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Les actionneurs sont utilisés partout et créent un mouvement contrôlé en appliquant la force ou le couple d'excitation correct pour effectuer diverses opérations dans la fabrication et l'automatisation industrielle.Le besoin de variateurs plus rapides, plus petits et plus efficaces stimule l'innovation dans la conception des variateurs.Les disques en alliage à mémoire de forme (SMA) offrent un certain nombre d'avantages par rapport aux disques conventionnels, notamment un rapport puissance/poids élevé.Dans cette thèse, un actionneur à base de SMA à deux plumes a été développé qui combine les avantages des muscles plumeux des systèmes biologiques et les propriétés uniques des SMA.Cette étude explore et étend les actionneurs SMA précédents en développant un modèle mathématique du nouvel actionneur basé sur la disposition bimodale des fils SMA et en le testant expérimentalement.Par rapport aux entraînements connus basés sur SMA, la force d'actionnement du nouvel entraînement est au moins 5 fois plus élevée (jusqu'à 150 N).La perte de poids correspondante est d'environ 67 %.Les résultats de l'analyse de sensibilité des modèles mathématiques sont utiles pour régler les paramètres de conception et comprendre les paramètres clés.Cette étude présente en outre un entraînement multi-niveaux Nième étape qui peut être utilisé pour améliorer encore la dynamique.Les actionneurs musculaires dipvalerate basés sur SMA ont un large éventail d'applications, de l'automatisation des bâtiments aux systèmes d'administration de médicaments de précision.
Les systèmes biologiques, tels que les structures musculaires des mammifères, peuvent activer de nombreux actionneurs subtils1.Les mammifères ont des structures musculaires différentes, chacune servant un objectif spécifique.Cependant, une grande partie de la structure du tissu musculaire des mammifères peut être divisée en deux grandes catégories.Parallèle et penné.Dans les ischio-jambiers et autres fléchisseurs, comme son nom l'indique, la musculature parallèle a des fibres musculaires parallèles au tendon central.La chaîne de fibres musculaires est alignée et reliée fonctionnellement par le tissu conjonctif qui les entoure.Bien que l'on dise que ces muscles ont une grande excursion (pourcentage de raccourcissement), leur force musculaire globale est très limitée.En revanche, dans le muscle triceps du mollet2 (gastrocnémien latéral (GL)3, gastrocnémien médial (GM)4 et soléaire (SOL)) et extenseur fémoral (quadriceps)5,6, on trouve du tissu musculaire penné dans chaque muscle7.Dans une structure pennée, les fibres musculaires de la musculature bipennée sont présentes des deux côtés du tendon central à des angles obliques (angles pennés).Pennate vient du mot latin "penna", qui signifie "stylo", et, comme le montre la fig.1 ressemble à une plume.Les fibres des muscles pennés sont plus courtes et inclinées par rapport à l'axe longitudinal du muscle.En raison de la structure pennée, la mobilité globale de ces muscles est réduite, ce qui conduit aux composants transversaux et longitudinaux du processus de raccourcissement.D'autre part, l'activation de ces muscles conduit à une force musculaire globale plus élevée en raison de la façon dont la surface de section physiologique est mesurée.Par conséquent, pour une section transversale donnée, les muscles pennés seront plus forts et généreront des forces plus élevées que les muscles à fibres parallèles.Les forces générées par les fibres individuelles génèrent des forces musculaires à un niveau macroscopique dans ce tissu musculaire.De plus, il possède des propriétés uniques telles qu'un rétrécissement rapide, une protection contre les dommages de traction, un amortissement.Il transforme la relation entre l'apport de fibres et la production de puissance musculaire en exploitant les caractéristiques uniques et la complexité géométrique de l'arrangement des fibres associées aux lignes d'action musculaires.
Sont présentés des diagrammes schématiques de conceptions d'actionneurs à base de SMA existantes par rapport à une architecture musculaire bimodale, par exemple (a), représentant l'interaction de la force tactile dans laquelle un dispositif en forme de main actionné par des fils SMA est monté sur un robot mobile autonome à deux roues9,10., (b) Prothèse orbitaire robotique avec prothèse orbitaire à ressort SMA placée de manière antagoniste.La position de l'œil prothétique est contrôlée par un signal provenant du muscle oculaire de l'œil11, (c) Les actionneurs SMA sont idéaux pour les applications sous-marines en raison de leur réponse à haute fréquence et de leur faible bande passante.Dans cette configuration, les actionneurs SMA sont utilisés pour créer un mouvement ondulatoire en simulant le mouvement des poissons, (d) les actionneurs SMA sont utilisés pour créer un robot d'inspection de microtuyau qui peut utiliser le principe du mouvement du ver en pouces, contrôlé par le mouvement des fils SMA à l'intérieur du canal 10, (e) montre la direction de contraction des fibres musculaires et génère une force contractile dans le tissu gastrocnémien, (f) montre des fils SMA disposés sous la forme de fibres musculaires dans la structure musculaire pennée.
Les actionneurs sont devenus une partie importante des systèmes mécaniques en raison de leur large gamme d'applications.Par conséquent, le besoin de disques plus petits, plus rapides et plus efficaces devient critique.Malgré leurs avantages, les variateurs traditionnels se sont avérés coûteux et longs à entretenir.Les actionneurs hydrauliques et pneumatiques sont complexes et coûteux et sont sujets à l'usure, aux problèmes de lubrification et aux défaillances des composants.En réponse à la demande, l'accent est mis sur le développement d'actionneurs avancés, rentables et optimisés en termes de dimensionnement, basés sur des matériaux intelligents.Les recherches en cours portent sur les actionneurs en alliage à mémoire de forme (SMA) pour répondre à ce besoin.Les actionneurs hiérarchiques sont uniques en ce sens qu'ils combinent de nombreux actionneurs discrets dans des sous-systèmes à grande échelle géométriquement complexes pour fournir une fonctionnalité accrue et étendue.A cet égard, le tissu musculaire humain décrit ci-dessus fournit un excellent exemple multicouche d'un tel actionnement multicouche.L'étude actuelle décrit un entraînement SMA à plusieurs niveaux avec plusieurs éléments d'entraînement individuels (fils SMA) alignés sur les orientations des fibres présentes dans les muscles bimodaux, ce qui améliore les performances globales de l'entraînement.
