از بازدید شما از Nature.com سپاسگزاریم.نسخه مرورگری که استفاده می کنید پشتیبانی محدودی از CSS دارد.برای بهترین تجربه، توصیه می کنیم از یک مرورگر به روز شده استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در اینترنت اکسپلورر غیرفعال کنید).در عین حال، برای اطمینان از پشتیبانی مداوم، سایت را بدون استایل و جاوا اسکریپت ارائه می کنیم.
عملگرها در همه جا استفاده می شوند و با اعمال نیروی تحریک یا گشتاور صحیح برای انجام عملیات مختلف در تولید و اتوماسیون صنعتی، حرکت کنترل شده ای را ایجاد می کنند.نیاز به درایوهای سریع‌تر، کوچک‌تر و کارآمدتر باعث ایجاد نوآوری در طراحی درایو می‌شود.درایوهای Shape Memory Alloy (SMA) مزایای زیادی نسبت به درایوهای معمولی دارند، از جمله نسبت توان به وزن بالا.در این پایان نامه، یک محرک مبتنی بر SMA دو پر ساخته شد که مزایای ماهیچه های پر سیستم های بیولوژیکی و خواص منحصر به فرد SMA ها را ترکیب می کند.این مطالعه با توسعه یک مدل ریاضی از محرک جدید بر اساس آرایش سیم SMA دووجهی و آزمایش تجربی آن، محرک‌های SMA قبلی را بررسی و گسترش می‌دهد.در مقایسه با درایوهای شناخته شده مبتنی بر SMA، نیروی محرک درایو جدید حداقل 5 برابر بیشتر است (تا 150 نیوتن).کاهش وزن مربوطه حدود 67٪ است.نتایج تحلیل حساسیت مدل‌های ریاضی برای تنظیم پارامترهای طراحی و درک پارامترهای کلیدی مفید است.این مطالعه بیشتر یک درایو چند سطحی مرحله N را ارائه می‌کند که می‌تواند برای افزایش بیشتر دینامیک استفاده شود.محرک های عضلانی دیپوالریت مبتنی بر SMA طیف وسیعی از کاربردها، از اتوماسیون ساختمان تا سیستم های دقیق دارورسانی را دارند.
سیستم های بیولوژیکی، مانند ساختارهای عضلانی پستانداران، می توانند بسیاری از محرک های ظریف را فعال کنند.پستانداران ساختارهای ماهیچه ای متفاوتی دارند که هر کدام هدف خاصی را انجام می دهند.با این حال، بسیاری از ساختار بافت ماهیچه ای پستانداران را می توان به دو دسته کلی تقسیم کرد.موازی و خط دار.در عضلات همسترینگ و سایر فلکسورها، همانطور که از نام آن پیداست، ماهیچه موازی دارای فیبرهای عضلانی موازی با تاندون مرکزی است.زنجیره ای از فیبرهای عضلانی به صورت ردیفی قرار گرفته و از نظر عملکردی توسط بافت همبند اطراف آنها به هم متصل می شوند.اگرچه گفته می شود که این ماهیچه ها دارای یک گردش بزرگ (درصد کوتاه شدن) هستند، اما قدرت کلی عضلانی آنها بسیار محدود است.در مقابل، در عضله سه سر ساق 2 (گاستروکنمیوس جانبی (GL)3، گاستروکنمیوس داخلی (GM)4 و سولئوس (SOL)) و بازکننده استخوان ران (چهارسر ران) بافت ماهیچه ای 5،6 پنتی در هر عضله یافت می شود.در یک ساختار پینی، فیبرهای عضلانی در ماهیچه دوپه ای در دو طرف تاندون مرکزی در زوایای مایل (زوایای پینی) وجود دارند.Pennate از کلمه لاتین "penna" گرفته شده است که به معنای "قلم" است و همانطور که در شکل نشان داده شده است.1 ظاهری پر مانند دارد.الیاف ماهیچه های پنتی کوتاه تر و زاویه دارتر به محور طولی عضله هستند.به دلیل ساختار پینه ای، تحرک کلی این عضلات کاهش می یابد که منجر به اجزای عرضی و طولی فرآیند کوتاه شدن می شود.از سوی دیگر، فعال شدن این عضلات به دلیل نحوه اندازه گیری سطح مقطع فیزیولوژیکی منجر به افزایش قدرت کلی عضلانی می شود.بنابراین، برای یک سطح مقطع معین، عضلات پنتی قوی‌تر خواهند بود و نیروهای بیشتری نسبت به ماهیچه‌های دارای الیاف موازی ایجاد می‌کنند.نیروهای تولید شده توسط فیبرهای منفرد، نیروهای عضلانی را در سطح ماکروسکوپی در آن بافت عضلانی ایجاد می کنند.علاوه بر این، دارای خواص منحصر به فردی مانند انقباض سریع، محافظت در برابر آسیب کششی، بالشتک است.این رابطه بین ورودی فیبر و خروجی قدرت عضلانی را با بهره‌برداری از ویژگی‌های منحصر به فرد و پیچیدگی هندسی آرایش فیبر مرتبط با خطوط عمل عضلانی تغییر می‌دهد.
نمودارهای شماتیکی از طرح های محرک موجود مبتنی بر SMA در رابطه با معماری عضلانی دووجهی نشان داده شده است، به عنوان مثال (الف)، نشان دهنده تعامل نیروی لمسی است که در آن یک دستگاه دستی شکل که توسط سیم های SMA بر روی یک ربات متحرک مستقل دو چرخ نصب شده است9،10 نشان داده شده است.، (ب) پروتز اربیتال رباتیک با پروتز اربیتال دارای فنر SMA به صورت آنتاگونیستی قرار داده شده است.موقعیت چشم مصنوعی توسط سیگنالی از عضله چشمی چشم کنترل می شود، (ج) محرک های SMA به دلیل پاسخ فرکانس بالا و پهنای باند کم برای کاربردهای زیر آب ایده آل هستند.در این پیکربندی، از محرک های SMA برای ایجاد حرکت موجی با شبیه سازی حرکت ماهی استفاده می شود، (د) از محرک های SMA برای ایجاد یک ربات بازرسی لوله میکرو استفاده می شود که می تواند از اصل حرکت کرم اینچی استفاده کند، که با حرکت سیم های SMA در داخل کانال 10 کنترل می شود، (e) جهت فیبرهای عضلانی انقباض را نشان می دهد و به شکل نیروی انقباضی SMA را نشان می دهد. برش‌ها در ساختار عضله پنت.
عملگرها به دلیل کاربردهای گسترده خود به بخش مهمی از سیستم های مکانیکی تبدیل شده اند.بنابراین، نیاز به درایوهای کوچکتر، سریعتر و کارآمدتر حیاتی می شود.با وجود مزایایی که درایوهای سنتی دارند، ثابت شده است که نگهداری آنها گران و زمان بر است.محرک های هیدرولیک و پنوماتیک پیچیده و گران هستند و در معرض سایش، مشکلات روانکاری و خرابی قطعات هستند.در پاسخ به تقاضا، تمرکز بر توسعه محرک‌های مقرون‌به‌صرفه، بهینه‌سازی اندازه و پیشرفته بر اساس مواد هوشمند است.تحقیقات در حال انجام در حال بررسی محرک های لایه ای آلیاژ حافظه شکل (SMA) برای رفع این نیاز است.محرک های سلسله مراتبی از این جهت منحصر به فرد هستند که بسیاری از محرک های گسسته را در زیرسیستم های پیچیده هندسی مقیاس ماکرو ترکیب می کنند تا عملکردی افزایش یافته و توسعه یافته را ارائه دهند.در این راستا، بافت عضلانی انسان که در بالا توضیح داده شد، یک مثال چند لایه عالی از چنین تحریک چند لایه ای را ارائه می دهد.مطالعه حاضر یک درایو SMA چند سطحی را با چندین عنصر درایو مجزا (سیم SMA) که با جهت‌گیری‌های فیبر موجود در ماهیچه‌های دو وجهی تراز شده‌اند، توصیف می‌کند که عملکرد کلی درایو را بهبود می‌بخشد.
