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Aktuatoren werden überall eingesetzt und erzeugen kontrollierte Bewegungen, indem sie die richtige Erregerkraft oder das richtige Drehmoment anwenden, um verschiedene Vorgänge in der Fertigung und Industrieautomation auszuführen.Der Bedarf an schnelleren, kleineren und effizienteren Antrieben treibt Innovationen im Antriebsdesign voran.Antriebe aus Formgedächtnislegierungen (SMA) bieten gegenüber herkömmlichen Antrieben eine Reihe von Vorteilen, darunter ein hohes Leistungsgewicht.In dieser Dissertation wurde ein auf zwei Federn basierender SMA-Aktuator entwickelt, der die Vorteile der Federmuskeln biologischer Systeme und die einzigartigen Eigenschaften von SMAs kombiniert.Diese Studie untersucht und erweitert frühere SMA-Aktoren, indem sie ein mathematisches Modell des neuen Aktors basierend auf der bimodalen SMA-Drahtanordnung entwickelt und experimentell testet.Im Vergleich zu bekannten Antrieben auf SMA-Basis ist die Betätigungskraft des neuen Antriebs mindestens 5-mal höher (bis zu 150 N).Der entsprechende Gewichtsverlust beträgt etwa 67 %.Die Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse mathematischer Modelle sind nützlich für die Optimierung von Entwurfsparametern und das Verständnis von Schlüsselparametern.Darüber hinaus stellt die Studie einen mehrstufigen Antrieb der N-ten Stufe vor, mit dem die Dynamik weiter gesteigert werden kann.SMA-basierte Dipvalerat-Muskelaktoren haben ein breites Anwendungsspektrum, von der Gebäudeautomation bis hin zu präzisen Medikamentenverabreichungssystemen.
Biologische Systeme, wie etwa die Muskelstrukturen von Säugetieren, können viele subtile Aktoren aktivieren1.Säugetiere haben unterschiedliche Muskelstrukturen, die jeweils einem bestimmten Zweck dienen.Ein Großteil der Struktur des Muskelgewebes von Säugetieren lässt sich jedoch in zwei große Kategorien einteilen.Parallel und gefiedert.Wie der Name schon sagt, verfügt die Parallelmuskulatur der hinteren Oberschenkelmuskulatur und anderen Beugermuskeln über Muskelfasern, die parallel zur zentralen Sehne verlaufen.Die Kette der Muskelfasern wird durch das sie umgebende Bindegewebe aufgereiht und funktionell verbunden.Obwohl diesen Muskeln eine große Exkursion (prozentuale Verkürzung) zugeschrieben wird, ist ihre gesamte Muskelkraft sehr begrenzt.Im Gegensatz dazu findet sich im Wadenmuskel des Trizeps2 (lateraler Gastrocnemius (GL)3, medialer Gastrocnemius (GM)4 und Soleus (SOL)) und im Musculus extensor femoris (Quadrizeps)5,6 in jedem Muskel gefiedertes Muskelgewebe7.Bei einer gefiederten Struktur liegen die Muskelfasern der zweigefiederten Muskulatur auf beiden Seiten der Mittelsehne in schrägen Winkeln (Gefiederwinkeln) vor.Pennate kommt vom lateinischen Wort „penna“, was „Stift“ bedeutet und, wie in Abb. gezeigt.1 hat ein federartiges Aussehen.Die Fasern der Pennatmuskeln sind kürzer und zur Längsachse des Muskels abgewinkelt.Aufgrund der gefiederten Struktur ist die Gesamtbeweglichkeit dieser Muskeln verringert, was zu den Quer- und Längskomponenten des Verkürzungsprozesses führt.Andererseits führt die Aktivierung dieser Muskeln aufgrund der Art und Weise, wie die physiologische Querschnittsfläche gemessen wird, zu einer höheren Gesamtmuskelkraft.Daher sind gefiederte Muskeln bei gegebener Querschnittsfläche stärker und erzeugen höhere Kräfte als Muskeln mit parallelen Fasern.Von einzelnen Fasern erzeugte Kräfte erzeugen in diesem Muskelgewebe Muskelkräfte auf makroskopischer Ebene.Darüber hinaus verfügt es über einzigartige Eigenschaften wie schnelles Schrumpfen, Schutz vor Zugschäden und Polsterung.Es transformiert die Beziehung zwischen Fasereingabe und Muskelleistungsabgabe, indem es die einzigartigen Merkmale und die geometrische Komplexität der Faseranordnung nutzt, die mit Muskelaktionslinien verbunden ist.
Gezeigt werden schematische Diagramme bestehender SMA-basierter Aktuatordesigns in Bezug auf eine bimodale Muskelarchitektur, zum Beispiel (a), die die Wechselwirkung von taktiler Kraft darstellen, bei der ein handförmiges Gerät, das durch SMA-Drähte betätigt wird, auf einem zweirädrigen autonomen mobilen Roboter montiert ist9,10., (b) Roboter-Orbitalprothese mit antagonistisch platzierter federbelasteter SMA-Orbitalprothese.Die Position der Augenprothese wird durch ein Signal vom Augenmuskel des Auges gesteuert11, (c) SMA-Aktuatoren sind aufgrund ihres hohen Frequenzgangs und ihrer geringen Bandbreite ideal für Unterwasseranwendungen.In dieser Konfiguration werden SMA-Aktuatoren verwendet, um Wellenbewegungen zu erzeugen, indem sie die Bewegung von Fischen simulieren. (d) SMA-Aktuatoren werden verwendet, um einen Mikrorohrinspektionsroboter zu erstellen, der das Zoll-Schneckenbewegungsprinzip verwenden kann, das durch die Bewegung von SMA-Drähten im Kanal 10 gesteuert wird. (e) zeigt die Richtung der Kontraktion von Muskelfasern und die Erzeugung einer Kontraktionskraft im Gastrocnemius-Gewebe. (f) zeigt SMA-Drähte, die in Form von Muskelfasern in der gefiederten Muskelstruktur angeordnet sind.
Aktuatoren sind aufgrund ihres breiten Anwendungsspektrums zu einem wichtigen Bestandteil mechanischer Systeme geworden.Daher wird der Bedarf an kleineren, schnelleren und effizienteren Antrieben immer wichtiger.Trotz ihrer Vorteile haben sich herkömmliche Antriebe als teuer und zeitaufwändig in der Wartung erwiesen.Hydraulische und pneumatische Aktuatoren sind komplex und teuer und unterliegen Verschleiß, Schmierproblemen und Komponentenausfällen.Als Reaktion auf die Nachfrage liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung kostengünstiger, größenoptimierter und fortschrittlicher Aktoren auf Basis intelligenter Materialien.Die laufende Forschung befasst sich mit geschichteten Aktuatoren aus Formgedächtnislegierungen (SMA), um diesen Bedarf zu decken.Hierarchische Aktoren sind insofern einzigartig, als sie viele diskrete Aktoren zu geometrisch komplexen Subsystemen im Makromaßstab kombinieren, um eine erhöhte und erweiterte Funktionalität bereitzustellen.In dieser Hinsicht stellt das oben beschriebene menschliche Muskelgewebe ein hervorragendes mehrschichtiges Beispiel für eine solche mehrschichtige Betätigung dar.Die aktuelle Studie beschreibt einen mehrstufigen SMA-Antrieb mit mehreren einzelnen Antriebselementen (SMA-Drähten), die auf die in bimodalen Muskeln vorhandenen Faserorientierungen ausgerichtet sind, was die Gesamtantriebsleistung verbessert.