Le but principal d'un actionneur est de générer une puissance mécanique telle que la force et le déplacement en convertissant l'énergie électrique.Les alliages à mémoire de forme sont une classe de matériaux « intelligents » capables de restaurer leur forme à des températures élevées.Sous des charges élevées, une augmentation de la température du fil SMA entraîne une récupération de forme, ce qui entraîne une densité d'énergie d'actionnement plus élevée par rapport à divers matériaux intelligents directement liés.Dans le même temps, sous des charges mécaniques, les SMA deviennent cassants.Dans certaines conditions, une charge cyclique peut absorber et libérer de l'énergie mécanique, présentant des changements de forme hystérétiques réversibles.Ces propriétés uniques rendent le SMA idéal pour les capteurs, l'amortissement des vibrations et surtout les actionneurs12.Dans cet esprit, de nombreuses recherches ont été menées sur les disques basés sur SMA.Il convient de noter que les actionneurs basés sur SMA sont conçus pour fournir un mouvement de translation et de rotation pour une variété d'applications13,14,15.Bien que certains actionneurs rotatifs aient été développés, les chercheurs s'intéressent particulièrement aux actionneurs linéaires.Ces actionneurs linéaires peuvent être divisés en trois types d'actionneurs : actionneurs unidimensionnels, à déplacement et différentiels 16 .Initialement, les disques hybrides ont été créés en combinaison avec SMA et d'autres disques conventionnels.Un tel exemple d'actionneur linéaire hybride basé sur SMA est l'utilisation d'un fil SMA avec un moteur à courant continu pour fournir une force de sortie d'environ 100 N et un déplacement important17.
L'un des premiers développements d'entraînements entièrement basés sur SMA a été l'entraînement parallèle SMA.Utilisant plusieurs fils SMA, le lecteur parallèle basé sur SMA est conçu pour augmenter la capacité de puissance du lecteur en plaçant tous les fils SMA18 en parallèle.La connexion parallèle d'actionneurs nécessite non seulement plus de puissance, mais limite également la puissance de sortie d'un seul fil.Un autre inconvénient des actionneurs basés sur SMA est la course limitée qu'ils peuvent atteindre.Pour résoudre ce problème, un faisceau de câble SMA a été créé contenant un faisceau flexible dévié pour augmenter le déplacement et obtenir un mouvement linéaire, mais n'a pas généré de forces plus élevées19.Des structures souples déformables et des tissus pour robots basés sur des alliages à mémoire de forme ont été développés principalement pour l'amplification d'impact20,21,22.Pour les applications où des vitesses élevées sont requises, des pompes à entraînement compactes ont été signalées en utilisant des SMA à couche mince pour des applications entraînées par des micropompes23.La fréquence de commande de la membrane SMA à couche mince est un facteur clé dans le contrôle de la vitesse du conducteur.Par conséquent, les moteurs linéaires SMA ont une meilleure réponse dynamique que les moteurs à ressort ou à tige SMA.La robotique douce et la technologie de préhension sont deux autres applications qui utilisent des actionneurs à base de SMA.Par exemple, pour remplacer l'actionneur standard utilisé dans la pince spatiale 25 N, un actionneur parallèle 24 en alliage à mémoire de forme a été développé.Dans un autre cas, un actionneur souple SMA a été fabriqué à base d'un fil avec une matrice intégrée capable de produire une force de traction maximale de 30 N. En raison de leurs propriétés mécaniques, les SMA sont également utilisés pour produire des actionneurs qui imitent des phénomènes biologiques.L'un de ces développements comprend un robot à 12 cellules qui est un biomimétique d'un organisme ressemblant à un ver de terre avec SMA pour générer un mouvement sinusoïdal vers le feu26,27.
Comme mentionné précédemment, il existe une limite à la force maximale pouvant être obtenue à partir des actionneurs SMA existants.Pour résoudre ce problème, cette étude présente une structure musculaire bimodale biomimétique.Entraînement par fil en alliage à mémoire de forme.Il fournit un système de classification qui comprend plusieurs fils en alliage à mémoire de forme.À ce jour, aucun actionneur à base de SMA avec une architecture similaire n'a été rapporté dans la littérature.Ce système unique et novateur basé sur le SMA a été développé pour étudier le comportement du SMA lors de l'alignement musculaire bimodal.Par rapport aux actionneurs existants à base de SMA, l'objectif de cette étude était de créer un actionneur biomimétique dipvalerate pour générer des forces significativement plus élevées dans un petit volume.Par rapport aux entraînements à moteur pas à pas conventionnels utilisés dans les systèmes d'automatisation et de contrôle des bâtiments CVC, la conception d'entraînement bimodale basée sur SMA proposée réduit le poids du mécanisme d'entraînement de 67 %.Dans ce qui suit, les termes « muscle » et « entraînement » sont utilisés de manière interchangeable.Cette étude étudie la simulation multiphysique d'un tel entraînement.Le comportement mécanique de tels systèmes a été étudié par des méthodes expérimentales et analytiques.Les distributions de force et de température ont été étudiées plus en détail à une tension d'entrée de 7 V. Par la suite, une analyse paramétrique a été effectuée pour mieux comprendre la relation entre les paramètres clés et la force de sortie.Enfin, des actionneurs hiérarchiques ont été envisagés et des effets de niveau hiérarchique ont été proposés comme un futur domaine potentiel pour les actionneurs non magnétiques pour les applications prothétiques.Selon les résultats des études susmentionnées, l'utilisation d'une architecture à un étage produit des forces au moins quatre à cinq fois plus élevées que les actionneurs à base de SMA rapportés.De plus, il a été démontré que la même force d'entraînement générée par un entraînement multiniveaux multiniveaux est plus de dix fois supérieure à celle des entraînements conventionnels à base de SMA.L'étude rapporte ensuite les paramètres clés à l'aide d'une analyse de sensibilité entre différentes conceptions et variables d'entrée.La longueur initiale du fil SMA (\(l_0\)), l'angle penné (\(\alpha\)) et le nombre de brins simples (n) dans chaque brin individuel ont un effet négatif important sur l'amplitude de la force motrice.force, tandis que la tension d'entrée (énergie) s'est avérée positivement corrélée.