هدف اصلی یک محرک تولید توان مکانیکی خروجی مانند نیرو و جابجایی با تبدیل انرژی الکتریکی است.آلیاژهای حافظه دار دسته ای از مواد "هوشمند" هستند که می توانند شکل خود را در دماهای بالا بازیابی کنند.تحت بارهای زیاد، افزایش دمای سیم SMA منجر به بازیابی شکل می‌شود و در نتیجه چگالی انرژی تحریک بالاتری در مقایسه با مواد هوشمند مختلف با پیوند مستقیم دارد.در همان زمان، تحت بارهای مکانیکی، SMA ها شکننده می شوند.تحت شرایط خاص، یک بار چرخه ای می تواند انرژی مکانیکی را جذب و آزاد کند و تغییرات شکل هیسترتیک برگشت پذیر را نشان دهد.این ویژگی های منحصر به فرد، SMA را برای سنسورها، میرایی ارتعاش و به ویژه محرک ها ایده آل می کند.با در نظر گرفتن این موضوع، تحقیقات زیادی در مورد درایوهای مبتنی بر SMA انجام شده است.لازم به ذکر است که محرک های مبتنی بر SMA برای ارائه حرکت انتقالی و چرخشی برای انواع کاربردها طراحی شده اند 13،14،15.اگرچه برخی از محرک های چرخشی توسعه یافته اند، اما محققان به ویژه به محرک های خطی علاقه مند هستند.این محرک های خطی را می توان به سه نوع محرک تقسیم کرد: محرک های تک بعدی، جابجایی و دیفرانسیل 16.در ابتدا، درایوهای هیبریدی در ترکیب با SMA و سایر درایوهای معمولی ایجاد شدند.یکی از این نمونه‌های محرک خطی هیبریدی مبتنی بر SMA، استفاده از سیم SMA با موتور DC برای ارائه نیروی خروجی در حدود 100 نیوتن و جابجایی قابل توجه است.
یکی از اولین پیشرفت ها در درایوهای مبتنی بر SMA، درایو موازی SMA بود.با استفاده از چندین سیم SMA، درایو موازی مبتنی بر SMA به گونه ای طراحی شده است که با قرار دادن تمام سیم های SMA18 به صورت موازی، توان درایو را افزایش دهد.اتصال موازی محرک ها نه تنها به توان بیشتری نیاز دارد، بلکه توان خروجی یک سیم را نیز محدود می کند.یکی دیگر از معایب محرک های مبتنی بر SMA، سفر محدودی است که می توانند به آن برسند.برای حل این مشکل، یک تیر کابل SMA حاوی یک تیر انعطاف پذیر منحرف شده برای افزایش جابجایی و دستیابی به حرکت خطی ایجاد شد، اما نیروهای بیشتری ایجاد نکرد.ساختارها و پارچه‌های قابل تغییر شکل نرم برای روبات‌ها بر اساس آلیاژهای حافظه شکل عمدتاً برای تقویت ضربه ایجاد شده‌اند20،21،22.برای کاربردهایی که سرعت بالا مورد نیاز است، پمپ‌های فشرده رانده شده از SMAهای لایه نازک برای کاربردهای ریزپمپ استفاده می‌کنند.فرکانس درایو غشاء SMA فیلم نازک یک عامل کلیدی در کنترل سرعت راننده است.بنابراین موتورهای خطی SMA پاسخ دینامیکی بهتری نسبت به موتورهای فنری یا میله ای SMA دارند.رباتیک نرم و فناوری گرفتن دو کاربرد دیگر هستند که از محرک های مبتنی بر SMA استفاده می کنند.به عنوان مثال، برای جایگزینی محرک استاندارد مورد استفاده در گیره فضایی 25 N، یک محرک موازی آلیاژی حافظه شکل 24 ساخته شد.در موردی دیگر، یک محرک نرم SMA بر اساس سیمی با ماتریس تعبیه شده که قادر به تولید حداکثر نیروی کششی 30 نیوتن است، ساخته شد.یکی از این پیشرفت ها شامل یک ربات 12 سلولی است که بیومیمتیک یک ارگانیسم کرم خاکی با SMA برای ایجاد یک حرکت سینوسی به آتش است26،27.
همانطور که قبلا ذکر شد، محدودیتی برای حداکثر نیرویی که می توان از محرک های موجود مبتنی بر SMA بدست آورد وجود دارد.برای پرداختن به این موضوع، این مطالعه یک ساختار عضلانی دووجهی بیومیمتیک ارائه می‌کند.رانده شده توسط سیم آلیاژ حافظه شکل.این یک سیستم طبقه بندی را ارائه می دهد که شامل چندین سیم آلیاژ حافظه شکل است.تا به امروز، هیچ محرک مبتنی بر SMA با معماری مشابه در ادبیات گزارش نشده است.این سیستم منحصر به فرد و جدید مبتنی بر SMA برای مطالعه رفتار SMA در طول هم ترازی عضلانی bimodal توسعه یافته است.در مقایسه با محرک‌های مبتنی بر SMA، هدف از این مطالعه ایجاد یک محرک dipvalerate بیومیمتیک برای تولید نیروهای بسیار بالاتر در حجم کوچک بود.در مقایسه با درایوهای متداول موتور پله‌ای که در سیستم‌های اتوماسیون و کنترل ساختمان HVAC استفاده می‌شود، طراحی درایو دووجهی مبتنی بر SMA، وزن مکانیزم درایو را تا 67 درصد کاهش می‌دهد.در ادامه، اصطلاحات «عضله» و «درایو» به جای یکدیگر استفاده می‌شوند.این مطالعه به بررسی شبیه‌سازی چندفیزیکی چنین درایو می‌پردازد.رفتار مکانیکی چنین سیستم هایی با روش های تجربی و تحلیلی مورد بررسی قرار گرفته است.توزیع نیرو و دما در ولتاژ ورودی 7 ولت بیشتر مورد بررسی قرار گرفت. پس از آن، یک تحلیل پارامتری برای درک بهتر رابطه بین پارامترهای کلیدی و نیروی خروجی انجام شد.در نهایت، محرک های سلسله مراتبی پیش بینی شده اند و اثرات سطح سلسله مراتبی به عنوان یک منطقه بالقوه آینده برای محرک های غیر مغناطیسی برای کاربردهای پروتز پیشنهاد شده است.با توجه به نتایج مطالعات فوق، استفاده از معماری تک مرحله‌ای نیرویی حداقل چهار تا پنج برابر بیشتر از محرک‌های مبتنی بر SMA ایجاد می‌کند.علاوه بر این، نیروی محرکه یکسان تولید شده توسط یک درایو چند سطحی چند سطحی بیش از ده برابر درایوهای مبتنی بر SMA معمولی است.سپس مطالعه پارامترهای کلیدی را با استفاده از تحلیل حساسیت بین طرح‌های مختلف و متغیرهای ورودی گزارش می‌کند.طول اولیه سیم SMA (\(l_0\))، زاویه سنجاقی (\(\alpha\)) و تعداد رشته‌های منفرد (n) در هر رشته مجزا تأثیر منفی شدیدی بر بزرگی نیروی محرکه دارد.قدرت، در حالی که ولتاژ ورودی (انرژی) همبستگی مثبت دارد.