Der Hauptzweck eines Aktors besteht darin, durch Umwandlung elektrischer Energie mechanische Leistungen wie Kraft und Weg zu erzeugen.Formgedächtnislegierungen sind eine Klasse „intelligenter“ Materialien, die bei hohen Temperaturen ihre Form wiederherstellen können.Unter hohen Belastungen führt ein Temperaturanstieg des SMA-Drahtes zu einer Formwiederherstellung, was zu einer höheren Betätigungsenergiedichte im Vergleich zu verschiedenen direkt verbundenen Smart-Materialien führt.Gleichzeitig werden SMAs unter mechanischer Belastung spröde.Unter bestimmten Bedingungen kann eine zyklische Belastung mechanische Energie absorbieren und abgeben und dabei reversible hysteretische Formänderungen aufweisen.Diese einzigartigen Eigenschaften machen SMA ideal für Sensoren, Schwingungsdämpfung und insbesondere Aktoren12.Vor diesem Hintergrund wurde viel über SMA-basierte Antriebe geforscht.Es ist zu beachten, dass SMA-Aktuatoren darauf ausgelegt sind, Translations- und Drehbewegungen für eine Vielzahl von Anwendungen bereitzustellen13,14,15.Obwohl einige Drehantriebe entwickelt wurden, interessieren sich die Forscher insbesondere für Linearantriebe.Diese Linearaktoren können in drei Arten von Aktoren unterteilt werden: eindimensionale Aktoren, Verschiebungsaktoren und Differentialaktoren 16 .Zunächst entstanden Hybridantriebe in Kombination mit SMA und anderen konventionellen Antrieben.Ein Beispiel für einen SMA-basierten Hybridlinearaktuator ist die Verwendung eines SMA-Drahts mit einem Gleichstrommotor, um eine Ausgangskraft von etwa 100 N und eine erhebliche Verschiebung bereitzustellen17.
Eine der ersten Entwicklungen bei Antrieben, die vollständig auf SMA basierten, war der SMA-Parallelantrieb.Durch die Verwendung mehrerer SMA-Drähte ist der SMA-basierte Parallelantrieb darauf ausgelegt, die Leistungsfähigkeit des Antriebs zu erhöhen, indem alle SMA18-Drähte parallel geschaltet werden.Die Parallelschaltung von Aktoren erfordert nicht nur mehr Strom, sondern begrenzt auch die Ausgangsleistung eines einzelnen Kabels.Ein weiterer Nachteil von SMA-basierten Aktuatoren ist der begrenzte Hub, den sie erreichen können.Um dieses Problem zu lösen, wurde ein SMA-Kabelträger entwickelt, der einen abgelenkten flexiblen Träger enthält, um die Verschiebung zu erhöhen und eine lineare Bewegung zu erreichen, aber keine höheren Kräfte erzeugt19.Weiche verformbare Strukturen und Stoffe für Roboter auf Basis von Formgedächtnislegierungen wurden hauptsächlich zur Stoßverstärkung entwickelt20,21,22.Für Anwendungen, bei denen hohe Drehzahlen erforderlich sind, wurde von kompakt angetriebenen Pumpen berichtet, die Dünnschicht-SMAs für Anwendungen mit Mikropumpenantrieb verwenden23.Die Antriebsfrequenz der Dünnschicht-SMA-Membran ist ein Schlüsselfaktor bei der Steuerung der Geschwindigkeit des Treibers.Daher haben SMA-Linearmotoren eine bessere dynamische Reaktion als SMA-Feder- oder Stabmotoren.Soft-Robotik und Greiftechnik sind zwei weitere Anwendungen, die SMA-basierte Aktoren nutzen.Um beispielsweise den in der 25-N-Raumklemme verwendeten Standardaktuator zu ersetzen, wurde ein Parallelaktuator 24 aus einer Formgedächtnislegierung entwickelt.In einem anderen Fall wurde ein SMA-Soft-Aktuator auf Basis eines Drahtes mit eingebetteter Matrix hergestellt, der eine maximale Zugkraft von 30 N erzeugen kann. Aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften werden SMAs auch zur Herstellung von Aktuatoren verwendet, die biologische Phänomene nachahmen.Eine dieser Entwicklungen umfasst einen 12-Zellen-Roboter, der eine Biomimetik eines regenwurmähnlichen Organismus mit SMA ist, um eine sinusförmige Bewegung zum Feuern zu erzeugen26,27.
Wie bereits erwähnt, gibt es eine Grenze für die maximale Kraft, die mit vorhandenen SMA-basierten Aktoren erreicht werden kann.Um dieses Problem anzugehen, stellt diese Studie eine biomimetische bimodale Muskelstruktur vor.Antrieb durch Formgedächtnislegierungsdraht.Es bietet ein Klassifizierungssystem, das mehrere Drähte aus Formgedächtnislegierungen umfasst.Bisher wurden in der Literatur keine SMA-basierten Aktoren mit einer ähnlichen Architektur beschrieben.Dieses einzigartige und neuartige System auf SMA-Basis wurde entwickelt, um das Verhalten von SMA während der bimodalen Muskelausrichtung zu untersuchen.Im Vergleich zu bestehenden SMA-basierten Aktoren bestand das Ziel dieser Studie darin, einen biomimetischen Dipvalerat-Aktuator zu entwickeln, der deutlich höhere Kräfte in einem kleinen Volumen erzeugt.Im Vergleich zu herkömmlichen Schrittmotorantrieben, die in HVAC-Gebäudeautomatisierungs- und -steuerungssystemen verwendet werden, reduziert das vorgeschlagene bimodale Antriebsdesign auf SMA-Basis das Gewicht des Antriebsmechanismus um 67 %.Im Folgenden werden die Begriffe „Muskel“ und „Antrieb“ synonym verwendet.Diese Studie untersucht die Multiphysik-Simulation eines solchen Antriebs.Das mechanische Verhalten solcher Systeme wurde mit experimentellen und analytischen Methoden untersucht.Kraft- und Temperaturverteilungen wurden bei einer Eingangsspannung von 7 V weiter untersucht. Anschließend wurde eine parametrische Analyse durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen Schlüsselparametern und der Ausgangskraft besser zu verstehen.Schließlich wurden hierarchische Aktuatoren ins Auge gefasst und Effekte auf hierarchischer Ebene als potenzieller zukünftiger Bereich für nichtmagnetische Aktuatoren für prothetische Anwendungen vorgeschlagen.Den Ergebnissen der oben genannten Studien zufolge erzeugt die Verwendung einer einstufigen Architektur Kräfte, die mindestens vier- bis fünfmal höher sind als bei bekannten SMA-basierten Aktoren.Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die gleiche Antriebskraft, die von einem Multi-Level-Multi-Level-Antrieb erzeugt wird, mehr als zehnmal so hoch ist wie bei herkömmlichen SMA-basierten Antrieben.Die Studie berichtet dann über Schlüsselparameter mithilfe einer Sensitivitätsanalyse zwischen verschiedenen Designs und Eingabevariablen.Die Ausgangslänge des SMA-Drahts (\(l_0\)), der Fiederungswinkel (\(\alpha\)) und die Anzahl der Einzellitzen (n) in jedem Einzelstrang wirken sich stark negativ auf die Größe der Antriebskraft aus.Stärke, während sich herausstellte, dass die Eingangsspannung (Energie) positiv korreliert war.
