Děkujeme, že jste navštívili Nature.com.Verze prohlížeče, kterou používáte, má omezenou podporu CSS.Chcete-li dosáhnout nejlepšího výsledku, doporučujeme použít aktualizovaný prohlížeč (nebo vypnout režim kompatibility v aplikaci Internet Explorer).Mezitím, abychom zajistili nepřetržitou podporu, vykreslíme web bez stylů a JavaScriptu.
Akční členy se používají všude a vytvářejí řízený pohyb aplikací správné budicí síly nebo točivého momentu pro provádění různých operací ve výrobě a průmyslové automatizaci.Potřeba rychlejších, menších a účinnějších pohonů je hnacím motorem inovací v konstrukci pohonů.Disky Shape Memory Alloy (SMA) nabízejí oproti běžným diskům řadu výhod, včetně vysokého poměru výkonu a hmotnosti.V této dizertační práci byl vyvinut dvouperný aktuátor na bázi SMA, který kombinuje výhody opeřených svalů biologických systémů a jedinečné vlastnosti SMA.Tato studie zkoumá a rozšiřuje předchozí pohony SMA vyvinutím matematického modelu nového pohonu založeného na bimodálním uspořádání vodičů SMA a jeho experimentálním testováním.Ve srovnání se známými pohony na bázi SMA je ovládací síla nového pohonu minimálně 5krát vyšší (až 150 N).Odpovídající ztráta hmotnosti je asi 67%.Výsledky analýzy citlivosti matematických modelů jsou užitečné pro ladění návrhových parametrů a pochopení klíčových parametrů.Tato studie dále představuje víceúrovňový pohon N-tého stupně, který lze použít k dalšímu zvýšení dynamiky.Divalerátové svalové aktuátory založené na SMA mají širokou škálu aplikací, od automatizace budov až po přesné systémy podávání léků.
Biologické systémy, jako jsou svalové struktury savců, mohou aktivovat mnoho jemných aktuátorů1.Savci mají různé svalové struktury, z nichž každá slouží specifickému účelu.Velkou část struktury svalové tkáně savců lze však rozdělit do dvou širokých kategorií.Paralelní a pennate.V hamstringech a dalších flexorech, jak název napovídá, má paralelní svalstvo svalová vlákna rovnoběžná s centrální šlachou.Řetězec svalových vláken je seřazen a funkčně spojen pojivovou tkání kolem nich.I když se říká, že tyto svaly mají velkou exkurzi (procentuální zkrácení), jejich celková svalová síla je velmi omezená.Naproti tomu v lýtkovém svalu tricepsu2 (laterální lýtkový sval (GL)3, mediální lýtkový sval (GM)4 a lýtkový sval (SOL)) a extensor femoris (čtyřhlavý sval stehenní)5,6 se v každém svalu nachází penová svalová tkáň7.Ve zpeřené struktuře jsou svalová vlákna v bipenátním svalstvu přítomna na obou stranách centrální šlachy v šikmých úhlech (pinnate angles).Pennate pochází z latinského slova „penna“, což znamená „pero“, a jak je znázorněno na obr.1 má vzhled jako pírko.Vlákna penátních svalů jsou kratší a šikmá k podélné ose svalu.Díky zpeřené stavbě je snížena celková pohyblivost těchto svalů, což vede k příčné a podélné složce procesu zkrácení.Na druhou stranu, aktivace těchto svalů vede k vyšší celkové svalové síle díky způsobu měření fyziologické plochy průřezu.Proto pro danou oblast průřezu budou pennate svaly silnější a budou generovat vyšší síly než svaly s paralelními vlákny.Síly generované jednotlivými vlákny generují svalové síly na makroskopické úrovni v dané svalové tkáni.Kromě toho má takové jedinečné vlastnosti, jako je rychlé smrštění, ochrana proti poškození tahem, odpružení.Transformuje vztah mezi přísunem vláken a svalovým výkonem tím, že využívá jedinečné vlastnosti a geometrickou složitost uspořádání vláken spojené s liniemi působení svalů.
Jsou znázorněny schematické diagramy stávajících návrhů aktuátorů na bázi SMA ve vztahu k bimodální svalové architektuře, například (a), představující interakci hmatové síly, při které je ručně tvarované zařízení ovládané dráty SMA namontováno na dvoukolovém autonomním mobilním robotu9,10., (b) Robotická orbitální protéza s antagonisticky umístěnou SMA pružinovou orbitální protézou.Poloha protetického oka je řízena signálem z očního svalu oka11, (c) aktuátory SMA jsou ideální pro podvodní aplikace díky své vysoké frekvenční odezvě a malé šířce pásma.V této konfiguraci se aktuátory SMA používají k vytvoření vlnového pohybu simulací pohybu ryb, (d) Aktuátory SMA se používají k vytvoření robota pro kontrolu mikrotrubek, který může používat princip pohybu šnekového šneku, řízeného pohybem drátů SMA uvnitř kanálu 10, (e) ukazuje směr kontrakcí svalových vláken a generuje kontrakční sílu v tkáni lýtkového svalu, struktura drátěných svalových vláken (f) ukazuje strukturu svalů SMA ve tvaru SMA.
Pohony se staly důležitou součástí mechanických systémů díky své široké škále aplikací.Potřeba menších, rychlejších a účinnějších pohonů se proto stává kritickou.I přes své výhody se tradiční pohony ukázaly jako drahé a časově náročné na údržbu.Hydraulické a pneumatické pohony jsou složité a drahé a podléhají opotřebení, problémům s mazáním a selháním součástí.V reakci na poptávku se zaměřujeme na vývoj nákladově efektivních, dimenzovaných a pokročilých pohonů založených na chytrých materiálech.Probíhající výzkum se zaměřuje na vrstvené aktuátory ze slitiny tvarové paměti (SMA), aby tuto potřebu splnily.Hierarchické aktuátory jsou jedinečné v tom, že kombinují mnoho diskrétních aktuátorů do geometricky složitých subsystémů makro měřítka, které poskytují zvýšenou a rozšířenou funkčnost.V tomto ohledu lidská svalová tkáň popsaná výše poskytuje vynikající vícevrstvý příklad takové vícevrstvé aktivace.Současná studie popisuje víceúrovňový pohon SMA s několika jednotlivými prvky pohonu (dráty SMA) zarovnanými s orientací vláken přítomných v bimodálních svalech, což zlepšuje celkový výkon pohonu.