سیم SMA اثر حافظه شکل (SME) را نشان می دهد که در خانواده آلیاژهای نیکل-تیتانیوم (Ni-Ti) دیده می شود.به طور معمول، SMA ها دو فاز وابسته به دما را نشان می دهند: فاز دمای پایین و فاز دمای بالا.هر دو فاز به دلیل وجود ساختارهای کریستالی مختلف دارای خواص منحصر به فردی هستند.در فاز آستنیت (فاز دمای بالا) که بالاتر از دمای تبدیل وجود دارد، ماده استحکام بالایی از خود نشان می‌دهد و تحت بار تغییر شکل ضعیفی پیدا می‌کند.این آلیاژ مانند فولاد ضد زنگ رفتار می کند، بنابراین می تواند فشارهای تحریک بالاتر را تحمل کند.با بهره گیری از این خاصیت آلیاژهای Ni-Ti، سیم های SMA مایل می شوند تا یک محرک را تشکیل دهند.مدل‌های تحلیلی مناسب برای درک مکانیک اساسی رفتار حرارتی SMA تحت تأثیر پارامترهای مختلف و هندسه‌های مختلف توسعه یافته‌اند.توافق خوبی بین نتایج تجربی و تحلیلی به دست آمد.
یک مطالعه تجربی بر روی نمونه اولیه نشان داده شده در شکل 9a برای ارزیابی عملکرد یک درایو دووجهی بر اساس SMA انجام شد.دو مورد از این ویژگی ها، نیروی ایجاد شده توسط درایو (نیروی ماهیچه ای) و دمای سیم SMA (دمای SMA)، به صورت تجربی اندازه گیری شد.با افزایش اختلاف ولتاژ در تمام طول سیم در درایو، دمای سیم به دلیل اثر گرمایش ژول افزایش می یابد.ولتاژ ورودی در دو سیکل 10 ثانیه ای (به صورت نقاط قرمز در شکل 2a, b نشان داده شده است) با یک دوره خنک کننده 15 ثانیه بین هر چرخه اعمال شد.نیروی مسدود کننده با استفاده از یک کرنش سنج پیزوالکتریک اندازه گیری شد و توزیع دمای سیم SMA در زمان واقعی با استفاده از یک دوربین علمی با وضوح بالا LWIR کنترل شد (ویژگی های تجهیزات مورد استفاده را در جدول 2 ببینید).نشان می دهد که در طول فاز ولتاژ بالا، دمای سیم به طور یکنواخت افزایش می یابد، اما زمانی که جریانی در جریان نباشد، دمای سیم همچنان به کاهش خود ادامه می دهد.در تنظیم آزمایشی فعلی، دمای سیم SMA در طول فاز خنک‌کننده کاهش یافت، اما همچنان بالاتر از دمای محیط بود.روی انجیر2e یک عکس فوری از دمای سیم SMA را نشان می دهد که از دوربین LWIR گرفته شده است.از سوی دیگر، در شکل.2a نیروی مسدود کننده تولید شده توسط سیستم درایو را نشان می دهد.هنگامی که نیروی عضلانی از نیروی بازگرداندن فنر بیشتر شود، بازوی متحرک، همانطور که در شکل 9a نشان داده شده است، شروع به حرکت می کند.همانطور که در شکل نشان داده شده است، به محض شروع حرکت، بازوی متحرک با سنسور تماس پیدا می کند و نیروی بدن ایجاد می کند.2c، d.هنگامی که حداکثر دما نزدیک به \(84\,^{\circ}\hbox {C}\) باشد، حداکثر نیروی مشاهده شده 105 نیوتن است.
نمودار نتایج تجربی دمای سیم SMA و نیروی ایجاد شده توسط محرک دووجهی مبتنی بر SMA را در طی دو سیکل نشان می دهد.ولتاژ ورودی در دو سیکل 10 ثانیه ای (به صورت نقاط قرمز نشان داده شده است) با دوره خنک شدن 15 ثانیه بین هر چرخه اعمال می شود.سیم SMA مورد استفاده برای آزمایش‌ها یک سیم فلکسینول با قطر 0.51 میلی‌متر از Dynalloy, Inc. بود. (a) نمودار نیروی آزمایشی به‌دست‌آمده در دو چرخه را نشان می‌دهد، (c, d) دو مثال مستقل از عملکرد محرک‌های بازوی متحرک بر روی PACEline CFT/5kN پیزوالکتریک را نشان می‌دهد. یک عکس لحظه ای دما را نشان می دهد که از سیم SMA با استفاده از دوربین LWIR نرم افزار FLIR ResearchIR گرفته شده است.پارامترهای هندسی در نظر گرفته شده در آزمایش ها در جدول آورده شده است.یکی
نتایج شبیه سازی مدل ریاضی و نتایج تجربی تحت شرایط ولتاژ ورودی 7 ولت، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، مقایسه می شوند.با توجه به نتایج تجزیه و تحلیل پارامتریک و به منظور جلوگیری از احتمال گرم شدن بیش از حد سیم SMA، توان 11.2 وات به محرک عرضه شد.منبع تغذیه DC قابل برنامه ریزی برای تامین ولتاژ 7 ولت به عنوان ولتاژ ورودی استفاده شد و جریان 1.6 آمپر در سراسر سیم اندازه گیری شد.نیروی تولید شده توسط درایو و دمای SDR با اعمال جریان افزایش می یابد.با ولتاژ ورودی 7 ولت، حداکثر نیروی خروجی حاصل از نتایج شبیه سازی و نتایج تجربی سیکل اول به ترتیب 78 نیوتن و 96 نیوتن است.در چرخه دوم، حداکثر نیروی خروجی نتایج شبیه سازی و تجربی به ترتیب 150 نیوتن و 105 نیوتن بود.اختلاف بین اندازه‌گیری‌های نیروی انسداد و داده‌های تجربی ممکن است به دلیل روش مورد استفاده برای اندازه‌گیری نیروی انسداد باشد.نتایج تجربی نشان داده شده در شکل.5a مطابق با اندازه گیری نیروی قفل است، که به نوبه خود هنگامی اندازه گیری می شود که محور محرک با مبدل نیروی پیزوالکتریک PACEline CFT/5kN در تماس باشد، همانطور که در شکل نشان داده شده است.2 ثانیهبنابراین، هنگامی که شفت محرک با سنسور نیرو در ابتدای منطقه خنک کننده تماس نداشته باشد، نیرو فوراً به صفر می رسد، همانطور که در شکل 2d نشان داده شده است.علاوه بر این، پارامترهای دیگری که بر تشکیل نیرو در چرخه‌های بعدی تأثیر می‌گذارند، مقادیر زمان خنک‌سازی و ضریب انتقال حرارت همرفتی در چرخه قبلی است.از انجیر2b، مشاهده می شود که پس از یک دوره خنک کننده 15 ثانیه، سیم SMA به دمای اتاق نرسیده و بنابراین دمای اولیه بالاتری (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) در چرخه دوم رانندگی نسبت به چرخه اول (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)) دارد.بنابراین، در مقایسه با سیکل اول، دمای سیم SMA در طول چرخه گرمایش دوم زودتر به دمای اولیه آستنیت (\(A_s\)) می‌رسد و در دوره انتقال بیشتر می‌ماند و در نتیجه تنش و نیرو ایجاد می‌شود.از سوی دیگر، توزیع دما در طول چرخه‌های گرمایش و سرمایش به‌دست‌آمده از آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌ها شباهت کیفی بالایی با نمونه‌هایی از آنالیز ترموگرافی دارد.تجزیه و تحلیل مقایسه ای داده های حرارتی سیم SMA از آزمایش ها و شبیه سازی ها ثبات در طول چرخه های گرمایش و سرمایش و در محدوده تحمل قابل قبول برای داده های تجربی را نشان داد.حداکثر دمای سیم SMA که از نتایج شبیه‌سازی و آزمایش‌های سیکل اول به‌دست می‌آید، به ترتیب \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) و \(75\,^{\circ }\hbox { C }\) است و در چرخه دوم حداکثر دمای سیم SMA {3},\\c{3},\\ci {3},\\ci {3},\\ci {4},\\ci است. ^{\circ }\ hbox {C}\).مدل اساسی توسعه یافته تأثیر اثر حافظه شکل را تأیید می کند.نقش خستگی و گرمای بیش از حد در این بررسی در نظر گرفته نشده است.در آینده، این مدل برای گنجاندن تاریخچه تنش سیم SMA بهبود خواهد یافت و آن را برای کاربردهای مهندسی مناسب‌تر می‌کند.نمودارهای نیروی خروجی درایو و دمای SMA به دست آمده از بلوک سیمولینک در محدوده تحمل مجاز داده های تجربی تحت شرایط یک پالس ولتاژ ورودی 7 ولت است. این صحت و قابلیت اطمینان مدل ریاضی توسعه یافته را تأیید می کند.
