, \(K_x\) és la rigidesa de biaix.molla, \(\alpha\) és l'angle del triangle, \(x_0\) és el desplaçament inicial de la molla de polarització per mantenir el cable SMA en la posició pretensada i \(\Delta x\) és el recorregut de l'actuador.
El desplaçament o moviment total de la unitat (\(\Delta x\)) depenent de la tensió (\(\sigma\)) i la tensió (\(\epsilon\)) al cable SMA de l'etapa N, la unitat està configurada a (vegeu la fig. part addicional de la sortida):
Les equacions cinemàtiques donen la relació entre la deformació de la unitat (\(\epsilon\)) i el desplaçament o desplaçament (\(\Delta x\)).La deformació del cable Arb en funció de la longitud inicial del cable Arb (\(l_0\)) i la longitud del cable (l) en qualsevol moment t en una branca unimodal és la següent:
on \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) s'obté aplicant la fórmula del cosinus a \(\Delta\)ABB ', tal com es mostra a la figura 8. Per a la unitat de la primera etapa (\(N = 1\el\)), (\(N = 1\el\el)),\(Delta\el) _1\) és \(\alpha \) tal com es mostra a la figura 8, diferenciant el temps de l'equació (11) i substituint el valor de l, la velocitat de deformació es pot escriure com:
on \(l_0\) és la longitud inicial del cable SMA, l és la longitud del cable en qualsevol moment t en una branca unimodal, \(\epsilon\) és la deformació desenvolupada al cable SMA i \(\alpha \) és l'angle del triangle, \(\Delta x\) és el desplaçament de la unitat (com es mostra a la figura 8).
Totes les n estructures d'un pic (\(n=6\) en aquesta figura) estan connectades en sèrie amb \(V_{in}\) com a tensió d'entrada.Etapa I: Diagrama esquemàtic del cable SMA en una configuració bimodal en condicions de tensió zero. Etapa II: Es mostra una estructura controlada on el cable SMA es comprimeix a causa de la conversió inversa, tal com mostra la línia vermella.
Com a prova de concepte, es va desenvolupar una unitat bimodal basada en SMA per provar la derivació simulada de les equacions subjacents amb resultats experimentals.El model CAD de l'actuador lineal bimodal es mostra a la fig.9a.D'altra banda, a la fig.La figura 9c mostra un nou disseny proposat per a una connexió prismàtica rotacional mitjançant un actuador basat en SMA de dos plans amb una estructura bimodal.Els components de la unitat es van fabricar mitjançant la fabricació additiva en una impressora 3D Ultimaker 3 Extended.El material utilitzat per a la impressió 3D de components és el policarbonat, adequat per a materials resistents a la calor, ja que és fort, durador i té una temperatura de transició vítrea elevada (110-113 \(^{\circ }\) C).A més, en els experiments es va utilitzar filferro d'aliatge amb memòria de forma Flexinol de Dynalloy, Inc. i en les simulacions es van utilitzar les propietats del material corresponents al cable Flexinol.Diversos cables SMA estan disposats com a fibres presents en una disposició bimodal dels músculs per obtenir les forces elevades produïdes pels actuadors multicapa, tal com es mostra a la figura 9b, d.
Com es mostra a la figura 9a, l'angle agut format pel cable SMA del braç mòbil s'anomena angle (\(\alpha\)).Amb les pinces terminals connectades a les pinces esquerra i dreta, el cable SMA es manté a l'angle bimodal desitjat.El dispositiu de molla de polarització subjectat al connector de molla està dissenyat per ajustar els diferents grups d'extensió de molla de polarització segons el nombre (n) de fibres SMA.A més, la ubicació de les peces mòbils està dissenyada de manera que el cable SMA estigui exposat a l'entorn extern per a la refrigeració per convecció forçada.Les plaques superior i inferior del conjunt desmuntable ajuden a mantenir fresc el cable SMA amb retalls extruïts dissenyats per reduir el pes.A més, els dos extrems del cable CMA es fixen als terminals esquerre i dret, respectivament, mitjançant un enganxat.Un pistó està connectat a un extrem del conjunt mòbil per mantenir l'espai lliure entre les plaques superior i inferior.L'èmbol també s'utilitza per aplicar una força de bloqueig al sensor mitjançant un contacte per mesurar la força de bloqueig quan s'acciona el cable SMA.
