Salamat sa pagbisita sa Nature.com.Ang bersyon sa browser nga imong gigamit adunay limitado nga suporta sa CSS.Alang sa labing kaayo nga kasinatian, among girekomenda nga mogamit ka usa ka bag-ong browser (o i-disable ang Compatibility Mode sa Internet Explorer).Sa kasamtangan, aron masiguro ang padayon nga suporta, among ihatag ang site nga walay mga estilo ug JavaScript.
Ang mga actuator gigamit bisan asa ug nagmugna og kontrolado nga paglihok pinaagi sa paggamit sa husto nga puwersa sa pagpukaw o torque aron mahimo ang lainlaing mga operasyon sa manufacturing ug industriyal nga automation.Ang panginahanglan alang sa mas paspas, mas gamay ug mas episyente nga mga drive nagduso sa kabag-ohan sa drive design.Ang Shape Memory Alloy (SMA) nga mga drive nagtanyag og ubay-ubay nga mga bentaha kay sa naandan nga mga drive, lakip ang taas nga power-to-weight ratio.Niini nga disertasyon, usa ka duha ka balhibo nga SMA-based actuator ang naugmad nga naghiusa sa mga bentaha sa balhiboon nga mga kaunuran sa biological nga mga sistema ug ang talagsaon nga mga kabtangan sa mga SMA.Kini nga pagtuon nagsuhid ug nagpalapad sa nangaging mga SMA actuator pinaagi sa paghimo ug mathematical model sa bag-ong actuator base sa bimodal SMA wire arrangement ug pagsulay niini sa eksperimento.Kung itandi sa nahibal-an nga mga drive base sa SMA, ang actuation force sa bag-ong drive labing menos 5 ka beses nga mas taas (hangtod sa 150 N).Ang katugbang nga pagkawala sa timbang mga 67%.Ang mga resulta sa pag-analisa sa pagkasensitibo sa mga modelo sa matematika mapuslanon alang sa pag-tune sa mga parameter sa disenyo ug pagsabut sa yawe nga mga parameter.Kini nga pagtuon dugang nagpresentar sa usa ka multi-level Nth stage drive nga mahimong gamiton sa dugang nga pagpalambo sa dynamics.Ang SMA-based dipvalerate muscle actuator adunay daghang mga aplikasyon, gikan sa pagtukod sa automation hangtod sa tukma nga mga sistema sa paghatud sa tambal.
Ang biolohikal nga mga sistema, sama sa muscular structures sa mga mammal, makapalihok sa daghang maliputon nga actuator1.Ang mga mammal adunay lainlaing mga istruktura sa kaunuran, ang matag usa nagsilbi usa ka piho nga katuyoan.Bisan pa, kadaghanan sa istruktura sa tisyu sa kalamnan sa mammal mahimong bahinon sa duha ka halapad nga kategorya.Parallel ug pennate.Diha sa mga hamstrings ug uban pang mga flexors, sumala sa gisugyot sa ngalan, ang parallel musculature adunay mga muscle fiber nga susama sa central tendon.Ang kadena sa mga lanot sa kaunuran gilinya ug konektado sa function sa connective tissue sa ilang palibot.Bisan tuod kini nga mga kaunuran giingon nga adunay usa ka dako nga ekskursiyon (porsiyento nga pagpamubo), ang ilang kinatibuk-ang kusog sa kaunuran limitado kaayo.Sa kasukwahi, sa triceps calf muscle2 (lateral gastrocnemius (GL)3, medial gastrocnemius (GM)4 ug soleus (SOL)) ug extensor femoris (quadriceps) 5,6 pennate muscle tissue makita sa matag muscle7.Sa usa ka pinnate nga istruktura, ang mga lanot sa kalamnan sa bipennate musculature anaa sa duha ka kilid sa sentral nga tendon sa oblique nga mga anggulo (pinnate angles).Ang Pennate naggikan sa Latin nga pulong nga "penna", nga nagpasabut nga "pen", ug, ingon sa gipakita sa fig.Ang 1 adunay hitsura nga sama sa balhibo.Ang mga lanot sa mga kaunuran sa pennate mas mubo ug anggulo sa longhitudinal axis sa kaunuran.Tungod sa pinnate nga istruktura, ang kinatibuk-ang paglihok niini nga mga kaunuran mikunhod, nga mosangpot sa transverse ug longhitudinal nga mga bahin sa proseso sa pagpamubo.Sa laing bahin, ang pagpaaktibo niini nga mga kaunuran nagdala ngadto sa mas taas nga kinatibuk-ang kusog sa kaunuran tungod sa paagi nga gisukod ang physiological cross-sectional area.Busa, alang sa gihatag nga cross-sectional area, ang mga kaunuran sa pennate mahimong mas lig-on ug makamugna og mas taas nga pwersa kay sa mga kaunuran nga adunay parallel nga mga lanot.Ang mga pwersa nga namugna sa indibidwal nga mga lanot makamugna og mga pwersa sa kaunuran sa usa ka macroscopic nga lebel sa tisyu sa kaunuran.Dugang pa, kini adunay ingon nga talagsaon nga mga kabtangan sama sa paspas nga pag-urong, panalipod batok sa tensile damage, cushioning.Gibag-o niini ang relasyon tali sa input sa fiber ug output sa gahum sa kalamnan pinaagi sa pagpahimulos sa talagsaon nga mga bahin ug pagkakomplikado sa geometriko sa paghan-ay sa fiber nga may kalabotan sa mga linya sa paglihok sa kalamnan.
Gipakita ang mga schematic diagram sa kasamtangan nga SMA-based actuator nga mga disenyo nga may kalabotan sa bimodal muscular architecture, pananglitan (a), nga nagrepresentar sa interaksyon sa tactile force diin ang usa ka hand-shaped device nga gipalihok sa SMA wires gi-mount sa usa ka two-wheeled autonomous mobile robot9,10., (b) Robotic orbital prosthesis nga adunay kontra nga gibutang nga SMA spring-loaded orbital prosthesis.Ang posisyon sa prosthetic nga mata kontrolado sa usa ka signal gikan sa ocular muscle sa mata11, (c) SMA actuators maayo alang sa ilawom sa tubig nga mga aplikasyon tungod sa ilang taas nga frequency nga tubag ug ubos nga bandwidth.Sa niini nga configuration, SMA actuators gigamit sa paghimo sa balud motion pinaagi sa simulating sa kalihukan sa mga isda, (d) SMA actuators gigamit sa paghimo sa usa ka micro pipe inspeksyon robot nga makagamit sa pulgada worm motion prinsipyo, kontrolado sa kalihukan sa SMA wires sulod sa channel 10, (e) nagpakita sa direksyon sa contraction kaunoran lanot ug pagmugna contractile pwersa sa gastrocnemius tissue nga porma sa muscles arranged istruktura sa SMA wire, (f) kaunuran sa kaunuran gambalay.
