Diolch am ymweld â Nature.com.Mae gan y fersiwn porwr rydych chi'n ei ddefnyddio gefnogaeth CSS gyfyngedig.I gael y profiad gorau, rydym yn argymell eich bod yn defnyddio porwr wedi'i ddiweddaru (neu analluogi Modd Cydnawsedd yn Internet Explorer).Yn y cyfamser, er mwyn sicrhau cefnogaeth barhaus, byddwn yn gwneud y wefan heb arddulliau a JavaScript.
Defnyddir actiwadyddion ym mhobman ac maent yn creu mudiant rheoledig trwy gymhwyso'r grym cyffroi neu'r trorym cywir i gyflawni amrywiol weithrediadau ym maes gweithgynhyrchu ac awtomeiddio diwydiannol.Mae'r angen am yriannau cyflymach, llai a mwy effeithlon yn ysgogi arloesedd mewn dylunio gyriannau.Mae gyriannau Alloy Cof Siâp (SMA) yn cynnig nifer o fanteision dros yriannau confensiynol, gan gynnwys cymhareb pŵer-i-bwysau uchel.Yn y traethawd hir hwn, datblygwyd actuator dwy-pluen yn seiliedig ar SMA sy'n cyfuno manteision cyhyrau pluog systemau biolegol a phriodweddau unigryw SMAs.Mae'r astudiaeth hon yn archwilio ac yn ymestyn actiwadyddion SMA blaenorol trwy ddatblygu model mathemategol o'r actiwadydd newydd yn seiliedig ar y trefniant gwifren SMA bimodal a'i brofi'n arbrofol.O'i gymharu â gyriannau hysbys sy'n seiliedig ar SMA, mae grym gweithredu'r gyriant newydd o leiaf 5 gwaith yn uwch (hyd at 150 N).Mae'r golled pwysau cyfatebol tua 67%.Mae canlyniadau dadansoddiad sensitifrwydd o fodelau mathemategol yn ddefnyddiol ar gyfer tiwnio paramedrau dylunio a deall paramedrau allweddol.Mae'r astudiaeth hon ymhellach yn cyflwyno gyriant Nfed cam aml-lefel y gellir ei ddefnyddio i wella deinameg ymhellach.Mae gan actiwadyddion cyhyrau deufalerad seiliedig ar SMA ystod eang o gymwysiadau, o adeiladu awtomeiddio i systemau dosbarthu cyffuriau manwl gywir.
Gall systemau biolegol, megis strwythurau cyhyrol mamaliaid, ysgogi llawer o actiwadyddion cynnil1.Mae gan famaliaid strwythurau cyhyrau gwahanol, pob un yn cyflawni pwrpas penodol.Fodd bynnag, gellir rhannu llawer o strwythur meinwe cyhyrau mamalaidd yn ddau gategori eang.Cyfochrog a pennate.Yn y hamstrings a hyblygwyr eraill, fel y mae'r enw'n awgrymu, mae gan y cyhyr cyfochrog ffibrau cyhyrau yn gyfochrog â'r tendon canolog.Mae'r gadwyn o ffibrau cyhyrau wedi'i leinio a'i chysylltu'n swyddogaethol gan y meinwe gyswllt o'u cwmpas.Er y dywedir bod gan y cyhyrau hyn wibdaith fawr (canran byrhau), mae eu cryfder cyhyrau cyffredinol yn gyfyngedig iawn.Mewn cyferbyniad, yn y cyhyr llo trieps2 (gastrocnemius ochrol (GL)3, gastrocnemius medial (GM)4 a soleus (SOL))) a femoris extensor (quadriceps)5,6 ceir meinwe cyhyrau pennate ym mhob cyhyr7.Mewn strwythur pinnate, mae'r ffibrau cyhyrau yn y cyhyr deupennad yn bresennol ar ddwy ochr y tendon canolog ar onglau lletraws (onglau pinnate).Daw Pennate o'r gair Lladin "penna", sy'n golygu "pen", ac, fel y dangosir yn ffig.Mae gan 1 ymddangosiad tebyg i bluen.Mae ffibrau cyhyrau'r pennate yn fyrrach ac yn ongl i echel hydredol y cyhyr.Oherwydd y strwythur pinnate, mae symudedd cyffredinol y cyhyrau hyn yn cael ei leihau, sy'n arwain at gydrannau traws a hydredol y broses fyrhau.Ar y llaw arall, mae actifadu'r cyhyrau hyn yn arwain at gryfder cyhyrau cyffredinol uwch oherwydd y ffordd y caiff ardal drawsdoriadol ffisiolegol ei fesur.Felly, ar gyfer ardal drawsdoriadol benodol, bydd cyhyrau pennate yn gryfach a bydd yn cynhyrchu grymoedd uwch na chyhyrau â ffibrau cyfochrog.Mae grymoedd a gynhyrchir gan ffibrau unigol yn cynhyrchu grymoedd cyhyrau ar lefel macrosgopig yn y meinwe cyhyrau hwnnw.Yn ogystal, mae ganddo briodweddau unigryw fel crebachu cyflym, amddiffyniad rhag difrod tynnol, clustogi.Mae'n trawsnewid y berthynas rhwng mewnbwn ffibr ac allbwn pŵer cyhyrau trwy fanteisio ar nodweddion unigryw a chymhlethdod geometrig y trefniant ffibr sy'n gysylltiedig â llinellau gweithredu cyhyrau.
Dangosir diagramau sgematig o ddyluniadau actiwadydd presennol sy'n seiliedig ar SMA mewn perthynas â phensaernïaeth gyhyrau deufodd, er enghraifft (a), sy'n cynrychioli'r rhyngweithio rhwng grym cyffyrddol lle mae dyfais siâp llaw a weithredir gan wifrau SMA wedi'i gosod ar robot symudol ymreolaethol dwy olwyn9,10., (b) Prosthesis orbitol robotig â phrosthesis orbitol SMA wedi'i leoli'n elyniaethus â sbring-lwyth.Mae lleoliad y llygad prosthetig yn cael ei reoli gan signal o gyhyr llygadol y llygad11, (c) Mae actiwadyddion SMA yn ddelfrydol ar gyfer cymwysiadau tanddwr oherwydd eu hymateb amledd uchel a lled band isel.Yn y ffurfweddiad hwn, defnyddir actuators SMA i greu cynnig tonnau drwy efelychu symudiad pysgod, (d) actuators SMA yn cael eu defnyddio i greu micro bibell arolygu robot a all ddefnyddio egwyddor fodfedd llyngyr cynnig, a reolir gan symudiad gwifrau SMA y tu mewn i sianel 10, (e) yn dangos cyfeiriad crebachu ffibrau cyhyrau a chynhyrchu grym contractile yn gastrocnemius meinwe , (fs a drefnwyd ffibr cyhyrau ar ffurf pensaernïaeth y meinweoedd cyhyrau, gwifrau a drefnwyd ar ffurf pensaer cyhyrau).
Mae actiwadyddion wedi dod yn rhan bwysig o systemau mecanyddol oherwydd eu hystod eang o gymwysiadau.Felly, mae'r angen am yriannau llai, cyflymach a mwy effeithlon yn dod yn hollbwysig.Er gwaethaf eu manteision, mae gyriannau traddodiadol wedi profi i fod yn ddrud ac yn cymryd llawer o amser i'w cynnal.Mae actiwadyddion hydrolig a niwmatig yn gymhleth ac yn ddrud ac yn destun traul, problemau iro a methiant cydrannau.Mewn ymateb i'r galw, mae'r ffocws ar ddatblygu actiwadyddion cost-effeithiol, optimeiddio maint ac uwch yn seiliedig ar ddeunyddiau craff.Mae ymchwil parhaus yn edrych ar actiwadyddion haenog aloi cof siâp (SMA) i ddiwallu'r angen hwn.Mae actiwadyddion hierarchaidd yn unigryw gan eu bod yn cyfuno llawer o actiwadyddion arwahanol yn is-systemau graddfa macro geometregol gymhleth i ddarparu ymarferoldeb cynyddol ac estynedig.Yn hyn o beth, mae'r meinwe cyhyrau dynol a ddisgrifir uchod yn enghraifft amlhaenog ardderchog o actio amlhaenog o'r fath.Mae'r astudiaeth gyfredol yn disgrifio gyriant SMA aml-lefel gyda sawl elfen gyriant unigol (gwifrau SMA) wedi'u halinio â'r cyfeiriadedd ffibr sy'n bresennol mewn cyhyrau bimodal, sy'n gwella perfformiad cyffredinol y gyriant.
