Diolch i chi 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 chi'n defnyddio porwr wedi'i ddiweddaru (neu'n analluogi Modd Cydnawsedd yn Internet Explorer). Yn y cyfamser, er mwyn sicrhau cefnogaeth barhaus, byddwn yn rendro'r wefan heb arddulliau a JavaScript.
Defnyddir gweithredyddion ym mhobman ac maent yn creu symudiad rheoledig trwy gymhwyso'r grym cyffroi neu'r trorym cywir i gyflawni amrywiol weithrediadau mewn gweithgynhyrchu ac awtomeiddio diwydiannol. Mae'r angen am yriannau cyflymach, llai a mwy effeithlon yn gyrru arloesedd mewn dylunio gyriannau. Mae gyriannau Aloi Cof Siâp (SMA) yn cynnig nifer o fanteision dros yriannau confensiynol, gan gynnwys cymhareb pŵer-i-bwysau uchel. Yn y traethawd hir hwn, datblygwyd gweithredydd dwy-bluog wedi'i seilio ar SMA sy'n cyfuno manteision cyhyrau pluog systemau biolegol a phriodweddau unigryw SMAs. Mae'r astudiaeth hon yn archwilio ac yn ymestyn gweithredyddion SMA blaenorol trwy ddatblygu model mathemategol o'r gweithredydd newydd yn seiliedig ar y trefniant gwifren SMA bimodal a'i brofi'n arbrofol. O'i gymharu â gyriannau hysbys yn seiliedig ar SMA, mae grym gweithredu'r gyriant newydd o leiaf 5 gwaith yn uwch (hyd at 150 N). Mae'r golled pwysau gyfatebol tua 67%. Mae canlyniadau dadansoddiad sensitifrwydd modelau mathemategol yn ddefnyddiol ar gyfer tiwnio paramedrau dylunio a deall paramedrau allweddol. Mae'r astudiaeth hon ymhellach yn cyflwyno gyriant cam Nfed aml-lefel y gellir ei ddefnyddio i wella deinameg ymhellach. Mae gan weithredyddion cyhyrau dipvalerate sy'n seiliedig ar SMA ystod eang o gymwysiadau, o awtomeiddio adeiladau i systemau dosbarthu cyffuriau manwl gywir.
Gall systemau biolegol, fel strwythurau cyhyrol mamaliaid, actifadu llawer o weithredyddion cynnil1. Mae gan famaliaid strwythurau cyhyrau gwahanol, pob un yn gwasanaethu pwrpas penodol. Fodd bynnag, gellir rhannu llawer o strwythur meinwe cyhyrau mamaliaid yn ddau gategori eang. Cyfochrog a phennog. Yn y cyhyrau pen ôl a'r cyhyrau flexor eraill, fel mae'r enw'n awgrymu, mae gan y cyhyrau cyfochrog ffibrau cyhyrau sy'n 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 alldaith fawr (byrhau canrannol), mae cryfder cyffredinol eu cyhyrau yn gyfyngedig iawn. Mewn cyferbyniad, yng nghyhyr llo'r triceps2 (gastrocnemius ochrol (GL)3, gastrocnemius medial (GM)4 a soleus (SOL)) a'r extensor femoris (quadriceps)5,6 mae meinwe cyhyrau pennog i'w chael ym mhob cyhyr7. Mewn strwythur pinnog, mae'r ffibrau cyhyrau yn y cyhyrau deubennog yn bresennol ar ddwy ochr y tendon canolog ar onglau gogwydd (onglau pinnog). Daw pennate o'r gair Lladin "penna", sy'n golygu "pen", ac, fel y dangosir yn ffig. 1 mae ganddo olwg debyg i bluen. Mae ffibrau'r cyhyrau pennate yn fyrrach ac ar ongl i echelin 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 mae arwynebedd trawsdoriadol ffisiolegol yn cael ei fesur. Felly, ar gyfer arwynebedd trawsdoriadol penodol, bydd cyhyrau pennate yn gryfach a byddant 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 honno. 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 gweithredyddion presennol sy'n seiliedig ar SMA mewn perthynas â phensaernïaeth gyhyrol ddeufodal, er enghraifft (a), sy'n cynrychioli rhyngweithio 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 gyda phrosthesis orbitol llwythog sbring SMA wedi'i osod yn wrthwynebol. Rheolir safle'r llygad prosthetig gan signal o gyhyr llygad y llygad11, (c) Mae gweithredyddion SMA yn ddelfrydol ar gyfer cymwysiadau tanddwr oherwydd eu hymateb amledd uchel a'u lled band isel. Yn y cyfluniad hwn, defnyddir gweithredyddion SMA i greu symudiad tonnau trwy efelychu symudiad pysgod, (d) Defnyddir gweithredyddion SMA i greu robot archwilio pibellau micro a all ddefnyddio egwyddor symudiad mwydod modfedd, a reolir gan symudiad gwifrau SMA y tu mewn i sianel 10, (e) yn dangos cyfeiriad ffibrau cyhyrau crebachu a chynhyrchu grym crebachu mewn meinwe gastrocnemius, (f) yn dangos gwifrau SMA wedi'u trefnu ar ffurf ffibrau cyhyrau yn strwythur y cyhyr pennate.
Mae gweithredyddion 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 hanfodol. Er gwaethaf eu manteision, mae gyriannau traddodiadol wedi profi i fod yn ddrud ac yn cymryd llawer o amser i'w cynnal. Mae gweithredyddion hydrolig a niwmatig yn gymhleth ac yn ddrud ac yn dueddol o draul, problemau iro a methiant cydrannau. Mewn ymateb i'r galw, y ffocws yw datblygu gweithredyddion cost-effeithiol, wedi'u optimeiddio o ran maint ac uwch yn seiliedig ar ddeunyddiau clyfar. Mae ymchwil barhaus yn edrych ar weithredyddion haenog aloi cof siâp (SMA) i ddiwallu'r angen hwn. Mae gweithredyddion hierarchaidd yn unigryw gan eu bod yn cyfuno llawer o weithredyddion arwahanol yn is-systemau macro-raddfa geometrig gymhleth i ddarparu ymarferoldeb cynyddol ac estynedig. Yn hyn o beth, mae'r meinwe cyhyrau dynol a ddisgrifir uchod yn darparu enghraifft amlhaenog ardderchog o weithrediad amlhaenog o'r fath. Mae'r astudiaeth gyfredol yn disgrifio gyriant SMA aml-lefel gyda sawl elfen gyrru unigol (gwifrau SMA) wedi'u halinio â chyfeiriadau'r ffibr sy'n bresennol mewn cyhyrau bimodal, sy'n gwella perfformiad cyffredinol y gyriant.
