Kiitos vierailustasi Nature.comissa.Käyttämässäsi selainversiossa on rajoitettu CSS-tuki.Parhaan kokemuksen saamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan Yhteensopivuustila käytöstä Internet Explorerissa).Sillä välin varmistaaksemme jatkuvan tuen hahmonnamme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä.
Toimilaitteita käytetään kaikkialla ja ne luovat ohjattua liikettä käyttämällä oikeaa herätevoimaa tai vääntömomenttia erilaisiin tuotanto- ja teollisuusautomaatiotoimintoihin.Tarve nopeampiin, pienempiin ja tehokkaampiin taajuusmuuttajiin ajaa innovaatioita taajuusmuuttajien suunnittelussa.SMA (Shape Memory Alloy) -asemat tarjoavat monia etuja perinteisiin asemiin verrattuna, mukaan lukien korkea teho-painosuhde.Tässä väitöskirjassa kehitettiin kaksisulkainen SMA-pohjainen toimilaite, jossa yhdistyvät biologisten järjestelmien höyhenlihasten edut ja SMA:iden ainutlaatuiset ominaisuudet.Tämä tutkimus tutkii ja laajentaa aiempia SMA-toimilaitteita kehittämällä uuden toimilaitteen matemaattisen mallin, joka perustuu bimodaaliseen SMA-lankajärjestelyyn ja testaamalla sitä kokeellisesti.Verrattuna tunnettuihin SMA-pohjaisiin käyttöihin uuden taajuusmuuttajan käyttövoima on vähintään 5 kertaa suurempi (jopa 150 N).Vastaava painonpudotus on noin 67 %.Matemaattisten mallien herkkyysanalyysin tulokset ovat hyödyllisiä suunnitteluparametrien virittämisessä ja keskeisten parametrien ymmärtämisessä.Tässä tutkimuksessa esitellään lisäksi monitasoinen N:nnen vaiheen käyttö, jota voidaan käyttää dynamiikan parantamiseen.SMA-pohjaisilla dipvaleraattilihastoimilaitteilla on laaja valikoima sovelluksia rakennusautomaatiosta tarkkuuslääkkeiden annostelujärjestelmiin.
Biologiset järjestelmät, kuten nisäkkäiden lihasrakenteet, voivat aktivoida monia hienovaraisia ​​toimilaitteita1.Nisäkkäillä on erilaiset lihasrakenteet, joista jokainen palvelee tiettyä tarkoitusta.Suuri osa nisäkkään lihaskudoksen rakenteesta voidaan kuitenkin jakaa kahteen laajaan luokkaan.Yhdensuuntainen ja pennate.Reisilihaksissa ja muissa koukuttajissa, kuten nimestä voi päätellä, rinnakkaisessa lihaksistossa on keskijänteen kanssa samansuuntaisia ​​lihaskuituja.Lihaskuituketju on linjassa ja toiminnallisesti yhdistetty niitä ympäröivällä sidekudoksella.Vaikka näillä lihaksilla sanotaan olevan suuri kiertomatka (prosentin lyheneminen), niiden yleinen lihasvoima on hyvin rajallinen.Sitä vastoin pohkeen tricepslihaksessa2 (lateral gastrocnemius (GL)3, mediaal gastrocnemius (GM)4 ja soleus (SOL)) ja extensor femoris (quadriceps)5,6 pennate lihaskudosta löytyy jokaisesta lihasta7.Pintarakenteessa bipennate-lihaksiston lihassäikeet ovat läsnä keskijänteen molemmilla puolilla vinoissa kulmissa (pinnate kulmat).Pennate tulee latinan sanasta "penna", joka tarkoittaa "kynää", ja kuten kuvassa1 on höyhenen kaltainen ulkonäkö.Pennate-lihasten kuidut ovat lyhyempiä ja vinossa lihaksen pituusakseliin nähden.Pinnaterakenteen ansiosta näiden lihasten yleinen liikkuvuus vähenee, mikä johtaa lyhennysprosessin poikittais- ja pituussuuntaisiin komponentteihin.Toisaalta näiden lihasten aktivointi johtaa suurempaan kokonaislihasvoimaan johtuen tavasta, jolla fysiologinen poikkileikkauspinta-ala mitataan.Siksi annetulla poikkileikkausalueella pennate-lihakset ovat vahvempia ja tuottavat suurempia voimia kuin lihakset, joissa on samansuuntaisia ​​säikeitä.Yksittäisten säikeiden tuottamat voimat tuottavat lihasvoimia makroskooppisella tasolla kyseisessä lihaskudoksessa.Lisäksi sillä on sellaisia ​​ainutlaatuisia ominaisuuksia kuin nopea kutistuminen, suoja vetolujuutta vastaan, iskunvaimennus.Se muuttaa kuidun syötteen ja lihasten tehon välistä suhdetta hyödyntämällä lihasten toimintalinjoihin liittyvän kuidun ainutlaatuisia ominaisuuksia ja geometrista monimutkaisuutta.
Esitetyt kaaviot olemassa olevista SMA-pohjaisista toimilaitemalleista suhteessa bimodaaliseen lihasarkkitehtuuriin, esimerkiksi (a), jotka edustavat kosketusvoiman vuorovaikutusta, kun SMA-johtimilla ohjattu käsin muotoiltu laite on asennettu kaksipyöräiseen autonomiseen liikkuvaan robottiin9,10., (b) Robotti orbitaaliproteesi antagonistisesti sijoitetulla SMA-jousikuormitetulla orbitaaliproteesilla.Proteettisen silmän asentoa ohjaa signaali silmän silmälihaksesta11, (c) SMA-toimilaitteet sopivat erinomaisesti vedenalaisiin sovelluksiin korkean taajuusvasteen ja pienen kaistanleveyden ansiosta.Tässä konfiguraatiossa SMA-toimilaitteita käytetään aaltoliikkeen luomiseen simuloimalla kalan liikettä, (d) SMA-toimilaitteita käytetään mikroputkien tarkastusrobotin luomiseen, joka voi käyttää tuuman matoliikeperiaatetta, jota ohjataan SMA-lankojen liikkeellä kanavan 10 sisällä, (e) näyttää lihassäikeiden supistumissuunnan ja tuottaa lihassäikeen muotoa supistumisvoimaa gastrocnemius-kudoksessa MA.
Toimilaitteista on tullut tärkeä osa mekaanisia järjestelmiä niiden laajan käyttöalueen ansiosta.Siksi pienempien, nopeampien ja tehokkaampien asemien tarve on kriittinen.Edustaan ​​huolimatta perinteiset asemat ovat osoittautuneet kalliiksi ja aikaavieviksi ylläpitää.Hydrauliset ja pneumaattiset toimilaitteet ovat monimutkaisia ​​ja kalliita, ja ne ovat alttiina kulumiselle, voiteluongelmille ja komponenteille.Vastauksena kysyntään painopiste on kustannustehokkaiden, mitoiltaan optimoitujen ja edistyksellisten, älykkäisiin materiaaleihin perustuvien toimilaitteiden kehittämisessä.Jatkuvassa tutkimuksessa tarkastellaan SMA-kerroksisia toimilaitteita tämän tarpeen täyttämiseksi.Hierarkkiset toimilaitteet ovat ainutlaatuisia siinä mielessä, että ne yhdistävät monia erillisiä toimilaitteita geometrisesti monimutkaisiksi makromittakaava-alijärjestelmiksi tarjotakseen lisättyä ja laajennettua toimivuutta.Tässä suhteessa edellä kuvattu ihmisen lihaskudos tarjoaa erinomaisen monikerroksisen esimerkin tällaisesta monikerroksisesta toiminnasta.Tässä tutkimuksessa kuvataan monitasoista SMA-taajuusmuuttajaa, jossa on useita yksittäisiä käyttöelementtejä (SMA-johtimia), jotka on kohdistettu bimodaalisissa lihaksissa esiintyviin kuitusuuntauksiin, mikä parantaa yleistä aseman suorituskykyä.