Le fil SMA présente l'effet de mémoire de forme (SME) observé dans la famille des alliages nickel-titane (Ni-Ti).En règle générale, les SMA présentent deux phases dépendant de la température : une phase à basse température et une phase à haute température.Les deux phases ont des propriétés uniques en raison de la présence de différentes structures cristallines.Dans la phase austénitique (phase à haute température) existant au-dessus de la température de transformation, le matériau présente une résistance élevée et se déforme peu sous charge.L'alliage se comporte comme l'acier inoxydable, il est donc capable de résister à des pressions d'actionnement plus élevées.Profitant de cette propriété des alliages Ni-Ti, les fils SMA sont inclinés pour former un actionneur.Des modèles analytiques appropriés sont développés pour comprendre la mécanique fondamentale du comportement thermique de l'AMF sous l'influence de divers paramètres et de diverses géométries.Un bon accord a été obtenu entre les résultats expérimentaux et analytiques.
Une étude expérimentale a été réalisée sur le prototype illustré à la Fig. 9a pour évaluer les performances d'un lecteur bimodal basé sur SMA.Deux de ces propriétés, la force générée par l'entraînement (force musculaire) et la température du fil SMA (température SMA), ont été mesurées expérimentalement.Lorsque la différence de tension augmente sur toute la longueur du fil dans le variateur, la température du fil augmente en raison de l'effet de chauffage Joule.La tension d'entrée a été appliquée en deux cycles de 10 s (représentés par des points rouges sur les Fig. 2a, b) avec une période de refroidissement de 15 s entre chaque cycle.La force de blocage a été mesurée à l'aide d'une jauge de contrainte piézoélectrique et la répartition de la température du fil SMA a été surveillée en temps réel à l'aide d'une caméra LWIR haute résolution de qualité scientifique (voir les caractéristiques de l'équipement utilisé dans le tableau 2).montre que pendant la phase de haute tension, la température du fil augmente de manière monotone, mais lorsqu'aucun courant ne circule, la température du fil continue de baisser.Dans la configuration expérimentale actuelle, la température du fil SMA a chuté pendant la phase de refroidissement, mais elle était toujours supérieure à la température ambiante.Sur la fig.2e montre un instantané de la température sur le fil SMA pris de la caméra LWIR.D'autre part, sur la fig.2a montre la force de blocage générée par le système d'entraînement.Lorsque la force musculaire dépasse la force de rappel du ressort, le bras mobile, comme représenté sur la figure 9a, commence à se déplacer.Dès que l'actionnement commence, le bras mobile entre en contact avec le capteur, créant une force corporelle, comme indiqué sur la fig.2c, d.Lorsque la température maximale est proche de \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), la force maximale observée est de 105 N.
Le graphique montre les résultats expérimentaux de la température du fil SMA et de la force générée par l'actionneur bimodal à base de SMA pendant deux cycles.La tension d'entrée est appliquée en deux cycles de 10 secondes (indiqués par des points rouges) avec une période de refroidissement de 15 secondes entre chaque cycle.Le fil SMA utilisé pour les expériences était un fil de flexinol de 0,51 mm de diamètre de Dynalloy, Inc. (a) Le graphique montre la force expérimentale obtenue sur deux cycles (C, D) montre deux exemples indépendants de l'action des actionneurs de bras en mouvement sur un snaps de paceline CFT / 5KN de la force de la force SMA entière, le graphique montre un instant de température maximale de la température de SMA pendant un temps de temps de temps, de la température de SMA, de la température de SMA. Le fil SMA à l'aide de la caméra LWIR du logiciel FLIR Researchir.Les paramètres géométriques pris en compte dans les expériences sont donnés dans le tableau.un.
Les résultats de simulation du modèle mathématique et les résultats expérimentaux sont comparés sous la condition d'une tension d'entrée de 7V, comme le montre la Fig.5.Selon les résultats de l'analyse paramétrique et afin d'éviter la possibilité de surchauffe du fil SMA, une puissance de 11,2 W a été fournie à l'actionneur.Une alimentation CC programmable a été utilisée pour fournir 7 V comme tension d'entrée, et un courant de 1,6 A a été mesuré à travers le fil.La force générée par le variateur et la température du SDR augmentent lorsque le courant est appliqué.Avec une tension d'entrée de 7V, la force de sortie maximale obtenue à partir des résultats de simulation et des résultats expérimentaux du premier cycle est de 78 N et 96 N, respectivement.Dans le deuxième cycle, la force de sortie maximale de la simulation et des résultats expérimentaux était de 150 N et 105 N, respectivement.L'écart entre les mesures de la force d'occlusion et les données expérimentales peut être dû à la méthode utilisée pour mesurer la force d'occlusion.Les résultats expérimentaux présentés sur la fig.5a correspondent à la mesure de la force de verrouillage, qui à son tour a été mesurée lorsque l'arbre d'entraînement était en contact avec le capteur de force piézoélectrique PACEline CFT/5kN, comme indiqué sur la fig.2s.Par conséquent, lorsque l'arbre d'entraînement n'est pas en contact avec le capteur de force au début de la zone de refroidissement, la force devient immédiatement nulle, comme illustré sur la figure 2d.De plus, les autres paramètres qui affectent la formation de la force dans les cycles suivants sont les valeurs du temps de refroidissement et le coefficient de transfert de chaleur par convection dans le cycle précédent.De la fig.2b, on peut voir qu'après une période de refroidissement de 15 secondes, le fil SMA n'a pas atteint la température ambiante et a donc eu une température initiale plus élevée (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) dans le deuxième cycle de conduite par rapport au premier cycle (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Ainsi, par rapport au premier cycle, la température du fil SMA au cours du deuxième cycle de chauffage atteint la température d'austénite initiale (\(A_s\)) plus tôt et reste plus longtemps dans la période de transition, ce qui entraîne une contrainte et une force.D'autre part, les distributions de température au cours des cycles de chauffage et de refroidissement obtenues à partir d'expériences et de simulations présentent une grande similitude qualitative avec des exemples issus d'analyses thermographiques.L'analyse comparative des données thermiques du fil SMA provenant d'expériences et de simulations a montré une cohérence pendant les cycles de chauffage et de refroidissement et dans des tolérances acceptables pour les données expérimentales.La température maximale du fil SMA, obtenue à partir des résultats de la simulation et des expériences du premier cycle, est \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) et \(75\,^{\circ }\hbox { C }\, respectivement), et dans le deuxième cycle, la température maximale du fil SMA est \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) et \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\ ).Le modèle fondamentalement développé confirme l'effet de l'effet de mémoire de forme.Le rôle de la fatigue et de la surchauffe n'a pas été pris en compte dans cette revue.À l'avenir, le modèle sera amélioré pour inclure l'historique des contraintes du fil SMA, le rendant plus adapté aux applications d'ingénierie.Les tracés de force de sortie du variateur et de température SMA obtenus à partir du bloc Simulink se situent dans les tolérances admissibles des données expérimentales sous la condition d'une impulsion de tension d'entrée de 7 V. Cela confirme l'exactitude et la fiabilité du modèle mathématique développé.