Prif bwrpas gweithredydd yw cynhyrchu allbwn pŵer mecanyddol fel grym a dadleoliad 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 adfer siâp, gan arwain at ddwysedd ynni gweithredu uwch o'i gymharu â gwahanol ddeunyddiau clyfar sydd wedi'u bondio'n uniongyrchol. Ar yr un pryd, o dan lwythi mecanyddol, mae SMAs yn mynd yn frau. O dan rai amodau, gall llwyth cylchol amsugno a rhyddhau ynni mecanyddol, gan arddangos newidiadau siâp hysteretig gwrthdroadwy. Mae'r priodweddau unigryw hyn yn gwneud SMA yn ddelfrydol ar gyfer synwyryddion, dampio dirgryniad ac yn enwedig gweithredyddion12. Gyda hyn mewn golwg, bu llawer o ymchwil i yriannau sy'n seiliedig ar SMA. Dylid nodi bod gweithredyddion sy'n seiliedig ar SMA wedi'u cynllunio i ddarparu symudiad cyfieithu a chylchdro ar gyfer amrywiaeth o gymwysiadau13,14,15. Er bod rhai gweithredyddion cylchdro wedi'u datblygu, mae ymchwilwyr yn arbennig o awyddus i ddefnyddio gweithredyddion llinol. Gellir rhannu'r gweithredyddion llinol hyn yn dri math o weithredyddion: gweithredyddion un dimensiwn, dadleoliad a gwahaniaethol16. I ddechrau, crëwyd gyriannau hybrid ar y cyd ag SMA a gyriannau confensiynol eraill. Un enghraifft o'r fath o weithredydd llinol hybrid sy'n seiliedig ar SMA yw defnyddio gwifren SMA gyda modur DC i ddarparu grym allbwn o tua 100 N a dadleoliad sylweddol17.
Un o'r datblygiadau cyntaf mewn gyriannau yn seiliedig yn gyfan gwbl ar SMA oedd y gyriant paralel SMA. Gan ddefnyddio gwifrau SMA lluosog, mae'r gyriant paralel yn seiliedig ar SMA wedi'i gynllunio i gynyddu gallu pŵer y gyriant trwy osod pob gwifren SMA18 yn gyfochrog. Nid yn unig y mae cysylltiad cyfochrog gweithredyddion yn gofyn am fwy o bŵer, ond mae hefyd yn cyfyngu ar bŵer allbwn un wifren. Anfantais arall i weithredyddion yn seiliedig ar SMA yw'r teithio cyfyngedig y gallant ei gyflawni. I ddatrys y broblem hon, crëwyd trawst cebl SMA yn cynnwys trawst hyblyg wedi'i wyro i gynyddu dadleoliad a chyflawni symudiad llinol, ond ni chynhyrchodd rymoedd uwch19. Datblygwyd strwythurau a ffabrigau meddal anffurfiadwy ar gyfer robotiaid yn seiliedig ar aloion cof siâp yn bennaf ar gyfer ymhelaethu effaith20,21,22. Ar gyfer cymwysiadau lle mae angen cyflymderau uchel, adroddwyd am bympiau cryno sy'n defnyddio SMAs ffilm denau ar gyfer cymwysiadau sy'n cael eu gyrru gan ficrobymp23. Mae amledd gyrru'r bilen SMA ffilm denau yn ffactor allweddol wrth reoli cyflymder y gyrrwr. Felly, mae gan foduron llinol SMA ymateb deinamig gwell na moduron gwanwyn neu wialen SMA. Mae roboteg feddal a thechnoleg gafael yn ddau gymhwysiad arall sy'n defnyddio gweithredyddion yn seiliedig ar SMA. Er enghraifft, i ddisodli'r gweithredydd safonol a ddefnyddir yn y clamp gofod 25 N, datblygwyd gweithredydd cyfochrog aloi cof siâp 24. Mewn achos arall, cynhyrchwyd gweithredydd meddal SMA yn seiliedig ar wifren gyda matrics wedi'i fewnosod sy'n gallu cynhyrchu grym tynnu uchaf o 30 N. Oherwydd eu priodweddau mecanyddol, defnyddir SMAs hefyd i gynhyrchu gweithredyddion sy'n dynwared ffenomenau biolegol. Mae un datblygiad o'r fath yn cynnwys robot 12 cell sy'n fiomimetig o organeb debyg i abwydyn daear gydag SMA i gynhyrchu symudiad sinwsoidaidd i danio26,27.