Hlavním účelem aktuátoru je generovat mechanický výkon, jako je síla a posun, přeměnou elektrické energie.Slitiny s tvarovou pamětí jsou třídou „chytrých“ materiálů, které dokážou obnovit svůj tvar při vysokých teplotách.Při vysokém zatížení vede zvýšení teploty drátu SMA k obnově tvaru, což má za následek vyšší hustotu aktivační energie ve srovnání s různými přímo vázanými inteligentními materiály.Současně při mechanickém zatížení SMA křehnou.Za určitých podmínek může cyklická zátěž absorbovat a uvolňovat mechanickou energii, což má za následek reverzibilní hysteretické změny tvaru.Díky těmto jedinečným vlastnostem je SMA ideální pro senzory, tlumení vibrací a zejména akční členy12.S ohledem na to bylo provedeno mnoho výzkumů v oblasti disků založených na SMA.Je třeba poznamenat, že aktuátory na bázi SMA jsou navrženy tak, aby poskytovaly translační a rotační pohyb pro různé aplikace13,14,15.Přestože byly vyvinuty některé rotační pohony, výzkumníci se zajímají zejména o lineární pohony.Tyto lineární pohony lze rozdělit do tří typů pohonů: jednorozměrné, posuvné a diferenciální pohony 16 .Zpočátku vznikaly hybridní pohony v kombinaci s SMA a dalšími konvenčními pohony.Jedním z takových příkladů hybridního lineárního aktuátoru na bázi SMA je použití drátu SMA se stejnosměrným motorem, který poskytuje výstupní sílu přibližně 100 N a významný posun17.
Jedním z prvních vývojů v pohonech založených výhradně na SMA byl paralelní pohon SMA.Pomocí více vodičů SMA je paralelní měnič na bázi SMA navržen tak, aby zvýšil výkon měniče umístěním všech vodičů SMA18 paralelně.Paralelní připojení pohonů vyžaduje nejen větší výkon, ale také omezuje výstupní výkon jednoho vodiče.Další nevýhodou aktuátorů na bázi SMA je omezený zdvih, kterého mohou dosáhnout.K vyřešení tohoto problému byl vytvořen kabelový nosník SMA obsahující vychýlený ohebný nosník pro zvýšení posunutí a dosažení lineárního pohybu, ale nevytvářel vyšší síly19.Měkké deformovatelné struktury a tkaniny pro roboty na bázi slitin s tvarovou pamětí byly vyvinuty především pro zesílení nárazu20,21,22.Pro aplikace, kde jsou vyžadovány vysoké rychlosti, byly hlášeny kompaktní poháněné pumpy používající tenkovrstvé SMA pro aplikace poháněné mikropumpami23.Frekvence pohonu tenkovrstvé membrány SMA je klíčovým faktorem při řízení rychlosti pohonu.Lineární motory SMA proto mají lepší dynamickou odezvu než pružinové nebo tyčové motory SMA.Soft robotika a technologie uchopování jsou dvě další aplikace, které používají aktuátory založené na SMA.Například pro nahrazení standardního ovladače používaného v prostorové svorce 25 N byl vyvinut paralelní ovladač 24 ze slitiny s tvarovou pamětí.V jiném případě byl měkký aktuátor SMA vyroben na základě drátu se zapuštěnou matricí schopnou vyvinout maximální tažnou sílu 30 N. Díky svým mechanickým vlastnostem se SMA používají také k výrobě aktuátorů, které napodobují biologické jevy.Jeden takový vývoj zahrnuje 12-buněčného robota, který je biomimetickým organismem podobným žížalám s SMA pro generování sinusového pohybu k ohni26,27.
Jak již bylo zmíněno dříve, existuje omezení maximální síly, kterou lze získat ze stávajících pohonů na bázi SMA.K vyřešení tohoto problému tato studie představuje biomimetickou bimodální svalovou strukturu.Poháněno drátem ze slitiny s tvarovou pamětí.Poskytuje klasifikační systém, který zahrnuje několik drátů ze slitiny s tvarovou pamětí.Dosud nebyly v literatuře uvedeny žádné aktuátory založené na SMA s podobnou architekturou.Tento jedinečný a nový systém založený na SMA byl vyvinut ke studiu chování SMA během bimodálního zarovnání svalů.Ve srovnání se stávajícími aktuátory na bázi SMA bylo cílem této studie vytvořit biomimetický dipvalerátový aktuátor, který by generoval výrazně vyšší síly v malém objemu.Ve srovnání s konvenčními pohony poháněnými krokovými motory používanými v systémech automatizace a řízení budov HVAC snižuje navrhovaná bimodální konstrukce pohonu na bázi SMA hmotnost pohonného mechanismu o 67 %.V následujícím textu jsou pojmy „sval“ a „pohon“ používány zaměnitelně.Tato studie zkoumá multifyzikální simulaci takového pohonu.Mechanické chování takových systémů bylo studováno experimentálními a analytickými metodami.Rozložení síly a teploty bylo dále zkoumáno při vstupním napětí 7 V. Následně byla provedena parametrická analýza pro lepší pochopení vztahu mezi klíčovými parametry a výstupní silou.Nakonec byly navrženy hierarchické aktuátory a efekty na hierarchické úrovni byly navrženy jako potenciální budoucí oblast pro nemagnetické aktuátory pro protetické aplikace.Podle výsledků výše uvedených studií vytváří použití jednostupňové architektury síly nejméně čtyřikrát až pětkrát vyšší než uváděné aktuátory na bázi SMA.Navíc se ukázalo, že stejná hnací síla generovaná víceúrovňovým víceúrovňovým pohonem je více než desetkrát větší než u konvenčních pohonů na bázi SMA.Studie pak uvádí klíčové parametry pomocí analýzy citlivosti mezi různými návrhy a vstupními proměnnými.Počáteční délka drátu SMA (\(l_0\)), zpeřený úhel (\(\alpha\)) a počet jednotlivých pramenů (n) v každém jednotlivém prameni mají silný negativní vliv na velikost hnací síly.síla, zatímco vstupní napětí (energie) se ukázalo jako kladně korelované.