مدل ریاضی در محیط MathWorks Simulink R2020b با استفاده از معادلات اولیه توضیح داده شده در بخش روش‌ها توسعه داده شد.روی انجیرشکل 3b یک بلوک دیاگرام از مدل ریاضی سیمولینک را نشان می دهد.مدل برای یک پالس ولتاژ ورودی 7 ولت همانطور که در شکل 2a, b نشان داده شده است شبیه سازی شد.مقادیر پارامترهای مورد استفاده در شبیه‌سازی در جدول 1 آمده است. نتایج شبیه‌سازی فرآیندهای گذرا در شکل‌های 1 و 1 ارائه شده است. شکل‌های 3a و 4. در شکل.شکل 4a,b ولتاژ القایی در سیم SMA و نیروی تولید شده توسط محرک را به عنوان تابعی از زمان نشان می دهد. در طول تبدیل معکوس (گرمایش)، زمانی که دمای سیم SMA، \(T <A_s^{\prime}\) (دمای شروع فاز آستنیت اصلاح‌شده با استرس)، نرخ تغییر کسر حجمی مارتنزیت (\(\dot{\xi }\)) صفر خواهد بود. در طول تبدیل معکوس (گرمایش)، زمانی که دمای سیم SMA، \(T <A_s^{\prime}\) (دمای شروع فاز آستنیت اصلاح‌شده با استرس)، نرخ تغییر کسر حجمی مارتنزیت (\(\dot{\ xi }\)) صفر خواهد بود. Во вrerеrм оreареного пращения (нагрева) ، когда тre re res res провоریف \ (t <a_s^{\ prime} \) ( й й зыазы ، модицицицицицициццаная напржение گرم) ، скорость зrененения оъеrй доени мартени (\ (\ dot {{{{{{{{{{{{{\ در طول تبدیل معکوس (گرمایش)، زمانی که دمای سیم SMA، \(T <A_s^{\prime}\) (دمای شروع آستنیت اصلاح شده با استرس)، نرخ تغییر کسر حجمی مارتنزیت (\(\dot{\ xi }\ )) صفر خواهد بود.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T <A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\)) 将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t При обратном превращении (нагреве) при температуре проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (دمپراتوری зарождения аустенитной фазы с поправкой напряжение) به زودی изменения объемной дликсидот}(\) در طول تبدیل معکوس (گرمایش) در دمای سیم SMA \(T <A_s^{\prime}\) (دمای هسته شدن فاز آستنیت، اصلاح شده برای تنش)، نرخ تغییر در کسر حجمی مارتنزیت (\( \dot{\ xi }\)) برابر با صفر خواهد بود.بنابراین، نرخ تغییر تنش (\(\dot{\sigma}\)) تنها با استفاده از رابطه (1) به نرخ کرنش (\(\dot{\epsilon}\)) و گرادیان دما (\(\dot{\sigma}\)) بستگی دارد.با این حال، با افزایش دما و عبور سیم SMA (\(A_s^{\prime}\))، فاز آستنیت شروع به تشکیل می‌کند و (\(\dot{\xi}\)) به عنوان مقدار داده شده معادله (3) در نظر گرفته می‌شود.بنابراین، نرخ تغییر ولتاژ (\(\dot{\sigma}\)) به طور مشترک توسط \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) و \(\dot{\xi}\) کنترل می‌شود که برابر با فرمول (1) باشد.این تغییرات گرادیان مشاهده شده در نقشه های تنش و نیرو متغیر با زمان را در طول چرخه گرمایش توضیح می دهد، همانطور که در شکل 4a، b نشان داده شده است.
(الف) نتیجه شبیه‌سازی که توزیع دما و دمای اتصال ناشی از تنش را در یک محرک دو ارزشی مبتنی بر SMA نشان می‌دهد.هنگامی که دمای سیم از دمای انتقال آستنیت در مرحله گرمایش عبور می کند، دمای انتقال آستنیت اصلاح شده شروع به افزایش می کند و به طور مشابه، هنگامی که دمای میله سیم از دمای انتقال مارتنزیتی در مرحله خنک کننده عبور می کند، دمای انتقال مارتنزیتی کاهش می یابد.SMA برای مدل سازی تحلیلی فرآیند تحریک.(برای مشاهده جزئیات هر زیرسیستم یک مدل سیمولینک، به بخش پیوست فایل تکمیلی مراجعه کنید.)
نتایج تجزیه و تحلیل برای توزیع پارامترهای مختلف برای دو سیکل ولتاژ ورودی 7 ولت (10 چرخه گرم کردن ثانیه و سیکل خنک کردن 15 ثانیه) نشان داده شده است.در حالی که (ac) و (e) توزیع را در طول زمان نشان می دهند، از سوی دیگر، (d) و (f) توزیع را با دما نشان می دهند.برای شرایط ورودی مربوطه، حداکثر تنش مشاهده شده 106 مگاپاسکال (کمتر از 345 مگاپاسکال، استحکام تسلیم سیم)، نیرو 150 نیوتن، حداکثر جابجایی 270 میکرومتر و حداقل کسر حجمی مارتنزیتی 0.91 است.از سوی دیگر، تغییر تنش و تغییر در کسر حجمی مارتنزیت با دما مشابه ویژگی‌های هیسترزیس است.