Le modèle mathématique a été développé dans l'environnement MathWorks Simulink R2020b à l'aide des équations de base décrites dans la section Méthodes.Sur la fig.3b montre un schéma fonctionnel du modèle mathématique Simulink.Le modèle a été simulé pour une impulsion de tension d'entrée de 7 V, comme indiqué sur les Fig. 2a, b.Les valeurs des paramètres utilisés dans la simulation sont répertoriées dans le tableau 1. Les résultats de la simulation des processus transitoires sont présentés dans les figures 1 et 1. Les figures 3a et 4. Dans la fig.4a,b montre la tension induite dans le fil SMA et la force générée par l'actionneur en fonction du temps. Pendant la transformation inverse (chauffage), lorsque la température du fil SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (température de début de la phase d'austénite modifiée par contrainte), le taux de variation de la fraction volumique de martensite (\(\dot{\xi }\)) sera nul. Pendant la transformation inverse (chauffage), lorsque la température du fil SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (température de début de la phase d'austénite modifiée par contrainte), le taux de variation de la fraction volumique de martensite (\(\dot{\ xi }\)) sera nul. Pour SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (т емпература начала аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения об ъемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Pendant la transformation inverse (chauffage), lorsque la température du fil SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (température de début d'austénite modifiée par contrainte), le taux de variation de la fraction volumique de martensite (\(\dot{\ xi }\ )) sera nul.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）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
( a ) Résultat de la simulation montrant la distribution de la température et la température de jonction induite par la contrainte dans un actionneur à divalérate à base de SMA.Lorsque la température du fil franchit la température de transition austénitique dans l'étape de chauffage, la température de transition austénitique modifiée commence à augmenter, et de même, lorsque la température du fil machine franchit la température de transition martensitique dans l'étape de refroidissement, la température de transition martensitique diminue.SMA pour la modélisation analytique du processus d'actionnement.(Pour une vue détaillée de chaque sous-système d'un modèle Simulink, consultez la section annexe du fichier supplémentaire.)
Les résultats de l'analyse pour différentes distributions de paramètres sont présentés pour deux cycles de la tension d'entrée de 7 V (cycles de préchauffage de 10 secondes et cycles de refroidissement de 15 secondes).Alors que (ac) et (e) décrivent la distribution dans le temps, d'autre part, (d) et (f) illustrent la distribution avec la température.Pour les conditions d'entrée respectives, la contrainte maximale observée est de 106 MPa (moins de 345 MPa, limite d'élasticité du fil), la force est de 150 N, le déplacement maximal est de 270 µm et la fraction volumique martensitique minimale est de 0,91.D'autre part, le changement de contrainte et le changement de fraction volumique de martensite avec la température sont similaires aux caractéristiques d'hystérésis.
La même explication s'applique à la transformation directe (refroidissement) de la phase austénite à la phase martensite, où la température du fil SMA (T) et la température finale de la phase martensite à contrainte modifiée (\(M_f^{\prime}\ )) sont excellentes.Sur la fig.4d,f montre l'évolution de la contrainte induite (\(\sigma\)) et de la fraction volumique de martensite (\(\xi\)) dans le fil SMA en fonction de l'évolution de la température du fil SMA (T), pour les deux cycles de roulage.Sur la fig.La figure 3a montre l'évolution de la température du fil SMA avec le temps en fonction de l'impulsion de tension d'entrée.Comme on peut le voir sur la figure, la température du fil continue d'augmenter en fournissant une source de chaleur à tension nulle et un refroidissement convectif ultérieur.Pendant le chauffage, la retransformation de la martensite en phase austénitique commence lorsque la température du fil SMA (T) croise la température de nucléation de l'austénite corrigée de la contrainte (\(A_s^{\prime}\)).Pendant cette phase, le fil SMA est comprimé et l'actionneur génère une force.Également pendant le refroidissement, lorsque la température du fil SMA (T) croise la température de nucléation de la phase martensite à contrainte modifiée (\(M_s^{\prime}\)), il y a une transition positive de la phase austénite à la phase martensite.la force motrice diminue.