Drát SMA vykazuje efekt tvarové paměti (SME) pozorovaný u slitin nikl-titan (Ni-Ti).Typicky SMA vykazují dvě fáze závislé na teplotě: fázi s nízkou teplotou a fázi s vysokou teplotou.Obě fáze mají jedinečné vlastnosti díky přítomnosti různých krystalových struktur.V austenitové fázi (fáze vysoké teploty) existující nad transformační teplotou, materiál vykazuje vysokou pevnost a špatně se deformuje při zatížení.Slitina se chová jako nerezová ocel, takže je schopna odolat vyšším ovládacím tlakům.S využitím této vlastnosti slitin Ni-Ti jsou dráty SMA nakloněny, aby vytvořily akční člen.Jsou vyvinuty vhodné analytické modely pro pochopení základní mechaniky tepelného chování SMA pod vlivem různých parametrů a různých geometrií.Bylo dosaženo dobré shody mezi experimentálními a analytickými výsledky.
Na prototypu znázorněném na obr. 9a byla provedena experimentální studie za účelem vyhodnocení výkonu bimodálního pohonu založeného na SMA.Dvě z těchto vlastností, síla generovaná pohonem (svalová síla) a teplota drátu SMA (teplota SMA), byly měřeny experimentálně.S rostoucím rozdílem napětí po celé délce drátu v měniči se zvyšuje teplota drátu vlivem Jouleova zahřívacího efektu.Vstupní napětí bylo aplikováno ve dvou 10-sekundových cyklech (znázorněných jako červené tečky na obr. 2a, b) s 15-ti sekundovou periodou chlazení mezi každým cyklem.Blokovací síla byla měřena pomocí piezoelektrického tenzometru a rozložení teploty drátu SMA bylo monitorováno v reálném čase pomocí vědecké LWIR kamery s vysokým rozlišením (viz charakteristiky použitého zařízení v tabulce 2).ukazuje, že během fáze vysokého napětí se teplota drátu monotónně zvyšuje, ale když neteče žádný proud, teplota drátu nadále klesá.V současném experimentálním nastavení teplota SMA drátu během fáze chlazení klesla, ale stále byla nad teplotou okolí.Na Obr.2e ukazuje snímek teploty na SMA drátu pořízený z LWIR kamery.Na druhé straně na Obr.2a znázorňuje blokovací sílu generovanou hnacím systémem.Když svalová síla překročí vratnou sílu pružiny, pohyblivé rameno, jak je znázorněno na obrázku 9a, se začne pohybovat.Jakmile začne aktivace, pohyblivé rameno se dostane do kontaktu se snímačem a vytvoří tělesnou sílu, jak je znázorněno na obr.2c, d.Když se maximální teplota blíží \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), je maximální pozorovaná síla 105 N.
Graf ukazuje experimentální výsledky teploty drátu SMA a síly generované bimodálním pohonem na bázi SMA během dvou cyklů.Vstupní napětí je aplikováno ve dvou 10 sekundových cyklech (zobrazených jako červené tečky) s 15 sekundovou periodou ochlazování mezi každým cyklem.Drát SMA použitý pro experimenty byl drát Flexinol o průměru 0,51 mm od společnosti Dynalloy, Inc. (a) Graf ukazuje experimentální sílu získanou během dvou cyklů, (c, d) ukazuje dva nezávislé příklady působení aktuátorů pohyblivého ramene na piezoelektrickém snímači síly PACEline CFT/5kN, (b) graf ukazuje maximální teplotu drátu po dobu dvou cyklů SMA (snímek SMA) softwarová LWIR kamera FLIR ResearchIR.Geometrické parametry zohledněné při experimentech jsou uvedeny v tabulce.jeden.
Výsledky simulace matematického modelu a experimentální výsledky jsou porovnány za podmínek vstupního napětí 7V, jak je znázorněno na obr.5.Podle výsledků parametrické analýzy a z důvodu zamezení možnosti přehřátí vodiče SMA byl do aktuátoru přiveden výkon 11,2 W.Pro napájení 7V jako vstupního napětí byl použit programovatelný stejnosměrný zdroj a na vodiči byl naměřen proud 1,6A.Síla generovaná měničem a teplota SDR se zvyšují při použití proudu.Při vstupním napětí 7V je maximální výstupní síla získaná z výsledků simulace a experimentálních výsledků prvního cyklu 78 N a 96 N, v tomto pořadí.Ve druhém cyklu byla maximální výstupní síla simulačních a experimentálních výsledků 150 N, respektive 105 N.Nesoulad mezi měřením okluzní síly a experimentálními daty může být způsoben metodou použitou k měření okluzní síly.Experimentální výsledky uvedené na Obr.5a odpovídají měření blokovací síly, která byla zase měřena, když byl hnací hřídel v kontaktu s piezoelektrickým snímačem síly PACEline CFT/5kN, jak je znázorněno na Obr.2s.Proto, když hnací hřídel není v kontaktu se snímačem síly na začátku chladicí zóny, síla se okamžitě vynuluje, jak je znázorněno na obr. 2d.Kromě toho dalšími parametry, které ovlivňují tvorbu síly v následujících cyklech, jsou hodnoty doby ochlazování a koeficient přenosu tepla konvekcí v předchozím cyklu.Z Obr.2b je vidět, že po 15 sekundách chlazení nedosáhl drát SMA pokojové teploty, a proto měl vyšší počáteční teplotu (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) ve druhém jízdním cyklu ve srovnání s prvním cyklem (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Ve srovnání s prvním cyklem tak teplota drátu SMA během druhého cyklu ohřevu dosáhne počáteční teploty austenitu (\(A_s\)) dříve a zůstane v přechodném období déle, což má za následek napětí a sílu.Na druhou stranu, rozložení teplot během ohřívacích a chladicích cyklů získané z experimentů a simulací mají vysokou kvalitativní podobnost s příklady z termografické analýzy.Srovnávací analýza tepelných dat drátu SMA z experimentů a simulací ukázala konzistenci během cyklů ohřevu a chlazení a v rámci přijatelných tolerancí pro experimentální data.Maximální teplota drátu SMA, získaná z výsledků simulace a experimentů prvního cyklu, je \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) a \(75\,^{\circ }\hbox { C }\, v tomto pořadí ), a ve druhém cyklu je maximální teplota drátu SMA \(94\,^{\circ } {(94\,^,\^C {}\ 3) \\ 3 }\).Zásadně vyvinutý model potvrzuje efekt efektu tvarové paměti.Role únavy a přehřátí nebyla v tomto přehledu zvažována.V budoucnu bude model vylepšen tak, aby zahrnoval historii namáhání drátu SMA, takže je vhodnější pro inženýrské aplikace.Grafy výstupní síly měniče a teploty SMA získané z bloku Simulink jsou v přípustných tolerancích experimentálních dat za podmínky vstupního napěťového impulsu 7 V. To potvrzuje správnost a spolehlivost vyvinutého matematického modelu.