Toimilaitteen päätarkoitus on tuottaa mekaanista tehoa, kuten voimaa ja siirtymää muuntamalla sähköenergiaa.Muotomuistilejeeringit ovat luokka "älykkäitä" materiaaleja, jotka voivat palauttaa muotonsa korkeissa lämpötiloissa.Suurilla kuormituksilla SMA-langan lämpötilan nousu johtaa muodon palautumiseen, mikä johtaa korkeampaan käyttöenergiatiheyteen verrattuna erilaisiin suoraan sidottuihin älykkäisiin materiaaleihin.Samaan aikaan SMA:t muuttuvat hauraiksi mekaanisen kuormituksen alaisena.Tietyissä olosuhteissa syklinen kuorma voi absorboida ja vapauttaa mekaanista energiaa, mikä osoittaa palautuvia hystereettisiä muotomuutoksia.Nämä ainutlaatuiset ominaisuudet tekevät SMA:sta ihanteellisen antureille, tärinänvaimennuksen ja erityisesti toimilaitteille12.Tätä silmällä pitäen SMA-pohjaisia ​​asemia on tutkittu paljon.On huomattava, että SMA-pohjaiset toimilaitteet on suunniteltu tarjoamaan translaatio- ja pyörimisliikettä erilaisiin sovelluksiin13,14,15.Vaikka joitakin pyöriviä toimilaitteita on kehitetty, tutkijat ovat erityisen kiinnostuneita lineaarisista toimilaitteista.Nämä lineaariset toimilaitteet voidaan jakaa kolmeen tyyppiin: yksiulotteiset, siirto- ja differentiaalitoimilaitteet 16 .Aluksi hybridikäytöt luotiin yhdessä SMA:n ja muiden perinteisten asemien kanssa.Yksi tällainen esimerkki SMA-pohjaisesta hybridi-lineaarisesta toimilaitteesta on SMA-johtimen käyttö tasavirtamoottorilla noin 100 N:n lähtövoiman ja merkittävän siirtymän aikaansaamiseksi17.
Yksi ensimmäisistä täysin SMA-pohjaisiin taajuusmuuttajista oli SMA-rinnakkaisasema.Useita SMA-johtoja käyttävä SMA-pohjainen rinnakkaisasema on suunniteltu lisäämään aseman tehoa asettamalla kaikki SMA18-johtimet rinnakkain.Toimilaitteiden rinnakkaiskytkentä ei ainoastaan ​​vaadi enemmän tehoa, vaan myös rajoittaa yksittäisen johtimen lähtötehoa.Toinen SMA-pohjaisten toimilaitteiden haittapuoli on niiden saavuttama rajoitettu liike.Tämän ongelman ratkaisemiseksi luotiin SMA-kaapelipalkki, joka sisälsi taipuneen joustavan palkin siirtymän lisäämiseksi ja lineaarisen liikkeen saavuttamiseksi, mutta ei synnyttänyt suurempia voimia19.Pehmeitä muotoutuvia rakenteita ja kankaita roboteille, jotka perustuvat muotomuistiseoksiin, on kehitetty ensisijaisesti iskunvahvistukseen20,21,22.Sovelluksissa, joissa vaaditaan suuria nopeuksia, on raportoitu kompaktikäyttöisiä pumppuja käyttämällä ohutkalvoisia SMA:ita mikropumppukäyttöisissä sovelluksissa23.Ohutkalvon SMA-kalvon käyttötaajuus on avaintekijä kuljettajan nopeuden säätelyssä.Siksi SMA-lineaarimoottoreilla on parempi dynaaminen vaste kuin SMA-jousi- tai -tankomoottoreilla.Pehmeä robotiikka ja tartuntatekniikka ovat kaksi muuta sovellusta, jotka käyttävät SMA-pohjaisia ​​toimilaitteita.Esimerkiksi 25 N:n tilapuristimessa käytetyn vakiotoimilaitteen korvaamiseksi kehitettiin muotomuistiseoksesta valmistettu rinnakkaistoimilaite 24.Toisessa tapauksessa SMA-pehmeä toimilaite valmistettiin johdosta, jossa on upotettu matriisi, joka pystyy tuottamaan 30 N:n maksimivetovoiman. SMA:ita käytetään mekaanisten ominaisuuksiensa vuoksi myös biologisia ilmiöitä jäljittelevien toimilaitteiden valmistukseen.Yksi tällainen kehitystyö sisältää 12-soluisen robotin, joka on SMA:n sisältävän lieromaisen organismin biomimeetti, joka tuottaa sinimuotoisen liikkeen tuleen26,27.
Kuten aiemmin mainittiin, olemassa olevista SMA-pohjaisista toimilaitteista saatavalla enimmäisvoimalla on raja.Tämän ongelman ratkaisemiseksi tämä tutkimus esittelee biomimeettisen bimodaalisen lihasrakenteen.Ajetaan muotomuistilangalla.Se tarjoaa luokitusjärjestelmän, joka sisältää useita muotomuistiseoslankoja.Tähän mennessä kirjallisuudessa ei ole raportoitu SMA-pohjaisia ​​toimilaitteita, joilla on samanlainen arkkitehtuuri.Tämä ainutlaatuinen ja uusi SMA-pohjainen järjestelmä kehitettiin tutkimaan SMA:n käyttäytymistä bimodaalisen lihaksen kohdistuksen aikana.Nykyisiin SMA-pohjaisiin toimilaitteisiin verrattuna tämän tutkimuksen tavoitteena oli luoda biomimeettinen dipvaleraattitoimilaite, joka tuottaa merkittävästi suurempia voimia pienessä tilavuudessa.Verrattuna LVI-rakennusautomaatiossa ja -ohjausjärjestelmissä käytettyihin tavanomaisiin askelmoottorikäyttöisiin käyttöihin, ehdotettu SMA-pohjainen bimodaalinen käyttörakenne vähentää käyttömekanismin painoa 67 %.Seuraavassa termejä "lihas" ja "voima" käytetään vaihtokelpoisina.Tämä tutkimus tutkii tällaisen aseman monifysikaalista simulointia.Tällaisten järjestelmien mekaanista käyttäytymistä on tutkittu kokeellisin ja analyyttisin menetelmin.Voima- ja lämpötilajakaumia tutkittiin edelleen 7 V:n syöttöjännitteellä. Sen jälkeen suoritettiin parametrinen analyysi avainparametrien ja lähtövoiman välisen suhteen ymmärtämiseksi paremmin.Lopuksi on suunniteltu hierarkkisia toimilaitteita ja hierarkkisen tason vaikutuksia on ehdotettu mahdolliseksi tulevaisuuden alueeksi ei-magneettisille toimilaitteille proteettisovelluksissa.Edellä mainittujen tutkimusten tulosten mukaan yksivaiheisen arkkitehtuurin käyttö tuottaa vähintään neljä-viisi kertaa suurempia voimia kuin raportoidut SMA-pohjaiset toimilaitteet.Lisäksi monitasoisen monitasoisen aseman tuottaman saman käyttövoiman on osoitettu olevan yli kymmenen kertaa suurempi kuin perinteisissä SMA-pohjaisissa asemissa.Tutkimus raportoi sitten keskeiset parametrit käyttämällä herkkyysanalyysiä eri mallien ja syötemuuttujien välillä.SMA-langan alkupituudella (\(l_0\)), pinnan kulmalla (\(\alpha\)) ja yksittäisten säikeiden lukumäärällä (n) jokaisessa yksittäisessä säikeessä on voimakas negatiivinen vaikutus käyttövoiman suuruuteen.voimakkuus, kun taas tulojännite (energia) osoittautui positiivisesti korreloivaksi.
