Tak fordi du besøgte Nature.com.Den browserversion, du bruger, har begrænset CSS-understøttelse.For den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller deaktiverer kompatibilitetstilstand i Internet Explorer).I mellemtiden, for at sikre fortsat support, vil vi gengive webstedet uden stilarter og JavaScript.
Aktuatorer bruges overalt og skaber kontrolleret bevægelse ved at anvende den korrekte excitationskraft eller drejningsmoment til at udføre forskellige operationer inden for fremstilling og industriel automatisering.Behovet for hurtigere, mindre og mere effektive drev driver innovation inden for drevdesign.Shape Memory Alloy (SMA)-drev tilbyder en række fordele i forhold til konventionelle drev, herunder et højt effekt-til-vægt-forhold.I denne afhandling er der udviklet en to-fjeret SMA-baseret aktuator, der kombinerer fordelene ved de fjeragtige muskler i biologiske systemer og de unikke egenskaber ved SMA'er.Denne undersøgelse udforsker og udvider tidligere SMA-aktuatorer ved at udvikle en matematisk model af den nye aktuator baseret på det bimodale SMA-ledningsarrangement og teste det eksperimentelt.Sammenlignet med kendte drev baseret på SMA er aktiveringskraften af det nye drev mindst 5 gange højere (op til 150 N).Det tilsvarende vægttab er omkring 67%.Resultaterne af følsomhedsanalyse af matematiske modeller er nyttige til at indstille designparametre og forstå nøgleparametre.Denne undersøgelse præsenterer yderligere et multi-level Nth stage drive, der kan bruges til yderligere at forbedre dynamikken.SMA-baserede dipvalerat-muskelaktuatorer har en bred vifte af anvendelser, fra bygningsautomatisering til præcise lægemiddelleveringssystemer.
Biologiske systemer, såsom pattedyrs muskulære strukturer, kan aktivere mange subtile aktuatorer1.Pattedyr har forskellige muskelstrukturer, der hver tjener et bestemt formål.Imidlertid kan meget af strukturen af pattedyrs muskelvæv opdeles i to brede kategorier.Parallel og pennate.I hamstrings og andre flexorer, som navnet antyder, har parallelmuskulaturen muskelfibre parallelt med den centrale sene.Kæden af muskelfibre er linet op og funktionelt forbundet af bindevævet omkring dem.Selvom disse muskler siges at have en stor ekskursion (procentvis afkortning), er deres samlede muskelstyrke meget begrænset.I modsætning hertil findes der i triceps lægmuskel2 (lateral gastrocnemius (GL)3, medial gastrocnemius (GM)4 og soleus (SOL)) og extensor femoris (quadriceps) 5,6 pennate muskelvæv i hver muskel7.I en pinnate struktur er muskelfibrene i den bipennate muskulatur til stede på begge sider af den centrale sene i skrå vinkler (finnate angles).Pennate kommer fra det latinske ord "penna", som betyder "pen", og som vist i fig.1 har et fjerlignende udseende.Pennemusklernes fibre er kortere og vinklet i forhold til musklens længdeakse.På grund af den pinnate struktur reduceres den samlede mobilitet af disse muskler, hvilket fører til de tværgående og langsgående komponenter i afkortningsprocessen.På den anden side fører aktivering af disse muskler til højere samlet muskelstyrke på grund af den måde, fysiologisk tværsnitsareal måles på.Derfor, for et givet tværsnitsareal, vil pennate muskler være stærkere og vil generere højere kræfter end muskler med parallelle fibre.Kræfter genereret af individuelle fibre genererer muskelkræfter på et makroskopisk niveau i det muskelvæv.Derudover har den så unikke egenskaber som hurtig krympning, beskyttelse mod trækskader, dæmpning.Det transformerer forholdet mellem fiberinput og muskelkraftoutput ved at udnytte de unikke egenskaber og geometriske kompleksitet af fiberarrangementet forbundet med muskelhandlingslinjer.
Der er vist skematiske diagrammer af eksisterende SMA-baserede aktuatordesigns i forhold til en bimodal muskulær arkitektur, for eksempel (a), der repræsenterer samspillet af taktile kraft, hvor en håndformet enhed aktiveret af SMA-ledninger er monteret på en tohjulet autonom mobil robot9,10., (b) Robotisk orbitalprotese med antagonistisk placeret SMA fjederbelastet orbitalprotese.Det protetiske øjes position styres af et signal fra øjets øjenmuskel11, (c) SMA-aktuatorer er ideelle til undervandsapplikationer på grund af deres høje frekvensrespons og lave båndbredde.I denne konfiguration bruges SMA-aktuatorer til at skabe bølgebevægelse ved at simulere bevægelsen af fisk, (d) SMA-aktuatorer bruges til at skabe en mikrorørsinspektionsrobot, der kan bruge inch-ormbevægelsesprincippet, styret af bevægelsen af SMA-ledninger inde i kanal 10, (e) viser retningen af kontraktionsmuskelfibre og genererer kontraktilkraft i muskelvævet i gastrocfnem i gastrocf) pennate muskelstruktur.
Aktuatorer er blevet en vigtig del af mekaniske systemer på grund af deres brede vifte af anvendelser.Derfor bliver behovet for mindre, hurtigere og mere effektive drev kritisk.På trods af deres fordele har traditionelle drev vist sig at være dyre og tidskrævende at vedligeholde.Hydrauliske og pneumatiske aktuatorer er komplekse og dyre og er genstand for slid, smøreproblemer og komponentfejl.Som svar på efterspørgslen er fokus på at udvikle omkostningseffektive, dimensioneringsoptimerede og avancerede aktuatorer baseret på smarte materialer.Igangværende forskning ser på formhukommelseslegering (SMA) lagdelte aktuatorer for at imødekomme dette behov.Hierarkiske aktuatorer er unikke ved, at de kombinerer mange diskrete aktuatorer til geometrisk komplekse makroskala undersystemer for at give øget og udvidet funktionalitet.I denne henseende tilvejebringer det ovenfor beskrevne menneskelige muskelvæv et fremragende flerlagseksempel på en sådan flerlagsaktivering.Den aktuelle undersøgelse beskriver et SMA-drev på flere niveauer med flere individuelle drivelementer (SMA-tråde), der er tilpasset fiberorienteringerne i bimodale muskler, hvilket forbedrer den samlede drivydelse.