Ang mga actuator nahimong usa ka importante nga bahin sa mekanikal nga mga sistema tungod sa ilang halapad nga mga aplikasyon.Busa, ang panginahanglan alang sa mas gamay, mas paspas ug mas episyente nga mga pagmaneho nahimong kritikal.Bisan pa sa ilang mga bentaha, ang tradisyonal nga mga pagmaneho napamatud-an nga mahal ug makagugol sa oras sa pagpadayon.Ang mga hydraulic ug pneumatic actuator komplikado ug mahal ug mahimong masul-ob, mga problema sa lubrication ug pagkapakyas sa sangkap.Agig tubag sa panginahanglan, ang focus mao ang pagpalambo sa cost-effective, sizing-optimized ug advanced actuators base sa smart nga mga materyales.Ang nagpadayon nga panukiduki nagtan-aw sa porma sa memory alloy (SMA) nga mga layered actuator aron matubag kini nga panginahanglan.Talagsaon ang mga hierarchical actuator tungod kay gikombinar nila ang daghang discrete actuator ngadto sa geometrically complex nga macro scale nga mga subsystem aron mahatagan ang dugang ug gipalapad nga gamit.Niining bahina, ang tisyu sa kaunuran sa tawo nga gihulagway sa ibabaw naghatag usa ka maayo kaayo nga multilayered nga pananglitan sa ingon nga multilayered actuation.Gihubit sa kasamtangan nga pagtuon ang usa ka multi-level nga SMA drive nga adunay daghang indibidwal nga mga elemento sa pagmaneho (SMA wires) nga nahiuyon sa mga orientasyon sa fiber nga naa sa bimodal nga mga kaunuran, nga nagpauswag sa kinatibuk-ang pasundayag sa pagmaneho.
Ang panguna nga katuyoan sa usa ka actuator mao ang pagmugna og mekanikal nga gahum nga output sama sa kusog ug pagbakwit pinaagi sa pagbag-o sa enerhiya sa kuryente.Ang mga porma sa panumduman sa panumduman usa ka klase sa "smart" nga mga materyales nga makapabalik sa ilang porma sa taas nga temperatura.Ubos sa taas nga mga karga, ang pagtaas sa temperatura sa SMA wire modala ngadto sa pag-ayo sa porma, nga miresulta sa mas taas nga actuation nga densidad sa enerhiya kumpara sa nagkalain-laing direkta nga nakagapos nga mga smart nga materyales.Sa samang higayon, ubos sa mekanikal nga mga karga, ang mga SMA mahimong brittle.Ubos sa pipila ka mga kondisyon, ang usa ka cyclic load makasuhop ug makapagawas sa mekanikal nga enerhiya, nga nagpakita sa mga pagbag-o sa hysteretic nga porma.Kining talagsaon nga mga kabtangan naghimo sa SMA nga sulundon alang sa mga sensor, vibration damping ug ilabi na sa mga actuator12.Uban niini sa hunahuna, adunay daghang panukiduki sa mga drive nga nakabase sa SMA.Kinahanglan nga matikdan nga ang mga actuator nga nakabase sa SMA gilaraw aron mahatagan ang paghubad ug rotary motion alang sa lainlaing mga aplikasyon13,14,15.Bisan kung ang pipila ka mga rotary actuator naugmad, ang mga tigdukiduki labi nga interesado sa mga linear actuator.Kini nga mga linear actuators mahimong bahinon ngadto sa tulo ka matang sa actuators: one-dimensional, displacement ug differential actuators 16 .Sa sinugdan, ang mga hybrid nga drive gihimo sa kombinasyon sa SMA ug uban pang mga conventional drive.Usa ka pananglitan sa usa ka SMA-based hybrid linear actuator mao ang paggamit sa SMA wire nga adunay DC motor aron maghatag ug output nga puwersa sa palibot sa 100 N ug mahinungdanong displacement17.
Usa sa unang mga kalamboan sa mga drive base sa bug-os sa SMA mao ang SMA parallel drive.Gamit ang daghang mga wire sa SMA, ang parallel drive nga nakabase sa SMA gilaraw aron madugangan ang katakus sa gahum sa drive pinaagi sa pagbutang sa tanan nga mga wire sa SMA18 nga managsama.Ang parallel nga koneksyon sa mga actuator dili lamang nagkinahanglan og dugang nga gahum, apan gilimitahan usab ang output nga gahum sa usa ka wire.Laing disbentaha sa SMA based actuators mao ang limitado nga pagbiyahe nga ilang makab-ot.Aron masulbad kini nga problema, usa ka SMA cable beam ang gimugna nga adunay usa ka deflected flexible beam aron madugangan ang displacement ug makab-ot ang linear motion, apan wala makamugna og mas taas nga pwersa19.Ang humok nga deformable nga mga istruktura ug mga tela para sa mga robot nga gibase sa porma nga mga panumduman sa panumduman gihimo una alang sa pagpadako sa epekto20,21,22.Para sa mga aplikasyon diin gikinahanglan ang taas nga katulin, ang mga compact driven pumps gi-report gamit ang thin film SMAs para sa micropump driven applications23.Ang frequency sa pagmaneho sa manipis nga film SMA membrane usa ka hinungdan nga hinungdan sa pagkontrol sa katulin sa drayber.Busa, ang SMA linear motors adunay mas maayo nga dinamikong tubag kay sa SMA spring o rod motors.Ang humok nga robotics ug gripping nga teknolohiya mao ang duha pa ka aplikasyon nga naggamit sa mga actuator nga nakabase sa SMA.Pananglitan, aron ilisan ang standard actuator nga gigamit sa 25 N space clamp, usa ka porma nga memory alloy parallel actuator 24 ang naugmad.Sa laing kaso, ang SMA soft actuator gihimo base sa wire nga adunay embedded matrix nga makahimo sa maximum pulling force nga 30 N. Tungod sa ilang mekanikal nga mga kabtangan, ang SMAs gigamit usab sa paghimo sa mga actuator nga nagsundog sa biological phenomena.Ang usa sa ingon nga pag-uswag naglakip sa usa ka 12-cell robot nga usa ka biomimetic sa usa ka earthworm-like organism nga adunay SMA aron makamugna og sinusoidal motion sa kalayo26,27.
Sama sa nahisgutan sa sayo pa, adunay limitasyon sa labing kadaghan nga puwersa nga makuha gikan sa naglungtad nga mga actuator nga nakabase sa SMA.Aron matubag kini nga isyu, kini nga pagtuon nagpresentar sa usa ka biomimetic bimodal muscle structure.Gimaneho sa porma nga memory alloy wire.Naghatag kini usa ka sistema sa klasipikasyon nga naglakip sa daghang mga porma sa memory alloy nga mga wire.Hangtod karon, wala’y mga actuator nga nakabase sa SMA nga adunay parehas nga arkitektura ang gitaho sa literatura.Kining talagsaon ug nobela nga sistema nga gibase sa SMA gimugna aron tun-an ang kinaiya sa SMA atol sa bimodal muscle alignment.Kung itandi sa kasamtangan nga mga actuator nga nakabase sa SMA, ang tumong niini nga pagtuon mao ang paghimo og biomimetic dipvalerate actuator aron makamugna og mas taas nga pwersa sa gamay nga gidaghanon.Kung itandi sa naandan nga stepper motor driven drive nga gigamit sa HVAC building automation ug control system, ang gisugyot nga SMA-based bimodal drive nga disenyo makapamenos sa gibug-aton sa mekanismo sa drive sa 67%.Sa mosunod, ang mga termino nga "muscle" ug "drive" gigamit nga baylobaylo.Kini nga pagtuon nag-imbestigar sa multiphysics simulation sa maong drive.Ang mekanikal nga pamatasan sa ingon nga mga sistema gitun-an sa mga pamaagi sa eksperimento ug analitikal.Ang mga pag-apud-apod sa kusog ug temperatura dugang nga gisusi sa usa ka input nga boltahe sa 7 V. Pagkahuman, usa ka parametric analysis ang gihimo aron mas masabtan ang relasyon tali sa yawe nga mga parameter ug ang output force.Sa katapusan, ang mga hierarchical actuator napanglantawan ug ang hierarchical level nga mga epekto gisugyot isip usa ka potensyal nga umaabot nga lugar alang sa non-magnetic actuator alang sa prosthetic nga mga aplikasyon.Sumala sa mga resulta sa nahisgutang mga pagtuon, ang paggamit sa usa ka yugto nga arkitektura nagpatunghag mga puwersa labing menos upat ngadto sa lima ka pilo nga mas taas kay sa gitaho nga SMA-based actuators.Dugang pa, ang parehas nga puwersa sa pagmaneho nga gihimo sa usa ka multi-level nga multi-level drive gipakita nga labaw pa sa napulo ka pilo kaysa sa naandan nga mga drive nga nakabase sa SMA.Ang pagtuon dayon nagtaho sa yawe nga mga parameter gamit ang sensitivity analysis tali sa lain-laing mga disenyo ug input variables.Ang inisyal nga gitas-on sa SMA wire (\(l_0\)), ang pinnate angle (\(\ alpha\)) ug ang gidaghanon sa single strands (n) sa matag indibidwal nga strand adunay kusog nga negatibong epekto sa kadako sa puwersa sa pagmaneho.kusog, samtang ang input boltahe (enerhiya) nahimo nga positibo nga may kalabutan.