Prif bwrpas actuator yw cynhyrchu allbwn pŵer mecanyddol megis grym a dadleoli trwy drosi ynni trydanol.Mae aloion cof siâp yn ddosbarth o ddeunyddiau “clyfar” a all adfer eu siâp ar dymheredd uchel.O dan lwythi uchel, mae cynnydd yn nhymheredd y wifren SMA yn arwain at adferiad siâp, gan arwain at ddwysedd egni actio uwch o'i gymharu â gwahanol ddeunyddiau smart sydd wedi'u bondio'n uniongyrchol.Ar yr un pryd, o dan lwythi mecanyddol, mae SMAs yn mynd yn frau.O dan amodau penodol, gall llwyth cylchol amsugno a rhyddhau egni mecanyddol, gan arddangos newidiadau siâp hysteretig cildroadwy.Mae'r priodweddau unigryw hyn yn gwneud SMA yn ddelfrydol ar gyfer synwyryddion, tampio dirgryniad ac yn enwedig actuators12.Gyda hyn mewn golwg, bu llawer o ymchwil i yriannau sy'n seiliedig ar SMA.Dylid nodi bod actiwadyddion SMA wedi'u cynllunio i ddarparu mudiant trosiadol a chylchdro ar gyfer amrywiaeth o gymwysiadau13,14,15.Er bod rhai actiwadyddion cylchdro wedi'u datblygu, mae gan ymchwilwyr ddiddordeb arbennig mewn actiwadyddion llinol.Gellir rhannu'r actiwadyddion llinellol hyn yn dri math o actiwadyddion: actiwadyddion un dimensiwn, dadleoli a gwahaniaethol 16 .I ddechrau, crëwyd gyriannau hybrid ar y cyd â SMA a gyriannau confensiynol eraill.Un enghraifft o'r fath o actiwadydd llinol hybrid seiliedig ar SMA yw'r defnydd o wifren SMA gyda modur DC i ddarparu grym allbwn o tua 100 N a dadleoli sylweddol17.
Un o'r datblygiadau cyntaf mewn gyriannau a oedd yn seiliedig yn gyfan gwbl ar SMA oedd gyriant cyfochrog SMA.Gan ddefnyddio gwifrau SMA lluosog, mae'r gyriant cyfochrog sy'n seiliedig ar SMA wedi'i gynllunio i gynyddu gallu pŵer y gyriant trwy osod yr holl wifrau SMA18 yn gyfochrog.Mae cysylltiad cyfochrog actuators nid yn unig yn gofyn am fwy o bŵer, ond hefyd yn cyfyngu ar bŵer allbwn gwifren sengl.Anfantais arall actiwadyddion SMA yw'r teithio cyfyngedig y gallant ei gyflawni.I ddatrys y broblem hon, crëwyd trawst cebl SMA yn cynnwys trawst hyblyg wedi'i gwyro i gynyddu dadleoli a chyflawni mudiant llinellol, ond ni chynhyrchodd rymoedd uwch19.Mae strwythurau a ffabrigau anffurfio meddal ar gyfer robotiaid yn seiliedig ar aloion cof siâp wedi'u datblygu'n bennaf ar gyfer ymhelaethu effaith20,21,22.Ar gyfer ceisiadau lle mae angen cyflymderau uchel, mae pympiau wedi'u gyrru'n gryno wedi'u hadrodd gan ddefnyddio SMAs ffilm denau ar gyfer cymwysiadau a yrrir gan ficro-bwmp23.Mae amlder gyrru'r bilen SMA ffilm denau yn ffactor allweddol wrth reoli cyflymder y gyrrwr.Felly, mae gan moduron llinol SMA well ymateb deinamig na moduron gwanwyn neu wialen SMA.Mae roboteg feddal a thechnoleg afaelgar yn ddau gymhwysiad arall sy'n defnyddio actiwadyddion sy'n seiliedig ar SMA.Er enghraifft, i ddisodli'r actuator safonol a ddefnyddir yn y clamp gofod 25 N, datblygwyd actuator cof siâp aloi cyfochrog 24.Mewn achos arall, lluniwyd actuator meddal SMA yn seiliedig ar wifren gyda matrics wedi'i fewnosod a oedd yn gallu cynhyrchu grym tynnu uchaf o 30 N. Oherwydd eu priodweddau mecanyddol, defnyddir SMAs hefyd i gynhyrchu actiwadyddion sy'n dynwared ffenomenau biolegol.Mae un datblygiad o'r fath yn cynnwys robot 12 cell sy'n biomimetig o organeb tebyg i bryfed genwair ag SMA i gynhyrchu mudiant sinwsoidaidd i danio26,27.
Fel y soniwyd yn gynharach, mae terfyn ar y grym mwyaf y gellir ei gael gan actiwadyddion presennol SMA.Er mwyn mynd i'r afael â'r mater hwn, mae'r astudiaeth hon yn cyflwyno strwythur cyhyrau bimodal biomimetig.Wedi'i yrru gan wifren aloi cof siâp.Mae'n darparu system ddosbarthu sy'n cynnwys nifer o wifrau aloi cof siâp.Hyd yn hyn, nid oes unrhyw actiwadyddion SMA gyda phensaernïaeth debyg wedi'u hadrodd yn y llenyddiaeth.Datblygwyd y system unigryw a newydd hon sy'n seiliedig ar SMA i astudio ymddygiad SMA yn ystod aliniad cyhyrau deufodd.O'i gymharu ag actiwadyddion presennol SMA, nod yr astudiaeth hon oedd creu actiwadydd deufalerad biomimetig i gynhyrchu grymoedd sylweddol uwch mewn cyfaint bach.O'i gymharu â gyriannau modur stepper confensiynol a ddefnyddir mewn systemau awtomeiddio a rheoli adeiladu HVAC, mae'r dyluniad gyriant bimodal arfaethedig sy'n seiliedig ar SMA yn lleihau pwysau'r mecanwaith gyrru 67%.Yn y canlynol, defnyddir y termau “cyhyr” a “gyriant” yn gyfnewidiol.Mae'r astudiaeth hon yn ymchwilio i efelychiad amlffisegol gyriant o'r fath.Mae ymddygiad mecanyddol systemau o'r fath wedi'i astudio trwy ddulliau arbrofol a dadansoddol.Ymchwiliwyd ymhellach i ddosraniadau grym a thymheredd ar foltedd mewnbwn o 7 V. Yn dilyn hynny, cynhaliwyd dadansoddiad parametrig i ddeall yn well y berthynas rhwng paramedrau allweddol a'r grym allbwn.Yn olaf, mae actiwadyddion hierarchaidd wedi'u rhagweld a chynigiwyd effeithiau lefel hierarchaidd fel maes posibl yn y dyfodol ar gyfer actiwadyddion anmagnetig ar gyfer cymwysiadau prosthetig.Yn ôl canlyniadau'r astudiaethau uchod, mae defnyddio pensaernïaeth un cam yn cynhyrchu grymoedd o leiaf bedair i bum gwaith yn uwch na'r actiwadyddion sy'n seiliedig ar SMA a adroddwyd.Yn ogystal, dangoswyd bod yr un grym gyrru a gynhyrchir gan yriant aml-lefel aml-lefel yn fwy na deg gwaith yn fwy na gyriannau confensiynol sy'n seiliedig ar SMA.Yna mae'r astudiaeth yn adrodd am baramedrau allweddol gan ddefnyddio dadansoddiad sensitifrwydd rhwng gwahanol ddyluniadau a newidynnau mewnbwn.Mae hyd cychwynnol y wifren SMA (\(l_0\)), yr ongl pinnate (\(\alpha\)) a nifer y llinynnau sengl (n) ym mhob llinyn unigol yn cael effaith negyddol gref ar faint y grym gyrru.cryfder, tra bod y foltedd mewnbwn (ynni) troi allan i fod yn cydberthyn yn gadarnhaol.