همین توضیح در مورد تبدیل مستقیم (خنک کردن) از فاز آستنیت به فاز مارتنزیت، جایی که دمای سیم SMA (T) و دمای انتهای فاز مارتنزیت اصلاح‌شده با تنش (\(M_f^{\prime}\)) عالی است، صدق می‌کند.روی انجیر4d,f تغییر در تنش القایی (\(\sigma\)) و کسر حجمی مارتنزیت (\(\xi\)) را در سیم SMA به عنوان تابعی از تغییر دمای سیم SMA (T) برای هر دو چرخه رانندگی نشان می‌دهد.روی انجیرشکل 3a تغییر دمای سیم SMA را با زمان بسته به پالس ولتاژ ورودی نشان می دهد.همانطور که از شکل مشاهده می شود، دمای سیم با ارائه یک منبع حرارتی در ولتاژ صفر و متعاقب آن خنک سازی همرفتی به افزایش خود ادامه می دهد.در طول گرمایش، تبدیل مجدد مارتنزیت به فاز آستنیت زمانی آغاز می‌شود که دمای سیم SMA (T) از دمای هسته‌سازی آستنیت اصلاح‌شده (\(A_s^{\prime}\)) عبور کند.در طول این مرحله، سیم SMA فشرده شده و محرک نیرو تولید می کند.همچنین در طول خنک شدن، زمانی که دمای سیم SMA (T) از دمای هسته‌زایی فاز مارتنزیت اصلاح‌شده با تنش (\(M_s^{\prime}\)) عبور می‌کند، انتقال مثبت از فاز آستنیت به فاز مارتنزیت وجود دارد.نیروی محرکه کاهش می یابد.
جنبه های کیفی اصلی درایو دووجهی بر اساس SMA را می توان از نتایج شبیه سازی به دست آورد.در مورد ورودی پالس ولتاژ، دمای سیم SMA به دلیل اثر گرمایش ژول افزایش می یابد.مقدار اولیه کسر حجمی مارتنزیت (\(\xi\)) روی 1 تنظیم شده است، زیرا ماده در ابتدا در فاز کاملاً مارتنزیتی است.همانطور که سیم به گرم شدن ادامه می دهد، دمای سیم SMA از دمای هسته آستنیت اصلاح شده با تنش \(A_s^{\prime}\) فراتر می رود و در نتیجه کسر حجمی مارتنزیت کاهش می یابد، همانطور که در شکل 4c نشان داده شده است.علاوه بر این، در شکل.شکل 4e توزیع ضربات محرک را در زمان نشان می دهد و در شکل.5- نیروی محرکه به عنوان تابعی از زمان.یک سیستم معادلات مرتبط شامل دما، کسر حجمی مارتنزیت و تنشی است که در سیم ایجاد می‌شود و در نتیجه سیم SMA و نیروی ایجاد شده توسط محرک منقبض می‌شود.همانطور که در شکل نشان داده شده است.4d,f، تغییرات ولتاژ با دما و تغییرات کسر حجمی مارتنزیت با دما با ویژگی‌های پسماند SMA در حالت شبیه‌سازی شده در 7 ولت مطابقت دارد.
مقایسه پارامترهای رانندگی از طریق آزمایشات و محاسبات تحلیلی به دست آمد.سیم ها به مدت 10 ثانیه تحت یک ولتاژ ورودی پالسی 7 ولت قرار گرفتند، سپس به مدت 15 ثانیه (فاز خنک کننده) طی دو سیکل خنک شدند.زاویه سنجاق روی \(40^{\circ}\) و طول اولیه سیم SMA در هر پایه تک پایه روی 83 میلی متر تنظیم شده است.(الف) اندازه گیری نیروی محرکه با لودسل (ب) نظارت بر دمای سیم با دوربین مادون قرمز حرارتی.
به منظور درک تأثیر پارامترهای فیزیکی بر نیروی تولید شده توسط درایو، تجزیه و تحلیل حساسیت مدل ریاضی به پارامترهای فیزیکی انتخاب شده انجام شد و پارامترها با توجه به تأثیر آنها رتبه‌بندی شدند.ابتدا، نمونه‌برداری از پارامترهای مدل با استفاده از اصول طراحی آزمایشی که از توزیع یکنواخت پیروی می‌کردند انجام شد (به بخش تکمیلی در تحلیل حساسیت مراجعه کنید).در این مورد، پارامترهای مدل شامل ولتاژ ورودی (\(V_{in}\))، طول سیم SMA اولیه (\(l_0\))، زاویه مثلث (\(\alpha\))، ثابت فنر بایاس (\(K_x\ ))، ضریب انتقال حرارت همرفتی (\(h_T\)) و تعداد شاخه‌های یکپارچه (n) است.در مرحله بعد، حداکثر قدرت عضلانی به عنوان نیاز طرح مطالعه انتخاب شد و اثرات پارامتریک هر مجموعه از متغیرها بر قدرت به دست آمد.نمودارهای گردباد برای تجزیه و تحلیل حساسیت از ضرایب همبستگی برای هر پارامتر، همانطور که در شکل 6a نشان داده شده است، به دست آمد.
(الف) مقادیر ضریب همبستگی پارامترهای مدل و تأثیر آنها بر حداکثر نیروی خروجی 2500 گروه منحصر به فرد از پارامترهای مدل فوق در نمودار گردباد نشان داده شده است.نمودار همبستگی رتبه چند شاخص را نشان می دهد.واضح است که \(V_{in}\) تنها پارامتر با همبستگی مثبت و \(l_0\) پارامتری است که بیشترین همبستگی منفی را دارد.تاثیر پارامترهای مختلف در ترکیبات مختلف بر حداکثر قدرت عضلانی در (b, c) نشان داده شده است.محدوده \(K_x\) از 400 تا 800 نیوتن بر متر و n محدوده بین 4 تا 24 است. ولتاژ (\(V_{in}\)) از 4 ولت به 10 ولت، طول سیم (\(l_{0 } \)) از 40 به 100 میلی متر تغییر کرد، و زاویه دم از pha 2 (\) – (\) تغییر کرد. \).
روی انجیر6a نمودار گردبادی از ضرایب همبستگی مختلف را برای هر پارامتر با الزامات طراحی نیروی محرکه اوج نشان می دهد.از انجیر6a مشاهده می شود که پارامتر ولتاژ (\(V_{in}\)) مستقیماً با حداکثر نیروی خروجی مرتبط است و ضریب انتقال حرارت همرفتی (\(h_T\))، زاویه شعله (\ (\alpha\))، ثابت جابجایی فنر ( \(K_x\)) با طول اولیه سیم (0) و نیروی خروجی S همبستگی منفی دارد. شاخه‌های dal (n) یک همبستگی معکوس قوی را نشان می‌دهند در مورد همبستگی مستقیم، در مورد مقدار بالاتر ضریب همبستگی ولتاژ (\(V_ {in}\)) نشان می‌دهد که این پارامتر بیشترین تأثیر را بر توان خروجی دارد.تجزیه و تحلیل مشابه دیگری، نیروی پیک را با ارزیابی اثر پارامترهای مختلف در ترکیب های مختلف دو فضای محاسباتی، همانطور که در شکل 6b، c نشان داده شده است، اندازه گیری می کند.\(V_{in}\) و \(l_0\)، \(\alpha\) و \(l_0\) الگوهای مشابهی دارند، و نمودار نشان می دهد که \(V_{in}\) و \(\alpha\ ) و \(\alpha\) الگوهای مشابهی دارند.مقادیر کوچکتر \(l_0\) منجر به نیروهای پیک بالاتری می شود.دو نمودار دیگر با شکل 6a مطابقت دارند، جایی که n و \(K_x\) همبستگی منفی دارند و \(V_{in}\) همبستگی مثبت دارند.این تجزیه و تحلیل به تعریف و تنظیم پارامترهای تأثیرگذار کمک می کند که توسط آنها نیروی خروجی، ضربه و کارایی سیستم درایو را می توان با الزامات و کاربرد تطبیق داد.