SMA-langalla on muotomuistiefekti (SME), joka näkyy nikkeli-titaani (Ni-Ti) -seosperheessä.SMA:illa on tyypillisesti kaksi lämpötilasta riippuvaa vaihetta: matalan lämpötilan vaihe ja korkean lämpötilan vaihe.Molemmilla faaseilla on ainutlaatuisia ominaisuuksia erilaisten kiderakenteiden vuoksi.Muutoslämpötilan yläpuolella olevassa austeniittifaasissa (korkean lämpötilan faasi) materiaalilla on suuri lujuus ja se on huonosti muotoiltu kuormituksen alaisena.Seos käyttäytyy kuin ruostumaton teräs, joten se kestää suurempia käyttöpaineita.Hyödyntämällä tätä Ni-Ti-seosten ominaisuutta, SMA-langat on vinossa toimilaitteen muodostamiseksi.Sopivia analyyttisiä malleja kehitetään ymmärtämään SMA:n lämpökäyttäytymisen perusmekaniikkaa eri parametrien ja erilaisten geometrioiden vaikutuksesta.Kokeellisten ja analyyttisten tulosten välillä saavutettiin hyvä yksimielisyys.
Kuvassa 9a esitetylle prototyypille suoritettiin kokeellinen tutkimus SMA:han perustuvan bimodaalisen käyttölaitteen suorituskyvyn arvioimiseksi.Kaksi näistä ominaisuuksista, käyttövoiman tuottama voima (lihasvoima) ja SMA-langan lämpötila (SMA-lämpötila), mitattiin kokeellisesti.Kun jännite-ero kasvaa taajuusmuuttajan johtimen koko pituudella, johtimen lämpötila nousee Joule-lämmitysvaikutuksen vuoksi.Tulojännite syötettiin kahdessa 10 sekunnin jaksossa (esitetty punaisina pisteinä kuvioissa 2a, b) 15 sekunnin jäähtymisjaksolla kunkin jakson välillä.Estovoima mitattiin käyttämällä pietsosähköistä venymämittaria ja SMA-langan lämpötilajakaumaa seurattiin reaaliajassa käyttämällä tieteellistä korkearesoluutioista LWIR-kameraa (katso käytettyjen laitteiden ominaisuudet taulukosta 2).osoittaa, että korkeajännitevaiheen aikana langan lämpötila nousee monotonisesti, mutta kun virtaa ei kulje, langan lämpötila jatkaa laskuaan.Nykyisessä kokeellisessa asetelmassa SMA-langan lämpötila laski jäähdytysvaiheen aikana, mutta se oli silti ympäristön lämpötilan yläpuolella.KuvassaKuvassa 2e on tilannekuva SMA-johdon lämpötilasta, joka on otettu LWIR-kamerasta.Toisaalta kuvassaKuva 2a esittää käyttöjärjestelmän synnyttämää estovoimaa.Kun lihasvoima ylittää jousen palautusvoiman, liikkuva käsivarsi, kuten kuvassa 9a, alkaa liikkua.Heti kun käyttö alkaa, liikkuva varsi tulee kosketuksiin anturin kanssa luoden kehon voiman, kuten kuvassa 10 esitetään.2c, d.Kun maksimilämpötila on lähellä arvoa \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), suurin havaittu voima on 105 N.
Kaavio näyttää kokeelliset tulokset SMA-langan lämpötilasta ja SMA-pohjaisen bimodaalisen toimilaitteen tuottamasta voimasta kahden syklin aikana.Tulojännite syötetään kahdessa 10 sekunnin jaksossa (näkyy punaisina pisteinä) 15 sekunnin jäähtymisjaksolla kunkin jakson välillä.Kokeissa käytetty SMA-lanka oli halkaisijaltaan 0,51 mm Flexinol-lanka, yhtiöltä Dynalloy, Inc. (a) Kaavio näyttää kahden syklin aikana saadun kokeellisen voiman, (c, d) näyttää kaksi itsenäistä esimerkkiä liikkuvien varren toimilaitteiden toiminnasta PACEline CFT/5kN pietsosähköisessä voimamuuntimessa, (b) näyttää maksimilämpötilan kahden syklin aikana, (b) kaavio näyttää maksimilämpötilan kahden jakson aikana (a) kuva otettu SMA-johdosta FLIR ResearchIR -ohjelmiston LWIR-kameralla.Kokeissa huomioon otetut geometriset parametrit on esitetty taulukossa.yksi.