Ang SMA wire nagpakita sa shape memory effect (SME) nga makita sa nickel-titanium (Ni-Ti) nga pamilya sa mga alloy.Kasagaran, ang mga SMA nagpakita sa duha ka yugto nga nagsalig sa temperatura: usa ka bahin sa ubos nga temperatura ug usa ka yugto sa taas nga temperatura.Ang duha nga mga hugna adunay talagsaon nga mga kabtangan tungod sa presensya sa lainlaing mga istruktura sa kristal.Sa austenite nga hugna (taas nga temperatura nga yugto) nga anaa sa ibabaw sa pagbag-o nga temperatura, ang materyal nagpakita sa taas nga kalig-on ug dili maayo nga deformed ubos sa load.Ang haluang metal naggawi sama sa stainless steel, mao nga kini makasugakod sa mas taas nga pagpamugos sa actuation.Gipahimuslan kini nga kabtangan sa mga alloy nga Ni-Ti, ang mga wire sa SMA gipunting aron mahimong usa ka actuator.Ang angay nga analytical nga mga modelo gihimo aron masabtan ang sukaranang mga mekaniko sa thermal nga kinaiya sa SMA ubos sa impluwensya sa nagkalain-laing mga parameter ug nagkalain-laing geometries.Nakuha ang maayong kasabutan tali sa mga resulta sa eksperimento ug analitikal.
Usa ka eksperimento nga pagtuon ang gihimo sa prototype nga gipakita sa Fig. 9a aron sa pagtimbang-timbang sa performance sa usa ka bimodal drive base sa SMA.Duha niini nga mga kabtangan, ang pwersa nga namugna sa drive (muscle force) ug ang temperatura sa SMA wire (SMA temperature), gisukod sa eksperimento.Samtang ang kalainan sa boltahe nagdugang sa tibuuk nga gitas-on sa wire sa drive, ang temperatura sa wire nagdugang tungod sa epekto sa pagpainit sa Joule.Ang input boltahe gipadapat sa duha ka 10-s nga mga siklo (gipakita ingon nga pula nga mga tulbok sa Fig. 2a, b) nga adunay 15-s nga panahon sa pagpabugnaw tali sa matag siklo.Ang blocking force gisukod gamit ang piezoelectric strain gauge, ug ang pag-apod-apod sa temperatura sa SMA wire gimonitor sa tinuod nga panahon gamit ang scientific-grade high-resolution nga LWIR camera (tan-awa ang mga kinaiya sa kagamitan nga gigamit sa Table 2).nagpakita nga sa panahon sa taas nga boltahe nga hugna, ang temperatura sa wire nagdugang monotonically, apan sa diha nga walay kasamtangan nga nagaagay, ang temperatura sa wire nagpadayon sa pagkahulog.Sa kasamtangan nga eksperimento nga setup, ang temperatura sa SMA wire nahulog sa panahon sa pagpabugnaw, apan kini labaw pa sa temperatura sa palibot.Sa fig.Ang 2e nagpakita sa usa ka snapshot sa temperatura sa SMA wire nga gikuha gikan sa LWIR camera.Sa laing bahin, sa fig.Ang 2a nagpakita sa blocking force nga namugna sa drive system.Kung ang kusog sa kaunuran molapas sa kusog sa pagpasig-uli sa tubod, ang mapalihok nga bukton, ingon sa gipakita sa Figure 9a, nagsugod sa paglihok.Sa diha nga ang actuation magsugod, ang movable bukton moabut ngadto sa kontak uban sa sensor, paghimo sa usa ka pwersa sa lawas, ingon sa gipakita sa fig.2c, d.Sa diha nga ang kinatas-ang temperatura duol sa \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), ang pinakataas nga naobserbahang puwersa kay 105 N.
Ang graph nagpakita sa eksperimento nga mga resulta sa temperatura sa SMA wire ug sa pwersa nga namugna sa SMA-based bimodal actuator sa panahon sa duha ka mga cycle.Ang input nga boltahe gigamit sa duha ka 10 segundos nga mga siklo (gipakita nga pula nga mga tuldok) nga adunay 15 segundos nga cool down nga panahon tali sa matag siklo.Ang SMA wire nga gigamit alang sa mga eksperimento kay usa ka 0.51 mm diameter Flexinol wire gikan sa Dynalloy, Inc. gamit ang FLIR ResearchIR software LWIR camera.Ang geometric nga mga parameter nga gikonsiderar sa mga eksperimento gihatag sa Talaan.sa usa ka.