SMA-Draht weist den Formgedächtniseffekt (SME) auf, der in der Nickel-Titan-Legierungsfamilie (Ni-Ti) beobachtet wird.Typischerweise weisen SMAs zwei temperaturabhängige Phasen auf: eine Niedertemperaturphase und eine Hochtemperaturphase.Beide Phasen weisen aufgrund der unterschiedlichen Kristallstrukturen einzigartige Eigenschaften auf.In der oberhalb der Umwandlungstemperatur vorhandenen Austenitphase (Hochtemperaturphase) weist der Werkstoff eine hohe Festigkeit auf und verformt sich unter Belastung kaum.Die Legierung verhält sich wie Edelstahl und hält daher höheren Betätigungsdrücken stand.Unter Ausnutzung dieser Eigenschaft von Ni-Ti-Legierungen werden die SMA-Drähte geneigt, um einen Aktuator zu bilden.Geeignete Analysemodelle werden entwickelt, um die grundlegende Mechanik des thermischen Verhaltens von SMA unter dem Einfluss verschiedener Parameter und verschiedener Geometrien zu verstehen.Es wurde eine gute Übereinstimmung zwischen den experimentellen und analytischen Ergebnissen erzielt.
An dem in Abb. 9a dargestellten Prototyp wurde eine experimentelle Studie durchgeführt, um die Leistung eines bimodalen Antriebs auf SMA-Basis zu bewerten.Zwei dieser Eigenschaften, die durch den Antrieb erzeugte Kraft (Muskelkraft) und die Temperatur des SMA-Drahtes (SMA-Temperatur), wurden experimentell gemessen.Wenn die Spannungsdifferenz über die gesamte Länge des Drahts im Antrieb zunimmt, steigt die Temperatur des Drahts aufgrund des Joule-Heizeffekts.Die Eingangsspannung wurde in zwei 10-s-Zyklen angelegt (in Abb. 2a, b als rote Punkte dargestellt), mit einer Abkühlperiode von 15 s zwischen jedem Zyklus.Die Blockierkraft wurde mit einem piezoelektrischen Dehnungsmessstreifen gemessen und die Temperaturverteilung des SMA-Drahts wurde in Echtzeit mit einer hochauflösenden LWIR-Kamera wissenschaftlicher Qualität überwacht (siehe die Eigenschaften der verwendeten Ausrüstung in Tabelle 2).zeigt, dass während der Hochspannungsphase die Temperatur des Drahtes monoton ansteigt, aber wenn kein Strom fließt, sinkt die Temperatur des Drahtes weiter.Im aktuellen Versuchsaufbau sank die Temperatur des SMA-Drahtes während der Abkühlphase, lag aber immer noch über der Umgebungstemperatur.Auf Abb.2e zeigt eine Momentaufnahme der Temperatur am SMA-Draht, aufgenommen von der LWIR-Kamera.Andererseits ist in Abb.2a zeigt die vom Antriebssystem erzeugte Blockierkraft.Wenn die Muskelkraft die Rückstellkraft der Feder übersteigt, beginnt sich der bewegliche Arm, wie in Abbildung 9a dargestellt, zu bewegen.Sobald die Betätigung beginnt, kommt der bewegliche Arm mit dem Sensor in Kontakt und erzeugt eine Körperkraft, wie in Abb.2c, d.Wenn die maximale Temperatur nahe bei \(84\,^{\circ}\hbox {C}\) liegt, beträgt die maximal beobachtete Kraft 105 N.
Die Grafik zeigt die experimentellen Ergebnisse der Temperatur des SMA-Drahts und der vom SMA-basierten bimodalen Aktuator während zwei Zyklen erzeugten Kraft.Die Eingangsspannung wird in zwei 10-Sekunden-Zyklen angelegt (dargestellt als rote Punkte), mit einer 15-sekündigen Abkühlphase zwischen jedem Zyklus.Der für die Experimente verwendete SMA-Draht war ein Flexinol-Draht mit 0,51 mm Durchmesser von Dynalloy, Inc. (a) Die Grafik zeigt die über zwei Zyklen erhaltene experimentelle Kraft, (c, d) zeigt zwei unabhängige Beispiele der Wirkung beweglicher Armaktoren auf einen piezoelektrischen Kraftaufnehmer PACEline CFT/5kN, (b) die Grafik zeigt die maximale Temperatur des gesamten SMA-Drahtes während zwei Zyklen, (e) zeigt einen Temperaturschnappschuss, der mit der FLIR ResearchIR-Software L vom SMA-Draht aufgenommen wurde WIR-Kamera.Die in den Versuchen berücksichtigten geometrischen Parameter sind in der Tabelle angegeben.eins.
Die Simulationsergebnisse des mathematischen Modells und die experimentellen Ergebnisse werden unter der Bedingung einer Eingangsspannung von 7 V verglichen, wie in Abb. 5 dargestellt.Gemäß den Ergebnissen der Parameteranalyse und um die Möglichkeit einer Überhitzung des SMA-Drahts zu vermeiden, wurde dem Aktuator eine Leistung von 11,2 W zugeführt.Ein programmierbares Gleichstromnetzteil wurde verwendet, um 7 V als Eingangsspannung bereitzustellen, und ein Strom von 1,6 A wurde über das Kabel gemessen.Die vom Antrieb erzeugte Kraft und die Temperatur des SDR erhöhen sich, wenn Strom angelegt wird.Bei einer Eingangsspannung von 7 V beträgt die maximale Ausgangskraft, die sich aus den Simulationsergebnissen und experimentellen Ergebnissen des ersten Zyklus ergibt, 78 N bzw. 96 N.Im zweiten Zyklus betrug die maximale Ausgangskraft der Simulations- und Versuchsergebnisse 150 N bzw. 105 N.Die Diskrepanz zwischen Okklusionskraftmessungen und experimentellen Daten kann auf die zur Messung der Okklusionskraft verwendete Methode zurückzuführen sein.Die in Abb. dargestellten experimentellen Ergebnisse.5a entsprechen der Messung der Verriegelungskraft, die wiederum gemessen wurde, als die Antriebswelle Kontakt mit dem piezoelektrischen Kraftaufnehmer PACEline CFT/5kN hatte, wie in Abb. 5a dargestellt.2s.Wenn daher die Antriebswelle zu Beginn der Kühlzone keinen Kontakt mit dem Kraftsensor hat, wird die Kraft sofort Null, wie in Abb. 2d dargestellt.Darüber hinaus sind weitere Parameter, die die Kraftbildung in nachfolgenden Zyklen beeinflussen, die Werte der Abkühlzeit und der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient im vorherigen Zyklus.Aus Abb.In 2b ist zu erkennen, dass der SMA-Draht nach einer Abkühlzeit von 15 Sekunden nicht die Raumtemperatur erreichte und daher im zweiten Antriebszyklus eine höhere Anfangstemperatur (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) aufwies als im ersten Zyklus (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Im Vergleich zum ersten Zyklus erreicht die Temperatur des SMA-Drahts während des zweiten Erwärmungszyklus somit früher die anfängliche Austenittemperatur (\(A_s\)) und bleibt länger in der Übergangsperiode, was zu Spannungen und Kräften führt.Andererseits weisen die aus Experimenten und Simulationen gewonnenen Temperaturverteilungen während Heiz- und Kühlzyklen eine hohe qualitative Ähnlichkeit mit Beispielen aus der thermografischen Analyse auf.Eine vergleichende Analyse der thermischen Daten von SMA-Drähten aus Experimenten und Simulationen zeigte, dass sie während der Heiz- und Kühlzyklen konsistent sind und innerhalb akzeptabler Toleranzen für experimentelle Daten liegen.Die maximale Temperatur des SMA-Drahts, die aus den Simulations- und Experimenten des ersten Zyklus ermittelt wurde, beträgt \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) bzw. \).Das grundlegend entwickelte Modell bestätigt die Wirkung des Formgedächtniseffekts.Die Rolle von Müdigkeit und Überhitzung wurde in dieser Überprüfung nicht berücksichtigt.Zukünftig wird das Modell verbessert, um den Spannungsverlauf des SMA-Drahts einzubeziehen, damit es für technische Anwendungen besser geeignet ist.Die vom Simulink-Block erhaltenen Diagramme der Antriebsausgangskraft und der SMA-Temperatur liegen innerhalb der zulässigen Toleranzen der experimentellen Daten unter der Bedingung eines Eingangsspannungsimpulses von 7 V. Dies bestätigt die Richtigkeit und Zuverlässigkeit des entwickelten mathematischen Modells.