Fel y soniwyd yn gynharach, mae terfyn ar y grym mwyaf y gellir ei gael o weithredyddion presennol sy'n seiliedig ar SMA. I fynd 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 sawl gwifren aloi cof siâp. Hyd yn hyn, nid oes unrhyw weithredyddion sy'n seiliedig ar SMA gyda phensaernïaeth debyg wedi'u hadrodd yn y llenyddiaeth. Datblygwyd y system unigryw a newydd hon yn seiliedig ar SMA i astudio ymddygiad SMA yn ystod aliniad cyhyrau bimodal. O'i gymharu ag weithredyddion presennol sy'n seiliedig ar SMA, nod yr astudiaeth hon oedd creu gweithredydd dipvalerate biomimetig i gynhyrchu grymoedd sylweddol uwch mewn cyfaint bach. O'i gymharu â gyriannau modur camu confensiynol a ddefnyddir mewn systemau awtomeiddio a rheoli adeiladau HVAC, mae'r dyluniad gyrru bimodal arfaethedig sy'n seiliedig ar SMA yn lleihau pwysau'r mecanwaith gyrru 67%. Yn y canlynol, defnyddir y termau "cyhyr" a "gyrru" yn gyfnewidiol. Mae'r astudiaeth hon yn ymchwilio i efelychiad amlffiseg gyriant o'r fath. Astudiwyd ymddygiad mecanyddol systemau o'r fath trwy ddulliau arbrofol a dadansoddol. Ymchwiliwyd ymhellach i ddosraniadau grym a thymheredd ar foltedd mewnbwn o 7 V. Wedi hynny, cynhaliwyd dadansoddiad parametrig i ddeall y berthynas rhwng paramedrau allweddol a'r grym allbwn yn well. Yn olaf, mae gweithredyddion hierarchaidd wedi'u rhagweld ac mae effeithiau lefel hierarchaidd wedi'u cynnig fel maes posibl yn y dyfodol ar gyfer gweithredyddion 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 gweithredyddion 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 SMA. Yna mae'r astudiaeth yn adrodd ar baramedrau allweddol gan ddefnyddio dadansoddiad sensitifrwydd rhwng gwahanol ddyluniadau a newidynnau mewnbwn. Mae hyd cychwynnol y wifren SMA (\(l_0\)), yr ongl binnate (\(\alpha\)) 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) wedi troi allan i fod yn gydberthynol 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 ddibynnol ar dymheredd: cam tymheredd isel a cham tymheredd uchel. Mae gan y ddau gam briodweddau unigryw oherwydd presenoldeb gwahanol strwythurau crisial. Yn y cam austenit (cam tymheredd uchel) sy'n bodoli uwchlaw'r tymheredd trawsnewid, mae'r deunydd yn arddangos cryfder uchel ac mae'n cael ei anffurfio'n wael o dan lwyth. Mae'r aloi yn ymddwyn fel dur di-staen, felly mae'n gallu gwrthsefyll pwysau actifadu uwch. Gan fanteisio ar y briodwedd hon o aloion Ni-Ti, mae gwifrau SMA wedi'u gogwyddo i ffurfio actifadu. Datblygir modelau dadansoddol priodol i ddeall mecaneg sylfaenol ymddygiad thermol SMA o dan ddylanwad gwahanol baramedrau a gwahanol geometregau. 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 cyfan y wifren yn y gyriant, mae tymheredd y wifren yn cynyddu oherwydd effaith gwresogi Joule. Cymhwyswyd y foltedd mewnbwn mewn dau gylchred 10 eiliad (a ddangosir fel dotiau coch yn Ffig. 2a, b) gyda chyfnod oeri o 15 eiliad rhwng pob cylchred. Mesurwyd y grym blocio gan ddefnyddio mesurydd straen piezoelectrig, a monitrwyd dosbarthiad tymheredd y wifren SMA mewn amser real gan ddefnyddio camera LWIR cydraniad uchel gradd wyddonol (gweler nodweddion yr offer a ddefnyddir yn Nhabl 2). yn dangos bod tymheredd y wifren yn cynyddu'n monotonig yn ystod y cyfnod foltedd uchel, ond pan nad oes cerrynt yn llifo, mae tymheredd y wifren yn parhau i ostwng. Yn y gosodiad arbrofol cyfredol, gostyngodd tymheredd y wifren SMA yn ystod y cyfnod oeri, ond roedd yn dal i fod uwchlaw'r tymheredd amgylchynol. Yn ffig. 2e dangosir ciplun o'r tymheredd ar y wifren SMA a gymerwyd o'r camera LWIR. Ar y llaw arall, yn ffig. 2a dangosir y grym blocio a gynhyrchir gan y system yrru. Pan fydd grym y cyhyrau'n fwy na grym adfer y gwanwyn, mae'r fraich symudol, fel y dangosir yn Ffigur 9a, yn dechrau symud. Cyn gynted ag y bydd y gweithrediad 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 uchaf a arsylwyd yw 105 N.
Mae'r graff yn dangos canlyniadau arbrofol tymheredd y wifren SMA a'r grym a gynhyrchir gan yr actuator 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. Y wifren SMA a ddefnyddiwyd ar gyfer yr arbrofion oedd gwifren Flexinol 0.51 mm mewn diamedr gan Dynalloy, Inc. (a) Mae'r graff yn dangos y grym arbrofol a gafwyd dros ddau gylchred, (c, d) yn dangos dau enghraifft annibynnol o weithred actuators braich symudol ar drawsdudiwr grym piezoelectrig PACEline CFT/5kN, (b) mae'r graff yn dangos tymheredd uchaf y wifren SMA gyfan yn ystod dau gylchred, (e) yn dangos ciplun tymheredd a gymerwyd o'r wifren SMA gan ddefnyddio camera LWIR meddalwedd FLIR ResearchIR. Rhoddir y paramedrau geometrig a ystyriwyd yn yr arbrofion yn Nhabl un.