کار تحقیقاتی فعلی درایوهای سلسله مراتبی با سطوح N را معرفی و بررسی می کند.در یک سلسله مراتب دو سطحی، همانطور که در شکل 7a نشان داده شده است، جایی که به جای هر سیم SMA محرک سطح اول، یک آرایش دو وجهی به دست می آید، همانطور که در شکل نشان داده شده است.9e.روی انجیر7c نشان می دهد که چگونه سیم SMA به دور یک بازوی متحرک (بازوی کمکی) که فقط در جهت طولی حرکت می کند، پیچیده می شود.با این حال، بازوی متحرک اولیه مانند بازوی متحرک محرک چند مرحله ای مرحله اول به حرکت خود ادامه می دهد.به طور معمول، یک درایو مرحله N با جایگزینی سیم SMA مرحله \(N-1\) با یک درایو مرحله اول ایجاد می شود.در نتیجه، هر شاخه از درایو مرحله اول تقلید می کند، به استثنای شاخه ای که خود سیم را نگه می دارد.به این ترتیب می توان ساختارهای تودرتویی را تشکیل داد که نیروهایی چندین برابر بیشتر از نیروهای درایوهای اولیه ایجاد می کنند.در این مطالعه، برای هر سطح، کل طول سیم SMA موثر 1 متر در نظر گرفته شد، همانطور که در قالب جدولی در شکل 7d نشان داده شده است.جریان عبوری از هر سیم در هر طرح تک وجهی و پیش تنیدگی و ولتاژ حاصل در هر بخش سیم SMA در هر سطح یکسان است.طبق مدل تحلیلی ما، نیروی خروجی با سطح همبستگی مثبت دارد، در حالی که جابجایی همبستگی منفی دارد.در همان زمان، بین جابه‌جایی و قدرت عضلانی یک مبادله وجود داشت.همانطور که در شکل مشاهده می شود.7b، در حالی که حداکثر نیرو در بیشترین تعداد لایه به دست می آید، بیشترین جابجایی در کمترین لایه مشاهده می شود.وقتی سطح سلسله مراتب روی \(N=5\" تنظیم شد، اوج نیروی عضلانی 2.58 کیلونیوتن با 2 ضربه مشاهده شده \(\upmu\)m پیدا شد.از طرف دیگر، درایو مرحله اول نیرویی برابر با 150 نیوتن در یک حرکت 277 \(\upmu\)m ایجاد می کند.محرک‌های چند سطحی قادر به تقلید ماهیچه‌های بیولوژیکی واقعی هستند، جایی که ماهیچه‌های مصنوعی مبتنی بر آلیاژهای حافظه شکل قادر به تولید نیروهای بسیار بالاتر با حرکات دقیق و ظریف‌تر هستند.محدودیت‌های این طراحی کوچک این است که با افزایش سلسله مراتب، حرکت بسیار کاهش می‌یابد و پیچیدگی فرآیند تولید درایو افزایش می‌یابد.
(الف) یک سیستم محرک خطی دو مرحله ای (\(N=2\)) حافظه شکل لایه ای آلیاژی در یک پیکربندی دو وجهی نشان داده شده است.مدل پیشنهادی با جایگزینی سیم SMA در محرک لایه‌ای مرحله اول با محرک لایه‌ای تک مرحله‌ای دیگر به دست می‌آید.(ج) پیکربندی تغییر شکل محرک چند لایه مرحله دوم.(ب) توزیع نیروها و جابجایی ها بسته به تعداد سطوح توضیح داده شده است.مشخص شده است که نیروی پیک محرک با سطح مقیاس در نمودار همبستگی مثبت دارد، در حالی که ضربه با سطح مقیاس همبستگی منفی دارد.جریان و پیش ولتاژ در هر سیم در تمام سطوح ثابت می ماند.(د) جدول تعداد ضربه ها و طول سیم SMA (فیبر) را در هر سطح نشان می دهد.مشخصات سیم ها با شاخص 1 و تعداد شاخه های ثانویه (یکی که به پایه اصلی متصل است) با بیشترین تعداد در زیرنویس نشان داده می شود.به عنوان مثال، در سطح 5، \(n_1\) به تعداد سیم‌های SMA موجود در هر ساختار دووجهی و \(n_5\) به تعداد پایه‌های کمکی (یکی که به پایه اصلی متصل است) اشاره دارد.
روش‌های مختلفی توسط بسیاری از محققین برای مدل‌سازی رفتار SMAs با حافظه شکل پیشنهاد شده‌اند که به خواص ترمومکانیکی همراه با تغییرات ماکروسکوپی در ساختار کریستالی مرتبط با انتقال فاز بستگی دارد.فرمول بندی روش های سازنده ذاتاً پیچیده است.متداول ترین مدل پدیدارشناسی مورد استفاده توسط Tanaka28 ارائه شده است و به طور گسترده در کاربردهای مهندسی استفاده می شود.مدل پدیدارشناسی ارائه شده توسط تاناکا [28] فرض می کند که کسر حجمی مارتنزیت تابعی نمایی از دما و تنش است.بعداً، لیانگ و راجرز29 و برینسون30 مدلی را پیشنهاد کردند که در آن دینامیک انتقال فاز با تغییرات جزئی در مدل، تابع کسینوس ولتاژ و دما در نظر گرفته شد.بکر و برینسون یک مدل جنبشی مبتنی بر نمودار فازی را برای مدل‌سازی رفتار مواد SMA در شرایط بارگذاری دلخواه و همچنین انتقال جزئی پیشنهاد کردند.Banerjee32 از روش دینامیک نمودار فاز Bekker و Brinson31 برای شبیه سازی یک دستکاری کننده درجه آزادی که توسط Elahinia و Ahmadian33 توسعه یافته است، استفاده می کند.روش‌های جنبشی مبتنی بر نمودارهای فاز، که تغییر غیر یکنواخت ولتاژ با دما را در نظر می‌گیرند، در کاربردهای مهندسی دشوار است.الاخی نیا و احمدیان توجه را به این کاستی‌های مدل‌های پدیدارشناسی موجود جلب می‌کنند و یک مدل پدیدارشناختی توسعه‌یافته برای تحلیل و تعریف رفتار حافظه شکل تحت هر شرایط بارگذاری پیچیده پیشنهاد می‌کنند.
مدل ساختاری سیم SMA تنش (\(\سیگما\))، کرنش (\(\epsilon\))، دما (T) و کسر حجمی مارتنزیت (\(\xi\)) سیم SMA را می دهد.مدل سازنده پدیدارشناختی ابتدا توسط Tanaka28 ارائه شد و بعداً توسط Liang29 و Brinson30 پذیرفته شد.مشتق معادله به شکل زیر است:
که در آن E مدول SMA یانگ وابسته به فاز است که با استفاده از \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) و \(E_A\) و \(E_M\) که نشان دهنده مدول یانگ هستند به ترتیب فازهای آستنیتی و مارتنزیتی هستند و ضریب ضریب انبساط حرارتی \(T) نشان داده می شود.فاکتور سهم انتقال فاز \(\Omega = -E \epsilon _L\) و \(\epsilon _L\) حداکثر کرنش قابل بازیافت در سیم SMA است.
معادله دینامیک فاز با تابع کسینوس توسعه یافته توسط Liang29 و بعداً توسط Brinson30 به جای تابع نمایی پیشنهاد شده توسط Tanaka28 مطابقت دارد.مدل انتقال فاز توسعه ای از مدل پیشنهادی الاخی نیا و احمدیان34 است که بر اساس شرایط انتقال فاز ارائه شده توسط Liang29 و Brinson30 اصلاح شده است.شرایط مورد استفاده برای این مدل انتقال فاز تحت بارهای ترمومکانیکی پیچیده معتبر است.در هر لحظه از زمان، مقدار کسر حجمی مارتنزیت هنگام مدل‌سازی معادله سازنده محاسبه می‌شود.