Ang mga resulta sa simulation sa modelo sa matematika ug ang mga resulta sa eksperimento gitandi ubos sa kondisyon sa usa ka input boltahe sa 7V, ingon sa gipakita sa Fig.5.Sumala sa mga resulta sa parametric analysis ug aron malikayan ang posibilidad sa overheating sa SMA wire, usa ka gahum nga 11.2 W ang gihatag sa actuator.Ang usa ka programmable DC power supply gigamit sa pagsuplay sa 7V ingon nga input boltahe, ug usa ka kasamtangan nga 1.6A ang gisukod sa wire.Ang pwersa nga namugna sa drive ug ang temperatura sa pagtaas sa SDR kung gigamit ang kasamtangan.Uban sa usa ka input boltahe sa 7V, ang maximum output pwersa nga nakuha gikan sa simulation resulta ug eksperimento resulta sa unang cycle mao ang 78 N ug 96 N, sa tinagsa.Sa ikaduhang cycle, ang maximum output force sa simulation ug experimental nga mga resulta mao ang 150 N ug 105 N, matag usa.Ang kalainan tali sa occlusion force measurements ug experimental data mahimong tungod sa pamaagi nga gigamit sa pagsukod sa occlusion force.Ang mga resulta sa eksperimento nga gipakita sa fig.5a katumbas sa pagsukod sa locking force, nga sa baylo gisukod sa diha nga ang drive shaft nakontak sa PACEline CFT/5kN piezoelectric force transducer, sama sa gipakita sa fig.2s.Busa, kung ang drive shaft dili makontak sa force sensor sa sinugdanan sa cooling zone, ang pwersa dayon mahimong zero, ingon sa gipakita sa Fig. 2d.Dugang pa, ang uban nga mga parameter nga makaapekto sa pagporma sa puwersa sa sunod nga mga siklo mao ang mga kantidad sa oras sa pagpabugnaw ug ang coefficient sa convective heat transfer sa miaging siklo.Gikan sa fig.2b, makita nga human sa 15 segundos nga pagpabugnaw, ang SMA wire wala makaabot sa temperatura sa lawak ug busa adunay mas taas nga inisyal nga temperatura (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) sa ikaduhang driving cycle kumpara sa unang cycle (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Busa, kon itandi sa unang cycle, ang temperatura sa SMA wire sa panahon sa ikaduhang pagpainit cycle moabot sa inisyal nga austenite temperatura (\(A_s\)) sa sayo pa ug magpabilin sa transisyon nga panahon nga mas taas, nga miresulta sa stress ug pwersa.Sa laing bahin, ang pag-apod-apod sa temperatura sa panahon sa pagpainit ug pagpabugnaw nga mga siklo nga nakuha gikan sa mga eksperimento ug mga simulation adunay taas nga qualitative nga pagkaparehas sa mga pananglitan gikan sa thermographic analysis.Ang pagtandi nga pagtuki sa SMA wire thermal data gikan sa mga eksperimento ug mga simulation nagpakita sa pagkamakanunayon sa panahon sa pagpainit ug pagpabugnaw nga mga siklo ug sulod sa madawat nga mga pagtugot alang sa eksperimento nga datos.Ang pinakataas nga temperatura sa SMA wire, nga nakuha gikan sa mga resulta sa simulation ug mga eksperimento sa unang cycle, mao ang \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) ug \(75\,^{\circ }\hbox {C }\, sa tinagsa), ug sa ikaduhang cycle ang pinakataas nga temperatura sa SMA wire mao ang \(94\,^) {\ circ }3 {\ circ }3,^ {\ circ }3 C}\).Ang sukaranan nga naugmad nga modelo nagpamatuod sa epekto sa epekto sa panumduman sa porma.Ang papel sa kakapoy ug sobrang kainit wala gikonsiderar niini nga pagrepaso.Sa umaabot, pauswagon ang modelo aron maapil ang kasaysayan sa stress sa wire sa SMA, nga mas angay alang sa mga aplikasyon sa engineering.Ang drive output force ug SMA temperature plots nga nakuha gikan sa Simulink block anaa sa sulod sa gitugot nga tolerances sa experimental data ubos sa kondisyon sa input voltage pulse nga 7 V. Kini nagpamatuod sa pagkahusto ug kasaligan sa naugmad nga modelo sa matematika.
Ang mathematical model gimugna sa MathWorks Simulink R2020b environment gamit ang basic equation nga gihulagway sa Methods section.Sa fig.Ang 3b nagpakita ug block diagram sa Simulink math model.Ang modelo gi-simulate alang sa usa ka 7V input boltahe pulse sama sa gipakita sa Fig. 2a, b.Ang mga bili sa mga parameter nga gigamit sa simulation gilista sa Table 1. Ang mga resulta sa simulation sa lumalabay nga mga proseso gipresentar sa Figures 1 ug 1. Figures 3a ug 4. Sa fig.Ang 4a,b nagpakita sa induced boltahe sa SMA wire ug ang pwersa nga namugna sa actuator isip function sa oras. Atol sa reverse transformation (pagpainit), sa dihang ang SMA wire temperatura, \(T <A_s^{\prime}\) (stress-modified austenite phase pagsugod temperatura), ang rate sa kausaban sa martensite volume fraction (\(\ tuldok{\xi }\)) mahimong zero. Atol sa reverse transformation (pagpainit), sa diha nga ang SMA wire temperatura, \(T <A_s^{\ prime}\) (stress-modified austenite phase pagsugod temperatura), ang rate sa kausaban sa martensite volume fraction (\(\ tuldok{\ xi }\)) mahimong zero. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустеанидна ция жением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Atol sa reverse transformation (pagpainit), sa dihang ang temperatura sa SMA wire, \(T <A_s^{\prime}\) (stress-modified austenite onset temperature), ang rate sa kausaban sa martensite volume fraction (\(\dot{\ xi }\ )) mahimong zero.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏佷小相，氏体小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) Resulta sa simulation nga nagpakita sa pag-apod-apod sa temperatura ug temperatura sa junction nga gipahinabo sa stress sa usa ka divalerate actuator nga nakabase sa SMA.Kung ang temperatura sa wire motabok sa temperatura sa pagbalhin sa austenite sa yugto sa pagpainit, ang nabag-o nga temperatura sa pagbalhin sa austenite magsugod sa pagdugang, ug sa susama, kung ang temperatura sa wire rod mitabok sa temperatura sa pagbalhin sa martensitic sa yugto sa pagpabugnaw, ang temperatura sa pagbag-o sa martensitic mikunhod.SMA alang sa analytical modeling sa proseso sa actuation.(Alang sa detalyado nga pagtan-aw sa matag subsystem sa usa ka modelo sa Simulink, tan-awa ang seksyon sa apendise sa supplemental file.)
Ang mga resulta sa pag-analisa alang sa lain-laing mga distribusyon sa parameter gipakita alang sa duha ka mga siklo sa 7V input boltahe (10 segundos warm up cycles ug 15 segundo cool down cycles).Samtang ang (ac) ug (e) naghulagway sa pag-apod-apod sa paglabay sa panahon, sa laing bahin, (d) ug (f) naghulagway sa pag-apod-apod sa temperatura.Alang sa tagsa-tagsa nga mga kondisyon sa pag-input, ang pinakataas nga naobserbahan nga stress mao ang 106 MPa (ubos pa sa 345 MPa, kusog sa ani sa wire), ang puwersa mao ang 150 N, ang maximum displacement mao ang 270 µm, ug ang minimum nga martensitic volume fraction mao ang 0.91.Sa laing bahin, ang pagbag-o sa stress ug ang pagbag-o sa volume fraction sa martensite nga adunay temperatura susama sa mga kinaiya sa hysteresis.
Ang sama nga pagpatin-aw magamit sa direkta nga pagbag-o (pagpabugnaw) gikan sa austenite nga hugna ngadto sa martensite nga hugna, diin ang SMA wire temperatura (T) ug ang katapusan nga temperatura sa stress-modified martensite phase (\(M_f^{\ prime}\ )) maayo kaayo.Sa fig.4d, f nagpakita sa kausaban sa induced stress (\(\sigma\)) ug ang volume fraction sa martensite (\(\xi\)) sa SMA wire isip usa ka function sa kausaban sa temperatura sa SMA wire (T), alang sa duha driving cycles.Sa fig.Gipakita sa Figure 3a ang pagbag-o sa temperatura sa SMA wire sa oras depende sa pulso sa boltahe sa input.Ingon sa makita gikan sa numero, ang temperatura sa wire nagpadayon sa pagdugang pinaagi sa paghatag sa usa ka tinubdan sa kainit sa zero boltahe ug sa sunod nga convective makapabugnaw.Atol sa pagpainit, ang retransformation sa martensite ngadto sa austenite phase magsugod sa dihang ang SMA wire temperature (T) motabok sa stress-corrected austenite nucleation temperature (\(A_s^{\prime}\)).Atol niini nga hugna, ang SMA wire gi-compress ug ang actuator makamugna og puwersa.Usab sa panahon sa pagpabugnaw, kung ang temperatura sa SMA wire (T) motabok sa temperatura sa nucleation sa stress-modified martensite phase (\(M_s^{\prime}\)) adunay positibo nga transisyon gikan sa austenite phase ngadto sa martensite phase.mikunhod ang puwersa sa pagmaneho.