Cymharir canlyniadau efelychu'r model mathemategol a'r canlyniadau arbrofol o dan yr amod o foltedd mewnbwn o 7V, fel y dangosir yn Ffig.5. Yn ôl canlyniadau'r dadansoddiad parametrig ac er mwyn osgoi'r posibilrwydd o orboethi'r wifren SMA, cyflenwyd pŵer o 11.2 W i'r gweithredydd. Defnyddiwyd cyflenwad pŵer DC rhaglennadwy 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 yr SDR yn cynyddu pan gymhwysir cerrynt. Gyda foltedd mewnbwn o 7V, y grym allbwn mwyaf a geir o ganlyniadau'r efelychu a chanlyniadau arbrofol y cylch cyntaf yw 78 N a 96 N, yn y drefn honno. Yn yr ail gylch, y grym allbwn mwyaf o ganlyniadau'r efelychu a'r arbrofol oedd 150 N a 105 N, yn y drefn honno. Gall yr anghysondeb rhwng mesuriadau grym rhwystro a data arbrofol fod oherwydd y dull a ddefnyddir i fesur grym rhwystro. Y 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'r trawsddygiwr 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 chyfernod trosglwyddo gwres darfudol yn y cylch blaenorol. O ffig. 2b, gellir gweld, ar ôl cyfnod oeri o 15 eiliad, nad oedd y wifren SMA wedi cyrraedd tymheredd yr ystafell ac felly roedd ganddi dymheredd cychwynnol uwch (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) yn yr ail gylch 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 gylch gwresogi yn cyrraedd y tymheredd austenit cychwynnol (\(A_s\)) yn gynharach ac yn aros yn y cyfnod trosglwyddo yn hirach, gan arwain at straen a grym. Ar y llaw arall, mae gan ddosraniadau 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. Uchafswm tymheredd y wifren SMA, a gafwyd o ganlyniadau efelychu ac arbrofion y cylch cyntaf, yw \(89\,^{\circ }\hbox {{}\) a \(75\,^{\circ }\hbox {{ }\, yn y drefn honno), ac yn yr ail gylch uchafswm tymheredd y wifren SMA yw \(94\,^{\circ }\hbox {{}}\) a \(83\,^{\circ }\hbox {{}}\). Mae'r model a ddatblygwyd yn sylfaenol yn cadarnhau effaith yr effaith cof siâp. Ni ystyriwyd rôl blinder a gorboethi 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'r plotiau grym allbwn gyrru a thymheredd SMA a gafwyd o'r bloc Simulink o fewn y goddefiannau a ganiateir o'r data arbrofol o dan yr amod bod curiad foltedd mewnbwn o 7 V. Mae hyn yn cadarnhau cywirdeb a dibynadwyedd y model mathemategol a ddatblygwyd.
Datblygwyd y model mathemategol yn amgylchedd MathWorks Simulink R2020b gan ddefnyddio'r hafaliadau sylfaenol a ddisgrifir yn yr adran Dulliau. Yn ffig. 3b dangosir diagram bloc o'r model mathemateg Simulink. Efelychwyd y model ar gyfer pwls foltedd mewnbwn 7V fel y dangosir yn Ffig. 2a, b. Rhestrir gwerthoedd y paramedrau a ddefnyddiwyd 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. 4a, b dangosir y foltedd a achosir yn y wifren SMA a'r grym a gynhyrchir gan yr actuator fel swyddogaeth o amser. Yn ystod trawsnewid 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 martensit (\(\dot{\xi }\)) yn sero. Yn ystod trawsnewid 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 martensit (\(\dot{\xi }\)) yn sero. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T
(a) Canlyniad efelychu sy'n dangos dosbarthiad tymheredd a thymheredd cyffordd a achosir gan straen mewn gweithredydd divalerate sy'n seiliedig ar SMA. Pan fydd tymheredd y wifren yn croesi'r tymheredd pontio austenit yn y cam gwresogi, mae'r tymheredd pontio austenit wedi'i addasu yn dechrau cynyddu, ac yn yr un modd, pan fydd tymheredd gwialen y wifren 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 actifadu. (Am olwg fanwl ar bob is-system o fodel Simulink, gweler yr adran atodiad o'r ffeil atodol.)
Dangosir canlyniadau'r dadansoddiad ar gyfer gwahanol ddosraniadau paramedr ar gyfer dau gylchred o'r foltedd mewnbwn 7V (cylchoedd cynhesu 10 eiliad a chylchoedd oeri 15 eiliad). Er bod (ac) ac (e) yn darlunio'r dosbarthiad dros amser, ar y llaw arall, mae (d) ac (f) yn darlunio'r dosbarthiad gyda thymheredd. Ar gyfer yr amodau mewnbwn priodol, y straen mwyaf a welwyd yw 106 MPa (llai na 345 MPa, cryfder cynnyrch gwifren), y grym yw 150 N, y dadleoliad mwyaf yw 270 µm, a'r ffracsiwn cyfaint martensitig lleiaf yw 0.91. Ar y llaw arall, mae'r newid mewn straen a'r newid yng nghyfran cyfaint martensit gyda thymheredd yn debyg i nodweddion hysteresis.
Mae'r un esboniad yn berthnasol i'r trawsnewidiad uniongyrchol (oeri) o'r cyfnod austenit i'r cyfnod martensit, lle mae tymheredd y wifren SMA (T) a thymheredd terfynol y cyfnod martensit wedi'i addasu gan straen (\(M_f^{\prime}\ )) yn rhagorol. Ar ffig. 4d, mae f yn dangos y newid yn y straen a achosir (\(\sigma\)) a chyfran gyfaint martensit (\(\xi\)) yn y wifren SMA fel swyddogaeth o'r newid yn nhymheredd y wifren SMA (T), ar gyfer y ddau gylchred gyrru. Ar ffig. Mae Ffigur 3a yn dangos y newid yn nhymheredd y wifren SMA dros 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 martensit i'r cyfnod austenit yn dechrau pan fydd tymheredd y wifren SMA (T) yn croesi'r tymheredd niwcleiadu austenit wedi'i gywiro gan straen (\(A_s^{\prime}\)). Yn ystod y cyfnod hwn, mae'r wifren SMA yn cael ei chywasgu ac mae'r gweithredydd yn cynhyrchu grym. Hefyd yn ystod oeri, pan fydd tymheredd y wifren SMA (T) yn croesi tymheredd niwcleiadu'r cyfnod martensit wedi'i addasu gan straen (\(M_s^{\prime}\)) mae trawsnewidiad cadarnhaol o'r cyfnod austenit i'r cyfnod martensit. 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 martensit (\(\xi\)) wedi'i osod i 1, gan fod y deunydd mewn cyfnod martensitig llawn i ddechrau. Wrth i'r wifren barhau i gynhesu, mae tymheredd y wifren SMA yn uwch na'r tymheredd niwcleiadu austenit wedi'i gywiro ar gyfer straen \(A_s^{\prime}\), gan arwain at ostyngiad yn y ffracsiwn cyfaint martensit, fel y dangosir yn Ffigur 4c. Yn ogystal, yn ffig. 4e mae'n dangos dosbarthiad strôcs yr actuator mewn amser, ac yn ffig. 5 - grym gyrru fel swyddogaeth o amser. Mae system gysylltiedig o hafaliadau yn cynnwys tymheredd, ffracsiwn cyfaint martensit, 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 martensit gyda thymheredd yn cyfateb i nodweddion hysteresis yr SMA yn yr achos efelychiedig ar 7 V.