Les principaux aspects qualitatifs de la conduite bimodale basée sur SMA peuvent être obtenus à partir des résultats de simulation.Dans le cas d'une entrée d'impulsion de tension, la température du fil SMA augmente en raison de l'effet de chauffage Joule.La valeur initiale de la fraction volumique de martensite (\(\xi\)) est fixée à 1, car le matériau est initialement dans une phase entièrement martensitique.Au fur et à mesure que le fil continue de chauffer, la température du fil SMA dépasse la température de nucléation de l'austénite corrigée en fonction des contraintes \(A_s^{\prime}\), ce qui entraîne une diminution de la fraction volumique de martensite, comme le montre la figure 4c.De plus, sur la fig.4e montre la répartition des courses de l'actionneur dans le temps, et à la fig.5 – force motrice en fonction du temps.Un système d'équations connexe comprend la température, la fraction volumique de martensite et la contrainte qui se développe dans le fil, entraînant un rétrécissement du fil SMA et la force générée par l'actionneur.Comme le montre la fig.4d,f, la variation de tension avec la température et la variation de la fraction volumique de martensite avec la température correspondent aux caractéristiques d'hystérésis du SMA dans le cas simulé à 7 V.
La comparaison des paramètres de conduite a été obtenue par des expériences et des calculs analytiques.Les fils ont été soumis à une tension d'entrée pulsée de 7 V pendant 10 secondes, puis refroidis pendant 15 secondes (phase de refroidissement) sur deux cycles.L'angle penné est défini sur \ (40 ^ {\ circ} \) et la longueur initiale du fil SMA dans chaque jambe de broche unique est définie sur 83 mm.(a) Mesure de la force motrice avec une cellule de charge (b) Surveillance de la température du fil avec une caméra infrarouge thermique.
Afin de comprendre l'influence des paramètres physiques sur la force produite par l'entraînement, une analyse de la sensibilité du modèle mathématique aux paramètres physiques sélectionnés a été réalisée, et les paramètres ont été classés en fonction de leur influence.Premièrement, l'échantillonnage des paramètres du modèle a été effectué en utilisant des principes de conception expérimentale qui suivaient une distribution uniforme (voir la section supplémentaire sur l'analyse de sensibilité).Dans ce cas, les paramètres du modèle incluent la tension d'entrée (\(V_{in}\)), la longueur initiale du fil SMA (\(l_0\)), l'angle du triangle (\(\alpha\)), la constante de ressort de polarisation (\(K_x\ )), le coefficient de transfert de chaleur par convection (\(h_T\)) et le nombre de branches unimodales (n).Dans l'étape suivante, la force musculaire maximale a été choisie comme exigence de conception de l'étude et les effets paramétriques de chaque ensemble de variables sur la force ont été obtenus.Les diagrammes de tornade pour l'analyse de sensibilité ont été dérivés des coefficients de corrélation pour chaque paramètre, comme le montre la figure 6a.
(a) Les valeurs du coefficient de corrélation des paramètres du modèle et leur effet sur la force de sortie maximale de 2500 groupes uniques des paramètres du modèle ci-dessus sont indiqués dans le diagramme de tornade.Le graphique montre la corrélation de rang de plusieurs indicateurs.Il est clair que \(V_{in}\) est le seul paramètre avec une corrélation positive, et \(l_0\) est le paramètre avec la corrélation négative la plus élevée.L'effet de divers paramètres dans diverses combinaisons sur la force musculaire maximale est illustré en (b, c).\(K_x\) varie de 400 à 800 N/m et n varie de 4 à 24. La tension (\(V_{in}\)) est passée de 4 V à 10 V, la longueur du fil (\(l_{0 } \)) a changé de 40 à 100 mm et l'angle de queue (\ (\alpha \)) a varié de \ (20 - 60 \, ^ {\circ }\).
Sur la fig.6a montre un graphique en tornade de divers coefficients de corrélation pour chaque paramètre avec les exigences de conception de la force d'entraînement maximale.De la fig.6a, on peut voir que le paramètre de tension (\(V_{in}\)) est directement lié à la force de sortie maximale, et le coefficient de transfert de chaleur convectif (\(h_T\)), l'angle de flamme (\ ( \alpha\)), la constante de ressort de déplacement (\(K_x\)) est corrélé négativement avec la force de sortie et la longueur initiale (\(l_0\)) du fil SMA, et le nombre de branches unimodales (n) montre une forte corrélation inverse dans le cas d'une corrélation directe In le cas d'une valeur plus élevée du coefficient de corrélation de tension (\(V_{in}\)) indique que ce paramètre a le plus grand effet sur la puissance de sortie.Une autre analyse similaire mesure la force maximale en évaluant l'effet de différents paramètres dans différentes combinaisons des deux espaces de calcul, comme le montrent les Fig. 6b, c.\(V_{in}\) et \(l_0\), \(\alpha\) et \(l_0\) ont des modèles similaires, et le graphique montre que \(V_{in}\) et \(\alpha\ ) et \(\alpha\) ont des modèles similaires.Des valeurs plus petites de \(l_0\) entraînent des forces de pointe plus élevées.Les deux autres tracés sont cohérents avec la figure 6a, où n et \(K_x\) sont négativement corrélés et \(V_{in}\) sont positivement corrélés.Cette analyse permet de définir et d'ajuster les paramètres d'influence par lesquels la force de sortie, la course et le rendement du système d'entraînement peuvent être adaptés aux exigences et à l'application.