Das mathematische Modell wurde in der MathWorks Simulink R2020b-Umgebung unter Verwendung der im Abschnitt „Methoden“ beschriebenen Grundgleichungen entwickelt.Auf Abb.3b zeigt ein Blockdiagramm des Simulink-Mathematikmodells.Das Modell wurde für einen 7-V-Eingangsspannungsimpuls simuliert, wie in Abb. 2a, b dargestellt.Die Werte der in der Simulation verwendeten Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Ergebnisse der Simulation transienter Prozesse sind in den Abbildungen 1 und 1 dargestellt. Abbildungen 3a und 4. In Abb.4a,b zeigt die induzierte Spannung im SMA-Draht und die vom Aktuator erzeugte Kraft als Funktion der Zeit. Während der Rückumwandlung (Erwärmung), wenn die SMA-Drahttemperatur \(T < A_s^{\prime}\) (Starttemperatur der spannungsmodifizierten Austenitphase) ist, ist die Änderungsrate des Martensit-Volumenanteils (\(\dot{\xi }\)) Null. Während der Rückumwandlung (Erwärmung), wenn die SMA-Drahttemperatur \(T < A_s^{\prime}\) (Starttemperatur der spannungsmodifizierten Austenitphase) ist, ist die Änderungsrate des Martensit-Volumenanteils (\(\dot{\ xi }\)) Null. Im Laufe der Zeit, in der die Temperatur eingestellt wurde, wurden SMA-Temperaturen eingestellt, \(T < A_s^{\prime}\) (die Temperatur wurde auf neue Bilder eingestellt, Änderungen werden vorgenommen ). Während der Rückumwandlung (Erwärmung), wenn die Temperatur des SMA-Drahtes \(T < A_s^{\prime}\) (spannungsmodifizierte Austenit-Einsatztemperatur) ist, ist die Änderungsrate des Martensit-Volumenanteils (\(\dot{\ xi }\ )) Null.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\)) 将为零。在 反向 转变 （加热） 中, 当 当 当 线 温度 \ (t При обратном превращении (нагреве) при temperatur проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (temperatur зарождения аустенитной фазы с поправкой на пряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Während der Rückumwandlung (Erwärmung) bei der Temperatur des SMA-Drahts \(T < A_s^{\prime}\) (die Temperatur der Keimbildung der Austenitphase, korrigiert um Spannung) ist die Änderungsrate des Volumenanteils von Martensit (\( \dot{\ xi }\)) gleich Null.Daher hängt die Spannungsänderungsrate (\(\dot{\sigma}\)) nur bei Verwendung von Gleichung (1) von der Dehnungsrate (\(\dot{\epsilon}\)) und dem Temperaturgradienten (\(\dot{T} \)) ab.Wenn jedoch die Temperatur des SMA-Drahtes steigt und (\(A_s^{\prime}\)) kreuzt, beginnt sich die Austenitphase zu bilden, und (\(\dot{\xi}\)) wird als gegebener Wert der Gleichung (3) angenommen.Daher wird die Änderungsrate der Spannung (\(\dot{\sigma}\)) gemeinsam dadurch gesteuert, dass \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) und \(\dot{\xi}\) gleich den in Formel (1) angegebenen Werten sind.Dies erklärt die Gradientenänderungen, die in den zeitlich variierenden Spannungs- und Kraftkarten während des Heizzyklus beobachtet werden, wie in Abb. 4a, b dargestellt.
(a) Simulationsergebnis, das die Temperaturverteilung und die spannungsinduzierte Übergangstemperatur in einem SMA-basierten Divalerat-Aktuator zeigt.Wenn die Drahttemperatur in der Erwärmungsphase die Austenitübergangstemperatur überschreitet, beginnt die modifizierte Austenitübergangstemperatur anzusteigen, und wenn die Walzdrahttemperatur in der Abkühlphase die Martensitübergangstemperatur überschreitet, sinkt die Martensitübergangstemperatur.SMA zur analytischen Modellierung des Betätigungsprozesses.(Eine detaillierte Ansicht jedes Subsystems eines Simulink-Modells finden Sie im Anhangabschnitt der Zusatzdatei.)
Die Ergebnisse der Analyse für verschiedene Parameterverteilungen werden für zwei Zyklen der 7-V-Eingangsspannung (10-sekündige Aufwärmzyklen und 15-sekündige Abkühlzyklen) angezeigt.Während (ac) und (e) die Verteilung über die Zeit darstellen, veranschaulichen (d) und (f) andererseits die Verteilung über die Temperatur.Für die jeweiligen Eingabebedingungen beträgt die maximal beobachtete Spannung 106 MPa (weniger als 345 MPa, Drahtstreckgrenze), die Kraft 150 N, die maximale Verschiebung 270 µm und der minimale martensitische Volumenanteil 0,91.Andererseits ähneln die Spannungsänderung und die Änderung des Volumenanteils von Martensit mit der Temperatur den Hystereseeigenschaften.
Die gleiche Erklärung gilt für die direkte Umwandlung (Abkühlung) von der Austenitphase in die Martensitphase, bei der die SMA-Drahttemperatur (T) und die Endtemperatur der spannungsmodifizierten Martensitphase (\(M_f^{\prime}\ )) ausgezeichnet sind.Auf Abb.4d,f zeigt die Änderung der induzierten Spannung (\(\sigma\)) und des Volumenanteils von Martensit (\(\xi\)) im SMA-Draht als Funktion der Temperaturänderung des SMA-Drahts (T) für beide Fahrzyklen.Auf Abb.Abbildung 3a zeigt die zeitliche Änderung der Temperatur des SMA-Drahts in Abhängigkeit vom Eingangsspannungsimpuls.Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, steigt die Temperatur des Drahtes durch Bereitstellung einer Wärmequelle bei Nullspannung und anschließende Konvektionskühlung weiter an.Während des Erhitzens beginnt die Rückumwandlung von Martensit in die Austenitphase, wenn die SMA-Drahttemperatur (T) die spannungskorrigierte Austenit-Keimbildungstemperatur (\(A_s^{\prime}\)) kreuzt.Während dieser Phase wird der SMA-Draht komprimiert und der Aktuator erzeugt Kraft.Auch während des Abkühlens, wenn die Temperatur des SMA-Drahtes (T) die Keimbildungstemperatur der spannungsmodifizierten Martensitphase (\(M_s^{\prime}\)) überschreitet, findet ein positiver Übergang von der Austenitphase zur Martensitphase statt.die Antriebskraft nimmt ab.