Cafwyd cymhariaeth o baramedrau gyrru trwy arbrofion a chyfrifiadau dadansoddol. Rhoddwyd foltedd mewnbwn pwls o 7 V ar y gwifrau am 10 eiliad, yna cawsant eu hoeri am 15 eiliad (cyfnod oeri) dros ddau gylchred. Mae'r ongl binnedig 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 chell llwyth (b) Monitro tymheredd y wifren gyda chamera is-goch 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 ffisegol a ddewiswyd, a chafodd y paramedrau eu rhestru yn ôl eu dylanwad. Yn gyntaf, gwnaed samplu paramedrau'r model gan ddefnyddio egwyddorion dylunio arbrofol a ddilynodd ddosbarthiad 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 y gwanwyn rhagfarn (\(K_x\)), y 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. Deilliwyd y plotiau tornado ar gyfer y dadansoddiad sensitifrwydd 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 mwyaf o 2500 o grwpiau unigryw o'r paramedrau model uchod yn y plot tornado. Mae'r graff yn dangos y gydberthynas rheng o sawl dangosydd. Mae'n amlwg mai \(V_{in}\) yw'r unig baramedr â chydberthynas gadarnhaol, a \(l_0\) yw'r paramedr â'r gydberthynas negyddol uchaf. Dangosir effaith gwahanol baramedrau mewn gwahanol gyfuniadau 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. Newidiodd y foltedd (\(V_{in}\)) o 4V i 10V, newidiodd hyd y wifren (\(l_{0 } \)) o 40 i 100 mm, ac amrywiodd ongl y gynffon (\(\alpha \)) o \(20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Ar ffig. 6a mae plot tornado o wahanol gyfernodau cydberthynas ar gyfer pob paramedr gyda gofynion dylunio grym gyrru brig. O ffig. 6a gellir gweld bod y paramedr foltedd (\(V_{in}\)) yn uniongyrchol gysylltiedig â'r grym allbwn mwyaf, ac mae'r cyfernod trosglwyddo gwres darfudol (\(h_T\)), ongl fflam (\( \alpha\)), cysonyn y gwanwyn dadleoli (\(K_x\)) yn gysylltiedig yn negyddol â'r grym allbwn a hyd cychwynnol (\(l_0\)) y wifren SMA, ac mae nifer y canghennau unimodal (n) yn dangos cydberthynas gwrthdro gref. Yn achos cydberthynas uniongyrchol. Yn achos gwerth uwch o'r cyfernod cydberthynas foltedd (\(V_ {in}\)) mae'n dangos bod gan y paramedr hwn 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 cyfrifiadurol, 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 n a \(K_x\) yn gysylltiedig yn negyddol ac mae \(V_{in}\) yn gysylltiedig yn gadarnhaol. Mae'r dadansoddiad hwn yn helpu i ddiffinio ac addasu'r paramedrau dylanwadol y gellir addasu grym allbwn, strôc ac effeithlonrwydd y system yrru i'r gofynion a'r cymhwysiad drwyddynt.
Mae gwaith ymchwil cyfredol yn cyflwyno ac yn ymchwilio i yriannau hierarchaidd gydag N lefel. Mewn hierarchaeth dwy lefel, fel y dangosir yn Ffig. 7a, lle yn lle pob gwifren SMA o'r gweithredydd lefel gyntaf, cyflawnir trefniant deufodal, fel y dangosir yn ffig. 9e. Ar ffig. 7c dangosir sut mae'r wifren SMA wedi'i 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 gweithredydd aml-gam cam 1af. Yn nodweddiadol, crëir gyriant N cam 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 rhag-straen a'r foltedd sy'n deillio o hynny ym mhob segment gwifren SMA yr un fath ar bob lefel. Yn ôl ein model dadansoddol, mae'r grym allbwn yn gysylltiedig yn gadarnhaol â'r lefel, tra bod y dadleoliad yn gysylltiedig yn negyddol. Ar yr un pryd, roedd cyfaddawd rhwng dadleoliad a chryfder cyhyrau. Fel y gwelir yn ffig. 7b, er bod y grym mwyaf yn cael ei gyflawni yn y nifer fwyaf o haenau, gwelir y dadleoliad mwyaf yn yr haen isaf. Pan osodwyd y lefel hierarchaeth i \(N=5\), canfuwyd grym cyhyrau brig o 2.58 kN gyda 2 strôc a welwyd \(\upmu\)m. Ar y llaw arall, mae'r gyriant cam cyntaf yn cynhyrchu grym o 150 N ar strôc o 277 \(\upmu\)m. Mae gweithredyddion aml-lefel yn gallu dynwared cyhyrau biolegol go iawn, lle mae cyhyrau artiffisial yn seiliedig ar aloion cof siâp yn gallu cynhyrchu grymoedd sylweddol uwch gyda symudiadau manwl gywir a mwy manwl. Cyfyngiadau'r dyluniad bach hwn yw, wrth i'r hierarchaeth gynyddu, bod y symudiad yn cael ei leihau'n fawr a bod cymhlethdod y broses gweithgynhyrchu gyriant yn cynyddu.