Matematický model byl vyvinut v prostředí MathWorks Simulink R2020b pomocí základních rovnic popsaných v části Metody.Na Obr.3b ukazuje blokové schéma matematického modelu Simulink.Model byl simulován pro puls vstupního napětí 7V, jak je znázorněno na obr. 2a,b.Hodnoty parametrů použitých při simulaci jsou uvedeny v tabulce 1. Výsledky simulace přechodných procesů jsou uvedeny na obrázcích 1 a 1. Obrázky 3a a 4. Na Obr.4a,b znázorňuje indukované napětí v SMA drátu a sílu generovanou akčním členem jako funkci času. Během reverzní transformace (zahřívání), kdy je teplota drátu SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (napěťově modifikovaná počáteční teplota fáze austenitu), bude rychlost změny objemového podílu martenzitu (\(\dot{\xi }\)) nulová. Během reverzní transformace (zahřívání), kdy je teplota drátu SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (počáteční teplota austenitové fáze modifikovaná napětím), bude rychlost změny objemového podílu martenzitu (\(\dot{\ xi }\)) nulová. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) нитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемнтит\мицированная будет равно нулю. Při zpětné transformaci (zahřívání), kdy teplota drátu SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (napěťově modifikovaná teplota začátku austenitu), bude rychlost změny objemového podílu martenzitu (\(\dot{\ xi }\ )) nulová.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥榩）鉋奥氏ﵼ体綥氏ﻵ体綥妸︧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 При обратном превращении (нагреве) при температуре проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (тедуренпе нитной фазы с поправкой на напряжение) скорость изменения объемной доправкой доли бъемной доправкой на напряжение) скорость изменения объемной доправкой равно нулю. Při zpětné transformaci (zahřívání) na teplotu SMA drátu \(T < A_s^{\prime}\) (teplota nukleace austenitové fáze, korigovaná na napětí) bude rychlost změny objemového zlomku martenzitu (\( \dot{\ xi }\)) rovna nule.Proto bude rychlost změny napětí (\(\dot{\sigma}\)) záviset na rychlosti deformace (\(\dot{\epsilon}\)) a teplotním gradientu (\(\dot{T} \) ) pouze s použitím rovnice (1).Jak však SMA drát zvyšuje teplotu a kříží se (\(A_s^{\prime}\)), začne se tvořit austenitová fáze a (\(\dot{\xi}\)) se bere jako daná hodnota rovnice ( 3).Rychlost změny napětí (\(\dot{\sigma}\)) je tedy společně řízena pomocí \(\tečka{\epsilon}, \tečka{T}\) a \(\tečka{\xi}\) je rovna hodnotě uvedené ve vzorci (1).To vysvětluje změny gradientu pozorované v časově proměnných mapách napětí a sil během ohřívacího cyklu, jak je znázorněno na obr. 4a,b.
(a) Výsledek simulace ukazující rozložení teploty a teplotu přechodu vyvolanou napětím v aktuátoru typu SMA založeném na SMA.Když teplota drátu překročí teplotu přechodu austenitu ve fázi ohřevu, teplota modifikovaného přechodu austenitu se začne zvyšovat a podobně, když teplota drátu překročí teplotu martenzitického přechodu ve fázi chlazení, teplota martenzitického přechodu se sníží.SMA pro analytické modelování procesu ovládání.(Podrobný pohled na každý subsystém modelu Simulink naleznete v části přílohy doplňkového souboru.)
Výsledky analýzy pro různá rozdělení parametrů jsou zobrazeny pro dva cykly vstupního napětí 7V (10 sekund zahřívací cykly a 15 sekund ochlazovací cykly).Zatímco (ac) a (e) znázorňují rozložení v čase, na druhé straně (d) a (f) znázorňují rozložení s teplotou.Pro příslušné vstupní podmínky je maximální pozorované napětí 106 MPa (méně než 345 MPa, mez kluzu drátu), síla je 150 N, maximální posuv je 270 µm a minimální martenzitický objemový podíl je 0,91.Na druhou stranu změna napětí a změna objemového podílu martenzitu s teplotou jsou podobné hysterezní charakteristice.
Stejné vysvětlení platí pro přímou transformaci (ochlazení) z austenitové fáze do martenzitické fáze, kde je vynikající teplota drátu SMA (T) a koncová teplota napěťově modifikované martenzitové fáze (\(M_f^{\prime}\ )).Na Obr.4d,f ukazuje změnu indukovaného napětí (\(\sigma\)) a objemového podílu martenzitu (\(\xi\)) v SMA drátu jako funkci změny teploty SMA drátu (T), pro oba cykly pohonu.Na Obr.Obrázek 3a ukazuje změnu teploty vodiče SMA v čase v závislosti na impulsu vstupního napětí.Jak je vidět z obrázku, teplota drátu se dále zvyšuje poskytováním zdroje tepla při nulovém napětí a následným konvekčním chlazením.Během zahřívání začíná retransformace martenzitu na austenitickou fázi, když teplota drátu SMA (T) překročí teplotu nukleace austenitu korigovanou na napětí (\(A_s^{\prime}\)).Během této fáze je drát SMA stlačen a pohon generuje sílu.Také během ochlazování, kdy teplota SMA drátu (T) překročí nukleační teplotu napěťově modifikované martenzitické fáze (\(M_s^{\prime}\)), dochází k pozitivnímu přechodu z austenitové fáze do martenzitické fáze.hnací síla klesá.