Ang nag-unang kwalitatibo nga aspeto sa bimodal drive base sa SMA mahimong makuha gikan sa mga resulta sa simulation.Sa kaso sa usa ka input sa boltahe sa pulso, ang temperatura sa SMA wire motaas tungod sa epekto sa pagpainit sa Joule.Ang inisyal nga bili sa martensite volume fraction (\(\xi\)) gibutang sa 1, tungod kay ang materyal sa sinugdanan anaa sa usa ka hingpit nga martensitic phase.Samtang ang wire nagpadayon sa pag-init, ang temperatura sa SMA wire milapas sa stress-corrected austenite nucleation temperature \(A_s^{\prime}\), nga miresulta sa pagkunhod sa martensite volume fraction, sama sa gipakita sa Figure 4c.Dugang pa, sa fig.Gipakita sa 4e ang pag-apod-apod sa mga stroke sa actuator sa oras, ug sa fig.5 - kusog sa pagmaneho ingon usa ka function sa oras.Ang usa ka may kalabutan nga sistema sa mga equation naglakip sa temperatura, martensite volume fraction, ug stress nga naugmad sa wire, nga miresulta sa pagkunhod sa SMA wire ug ang pwersa nga namugna sa actuator.Ingon sa gipakita sa fig.4d, f, kausaban sa boltahe nga adunay temperatura ug martensite volume fraction variation uban sa temperatura katumbas sa hysteresis nga mga kinaiya sa SMA sa simulate nga kaso sa 7 V.
Ang pagtandi sa mga parameter sa pagmaneho nakuha pinaagi sa mga eksperimento ug mga kalkulasyon sa analitikal.Ang mga wire gipailalom sa usa ka pulsed input boltahe sa 7 V alang sa 10 segundos, unya gipabugnaw sa 15 segundos (cooling phase) sa duha ka mga siklo.Ang pinnate nga anggulo gitakda sa \(40^{\circ}\) ug ang inisyal nga gitas-on sa SMA wire sa matag usa ka pin leg gitakda sa 83mm.(a) Pagsukod sa puwersa sa pagmaneho gamit ang load cell (b) Pag-monitor sa temperatura sa wire gamit ang thermal infrared camera.
Aron masabtan ang impluwensya sa pisikal nga mga parameter sa puwersa nga gihimo sa drive, usa ka pag-analisar sa pagkasensitibo sa modelo sa matematika ngadto sa pinili nga pisikal nga mga parameter ang gihimo, ug ang mga parameter gi-ranggo sumala sa ilang impluwensya.Una, ang sampling sa mga parameter sa modelo gihimo gamit ang eksperimental nga mga prinsipyo sa disenyo nga nagsunod sa usa ka uniporme nga pag-apod-apod (tan-awa ang Supplementary Section on Sensitivity Analysis).Sa kini nga kaso, ang mga parameter sa modelo naglakip sa input boltahe (\(V_{in}\)), inisyal nga SMA wire nga gitas-on (\(l_0\)), triangle nga anggulo (\(\ alpha\)), bias spring constant (\( K_x\ )), ang convective heat transfer coefficient (\(h_T\)) ug ang gidaghanon sa unimodal nga mga sanga (n).Sa sunod nga lakang, ang peak nga kusog sa kaunuran gipili ingon usa ka kinahanglanon sa disenyo sa pagtuon ug nakuha ang parametric nga mga epekto sa matag set sa mga variable sa kusog.Ang tornado plots alang sa sensitivity analysis nakuha gikan sa correlation coefficients alang sa matag parameter, sama sa gipakita sa Fig. 6a.
(a) Ang correlation coefficient values sa mga parameter sa modelo ug ang epekto niini sa maximum output force sa 2500 ka talagsaon nga mga grupo sa mga parameter sa ibabaw nga modelo gipakita sa tornado plot.Ang graph nagpakita sa ranggo nga correlation sa daghang mga indicators.Klaro nga ang \(V_{in}\) mao ra ang parameter nga adunay positibo nga correlation, ug ang \(l_0\) mao ang parameter nga adunay labing taas nga negatibo nga correlation.Ang epekto sa nagkalain-laing mga parameter sa nagkalain-laing mga kombinasyon sa peak muscle strength gipakita sa (b, c).Ang \(K_x\) gikan sa 400 ngadto sa 800 N/m ug n gikan sa 4 ngadto sa 24. Ang boltahe (\(V_{in}\)) nausab gikan sa 4V ngadto sa 10V, ang gitas-on sa wire (\(l_{0 } \)) nausab gikan sa 40 ngadto sa 100 mm, ug ang anggulo sa ikog (\) \ 0 \ 0,000,000.
Sa fig.Ang 6a nagpakita sa usa ka tornado plot sa nagkalain-laing mga correlation coefficients alang sa matag parameter nga adunay peak drive force design requirements.Gikan sa fig.6a makita nga ang boltahe nga parameter (\(V_{in}\)) direkta nga may kalabutan sa maximum output force, ug ang convective heat transfer coefficient (\(h_T\)), flame angle (\ (\alpha\)), displacement spring constant (\(K_x\)) negatibo nga may kalabutan sa output force ug sa inisyal nga sanga sa SMA (\))(l) sa unibersal nga gitas-on (\)) lig-on nga inverse correlation Sa kaso sa direkta nga correlation Sa kaso sa usa ka mas taas nga bili sa boltahe correlation coefficient (\(V_ {in}\)) nagpakita nga kini nga parameter adunay pinakadako nga epekto sa power output.Ang laing susama nga pagtuki nagsukod sa peak force pinaagi sa pagtimbang-timbang sa epekto sa lain-laing mga parameter sa lain-laing mga kombinasyon sa duha ka computational luna, sama sa gipakita sa Fig. 6b, c.Ang \(V_{in}\) ug \(l_0\), \(\alpha\) ug \(l_0\) adunay susama nga mga pattern, ug ang graph nagpakita nga ang \(V_{in}\) ug \(\ alpha\ ) ug \(\ alpha\) adunay susama nga mga pattern.Ang mas gagmay nga mga kantidad sa \(l_0\) moresulta sa mas taas nga peak forces.Ang laing duha ka mga laraw nahiuyon sa Figure 6a, diin ang n ug \(K_x\) negatibo nga may kalabutan ug \ (V_{in}\) positibo nga may kalabutan.Kini nga pag-analisa makatabang sa paghubit ug pag-adjust sa mga parameter nga nag-impluwensya diin ang pwersa sa output, stroke ug kahusayan sa sistema sa pagmaneho mahimong ipahiangay sa mga kinahanglanon ug aplikasyon.