Hovedformålet med en aktuator er at generere mekanisk effekt, såsom kraft og forskydning ved at konvertere elektrisk energi.Formhukommelseslegeringer er en klasse af "smarte" materialer, der kan genoprette deres form ved høje temperaturer.Under høje belastninger fører en stigning i temperaturen af SMA-tråden til formgendannelse, hvilket resulterer i en højere aktiveringsenergitæthed sammenlignet med forskellige direkte forbundne smarte materialer.Samtidig bliver SMA'er skøre under mekaniske belastninger.Under visse forhold kan en cyklisk belastning absorbere og frigive mekanisk energi og udvise reversible hysteretiske formændringer.Disse unikke egenskaber gør SMA ideel til sensorer, vibrationsdæmpning og især aktuatorer12.Med dette i tankerne har der været meget forskning i SMA-baserede drev.Det skal bemærkes, at SMA-baserede aktuatorer er designet til at give translationel og roterende bevægelse til en række forskellige applikationer13,14,15.Selvom nogle roterende aktuatorer er blevet udviklet, er forskere særligt interesserede i lineære aktuatorer.Disse lineære aktuatorer kan opdeles i tre typer aktuatorer: endimensionelle, forskydnings- og differentielle aktuatorer 16 .Oprindeligt blev hybriddrev skabt i kombination med SMA og andre konventionelle drev.Et sådant eksempel på en SMA-baseret hybrid lineær aktuator er brugen af en SMA-ledning med en jævnstrømsmotor for at give en udgangskraft på omkring 100 N og betydelig forskydning17.
En af de første udviklinger inden for drev baseret udelukkende på SMA var SMA paralleldrevet.Ved at bruge flere SMA-ledninger er det SMA-baserede paralleldrev designet til at øge drevets strømkapacitet ved at placere alle SMA18-ledninger parallelt.Parallelforbindelse af aktuatorer kræver ikke kun mere strøm, men begrænser også udgangseffekten af en enkelt ledning.En anden ulempe ved SMA-baserede aktuatorer er den begrænsede vandring, de kan opnå.For at løse dette problem blev der skabt en SMA-kabelstråle indeholdende en afbøjet fleksibel stråle for at øge forskydningen og opnå lineær bevægelse, men genererede ikke højere kræfter19.Bløde deformerbare strukturer og stoffer til robotter baseret på formhukommelseslegeringer er udviklet primært til slagforstærkning20,21,22.Til applikationer, hvor høje hastigheder er påkrævet, er der rapporteret om kompaktdrevne pumper, der anvender tyndfilm SMA'er til mikropumpedrevne applikationer23.Kørefrekvensen af den tynde film SMA-membran er en nøglefaktor for at kontrollere førerens hastighed.Derfor har SMA lineære motorer en bedre dynamisk respons end SMA fjeder- eller stangmotorer.Blød robotteknologi og gribeteknologi er to andre applikationer, der bruger SMA-baserede aktuatorer.For at erstatte standardaktuatoren anvendt i 25 N rumklemmen, blev der udviklet en parallelaktuator 24 af formhukommelseslegering.I et andet tilfælde blev en SMA blød aktuator fremstillet baseret på en tråd med en indlejret matrix, der er i stand til at producere en maksimal trækkraft på 30 N. På grund af deres mekaniske egenskaber bruges SMA'er også til at producere aktuatorer, der efterligner biologiske fænomener.En sådan udvikling omfatter en 12-cellet robot, der er en biomimetik af en regnorm-lignende organisme med SMA til at generere en sinusformet bevægelse til brand26,27.
Som tidligere nævnt er der en grænse for den maksimale kraft, der kan opnås fra eksisterende SMA-baserede aktuatorer.For at løse dette problem præsenterer denne undersøgelse en biomimetisk bimodal muskelstruktur.Drevet af formhukommelseslegeret tråd.Det giver et klassifikationssystem, der inkluderer flere formhukommelseslegeringstråde.Til dato er der ikke rapporteret om SMA-baserede aktuatorer med en lignende arkitektur i litteraturen.Dette unikke og nye system baseret på SMA blev udviklet til at studere adfærden af SMA under bimodal muskeltilpasning.Sammenlignet med eksisterende SMA-baserede aktuatorer var målet med denne undersøgelse at skabe en biomimetisk dipvalerat aktuator til at generere væsentligt højere kræfter i et lille volumen.Sammenlignet med konventionelle stepmotordrevne drev, der anvendes i HVAC-bygningsautomatiserings- og kontrolsystemer, reducerer det foreslåede SMA-baserede bimodale drevdesign vægten af drivmekanismen med 67 %.I det følgende bruges udtrykkene "muskel" og "drev" i flæng.Denne undersøgelse undersøger multifysisk simulering af et sådant drev.Den mekaniske opførsel af sådanne systemer er blevet undersøgt ved eksperimentelle og analytiske metoder.Kraft- og temperaturfordelinger blev yderligere undersøgt ved en indgangsspænding på 7 V. Efterfølgende blev der udført en parametrisk analyse for bedre at forstå sammenhængen mellem nøgleparametre og udgangskraften.Endelig er hierarkiske aktuatorer blevet forudset, og hierarkiske niveaueffekter er blevet foreslået som et potentielt fremtidigt område for ikke-magnetiske aktuatorer til proteseapplikationer.Ifølge resultaterne af de førnævnte undersøgelser producerer brugen af en enkelttrinsarkitektur kræfter, der er mindst fire til fem gange højere end rapporterede SMA-baserede aktuatorer.Derudover har den samme drivkraft, der genereres af et multi-level multi-level drev, vist sig at være mere end ti gange større end konventionelle SMA-baserede drev.Undersøgelsen rapporterer derefter nøgleparametre ved hjælp af følsomhedsanalyse mellem forskellige designs og inputvariabler.Startlængden af SMA-tråden (\(l_0\)), den pinnate vinkel (\(\alpha\)) og antallet af enkeltstrenge (n) i hver enkelt streng har en stærk negativ effekt på størrelsen af drivkraften.styrke, mens indgangsspændingen (energi) viste sig at være positivt korreleret.