Aus den Simulationsergebnissen lassen sich die wesentlichen qualitativen Aspekte des bimodalen Antriebs auf Basis von SMA ableiten.Bei einem Spannungsimpulseingang steigt die Temperatur des SMA-Drahts aufgrund des Joule'schen Heizeffekts.Der Anfangswert des Martensit-Volumenanteils (\(\xi\)) wird auf 1 gesetzt, da sich das Material zunächst in einer vollständig martensitischen Phase befindet.Während sich der Draht weiter erwärmt, übersteigt die Temperatur des SMA-Drahts die spannungskorrigierte Austenit-Keimbildungstemperatur \(A_s^{\prime}\), was zu einer Abnahme des Martensit-Volumenanteils führt, wie in Abbildung 4c dargestellt.Darüber hinaus in Abb.4e zeigt die zeitliche Verteilung der Hübe des Aktuators und in Abb.5 – Triebkraft als Funktion der Zeit.Ein verwandtes Gleichungssystem umfasst Temperatur, Martensit-Volumenanteil und Spannung, die sich im Draht entwickelt, was zu einer Schrumpfung des SMA-Drahts und der vom Aktuator erzeugten Kraft führt.Wie in Abb. gezeigt.4d,f, Spannungsschwankung mit der Temperatur und Schwankung des Martensit-Volumenanteils mit der Temperatur entsprechen den Hystereseeigenschaften der SMA im simulierten Fall bei 7 V.
Der Vergleich der Fahrparameter wurde durch Experimente und analytische Berechnungen ermittelt.Die Drähte wurden 10 Sekunden lang einer gepulsten Eingangsspannung von 7 V ausgesetzt und anschließend über zwei Zyklen 15 Sekunden lang abgekühlt (Abkühlphase).Der Pinnierungswinkel ist auf \(40^{\circ}\) eingestellt und die Anfangslänge des SMA-Drahts in jedem einzelnen Pinschenkel ist auf 83 mm eingestellt.(a) Messung der Antriebskraft mit einer Kraftmessdose (b) Überwachung der Drahttemperatur mit einer thermischen Infrarotkamera.
Um den Einfluss physikalischer Parameter auf die vom Antrieb erzeugte Kraft zu verstehen, wurde eine Analyse der Empfindlichkeit des mathematischen Modells gegenüber den ausgewählten physikalischen Parametern durchgeführt und die Parameter nach ihrem Einfluss eingestuft.Zunächst erfolgte die Probenahme der Modellparameter anhand experimenteller Designprinzipien, die einer gleichmäßigen Verteilung folgten (siehe ergänzender Abschnitt zur Sensitivitätsanalyse).In diesem Fall umfassen die Modellparameter die Eingangsspannung (\(V_{in}\)), die anfängliche SMA-Drahtlänge (\(l_0\)), den Dreieckswinkel (\(\alpha\)), die Vorspannungsfederkonstante (\( K_x\ )), den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten (\(h_T\)) und die Anzahl der unimodalen Zweige (n).Im nächsten Schritt wurde die maximale Muskelkraft als Anforderung für das Studiendesign ausgewählt und die parametrischen Auswirkungen jedes Variablensatzes auf die Kraft ermittelt.Die Tornadodiagramme für die Sensitivitätsanalyse wurden aus den Korrelationskoeffizienten für jeden Parameter abgeleitet, wie in Abb. 6a dargestellt.
(a) Die Korrelationskoeffizientenwerte der Modellparameter und ihre Auswirkung auf die maximale Ausgangskraft von 2500 eindeutigen Gruppen der oben genannten Modellparameter werden im Tornado-Diagramm angezeigt.Die Grafik zeigt die Rangkorrelation mehrerer Indikatoren.Es ist klar, dass \(V_{in}\) der einzige Parameter mit einer positiven Korrelation ist und \(l_0\) der Parameter mit der höchsten negativen Korrelation.Die Wirkung verschiedener Parameter in verschiedenen Kombinationen auf die maximale Muskelkraft ist in (b, c) dargestellt.\(K_x\) reicht von 400 bis 800 N/m und n reicht von 4 bis 24. Die Spannung (\(V_{in}\)) änderte sich von 4 V auf 10 V, die Drahtlänge (\(l_{0 } \)) änderte sich von 40 auf 100 mm und der Heckwinkel (\ (\alpha \)) variierte von \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Auf Abb.6a zeigt ein Tornado-Diagramm verschiedener Korrelationskoeffizienten für jeden Parameter mit den Designanforderungen für die Spitzenantriebskraft.Aus Abb.In 6a ist ersichtlich, dass der Spannungsparameter (\(V_{in}\)) direkt mit der maximalen Ausgangskraft zusammenhängt und der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient (\(h_T\)), der Flammenwinkel (\ ( \alpha\)), die Verschiebungsfederkonstante ( \(K_x\)) negativ mit der Ausgangskraft und der Anfangslänge (\(l_0\)) des SMA-Drahts korreliert und die Anzahl der unimodalen Zweige (n) eine starke inverse Korrelation zeigt direkte Korrelation Ein höherer Wert des Spannungskorrelationskoeffizienten (\(V_ {in}\)) zeigt an, dass dieser Parameter den größten Einfluss auf die Leistungsabgabe hat.Eine weitere ähnliche Analyse misst die Spitzenkraft, indem sie die Wirkung verschiedener Parameter in unterschiedlichen Kombinationen der beiden Rechenräume bewertet, wie in Abb. 6b, c dargestellt.\(V_{in}\) und \(l_0\), \(\alpha\) und \(l_0\) haben ähnliche Muster, und die Grafik zeigt, dass \(V_{in}\) und \(\alpha\ ) und \(\alpha\) ähnliche Muster haben.Kleinere Werte von \(l_0\) führen zu höheren Spitzenkräften.Die anderen beiden Diagramme stimmen mit Abbildung 6a überein, in der n und \(K_x\) negativ und \(V_{in}\) positiv korreliert sind.Diese Analyse hilft, die Einflussparameter zu definieren und anzupassen, mit denen Abtriebskraft, Hub und Wirkungsgrad des Antriebssystems an die Anforderungen und Anwendung angepasst werden können.