Matemaattisen mallin simulointituloksia ja kokeellisia tuloksia verrataan 7 V:n tulojännitteen olosuhteissa kuvan 5 mukaisesti.Parametrisen analyysin tulosten mukaan ja SMA-johtimen ylikuumenemisen välttämiseksi toimilaitteeseen syötettiin 11,2 W tehoa.Ohjelmoitavaa DC-virtalähdettä käytettiin syöttämään 7 V tulojännitteenä, ja johdon yli mitattiin 1,6 A virta.Taajuusmuuttajan tuottama voima ja SDR:n lämpötila kasvavat, kun virtaa käytetään.Tulojännitteellä 7V on simulaatiotuloksista ja ensimmäisen jakson koetuloksista saatu suurin lähtövoima 78 N ja 96 N.Toisessa jaksossa simuloinnin ja kokeellisen tulosten suurin ulostulovoima oli 150 N ja 105 N.Tukosvoimamittausten ja kokeellisten tietojen välinen ero voi johtua menetelmästä, jota käytetään okkluusiovoiman mittaamiseen.Kuvassa esitetyt kokeelliset tulokset.Kuva 5a vastaa lukitusvoiman mittausta, joka puolestaan ​​mitattiin, kun käyttöakseli oli kosketuksissa PACEline CFT/5kN pietsosähköiseen voimamuuntimeen, kuten kuvassa 1 on esitetty.2s.Siksi, kun käyttöakseli ei ole kosketuksessa voima-anturin kanssa jäähdytysvyöhykkeen alussa, voima muuttuu välittömästi nollaksi, kuten kuvassa 2d esitetään.Lisäksi muita parametreja, jotka vaikuttavat voiman muodostumiseen seuraavissa jaksoissa, ovat jäähdytysajan arvot ja konvektiivisen lämmönsiirtokertoimen edellisessä jaksossa.KuvastaKuvasta 2b voidaan nähdä, että 15 sekunnin jäähdytysjakson jälkeen SMA-johto ei saavuttanut huoneenlämpötilaa ja sen vuoksi sen alkulämpötila oli korkeampi (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) toisessa ajojaksossa verrattuna ensimmäiseen jaksoon (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Siten verrattuna ensimmäiseen jaksoon SMA-langan lämpötila saavuttaa toisen kuumennusjakson aikana alkuperäisen austeniitin lämpötilan (\(A_s\)) aikaisemmin ja pysyy siirtymäjaksossa pidempään, mikä johtaa jännitykseen ja voimaan.Toisaalta kokeista ja simulaatioista saaduilla lämpötilajakaumilla lämmitys- ja jäähdytyssyklien aikana on suuri laadullinen samankaltaisuus termografisen analyysin esimerkkien kanssa.Kokeista ja simulaatioista saatujen SMA-langan lämpötietojen vertaileva analyysi osoitti yhdenmukaisuutta lämmitys- ja jäähdytysjaksojen aikana ja kokeellisten tietojen hyväksyttävien toleranssien rajoissa.SMA-langan maksimilämpötila, joka on saatu ensimmäisen jakson simulaation ja kokeiden tuloksista, on \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) ja \(75\,^{\circ }\hbox { C }\ ), ja toisessa jaksossa SMA-langan maksimilämpötila on \{\box { \ } \3 circ }\ hbox {C}\).Perusteellisesti kehitetty malli vahvistaa muotomuistiefektin vaikutuksen.Väsymyksen ja ylikuumenemisen roolia ei otettu tässä katsauksessa huomioon.Jatkossa mallia parannetaan sisältämään SMA-langan jännityshistoria, mikä tekee siitä sopivamman suunnittelusovelluksiin.Simulink-lohkosta saadut taajuusmuuttajan lähtövoima- ja SMA-lämpötilakäyrät ovat kokeellisten tietojen sallituissa toleransseissa 7 V:n tulojännitepulssin ehdolla. Tämä vahvistaa kehitetyn matemaattisen mallin oikeellisuuden ja luotettavuuden.
Matemaattinen malli on kehitetty MathWorks Simulink R2020b -ympäristössä käyttämällä Metodit-osiossa kuvattuja perusyhtälöitä.KuvassaKuva 3b esittää Simulinkin matemaattisen mallin lohkokaavion.Malli simuloitiin 7 V:n tulojännitepulssille, kuten on esitetty kuvissa 2a, b.Simulaatiossa käytettyjen parametrien arvot on listattu taulukossa 1. Transienttiprosessien simuloinnin tulokset on esitetty kuvissa 1 ja 1. Kuvat 3a ja 4. Kuvassa 1.Kuvat 4a,b esittävät SMA-johtimessa indusoituneen jännitteen ja toimilaitteen tuottaman voiman ajan funktiona. Käänteisen muunnoksen (lämmityksen) aikana, kun SMA-langan lämpötila, \(T < A_s^{\prime}\) (jännitysmodifioitu austeniittifaasin aloituslämpötila), martensiitin tilavuusosuuden (\(\piste{\xi }\)) muutosnopeus on nolla. Käänteisen muunnoksen (lämmityksen) aikana, kun SMA-langan lämpötila, \(T <A_s^{\prime}\) (jännitysmodifioitu austeniitin vaiheen aloituslämpötila), martensiitin tilavuusosuuden (\(\piste{\xi }\)) muutosnopeus on nolla. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) нная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Käänteisen muunnoksen (lämmityksen) aikana, kun SMA-langan lämpötila, \(T < A_s^{\prime}\) (jännitysmodifioitu austeniitin alkulämpötila), martensiitin tilavuusosuuden (\(\piste{\ xi }\ )) muutosnopeus on nolla.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体盤氏体体积分数的变化率（\(\piste{\xi }\)) 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 \(T < A_s^{\prime}\) ряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Käänteisen muunnoksen (lämmityksen) aikana SMA-langan lämpötilassa \(T <A_s^{\prime}\) (austeniittifaasin ytimen lämpötila, jännityskorjattu) martensiitin tilavuusosuuden muutosnopeus (\( \piste{\ xi }\)) on yhtä suuri kuin nolla.Siksi jännityksen muutosnopeus (\(\piste{\sigma}\)) riippuu venymänopeudesta (\(\piste{\epsilon}\)) ja lämpötilagradientista (\(\piste{T} \) ) vain yhtälöä (1) käytettäessä.Kuitenkin, kun SMA-langan lämpötila nousee ja risteää (\(A_s^{\prime}\)), austeniittifaasi alkaa muodostua, ja (\(\piste{\xi}\)) otetaan yhtälön (3) annetuksi arvoksi.Siksi jännitteen muutosnopeutta (\(\piste{\sigma}\)) ohjataan yhdessä \(\piste{\epsilon}, \piste{T}\) ja \(\piste{\xi}\) on yhtä suuri kuin kaavassa (1).Tämä selittää gradienttimuutokset, jotka havaitaan ajallisesti vaihtelevissa jännitys- ja voimakartoissa kuumennusjakson aikana, kuten on esitetty kuvioissa 4a, b.
(a) Simulaatiotulos, joka näyttää lämpötilajakauman ja jännityksen aiheuttaman liitoslämpötilan SMA-pohjaisessa divaleraattitoimilaitteessa.Kun langan lämpötila ylittää austeniitin siirtymälämpötilan lämmitysvaiheessa, modifioidun austeniitin siirtymälämpötila alkaa nousta, ja vastaavasti, kun valssilangan lämpötila ylittää martensiittisen siirtymälämpötilan jäähdytysvaiheessa, martensiittinen siirtymälämpötila laskee.SMA käyttöprosessin analyyttiseen mallintamiseen.(Katso yksityiskohtainen näkymä jokaisesta Simulink-mallin osajärjestelmästä lisätiedoston liiteosiossa.)
Analyysin tulokset eri parametrien jakaumille on esitetty kahdelle 7 V syöttöjännitteen jaksolle (10 sekunnin lämmitysjaksot ja 15 sekunnin jäähdytysjaksot).Kun (ac) ja (e) kuvaavat jakaumaa ajassa, toisaalta (d) ja (f) kuvaavat jakaumaa lämpötilan kanssa.Vastaavissa syöttöolosuhteissa suurin havaittu jännitys on 106 MPa (alle 345 MPa, langan myötöraja), voima on 150 N, suurin siirtymä 270 µm ja pienin martensiittisen tilavuusosuus on 0,91.Toisaalta jännityksen muutos ja martensiitin tilavuusosuuden muutos lämpötilan myötä ovat samanlaisia ​​kuin hystereesiominaisuudet.