SMA-tråd udviser formhukommelseseffekten (SME) set i nikkel-titanium (Ni-Ti)-familien af legeringer.Typisk udviser SMA'er to temperaturafhængige faser: en lavtemperaturfase og en højtemperaturfase.Begge faser har unikke egenskaber på grund af tilstedeværelsen af forskellige krystalstrukturer.I austenitfasen (højtemperaturfasen), der eksisterer over transformationstemperaturen, udviser materialet høj styrke og deformeres dårligt under belastning.Legeringen opfører sig som rustfrit stål, så den er i stand til at modstå højere aktiveringstryk.Ved at drage fordel af denne egenskab ved Ni-Ti-legeringer er SMA-trådene skråtstillede for at danne en aktuator.Passende analytiske modeller udvikles for at forstå den grundlæggende mekanik af SMA's termiske adfærd under indflydelse af forskellige parametre og forskellige geometrier.Der blev opnået god overensstemmelse mellem de eksperimentelle og analytiske resultater.
En eksperimentel undersøgelse blev udført på prototypen vist i fig. 9a for at evaluere ydeevnen af et bimodalt drev baseret på SMA.To af disse egenskaber, kraften genereret af drevet (muskelkraft) og temperaturen af SMA-tråden (SMA-temperatur), blev målt eksperimentelt.Når spændingsforskellen stiger langs hele ledningens længde i drevet, stiger ledningens temperatur på grund af Joule-varmeeffekten.Indgangsspændingen blev påført i to 10-sekunders cyklusser (vist som røde prikker i fig. 2a, b) med en 15-sek. afkølingsperiode mellem hver cyklus.Blokeringskraften blev målt ved hjælp af en piezoelektrisk strain gauge, og temperaturfordelingen af SMA-tråden blev overvåget i realtid ved hjælp af et videnskabeligt kvalitet højopløsnings LWIR-kamera (se karakteristika for udstyret anvendt i tabel 2).viser, at under højspændingsfasen stiger ledningens temperatur monotont, men når der ikke løber nogen strøm, fortsætter ledningens temperatur med at falde.I den nuværende eksperimentelle opsætning faldt temperaturen på SMA-tråden under afkølingsfasen, men den var stadig over den omgivende temperatur.På fig.2e viser et øjebliksbillede af temperaturen på SMA-ledningen taget fra LWIR-kameraet.På den anden side, i fig.2a viser blokeringskraften genereret af drivsystemet.Når muskelkraften overstiger fjederens genopretningskraft, begynder den bevægelige arm, som vist i figur 9a, at bevæge sig.Så snart aktiveringen begynder, kommer den bevægelige arm i kontakt med sensoren, hvilket skaber en kropskraft, som vist i fig.2c, d.Når den maksimale temperatur er tæt på \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), er den maksimale observerede kraft 105 N.
Grafen viser de eksperimentelle resultater af temperaturen af SMA-tråden og kraften genereret af den SMA-baserede bimodale aktuator i løbet af to cyklusser.Indgangsspændingen påføres i to 10 sekunders cyklusser (vist som røde prikker) med en 15 sekunders afkølingsperiode mellem hver cyklus.SMA-tråden, der blev brugt til eksperimenterne, var en Flexinol-tråd med en diameter på 0,51 mm fra Dynalloy, Inc. (a) Grafen viser den eksperimentelle kraft opnået over to cyklusser, (c, d) viser to uafhængige eksempler på virkningen af aktuatorer med bevægelige arme på en PACEline CFT/5kN piezoelektrisk krafttransducer, (b) den maksimale temperatur af ledningen, (b) den maksimale temperatur af ledningen, (b) snapshot taget fra SMA-ledningen ved hjælp af FLIR ResearchIR-softwaren LWIR-kamera.De geometriske parametre, der tages i betragtning i forsøgene, er angivet i tabel.en.
Simuleringsresultaterne af den matematiske model og de eksperimentelle resultater sammenlignes under betingelse af en indgangsspænding på 7V, som vist i fig.Ifølge resultaterne af parametrisk analyse og for at undgå muligheden for overophedning af SMA-tråden, blev en effekt på 11,2 W leveret til aktuatoren.En programmerbar jævnstrømsforsyning blev brugt til at levere 7V som indgangsspænding, og en strøm på 1,6A blev målt over ledningen.Kraften genereret af drevet og temperaturen af SDR stiger, når der påføres strøm.Med en indgangsspænding på 7V er den maksimale udgangskraft opnået fra simuleringsresultaterne og eksperimentelle resultater fra den første cyklus henholdsvis 78 N og 96 N.I den anden cyklus var den maksimale udgangskraft for simulerings- og eksperimentelle resultater henholdsvis 150 N og 105 N.Uoverensstemmelsen mellem målinger af okklusionskraft og eksperimentelle data kan skyldes den metode, der bruges til at måle okklusionskraft.De eksperimentelle resultater vist i fig.5a svarer til målingen af låsekraften, som igen blev målt, når drivakslen var i kontakt med PACEline CFT/5kN piezoelektriske krafttransduceren, som vist i fig.2s.Derfor, når drivakslen ikke er i kontakt med kraftsensoren ved begyndelsen af kølezonen, bliver kraften straks nul, som vist i fig. 2d.Derudover er andre parametre, der påvirker dannelsen af kraft i efterfølgende cyklusser, værdierne for afkølingstiden og koefficienten for konvektiv varmeoverførsel i den foregående cyklus.Fra fig.2b, kan det ses, at SMA-tråden efter en 15 sekunders afkølingsperiode ikke nåede stuetemperatur og derfor havde en højere starttemperatur (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) i den anden kørecyklus sammenlignet med den første cyklus (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Sammenlignet med den første cyklus når temperaturen på SMA-tråden under den anden opvarmningscyklus den oprindelige austenittemperatur (\(A_s\)) tidligere og forbliver i overgangsperioden længere, hvilket resulterer i stress og kraft.På den anden side har temperaturfordelinger under opvarmnings- og afkølingscyklusser opnået fra eksperimenter og simuleringer en høj kvalitativ lighed med eksempler fra termografisk analyse.Sammenlignende analyse af SMA-tråds termiske data fra eksperimenter og simuleringer viste konsistens under opvarmnings- og afkølingscyklusser og inden for acceptable tolerancer for eksperimentelle data.Den maksimale temperatur for SMA-tråden, opnået ud fra resultaterne af simulering og eksperimenter af den første cyklus, er henholdsvis \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) og \(75\,^{\circ }\hbox { C }\), og i den anden cyklus er den maksimale temperatur for SMA-ledningen \(94}\,\circ-tråden \(94}\,\circ 3,\circ-tråden \(94}\,\) }\ hbox {C}\).Den grundlæggende udviklede model bekræfter effekten af formhukommelseseffekten.Rollen af træthed og overophedning blev ikke overvejet i denne anmeldelse.I fremtiden vil modellen blive forbedret til at inkludere spændingshistorien for SMA-tråden, hvilket gør den mere velegnet til tekniske applikationer.Drevets udgangskraft og SMA-temperaturplot opnået fra Simulink-blokken er inden for de tilladte tolerancer for de eksperimentelle data under betingelse af en indgangsspændingsimpuls på 7 V. Dette bekræfter rigtigheden og pålideligheden af den udviklede matematiske model.