Hlavní kvalitativní aspekty bimodálního pohonu založeného na SMA lze získat z výsledků simulace.V případě napěťového impulsního vstupu se teplota drátu SMA zvýší vlivem Jouleova zahřívacího efektu.Počáteční hodnota objemového podílu martenzitu (\(\xi\)) je nastavena na 1, protože materiál je zpočátku v plně martenzitické fázi.Jak se drát dále zahřívá, teplota drátu SMA překročí teplotu nukleace austenitu \(A_s^{\prime}\) korigovanou na napětí, což má za následek pokles objemového podílu martenzitu, jak je znázorněno na obrázku 4c.Kromě toho na Obr.4e ukazuje rozložení zdvihů akčního členu v čase a na Obr.5 – hnací síla jako funkce času.Související systém rovnic zahrnuje teplotu, objemový podíl martenzitu a napětí, které vzniká v drátu, což vede ke smrštění drátu SMA a síle generované akčním členem.Jak je znázorněno na Obr.4d,f, kolísání napětí s teplotou a kolísání objemového podílu martenzitu s teplotou odpovídají hysterezní charakteristice SMA v simulovaném případě při 7 V.
Porovnání jízdních parametrů bylo získáno pomocí experimentů a analytických výpočtů.Dráty byly vystaveny pulznímu vstupnímu napětí 7 V po dobu 10 sekund, poté byly ochlazovány po dobu 15 sekund (fáze chlazení) ve dvou cyklech.Zpeřený úhel je nastaven na \(40^{\circ}\) a počáteční délka drátu SMA v každém jednotlivém kolíku je nastavena na 83 mm.(a) Měření hnací síly pomocí siloměru (b) Monitorování teploty drátu termální infračervenou kamerou.
Pro pochopení vlivu fyzikálních parametrů na sílu vyvíjenou pohonem byla provedena analýza citlivosti matematického modelu na vybrané fyzikální parametry a parametry byly seřazeny podle jejich vlivu.Nejprve bylo provedeno vzorkování parametrů modelu pomocí principů experimentálního návrhu, které se řídily rovnoměrným rozdělením (viz doplňková část o analýze citlivosti).V tomto případě parametry modelu zahrnují vstupní napětí (\(V_{in}\)), počáteční délku vodiče SMA (\(l_0\)), úhel trojúhelníku (\(\alpha\)), konstantu předpětí (\( K_x\ )), koeficient prostupu tepla konvekcí (\(h_T\)) a počet unimodálních větví (n).V dalším kroku byla jako požadavek návrhu studie zvolena maximální svalová síla a byly získány parametrické účinky každé sady proměnných na sílu.Grafy tornáda pro analýzu citlivosti byly odvozeny z korelačních koeficientů pro každý parametr, jak je znázorněno na obr. 6a.
(a) Hodnoty korelačních koeficientů parametrů modelu a jejich vliv na maximální výstupní sílu 2500 jedinečných skupin výše uvedených parametrů modelu jsou zobrazeny v grafu tornáda.Graf ukazuje korelaci pořadí několika ukazatelů.Je jasné, že \(V_{in}\) je jediný parametr s kladnou korelací a \(l_0\) je parametr s nejvyšší negativní korelací.Vliv různých parametrů v různých kombinacích na maximální svalovou sílu je znázorněn v (b, c).\(K_x\) se pohybuje od 400 do 800 N/m a n je v rozsahu od 4 do 24. Napětí (\(V_{in}\)) se změnilo ze 4V na 10V, délka vodiče (\(l_{0 } \)) se změnila ze 40 na 100 mm a úhel ocasu (kruh)\ (\0 – varied – 6 \\ 0}).
Na Obr.6a ukazuje graf tornáda různých korelačních koeficientů pro každý parametr s požadavky na návrh špičkové hnací síly.Z Obr.6a je vidět, že parametr napětí (\(V_{in}\)) přímo souvisí s maximální výstupní silou a koeficient přenosu tepla konvekcí (\(h_T\)), úhel plamene (\ ( \alpha\)) , konstanta posuvné pružiny ( \(K_x\)) negativně koreluje s výstupní silou a počáteční délkou vodiče a počáteční délkou (uni)\(l_0) je silný, počet větví SMA\ korelace V případě přímé korelace V případě vyšší hodnoty napěťového korelačního koeficientu (\(V_ {in}\)) udává, že tento parametr má největší vliv na výkon.Další podobná analýza měří maximální sílu vyhodnocením účinku různých parametrů v různých kombinacích dvou výpočetních prostorů, jak je znázorněno na obr. 6b, c. Obr.\(V_{in}\) a \(l_0\), \(\alpha\) a \(l_0\) mají podobné vzory a graf ukazuje, že \(V_{in}\) a \(\alpha\ ) a \(\alpha\) mají podobné vzory.Menší hodnoty \(l_0\) mají za následek vyšší špičkové síly.Další dva grafy jsou v souladu s obrázkem 6a, kde n a \(K_x\) jsou negativně korelovány a \(V_{in}\) jsou pozitivně korelovány.Tato analýza pomáhá definovat a upravit ovlivňující parametry, kterými lze výstupní sílu, zdvih a účinnost hnacího systému přizpůsobit požadavkům a aplikaci.