(a) Dangosir system actuator llinol aloi cof siâp haenog dau gam (\(N=2\)) mewn cyfluniad bimodal. Cyflawnir y model arfaethedig trwy ddisodli'r wifren SMA yn yr actuator haenog cam cyntaf gydag actuator haenog cam sengl arall. (c) Cyfluniad anffurfiedig yr actuator amlhaenog ail gam. (b) Disgrifir dosbarthiad grymoedd a dadleoliadau yn dibynnu ar nifer y lefelau. Canfuwyd bod grym brig yr actuator yn gysylltiedig yn gadarnhaol â lefel y raddfa ar y graff, tra bod y strôc yn gysylltiedig yn negyddol â lefel y raddfa. Mae'r cerrynt a'r rhag-foltedd ym mhob gwifren yn aros yn gyson ar bob lefel. (d) 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 eilaidd (un wedi'i chysylltu â'r goes gynradd) gan y rhif mwyaf yn yr isysgrif. Er enghraifft, ar lefel 5, mae \(n_1\) yn cyfeirio at nifer y gwifrau SMA sydd ym mhob strwythur bimodal, ac mae \(n_5\) yn cyfeirio at nifer y coesau ategol (un wedi'i chysylltu â'r prif goes).
Mae amryw o ddulliau wedi'u cynnig gan lawer o ymchwilwyr i fodelu ymddygiad SMAs gyda chof siâp, sy'n dibynnu ar y priodweddau thermomecanyddol sy'n cyd-fynd â'r newidiadau macrosgopig yn strwythur y grisial sy'n gysylltiedig â'r trawsnewidiad cyfnod. Mae llunio dulliau cyfansoddol yn gymhleth yn ei hanfod. Cynigir y model ffenomenolegol a ddefnyddir amlaf gan Tanaka28 ac fe'i defnyddir yn helaeth mewn cymwysiadau peirianneg. Mae'r model ffenomenolegol a gynigiwyd gan Tanaka [28] yn tybio bod cyfran gyfaint martensit yn ffwythiant esbonyddol o dymheredd a straen. Yn ddiweddarach, cynigiodd Liang a Rogers29 a Brinson30 fodel lle tybiwyd bod dynameg y trawsnewidiad cyfnod yn ffwythiant cosin o foltedd a thymheredd, gyda mân addasiadau i'r model. Cynigiodd Becker a Brinson fodel cinetig yn seiliedig ar ddiagram cyfnod i fodelu ymddygiad deunyddiau SMA o dan amodau llwytho mympwyol yn ogystal â thrawsnewidiadau rhannol. Mae Banerjee32 yn defnyddio dull dynameg diagram cyfnod Bekker a Brinson31 i efelychu trinydd gradd sengl o ryddid a ddatblygwyd gan Elahinia ac Ahmadian33. Mae dulliau cinetig yn seiliedig ar ddiagramau cyfnod, sy'n ystyried y newid anmonotonig mewn foltedd gyda thymheredd, yn anodd eu gweithredu mewn cymwysiadau peirianneg. Mae Elakhinia ac Ahmadian yn tynnu sylw at y diffygion hyn mewn modelau 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 chyfran cyfaint martensit (\(\xi\)) gwifren SMA. Cynigiwyd y model cyfansoddol ffenomenolegol gyntaf gan Tanaka28 ac yn ddiweddarach fe'i mabwysiadwyd gan Liang29 a Brinson30. Mae deilliad yr hafaliad ar y ffurf:
lle mae E yn fodiwlws Young SMA sy'n ddibynnol ar gam a geir gan ddefnyddio \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) ac mae \(E_A\) a \(E_M\) sy'n cynrychioli modwlws Young yn gamau austenitig a martensitig, yn y drefn honno, a chynrychiolir y cyfernod ehangu thermol gan \(\theta _T\). Y ffactor cyfraniad trawsnewid cam yw \(\Omega = -E \epsilon _L\) ac mae \(\epsilon _L\) yn cynrychioli'r straen adferadwy mwyaf yn y wifren SMA.
Mae hafaliad deinameg y cyfnod yn cyd-daro â'r ffwythiant cosin a ddatblygwyd gan Liang29 ac a fabwysiadwyd yn ddiweddarach gan Brinson30 yn lle'r ffwythiant esbonyddol a gynigiwyd gan Tanaka28. Mae'r model trawsnewid cyfnod yn estyniad o'r model a gynigiwyd gan Elakhinia ac Ahmadian34 ac wedi'i addasu yn seiliedig ar yr amodau trawsnewid cyfnod a roddir gan Liang29 a Brinson30. Mae'r amodau a ddefnyddir ar gyfer y model trawsnewid cyfnod hwn yn ddilys o dan lwythi thermomecanyddol cymhleth. Ar bob adeg o amser, cyfrifir gwerth cyfran gyfaint martensit wrth fodelu'r hafaliad cyfansoddol.
Mae'r hafaliad ail-drawsnewid llywodraethol, a fynegir gan drawsnewid martensit i austenit o dan amodau gwresogi, fel a ganlyn:
lle mae \(\xi\) yn gyfran gyfaint y martensit, \(\xi _M\) yn gyfran gyfaint y martensit a geir cyn gwresogi, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) a \(C_A\) – paramedrau brasamcan y gromlin, T – tymheredd gwifren SMA, \(A_s\) ac \(A_f\) – dechrau a diwedd y cyfnod austenit, yn y drefn honno, tymheredd.
Yr hafaliad rheoli trawsnewid uniongyrchol, a gynrychiolir gan drawsnewidiad cyfnod austenit i martensit o dan amodau oeri, yw:
lle mae \(\xi _A\) yn gyfran gyfaint y martensit a geir cyn oeri, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) a \(C_M \) – paramedrau ffitio cromliniau, T – tymheredd gwifren SMA, \(M_s\) a \(M_f\) – tymereddau martensit cychwynnol a therfynol, yn y drefn honno.