Sama selitys koskee suoraa muunnosa (jäähdytystä) austeniittifaasista martensiittifaasiin, jossa SMA-langan lämpötila (T) ja jännitysmodifioidun martensiittifaasin loppulämpötila (\(M_f^{\prime}\ )) ovat erinomaiset.KuvassaKuva 4d,f esittää muutosta indusoidussa jännityksessä (\(\sigma\)) ja martensiitin tilavuusosuudessa (\(\xi\)) SMA-langassa SMA-langan lämpötilan muutoksen funktiona (T) molemmilla ajojaksoilla.KuvassaKuvassa 3a on esitetty SMA-johtimen lämpötilan muutos ajan myötä riippuen tulojännitepulssista.Kuten kuvasta voidaan nähdä, langan lämpötila jatkaa nousuaan tarjoamalla lämmönlähteen nollajännitteellä ja sitä seuraavalla konvektiivisella jäähdytyksellä.Kuumennuksen aikana martensiitin uudelleenmuutos austeniittifaasiksi alkaa, kun SMA-langan lämpötila (T) ylittää jännityskorjatun austeniitin ytimen muodostumislämpötilan (\(A_s^{\prime}\)).Tämän vaiheen aikana SMA-lanka puristuu kokoon ja toimilaite kehittää voimaa.Myös jäähdytyksen aikana, kun SMA-langan (T) lämpötila ylittää jännitysmodifioidun martensiittifaasin (\(M_s^{\prime}\)) nukleaatiolämpötilan, tapahtuu positiivinen siirtymä austeniittifaasista martensiittifaasiin.käyttövoima pienenee.
SMA-pohjaisen bimodaalisen taajuusmuuttajan tärkeimmät laadulliset näkökohdat voidaan saada simulaatiotuloksista.Jännitepulssitulon tapauksessa SMA-johtimen lämpötila nousee Joule-lämmitysvaikutuksen vuoksi.Martensiitin tilavuusosuuden (\(\xi\)) alkuarvoksi asetetaan 1, koska materiaali on alun perin täysin martensiittisessa vaiheessa.Kun lanka kuumenee edelleen, SMA-langan lämpötila ylittää jännityskorjatun austeniitin ytimen muodostumislämpötilan \(A_s^{\prime}\), mikä johtaa martensiitin tilavuusosuuden laskuun, kuten kuvassa 4c näkyy.Lisäksi kuvassaKuva 4e esittää toimilaitteen iskujakaumaa ajassa ja kuvassa 4e.5 – käyttövoima ajan funktiona.Tähän liittyvä yhtälöjärjestelmä sisältää lämpötilan, martensiitin tilavuusosuuden ja jännityksen, joka kehittyy langassa, mikä johtaa SMA-langan kutistumiseen ja toimilaitteen synnyttämään voimaan.Kuten kuvassa näkyy.4d,f, jännitteen vaihtelu lämpötilan mukaan ja martensiitin tilavuusosuuden vaihtelu lämpötilan mukaan vastaavat SMA:n hystereesiominaisuuksia simuloidussa tapauksessa 7 V jännitteellä.
Ajoparametreja vertailtiin kokeilla ja analyyttisilla laskelmilla.Johdot altistettiin pulssitulojännitteelle 7 V 10 sekunnin ajan, sitten jäähdytettiin 15 sekuntia (jäähdytysvaihe) kahden syklin aikana.Pinte-kulmaksi on asetettu \(40^{\circ}\) ja SMA-langan alkupituus kussakin yksittäisessä nastahaarassa on 83 mm.(a) Käyttövoiman mittaaminen punnituskennon avulla (b) Langan lämpötilan tarkkailu lämpöinfrapunakameralla.
Jotta fysikaalisten parametrien vaikutusta taajuusmuuttajan tuottamaan voimaan voitaisiin ymmärtää, suoritettiin analyysi matemaattisen mallin herkkyydestä valituille fysikaalisille parametreille ja parametrit järjestettiin niiden vaikutuksen mukaan.Ensinnäkin mallin parametrien näytteenotto tehtiin käyttämällä kokeellisia suunnitteluperiaatteita, jotka seurasivat tasaista jakautumista (katso herkkyysanalyysin lisäosa).Tässä tapauksessa malliparametreja ovat syöttöjännite (\(V_{in}\)), SMA-johdon alkuperäinen pituus (\(l_0\)), kolmiokulma (\(\alpha\)), bias-jousivakio (\(K_x\ )), konvektiivinen lämmönsiirtokerroin (\(h_T\)) ja unimodaalisten haarojen lukumäärä (n).Seuraavassa vaiheessa tutkimuksen suunnitteluvaatimuksena valittiin lihasvoiman huippu ja saatiin kunkin muuttujasarjan parametriset vaikutukset voimakkuuteen.Tornadokuvaajat herkkyysanalyysiä varten johdettiin kunkin parametrin korrelaatiokertoimista, kuten kuvassa 6a esitetään.
(a) Malliparametrien korrelaatiokerroinarvot ja niiden vaikutus yllä olevien malliparametrien 2500 yksilöllisen ryhmän maksimilähtövoimaan on esitetty tornadokuvaajassa.Kaavio näyttää useiden indikaattoreiden rankkorrelaation.On selvää, että \(V_{in}\) on ainoa parametri, jolla on positiivinen korrelaatio, ja \(l_0\) on parametri, jolla on korkein negatiivinen korrelaatio.Eri parametrien vaikutus eri yhdistelminä huippulihasvoimaan on esitetty kohdissa (b, c).\(K_x\) vaihtelee välillä 400 - 800 N/m ja n välillä 4 - 24. Jännite (\(V_{in}\)) muutettu 4 V:sta 10 V:iin, johdon pituus (\(l_{0 } \)) muutettu 40 mm:stä 100 mm:iin ja takakulman kulma vaihteli välillä {\) (\) (\0, \ \ 2 c }\).
KuvassaKuva 6a esittää tornadokaavion erilaisista korrelaatiokertoimista kullekin parametrille huippukäyttövoiman suunnitteluvaatimuksilla.KuvastaKuvasta 6a voidaan nähdä, että jänniteparametri (\(V_{in}\)) on suoraan verrannollinen maksimilähtövoimaan ja konvektiivinen lämmönsiirtokerroin (\(h_T\)), liekkikulma (\ ( \alpha\)) , siirtymäjousivakio ( \(K_x\)) korreloi negatiivisesti lähtövoiman kanssa ja johdon alkupituus () ja \es n johdon alkupituus () vahva käänteinen korrelaatio Suoran korrelaation tapauksessa Korkeamman jännitekorrelaatiokertoimen arvon tapauksessa (\(V_ {in}\)) osoittaa, että tällä parametrilla on suurin vaikutus lähtötehoon.Toinen samanlainen analyysi mittaa huippuvoimaa arvioimalla eri parametrien vaikutusta kahden laskenta-avaruuden eri yhdistelmissä, kuten on esitetty kuvioissa 6b, c.\(V_{in}\) ja \(l_0\), \(\alpha\) ja \(l_0\) ovat samankaltaisia, ja kaavio näyttää, että \(V_{in}\) ja \(\alpha\ ) ja \(\alpha\) ovat samanlaisia.Pienemmät arvot \(l_0\) johtavat suurempiin huippuvoimiin.Kaksi muuta käyrää ovat yhdenmukaisia ​​kuvan 6a kanssa, jossa n ja \(K_x\) korreloivat negatiivisesti ja \(V_{in}\) korreloivat positiivisesti.Tämä analyysi auttaa määrittelemään ja säätämään vaikuttavia parametreja, joilla käyttöjärjestelmän lähtövoimaa, iskua ja tehokkuutta voidaan mukauttaa vaatimuksiin ja sovellukseen.