Ang karon nga trabaho sa panukiduki nagpaila ug nag-imbestiga sa mga hierarchical drive nga adunay lebel sa N.Sa usa ka duha ka lebel nga hierarchy, ingon sa gipakita sa Fig. 7a, diin imbis sa matag SMA wire sa unang lebel nga actuator, usa ka bimodal nga kahikayan ang makab-ot, ingon sa gipakita sa fig.9e.Sa fig.Gipakita sa 7c kung giunsa ang SMA wire gisamad sa usa ka movable arm (auxiliary arm) nga naglihok lamang sa longhitudinal nga direksyon.Bisan pa, ang nag-unang movable nga bukton nagpadayon sa paglihok sa parehas nga paagi sama sa movable nga bukton sa 1st stage multi-stage actuator.Kasagaran, usa ka N-stage drive gihimo pinaagi sa pag-ilis sa \(N-1\) stage SMA wire sa usa ka first-stage drive.Ingon usa ka sangputanan, ang matag sanga nagsundog sa una nga yugto sa pagmaneho, gawas sa sanga nga nagkupot sa wire mismo.Niining paagiha, maporma ang mga nested structure nga makamugna og mga pwersa nga daghang pilo nga mas dako kay sa pwersa sa mga nag-unang drive.Niini nga pagtuon, alang sa matag lebel, usa ka kinatibuk-ang epektibo nga SMA wire nga gitas-on nga 1 m ang gikonsiderar, ingon sa gipakita sa tabular format sa Fig. 7d.Ang kasamtangan pinaagi sa matag wire sa matag unimodal nga disenyo ug ang resulta nga prestress ug boltahe sa matag bahin sa SMA wire parehas sa matag lebel.Sumala sa among analytical model, ang output force positibo nga may kalabutan sa lebel, samtang ang displacement negatibo nga may kalabutan.Sa samang higayon, adunay usa ka trade-off tali sa displacement ug kusog sa kaunoran.Ingon sa makita sa fig.7b, samtang ang pinakataas nga puwersa makab-ot sa kinadak-ang gidaghanon sa mga lut-od, ang kinadak-ang displacement naobserbahan sa pinakaubos nga layer.Sa dihang ang lebel sa hierarchy gibutang sa \(N=5\), usa ka peak muscle force nga 2.58 kN ang nakit-an nga adunay 2 ka naobserbahang stroke \(\upmu\)m.Sa laing bahin, ang unang stage drive makamugna og puwersa nga 150 N sa usa ka stroke nga 277 \(\upmu\)m.Ang mga multi-level actuator makahimo sa pagsundog sa tinuod nga biolohikal nga mga kaunuran, diin ang mga artipisyal nga kaunuran nga gibase sa porma nga mga panumduman sa panumduman makahimo sa pagmugna og mas taas nga pwersa nga adunay tukma ug mas maayo nga mga lihok.Ang mga limitasyon sa kini nga miniaturized nga disenyo mao nga samtang ang hierarchy nagdugang, ang paglihok mikunhod pag-ayo ug ang pagkakomplikado sa proseso sa paghimo sa drive nagdugang.
(a) Usa ka duha ka yugto (\(N=2\)) nga layered nga porma sa memorya nga haluang metal nga linear actuator nga sistema gipakita sa usa ka bimodal configuration.Ang gisugyot nga modelo makab-ot pinaagi sa pag-ilis sa SMA wire sa unang yugto nga layered actuator sa laing single stage layered actuator.(c) Deformed configuration sa ikaduhang yugto nga multilayer actuator.(b) Ang pag-apod-apod sa mga pwersa ug mga pagbakwit depende sa gidaghanon sa lebel gihulagway.Nakaplagan nga ang peak force sa actuator positibo nga may kalabutan sa scale level sa graph, samtang ang stroke negatibong correlated sa scale level.Ang kasamtangan ug pre-boltahe sa matag wire nagpabilin nga makanunayon sa tanang lebel.(d) Ang lamesa nagpakita sa gidaghanon sa mga gripo ug ang gitas-on sa SMA wire (fiber) sa matag lebel.Ang mga kinaiya sa mga alambre gipakita sa indeks 1, ug ang gidaghanon sa mga sekondaryang sanga (usa nga konektado sa nag-unang bitiis) gipakita sa pinakadako nga numero sa subscript.Pananglitan, sa lebel 5, ang \(n_1\) nagtumong sa gidaghanon sa mga wire sa SMA nga anaa sa matag bimodal structure, ug ang \(n_5\) nagtumong sa gidaghanon sa auxiliary legs (usa nga konektado sa main leg).
Nagkalainlain nga mga pamaagi ang gisugyot sa daghang mga tigdukiduki aron ma-modelo ang pamatasan sa mga SMA nga adunay panumduman sa porma, nga nagdepende sa mga thermomechanical nga kabtangan nga nag-uban sa mga pagbag-o sa macroscopic sa istruktura nga kristal nga may kalabotan sa pagbalhin sa yugto.Ang pagporma sa constitutive nga mga pamaagi kay komplikado.Ang labing sagad nga gigamit nga phenomenological nga modelo gisugyot sa Tanaka28 ug kaylap nga gigamit sa mga aplikasyon sa engineering.Ang phenomenological nga modelo nga gisugyot ni Tanaka [28] nagtuo nga ang volume fraction sa martensite usa ka exponential function sa temperatura ug stress.Sa ulahi, gisugyot ni Liang ug Rogers29 ug Brinson30 ang usa ka modelo diin ang mga dinamikong pagbalhin sa hugna gituohan nga usa ka function sa cosine sa boltahe ug temperatura, nga adunay gamay nga pagbag-o sa modelo.Gisugyot ni Becker ug Brinson ang usa ka phase diagram nga nakabase sa kinetic nga modelo aron mamodelo ang pamatasan sa mga materyales sa SMA sa ilawom sa arbitraryo nga mga kondisyon sa pagkarga ingon man mga partial nga pagbalhin.Gigamit sa Banerjee32 ang Bekker ug Brinson31 phase diagram dynamics nga pamaagi aron masundog ang usa ka degree sa freedom manipulator nga gimugna ni Elahinia ug Ahmadian33.Ang mga pamaagi sa kinetic nga gibase sa mga diagram sa hugna, nga gikonsiderar ang dili monotonic nga pagbag-o sa boltahe nga adunay temperatura, lisud nga ipatuman sa mga aplikasyon sa engineering.Ang Elakhinia ug Ahmadian nagdani sa pagtagad niining mga kakulangan sa kasamtangan nga mga modelo nga phenomenological ug nagsugyot og usa ka gipalapdan nga phenomenological nga modelo aron pag-analisar ug paghubit sa kinaiya sa panumduman sa porma ubos sa bisan unsang komplikadong kondisyon sa pagkarga.
Ang structural model sa SMA wire naghatag ug stress (\(\sigma\)), strain (\(\epsilon\)), temperature (T), ug martensite volume fraction (\(\xi\)) sa SMA wire.Ang phenomenological constitutive model unang gisugyot ni Tanaka28 ug sa ulahi gisagop ni Liang29 ug Brinson30.Ang derivative sa equation adunay porma:
diin ang E mao ang phase dependent SMA Young's modulus nga nakuha gamit ang \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) ug \(E_A\) ug \(E_M\) nga nagrepresentar sa Young's modulus kay austenitic ug martensitic phases, matag usa, ug ang coefficient sa thermal expansion girepresentahan sa \(\\theta ).Ang phase transition contribution factor mao ang \(\Omega = -E \epsilon _L\) ug \(\epsilon _L\) mao ang maximum recoverable strain sa SMA wire.
Ang phase dynamics equation motakdo sa cosine function nga gihimo ni Liang29 ug sa ulahi gisagop ni Brinson30 imbes sa exponential function nga gisugyot ni Tanaka28.Ang modelo sa phase transition usa ka extension sa modelo nga gisugyot ni Elakhinia ug Ahmadian34 ug giusab base sa mga kondisyon sa phase transition nga gihatag ni Liang29 ug Brinson30.Ang mga kondisyon nga gigamit alang niini nga yugto sa transisyon nga modelo balido ubos sa komplikadong thermomechanical load.Sa matag gutlo sa panahon, ang bili sa gidaghanon nga tipik sa martensite gikalkulo sa dihang nagmodelo sa constitutive equation.