Ar ôl gwahaniaethu hafaliadau (3) a (4), mae'r hafaliadau trawsnewid gwrthdro a uniongyrchol yn cael eu symleiddio i'r ffurf ganlynol:
Yn ystod trawsnewidiad ymlaen ac yn ôl, mae \(\eta _{\sigma}\) a \(\eta _{T}\) yn cymryd gwerthoedd 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 egni thermol sydd ei angen i godi tymheredd y wifren SMA o effaith gwresogi Joule. Cynrychiolir yr egni thermol sy'n cael ei amsugno neu ei ryddhau gan y wifren SMA gan wres cudd y trawsnewidiad. Mae'r golled gwres yn y wifren SMA oherwydd darfudiad gorfodol, ac o ystyried effaith ddibwys ymbelydredd, mae'r hafaliad cydbwysedd egni gwres fel a ganlyn:
Lle mae \(m_{wire}\) yn gyfanswm màs y wifren SMA, \(c_{p}\) yw capasiti gwres penodol yr SMA, \(V_{in}\) yw'r foltedd a roddir ar y wifren, \(R_{ohm}\) – gwrthiant sy'n ddibynnol ar gyfnod SMA, a ddiffinnir fel; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) lle mae \(r_M\) a \(r_A\) yn wrthiant cyfnod SMA mewn martensit ac austenit, yn y drefn honno, \(A_{c}\) yw arwynebedd wyneb y wifren SMA, \(\Delta H\) yw aloi cof siâp. 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 gweithredu, mae'r wifren yn cywasgu, gan greu grym ym mhob cangen o'r dyluniad bimodal o'r enw grym ffibr. Mae grymoedd y ffibrau ym mhob llinyn o'r wifren SMA gyda'i gilydd yn creu'r grym cyhyrau i weithredu, fel y dangosir yn Ffig. 9e. Oherwydd presenoldeb gwanwyn rhagfarnu, cyfanswm grym cyhyrau'r gweithredydd amlhaen Nfed yw:
Drwy amnewid \(N = 1\) i hafaliad (7), gellir cael cryfder cyhyrau prototeip gyrru bimodal cam cyntaf fel a ganlyn:
lle mae n yn nifer y coesau unimodal, \(F_m\) yw'r grym cyhyrau a gynhyrchir gan y gyriant, \(F_f\) yw cryfder y ffibr yn y wifren SMA, \(K_x\) yw anystwythder y gwanwyn rhagfarn, \(\alpha\) yw ongl y triongl, \(x_0\) yw gwrthbwyso cychwynnol y gwanwyn rhagfarn i ddal y cebl SMA yn y safle wedi'i rag-densiwn, a \(\Deltax\) yw taith yr actiwadydd.
Cyfanswm dadleoliad neu symudiad y gyriant (\(\Delta x\)) yn dibynnu ar y foltedd (\(\sigma\)) a'r straen (\(\epsilon\)) ar wifren SMA y cam Nfed, mae'r gyriant wedi'i osod i (gweler Ffig. rhan ychwanegol o'r allbwn):
Mae'r hafaliadau cinematig yn rhoi'r berthynas rhwng anffurfiad gyrru (\(\epsilon\)) a dadleoliad neu ddadleoliad (\(\Deltax\)). Mae anffurfiad y wifren Arb fel swyddogaeth o hyd cychwynnol y wifren Arb (\(l_0\)) a hyd y wifren (l) ar unrhyw adeg t mewn un gangen unimodal fel a ganlyn:
lle ceir \(l = \sqrt{l_0^2 +(Δx_1)^2 – 2 l_0 (Δx_1) \cos \alpha 1}\) trwy gymhwyso'r fformiwla cosin yn \(Δx_1)ABB', fel y dangosir yn Ffigur 8. Ar gyfer y gyriant cam cyntaf (\(N = 1\)), \(Δx_1\) yw \(Δx\), ac \(\alpha 1\) yw \(\alpha \) fel y dangosir yn Fel y dangosir yn Ffigur 8, trwy wahaniaethu'r amser o Hafaliad (11) ac amnewid gwerth l, gellir ysgrifennu'r gyfradd straen fel:
lle mae \(l_0\) yn 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, ac \(\alpha\) yw ongl y triongl, \(\Deltax\) yw'r gwrthbwys gyrru (fel y dangosir yn Ffigur 8).
Mae pob un o'r n strwythur un brig (\(n=6\) yn y ffigur 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 foltedd sero Cam II: Dangosir strwythur rheoledig lle mae'r wifren SMA wedi'i chywasgu oherwydd trawsnewidiad gwrthdro, fel y dangosir gan y llinell goch.
Fel prawf o'r cysyniad, datblygwyd gyriant deu-fodal wedi'i seilio ar SMA i brofi'r ddeilliad efelychiedig o'r hafaliadau sylfaenol gyda chanlyniadau arbrofol. Dangosir model CAD yr actuator llinol deu-fodal yn ffig. 9a. Ar y llaw arall, yn ffig. 9c mae'n dangos dyluniad newydd a gynigiwyd ar gyfer cysylltiad prismatig cylchdro gan ddefnyddio actuator dwy-blaen wedi'i seilio ar SMA gyda strwythur deu-fodal. Cafodd y cydrannau gyriant eu cynhyrchu gan ddefnyddio gweithgynhyrchu ychwanegol ar argraffydd 3D Ultimaker 3 Extended. Y deunydd a ddefnyddir ar gyfer argraffu 3D cydrannau yw polycarbonad sy'n addas ar gyfer deunyddiau sy'n gwrthsefyll gwres gan ei fod yn gryf, yn wydn ac mae ganddo dymheredd pontio gwydr uchel (110-113 °(^{\circ }\) C). Yn ogystal, defnyddiwyd gwifren aloi cof siâp Flexinol Dynalloy, Inc. yn yr arbrofion, a defnyddiwyd y priodweddau deunydd sy'n cyfateb i'r wifren Flexinol yn yr efelychiadau. Trefnir gwifrau SMA lluosog fel ffibrau sy'n bresennol mewn trefniant deu-fodal o gyhyrau i gael y grymoedd uchel a gynhyrchir gan actuators amlhaen, fel y dangosir yn Ffig. 9b, d.