Nykyinen tutkimustyö esittelee ja tutkii N-tason hierarkkisia käyttöjä.Kaksitasoisessa hierarkiassa, kuten on esitetty kuviossa 7a, jossa ensimmäisen tason toimilaitteen kunkin SMA-johtimen sijasta saavutetaan bimodaalinen järjestely, kuten kuvassa 7 on esitetty.9e.KuvassaKuva 7c näyttää kuinka SMA-lanka kierretään liikkuvan varren (apuvarren) ympärille, joka liikkuu vain pituussuunnassa.Ensisijainen liikkuva varsi jatkaa kuitenkin liikkumista samalla tavalla kuin 1. vaiheen monivaiheisen toimilaitteen liikkuva varsi.Tyypillisesti N-asteinen asema luodaan korvaamalla \(N-1\)-vaiheen SMA-johto ensimmäisen vaiheen asemalla.Tämän seurauksena jokainen haara jäljittelee ensimmäisen vaiheen käyttöä, lukuun ottamatta haaraa, joka pitää itse langan.Tällä tavalla voidaan muodostaa sisäkkäisiä rakenteita, jotka luovat useita kertoja suurempia voimia kuin ensiökäyttöjen voimat.Tässä tutkimuksessa kullekin tasolle otettiin huomioon tehollinen SMA-langan kokonaispituus 1 m, kuten kuvassa 7d esitetään taulukkomuodossa.Jokaisen johdon läpi kulkeva virta kussakin unimodaalisessa mallissa ja tuloksena oleva esijännitys ja jännite kussakin SMA-johtosegmentissä ovat samat kullakin tasolla.Analyyttisen mallimme mukaan lähtövoima korreloi positiivisesti tason kanssa, kun taas siirtymä korreloi negatiivisesti.Samaan aikaan oli kompromissi siirtymän ja lihasvoiman välillä.Kuten kuvasta näkyy.Kuviossa 7b, kun suurin voima saavutetaan suurimmassa määrässä kerroksia, suurin siirtymä havaitaan alimmassa kerroksessa.Kun hierarkiataso asetettiin arvoon \(N=5\), 2,58 kN:n lihasvoiman huippu havaittiin kahdella havaitulla vedolla \(\upmu\)m.Toisaalta ensimmäisen vaiheen käyttö tuottaa 150 N:n voiman 277 \(\upmu\)m iskunpituudella.Monitasoiset toimilaitteet pystyvät jäljittelemään todellisia biologisia lihaksia, joissa muotomuistiseoksiin perustuvat tekolihakset pystyvät tuottamaan huomattavasti suurempia voimia tarkoilla ja hienommilla liikkeillä.Tämän miniatyyrisoidun suunnittelun rajoitukset ovat, että hierarkian kasvaessa liike vähenee huomattavasti ja taajuusmuuttajan valmistusprosessi monimutkaistuu.
(a) Kaksivaiheinen (\(N=2\)) kerroksellinen muotomuistilejeerinki lineaarinen toimilaitejärjestelmä on esitetty bimodaalisessa konfiguraatiossa.Ehdotettu malli saavutetaan korvaamalla ensimmäisen vaiheen kerrostoimilaitteen SMA-lanka toisella yksivaiheisella kerrostoimilaitteella.(c) Toisen vaiheen monikerroksisen toimilaitteen epämuodostunut konfiguraatio.(b) Kuvataan voimien ja siirtymien jakautuminen tasojen lukumäärästä riippuen.On havaittu, että toimilaitteen huippuvoima korreloi positiivisesti kaavion asteikkotason kanssa, kun taas isku korreloi negatiivisesti asteikkotason kanssa.Jokaisen johtimen virta ja esijännite pysyvät vakiona kaikilla tasoilla.(d) Taulukossa näkyy väliottojen lukumäärä ja SMA-langan (kuidun) pituus kullakin tasolla.Johtojen ominaisuudet on merkitty indeksillä 1, ja toissijaisten haarojen lukumäärä (yksi ensiöhaaraan kytketty) on merkitty alaindeksin suurimmalla numerolla.Esimerkiksi tasolla 5 \(n_1\) viittaa kussakin bimodaalisessa rakenteessa olevien SMA-johtojen määrään, ja \(n_5\) viittaa apuhaarojen määrään (yksi, joka on kytketty päähaaraan).
Monet tutkijat ovat ehdottaneet erilaisia ​​menetelmiä SMA:iden käyttäytymisen mallintamiseksi muotomuistilla, jotka riippuvat termomekaanisista ominaisuuksista, jotka liittyvät faasimuutokseen liittyviin kiderakenteen makroskooppisiin muutoksiin.Konstitutiivisten menetelmien muotoilu on luonnostaan ​​monimutkainen.Yleisimmin käytetty fenomenologinen malli on Tanaka28:n ehdottama, ja sitä käytetään laajasti suunnittelusovelluksissa.Tanakan [28] ehdottama fenomenologinen malli olettaa, että martensiitin tilavuusosuus on eksponentiaalinen lämpötilan ja jännityksen funktio.Myöhemmin Liang ja Rogers29 ja Brinson30 ehdottivat mallia, jossa vaihemuutosdynamiikan oletettiin olevan jännitteen ja lämpötilan kosinifunktio, mutta malliin tehtiin pieniä muutoksia.Becker ja Brinson ehdottivat vaihekaavioon perustuvaa kineettistä mallia SMA-materiaalien käyttäytymisen mallintamiseksi mielivaltaisissa kuormitusolosuhteissa sekä osittaisissa siirtymissä.Banerjee32 käyttää Bekker- ja Brinson31-vaihekaavion dynamiikkamenetelmää simuloidakseen Elahinian ja Ahmadianin33 kehittämää yhden vapausasteen manipulaattoria.Vaihekaavioihin perustuvia kineettisiä menetelmiä, jotka ottavat huomioon ei-monotonisen jännitteen muutoksen lämpötilan mukaan, on vaikea toteuttaa teknisissä sovelluksissa.Elakhinia ja Ahmadian kiinnittävät huomiota näihin olemassa olevien fenomenologisten mallien puutteisiin ja ehdottavat laajennettua fenomenologista mallia muotomuistin käyttäytymisen analysoimiseksi ja määrittelemiseksi kaikissa monimutkaisissa kuormitusolosuhteissa.
SMA-langan rakennemalli antaa SMA-langan jännityksen (\(\sigma\)), venymän (\(\epsilon\)), lämpötilan (T) ja martensiittitilavuusosuuden (\(\xi\)).Fenomenologisen konstitutiivisen mallin ehdotti ensin Tanaka28 ja myöhemmin Liang29 ja Brinson30.Yhtälön derivaatalla on muoto:
missä E on vaiheriippuvainen SMA Youngin moduuli, joka on saatu käyttämällä \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) ja \(E_A\) ja \(E_M\), jotka edustavat Youngin moduulia, ovat vastaavasti austeniittisia ja martensiittisia vaiheita, ja lämpölaajenemiskerroin \\edta _T( on).Vaihemuutostekijä on \(\Omega = -E \epsilon _L\) ja \(\epsilon _L\) on suurin palautettavissa oleva jännitys SMA-johtimessa.
Vaihedynamiikan yhtälö vastaa Liang29:n kehittämää ja Brinsonin30 myöhemmin hyväksymää kosinifunktiota Tanakan28 ehdottaman eksponentiaalisen funktion sijaan.Vaihemuutosmalli on laajennus Elakhinian ja Ahmadianin34 ehdottamasta mallista, jota on muunnettu Liang29:n ja Brinsonin30 antamien faasimuutosolosuhteiden perusteella.Tässä faasimuutosmallissa käytetyt ehdot pätevät monimutkaisissa termomekaanisissa kuormiuksissa.Martensiitin tilavuusosuuden arvo lasketaan kullakin ajanhetkellä konstitutiivista yhtälöä mallinnettaessa.