Ang nagdumala nga retransformation equation, nga gipahayag pinaagi sa pagbag-o sa martensite ngadto sa austenite ubos sa mga kondisyon sa pagpainit, mao ang mosunod:
diin ang \(\xi\) mao ang volume fraction sa martensite, \(\xi _M\) mao ang volume fraction sa martensite nga nakuha sa wala pa pagpainit, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) ug \(C_A\)(C_A\) - curve nga mga parameter_, T -A\) (curve appro_, T -A\) - curve appro_ ug SMA ) - sinugdanan ug katapusan sa austenite nga hugna, sa tinagsa, temperatura.
Ang direkta nga transformation control equation, nga girepresentahan sa phase transformation sa austenite ngadto sa martensite ubos sa makapabugnaw nga mga kondisyon, mao ang:
diin ang \(\xi _A\) mao ang volume fraction sa martensite nga nakuha sa wala pa mobugnaw, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) ug \ ( C_M \) – curve fitting parameters, T – SMA wire temperature, \(M_s\) ug final temperature, \(M_M_f.
Human magkalahi ang mga equation (3) ug (4), ang inverse ug direct transformation equation gipasayon sa mosunod nga porma:
Atol sa unahan ug paatras nga pagbag-o \(\eta _{\sigma}\) ug \(\eta _{T}\) nagkuha ug lain-laing mga kantidad.Ang mga batakang equation nga nalangkit sa \(\eta _{\sigma}\) ug \(\eta _{T}\) nakuha ug detalyadong gihisgutan sa dugang nga seksyon.
Ang kainit nga enerhiya nga gikinahanglan aron mapataas ang temperatura sa SMA wire gikan sa epekto sa pagpainit sa Joule.Ang init nga enerhiya nga masuhop o gipagawas sa SMA wire girepresentahan sa tinago nga kainit sa pagbag-o.Ang pagkawala sa kainit sa SMA wire tungod sa pinugos nga kombeksyon, ug gihatagan ang gamay nga epekto sa radiation, ang equation sa balanse sa kainit sa enerhiya mao ang mga musunud:
Diin ang \(m_{wire}\) mao ang kinatibuk-ang masa sa SMA wire, \(c_{p}\) mao ang espesipikong kapasidad sa kainit sa SMA, \(V_{in}\) mao ang boltahe nga gipadapat sa wire, \(R_{ohm} \ ) - phase-dependent resistance SMA, gihubit ingon;\(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) diin ang \(r_M\) ug \(r_A\) mao ang SMA phase resistivity sa martensite ug austenite, matag usa, \(A_{c}\) mao ang surface area sa SMA wire, \(\Delta H alloy.Ang tinago nga kainit sa transisyon sa wire, T ug \(T_{\ infty}\) mao ang mga temperatura sa SMA wire ug sa palibot, matag usa.
Sa diha nga ang usa ka porma nga memory alloy wire gipalihok, ang wire nag-compress, nga nagmugna og usa ka pwersa sa matag sanga sa bimodal nga disenyo nga gitawag og fiber force.Ang mga pwersa sa mga lanot sa matag strand sa SMA wire nga maghiusa maghimo sa kusog sa kaunuran aron molihok, ingon sa gipakita sa Fig. 9e.Tungod sa presensya sa usa ka biasing spring, ang kinatibuk-ang puwersa sa kaunoran sa Nth multilayer actuator mao ang:
Ang pag-ilis sa \(N = 1\) ngadto sa equation (7), ang kusog sa kaunoran sa unang yugto nga bimodal drive prototype mahimong makuha sama sa mosunod:
diin ang n mao ang gidaghanon sa unimodal nga mga bitiis, \(F_m\) mao ang pwersa sa kaunoran nga namugna sa drive, \(F_f\) mao ang kusog sa fiber sa SMA wire, \(K_x\) mao ang bias stiffness.spring, \(\ alpha \) mao ang anggulo sa triyanggulo, \(x_0\) mao ang inisyal nga offset sa bias spring sa paghawid sa SMA cable sa pre-tensioned nga posisyon, ug \(\Delta x\) mao ang actuator nga pagbiyahe.
Ang kinatibuk-ang displacement o paglihok sa drive (\(\Delta x\)) depende sa boltahe (\(\sigma\)) ug strain (\(\ epsilon\)) sa SMA wire sa Nth stage, ang drive gibutang sa (tan-awa ang Fig. dugang nga bahin sa output):
Ang kinematic equation naghatag ug relasyon tali sa drive deformation (\(\epsilon\)) ug displacement o displacement (\(\Delta x\)).Ang deformation sa Arb wire isip function sa inisyal nga Arb wire nga gitas-on (\(l_0\)) ug ang wire length (l) sa bisan unsang oras nga t sa usa ka unimodal nga sanga mao ang mosunod:
diin ang \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) makuha pinaagi sa paggamit sa cosine formula sa \(\Delta\)ABB ', sama sa gipakita sa Figure 8. Para sa unang stage drive (\(N = 1) ), \(N = 1) , \(N = 1) \(\alpha _1\) mao ang \(\alpha \) sama sa gipakita sa Ingon sa gipakita sa Figure 8, pinaagi sa paglainlain sa oras gikan sa Equation (11) ug pag-ilis sa bili sa l, ang strain rate mahimong isulat nga:
diin ang \(l_0\) mao ang inisyal nga gitas-on sa SMA wire, l mao ang gitas-on sa wire sa bisan unsang oras nga t sa usa ka unimodal nga sanga, \(\epsilon\) mao ang deformation nga naugmad sa SMA wire, ug \(\ alpha \) mao ang anggulo sa triangle , \(\Delta x\) mao ang drive offset (sama sa gipakita sa Figure 8).
Ang tanan nga n single-peak nga mga istruktura (\(n=6\) niini nga numero) konektado sa serye nga adunay \(V_{in}\) isip input voltage.Stage I: Schematic diagram sa SMA wire sa usa ka bimodal configuration ubos sa zero nga kondisyon sa boltahe Stage II: Ang usa ka kontrolado nga istruktura gipakita diin ang SMA wire gi-compress tungod sa inverse conversion, ingon sa gipakita sa pula nga linya.
Isip usa ka pruweba sa konsepto, usa ka SMA-based bimodal drive ang gihimo aron sulayan ang simulate derivation sa nagpahiping mga equation nga adunay mga resulta sa eksperimento.Ang CAD nga modelo sa bimodal linear actuator gipakita sa fig.9a.Sa laing bahin, sa fig.Gipakita sa 9c ang usa ka bag-ong disenyo nga gisugyot alang sa usa ka rotational prismatic nga koneksyon gamit ang usa ka two-plane SMA-based actuator nga adunay bimodal structure.Ang mga sangkap sa drive gihimo gamit ang additive manufacturing sa usa ka Ultimaker 3 Extended 3D printer.Ang materyal nga gigamit alang sa 3D nga pag-imprenta sa mga sangkap mao ang polycarbonate nga angay alang sa mga materyales nga dili makasugakod sa kainit tungod kay kini lig-on, lig-on ug adunay taas nga temperatura sa pagbalhin sa baso (110-113 \(^{\circ }\) C).Dugang pa, Dynalloy, Inc. Flexinol porma memory haluang metal wire gigamit sa mga eksperimento, ug ang materyal nga mga kabtangan nga katumbas sa Flexinol wire gigamit sa simulations.Daghang mga wire sa SMA ang gihan-ay isip mga lanot nga anaa sa usa ka bimodal nga kahikayan sa mga kaunuran aron makuha ang taas nga pwersa nga gihimo sa multilayer actuator, ingon sa gipakita sa Fig. 9b, d.