Mae gwifren SMA yn arddangos yr effaith cof siâp (SME) a welir yn y teulu aloion nicel-titaniwm (Ni-Ti).Yn nodweddiadol, mae SMAs yn arddangos dau gam sy'n dibynnu ar dymheredd: cyfnod tymheredd isel a chyfnod tymheredd uchel.Mae gan y ddau gam briodweddau unigryw oherwydd presenoldeb gwahanol strwythurau crisial.Yn y cyfnod austenite (cyfnod tymheredd uchel) sy'n bodoli uwchlaw'r tymheredd trawsnewid, mae'r deunydd yn arddangos cryfder uchel ac yn cael ei ddadffurfio'n wael o dan lwyth.Mae'r aloi yn ymddwyn fel dur di-staen, felly mae'n gallu gwrthsefyll pwysau actio uwch.Gan fanteisio ar yr eiddo hwn o aloion Ni-Ti, mae'r gwifrau SMA yn cael eu gogwyddo i ffurfio actuator.Datblygir modelau dadansoddol priodol i ddeall mecaneg sylfaenol ymddygiad thermol SMA o dan ddylanwad paramedrau amrywiol a geometregau amrywiol.Cafwyd cytundeb da rhwng y canlyniadau arbrofol a dadansoddol.
Cynhaliwyd astudiaeth arbrofol ar y prototeip a ddangosir yn Ffig. 9a i werthuso perfformiad gyriant bimodal yn seiliedig ar SMA.Mesurwyd dau o'r priodweddau hyn, y grym a gynhyrchir gan y gyriant (grym cyhyrau) a thymheredd y wifren SMA (tymheredd SMA), yn arbrofol.Wrth i'r gwahaniaeth foltedd gynyddu ar hyd hyd cyfan y wifren yn y gyriant, mae tymheredd y wifren yn cynyddu oherwydd effaith gwresogi Joule.Cymhwyswyd y foltedd mewnbwn mewn dau gylchred 10-s (a ddangosir fel dotiau coch yn Ffig. 2a, b) gyda chyfnod oeri o 15-s rhwng pob cylchred.Mesurwyd y grym blocio gan ddefnyddio mesurydd straen piezoelectrig, a chafodd dosbarthiad tymheredd y wifren SMA ei fonitro mewn amser real gan ddefnyddio camera LWIR cydraniad uchel gradd wyddonol (gweler nodweddion yr offer a ddefnyddir yn Nhabl 2).yn dangos, yn ystod y cyfnod foltedd uchel, bod tymheredd y wifren yn cynyddu'n undonog, ond pan nad oes cerrynt yn llifo, mae tymheredd y wifren yn parhau i ostwng.Yn y gosodiad arbrofol presennol, gostyngodd tymheredd y wifren SMA yn ystod y cyfnod oeri, ond roedd yn dal i fod yn uwch na'r tymheredd amgylchynol.Ar ffig.Mae 2e yn dangos ciplun o'r tymheredd ar y wifren SMA a gymerwyd o'r camera LWIR.Ar y llaw arall, yn ffig.Mae 2a yn dangos y grym blocio a gynhyrchir gan y system yrru.Pan fydd grym y cyhyrau yn fwy na grym adfer y gwanwyn, mae'r fraich symudol, fel y dangosir yn Ffigur 9a, yn dechrau symud.Cyn gynted ag y bydd actifadu yn dechrau, mae'r fraich symudol yn dod i gysylltiad â'r synhwyrydd, gan greu grym corff, fel y dangosir yn ffig.2c, d.Pan fydd y tymheredd uchaf yn agos at \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), y grym mwyaf a arsylwyd yw 105 N.
Mae'r graff yn dangos canlyniadau arbrofol tymheredd y wifren SMA a'r grym a gynhyrchir gan yr actiwadydd bimodal sy'n seiliedig ar SMA yn ystod dau gylchred.Cymhwysir y foltedd mewnbwn mewn dau gylchred 10 eiliad (a ddangosir fel dotiau coch) gyda chyfnod oeri o 15 eiliad rhwng pob cylchred.Roedd y wifren SMA a ddefnyddiwyd ar gyfer yr arbrofion yn weiren Flexinol diamedr 0.51 mm o Dynalloy, Inc. (a) Mae'r graff yn dangos y grym arbrofol a gafwyd dros ddau gylchred, (c, d) yn dangos dwy enghraifft annibynnol o weithred actiwadyddion braich symudol ar drawsddygiadur grym piezoelectrig PACEline CFT/5kN, (b) mae'r graff yn dangos tymheredd uchaf yr amser a gymerwyd o'r gylchred SMA, ciplun y wifren SMA cyfan Meddalwedd FLIR ResearchIR camera LWIR.Rhoddir y paramedrau geometrig a ystyriwyd yn yr arbrofion yn Nhabl.un.
Mae canlyniadau efelychu'r model mathemategol a'r canlyniadau arbrofol yn cael eu cymharu o dan gyflwr foltedd mewnbwn o 7V, fel y dangosir yn Ffig.5.Yn ôl canlyniadau dadansoddiad parametrig ac er mwyn osgoi'r posibilrwydd o orboethi'r wifren SMA, rhoddwyd pŵer o 11.2 W i'r actuator.Defnyddiwyd cyflenwad pŵer DC rhaglenadwy i gyflenwi 7V fel y foltedd mewnbwn, a mesurwyd cerrynt o 1.6A ar draws y wifren.Mae'r grym a gynhyrchir gan y gyriant a thymheredd y cynnydd SDR pan ddefnyddir cerrynt.Gyda foltedd mewnbwn o 7V, y grym allbwn mwyaf a geir o'r canlyniadau efelychu a chanlyniadau arbrofol y cylch cyntaf yw 78 N a 96 N, yn y drefn honno.Yn yr ail gylchred, grym allbwn uchaf yr efelychiad a'r canlyniadau arbrofol oedd 150 N a 105 N, yn y drefn honno.Gall yr anghysondeb rhwng mesuriadau grym achludiad a data arbrofol fod oherwydd y dull a ddefnyddir i fesur grym achludiad.Mae'r canlyniadau arbrofol a ddangosir yn ffig.Mae 5a yn cyfateb i fesuriad y grym cloi, a fesurwyd yn ei dro pan oedd y siafft yrru mewn cysylltiad â thrawsddygiadur grym piezoelectrig PACEline CFT/5kN, fel y dangosir yn ffig.2s.Felly, pan nad yw'r siafft yrru mewn cysylltiad â'r synhwyrydd grym ar ddechrau'r parth oeri, mae'r grym yn dod yn sero ar unwaith, fel y dangosir yn Ffig. 2d.Yn ogystal, paramedrau eraill sy'n effeithio ar ffurfio grym mewn cylchoedd dilynol yw gwerthoedd yr amser oeri a'r cyfernod trosglwyddo gwres darfudol yn y cylch blaenorol.O ffig.2b, gellir gweld, ar ôl cyfnod oeri o 15 eiliad, na chyrhaeddodd y wifren SMA dymheredd yr ystafell ac felly roedd ganddo dymheredd cychwynnol uwch (\(40\,^{\circ}\hbox {C}\)) yn yr ail gylchred gyrru o'i gymharu â'r cylch cyntaf (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Felly, o'i gymharu â'r cylch cyntaf, mae tymheredd y wifren SMA yn ystod yr ail gylchred gwresogi yn cyrraedd y tymheredd austenite cychwynnol (\(A_s\)) yn gynharach ac yn aros yn y cyfnod pontio yn hirach, gan arwain at straen a grym.Ar y llaw arall, mae gan ddosbarthiadau tymheredd yn ystod cylchoedd gwresogi ac oeri a gafwyd o arbrofion ac efelychiadau debygrwydd ansoddol uchel i enghreifftiau o ddadansoddiad thermograffig.Dangosodd dadansoddiad cymharol o ddata thermol gwifren SMA o arbrofion ac efelychiadau gysondeb yn ystod cylchoedd gwresogi ac oeri ac o fewn goddefiannau derbyniol ar gyfer data arbrofol.Tymheredd uchaf y wifren SMA, a gafwyd o ganlyniadau efelychu ac arbrofion y cylch cyntaf, yw \ (89 \,^{\ circ} \ hbox {c} \) a \ (75 \,^{\ circ} \ hbox \ \, y Sma \, a phryder yn y drefn honno) } \ hbox {c} \) a \ (83 \,^{\ circ} \ hbox {c} \).Mae'r model a ddatblygwyd yn sylfaenol yn cadarnhau effaith effaith cof siâp.Ni chafodd rôl blinder a gorboethi ei hystyried yn yr adolygiad hwn.Yn y dyfodol, bydd y model yn cael ei wella i gynnwys hanes straen y wifren SMA, gan ei gwneud yn fwy addas ar gyfer cymwysiadau peirianneg.Mae grym allbwn y gyriant a lleiniau tymheredd SMA a geir o'r bloc Simulink o fewn goddefiannau a ganiateir y data arbrofol o dan gyflwr pwls foltedd mewnbwn o 7 V. Mae hyn yn cadarnhau cywirdeb a dibynadwyedd y model mathemategol datblygedig.