معادله تبدیل مجدد حاکم که با تبدیل مارتنزیت به آستنیت در شرایط گرمایش بیان می‌شود، به شرح زیر است:
که در آن \(\xi\) کسر حجمی مارتنزیت است، \(\xi _M\) کسر حجمی مارتنزیت است که قبل از گرم کردن به‌دست می‌آید، \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\)، \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) و \(C_A/C_A\) و \(C_A/Ap/s) و پارامتر دما (A_f\) – ابتدا و انتهای فاز آستنیت به ترتیب دما.
معادله کنترل تبدیل مستقیم که با تبدیل فاز آستنیت به مارتنزیت در شرایط خنک‌کننده نشان داده می‌شود:
که در آن \(\xi _A\) کسر حجمی مارتنزیت به‌دست‌آمده قبل از خنک‌سازی است، \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\)، \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) و \ (C_M \) - پارامترهای اتصال منحنی، T – SMA سیم‌های نهایی، دمای اولیه سیم، T – SMA، دمای اولیه marf\s و \M .
پس از تفکیک معادلات (3) و (4)، معادلات تبدیل معکوس و مستقیم به شکل زیر ساده شده است:
در طول تبدیل رو به جلو و عقب \(\eta _{\sigma}\) و \(\eta _{T}\) مقادیر متفاوتی می گیرند.معادلات اساسی مرتبط با \(\eta _{\sigma}\) و \(\eta _{T}\) استخراج شده و در بخش دیگری به تفصیل مورد بحث قرار گرفته است.
انرژی حرارتی مورد نیاز برای افزایش دمای سیم SMA از اثر گرمایش ژول می آید.انرژی حرارتی جذب یا آزاد شده توسط سیم SMA با گرمای نهان تبدیل نشان داده می شود.اتلاف حرارت در سیم SMA به دلیل همرفت اجباری است و با توجه به تأثیر ناچیز تابش، معادله تعادل انرژی گرمایی به شرح زیر است:
در جایی که \(m_{wire}\) جرم کل سیم SMA است، \(c_{p}\) ظرفیت گرمایی ویژه SMA است، \(V_{in}\) ولتاژ اعمال شده به سیم است، \(R_{ohm} \ ) – مقاومت وابسته به فاز SMA، تعریف می‌شود.\(R_{ohm} = (l/A_{متقاطع})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) که در آن \(r_M\ ) و \(r_A\) به ترتیب مقاومت فاز SMA در مارتنزیت و آستنیت هستند، \(A_{c}\) \(A_{c}\) مساحت سطح سیم a است، \(A_{c}\) سطح سیم a است.گرمای نهان انتقال سیم، T و \(T_{\infty}\) به ترتیب دمای سیم SMA و محیط هستند.
هنگامی که یک سیم آلیاژ حافظه دار فعال می شود، سیم فشرده می شود و در هر شاخه از طرح دووجهی نیرویی به نام نیروی فیبر ایجاد می شود.نیروهای الیاف در هر رشته سیم SMA با هم نیروی عضلانی را ایجاد می کنند، همانطور که در شکل 9e نشان داده شده است.به دلیل وجود فنر بایاس، کل نیروی عضلانی محرک چندلایه N ام برابر است با:
با جایگزینی \(N = 1\) به معادله (7)، قدرت عضلانی نمونه اولیه درایو دووجهی مرحله اول را می توان به صورت زیر بدست آورد:
که در آن n تعداد پایه های تک وجهی است، \(F_m\) نیروی عضلانی ایجاد شده توسط درایو، \​(F_f\) قدرت فیبر در سیم SMA، \(K_x\) سفتی بایاس است.فنر، \(\alpha\) زاویه مثلث است، \(x_0\) انحراف اولیه فنر بایاس برای نگه داشتن کابل SMA در موقعیت پیش تنیده و \(\Delta x\) حرکت محرک است.
کل جابجایی یا حرکت درایو (\(\Delta x\)) بسته به ولتاژ (\(\sigma\)) و کرنش (\(\epsilon\)) روی سیم SMA مرحله N ام، درایو روی (شکل قسمت اضافی خروجی را ببینید):
معادلات سینماتیکی رابطه بین تغییر شکل درایو (\(\epsilon\)) و جابجایی یا جابجایی (\(\Delta x\)) را نشان می دهد.تغییر شکل سیم Arb به عنوان تابعی از طول سیم Arb اولیه (\(l_0\)) و طول سیم (l) در هر زمان t در یک شاخه تک وجهی به شرح زیر است:
جایی که \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) با اعمال فرمول کسینوس در \(\Delta\)ABB '، همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است، به دست می آید. ، و \(\alpha _1\) \(\alpha \) است همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است، با افتراق زمان از رابطه (11) و جایگزینی مقدار l، نرخ کرنش را می توان به صورت زیر نوشت:
جایی که \(l_0\) طول اولیه سیم SMA است، l طول سیم در هر زمان t در یک شاخه تک وجهی است، \(\epsilon\) تغییر شکل ایجاد شده در سیم SMA، و \(\alpha \) زاویه مثلث است، \(\Delta x\) آفست درایو است (همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است).
تمام n ساختار تک پیک (\(n=6\) در این شکل) به صورت سری با \(V_{in}\) به عنوان ولتاژ ورودی متصل شده اند.مرحله I: نمودار شماتیک سیم SMA در یک پیکربندی دووجهی تحت شرایط ولتاژ صفر مرحله II: یک ساختار کنترل شده نشان داده شده است که در آن سیم SMA به دلیل تبدیل معکوس فشرده می شود، همانطور که توسط خط قرمز نشان داده شده است.
به عنوان اثبات مفهوم، یک درایو دووجهی مبتنی بر SMA برای آزمایش اشتقاق شبیه‌سازی شده معادلات زیربنایی با نتایج تجربی توسعه داده شد.مدل CAD محرک خطی دووجهی در شکل نشان داده شده است.9a.از سوی دیگر، در شکل.9c طرح جدیدی را نشان می دهد که برای اتصال منشوری چرخشی با استفاده از یک محرک دو صفحه ای مبتنی بر SMA با ساختار دووجهی پیشنهاد شده است.اجزای درایو با استفاده از ساخت افزودنی بر روی چاپگر سه بعدی Ultimaker 3 Extended ساخته شدند.ماده مورد استفاده برای پرینت سه بعدی قطعات پلی کربنات است که برای مواد مقاوم در برابر حرارت مناسب است زیرا قوی، بادوام است و دمای انتقال شیشه ای بالایی دارد (110-113 \(^{\circ }\) C).علاوه بر این، سیم آلیاژ حافظه دار Dynalloy, Inc. Flexinol در آزمایش ها استفاده شد و خواص مواد مربوط به سیم فلکسینول در شبیه سازی ها استفاده شد.سیم‌های SMA متعدد به‌عنوان الیاف موجود در آرایش دووجهی ماهیچه‌ها برای به دست آوردن نیروهای زیاد تولید شده توسط محرک‌های چندلایه، همانطور که در شکل 9b، d نشان داده شده است، مرتب می‌شوند.