Den matematiske model blev udviklet i MathWorks Simulink R2020b-miljøet ved hjælp af de grundlæggende ligninger beskrevet i metodeafsnittet.På fig.3b viser et blokdiagram af Simulink matematiske model.Modellen blev simuleret for en 7V indgangsspændingsimpuls som vist i fig. 2a, b.Værdierne af de parametre, der er brugt i simuleringen, er angivet i tabel 1. Resultaterne af simuleringen af transiente processer er vist i figur 1 og 1. Figur 3a og 4. I fig.4a,b viser den inducerede spænding i SMA-tråden og kraften genereret af aktuatoren som en funktion af tiden. Under omvendt transformation (opvarmning), når SMA-trådtemperaturen, \(T < A_s^{\prime}\) (spændingsmodificeret austenitfasestarttemperatur), vil ændringshastigheden for martensitvolumenfraktionen (\(\dot{\xi }\)) være nul. Under omvendt transformation (opvarmning), når SMA trådtemperaturen, \(T < A_s^{\prime}\) (spændingsmodificeret austenitfasestarttemperatur), vil ændringshastigheden af martensitvolumenfraktionen (\(\dot{\ xi }\)) være nul. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (темпуратура начай ированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Under den omvendte transformation (opvarmning), når temperaturen på SMA-tråden, \(T < A_s^{\prime}\) (spændingsmodificeret austenitstarttemperatur), vil ændringshastigheden for martensitvolumenfraktionen (\(\dot{\ xi }\ )) være nul.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氩体禌正奥氩体禬氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\)) 将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Simuleringsresultat, der viser temperaturfordeling og stress-induceret overgangstemperatur i en SMA-baseret divalerataktuator.Når trådtemperaturen krydser austenitovergangstemperaturen i opvarmningstrinnet, begynder den modificerede austenitovergangstemperatur at stige, og tilsvarende falder den martensitiske overgangstemperatur, når valsetrådstemperaturen krydser den martensitiske overgangstemperatur i afkølingstrinnet.SMA til analytisk modellering af aktiveringsprocessen.(For en detaljeret visning af hvert undersystem af en Simulink-model, se appendiksafsnittet i den supplerende fil.)
Resultaterne af analysen for forskellige parameterfordelinger er vist for to cyklusser af 7V indgangsspændingen (10 sekunders opvarmningscyklusser og 15 sekunders nedkølingscyklusser).Mens (ac) og (e) viser fordelingen over tid, illustrerer (d) og (f) på den anden side fordelingen med temperatur.For de respektive inputbetingelser er den maksimale observerede spænding 106 MPa (mindre end 345 MPa, trådflydestyrke), kraften er 150 N, den maksimale forskydning er 270 µm, og den minimale martensitiske volumenfraktion er 0,91.På den anden side svarer ændringen i stress og ændringen i volumenfraktionen af martensit med temperaturen til hysteresekarakteristika.
Samme forklaring gælder for den direkte transformation (afkøling) fra austenitfasen til martensitfasen, hvor SMA trådtemperaturen (T) og sluttemperaturen for den spændingsmodificerede martensitfase (\(M_f^{\prime}\ )) er fremragende.På fig.4d,f viser ændringen i den inducerede spænding (\(\sigma\)) og volumenfraktionen af martensit (\(\xi\)) i SMA-tråden som funktion af ændringen i temperatur af SMA-tråden (T), for begge kørecyklusser.På fig.Figur 3a viser ændringen i SMA-ledningens temperatur med tiden afhængigt af indgangsspændingsimpulsen.Som det kan ses af figuren, fortsætter temperaturen på ledningen med at stige ved at tilvejebringe en varmekilde ved nulspænding og efterfølgende konvektiv afkøling.Under opvarmning begynder retransformationen af martensit til austenitfasen, når SMA-trådtemperaturen (T) krydser den spændingskorrigerede austenitkernedannelsestemperatur (\(A_s^{\prime}\)).I denne fase komprimeres SMA-tråden, og aktuatoren genererer kraft.Også under afkøling, når temperaturen af SMA-tråden (T) krydser kernedannelsestemperaturen for den spændingsmodificerede martensitfase (\(M_s^{\prime}\)), er der en positiv overgang fra austenitfasen til martensitfasen.drivkraften falder.