L'estructura muscular bimodal SMA està connectada elèctricament en sèrie i alimentada per una tensió de pols d'entrada.Durant el cicle de pols de tensió, quan s'aplica tensió i el cable SMA s'escalfa per sobre de la temperatura inicial de l'austenita, la longitud del cable de cada fil s'escurça.Aquesta retracció activa el subconjunt del braç mòbil.Quan la tensió es va posar a zero en el mateix cicle, el cable SMA escalfat es va refredar per sota de la temperatura de la superfície de la martensita, tornant així a la seva posició original.En condicions d'estrès zero, primer s'estira passivament el cable SMA per una molla de polarització per arribar a l'estat martensític desvinculat.El cargol, pel qual passa el cable SMA, es mou a causa de la compressió creada aplicant un pols de tensió al cable SMA (SPA arriba a la fase d'austenita), que condueix a l'accionament de la palanca mòbil.Quan el cable SMA es retreu, la molla de polarització crea una força oposada estirant encara més la molla.Quan la tensió en la tensió d'impuls es torna zero, el cable SMA s'allarga i canvia de forma a causa del refredament per convecció forçada, arribant a una fase martensítica doble.
El sistema d'actuador lineal basat en SMA proposat té una configuració bimodal en què els cables SMA estan inclinats.(a) representa un model CAD del prototip, que esmenta alguns dels components i els seus significats per al prototip, (b, d) representen el prototip experimental desenvolupat35.Mentre que (b) mostra una vista superior del prototip amb connexions elèctriques i molles de polarització i calibres de tensió utilitzats, (d) mostra una vista en perspectiva de la configuració.(e) Esquema d'un sistema d'accionament lineal amb cables SMA col·locats bimodalment en qualsevol moment t, que mostra la direcció i el curs de la fibra i la força muscular.(c) S'ha proposat una connexió prismàtica rotacional de 2 DOF per desplegar un actuador basat en SMA de dos plans.Com es mostra, l'enllaç transmet el moviment lineal des de la unitat inferior fins al braç superior, creant una connexió rotativa.D'altra banda, el moviment del parell de prismes és el mateix que el moviment de la unitat multicapa de la primera etapa.
Es va realitzar un estudi experimental sobre el prototip que es mostra a la figura 9b per avaluar el rendiment d'una unitat bimodal basada en SMA.Tal com es mostra a la figura 10a, la configuració experimental consistia en una font d'alimentació de CC programable per subministrar tensió d'entrada als cables SMA.Com es mostra a la fig.A la figura 10b, es va utilitzar un extensímetre piezoelèctric (PACEline CFT/5kN) per mesurar la força de bloqueig mitjançant un registrador de dades Graphtec GL-2000.L'amfitrió enregistra les dades per a un posterior estudi.Els extensometres i els amplificadors de càrrega requereixen una font d'alimentació constant per produir un senyal de tensió.Els senyals corresponents es converteixen en sortides de potència d'acord amb la sensibilitat del sensor de força piezoelèctric i altres paràmetres tal com es descriu a la Taula 2. Quan s'aplica un pols de tensió, la temperatura del cable SMA augmenta, fent que el cable SMA es comprimeixi, cosa que fa que l'actuador generi força.A la fig.2a.
( a ) A l'experiment es va establir un sistema d'actuador lineal basat en SMA per mesurar la força generada per l'actuador.La cèl·lula de càrrega mesura la força de bloqueig i s'alimenta amb una font d'alimentació de 24 V CC.Es va aplicar una caiguda de tensió de 7 V al llarg de tota la longitud del cable mitjançant una font d'alimentació de CC programable GW Instek.El cable SMA es redueix a causa de la calor i el braç mòbil entra en contacte amb la cèl·lula de càrrega i exerceix una força de bloqueig.La cèl·lula de càrrega està connectada al registrador de dades GL-2000 i les dades s'emmagatzemen a l'amfitrió per a un posterior processament.(b) Diagrama que mostra la cadena de components de la configuració experimental per mesurar la força muscular.
Els aliatges amb memòria de forma són excitats per l'energia tèrmica, de manera que la temperatura es converteix en un paràmetre important per estudiar el fenomen de la memòria de forma.Experimentalment, tal com es mostra a la figura 11a, es van realitzar mesures d'imatge tèrmica i de temperatura en un actuador divalerat basat en SMA prototip.Una font de CC programable va aplicar tensió d'entrada als cables SMA a la configuració experimental, tal com es mostra a la figura 11b.El canvi de temperatura del cable SMA es va mesurar en temps real mitjançant una càmera LWIR d'alta resolució (FLIR A655sc).L'amfitrió utilitza el programari ResearchIR per registrar dades per a un posterior processament.Quan s'aplica un pols de tensió, la temperatura del cable SMA augmenta, fent que el cable SMA es redueixi.A la fig.La figura 2b mostra els resultats experimentals de la temperatura del cable SMA en funció del temps per a un pols de tensió d'entrada de 7 V.
Hora de publicació: 28-set-2022