Datblygwyd y model mathemategol yn amgylchedd MathWorks Simulink R2020b gan ddefnyddio'r hafaliadau sylfaenol a ddisgrifir yn yr adran Dulliau.Ar ffig.Mae 3b yn dangos diagram bloc o fodel mathemateg Simulink.Cafodd y model ei efelychu ar gyfer pwls foltedd mewnbwn 7V fel y dangosir yn Ffig. 2a, b.Rhestrir gwerthoedd y paramedrau a ddefnyddir yn yr efelychiad yn Nhabl 1. Cyflwynir canlyniadau'r efelychiad o brosesau dros dro yn Ffigurau 1 ac 1. Ffigurau 3a a 4. Yn ffig.Mae 4a,b yn dangos y foltedd anwythol yn y wifren SMA a'r grym a gynhyrchir gan yr actuator fel swyddogaeth amser. Yn ystod trawsnewidiad gwrthdro (gwresogi), pan fydd tymheredd gwifren SMA, \(T <A_s^{\prime}\) (tymheredd cychwyn cyfnod austenit wedi'i addasu gan straen), bydd cyfradd newid ffracsiwn cyfaint martensite (\(\dot{\xi}\)) yn sero. Yn ystod trawsnewidiad gwrthdro (gwresogi), pan fydd tymheredd gwifren SMA, \(T <A_s^{\prime}\) (tymheredd cychwyn cyfnod austenite wedi'i addasu gan straen), bydd cyfradd newid ffracsiwn cyfaint martensite (\(\dot{\ xi }\)) yn sero. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T <A_s^{\prime}\) (температура наченатифа цированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\xi}\)) будет равно нулю. Yn ystod y trawsnewidiad cefn (gwresogi), pan fydd tymheredd y wifren SMA, \(T <A_s^{\prime}\) (tymheredd cychwyn austenite wedi'i addasu gan straen), bydd cyfradd newid y ffracsiwn cyfaint martensite ( \( \ dot { \ xi } \ )) yn sero.在反向转变（加热）过程中, 当SMA 线温度\(T <A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体秋奥氏体秋奥氏体秋尿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
(a) Canlyniad efelychiad yn dangos dosraniad tymheredd a thymheredd cyffordd a achosir gan straen mewn actiwadydd difalerad seiliedig ar SMA.Pan fydd y tymheredd gwifren yn croesi'r tymheredd pontio austenite yn y cam gwresogi, mae'r tymheredd pontio austenite wedi'i addasu yn dechrau cynyddu, ac yn yr un modd, pan fydd tymheredd y gwialen gwifren yn croesi'r tymheredd pontio martensitig yn y cam oeri, mae'r tymheredd pontio martensitig yn gostwng.SMA ar gyfer modelu dadansoddol o'r broses actio.(I gael golwg fanwl ar bob is-system o fodel Simulink, gweler adran atodiad y ffeil atodol.)
Dangosir canlyniadau'r dadansoddiad ar gyfer gwahanol ddosbarthiadau paramedr ar gyfer dau gylchred o'r foltedd mewnbwn 7V (cylchoedd cynhesu 10 eiliad a chylchoedd oeri 15 eiliad).Tra bod (ac) ac (e) yn darlunio'r dosraniad dros amser, ar y llaw arall, mae (d) ac (dd) yn darlunio'r dosraniad gyda thymheredd.Ar gyfer yr amodau mewnbwn priodol, yr uchafswm straen a arsylwyd yw 106 MPa (llai na 345 MPa, cryfder cynnyrch gwifren), y grym yw 150 N, y dadleoli uchaf yw 270 µm, a'r ffracsiwn cyfaint martensitig lleiaf yw 0.91.Ar y llaw arall, mae'r newid mewn straen a'r newid yn y ffracsiwn cyfaint o martensite â thymheredd yn debyg i nodweddion hysteresis.
Mae'r un esboniad yn berthnasol i'r trawsnewidiad uniongyrchol (oeri) o'r cyfnod austenite i'r cyfnod martensite, lle mae tymheredd gwifren SMA (T) a thymheredd diwedd y cyfnod martensite a addaswyd gan straen (\(M_f^{\prime}\ )) yn rhagorol.Ar ffig.Mae 4d,f yn dangos y newid yn y straen a achosir (\(\ sigma\)) a'r ffracsiwn cyfaint o martensite (\(\xi\)) yn y wifren SMA fel swyddogaeth newid tymheredd y wifren SMA (T), ar gyfer y ddau gylchred gyrru.Ar ffig.Mae Ffigur 3a yn dangos y newid yn nhymheredd y wifren SMA gydag amser yn dibynnu ar y pwls foltedd mewnbwn.Fel y gwelir o'r ffigur, mae tymheredd y wifren yn parhau i gynyddu trwy ddarparu ffynhonnell wres ar foltedd sero ac oeri darfudol dilynol.Yn ystod gwresogi, mae ail-drawsnewid martensite i'r cyfnod austenite yn dechrau pan fydd tymheredd gwifren SMA (T) yn croesi'r tymheredd cnewyllol austenite a gywirwyd gan straen (\(A_s^{\prime}\)).Yn ystod y cam hwn, mae'r wifren SMA yn cael ei chywasgu ac mae'r actuator yn cynhyrchu grym.Hefyd yn ystod oeri, pan fydd tymheredd y wifren SMA (T) yn croesi tymheredd cnewyllol y cyfnod martensite a addaswyd gan straen (\(M_s^{\prime}\)) mae trosglwyddiad cadarnhaol o'r cyfnod austenite i'r cyfnod martensite.mae'r grym gyrru yn lleihau.