Současná výzkumná práce zavádí a zkoumá hierarchické pohony s N úrovněmi.Ve dvouúrovňové hierarchii, jak je znázorněno na Obr. 7a, kde namísto každého vodiče SMA ovladače první úrovně je dosaženo bimodálního uspořádání, jak je znázorněno na Obr.9e.Na Obr.7c ukazuje, jak je drát SMA navinut kolem pohyblivého ramene (pomocného ramene), které se pohybuje pouze v podélném směru.Primární pohyblivé rameno se však nadále pohybuje stejným způsobem jako pohyblivé rameno 1. stupně vícestupňového aktuátoru.Měnič N-stupně se obvykle vytvoří nahrazením vodiče SMA \(N-1\) stupně měničem prvního stupně.Výsledkem je, že každá větev napodobuje pohon prvního stupně, s výjimkou větve, která drží samotný vodič.Tímto způsobem lze vytvářet vnořené struktury, které vytvářejí síly několikanásobně větší než síly primárních pohonů.V této studii byla pro každou úroveň brána v úvahu celková efektivní délka drátu SMA 1 m, jak je znázorněno ve formátu tabulky na obr. 7d.Proud procházející každým drátem v každém unimodálním provedení a výsledné předpětí a napětí v každém segmentu drátu SMA jsou na každé úrovni stejné.Podle našeho analytického modelu je výstupní síla pozitivně korelována s hladinou, zatímco posunutí je korelováno negativně.Zároveň došlo ke kompromisu mezi posunem a svalovou silou.Jak je vidět na Obr.7b, zatímco maximální síly je dosaženo v největším počtu vrstev, největší posun je pozorován v nejnižší vrstvě.Když byla úroveň hierarchie nastavena na \(N=5\), byla zjištěna maximální svalová síla 2,58 kN při 2 pozorovaných úderech \(\upmu\)m.Na druhou stranu pohon prvního stupně generuje sílu 150 N při zdvihu 277 \(\upmu\)m.Víceúrovňové aktuátory jsou schopny napodobit skutečné biologické svaly, kde umělé svaly na bázi slitin s tvarovou pamětí jsou schopny generovat výrazně vyšší síly s přesnými a jemnějšími pohyby.Omezení tohoto miniaturizovaného designu spočívá v tom, že jak se hierarchie zvyšuje, pohyb se výrazně snižuje a zvyšuje se složitost procesu výroby pohonu.
(a) Dvoustupňový (\(N=2\)) vrstvený lineární ovládací systém ze slitiny s tvarovou pamětí je zobrazen v bimodální konfiguraci.Navrhovaného modelu je dosaženo nahrazením vodiče SMA v prvním stupni vrstveného aktuátoru jiným jednostupňovým vrstveným aktuátorem.(c) Deformovaná konfigurace vícevrstvého ovladače druhého stupně.(b) Je popsáno rozložení sil a posunů v závislosti na počtu úrovní.Bylo zjištěno, že špičková síla ovladače pozitivně koreluje s úrovní měřítka na grafu, zatímco zdvih negativně koreluje s úrovní měřítka.Proud a předpětí v každém vodiči zůstávají konstantní na všech úrovních.(d) Tabulka ukazuje počet odboček a délku SMA drátu (vlákna) na každé úrovni.Charakteristiky vodičů jsou označeny indexem 1 a počet sekundárních větví (jedna připojená k primární větvi) je označen největším číslem v dolním indexu.Například na úrovni 5, \(n_1\) označuje počet SMA drátů přítomných v každé bimodální struktuře a \(n_5\) označuje počet pomocných větví (jedna připojená k hlavní větvi).
Mnoho výzkumníků navrhlo různé metody pro modelování chování SMA s tvarovou pamětí, které závisí na termomechanických vlastnostech doprovázejících makroskopické změny v krystalové struktuře spojené s fázovým přechodem.Formulace konstitutivních metod je ze své podstaty složitá.Nejčastěji používaný fenomenologický model navrhuje Tanaka28 a je široce používán v inženýrských aplikacích.Fenomenologický model navržený Tanakou [28] předpokládá, že objemový zlomek martenzitu je exponenciální funkcí teploty a napětí.Později Liang a Rogers29 a Brinson30 navrhli model, ve kterém se předpokládalo, že dynamika fázového přechodu je kosinusová funkce napětí a teploty, s mírnými úpravami modelu.Becker a Brinson navrhli kinetický model založený na fázovém diagramu pro modelování chování materiálů SMA za libovolných podmínek zatížení, jakož i dílčích přechodů.Banerjee32 používá metodu dynamiky fázového diagramu Bekker a Brinson31 k simulaci manipulátoru s jedním stupněm volnosti, který vyvinuli Elahinia a Ahmadian33.Kinetické metody založené na fázových diagramech, které berou v úvahu nemonotonickou změnu napětí s teplotou, jsou v inženýrských aplikacích obtížně realizovatelné.Elachinia a Ahmadian upozorňují na tyto nedostatky existujících fenomenologických modelů a navrhují rozšířený fenomenologický model pro analýzu a definování chování tvarové paměti za jakýchkoli složitých podmínek zatížení.
Strukturální model drátu SMA udává napětí (\(\sigma\)), deformaci (\(\epsilon\)), teplotu (T) a objemový podíl martenzitu (\(\xi\)) drátu SMA.Fenomenologický konstitutivní model poprvé navrhl Tanaka28 a později jej přijali Liang29 a Brinson30.Derivace rovnice má tvar:
kde E je fázově závislý modul SMA Young získaný pomocí \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) a \(E_A\) a \(E_M\) představující Youngův modul jsou austenitické a martenzitické fáze, v tomto pořadí, a koeficient tepelné roztažnosti je reprezentován \\\theta _T).Faktor příspěvku fázového přechodu je \(\Omega = -E \epsilon _L\) a \(\epsilon _L\) je maximální obnovitelné napětí v drátu SMA.
Rovnice fázové dynamiky se shoduje s funkcí kosinus vyvinutou Liangem29 a později přijatou Brinsonem30 namísto exponenciální funkce navržené Tanakou28.Model fázového přechodu je rozšířením modelu navrženého Elakhiniou a Ahmadianem34 a upraveným na základě podmínek fázového přechodu daných Liang29 a Brinsonem30.Podmínky použité pro tento model fázového přechodu jsou platné při komplexních termomechanických zatíženích.V každém časovém okamžiku je při modelování konstitutivní rovnice vypočítána hodnota objemového podílu martenzitu.