De vigtigste kvalitative aspekter af det bimodale drev baseret på SMA kan opnås fra simuleringsresultaterne.I tilfælde af en spændingsimpulsindgang stiger temperaturen på SMA-ledningen på grund af Joule-varmeeffekten.Startværdien af martensitvolumenfraktionen (\(\xi\)) er sat til 1, da materialet i starten er i en fuldt martensitisk fase.Når tråden fortsætter med at varme op, overstiger temperaturen af SMA-tråden den spændingskorrigerede austenitkernedannelsestemperatur \(A_s^{\prime}\), hvilket resulterer i et fald i martensitvolumenfraktionen, som vist i figur 4c.Desuden er der i fig.4e viser fordelingen af aktuatorens slag i tid, og i fig.5 – drivkraft som funktion af tid.Et relateret ligningssystem inkluderer temperatur, martensitvolumenfraktion og spænding, der udvikler sig i tråden, hvilket resulterer i krympning af SMA-tråden og kraften genereret af aktuatoren.Som vist i fig.4d,f svarer spændingsvariation med temperatur og martensitvolumenfraktionsvariation med temperatur til SMA'ens hysteresekarakteristika i det simulerede tilfælde ved 7 V.
Sammenligning af køreparametre blev opnået gennem eksperimenter og analytiske beregninger.Ledningerne blev udsat for en pulseret indgangsspænding på 7 V i 10 sekunder, derefter afkølet i 15 sekunder (afkølingsfase) over to cyklusser.Den pinnate vinkel er indstillet til \(40^{\circ}\), og den indledende længde af SMA-tråden i hvert enkelt ben er indstillet til 83 mm.(a) Måling af drivkraften med en vejecelle (b) Overvågning af ledningstemperatur med et termisk infrarødt kamera.
For at forstå indflydelsen af fysiske parametre på kraften produceret af drevet, blev der udført en analyse af den matematiske models følsomhed over for de valgte fysiske parametre, og parametrene blev rangeret efter deres indflydelse.Først blev prøveudtagningen af modelparametre udført ved hjælp af eksperimentelle designprincipper, der fulgte en ensartet fordeling (se supplerende afsnit om følsomhedsanalyse).I dette tilfælde inkluderer modelparametrene indgangsspænding (\(V_{in}\)), initial SMA-ledningslængde (\(l_0\)), trekantvinkel (\(\alpha\)), forspændingsfjederkonstant (\( K_x\ )), den konvektive varmeoverførselskoefficient (\(h_T\)) og antallet af unimodale grene (n).I det næste trin blev maksimal muskelstyrke valgt som et studiedesignkrav, og de parametriske effekter af hvert sæt variabler på styrke blev opnået.Tornadoplottene for følsomhedsanalysen blev afledt af korrelationskoefficienterne for hver parameter, som vist i fig. 6a.
(a) Korrelationskoefficientværdierne for modelparametrene og deres effekt på den maksimale udgangskraft på 2500 unikke grupper af ovenstående modelparametre er vist i tornado-plottet.Grafen viser rangkorrelationen af flere indikatorer.Det er klart, at \(V_{in}\) er den eneste parameter med en positiv korrelation, og \(l_0\) er den parameter med den højeste negative korrelation.Effekten af forskellige parametre i forskellige kombinationer på maksimal muskelstyrke er vist i (b, c).\ (K_X \) varierer fra 400 til 800 n/m og n varierer fra 4 til 24. Spænding (\ (v_ {i} \)) ændret fra 4V til 10V, trådlængde (\ (l_ {0} \)) ændret fra 40 til 100 mm, og halen vinkel (\ (\ alpha \) varieret fra .
På fig.6a viser et tornadoplot af forskellige korrelationskoefficienter for hver parameter med spidsbelastningsdesignkrav.Fra fig.6a kan det ses, at spændingsparameteren (\(V_{in}\)) er direkte relateret til den maksimale udgangskraft, og den konvektive varmeoverførselskoefficient (\(h_T\)), flammevinkel (\ ( \alpha\)) , forskydningsfjederkonstant ( \(K_x\)) er negativt korreleret med udgangskraften for udgangskraften (l_0) (l_0) af un,dales (l_0) og initiallængden af un,dales (l_0) n) viser en stærk invers korrelation Ved direkte korrelation Ved en højere værdi af spændingskorrelationskoefficienten (\(V_ {in}\)) angiver, at denne parameter har den største effekt på udgangseffekten.En anden lignende analyse måler spidskraften ved at evaluere effekten af forskellige parametre i forskellige kombinationer af de to beregningsrum, som vist i fig. 6b, c.\(V_{in}\) og \(l_0\), \(\alpha\) og \(l_0\) har lignende mønstre, og grafen viser, at \(V_{in}\) og \(\alpha\ ) og \(\alpha\) har lignende mønstre.Mindre værdier af \(l_0\) resulterer i højere spidskræfter.De to andre plot er i overensstemmelse med figur 6a, hvor n og \(K_x\) er negativt korrelerede og \(V_{in}\) er positivt korrelerede.Denne analyse hjælper med at definere og justere de påvirkende parametre, hvormed drivsystemets udgangskraft, slaglængde og effektivitet kan tilpasses til kravene og anvendelsen.