Gellir cael prif agweddau ansoddol y gyriant bimodal yn seiliedig ar SMA o'r canlyniadau efelychu.Yn achos mewnbwn pwls foltedd, mae tymheredd y wifren SMA yn cynyddu oherwydd effaith gwresogi Joule.Mae gwerth cychwynnol y ffracsiwn cyfaint martensite (\(\xi\)) wedi'i osod i 1, gan fod y deunydd mewn cyfnod cwbl martensitig i ddechrau.Wrth i'r wifren barhau i gynhesu, mae tymheredd y wifren SMA yn fwy na'r tymheredd cnewyllol austenite a gywirwyd gan straen \(A_s^{\prime}\), gan arwain at ostyngiad yn y ffracsiwn cyfaint martensite, fel y dangosir yn Ffigur 4c.Yn ogystal, yn ffig.Mae 4e yn dangos dosraniad strôc yr actuator mewn amser, ac mewn ffig.5 - grym gyrru fel swyddogaeth amser.Mae system gysylltiedig o hafaliadau yn cynnwys tymheredd, ffracsiwn cyfaint martensite, a straen sy'n datblygu yn y wifren, gan arwain at grebachu'r wifren SMA a'r grym a gynhyrchir gan yr actuator.Fel y dangosir yn ffig.Mae amrywiad foltedd 4d, f, gyda thymheredd ac amrywiad ffracsiwn cyfaint martensite gyda thymheredd yn cyfateb i nodweddion hysteresis yr SMA yn yr achos efelychiedig yn 7 V.
Cafwyd cymhariaeth o baramedrau gyrru trwy arbrofion a chyfrifiadau dadansoddol.Roedd y gwifrau'n destun foltedd mewnbwn pwls o 7 V am 10 eiliad, yna'n cael eu hoeri am 15 eiliad (cyfnod oeri) dros ddau gylchred.Mae'r ongl pinnate wedi'i gosod i \(40^{\circ}\) ac mae hyd cychwynnol y wifren SMA ym mhob coes pin sengl wedi'i osod i 83mm.(a) Mesur y grym gyrru gyda cell llwyth (b) Monitro tymheredd gwifren gyda chamera isgoch thermol.
Er mwyn deall dylanwad paramedrau ffisegol ar y grym a gynhyrchir gan y gyriant, cynhaliwyd dadansoddiad o sensitifrwydd y model mathemategol i'r paramedrau corfforol dethol, a graddiwyd y paramedrau yn ôl eu dylanwad.Yn gyntaf, gwnaed y sampl o baramedrau model gan ddefnyddio egwyddorion dylunio arbrofol a oedd yn dilyn dosbarthiad unffurf (gweler yr Adran Atodol ar Ddadansoddi Sensitifrwydd).Yn yr achos hwn, mae paramedrau'r model yn cynnwys foltedd mewnbwn (\(V_{in}\)), hyd gwifren SMA cychwynnol (\(l_0\)), ongl triongl (\(\alpha\)), cysonyn gwanwyn tuedd (\(K_x\ )), cyfernod trosglwyddo gwres darfudol (\(h_T\)) a nifer y canghennau unimodal (n).Yn y cam nesaf, dewiswyd cryfder cyhyrau brig fel gofyniad dylunio astudiaeth a chafwyd effeithiau parametrig pob set o newidynnau ar gryfder.Roedd y plotiau corwynt ar gyfer y dadansoddiad sensitifrwydd yn deillio o'r cyfernodau cydberthynas ar gyfer pob paramedr, fel y dangosir yn Ffig. 6a.
(a) Dangosir gwerthoedd cyfernod cydberthynas paramedrau'r model a'u heffaith ar y grym allbwn uchaf o 2500 o grwpiau unigryw o'r paramedrau model uchod yn y plot corwynt.Mae'r graff yn dangos cydberthynas safle sawl dangosydd.Mae'n amlwg mai \(V_{in}\) yw'r unig baramedr sydd â chydberthynas bositif, a \(l_0\) yw'r paramedr gyda'r cydberthynas negatif uchaf.Dangosir effaith paramedrau amrywiol mewn cyfuniadau amrywiol ar gryfder cyhyrau brig yn (b, c).Mae \(K_x\) yn amrywio o 400 i 800 N/m ac mae n yn amrywio o 4 i 24. Mae foltedd (\(V_{in}\)) wedi newid o 4V i 10V, hyd gwifren (\(l_{0} \)) wedi'i newid o 40 i 100 mm, ac ongl y gynffon \pha (\) -\ } (\ 0, \ 0 }) wedi newid.
Ar ffig.Mae 6a yn dangos llain tornado o cyfernodau cydberthynas amrywiol ar gyfer pob paramedr â gofynion dylunio grym gyrru brig.O ffig.6a gellir gweld bod y paramedr foltedd (\(V_{in}\)) yn uniongyrchol gysylltiedig â'r grym allbwn uchaf, ac mae'r cyfernod trosglwyddo gwres darfudol (\(h_T\)), ongl fflam (\ ( \alpha \)), cysonyn gwanwyn dadleoli ( \ (K_x \)) wedi'i gydberthyn yn negyddol â'r grym allbwn a'r nifer cychwynnol o ganghennau S (\) (\) a hyd cychwynnol y canghennau (\) (\) yn dangos y grym allbwn a'r nifer cychwynnol o ganghennau S (\) (\) (\) a hyd cychwynnol y wifren (\) cydberthynas gwrthdro cryf Yn achos cydberthynas uniongyrchol Yn achos gwerth uwch mae cyfernod cydberthynas foltedd (\(V_ {in}\)) yn nodi mai'r paramedr hwn sy'n cael yr effaith fwyaf ar yr allbwn pŵer.Mae dadansoddiad tebyg arall yn mesur y grym brig trwy werthuso effaith gwahanol baramedrau mewn gwahanol gyfuniadau o'r ddau ofod cyfrifiannol, fel y dangosir yn Ffig. 6b, c.Mae gan \(V_{in}\) a \(l_0\), \(\alpha\) a \(l_0\) batrymau tebyg, ac mae'r graff yn dangos bod gan \(V_{in}\) a \(\alpha\ ) a \(\alpha\) batrymau tebyg.Mae gwerthoedd llai o \(l_0\) yn arwain at rymoedd brig uwch.Mae'r ddau blot arall yn gyson â Ffigur 6a, lle mae cydberthynas negyddol rhwng n a \(K_x\) a \(V_{in}\) yn gadarnhaol.Mae'r dadansoddiad hwn yn helpu i ddiffinio ac addasu'r paramedrau dylanwadol y gellir eu defnyddio i addasu grym allbwn, strôc ac effeithlonrwydd y system yrru i'r gofynion a'r cymhwysiad.