Les travaux de recherche actuels introduisent et étudient les pulsions hiérarchiques à N niveaux.Dans une hiérarchie à deux niveaux, comme illustré sur la Fig. 7a, où au lieu de chaque fil SMA de l'actionneur de premier niveau, un agencement bimodal est obtenu, comme illustré sur la Fig.9e.Sur la fig.7c montre comment le fil SMA est enroulé autour d'un bras mobile (bras auxiliaire) qui se déplace uniquement dans le sens longitudinal.Cependant, le bras mobile primaire continue à se déplacer de la même manière que le bras mobile de l'actionneur à plusieurs étages du 1er étage.En règle générale, un lecteur à N étages est créé en remplaçant le fil SMA de l'étage \(N-1\) par un lecteur de premier étage.En conséquence, chaque branche imite le premier étage d'entraînement, à l'exception de la branche qui contient le fil lui-même.De cette manière, des structures imbriquées peuvent être formées qui créent des forces plusieurs fois supérieures aux forces des entraînements primaires.Dans cette étude, pour chaque niveau, une longueur totale de fil SMA efficace de 1 m a été prise en compte, comme indiqué sous forme de tableau à la Fig. 7d.Le courant à travers chaque fil dans chaque conception unimodale et la précontrainte et la tension résultantes dans chaque segment de fil SMA sont les mêmes à chaque niveau.Selon notre modèle analytique, la force de sortie est corrélée positivement avec le niveau, tandis que le déplacement est corrélé négativement.Dans le même temps, il y avait un compromis entre le déplacement et la force musculaire.Comme on le voit sur la fig.7b, alors que la force maximale est atteinte dans le plus grand nombre de couches, le plus grand déplacement est observé dans la couche la plus basse.Lorsque le niveau hiérarchique était défini sur \(N=5\), une force musculaire maximale de 2,58 kN a été trouvée avec 2 courses observées \(\upmu\)m.D'autre part, l'entraînement du premier étage génère une force de 150 N à une course de 277 \(\upmu\)m.Les actionneurs à plusieurs niveaux sont capables d'imiter de vrais muscles biologiques, où des muscles artificiels basés sur des alliages à mémoire de forme sont capables de générer des forces nettement plus élevées avec des mouvements précis et plus fins.Les limites de cette conception miniaturisée sont qu'à mesure que la hiérarchie augmente, le mouvement est considérablement réduit et la complexité du processus de fabrication du disque augmente.
(a) Un système d'actionneur linéaire en alliage à mémoire de forme à deux étages (\(N=2\)) est représenté dans une configuration bimodale.Le modèle proposé est obtenu en remplaçant le fil SMA dans l'actionneur en couches du premier étage par un autre actionneur en couches à un étage.(c) Configuration déformée de l'actionneur multicouche du deuxième étage.(b) La distribution des forces et des déplacements en fonction du nombre de niveaux est décrite.Il a été constaté que la force maximale de l'actionneur est positivement corrélée avec le niveau d'échelle sur le graphique, tandis que la course est négativement corrélée avec le niveau d'échelle.Le courant et la prétension dans chaque fil restent constants à tous les niveaux.(d) Le tableau indique le nombre de prises et la longueur du fil SMA (fibre) à chaque niveau.Les caractéristiques des fils sont indiquées par l'indice 1, et le nombre de branches secondaires (une reliée à la branche primaire) est indiqué par le plus grand nombre en indice.Par exemple, au niveau 5, \(n_1\) fait référence au nombre de fils SMA présents dans chaque structure bimodale, et \(n_5\) fait référence au nombre de branches auxiliaires (une connectée à la branche principale).
Diverses méthodes ont été proposées par de nombreux chercheurs pour modéliser le comportement des AMF à mémoire de forme, qui dépendent des propriétés thermomécaniques accompagnant les changements macroscopiques de la structure cristalline associés à la transition de phase.La formulation des méthodes constitutives est intrinsèquement complexe.Le modèle phénoménologique le plus couramment utilisé est proposé par Tanaka28 et est largement utilisé dans les applications d'ingénierie.Le modèle phénoménologique proposé par Tanaka [28] suppose que la fraction volumique de la martensite est une fonction exponentielle de la température et de la contrainte.Plus tard, Liang et Rogers29 et Brinson30 ont proposé un modèle dans lequel la dynamique de transition de phase était supposée être une fonction cosinus de la tension et de la température, avec de légères modifications au modèle.Becker et Brinson ont proposé un modèle cinétique basé sur un diagramme de phase pour modéliser le comportement des matériaux SMA dans des conditions de chargement arbitraires ainsi que des transitions partielles.Banerjee32 utilise la méthode dynamique du diagramme de phase de Bekker et Brinson31 pour simuler un manipulateur à un seul degré de liberté développé par Elahinia et Ahmadian33.Les méthodes cinétiques basées sur des diagrammes de phase, qui prennent en compte la variation non monotone de la tension avec la température, sont difficiles à mettre en œuvre dans les applications d'ingénierie.Elakhinia et Ahmadian attirent l'attention sur ces lacunes des modèles phénoménologiques existants et proposent un modèle phénoménologique étendu pour analyser et définir le comportement de la mémoire de forme dans toutes les conditions de chargement complexes.
Le modèle structurel du fil SMA donne la contrainte (\(\sigma\)), la déformation (\(\epsilon\)), la température (T) et la fraction volumique de martensite (\(\xi\)) du fil SMA.Le modèle constitutif phénoménologique a d'abord été proposé par Tanaka28 puis adopté par Liang29 et Brinson30.La dérivée de l'équation a la forme :
où E est le module de Young SMA dépendant de la phase obtenu en utilisant \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) et \(E_A\) et \(E_M\) représentant le module de Young sont des phases austénitiques et martensitiques, respectivement, et le coefficient de dilatation thermique est représenté par \(\theta _T\).Le facteur de contribution de transition de phase est \(\Omega = -E \epsilon _L\) et \(\epsilon _L\) est la déformation maximale récupérable dans le fil SMA.
L'équation de la dynamique de phase coïncide avec la fonction cosinus développée par Liang29 et adoptée plus tard par Brinson30 au lieu de la fonction exponentielle proposée par Tanaka28.Le modèle de transition de phase est une extension du modèle proposé par Elakhinia et Ahmadian34 et modifié sur la base des conditions de transition de phase données par Liang29 et Brinson30.Les conditions utilisées pour ce modèle de transition de phase sont valides sous des charges thermomécaniques complexes.A chaque instant, la valeur de la fraction volumique de martensite est calculée lors de la modélisation de l'équation constitutive.
L'équation de retransformation déterminante, exprimée par la transformation de la martensite en austénite dans des conditions de chauffage, est la suivante :
où \(\xi\) est la fraction volumique de martensite, \(\xi _M\) est la fraction volumique de martensite obtenue avant chauffage, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) et \(C_A\) – paramètres d'approximation de la courbe, T – température du fil SMA, \(A_s\) et \(A_f\) – début et fin de la phase austénitique, respectivement, la température.