Hallitseva uudelleenmuunnosyhtälö, joka ilmaistaan ​​martensiitin muuttumisella austeniitiksi kuumennusolosuhteissa, on seuraava:
missä \(\xi\) on martensiitin tilavuusosuus, \(\xi _M\) on martensiitin tilavuusosuus, joka saatiin ennen kuumennusta, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) ja \_(C) -parametrit, T_\ likiarvo \) ja \(A_f\) – austeniittifaasin alku ja loppu, vastaavasti, lämpötila.
Suoran muunnoksen ohjausyhtälö, jota edustaa austeniitin faasimuutos martensiitiksi jäähdytysolosuhteissa, on:
missä \(\xi _A\) on ennen jäähdytystä saadun martensiitin tilavuusosuus, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) ja \ ( C_M \) – käyrän sovitusparametrit\\ alkulämpötila, T ) (SMA) \_ lämpötila, T ) (SMA) \_ lämpötila paikan lämpötiloista.
Kun yhtälöt (3) ja (4) on erotettu, käänteis- ja suoramuunnosyhtälöt yksinkertaistetaan seuraavaan muotoon:
Eteenpäin- ja taaksepäinmuunnoksen aikana \(\eta _{\sigma}\) ja \(\eta _{T}\) saavat eri arvot.\(\eta _{\sigma}\) ja \(\eta _{T}\) liittyvät perusyhtälöt on johdettu ja niitä on käsitelty yksityiskohtaisesti lisäosassa.
SMA-langan lämpötilan nostamiseen tarvittava lämpöenergia tulee Joule-lämmitysilmiöstä.SMA-langan absorboima tai vapauttama lämpöenergia esitetään piilevänä muunnoslämmönä.SMA-langan lämpöhäviö johtuu pakotetusta konvektiosta, ja ottaen huomioon säteilyn merkityksettömän vaikutuksen lämpöenergiatasapainon yhtälö on seuraava:
Missä \(m_{lanka}\) on SMA-johtimen kokonaismassa, \(c_{p}\) on SMA:n ominaislämpökapasiteetti, \(V_{in}\) on johtoon syötetty jännite, \(R_{ohm} \ ) – vaiheriippuvainen resistanssi SMA, määritelty seuraavasti;\(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) missä \(r_M\ ) ja \(r_A\) ovat SMA-vaiheresistiivisyys martensiitissa ja austeniitissa, vastaavasti, \(A_{c}\) on koko langan pinta-ala a.Johdon piilevä siirtymälämpö, ​​T ja \(T_{\infty}\) ovat vastaavasti SMA-langan ja ympäristön lämpötiloja.
Kun muotomuistimetallilankaa käytetään, lanka puristuu kokoon, jolloin syntyy voima, jota kutsutaan kuituvoimaksi bimodaalisen suunnittelun jokaiseen haaraan.SMA-langan kussakin säikeessä olevien kuitujen voimat yhdessä muodostavat lihasvoiman aktivoitumiseen, kuten kuvassa 9e esitetään.Esijännitysjousen ansiosta N:nnen monikerroksisen toimilaitteen kokonaislihasvoima on:
Korvaamalla \(N = 1\) yhtälöön (7), ensimmäisen vaiheen bimodaalisen käyttöprototyypin lihasvoima voidaan saada seuraavasti:
missä n on unimodaalisten jalkojen lukumäärä, \(F_m\) on käyttövoiman tuottama lihasvoima, \​​(F_f\) on SMA-langan kuidun vahvuus, \(K_x\) on esijännityksen jäykkyys.jousi, \(\alpha\) on kolmion kulma, \(x_0\) on esijännitejousen alkupoikkeama, joka pitää SMA-kaapelin esijännitetyssä asennossa, ja \(\Delta x\) on toimilaitteen liike.
Taajuusmuuttajan kokonaissiirtymä tai liike (\(\Delta x\)) riippuen jännitteestä (\(\sigma\)) ja jännityksestä (\(\epsilon\)) N:nnen vaiheen SMA-johtimessa, taajuusmuuttaja on asetettu (katso kuva lähdön lisäosa):
Kinemaattiset yhtälöt antavat yhteyden käyttölaitteen muodonmuutoksen (\(\epsilon\)) ja siirtymän tai siirtymän (\(\Delta x\)) välillä.Arb-langan muodonmuutos alkuperäisen Arb-langan pituuden (\(l_0\)) ja langan pituuden (l) funktiona milloin tahansa t yhdessä unimodaalisessa haarassa on seuraava:
missä \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) saadaan soveltamalla kosinikaavaa \(\Delta\)ABB ':ssä, kuten kuvassa 8. Ensimmäisen vaiheen ajolle (\) =\\1\1) (\) () \), ja \(\alpha _1\) on \(\alpha \), kuten näkyy Kuvassa 8, erottamalla aika yhtälöstä (11) ja korvaamalla l:n arvo, jännitysnopeus voidaan kirjoittaa seuraavasti:
missä \(l_0\) on SMA-langan alkupituus, l on langan pituus milloin tahansa t yhdessä unimodaalisessa haarassa, \(\epsilon\) on SMA-johtimessa kehittynyt muodonmuutos ja \(\alpha \) on kolmion kulma, \(\Delta x\) on taajuusmuuttajan siirtymä (kuten kuvassa 8).
Kaikki n yksihuippuista rakennetta (\(n=6\) tässä kuvassa) on kytketty sarjaan \(V_{in}\) tulojännitteenä.Vaihe I: Kaaviokaavio SMA-langasta bimodaalisessa konfiguraatiossa nollajänniteolosuhteissa Vaihe II: Ohjattu rakenne esitetään, jossa SMA-johto puristuu käänteisen muunnoksen vuoksi, kuten punainen viiva osoittaa.
Todisteeksi konseptista kehitettiin SMA-pohjainen bimodaalinen taajuusmuuttaja testaamaan taustalla olevien yhtälöiden simuloitua johtamista kokeellisilla tuloksilla.Bimodaalisen lineaarisen toimilaitteen CAD-malli on esitetty kuvassa.9a.Toisaalta kuvassaKuvassa 9c on esitetty uusi rakenne, joka on ehdotettu pyörivälle prismaliitokselle käyttämällä kaksitasoista SMA-pohjaista toimilaitetta, jossa on bimodaalinen rakenne.Aseman komponentit valmistettiin käyttämällä lisäainevalmistusta Ultimaker 3 Extended 3D -tulostimella.Komponenttien 3D-tulostuksessa käytetty materiaali on polykarbonaattia, joka soveltuu lämpöä kestäville materiaaleille, koska se on vahva, kestävä ja sillä on korkea lasittumislämpötila (110-113 \(^{\circ }\) C).Lisäksi kokeissa käytettiin Dynalloy, Inc. Flexinol-muotomuistimetallilankaa ja simulaatioissa Flexinol-lankaa vastaavia materiaaliominaisuuksia.Useat SMA-langat on järjestetty kuiduiksi, jotka ovat läsnä lihasten bimodaalisessa järjestelyssä monikerroksisten toimilaitteiden tuottamien suurten voimien aikaansaamiseksi, kuten kuvioissa 9b, d esitetään.