Mae gwaith ymchwil cyfredol yn cyflwyno ac yn ymchwilio i gyriannau hierarchaidd gyda lefelau N.Mewn hierarchaeth dwy lefel, fel y dangosir yn Ffig. 7a, lle yn lle pob gwifren SMA o'r actiwadydd lefel gyntaf, cyflawnir trefniant deufodd, fel y dangosir yn ffig.9e.Ar ffig.Mae 7c yn dangos sut mae'r wifren SMA yn cael ei dirwyn o amgylch braich symudol (braich ategol) sydd ond yn symud i'r cyfeiriad hydredol.Fodd bynnag, mae'r fraich symudol gynradd yn parhau i symud yn yr un modd â braich symudol yr actiwadydd aml-gam cam 1af.Yn nodweddiadol, mae gyriant cam N yn cael ei greu trwy ddisodli'r wifren SMA cam \(N-1\) gyda gyriant cam cyntaf.O ganlyniad, mae pob cangen yn dynwared y gyriant cam cyntaf, ac eithrio'r gangen sy'n dal y wifren ei hun.Yn y modd hwn, gellir ffurfio strwythurau nythu sy'n creu grymoedd sydd sawl gwaith yn fwy na grymoedd y gyriannau cynradd.Yn yr astudiaeth hon, ar gyfer pob lefel, ystyriwyd cyfanswm hyd gwifren SMA effeithiol o 1 m, fel y dangosir ar ffurf tabl yn Ffig. 7d.Mae'r cerrynt trwy bob gwifren ym mhob dyluniad unimodal a'r prestress a'r foltedd canlyniadol ym mhob segment gwifren SMA yr un peth ar bob lefel.Yn ôl ein model dadansoddol, mae cydberthynas gadarnhaol rhwng y grym allbwn a'r lefel, tra bod cydberthynas negyddol rhwng y dadleoliad.Ar yr un pryd, roedd cyfaddawd rhwng dadleoli a chryfder y cyhyrau.Fel y gwelir yn ffig.7b, tra bod y grym mwyaf yn cael ei gyflawni yn y nifer fwyaf o haenau, gwelir y dadleoli mwyaf yn yr haen isaf.Pan osodwyd lefel yr hierarchaeth i \(N=5\), canfuwyd grym cyhyr brig o 2.58 kN gyda 2 strôc a arsylwyd \(\upmu\)m.Ar y llaw arall, mae'r gyriant cam cyntaf yn cynhyrchu grym o 150 N ar strôc o 277 \(\upmu\)m.Mae actiwadyddion aml-lefel yn gallu dynwared cyhyrau biolegol go iawn, lle mae cyhyrau artiffisial sy'n seiliedig ar aloion cof siâp yn gallu cynhyrchu grymoedd sylweddol uwch gyda symudiadau manwl gywir a manach.Cyfyngiadau'r dyluniad bychan hwn yw, wrth i'r hierarchaeth gynyddu, mae'r symudiad yn cael ei leihau'n fawr ac mae cymhlethdod y broses gweithgynhyrchu gyriant yn cynyddu.
(a) Mae system actiwadydd llinellol aloi cof siâp haen dau gam (\(N=2\)) yn cael ei dangos mewn ffurfweddiad deufodd.Cyflawnir y model arfaethedig trwy ddisodli'r wifren SMA yn yr actiwadydd haenog cam cyntaf gydag actiwadydd haenog un cam arall.(c) Cyfluniad anffurfiedig yr actuator amlhaenog ail gam.(b) Disgrifir dosbarthiad grymoedd a dadleoliadau yn dibynnu ar nifer y lefelau.Canfuwyd bod cydberthynas gadarnhaol rhwng grym brig yr actiwadydd a lefel y raddfa ar y graff, tra bod cydberthynas negyddol rhwng y strôc a lefel y raddfa.Mae'r cerrynt a'r cyn-foltedd ym mhob gwifren yn aros yn gyson ar bob lefel.(ch) Mae'r tabl yn dangos nifer y tapiau a hyd y wifren SMA (ffibr) ar bob lefel.Nodir nodweddion y gwifrau gan fynegai 1, a nodir nifer y canghennau uwchradd (un sy'n gysylltiedig â'r goes cynradd) gan y nifer fwyaf yn y tanysgrifiad.Er enghraifft, ar lefel 5, mae \(n_1\) yn cyfeirio at nifer y gwifrau SMA sy'n bresennol ym mhob strwythur deufodd, ac mae \(n_5\) yn cyfeirio at nifer y coesau ategol (un yn gysylltiedig â'r brif goes).
Mae llawer o ymchwilwyr wedi cynnig dulliau amrywiol i fodelu ymddygiad SMAs â chof siâp, sy'n dibynnu ar yr eiddo thermomecanyddol sy'n cyd-fynd â'r newidiadau macrosgopig yn y strwythur grisial sy'n gysylltiedig â'r trawsnewidiad cyfnod.Mae ffurfio dulliau cyfansoddol yn gynhenid gymhleth.Cynigir y model ffenomenolegol a ddefnyddir amlaf gan Tanaka28 ac fe'i defnyddir yn eang mewn cymwysiadau peirianneg.Mae'r model ffenomenolegol a gynigiwyd gan Tanaka [28] yn tybio bod ffracsiwn cyfaint martensite yn swyddogaeth esbonyddol tymheredd a straen.Yn ddiweddarach, cynigiodd Liang a Rogers29 a Brinson30 fodel lle tybiwyd mai swyddogaeth gosin foltedd a thymheredd oedd y ddeinameg trawsnewid cyfnod, gydag ychydig o addasiadau i'r model.Cynigiodd Becker a Brinson fodel cinetig ar sail diagram cyfnod i fodelu ymddygiad deunyddiau SMA o dan amodau llwytho mympwyol yn ogystal â thrawsnewidiadau rhannol.Mae Banerjee32 yn defnyddio dull deinameg diagram cam Bekker a Brinson31 i efelychu un radd o drin rhyddid a ddatblygwyd gan Elahinia ac Ahmadian33.Mae dulliau cinetig sy'n seiliedig ar ddiagramau cam, sy'n ystyried y newid anmonotonig mewn foltedd â thymheredd, yn anodd eu gweithredu mewn cymwysiadau peirianneg.Mae Elakhinia ac Ahmadian yn tynnu sylw at y diffygion hyn o fodelau ffenomenolegol presennol ac yn cynnig model ffenomenolegol estynedig i ddadansoddi a diffinio ymddygiad cof siâp o dan unrhyw amodau llwytho cymhleth.
Mae model strwythurol gwifren SMA yn rhoi straen ( \ ( \ sigma \ ) ), straen ( \ ( \ epsilon \ ) ), tymheredd (T), a ffracsiwn cyfaint martensite ( \ ( \ xi \ ) ) o wifren SMA.Cynigiwyd y model cyfansoddol ffenomenolegol gyntaf gan Tanaka28 ac fe'i mabwysiadwyd yn ddiweddarach gan Liang29 a Brinson30.Mae gan ddeilliad yr hafaliad y ffurf:
lle E yw'r cyfnod dibynnol mae modwlws SMA Young a gafwyd gan ddefnyddio \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi)E_A\) a \(E_A\) ac \(E_M\) sy'n cynrychioli modwlws Young yn gyfnodau austenitig a martensitig, yn y drefn honno, a chynrychiolir cyfernod ehangu thermol gan \(\ta).Y ffactor cyfraniad trawsnewid cyfnod yw \(\Omega = -E \ epsilon _L\) a \(\ epsilon _L\) yw'r straen mwyaf y gellir ei adennill yn y wifren SMA.
Mae'r hafaliad dynameg cyfnod yn cyd-fynd â'r swyddogaeth cosin a ddatblygwyd gan Liang29 ac a fabwysiadwyd yn ddiweddarach gan Brinson30 yn lle'r swyddogaeth esbonyddol a gynigiwyd gan Tanaka28.Mae'r model trawsnewid cyfnod yn estyniad o'r model a gynigiwyd gan Elakhinia ac Ahmadian34 ac a addaswyd yn seiliedig ar yr amodau pontio cyfnod a roddwyd gan Liang29 a Brinson30.Mae'r amodau a ddefnyddir ar gyfer y model trawsnewid cam hwn yn ddilys o dan lwythi thermomecanyddol cymhleth.Ar bob eiliad o amser, cyfrifir gwerth ffracsiwn cyfaint martensite wrth fodelu'r hafaliad cyfansoddol.
Mae'r hafaliad ail-drawsnewid llywodraethu, a fynegir gan drawsnewid martensite i austenite o dan amodau gwresogi, fel a ganlyn:
lle mae \(\xi\) yn ffracsiwn cyfaint martensite, \(\xi _M\) yw'r ffracsiwn cyfaint o martensite a gafwyd cyn gwresogi, \(\ displaystyle a_A = \ pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) a \(C_A\) – cromlin, tua thymheredd, T_A_F, paramedrau tymheredd, T_A_F, T_A_F_S_A_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_F_S_f_S_f_s_simation. dechrau a diwedd y cyfnod austenite, yn y drefn honno, tymheredd.