همانطور که در شکل 9a نشان داده شده است، زاویه حاد تشکیل شده توسط سیم SMA بازوی متحرک، زاویه (\(\alpha\)) نامیده می شود.با گیره های ترمینال متصل به گیره های چپ و راست، سیم SMA در زاویه دووجهی مورد نظر نگه داشته می شود.دستگاه فنر بایاس که روی کانکتور فنر نگه داشته می شود برای تنظیم گروه های مختلف گسترش فنر بایاس با توجه به تعداد (n) الیاف SMA طراحی شده است.علاوه بر این، محل قرارگیری قطعات متحرک به گونه ای طراحی شده است که سیم SMA برای خنک سازی اجباری همرفت در معرض محیط خارجی قرار می گیرد.صفحات بالا و پایین مجموعه جداشدنی به خنک نگه داشتن سیم SMA با برش های اکسترود شده برای کاهش وزن کمک می کند.علاوه بر این، هر دو سر سیم CMA به ترتیب به ترمینال های چپ و راست با استفاده از یک چین خوردگی ثابت می شوند.یک پیستون به یک انتهای مجموعه متحرک متصل شده است تا فاصله بین صفحات بالا و پایین را حفظ کند.همچنین از پیستون برای اعمال نیروی مسدود کننده به سنسور از طریق یک کنتاکت برای اندازه گیری نیروی مسدود کننده هنگام فعال شدن سیم SMA استفاده می شود.
ساختار عضلانی دو وجهی SMA به صورت الکتریکی به صورت سری متصل می شود و توسط یک ولتاژ پالس ورودی تغذیه می شود.در طول چرخه پالس ولتاژ، زمانی که ولتاژ اعمال می شود و سیم SMA بالاتر از دمای اولیه آستنیت گرم می شود، طول سیم در هر رشته کوتاه می شود.این عقب نشینی زیر مجموعه بازوی متحرک را فعال می کند.هنگامی که ولتاژ در همان چرخه صفر شد، سیم SMA گرم شده زیر دمای سطح مارتنزیت خنک شد و در نتیجه به موقعیت اولیه خود بازگشت.در شرایط تنش صفر، سیم SMA ابتدا به صورت غیرفعال توسط یک فنر بایاس کشیده می شود تا به حالت مارتنزیتی دوتایی برسد.پیچی که سیم SMA از آن عبور می کند به دلیل فشردگی ایجاد شده با اعمال یک پالس ولتاژ به سیم SMA حرکت می کند (SPA به فاز آستنیت می رسد) که منجر به فعال شدن اهرم متحرک می شود.هنگامی که سیم SMA جمع می شود، فنر بایاس با کشش بیشتر فنر نیروی مخالف ایجاد می کند.هنگامی که تنش در ولتاژ ضربه صفر می شود، سیم SMA دراز می شود و شکل خود را به دلیل خنک کردن جابجایی اجباری تغییر می دهد و به فاز مارتنزیتی مضاعف می رسد.
سیستم محرک خطی مبتنی بر SMA دارای یک پیکربندی دووجهی است که در آن سیم‌های SMA زاویه‌دار هستند.(الف) یک مدل CAD از نمونه اولیه را به تصویر می‌کشد که برخی از اجزا و معانی آنها را برای نمونه اولیه ذکر می‌کند، (ب، د) نمونه اولیه آزمایشی توسعه‌یافته را نشان می‌دهد.در حالی که (b) نمای بالایی از نمونه اولیه را با اتصالات الکتریکی و فنرهای بایاس و فشار سنج های استفاده شده نشان می دهد، (d) نمای پرسپکتیو تنظیم را نشان می دهد.(ه) نمودار یک سیستم تحریک خطی با سیم‌های SMA که در هر زمان t به صورت دو وجهی قرار می‌گیرند، که جهت و مسیر فیبر و قدرت عضلانی را نشان می‌دهد.(ج) یک اتصال منشوری چرخشی 2-DOF برای استقرار یک محرک مبتنی بر SMA دو صفحه پیشنهاد شده است.همانطور که نشان داده شده است، پیوند حرکت خطی را از درایو پایین به بازوی بالایی منتقل می کند و یک اتصال چرخشی ایجاد می کند.از طرف دیگر، حرکت جفت منشور همانند حرکت درایو مرحله اول چند لایه است.
یک مطالعه تجربی بر روی نمونه اولیه نشان داده شده در شکل 9b برای ارزیابی عملکرد یک درایو دووجهی بر اساس SMA انجام شد.همانطور که در شکل 10a نشان داده شده است، تنظیم آزمایشی شامل یک منبع تغذیه DC قابل برنامه ریزی برای تامین ولتاژ ورودی به سیم های SMA بود.همانطور که در شکل نشان داده شده است.10b، یک فشار سنج پیزوالکتریک (PACEline CFT/5kN) برای اندازه‌گیری نیروی مسدودکننده با استفاده از یک دیتالاگر Graphtec GL-2000 استفاده شد.داده ها توسط میزبان برای مطالعه بیشتر ثبت می شود.کرنش سنج ها و تقویت کننده های شارژ نیاز به منبع تغذیه ثابت برای تولید سیگنال ولتاژ دارند.سیگنال های مربوطه با توجه به حساسیت سنسور نیروی پیزوالکتریک و سایر پارامترها همانطور که در جدول 2 توضیح داده شده است به خروجی برق تبدیل می شوند. هنگامی که یک پالس ولتاژ اعمال می شود، دمای سیم SMA افزایش می یابد و باعث فشرده شدن سیم SMA می شود که باعث ایجاد نیرو در محرک می شود.نتایج تجربی خروجی قدرت عضلانی توسط یک پالس ولتاژ ورودی 7 ولت در شکل نشان داده شده است.2a.
(الف) یک سیستم محرک خطی مبتنی بر SMA در آزمایش برای اندازه گیری نیروی تولید شده توسط محرک راه اندازی شد.لودسل نیروی مسدود کننده را اندازه گیری می کند و توسط یک منبع تغذیه 24 ولت DC تغذیه می شود.یک افت ولتاژ 7 ولت در تمام طول کابل با استفاده از منبع تغذیه DC قابل برنامه ریزی GW Instek اعمال شد.سیم SMA در اثر گرما منقبض می شود و بازوی متحرک با لودسل تماس می گیرد و نیروی مسدود کننده اعمال می کند.لودسل به دیتالاگر GL-2000 متصل می شود و داده ها برای پردازش بیشتر در هاست ذخیره می شوند.(ب) نمودار نشان دهنده زنجیره اجزای مجموعه آزمایشی برای اندازه گیری قدرت عضلانی.
آلیاژهای حافظه شکل توسط انرژی حرارتی برانگیخته می شوند، بنابراین دما به یک پارامتر مهم برای مطالعه پدیده حافظه شکل تبدیل می شود.به طور تجربی، همانطور که در شکل 11a نشان داده شده است، تصویربرداری حرارتی و اندازه گیری دما بر روی یک محرک دو رقمی مبتنی بر SMA نمونه اولیه انجام شد.همانطور که در شکل 11b نشان داده شده است، یک منبع DC قابل برنامه ریزی، ولتاژ ورودی را به سیم های SMA در تنظیمات آزمایشی اعمال می کند.تغییر دمای سیم SMA در زمان واقعی با استفاده از دوربین LWIR با وضوح بالا (FLIR A655sc) اندازه‌گیری شد.میزبان از نرم افزار ResearchIR برای ثبت داده ها برای پس پردازش بیشتر استفاده می کند.هنگامی که یک پالس ولتاژ اعمال می شود، دمای سیم SMA افزایش می یابد و باعث جمع شدن سیم SMA می شود.روی انجیرشکل 2b نتایج تجربی دمای سیم SMA را در مقابل زمان برای یک پالس ولتاژ ورودی 7 ولت نشان می دهد.