L'équation de contrôle de la transformation directe, représentée par la transformation de phase de l'austénite en martensite dans des conditions de refroidissement, est :
où \(\xi _A\) est la fraction volumique de martensite obtenue avant refroidissement, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) et \ ( C_M \) – paramètres d'ajustement de la courbe, T – température du fil SMA, \(M_s\) et \(M_f\) – températures initiale et finale de la martensite, respectivement.
Une fois les équations (3) et (4) différenciées, les équations de transformation inverse et directe sont simplifiées sous la forme suivante :
Lors de la transformation avant et arrière, \(\eta _{\sigma}\) et \(\eta _{T}\) prennent des valeurs différentes.Les équations de base associées à \(\eta _{\sigma}\) et \(\eta _{T}\) ont été dérivées et discutées en détail dans une section supplémentaire.
L'énergie thermique nécessaire pour élever la température du fil SMA provient de l'effet de chauffage Joule.L'énergie thermique absorbée ou dégagée par le fil SMA est représentée par la chaleur latente de transformation.La perte de chaleur dans le fil SMA est due à la convection forcée, et compte tenu de l'effet négligeable du rayonnement, l'équation du bilan énergétique thermique est la suivante :
Où \(m_{wire}\) est la masse totale du fil SMA, \(c_{p}\) est la capacité thermique spécifique du SMA, \(V_{in}\) est la tension appliquée au fil, \(R_{ohm} \ ) - résistance dépendante de la phase SMA, définie comme ;\(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) où \(r_M\ ) et \(r_A\) sont respectivement la résistivité de phase SMA dans la martensite et l'austénite, \(A_{c}\) est la surface du fil SMA, \(\Delta H \) est un alliage à mémoire de forme.La chaleur latente de transition du fil, T et \(T_{\infty}\) sont respectivement les températures du fil SMA et de l'environnement.
Lorsqu'un fil en alliage à mémoire de forme est actionné, le fil se comprime, créant une force dans chaque branche de la conception bimodale appelée force de fibre.Les forces des fibres dans chaque brin du fil SMA créent ensemble la force musculaire à actionner, comme illustré à la Fig. 9e.En raison de la présence d'un ressort de rappel, la force musculaire totale du Nième actionneur multicouche est :
En remplaçant \(N = 1\) dans l'équation (7), la force musculaire du prototype de propulsion bimodale du premier étage peut être obtenue comme suit :
où n est le nombre de jambes unimodales, \(F_m\) est la force musculaire générée par l'entraînement, \(F_f\) est la résistance de la fibre dans le fil SMA, \(K_x\) est la rigidité du biais.ressort, \(\alpha\) est l'angle du triangle, \(x_0\) est le décalage initial du ressort de polarisation pour maintenir le câble SMA dans la position pré-tendue, et \(\Delta x\) est la course de l'actionneur.
Le déplacement total ou le mouvement de l'entraînement (\(\Delta x\)) en fonction de la tension (\(\sigma\)) et de la contrainte (\(\epsilon\)) sur le fil SMA du Nième étage, l'entraînement est réglé sur (voir Fig. partie supplémentaire de la sortie) :
Les équations cinématiques donnent la relation entre la déformation d'entraînement (\(\epsilon\)) et le déplacement ou déplacement (\(\Delta x\)).La déformation du fil Arb en fonction de la longueur initiale du fil Arb (\(l_0\)) et de la longueur du fil (l) à tout instant t dans une branche unimodale est la suivante :
où \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) est obtenu en appliquant la formule du cosinus dans \(\Delta\)ABB ', comme illustré à la Figure 8. Pour le premier étage d'entraînement (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) est \(\Delta x\), et \( \alpha _1\) est \(\alpha \) comme indiqué dans Comme le montre la figure 8, en différenciant le temps de l'équation (11) et en remplaçant la valeur de l, le taux de déformation peut être écrit comme :
où \(l_0\) est la longueur initiale du fil SMA, l est la longueur du fil à tout moment t dans une branche unimodale, \(\epsilon\) est la déformation développée dans le fil SMA, et \(\alpha \) est l'angle du triangle , \(\Delta x\) est le décalage d'entraînement (comme illustré à la figure 8).
Toutes les n structures à pic unique (\(n=6\) sur cette figure) sont connectées en série avec \(V_{in}\) comme tension d'entrée.Étape I : Schéma de principe du fil SMA dans une configuration bimodale dans des conditions de tension nulle Étape II : Une structure contrôlée est représentée où le fil SMA est comprimé en raison de la conversion inverse, comme indiqué par la ligne rouge.
Comme preuve de concept, un lecteur bimodal basé sur SMA a été développé pour tester la dérivation simulée des équations sous-jacentes avec des résultats expérimentaux.Le modèle CAO de l'actionneur linéaire bimodal est illustré à la fig.9a.D'autre part, sur la fig.9c montre une nouvelle conception proposée pour une connexion prismatique rotative utilisant un actionneur à base de SMA à deux plans avec une structure bimodale.Les composants du disque ont été fabriqués à l'aide de la fabrication additive sur une imprimante 3D Ultimaker 3 Extended.Le matériau utilisé pour l'impression 3D des composants est le polycarbonate qui convient aux matériaux résistants à la chaleur car il est solide, durable et a une température de transition vitreuse élevée (110-113 \(^{\circ }\) C).De plus, le fil en alliage à mémoire de forme Flexinol de Dynalloy, Inc. a été utilisé dans les expériences, et les propriétés du matériau correspondant au fil Flexinol ont été utilisées dans les simulations.Plusieurs fils SMA sont disposés sous forme de fibres présentes dans un agencement bimodal de muscles pour obtenir les forces élevées produites par les actionneurs multicouches, comme le montrent les Fig. 9b, d.