Yr hafaliad rheoli trawsnewid uniongyrchol, a gynrychiolir gan drawsnewid cyfnod o austenite i martensite o dan amodau oeri, yw:
lle \(\xi _A\) yw'r ffracsiwn cyfaint o martensite a gafwyd cyn oeri, \(\displaystyle a_M = \ pi /(M_s – M_f)\), \(displaystyle b_M = -a_M/C_M\) a \ (C_M \) - paramedrau gosod cromlin, T – tymheredd gwifren SMA, \(M_s\) a terfynol tymheredd gwifren SMA, \(M_s\) a terfynol.
Ar ôl i hafaliadau (3) a (4) gael eu gwahaniaethu, mae'r hafaliadau gwrthdro a thrawsnewid uniongyrchol yn cael eu symleiddio i'r ffurf ganlynol:
Yn ystod trawsnewid ymlaen ac yn ôl \(\eta _{ \ sigma} \) a \(\eta _{T}\) cymerwch werthoedd gwahanol.Mae'r hafaliadau sylfaenol sy'n gysylltiedig â \(\eta _{\sigma}\) a \(\eta _{T}\) wedi'u deillio a'u trafod yn fanwl mewn adran ychwanegol.
Daw'r ynni thermol sydd ei angen i godi tymheredd y wifren SMA o effaith gwresogi Joule.Mae'r ynni thermol sy'n cael ei amsugno neu ei ryddhau gan y wifren SMA yn cael ei gynrychioli gan wres cudd trawsnewid.Mae'r golled gwres yn y wifren SMA oherwydd darfudiad gorfodol, ac o ystyried effaith ddibwys ymbelydredd, mae'r hafaliad cydbwysedd ynni gwres fel a ganlyn:
Lle \(m_{wire}\) yw cyfanswm màs y wifren SMA, \(c_{p}\) yw cynhwysedd gwres penodol yr SMA, \(V_{in}\) yw'r foltedd a roddir ar y wifren, \(R_{ohm} \ ) – ymwrthedd gwedd-ddibynnol SMA, a ddiffinnir fel;\(R_{ohm} = (l/A_{croes})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) lle mae \(r_M\ ) a \(r_A\) yw gwrthedd cyfnod SMA mewn martensite ac austenite, yn y drefn honno, \(A_{c}\) yw arwynebedd arwyneb (sef y siâp D, gwifren SMA a \ gof \.) yw'r gof SMA \.Gwres cudd trawsnewid y wifren, T a \(T_{\infty}\) yw tymereddau'r wifren SMA a'r amgylchedd, yn y drefn honno.
Pan fydd gwifren aloi cof siâp yn cael ei actuated, mae'r wifren yn cywasgu, gan greu grym ym mhob cangen o'r dyluniad bimodal a elwir yn rym ffibr.Mae grymoedd y ffibrau ym mhob llinyn o'r wifren SMA gyda'i gilydd yn creu'r grym cyhyr i actio, fel y dangosir yn Ffig. 9e.Oherwydd presenoldeb sbring gogwyddo, cyfanswm grym cyhyr yr actiwadydd amlhaenog Nth yw:
Gan roi \(N = 1\) yn hafaliad (7), gellir cael cryfder cyhyr y prototeip gyriant deufodd cam cyntaf fel a ganlyn:
lle n yw nifer y coesau unimodal, \(F_m\) yw'r grym cyhyr a gynhyrchir gan y gyriant, \ (F_f\) yw cryfder ffibr yn y wifren SMA, \(K_x\) yw'r anystwythder gogwydd.gwanwyn, \(\alpha\) yw ongl y triongl, \(x_0\) yw gwrthbwyso cychwynnol y sbring bias i ddal y cebl SMA yn y safle cyn-densiwn, a \(\Delta x\) yw'r actuator teithio.
Cyfanswm dadleoli neu symudiad y gyriant (\(\Delta x\)) yn dibynnu ar y foltedd (\(\sigma\)) a straen (\(\epsilon\)) ar wifren SMA y cam Nfed, mae'r gyriant wedi'i osod i (gweler Ffig. rhan ychwanegol yr allbwn):
Mae'r hafaliadau cinematig yn rhoi'r berthynas rhwng anffurfiad gyriannau (\(\epsilon\)) a dadleoli neu ddadleoli (\(\Delta x\)).Mae dadffurfiad y wifren Arb fel swyddogaeth hyd gwifren Arb cychwynnol (\(l_0\)) a hyd y wifren (l) ar unrhyw adeg t mewn un gangen unimodal fel a ganlyn:
Mae lle mae \ (l = \ sqrt {l_0^2 +(\ delta x_1)^2 - 2 l_0 (\ delta x_1) \ cos \ alpha _1} \) yn cael ei sicrhau trwy gymhwyso'r fformiwla gosin yn \ (\ Delta \ (fel y dangosir yn y cam 1, fel y dangosir yn y cam 1 \) \) yw \ (\ delta x \), ac \ (\ alpha _1 \) yw \ (\ alpha \) fel y dangosir yn Ffigur 8, trwy wahaniaethu'r amser oddi wrth hafaliad (11) ac amnewid gwerth L, gellir ysgrifennu'r gyfradd straen fel:
lle \(l_0\) yw hyd cychwynnol y wifren SMA, l yw hyd y wifren ar unrhyw adeg t mewn un gangen unimodal, \(\ epsilon\) yw'r anffurfiad a ddatblygwyd yn y wifren SMA, a \(\ alpha \) yw ongl y triongl, \(\Delta x\) yw'r gwrthbwyso gyriant (fel y dangosir yn Ffigur 8).
Mae pob un o'r strwythurau un brig (\(n=6\) yn y ffigwr hwn) wedi'u cysylltu mewn cyfres gyda \(V_{in}\) fel y foltedd mewnbwn.Cam I: Diagram sgematig o'r wifren SMA mewn cyfluniad bimodal o dan amodau sero foltedd Cam II: Dangosir strwythur rheoledig lle mae'r wifren SMA wedi'i chywasgu oherwydd trawsnewid gwrthdro, fel y dangosir gan y llinell goch.
Fel prawf o gysyniad, datblygwyd gyriant bimodal seiliedig ar SMA i brofi tarddiad efelychiedig yr hafaliadau sylfaenol gyda chanlyniadau arbrofol.Mae'r model CAD o'r actuator llinellol deufodd i'w weld yn ffig.9a.Ar y llaw arall, yn ffig.Mae 9c yn dangos dyluniad newydd arfaethedig ar gyfer cysylltiad prismatig cylchdro gan ddefnyddio actiwadydd dwy awyren yn seiliedig ar SMA gyda strwythur deufodd.Cafodd y cydrannau gyriant eu ffugio gan ddefnyddio gweithgynhyrchu ychwanegion ar argraffydd 3D Estynedig Ultimaker 3.Y deunydd a ddefnyddir ar gyfer argraffu cydrannau 3D yw polycarbonad sy'n addas ar gyfer deunyddiau gwrthsefyll gwres gan ei fod yn gryf, yn wydn ac mae ganddo dymheredd trawsnewid gwydr uchel (110-113 \ (^{ \ circ } \) C).Yn ogystal, Dynalloy, Inc Defnyddiwyd gwifren aloi cof siâp Flexinol yn yr arbrofion, a defnyddiwyd yr eiddo materol sy'n cyfateb i'r wifren Flexinol yn yr efelychiadau.Trefnir gwifrau SMA lluosog fel ffibrau sy'n bresennol mewn trefniant deufoddol o gyhyrau i gael y grymoedd uchel a gynhyrchir gan actiwadyddion amlhaenog, fel y dangosir yn Ffig. 9b, d.