Fel y dangosir yn Ffigur 9a, gelwir yr ongl lem a ffurfir gan wifren SMA y fraich symudol yn ongl (\(\alpha\)). Gyda chlampiau terfynell ynghlwm wrth y clampiau chwith a dde, mae'r wifren SMA yn cael ei dal ar yr ongl bimodal a ddymunir. Mae'r ddyfais gwanwyn rhagfarn sy'n cael ei dal ar y cysylltydd gwanwyn wedi'i chynllunio i addasu'r gwahanol grwpiau estyniad gwanwyn rhagfarn yn ôl nifer (n) y ffibrau SMA. Yn ogystal, mae lleoliad y rhannau symudol wedi'i gynllunio fel bod y wifren SMA yn agored i'r amgylchedd allanol ar gyfer oeri darfudiad gorfodol. Mae platiau uchaf ac isaf y cynulliad datodadwy yn helpu i gadw'r wifren SMA yn oer gyda thoriadau allwthiol wedi'u cynllunio i leihau pwysau. Yn ogystal, mae dau ben y wifren CMA wedi'u gosod i'r terfynellau chwith a dde, yn y drefn honno, trwy grimp. Mae plwncwr ynghlwm wrth un pen y cynulliad symudol i gynnal cliriad rhwng y platiau uchaf a gwaelod. Defnyddir y plwncwr hefyd i gymhwyso grym blocio i'r synhwyrydd trwy gyswllt i fesur y grym blocio pan fydd y wifren SMA yn cael ei gweithredu.
Mae strwythur cyhyrau deufodal SMA wedi'i gysylltu'n drydanol mewn cyfres ac yn cael ei bweru gan foltedd pwls mewnbwn. Yn ystod y cylch pwls foltedd, pan gymhwysir foltedd a bod y wifren SMA yn cael ei chynhesu uwchlaw tymheredd cychwynnol yr austenit, mae hyd y wifren ym mhob llinyn yn cael ei fyrhau. Mae'r tynnu'n ôl hwn yn actifadu is-gynulliad y fraich symudol. Pan gafodd y foltedd ei sero yn yr un cylch, cafodd y wifren SMA wedi'i chynhesu ei hoeri islaw tymheredd wyneb y martensit, gan ddychwelyd i'w safle gwreiddiol. O dan amodau straen sero, caiff y wifren SMA ei hymestyn yn oddefol yn gyntaf gan sbring rhagfarn i gyrraedd y cyflwr martensitig dad-efeillio. Mae'r sgriw, y mae'r wifren SMA yn mynd drwyddi, yn symud oherwydd y cywasgiad a grëir trwy gymhwyso pwls foltedd i'r wifren SMA (mae SPA yn cyrraedd y cyfnod austenit), sy'n arwain at weithredu'r lifer symudol. Pan gaiff y wifren SMA ei thynnu'n ôl, mae'r sbring rhagfarn yn creu grym gwrthwynebol trwy ymestyn y sbring 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 actuator llinol arfaethedig sy'n seiliedig ar SMA gyfluniad bimodal lle mae'r gwifrau SMA ar ongl. (a) yn darlunio model CAD o'r prototeip, sy'n sôn am rai o'r cydrannau a'u hystyron ar gyfer y prototeip, (b, d) yn cynrychioli'r prototeip arbrofol a ddatblygwyd35. Er bod (b) yn dangos golygfa uchaf o'r prototeip gyda chysylltiadau trydanol a sbringiau rhagfarn a mesuryddion straen a ddefnyddir, (d) yn dangos golygfa bersbectif o'r gosodiad. (e) Diagram o system actuator llinol gyda gwifrau SMA wedi'u gosod yn bimodal ar unrhyw adeg t, gan ddangos cyfeiriad a chwrs y ffibr a chryfder y cyhyrau. (c) Cynigiwyd cysylltiad prismatig cylchdro 2-DOF ar gyfer defnyddio actuator dwy-blân sy'n seiliedig ar SMA. Fel y dangosir, mae'r ddolen yn trosglwyddo symudiad llinol 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 amlhaen.
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 rhaglennadwy 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 ac ymhelaethyddion 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 gymhwysir pwls foltedd, mae tymheredd y wifren SMA yn cynyddu, gan achosi i'r wifren SMA gywasgu, sy'n achosi i'r gweithredydd gynhyrchu grym. Dangosir canlyniadau arbrofol allbwn cryfder cyhyrau gan bwls foltedd mewnbwn o 7 V yn ffig. 2a.
(a) Sefydlwyd system actuator llinol seiliedig ar SMA yn yr arbrawf i fesur y grym a gynhyrchir gan yr actuator. Mae'r gell llwyth yn mesur y grym blocio ac yn cael ei phweru gan gyflenwad pŵer 24 V DC. Cymhwyswyd gostyngiad foltedd o 7 V ar hyd 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'r cofnodwr data GL-2000 a chaiff y data ei storio ar y gwesteiwr i'w brosesu ymhellach. (b) Diagram yn dangos cadwyn cydrannau'r gosodiad arbrofol ar gyfer mesur cryfder 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 brototeip o weithredydd divalerate wedi'i seilio ar SMA. Rhoddodd ffynhonnell DC raglennadwy foltedd mewnbwn i'r gwifrau SMA yn y gosodiad arbrofol, fel y dangosir yn Ffigur 11b. Mesurwyd y newid tymheredd yn y wifren SMA mewn amser real gan ddefnyddio camera LWIR cydraniad uchel (FLIR A655sc). Mae'r gwesteiwr yn defnyddio'r feddalwedd ResearchIR i gofnodi data ar gyfer ôl-brosesu pellach. Pan gymhwysir pwls foltedd, mae tymheredd y wifren SMA yn cynyddu, gan achosi i'r wifren SMA grebachu. Ar ffig. Mae Ffigur 2b yn dangos canlyniadau arbrofol tymheredd y wifren SMA yn erbyn amser ar gyfer pwls foltedd mewnbwn 7V.
Amser postio: Medi-28-2022