Aktuelt forskningsarbejde introducerer og undersøger hierarkiske drifter med N niveauer.I et to-niveau hierarki, som vist i fig. 7a, hvor der i stedet for hver SMA-tråd i den første niveaus aktuator opnås et bimodalt arrangement, som vist i fig.9e.På fig.7c viser, hvordan SMA-tråden er viklet omkring en bevægelig arm (hjælpearm), der kun bevæger sig i længderetningen.Den primære bevægelige arm fortsætter dog med at bevæge sig på samme måde som den bevægelige arm på 1.-trins flertrins-aktuatoren.Typisk oprettes et N-trins-drev ved at erstatte \(N-1\)-trins SMA-ledningen med et første-trins-drev.Som et resultat efterligner hver gren det første trins drev, med undtagelse af grenen, der holder selve ledningen.På denne måde kan der dannes indlejrede strukturer, der skaber kræfter, der er flere gange større end kræfterne fra de primære drev.I denne undersøgelse blev der for hvert niveau taget højde for en samlet effektiv SMA-trådlængde på 1 m, som vist i tabelformat i fig. 7d.Strømmen gennem hver ledning i hvert unimodal design og den resulterende forspænding og spænding i hvert SMA ledningssegment er den samme på hvert niveau.Ifølge vores analytiske model er udgangskraften positivt korreleret med niveauet, mens forskydningen er negativt korreleret.Samtidig var der en afvejning mellem forskydning og muskelstyrke.Som det ses i fig.7b, mens den maksimale kraft opnås i det største antal lag, observeres den største forskydning i det nederste lag.Når hierarkiniveauet blev sat til \(N=5\), blev en maksimal muskelkraft på 2,58 kN fundet med 2 observerede slag \(\upmu\)m.På den anden side genererer det første trins drev en kraft på 150 N ved et slag på 277 \(\upmu\)m.Multi-level aktuatorer er i stand til at efterligne ægte biologiske muskler, hvor kunstige muskler baseret på formhukommelseslegeringer er i stand til at generere væsentligt højere kræfter med præcise og finere bevægelser.Begrænsningerne ved dette miniaturiserede design er, at når hierarkiet øges, reduceres bevægelsen kraftigt, og kompleksiteten af drevfremstillingsprocessen øges.
(a) Et to-trins (\(N=2\)) lagdelt lineært aktuatorsystem af formhukommelseslegering er vist i en bimodal konfiguration.Den foreslåede model opnås ved at erstatte SMA-tråden i den første trins lagdelte aktuator med en anden enkelttrins lagdelt aktuator.(c) Deformeret konfiguration af andet trins flerlagsaktuator.(b) Fordelingen af kræfter og forskydninger afhængigt af antallet af niveauer er beskrevet.Det har vist sig, at aktuatorens spidskraft er positivt korreleret med skalaniveauet på grafen, mens slaget er negativt korreleret med skalaniveauet.Strømmen og forspændingen i hver ledning forbliver konstant på alle niveauer.(d) Tabellen viser antallet af tap og længden af SMA-tråden (fiber) på hvert niveau.Kablernes egenskaber er angivet med indeks 1, og antallet af sekundære grene (en forbundet til det primære ben) er angivet med det største tal i subscriptet.For eksempel på niveau 5 refererer \(n_1\) til antallet af SMA-ledninger, der er til stede i hver bimodal struktur, og \(n_5\) refererer til antallet af hjælpeben (en forbundet til hovedbenet).
Forskellige metoder er blevet foreslået af mange forskere til at modellere adfærden af SMA'er med formhukommelse, som afhænger af de termomekaniske egenskaber, der ledsager de makroskopiske ændringer i krystalstrukturen forbundet med faseovergangen.Formuleringen af konstitutive metoder er i sagens natur kompleks.Den mest almindeligt anvendte fænomenologiske model er foreslået af Tanaka28 og er meget brugt i tekniske applikationer.Den fænomenologiske model foreslået af Tanaka [28] antager, at volumenfraktionen af martensit er en eksponentiel funktion af temperatur og stress.Senere foreslog Liang og Rogers29 og Brinson30 en model, hvor faseovergangsdynamikken blev antaget at være en cosinusfunktion af spænding og temperatur, med små modifikationer af modellen.Becker og Brinson foreslog en fasediagram baseret kinetisk model til at modellere adfærden af SMA-materialer under vilkårlige belastningsforhold såvel som delvise overgange.Banerjee32 bruger Bekker og Brinson31 fasediagram dynamikmetoden til at simulere en enkelt grad af frihedsmanipulator udviklet af Elahinia og Ahmadian33.Kinetiske metoder baseret på fasediagrammer, som tager højde for den ikke-monotone ændring i spænding med temperatur, er vanskelige at implementere i tekniske applikationer.Elakhinia og Ahmadian henleder opmærksomheden på disse mangler ved eksisterende fænomenologiske modeller og foreslår en udvidet fænomenologisk model til at analysere og definere formhukommelsesadfærd under alle komplekse belastningsforhold.
Den strukturelle model af SMA-tråd giver spænding (\(\sigma\)), tøjning (\(\epsilon\)), temperatur (T) og martensitvolumenfraktion (\(\xi\)) af SMA-tråd.Den fænomenologiske konstitutive model blev først foreslået af Tanaka28 og senere vedtaget af Liang29 og Brinson30.Den afledede af ligningen har formen:
hvor E er den faseafhængige SMA Youngs modul opnået ved brug af \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) og \(E_A\) og \(E_M\), der repræsenterer Youngs modul, er henholdsvis austenitiske og martensitiske faser, og koefficienten for termisk udvidelse er repræsenteret ved \_T\).Faseovergangsbidragsfaktoren er \(\Omega = -E \epsilon _L\) og \(\epsilon _L\) er den maksimale genvindelige tøjning i SMA-tråden.
Fasedynamikligningen falder sammen med cosinusfunktionen udviklet af Liang29 og senere overtaget af Brinson30 i stedet for den eksponentielle funktion foreslået af Tanaka28.Faseovergangsmodellen er en udvidelse af modellen foreslået af Elakhinia og Ahmadian34 og modificeret baseret på faseovergangsbetingelserne givet af Liang29 og Brinson30.De anvendte betingelser for denne faseovergangsmodel er gyldige under komplekse termomekaniske belastninger.På hvert tidspunkt beregnes værdien af volumenfraktionen af martensit ved modellering af den konstitutive ligning.
Den styrende retransformationsligning, udtrykt ved omdannelsen af martensit til austenit under opvarmningsbetingelser, er som følger:
hvor \(\xi\) er volumenfraktionen af martensit, \(\xi _M\) er volumenfraktionen af martensit opnået før opvarmning, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) og \(C_A\) – A/(C_A\) – A/_-kurve-tilnærmelsesparametre, \_(A)\ parametre, T –(A)\ – henholdsvis begyndelse og slutning af austenitfasen, temperatur.