Fel y dangosir yn Ffigur 9a, gelwir yr ongl acíwt a ffurfiwyd gan wifren SMA y fraich symudol yn ongl (\(\alpha\)).Gyda clampiau terfynell ynghlwm wrth y clampiau chwith a dde, cedwir y wifren SMA ar yr ongl bimodal a ddymunir.Mae'r ddyfais gwanwyn bias a gedwir ar y cysylltydd gwanwyn wedi'i gynllunio i addasu'r gwahanol grwpiau estyniad gwanwyn rhagfarn yn ôl nifer (n) ffibrau SMA.Yn ogystal, mae lleoliad y rhannau symudol wedi'i ddylunio fel bod y wifren SMA yn agored i'r amgylchedd allanol ar gyfer oeri darfudiad gorfodol.Mae platiau uchaf a gwaelod y cynulliad datodadwy yn helpu i gadw'r wifren SMA yn oer gyda thoriadau allwthiol wedi'u cynllunio i leihau pwysau.Yn ogystal, mae dwy ben y wifren CMA wedi'u gosod ar y terfynellau chwith a dde, yn y drefn honno, trwy gyfrwng crimp.Mae plymiwr wedi'i gysylltu ag un pen o'r cynulliad symudol i gadw cliriad rhwng y platiau uchaf a gwaelod.Defnyddir y plunger hefyd i gymhwyso grym blocio i'r synhwyrydd trwy gyswllt i fesur y grym blocio pan fydd y wifren SMA yn cael ei actio.
Mae'r strwythur cyhyrau bimodal SMA wedi'i gysylltu'n drydanol mewn cyfres ac yn cael ei bweru gan foltedd pwls mewnbwn.Yn ystod y cylch pwls foltedd, pan fydd foltedd yn cael ei gymhwyso a bod y wifren SMA yn cael ei gynhesu uwchlaw tymheredd cychwynnol yr austenite, mae hyd y wifren ym mhob llinyn yn cael ei fyrhau.Mae'r tynnu'n ôl hwn yn actifadu'r is-gynulliad braich symudol.Pan gafodd y foltedd ei sero yn yr un cylch, cafodd y wifren SMA wedi'i gynhesu ei oeri o dan dymheredd yr wyneb martensite, a thrwy hynny ddychwelyd i'w safle gwreiddiol.O dan amodau straen sero, caiff y wifren SMA ei hymestyn yn oddefol yn gyntaf gan wanwyn rhagfarn i gyrraedd y cyflwr martensitig detwined.Mae'r sgriw, y mae'r wifren SMA yn mynd trwyddo, yn symud oherwydd y cywasgu a grëwyd trwy gymhwyso pwls foltedd i'r wifren SMA (mae SPA yn cyrraedd y cyfnod austenite), sy'n arwain at actifadu'r lifer symudol.Pan fydd y wifren SMA yn cael ei dynnu'n ôl, mae'r gwanwyn rhagfarn yn creu grym gwrthgyferbyniol trwy ymestyn y gwanwyn ymhellach.Pan fydd y straen yn y foltedd ysgogiad yn dod yn sero, mae'r wifren SMA yn ymestyn ac yn newid ei siâp oherwydd oeri darfudiad gorfodol, gan gyrraedd cyfnod martensitig dwbl.
Mae gan y system actiwadydd llinellol arfaethedig sy'n seiliedig ar SMA gyfluniad deufoddol lle mae'r gwifrau SMA yn ongl.(a) yn darlunio model CAD o’r prototeip, sy’n crybwyll rhai o’r cydrannau a’u hystyron ar gyfer y prototeip, (b, d) cynrychioli’r prototeip arbrofol datblygedig35.Tra bod (b) yn dangos golygfa uchaf o'r prototeip gyda chysylltiadau trydanol a sbringiau gogwydd a mesuryddion straen a ddefnyddir, mae (ch) yn dangos golwg persbectif o'r gosodiad.(d) Diagram o system actio llinol gyda gwifrau SMA wedi'u gosod yn ddeufodd ar unrhyw adeg t, yn dangos cyfeiriad a chwrs y ffibr a chryfder y cyhyrau.(c) Mae cysylltiad prismatig cylchdro 2-DOF wedi'i gynnig ar gyfer defnyddio actiwadydd dwy awyren yn seiliedig ar SMA.Fel y dangosir, mae'r ddolen yn trosglwyddo mudiant llinellol o'r gyriant gwaelod i'r fraich uchaf, gan greu cysylltiad cylchdro.Ar y llaw arall, mae symudiad y pâr o brismau yr un fath â symudiad y gyriant cam cyntaf multilayer.
Cynhaliwyd astudiaeth arbrofol ar y prototeip a ddangosir yn Ffig. 9b i werthuso perfformiad gyriant bimodal yn seiliedig ar SMA.Fel y dangosir yn Ffigur 10a, roedd y gosodiad arbrofol yn cynnwys cyflenwad pŵer DC rhaglenadwy i gyflenwi foltedd mewnbwn i'r gwifrau SMA.Fel y dangosir yn ffig.10b, defnyddiwyd mesurydd straen piezoelectrig (PACEline CFT/5kN) i fesur y grym blocio gan ddefnyddio cofnodwr data Graphtec GL-2000.Mae'r data'n cael ei gofnodi gan y gwesteiwr ar gyfer astudiaeth bellach.Mae angen cyflenwad pŵer cyson ar fesuryddion straen a mwyhaduron gwefr i gynhyrchu signal foltedd.Mae'r signalau cyfatebol yn cael eu trosi'n allbynnau pŵer yn ôl sensitifrwydd y synhwyrydd grym piezoelectrig a pharamedrau eraill fel y disgrifir yn Nhabl 2. Pan fydd pwls foltedd yn cael ei gymhwyso, mae tymheredd y wifren SMA yn cynyddu, gan achosi i'r wifren SMA gywasgu, sy'n achosi i'r actuator gynhyrchu grym.Dangosir canlyniadau arbrofol allbwn cryfder cyhyr gan guriad foltedd mewnbwn o 7 V yn ffig.2a.
(a) Sefydlwyd system actiwadydd llinellol yn seiliedig ar SMA yn yr arbrawf i fesur y grym a gynhyrchir gan yr actiwadydd.Mae'r gell llwyth yn mesur y grym blocio ac yn cael ei bweru gan gyflenwad pŵer DC 24 V.Cymhwyswyd gostyngiad foltedd 7 V ar hyd cyfan y cebl gan ddefnyddio cyflenwad pŵer DC rhaglenadwy GW Instek.Mae'r wifren SMA yn crebachu oherwydd gwres, ac mae'r fraich symudol yn cysylltu â'r gell llwyth ac yn rhoi grym blocio.Mae'r gell llwyth wedi'i chysylltu â chofnodwr data GL-2000 ac mae'r data'n cael ei storio ar y gwesteiwr i'w brosesu ymhellach.(b) Diagram yn dangos cadwyn cydrannau'r gosodiad arbrofol ar gyfer mesur cryfder y cyhyrau.
Mae aloion cof siâp yn cael eu cyffroi gan ynni thermol, felly mae tymheredd yn dod yn baramedr pwysig ar gyfer astudio'r ffenomen cof siâp.Yn arbrofol, fel y dangosir yn Ffig. 11a, perfformiwyd delweddu thermol a mesuriadau tymheredd ar actuator difalerate prototeip yn seiliedig ar SMA.Cymhwysodd ffynhonnell DC rhaglenadwy foltedd mewnbwn i'r gwifrau SMA yn y gosodiad arbrofol, fel y dangosir yn Ffigur 11b.Mesurwyd newid tymheredd y wifren SMA mewn amser real gan ddefnyddio camera LWIR cydraniad uchel (FLIR A655sc).Mae'r gwesteiwr yn defnyddio meddalwedd ResearchIR i gofnodi data ar gyfer ôl-brosesu pellach.Pan fydd pwls foltedd yn cael ei gymhwyso, mae tymheredd y wifren SMA yn cynyddu, gan achosi i'r wifren SMA grebachu.Ar ffig.Mae Ffigur 2b yn dangos canlyniadau arbrofol tymheredd gwifren SMA yn erbyn amser ar gyfer pwls foltedd mewnbwn 7V.
Amser post: Medi-28-2022