Comme le montre la figure 9a, l'angle aigu formé par le fil SMA à bras mobile est appelé l'angle (\(\alpha\)).Avec des pinces terminales fixées aux pinces gauche et droite, le fil SMA est maintenu à l'angle bimodal souhaité.Le dispositif à ressort de polarisation maintenu sur le connecteur à ressort est conçu pour ajuster les différents groupes d'extension de ressort de polarisation en fonction du nombre (n) de fibres SMA.De plus, l'emplacement des pièces mobiles est conçu de manière à ce que le fil SMA soit exposé à l'environnement extérieur pour un refroidissement par convection forcée.Les plaques supérieure et inférieure de l'ensemble amovible aident à garder le fil SMA au frais grâce à des découpes extrudées conçues pour réduire le poids.De plus, les deux extrémités du fil CMA sont fixées respectivement aux bornes gauche et droite au moyen d'un sertissage.Un piston est fixé à une extrémité de l'ensemble mobile pour maintenir un jeu entre les plaques supérieure et inférieure.Le piston est également utilisé pour appliquer une force de blocage au capteur via un contact pour mesurer la force de blocage lorsque le fil SMA est actionné.
La structure musculaire bimodale SMA est connectée électriquement en série et alimentée par une tension d'impulsion d'entrée.Pendant le cycle d'impulsion de tension, lorsque la tension est appliquée et que le fil SMA est chauffé au-dessus de la température initiale de l'austénite, la longueur du fil dans chaque brin est raccourcie.Cette rétraction active le sous-ensemble de bras mobile.Lorsque la tension a été mise à zéro dans le même cycle, le fil SMA chauffé a été refroidi en dessous de la température de la surface de la martensite, revenant ainsi à sa position d'origine.Dans des conditions de contrainte nulle, le fil SMA est d'abord étiré passivement par un ressort de polarisation pour atteindre l'état martensitique démaclé.La vis, à travers laquelle passe le fil SMA, se déplace en raison de la compression créée par l'application d'une impulsion de tension au fil SMA (SPA atteint la phase austénite), ce qui entraîne l'actionnement du levier mobile.Lorsque le fil SMA est rétracté, le ressort de polarisation crée une force opposée en étirant davantage le ressort.Lorsque la contrainte dans la tension d'impulsion devient nulle, le fil SMA s'allonge et change de forme en raison du refroidissement par convection forcée, atteignant une double phase martensitique.
Le système d'actionneur linéaire à base de SMA proposé a une configuration bimodale dans laquelle les fils SMA sont inclinés.(a) représente un modèle CAO du prototype, qui mentionne certains des composants et leurs significations pour le prototype, (b, d) représentent le prototype expérimental développé35.Alors que (b) montre une vue de dessus du prototype avec les connexions électriques et les ressorts de polarisation et les jauges de contrainte utilisés, (d) montre une vue en perspective de la configuration.( e ) Schéma d'un système d'actionnement linéaire avec des fils SMA placés de manière bimodale à tout moment t, montrant la direction et le parcours de la fibre et la force musculaire.(c) Une connexion prismatique rotative à 2 degrés de liberté a été proposée pour déployer un actionneur à base de SMA à deux plans.Comme illustré, le lien transmet un mouvement linéaire de l'entraînement inférieur au bras supérieur, créant une connexion en rotation.D'autre part, le mouvement de la paire de prismes est le même que le mouvement de la commande du premier étage multicouche.
Une étude expérimentale a été réalisée sur le prototype illustré à la Fig. 9b pour évaluer les performances d'un lecteur bimodal basé sur SMA.Comme le montre la figure 10a, la configuration expérimentale consistait en une alimentation CC programmable pour fournir une tension d'entrée aux fils SMA.Comme le montre la fig.10b, une jauge de contrainte piézoélectrique (PACEline CFT/5kN) a été utilisée pour mesurer la force de blocage à l'aide d'un enregistreur de données Graphtec GL-2000.Les données sont enregistrées par l'hôte pour une étude ultérieure.Les jauges de contrainte et les amplificateurs de charge nécessitent une alimentation électrique constante pour produire un signal de tension.Les signaux correspondants sont convertis en sorties de puissance en fonction de la sensibilité du capteur de force piézoélectrique et d'autres paramètres comme décrit dans le tableau 2. Lorsqu'une impulsion de tension est appliquée, la température du fil SMA augmente, provoquant la compression du fil SMA, ce qui amène l'actionneur à générer de la force.Les résultats expérimentaux de la sortie de la force musculaire par une impulsion de tension d'entrée de 7 V sont illustrés à la fig.2a.
(a) Un système d'actionneur linéaire basé sur SMA a été mis en place dans l'expérience pour mesurer la force générée par l'actionneur.La cellule de pesée mesure la force de blocage et est alimentée par une alimentation 24 V DC.Une chute de tension de 7 V a été appliquée sur toute la longueur du câble à l'aide d'une alimentation CC programmable GW Instek.Le fil SMA rétrécit sous l'effet de la chaleur et le bras mobile entre en contact avec la cellule de charge et exerce une force de blocage.La cellule de charge est connectée à l'enregistreur de données GL-2000 et les données sont stockées sur l'hôte pour un traitement ultérieur.(b) Schéma montrant la chaîne des composants du dispositif expérimental de mesure de la force musculaire.
Les alliages à mémoire de forme sont excités par l'énergie thermique, la température devient donc un paramètre important pour étudier le phénomène de mémoire de forme.Expérimentalement, comme le montre la figure 11a, des mesures d'imagerie thermique et de température ont été effectuées sur un prototype d'actionneur bivalérate à base de SMA.Une source CC programmable a appliqué une tension d'entrée aux fils SMA dans la configuration expérimentale, comme illustré à la figure 11b.Le changement de température du fil SMA a été mesuré en temps réel à l'aide d'une caméra LWIR haute résolution (FLIR A655sc).L'hôte utilise le logiciel ResearchIR pour enregistrer les données en vue d'un post-traitement ultérieur.Lorsqu'une impulsion de tension est appliquée, la température du fil SMA augmente, provoquant le rétrécissement du fil SMA.Sur la fig.La figure 2b montre les résultats expérimentaux de la température du fil SMA en fonction du temps pour une impulsion de tension d'entrée de 7 V.
Heure de publication : 28 septembre 2022