Kuten kuvasta 9a näkyy, liikkuvan varren SMA-langan muodostamaa terävää kulmaa kutsutaan kulmaksi (\(\alpha\)).Vasemmalle ja oikealle kiinnittimelle kiinnitetyillä liittimillä SMA-johto pysyy halutussa bimodaalisessa kulmassa.Jousiliittimessä oleva bias-jousilaite on suunniteltu säätämään eri esijännitejousien jatkeryhmiä SMA-kuitujen lukumäärän (n) mukaan.Lisäksi liikkuvien osien sijainti on suunniteltu siten, että SMA-lanka on alttiina ulkoiselle ympäristölle pakkokonvektiojäähdytystä varten.Irrotettavan kokoonpanon ylä- ja alalevyt auttavat pitämään SMA-langan viileänä ekstrudoiduilla leikkauksilla, jotka on suunniteltu vähentämään painoa.Lisäksi CMA-johtimen molemmat päät on kiinnitetty vasempaan ja oikeaan liittimeen puristusliittimen avulla.Liikkuvan kokoonpanon toiseen päähän on kiinnitetty mäntä, jotta ylä- ja alalevyjen välinen välys säilyy.Mäntää käytetään myös kohdistamaan lukitusvoima anturiin koskettimen kautta lukitusvoiman mittaamiseksi, kun SMA-johtoa käytetään.
Bimodaalinen lihasrakenne SMA on kytketty sähköisesti sarjaan ja saa virtansa sisääntulopulssijännitteestä.Jännitepulssijakson aikana, kun jännite syötetään ja SMA-lanka kuumennetaan austeniitin alkulämpötilan yläpuolelle, langan pituus kussakin säikeessä lyhenee.Tämä sisäänveto aktivoi liikkuvan varren osakokoonpanon.Kun jännite nollattiin samassa jaksossa, kuumennettu SMA-lanka jäähdytettiin martensiittipinnan lämpötilan alapuolelle, jolloin se palasi alkuperäiseen asentoonsa.Nollajännitysolosuhteissa SMA-lankaa venytetään ensin passiivisesti esijännitysjousella, jotta se saavuttaa puretun martensiittisen tilan.Ruuvi, jonka läpi SMA-lanka kulkee, liikkuu puristuksen vuoksi, joka syntyy kohdistamalla SMA-johtimeen jännitepulssi (SPA saavuttaa austeniittivaiheen), mikä johtaa liikkuvan vivun aktivoitumiseen.Kun SMA-lanka vedetään sisään, esijännitejousi luo vastakkaisen voiman venyttämällä jousta edelleen.Kun impulssijännitteen jännitys muuttuu nollaan, SMA-lanka venyy ja muuttaa muotoaan pakotetun konvektiojäähdytyksen seurauksena saavuttaen kaksoismartensiittisen vaiheen.
Ehdotetulla SMA-pohjaisella lineaarisella toimilaitejärjestelmällä on bimodaalinen konfiguraatio, jossa SMA-langat ovat kulmassa.(a) kuvaa prototyypin CAD-mallia, jossa mainitaan jotkin komponentit ja niiden merkitykset prototyypille, (b, d) edustavat kehitettyä kokeellista prototyyppiä35.Kun (b) näyttää prototyypin ylhäältä katsottuna sähköliitäntöineen ja esijousineen ja venymäantureineen, (d) näyttää perspektiivinäkymän asennuksesta.(e) Kaavio lineaarisesta käyttöjärjestelmästä, jossa SMA-langat on sijoitettu bimodaalisesti milloin tahansa t, joka näyttää kuidun ja lihasvoiman suunnan ja kurssin.(c) Kaksitasoisen SMA-pohjaisen toimilaitteen käyttöönottoa varten on ehdotettu 2-DOF-kiertoprismaattista yhteyttä.Kuten kuvassa, linkki välittää lineaarista liikettä alemmasta vetovarresta ylävarteen luoden pyörivän yhteyden.Toisaalta prismaparin liike on sama kuin monikerroksisen ensimmäisen vaiheen käytön liike.
Kuvassa 9b esitetylle prototyypille suoritettiin kokeellinen tutkimus SMA:han perustuvan bimodaalisen käyttölaitteen suorituskyvyn arvioimiseksi.Kuten kuvassa 10a esitetään, kokeellinen kokoonpano koostui ohjelmoitavasta tasavirtalähteestä syöttämään tulojännitettä SMA-johtimiin.Kuten kuvassa näkyy.Kuviossa 10b käytettiin pietsosähköistä venymämittaria (PACEline CFT/5kN) lukitusvoiman mittaamiseen käyttämällä Graphtec GL-2000 -dataloggeria.Isäntä tallentaa tiedot lisätutkimuksia varten.Venymämittarit ja varausvahvistimet vaativat jatkuvan virransyötön jännitesignaalin tuottamiseksi.Vastaavat signaalit muunnetaan teholähdöiksi pietsosähköisen voima-anturin herkkyyden ja muiden parametrien mukaan taulukossa 2 kuvatulla tavalla. Kun jännitepulssia käytetään, SMA-johtimen lämpötila nousee, jolloin SMA-johdin puristuu kokoon, jolloin toimilaite tuottaa voimaa.Koetulokset lihasvoiman tuottamisesta 7 V:n syöttöjännitepulssilla on esitetty kuvassa.2a.
(a) Kokeessa perustettiin SMA-pohjainen lineaarinen toimilaitejärjestelmä mittaamaan toimilaitteen tuottamaa voimaa.Punnituskenno mittaa lukitusvoiman ja saa virran 24 V DC virtalähteestä.7 V:n jännitehäviö syötettiin kaapelin koko pituudelle käyttämällä ohjelmoitavaa GW Instekin tasavirtalähdettä.SMA-lanka kutistuu lämmön vaikutuksesta, ja liikkuva varsi koskettaa punnituskennoa ja kohdistaa estovoiman.Punnituskenno on kytketty GL-2000-dataloggeriin ja tiedot tallennetaan isäntään jatkokäsittelyä varten.(b) Kaavio, joka esittää kokeellisen järjestelyn komponenttien ketjun lihasvoiman mittaamiseksi.
Muotomuistiseokset viritetään lämpöenergialla, joten lämpötilasta tulee tärkeä parametri muotomuistiilmiön tutkimisessa.Kokeellisesti, kuten kuviossa 11a on esitetty, lämpökuvaus ja lämpötilamittaukset suoritettiin prototyypin SMA-pohjaisella divaleraattitoimilaitteella.Ohjelmoitava tasavirtalähde syötti tulojännitteen SMA-johtimiin kokeellisessa asennuksessa, kuten kuvassa 11b on esitetty.SMA-langan lämpötilan muutos mitattiin reaaliajassa korkearesoluutioisella LWIR-kameralla (FLIR A655sc).Isäntä käyttää ResearchIR-ohjelmistoa tietojen tallentamiseen myöhempää jälkikäsittelyä varten.Kun jännitepulssia käytetään, SMA-johtimen lämpötila nousee, mikä saa SMA-johtimen kutistumaan.KuvassaKuva 2b esittää kokeelliset tulokset SMA-langan lämpötilasta ajan funktiona 7 V:n tulojännitepulssille.