Řídící rovnice retransformace, vyjádřená přeměnou martenzitu na austenit za podmínek zahřívání, je následující:
kde \(\xi\) je objemový zlomek martenzitu, \(\xi _M\) je objemový zlomek martenzitu získaného před zahřátím, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) a \(C_A\) – křivka a konec a konec S_A_ teplota, T_\) \ aproximace drátu, T_\) austenitové fáze, respektive teplota.
Rovnice řízení přímé transformace, reprezentovaná fázovou transformací austenitu na martenzit za podmínek chlazení, je:
kde \(\xi _A\) je objemový podíl martenzitu získaného před ochlazením, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) a \ ( C_M \) – parametry přizpůsobení křivky, T – teplota drátu SMA, \(M_sf\) a konečné teploty martenzitu a \(M) –
Po derivování rovnic (3) a (4) se rovnice inverzní a přímé transformace zjednoduší do následujícího tvaru:
Během dopředné a zpětné transformace nabývají \(\eta _{\sigma}\) a \(\eta _{T}\) různé hodnoty.Základní rovnice spojené s \(\eta _{\sigma}\) a \(\eta _{T}\) byly odvozeny a podrobně diskutovány v další sekci.
Tepelná energie potřebná ke zvýšení teploty drátu SMA pochází z Jouleova zahřívacího efektu.Tepelná energie absorbovaná nebo uvolněná drátem SMA je reprezentována latentním teplem přeměny.Tepelná ztráta v drátu SMA je způsobena nucenou konvekcí a vzhledem k zanedbatelnému účinku záření je rovnice tepelné energetické bilance následující:
Kde \(m_{wire}\) je celková hmotnost vodiče SMA, \(c_{p}\) je měrná tepelná kapacita SMA, \(V_{in}\) je napětí aplikované na vodič, \(R_{ohm} \ ) – fázově závislý odpor SMA, definovaný jako;\(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) kde \(r_M\ ) a \(r_A\) jsou fázový odpor SMA v martenzitu a austenitu, \(A_{c}\) je povrchová plocha slitiny.\ SMA drát ve tvaru H,Latentní teplo přechodu drátu, T a \(T_{\infty}\) jsou teploty drátu SMA a prostředí.
Když je aktivován drát ze slitiny s tvarovou pamětí, drát se stlačí, čímž se v každé větvi bimodálního designu vytvoří síla nazývaná síla vlákna.Síly vláken v každém pramenu drátu SMA společně vytvářejí svalovou sílu k aktivaci, jak je znázorněno na obr. 9e.Díky přítomnosti předpínací pružiny je celková svalová síla N-tého vícevrstvého aktuátoru:
Dosazením \(N = 1\) do rovnice (7) lze svalovou sílu prototypu bimodálního pohonu prvního stupně získat následovně:
kde n je počet unimodálních ramen, \(F_m\) je svalová síla generovaná pohonem, \​​(F_f\) je síla vlákna v drátu SMA, \(K_x\) je tuhost vychýlení.pružina, \(\alpha\) je úhel trojúhelníku, \(x_0\) je počáteční posunutí předpětí pružiny, která drží kabel SMA v předepnuté poloze, a \(\Delta x\) je dráha ovladače.
Celkový posun nebo pohyb pohonu (\(\Delta x\)) v závislosti na napětí (\(\sigma\)) a namáhání (\(\epsilon\)) na vodiči SMA N-tého stupně, pohon je nastaven na (viz obr. doplňková část výstupu):
Kinematické rovnice dávají vztah mezi deformací pohonu (\(\epsilon\)) a posunutím nebo posunutím (\(\Delta x\)).Deformace Arbova drátu jako funkce počáteční délky Arbova drátu (\(l_0\)) a délky drátu (l) v libovolném okamžiku t v jedné unimodální větvi je následující:
kde \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) se získá aplikací kosinusového vzorce v \(\Delta\)ABB ', jak je znázorněno na obrázku 8. Pro jednotku prvního stupně (\)\ta ista x\\_1), x\(N) \\ = 1 \(\alpha _1\) je \(\alpha \), jak je znázorněno na obrázku 8, derivací času z rovnice (11) a dosazením hodnoty l lze rychlost deformace zapsat jako:
kde \(l_0\) je počáteční délka vodiče SMA, l je délka vodiče v libovolném okamžiku t v jedné unimodální větvi, \(\epsilon\) je deformace vyvinutá v vodiči SMA a \(\alpha \) je úhel trojúhelníku, \(\Delta x\) je posunutí disku (jak je znázorněno na obrázku 8).
Všech n jednošpičkových struktur (na tomto obrázku \(n=6\)) je zapojeno do série se vstupním napětím \(V_{in}\).Fáze I: Schematický diagram drátu SMA v bimodální konfiguraci za podmínek nulového napětí Fáze II: Je znázorněna řízená struktura, kde je drát SMA komprimován v důsledku inverzní konverze, jak ukazuje červená čára.
Jako důkaz koncepce byl vyvinut bimodální pohon založený na SMA, který testuje simulované odvození základních rovnic s experimentálními výsledky.CAD model bimodálního lineárního aktuátoru je znázorněn na Obr.9a.Na druhé straně na Obr.9c ukazuje novou konstrukci navrženou pro rotační prizmatické spojení pomocí dvourovinného aktuátoru na bázi SMA s bimodální strukturou.Komponenty pohonu byly vyrobeny pomocí aditivní výroby na 3D tiskárně Ultimaker 3 Extended.Materiál použitý pro 3D tisk součástek je polykarbonát, který je vhodný pro tepelně odolné materiály, protože je pevný, odolný a má vysokou teplotu skelného přechodu (110-113 \(^{\circ }\) C).Kromě toho byl v experimentech použit drát ze slitiny Flexinol s tvarovou pamětí Dynalloy, Inc. a při simulacích byly použity materiálové vlastnosti odpovídající drátu Flexinol.Vícenásobné SMA dráty jsou uspořádány jako vlákna přítomná v bimodálním uspořádání svalů pro získání vysokých sil vytvářených vícevrstvými aktuátory, jak je znázorněno na obr. 9b, d. Obr.