Den direkte transformationskontrolligning, repræsenteret ved fasetransformationen af austenit til martensit under afkølingsbetingelser, er:
hvor \(\xi _A\) er volumenfraktionen af martensit opnået før afkøling, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) og \ ( C_M \) – kurvetilpasningsparametre, T – SMA trådtemperatur, \(M_s\) resp.
Efter at ligning (3) og (4) er differentieret, forenkles de inverse og direkte transformationsligninger til følgende form:
Under frem- og tilbagetransformation antager \(\eta _{\sigma}\) og \(\eta _{T}\) forskellige værdier.De grundlæggende ligninger forbundet med \(\eta _{\sigma}\) og \(\eta _{T}\) er blevet udledt og diskuteret i detaljer i et yderligere afsnit.
Den termiske energi, der kræves for at hæve temperaturen på SMA-tråden, kommer fra Joule-varmeeffekten.Den termiske energi, der absorberes eller frigives af SMA-tråden, repræsenteres af den latente transformationsvarme.Varmetabet i SMA-tråden skyldes tvungen konvektion, og givet den ubetydelige effekt af stråling er varmeenergibalancens ligning som følger:
Hvor \(m_{wire}\) er den samlede masse af SMA-tråden, \(c_{p}\) er SMA'ens specifikke varmekapacitet, \(V_{in}\) er spændingen påført til ledningen, \(R_{ohm} \ ) – faseafhængig modstand SMA, defineret som;\(R_{ohm} = (l/A_{kryds})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) hvor \(r_M\ ) og \(r_A\) er SMA-faseresistiviteten i henholdsvis martensit og austenit, \(A_{c}\) er overfladearealet af en tråd af \D-hukommelsen af \() oy'et af H.Trådens latente overgangsvarme, T og \(T_{\infty}\) er temperaturerne på henholdsvis SMA-ledningen og miljøet.
Når en formhukommelseslegeret tråd aktiveres, komprimeres tråden, hvilket skaber en kraft i hver gren af det bimodale design kaldet fiberkraft.Krafterne af fibrene i hver streng af SMA-tråden skaber sammen muskelkraften til at aktivere, som vist i fig. 9e.På grund af tilstedeværelsen af en forspændende fjeder er den samlede muskelkraft for den N'te flerlagsaktuator:
Ved at indsætte \(N = 1\) i ligning (7), kan muskelstyrken af første trins bimodale drevprototype opnås som følger:
hvor n er antallet af unimodale ben, \(F_m\) er muskelkraften genereret af drevet, \(F_f\) er fiberstyrken i SMA-tråden, \(K_x\) er bias-stivheden.fjeder, \(\alpha\) er trekantens vinkel, \(x_0\) er startforskydningen af forspændingsfjederen for at holde SMA-kablet i den forspændte position, og \(\Delta x\) er aktuatorvandringen.
Den totale forskydning eller bevægelse af drevet (\(\Delta x\)) afhængigt af spændingen (\(\sigma\)) og belastningen (\(\epsilon\)) på SMA-tråden på det N. trin, er drevet indstillet til (se fig. yderligere del af output):
De kinematiske ligninger angiver forholdet mellem drevdeformation (\(\epsilon\)) og forskydning eller forskydning (\(\Delta x\)).Deformationen af Arb-tråden som funktion af den oprindelige Arb-ledningslængde (\(l_0\)) og ledningslængden (l) til enhver tid t i en unimodal gren er som følger:
hvor \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) opnås ved at anvende cosinusformlen i \(\Delta\)ABB ', som vist i figur 8. For det første trin er drevet (\)(N = 1)\elta (\)(N) (\)(N)\elta (\)\elt\elt\elt,\elta,\elt\elt og \(\alpha _1\) er \(\alpha \) som vist i Som vist i figur 8, ved at differentiere tiden fra ligning (11) og substituere værdien af l, kan tøjningshastigheden skrives som:
hvor \(l_0\) er startlængden af SMA-tråden, l er længden af ledningen til enhver tid t i én unimodal gren, \(\epsilon\) er deformationen udviklet i SMA-tråden, og \(\alpha \) er trekantens vinkel, \(\Delta x\) er drevforskydningen (som vist i figur 8).
Alle n enkelt-peak strukturer (\(n=6\) i denne figur) er forbundet i serie med \(V_{in}\) som indgangsspænding.Trin I: Skematisk diagram af SMA-tråden i en bimodal konfiguration under nulspændingsforhold. Trin II: En kontrolleret struktur er vist, hvor SMA-tråden er komprimeret på grund af invers konvertering, som vist med den røde linje.
Som et proof of concept blev et SMA-baseret bimodalt drev udviklet til at teste den simulerede udledning af de underliggende ligninger med eksperimentelle resultater.CAD-modellen af den bimodale lineære aktuator er vist i fig.9a.På den anden side, i fig.9c viser et nyt design foreslået til en rotationsprismatisk forbindelse ved brug af en to-plans SMA-baseret aktuator med en bimodal struktur.Drevkomponenterne blev fremstillet ved hjælp af additiv fremstilling på en Ultimaker 3 Extended 3D-printer.Materialet, der anvendes til 3D-print af komponenter, er polycarbonat, som er velegnet til varmebestandige materialer, da det er stærkt, holdbart og har en høj glasovergangstemperatur (110-113 \(^{\circ }\) C).Derudover blev Dynalloy, Inc. Flexinol formhukommelseslegeret tråd brugt i eksperimenterne, og materialeegenskaberne svarende til Flexinol tråden blev brugt i simuleringerne.Flere SMA-tråde er arrangeret som fibre til stede i et bimodalt arrangement af muskler for at opnå de høje kræfter, der produceres af flerlagsaktuatorer, som vist i fig. 9b, d.