Aktuelle Forschungsarbeiten stellen hierarchische Antriebe mit N Ebenen vor und untersuchen sie.In einer zweistufigen Hierarchie, wie in Abb. 7a dargestellt, wird anstelle jedes SMA-Drahts des Aktuators der ersten Ebene eine bimodale Anordnung erreicht, wie in Abb. 7a dargestellt.9e.Auf Abb.7c zeigt, wie der SMA-Draht um einen beweglichen Arm (Hilfsarm) gewickelt ist, der sich nur in Längsrichtung bewegt.Der primäre bewegliche Arm bewegt sich jedoch weiterhin auf die gleiche Weise wie der bewegliche Arm des mehrstufigen Aktuators der ersten Stufe.Typischerweise wird ein Antrieb der N-Stufe erstellt, indem der SMA-Draht der Stufe \(N-1\) durch einen Antrieb der ersten Stufe ersetzt wird.Dadurch imitiert jeder Zweig den Antrieb der ersten Stufe, mit Ausnahme des Zweigs, der den Draht selbst hält.Auf diese Weise können verschachtelte Strukturen gebildet werden, die Kräfte erzeugen, die um ein Vielfaches größer sind als die Kräfte der Primärantriebe.In dieser Studie wurde für jede Ebene eine effektive Gesamtlänge des SMA-Drahts von 1 m berücksichtigt, wie tabellarisch in Abb. 7d dargestellt.Der Strom durch jeden Draht in jedem unimodalen Design und die daraus resultierende Vorspannung und Spannung in jedem SMA-Drahtsegment sind auf jeder Ebene gleich.Nach unserem Analysemodell korreliert die Ausgangskraft positiv mit dem Füllstand, während die Verschiebung negativ korreliert.Gleichzeitig gab es einen Kompromiss zwischen Verschiebung und Muskelkraft.Wie in Abb. zu sehen ist.In 7b wird zwar die maximale Kraft in der größten Anzahl von Schichten erreicht, die größte Verschiebung wird jedoch in der untersten Schicht beobachtet.Wenn die Hierarchieebene auf \(N=5\) eingestellt wurde, wurde eine maximale Muskelkraft von 2,58 kN bei 2 beobachteten Schlägen \(\upmu\)m gefunden.Der Antrieb der ersten Stufe hingegen erzeugt eine Kraft von 150 N bei einem Hub von 277 \(\upmu\)m.Mehrstufige Aktuatoren sind in der Lage, echte biologische Muskeln nachzuahmen, wobei künstliche Muskeln auf Basis von Formgedächtnislegierungen in der Lage sind, deutlich höhere Kräfte mit präziseren und feineren Bewegungen zu erzeugen.Die Einschränkungen dieses miniaturisierten Designs bestehen darin, dass mit zunehmender Hierarchie die Bewegung stark reduziert wird und die Komplexität des Antriebsherstellungsprozesses zunimmt.
(a) Ein zweistufiges (\(N=2\)) geschichtetes Linearantriebssystem aus Formgedächtnislegierung ist in einer bimodalen Konfiguration dargestellt.Das vorgeschlagene Modell wird erreicht, indem der SMA-Draht im geschichteten Aktuator der ersten Stufe durch einen anderen geschichteten Aktuator der ersten Stufe ersetzt wird.(c) Verformte Konfiguration des Mehrschichtaktors der zweiten Stufe.(b) Die Verteilung der Kräfte und Verschiebungen in Abhängigkeit von der Anzahl der Ebenen wird beschrieben.Es wurde festgestellt, dass die Spitzenkraft des Aktuators positiv mit der Skalenebene im Diagramm korreliert, während der Hub negativ mit der Skalenebene korreliert.Der Strom und die Vorspannung in jedem Draht bleiben auf allen Ebenen konstant.(d) Die Tabelle zeigt die Anzahl der Abgriffe und die Länge des SMA-Drahts (Faser) auf jeder Ebene.Die Eigenschaften der Drähte werden durch den Index 1 angegeben, und die Anzahl der Sekundärzweige (einer ist mit dem Primärzweig verbunden) wird durch die größte Zahl im Index angegeben.Auf Ebene 5 bezieht sich beispielsweise \(n_1\) auf die Anzahl der in jeder bimodalen Struktur vorhandenen SMA-Drähte und \(n_5\) auf die Anzahl der Hilfszweige (einer davon ist mit dem Hauptzweig verbunden).
Viele Forscher haben verschiedene Methoden vorgeschlagen, um das Verhalten von SMAs mit Formgedächtnis zu modellieren, die von den thermomechanischen Eigenschaften abhängen, die die mit dem Phasenübergang verbundenen makroskopischen Änderungen in der Kristallstruktur begleiten.Die Formulierung konstitutiver Methoden ist von Natur aus komplex.Das am häufigsten verwendete phänomenologische Modell wird von Tanaka28 vorgeschlagen und wird häufig in technischen Anwendungen verwendet.Das von Tanaka [28] vorgeschlagene phänomenologische Modell geht davon aus, dass der Volumenanteil von Martensit eine exponentielle Funktion von Temperatur und Spannung ist.Später schlugen Liang, Rogers29 und Brinson30 ein Modell vor, bei dem angenommen wurde, dass die Phasenübergangsdynamik eine Kosinusfunktion von Spannung und Temperatur sei, wobei das Modell geringfügig modifiziert wurde.Becker und Brinson schlugen ein auf Phasendiagrammen basierendes kinetisches Modell vor, um das Verhalten von SMA-Materialien unter beliebigen Belastungsbedingungen sowie teilweisen Übergängen zu modellieren.Banerjee32 verwendet die Phasendiagramm-Dynamikmethode von Bekker und Brinson31, um einen von Elahinia und Ahmadian33 entwickelten Manipulator mit einem einzigen Freiheitsgrad zu simulieren.Auf Phasendiagrammen basierende kinetische Methoden, die die nichtmonotone Änderung der Spannung mit der Temperatur berücksichtigen, sind in technischen Anwendungen nur schwer umzusetzen.Elakhinia und Ahmadian machen auf diese Mängel bestehender phänomenologischer Modelle aufmerksam und schlagen ein erweitertes phänomenologisches Modell zur Analyse und Definition des Formgedächtnisverhaltens unter beliebigen komplexen Belastungsbedingungen vor.
Das Strukturmodell von SMA-Draht gibt Spannung (\(\sigma\)), Dehnung (\(\epsilon\)), Temperatur (T) und Martensitvolumenanteil (\(\xi\)) von SMA-Draht an.Das phänomenologische konstitutive Modell wurde zuerst von Tanaka28 vorgeschlagen und später von Liang29 und Brinson30 übernommen.Die Ableitung der Gleichung hat die Form:
wobei E der phasenabhängige SMA-Young-Modul ist, der unter Verwendung von \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) erhalten wird und \(E_A\) und \(E_M\), die den Young-Modul darstellen, austenitische bzw. martensitische Phasen sind und der Wärmeausdehnungskoeffizient durch \(\theta _T\) dargestellt wird.Der Beitragsfaktor des Phasenübergangs beträgt \(\Omega = -E \epsilon _L\) und \(\epsilon _L\) ist die maximal erzielbare Dehnung im SMA-Draht.
Die Phasendynamikgleichung stimmt mit der von Liang29 entwickelten und später von Brinson30 übernommenen Kosinusfunktion überein, anstelle der von Tanaka28 vorgeschlagenen Exponentialfunktion.Das Phasenübergangsmodell ist eine Erweiterung des von Elakhinia und Ahmadian34 vorgeschlagenen und auf der Grundlage der von Liang29 und Brinson30 angegebenen Phasenübergangsbedingungen modifizierten Modells.Die für dieses Phasenübergangsmodell verwendeten Bedingungen gelten unter komplexen thermomechanischen Belastungen.Bei der Modellierung der Materialgleichung wird zu jedem Zeitpunkt der Wert des Volumenanteils von Martensit berechnet.
Die maßgebliche Rückumwandlungsgleichung, ausgedrückt durch die Umwandlung von Martensit in Austenit unter Erwärmungsbedingungen, lautet wie folgt:
wobei \(\xi\) der Volumenanteil von Martensit ist, \(\xi _M\) der Volumenanteil von Martensit ist, der vor dem Erhitzen erhalten wird, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) und \(C_A\) – Kurvennäherungsparameter, T – SMA-Drahttemperatur, \(A_s\) und \(A_f\) – Anfang und Ende der Austenitphase bzw. Temperatur.