Jak je znázorněno na obrázku 9a, ostrý úhel, který svírá drát SMA pohyblivého ramene, se nazývá úhel (\(\alpha\)).S koncovými svorkami připojenými k levé a pravé svorce je drát SMA držen v požadovaném bimodálním úhlu.Zařízení předepjaté pružiny držené na pružinovém konektoru je navrženo k nastavení různých skupin předpětí pružiny podle počtu (n) vláken SMA.Umístění pohyblivých částí je navíc navrženo tak, aby byl vodič SMA vystaven vnějšímu prostředí pro chlazení nucenou konvekcí.Horní a spodní deska odnímatelné sestavy pomáhá udržovat drát SMA chladný díky extrudovaným výřezům navrženým pro snížení hmotnosti.Kromě toho jsou oba konce vodiče CMA připevněny k levé a pravé svorce pomocí krimpování.K jednomu konci pohyblivé sestavy je připojen plunžr pro udržení vůle mezi horní a spodní deskou.Plunžr se také používá k aplikaci blokovací síly na senzor prostřednictvím kontaktu pro měření blokovací síly při aktivaci vodiče SMA.
Bimodální svalová struktura SMA je elektricky zapojena do série a napájena vstupním pulzním napětím.Během cyklu napěťových pulzů, kdy je přiloženo napětí a drát SMA je zahřátý nad počáteční teplotu austenitu, se délka drátu v každém prameni zkracuje.Toto zatažení aktivuje podsestavu pohyblivého ramene.Když bylo napětí ve stejném cyklu vynulováno, zahřátý drát SMA se ochladil pod teplotu povrchu martenzitu, čímž se vrátil do své původní polohy.Za podmínek nulového namáhání je drát SMA nejprve pasivně natažen předpínací pružinou, aby dosáhl rozdvojeného martenzitického stavu.Šroub, kterým prochází drát SMA, se pohybuje v důsledku komprese vzniklé přivedením napěťového impulsu na drát SMA (SPA dosáhne austenitové fáze), což vede k aktivaci pohyblivé páky.Když je drát SMA zatažen, předpětí pružina vytváří opačnou sílu dalším natahováním pružiny.Když napětí v impulsním napětí klesne na nulu, SMA drát se prodlouží a změní svůj tvar v důsledku nuceného konvekčního chlazení a dosáhne dvojité martenzitické fáze.
Navrhovaný systém lineárního pohonu na bázi SMA má bimodální konfiguraci, ve které jsou dráty SMA skloněny.(a) znázorňuje CAD model prototypu, který uvádí některé součásti a jejich význam pro prototyp, (b, d) představuje vyvinutý experimentální prototyp35.Zatímco (b) ukazuje pohled shora na prototyp s elektrickými spoji a použitými předpínacími pružinami a tenzometry, (d) ukazuje perspektivní pohled na nastavení.(e) Schéma lineárního akčního systému s dráty SMA umístěnými bimodálně v libovolném čase t, ukazující směr a průběh síly vlákna a svalů.(c) Bylo navrženo 2-DOF rotační prizmatické spojení pro nasazení dvourovinového aktuátoru založeného na SMA.Jak je znázorněno, článek přenáší lineární pohyb ze spodního pohonu na horní rameno a vytváří rotační spojení.Na druhou stranu je pohyb dvojice hranolů stejný jako pohyb vícevrstvého pohonu prvního stupně.
Na prototypu znázorněném na obr. 9b byla provedena experimentální studie za účelem vyhodnocení výkonu bimodálního pohonu založeného na SMA.Jak je znázorněno na obrázku 10a, experimentální uspořádání sestávalo z programovatelného stejnosměrného napájecího zdroje pro dodávání vstupního napětí do vodičů SMA.Jak je znázorněno na Obr.10b, byl použit piezoelektrický tenzometr (PACEline CFT/5kN) pro měření blokovací síly pomocí dataloggeru Graphtec GL-2000.Data jsou zaznamenána hostitelem pro další studium.Tenzometry a zesilovače náboje vyžadují konstantní napájení, aby vytvořily napěťový signál.Odpovídající signály jsou převedeny na výkonové výstupy podle citlivosti piezoelektrického snímače síly a dalších parametrů, jak je popsáno v tabulce 2. Při použití napěťového impulsu se teplota vodiče SMA zvýší, což způsobí stlačení vodiče SMA, což způsobí, že akční člen generuje sílu.Experimentální výsledky výstupu svalové síly vstupním napěťovým impulsem 7 V jsou uvedeny na Obr.2a.
(a) V experimentu byl vytvořen lineární aktuátorový systém založený na SMA pro měření síly generované aktuátorem.Siloměr měří blokovací sílu a je napájen ze zdroje 24 V DC.Po celé délce kabelu byl aplikován úbytek napětí 7 V pomocí programovatelného DC zdroje GW Instek.Drát SMA se vlivem tepla smrští a pohyblivé rameno se dotkne siloměru a vyvine blokovací sílu.Snímač zatížení je připojen k záznamníku dat GL-2000 a data jsou uložena na hostiteli pro další zpracování.(b) Diagram ukazující řetězec komponent experimentálního uspořádání pro měření svalové síly.
Slitiny s tvarovou pamětí jsou buzeny tepelnou energií, takže teplota se stává důležitým parametrem pro studium fenoménu tvarové paměti.Experimentálně, jak je znázorněno na obr. 11a, bylo provedeno termovizní zobrazování a měření teploty na prototypu dvouvalerátového aktuátoru na bázi SMA.Programovatelný stejnosměrný zdroj přivedl vstupní napětí na vodiče SMA v experimentálním nastavení, jak je znázorněno na obrázku 11b.Změna teploty SMA drátu byla měřena v reálném čase pomocí LWIR kamery s vysokým rozlišením (FLIR A655sc).Hostitel používá software ResearchIR k záznamu dat pro další následné zpracování.Při použití napěťového impulsu se teplota vodiče SMA zvýší, což způsobí smrštění vodiče SMA.Na Obr.Obrázek 2b ukazuje experimentální výsledky závislosti teploty vodiče SMA na čase pro puls vstupního napětí 7V.