Som vist i figur 9a kaldes den spidse vinkel dannet af den bevægelige arm SMA-tråd vinklen (\(\alpha\)).Med terminalklemmer fastgjort til venstre og højre klemmer, holdes SMA-ledningen i den ønskede bimodale vinkel.Forspændingsfjederenheden, der holdes på fjederkonnektoren, er designet til at justere de forskellige forspændingsfjederforlængergrupper i henhold til antallet (n) af SMA-fibre.Desuden er placeringen af de bevægelige dele udformet således, at SMA-tråden udsættes for det ydre miljø for tvungen konvektionskøling.Top- og bundpladerne på den aftagelige enhed hjælper med at holde SMA-tråden kølig med ekstruderede udskæringer designet til at reducere vægten.Derudover er begge ender af CMA-ledningen fastgjort til henholdsvis venstre og højre terminal ved hjælp af en krympe.Et stempel er fastgjort til den ene ende af den bevægelige enhed for at opretholde spillerum mellem top- og bundpladen.Stemplet bruges også til at påføre en blokeringskraft på sensoren via en kontakt for at måle blokeringskraften, når SMA-ledningen aktiveres.
Den bimodale muskelstruktur SMA er elektrisk forbundet i serie og drevet af en indgangspulsspænding.Under spændingsimpulscyklussen, når spænding påføres, og SMA-tråden opvarmes over austenittens begyndelsestemperatur, forkortes længden af ledningen i hver streng.Denne tilbagetrækning aktiverer den bevægelige arm-underenhed.Når spændingen blev nulstillet i samme cyklus, blev den opvarmede SMA-tråd afkølet til under temperaturen på martensitoverfladen og vendte derved tilbage til sin oprindelige position.Under nulspændingsforhold strækkes SMA-tråden først passivt af en forspændingsfjeder for at nå den afvindede martensitiske tilstand.Skruen, som SMA-tråden passerer igennem, bevæger sig på grund af den kompression, der skabes ved at påføre en spændingsimpuls til SMA-tråden (SPA når austenitfasen), hvilket fører til aktivering af det bevægelige håndtag.Når SMA-tråden trækkes tilbage, skaber forspændingsfjederen en modsatrettet kraft ved at strække fjederen yderligere.Når spændingen i impulsspændingen bliver nul, forlænges SMA-tråden og ændrer sin form på grund af tvungen konvektionsafkøling og når en dobbelt martensitisk fase.
Det foreslåede SMA-baserede lineære aktuatorsystem har en bimodal konfiguration, hvor SMA-ledningerne er vinklet.(a) viser en CAD-model af prototypen, som nævner nogle af komponenterne og deres betydning for prototypen, (b, d) repræsenterer den udviklede eksperimentelle prototype35.Mens (b) viser et topbillede af prototypen med elektriske forbindelser og anvendte forspændingsfjedre og strain gauges, (d) viser et perspektivbillede af opsætningen.(e) Diagram af et lineært aktiveringssystem med SMA-ledninger placeret bimodalt til enhver tid t, der viser retningen og forløbet af fiberen og muskelstyrken.(c) En 2-DOF rotationsprismatisk forbindelse er blevet foreslået til at implementere en to-plans SMA-baseret aktuator.Som vist transmitterer linket lineær bevægelse fra bunddrevet til toparmen, hvilket skaber en rotationsforbindelse.På den anden side er bevægelsen af prismeparret den samme som bevægelsen af flerlags førstetrinsdrevet.
En eksperimentel undersøgelse blev udført på prototypen vist i fig. 9b for at evaluere ydeevnen af et bimodalt drev baseret på SMA.Som vist i figur 10a bestod den eksperimentelle opsætning af en programmerbar DC-strømforsyning til at levere indgangsspænding til SMA-ledningerne.Som vist i fig.10b blev en piezoelektrisk strain gauge (PACEline CFT/5kN) brugt til at måle blokeringskraften ved anvendelse af en Graphtec GL-2000 datalogger.Dataene registreres af værten til videre undersøgelse.Strain gauges og ladningsforstærkere kræver en konstant strømforsyning for at producere et spændingssignal.De tilsvarende signaler konverteres til effektudgange i henhold til følsomheden af den piezoelektriske kraftsensor og andre parametre som beskrevet i tabel 2. Når en spændingsimpuls påføres, stiger temperaturen på SMA-ledningen, hvilket får SMA-ledningen til at komprimere, hvilket får aktuatoren til at generere kraft.De eksperimentelle resultater af output af muskelstyrke ved en indgangsspændingsimpuls på 7 V er vist i fig.2a.
(a) Et SMA-baseret lineært aktuatorsystem blev sat op i eksperimentet for at måle kraften genereret af aktuatoren.Vejecellen måler blokeringskraften og drives af en 24 V DC strømforsyning.Et spændingsfald på 7 V blev påført langs hele kablets længde ved hjælp af en GW Instek programmerbar DC-strømforsyning.SMA-tråden krymper på grund af varme, og den bevægelige arm kommer i kontakt med vejecellen og udøver en blokerende kraft.Vejecellen er forbundet til GL-2000 dataloggeren, og dataene gemmes på værten til videre behandling.(b) Diagram, der viser kæden af komponenter i forsøgsopstillingen til måling af muskelstyrke.
Formhukommelseslegeringer exciteres af termisk energi, så temperaturen bliver en vigtig parameter for at studere formhukommelsesfænomenet.Eksperimentelt, som vist i fig. 11a, blev termisk billeddannelse og temperaturmålinger udført på en prototype SMA-baseret divalerate-aktuator.En programmerbar DC-kilde påførte indgangsspænding til SMA-ledningerne i den eksperimentelle opsætning, som vist i figur 11b.Temperaturændringen af SMA-ledningen blev målt i realtid ved hjælp af et højopløsnings LWIR-kamera (FLIR A655sc).Værten bruger ResearchIR-softwaren til at registrere data til yderligere efterbehandling.Når en spændingsimpuls påføres, stiger temperaturen på SMA-ledningen, hvilket får SMA-ledningen til at krympe.På fig.Figur 2b viser de eksperimentelle resultater af SMA-ledningstemperaturen kontra tid for en 7V indgangsspændingsimpuls.
Indlægstid: 28. september 2022