Die direkte Transformationskontrollgleichung, dargestellt durch die Phasenumwandlung von Austenit zu Martensit unter Abkühlungsbedingungen, lautet:
Dabei ist \(\xi _A\) der vor dem Abkühlen erhaltene Volumenanteil des Martensits, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) und \ ( C_M \) – Kurvenanpassungsparameter, T – SMA-Drahttemperatur, \(M_s\) und \(M_f\) – anfängliche bzw. endgültige Martensittemperaturen.
Nachdem die Gleichungen (3) und (4) differenziert wurden, werden die inversen und direkten Transformationsgleichungen auf die folgende Form vereinfacht:
Bei der Vorwärts- und Rückwärtstransformation nehmen \(\eta _{\sigma}\) und \(\eta _{T}\) unterschiedliche Werte an.Die mit \(\eta _{\sigma}\) und \(\eta _{T}\) verbundenen Grundgleichungen wurden abgeleitet und in einem zusätzlichen Abschnitt ausführlich diskutiert.
Die zum Erhöhen der Temperatur des SMA-Drahtes erforderliche Wärmeenergie stammt aus dem Joule'schen Heizeffekt.Die vom SMA-Draht aufgenommene oder abgegebene Wärmeenergie wird durch die latente Transformationswärme dargestellt.Der Wärmeverlust im SMA-Draht ist auf erzwungene Konvektion zurückzuführen, und angesichts des vernachlässigbaren Strahlungseffekts lautet die Wärmeenergiebilanzgleichung wie folgt:
Dabei ist \(m_{wire}\) die Gesamtmasse des SMA-Drahts, \(c_{p}\) die spezifische Wärmekapazität des SMA, \(V_{in}\) die an den Draht angelegte Spannung, \(R_{ohm} \ ) – phasenabhängiger Widerstand SMA, definiert als;\(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) wobei \(r_M\ ) und \(r_A\) der SMA-Phasenwiderstand in Martensit bzw. Austenit sind, \(A_{c}\) die Oberfläche des SMA-Drahtes ist, \(\Delta H \) eine Formgedächtnislegierung ist.Die latente Übergangswärme des Drahts, T und \(T_{\infty}\) sind die Temperaturen des SMA-Drahts bzw. der Umgebung.
Wenn ein Draht aus einer Formgedächtnislegierung betätigt wird, komprimiert sich der Draht und erzeugt in jedem Zweig des bimodalen Designs eine Kraft, die als Faserkraft bezeichnet wird.Die Kräfte der Fasern in jedem Strang des SMA-Drahts erzeugen zusammen die Muskelkraft zur Betätigung, wie in Abb. 9e dargestellt.Aufgrund des Vorhandenseins einer Vorspannfeder beträgt die gesamte Muskelkraft des N-ten Mehrschichtaktors:
Durch Einsetzen von \(N = 1\) in Gleichung (7) kann die Muskelkraft des bimodalen Antriebsprototyps der ersten Stufe wie folgt ermittelt werden:
Dabei ist n die Anzahl der unimodalen Beine, \(F_m\) die vom Antrieb erzeugte Muskelkraft, \​​(F_f\) die Faserstärke im SMA-Draht, \(K_x\) die Vorspannungssteifigkeit.Feder, \(\alpha\) ist der Winkel des Dreiecks, \(x_0\) ist der anfängliche Versatz der Vorspannfeder, um das SMA-Kabel in der vorgespannten Position zu halten, und \(\Delta x\) ist der Stellweg.
Die gesamte Verschiebung bzw. Bewegung des Antriebs (\(\Delta x\)) in Abhängigkeit von der Spannung (\(\sigma\)) und Dehnung (\(\epsilon\)) am SMA-Draht der N-ten Stufe, der Antrieb wird eingestellt auf (siehe Abb. zusätzlicher Teil der Ausgabe):
Die kinematischen Gleichungen geben den Zusammenhang zwischen Antriebsverformung (\(\epsilon\)) und Verschiebung bzw. Verschiebung (\(\Delta x\)) an.Die Verformung des Arb-Drahts als Funktion der anfänglichen Arb-Drahtlänge (\(l_0\)) und der Drahtlänge (l) zu jedem Zeitpunkt t in einem unimodalen Zweig ist wie folgt:
wobei \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) durch Anwendung der Kosinusformel in \(\Delta\)ABB ' erhalten wird, wie in Abbildung 8 dargestellt. Für den Antrieb der ersten Stufe (\(N = 1\)) ist \(\Delta x_1\) gleich \(\Delta x\) und \(\alpha _1\) ist \(\alpha \), wie in Abbildung 8 gezeigt, indem man die Zeit aus Gleichung (11) ableitet und den Wert von l einsetzt, kann die Dehnungsrate wie folgt geschrieben werden:
Dabei ist \(l_0\) die Anfangslänge des SMA-Drahts, l die Länge des Drahts zu jedem Zeitpunkt t in einem unimodalen Zweig, \(\epsilon\) die im SMA-Draht entwickelte Verformung und \(\alpha \) der Winkel des Dreiecks, \(\Delta x\) der Antriebsversatz (wie in Abbildung 8 dargestellt).
Alle n Single-Peak-Strukturen (\(n=6\) in dieser Abbildung) sind in Reihe mit \(V_{in}\) als Eingangsspannung geschaltet.Stufe I: Schematische Darstellung des SMA-Drahts in einer bimodalen Konfiguration unter Nullspannungsbedingungen. Stufe II: Es wird eine kontrollierte Struktur gezeigt, bei der der SMA-Draht aufgrund der umgekehrten Umwandlung komprimiert wird, wie durch die rote Linie dargestellt.
Als Proof of Concept wurde ein SMA-basierter bimodaler Antrieb entwickelt, um die simulierte Ableitung der zugrunde liegenden Gleichungen mit experimentellen Ergebnissen zu testen.Das CAD-Modell des bimodalen Linearaktuators ist in Abb. dargestellt.9a.Andererseits ist in Abb.9c zeigt einen neuen Entwurf, der für eine rotationsprismatische Verbindung unter Verwendung eines Zweiebenen-SMA-basierten Aktuators mit einer bimodalen Struktur vorgeschlagen wurde.Die Antriebskomponenten wurden mittels additiver Fertigung auf einem Ultimaker 3 Extended 3D-Drucker hergestellt.Das für den 3D-Druck von Bauteilen verwendete Material ist Polycarbonat, das sich für hitzebeständige Materialien eignet, da es stark und langlebig ist und eine hohe Glasübergangstemperatur (110-113 \(^{\circ }\) C) aufweist.Darüber hinaus wurde in den Experimenten ein Flexinol-Formgedächtnislegierungsdraht von Dynalloy, Inc. verwendet, und in den Simulationen wurden die dem Flexinol-Draht entsprechenden Materialeigenschaften verwendet.Mehrere SMA-Drähte sind als Fasern in einer bimodalen Muskelanordnung angeordnet, um die hohen Kräfte zu erhalten, die von mehrschichtigen Aktoren erzeugt werden, wie in Abb. 9b, d dargestellt.