Sama sa gipakita sa Figure 9a, ang acute angle nga naporma sa movable arm SMA wire gitawag nga anggulo (\(\ alpha\)).Uban sa mga terminal clamp nga gilakip sa wala ug tuo nga mga clamp, ang SMA wire gihuptan sa gusto nga anggulo sa bimodal.Ang bias spring device nga gihuptan sa spring connector gidesinyo sa pag-adjust sa lain-laing bias spring extension groups sumala sa gidaghanon (n) sa SMA fibers.Dugang pa, ang lokasyon sa mga naglihok nga mga bahin gidisenyo aron ang SMA wire mahayag sa gawas nga palibot alang sa pinugos nga pagpabugnaw sa kombeksyon.Ang ibabaw ug ubos nga mga plato sa detachable nga asembliya makatabang sa pagpabugnaw sa SMA wire nga adunay mga extruded cutout nga gidisenyo aron makunhuran ang gibug-aton.Dugang pa, ang duha ka tumoy sa CMA wire gitakda sa wala ug tuo nga mga terminal, matag usa, pinaagi sa usa ka crimp.Ang usa ka plunger gilakip sa usa ka tumoy sa movable assembly aron mapadayon ang clearance tali sa ibabaw ug sa ubos nga mga plato.Ang plunger gigamit usab aron magamit ang usa ka blocking force sa sensor pinaagi sa usa ka kontak aron sukdon ang blocking force kung ang SMA wire gipalihok.
Ang bimodal muscle structure SMA kay electrically konektado sa serye ug gipadagan sa input pulse voltage.Atol sa boltahe pulse cycle, sa diha nga ang boltahe gigamit ug ang SMA wire gipainit sa ibabaw sa inisyal nga temperatura sa austenite, ang gitas-on sa wire sa matag strand gipamub-an.Kini nga pagbawi nagpalihok sa movable arm subassembly.Kung ang boltahe na-zero sa parehas nga siklo, ang gipainit nga wire sa SMA gipabugnaw ubos sa temperatura sa martensite nga nawong, sa ingon mibalik sa orihinal nga posisyon niini.Ubos sa mga kondisyon sa zero stress, ang SMA wire una nga pasibo nga gituy-od sa usa ka bias spring aron maabot ang detwinned martensitic state.Ang tornilyo, diin ang SMA wire moagi, naglihok tungod sa compression nga gihimo pinaagi sa pagpadapat sa usa ka boltahe nga pulso sa SMA wire (SPA nakaabot sa austenite phase), nga mosangpot sa paglihok sa movable lever.Sa diha nga ang SMA wire gibawi, ang bias spring nagmugna og usa ka kaatbang nga pwersa pinaagi sa dugang nga pag-inat sa tubod.Kung ang kapit-os sa impulse boltahe mahimong zero, ang SMA wire molugway ug mag-usab sa porma niini tungod sa pinugos nga pagpabugnaw sa convection, nga moabot sa double martensitic phase.
Ang gisugyot nga SMA-based linear actuator system adunay bimodal configuration diin ang mga SMA wires gi-angled.(a) naghulagway sa usa ka CAD nga modelo sa prototype, nga naghisgot sa pipila sa mga sangkap ug sa ilang mga kahulogan alang sa prototype, (b, d) nagrepresentar sa naugmad nga eksperimento prototype35.Samtang ang (b) nagpakita sa usa ka top view sa prototype nga adunay electrical connections ug bias springs ug strain gauges nga gigamit, (d) nagpakita ug perspective view sa setup.(e) Diagram sa usa ka linear actuation system nga adunay SMA wires nga gibutang bimodally sa bisan unsang oras t, nga nagpakita sa direksyon ug dagan sa fiber ug muscle strength.(c) Usa ka 2-DOF nga rotational prismatic nga koneksyon ang gisugyot alang sa pag-deploy sa usa ka two-plane SMA-based actuator.Sama sa gipakita, ang link nagpadala sa linear motion gikan sa ubos nga drive ngadto sa ibabaw nga bukton, nga naghimo sa usa ka rotational nga koneksyon.Sa laing bahin, ang paglihok sa parisan sa prisma parehas sa paglihok sa multilayer first stage drive.
Usa ka eksperimento nga pagtuon ang gihimo sa prototype nga gipakita sa Fig. 9b aron sa pagtimbang-timbang sa performance sa usa ka bimodal drive base sa SMA.Sama sa gipakita sa Figure 10a, ang eksperimento nga setup naglangkob sa usa ka programmable DC power supply aron sa paghatag input boltahe sa SMA wires.Ingon sa gipakita sa fig.10b, usa ka piezoelectric strain gauge (PACEline CFT/5kN) gigamit sa pagsukod sa blocking force gamit ang Graphtec GL-2000 data logger.Ang datos girekord sa host alang sa dugang nga pagtuon.Ang mga strain gauge ug mga charge amplifier nanginahanglan kanunay nga suplay sa kuryente aron makagama og signal sa boltahe.Ang katugbang nga mga signal gi-convert ngadto sa power outputs sumala sa sensitivity sa piezoelectric force sensor ug uban pang mga parameter sama sa gihulagway sa Table 2. Sa diha nga ang usa ka boltahe nga pulso gipadapat, ang temperatura sa SMA wire mosaka, hinungdan nga ang SMA wire mag-compress, nga maoy hinungdan nga ang actuator makamugna og pwersa.Ang eksperimento nga mga resulta sa output sa kusog sa kaunuran pinaagi sa usa ka input boltahe pulso sa 7 V gipakita sa fig.2a.
(a) Usa ka SMA-based nga linear actuator nga sistema gipahimutang sa eksperimento aron sukdon ang puwersa nga namugna sa actuator.Gisukod sa load cell ang blocking force ug gipadagan sa 24 V DC power supply.Ang 7 V boltahe nga drop gipadapat sa tibuok nga gitas-on sa cable gamit ang GW Instek programmable DC power supply.Ang SMA wire mokunhod tungod sa kainit, ug ang movable nga bukton mokontak sa load cell ug mohimo og blocking force.Ang load cell konektado sa GL-2000 data logger ug ang data gitipigan sa host alang sa dugang nga pagproseso.(b) Diagram nga nagpakita sa kadena sa mga sangkap sa eksperimento nga setup alang sa pagsukod sa kusog sa kaunoran.
Ang mga porma sa panumduman sa panumduman naghinam-hinam sa thermal energy, mao nga ang temperatura nahimong importante nga parameter alang sa pagtuon sa porma sa memorya nga panghitabo.Sa eksperimento, ingon sa gipakita sa Fig. 11a, ang thermal imaging ug mga pagsukod sa temperatura gihimo sa usa ka prototype nga SMA-based divalerate actuator.Ang usa ka programmable DC nga tinubdan nag-apply sa input boltahe sa SMA wires sa experimental setup, sama sa gipakita sa Figure 11b.Ang pagbag-o sa temperatura sa SMA wire gisukod sa tinuud nga oras gamit ang taas nga resolusyon nga LWIR camera (FLIR A655sc).Ang host naggamit sa ResearchIR software sa pagrekord sa datos alang sa dugang nga post-processing.Kung ang usa ka boltahe nga pulso magamit, ang temperatura sa SMA wire motaas, hinungdan nga ang SMA wire mokunhod.Sa fig.Ang Figure 2b nagpakita sa eksperimento nga mga resulta sa SMA wire nga temperatura kumpara sa oras alang sa usa ka 7V input boltahe pulse.
Panahon sa pag-post: Sep-28-2022