Wie in Abbildung 9a dargestellt, wird der spitze Winkel, der durch den SMA-Draht des beweglichen Arms gebildet wird, als Winkel (\(\alpha\)) bezeichnet.Mit an der linken und rechten Klemme angebrachten Anschlussklemmen wird der SMA-Draht im gewünschten bimodalen Winkel gehalten.Die am Federstecker gehaltene Vorspannfedervorrichtung dient dazu, die verschiedenen Vorspannfeder-Verlängerungsgruppen entsprechend der Anzahl (n) der SMA-Fasern anzupassen.Darüber hinaus ist die Position der beweglichen Teile so ausgelegt, dass der SMA-Draht zur erzwungenen Konvektionskühlung der Außenumgebung ausgesetzt ist.Die oberen und unteren Platten der abnehmbaren Baugruppe tragen dazu bei, den SMA-Draht kühl zu halten, und verfügen über extrudierte Ausschnitte, die das Gewicht reduzieren sollen.Darüber hinaus werden beide Enden des CMA-Kabels mittels Crimp an den linken bzw. rechten Anschlüssen befestigt.An einem Ende der beweglichen Baugruppe ist ein Kolben angebracht, um den Abstand zwischen der oberen und unteren Platte aufrechtzuerhalten.Der Stößel wird auch verwendet, um über einen Kontakt eine Blockierkraft auf den Sensor auszuüben, um die Blockierkraft zu messen, wenn der SMA-Draht betätigt wird.
Die bimodale Muskelstruktur SMA ist elektrisch in Reihe geschaltet und wird durch eine Eingangsimpulsspannung versorgt.Wenn während des Spannungsimpulszyklus Spannung angelegt wird und der SMA-Draht über die Anfangstemperatur des Austenits erhitzt wird, verkürzt sich die Länge des Drahtes in jedem Strang.Durch dieses Zurückziehen wird die bewegliche Arm-Unterbaugruppe aktiviert.Als die Spannung im selben Zyklus auf Null gesetzt wurde, kühlte sich der erhitzte SMA-Draht unter die Temperatur der Martensitoberfläche ab und kehrte dadurch in seine ursprüngliche Position zurück.Unter Nullspannungsbedingungen wird der SMA-Draht zunächst passiv durch eine Vorspannfeder gedehnt, um den entzwillingten martensitischen Zustand zu erreichen.Die Schraube, durch die der SMA-Draht verläuft, bewegt sich aufgrund der Kompression, die durch das Anlegen eines Spannungsimpulses an den SMA-Draht entsteht (SPA erreicht die Austenitphase), was zur Betätigung des beweglichen Hebels führt.Wenn der SMA-Draht zurückgezogen wird, erzeugt die Vorspannfeder eine Gegenkraft, indem sie die Feder weiter dehnt.Wenn die Spannung in der Impulsspannung Null wird, dehnt sich der SMA-Draht aus und ändert seine Form aufgrund der erzwungenen Konvektionskühlung, wodurch eine doppelt martensitische Phase erreicht wird.
Das vorgeschlagene SMA-basierte Linearantriebssystem weist eine bimodale Konfiguration auf, bei der die SMA-Drähte abgewinkelt sind.(a) stellt ein CAD-Modell des Prototyps dar, das einige der Komponenten und ihre Bedeutung für den Prototyp erwähnt, (b, d) stellen den entwickelten experimentellen Prototyp dar35.Während (b) eine Draufsicht auf den Prototyp mit elektrischen Anschlüssen und verwendeten Vorspannfedern und Dehnungsmessstreifen zeigt, zeigt (d) eine perspektivische Ansicht des Aufbaus.(e) Diagramm eines linearen Betätigungssystems mit bimodal platzierten SMA-Drähten zu jedem Zeitpunkt t, das die Richtung und den Verlauf der Faser und Muskelkraft zeigt.(c) Für den Einsatz eines Zwei-Ebenen-SMA-basierten Aktuators wurde eine 2-DOF-Rotationsprismenverbindung vorgeschlagen.Wie gezeigt, überträgt die Verbindung eine lineare Bewegung vom unteren Antrieb auf den oberen Arm und stellt so eine Drehverbindung her.Andererseits ist die Bewegung des Prismenpaares dieselbe wie die Bewegung des mehrschichtigen Antriebs der ersten Stufe.
An dem in Abb. 9b gezeigten Prototyp wurde eine experimentelle Studie durchgeführt, um die Leistung eines bimodalen Antriebs auf SMA-Basis zu bewerten.Wie in Abbildung 10a dargestellt, bestand der Versuchsaufbau aus einer programmierbaren Gleichstromversorgung zur Versorgung der SMA-Drähte mit Eingangsspannung.Wie in Abb. gezeigt.In 10b wurde ein piezoelektrischer Dehnungsmessstreifen (PACEline CFT/5kN) verwendet, um die Blockierkraft mit einem Graphtec GL-2000-Datenlogger zu messen.Die Daten werden vom Gastgeber zur weiteren Untersuchung aufgezeichnet.Dehnungsmessstreifen und Ladungsverstärker benötigen eine konstante Stromversorgung, um ein Spannungssignal zu erzeugen.Die entsprechenden Signale werden entsprechend der Empfindlichkeit des piezoelektrischen Kraftsensors und anderen Parametern, wie in Tabelle 2 beschrieben, in Leistungsausgänge umgewandelt. Wenn ein Spannungsimpuls angelegt wird, steigt die Temperatur des SMA-Drahts, wodurch der SMA-Draht komprimiert wird, was dazu führt, dass der Aktuator Kraft erzeugt.Die experimentellen Ergebnisse der Ausgabe von Muskelkraft durch einen Eingangsspannungsimpuls von 7 V sind in Abb. 1 dargestellt.2a.
(a) Im Experiment wurde ein SMA-basiertes Linearaktuatorsystem aufgebaut, um die vom Aktuator erzeugte Kraft zu messen.Die Kraftmesszelle misst die Blockierkraft und wird über ein 24-V-DC-Netzteil versorgt.Mit einem programmierbaren Gleichstromnetzteil von GW Instek wurde über die gesamte Länge des Kabels ein Spannungsabfall von 7 V angelegt.Der SMA-Draht schrumpft aufgrund der Hitze und der bewegliche Arm berührt die Wägezelle und übt eine Blockierkraft aus.Die Wägezelle wird an den Datenlogger GL-2000 angeschlossen und die Daten werden zur weiteren Verarbeitung auf dem Host gespeichert.(b) Diagramm, das die Komponentenkette des Versuchsaufbaus zur Messung der Muskelkraft zeigt.
Formgedächtnislegierungen werden durch thermische Energie angeregt, daher wird die Temperatur zu einem wichtigen Parameter für die Untersuchung des Formgedächtnisphänomens.Experimentell wurden, wie in Abb. 11a gezeigt, Wärmebild- und Temperaturmessungen an einem Prototyp eines SMA-basierten Divalerat-Aktuators durchgeführt.Eine programmierbare Gleichstromquelle legte im Versuchsaufbau eine Eingangsspannung an die SMA-Drähte an, wie in Abbildung 11b dargestellt.Die Temperaturänderung des SMA-Drahts wurde in Echtzeit mit einer hochauflösenden LWIR-Kamera (FLIR A655sc) gemessen.Der Host verwendet die ResearchIR-Software, um Daten für die weitere Nachbearbeitung aufzuzeichnen.Wenn ein Spannungsimpuls angelegt wird, erhöht sich die Temperatur des SMA-Drahts, wodurch der SMA-Draht schrumpft.Auf Abb.Abbildung 2b zeigt die experimentellen Ergebnisse der SMA-Drahttemperatur im Vergleich zur Zeit für einen 7-V-Eingangsspannungsimpuls.