Tapadh leibh airson tadhal air Nature.com. Tha taic CSS cuibhrichte aig an dreach brabhsair a tha thu a’ cleachdadh. Airson an eòlas as fheàrr, tha sinn a’ moladh gun cleachd thu brabhsair ùraichte (no gun cuir thu dheth Modh Co-chòrdalachd ann an Internet Explorer). Aig an aon àm, gus dèanamh cinnteach à taic leantainneach, nì sinn an làrach-lìn gun stoidhlichean agus JavaScript.
Bithear a’ cleachdadh ghnìomhaichean anns a h-uile àite agus cruthaichidh iad gluasad fo smachd le bhith a’ cur an fheachd brosnachaidh no an torque ceart an sàs gus diofar obrachaidhean a dhèanamh ann an saothrachadh agus fèin-ghluasad gnìomhachais. Tha an fheum air draibhearan nas luaithe, nas lugha agus nas èifeachdaiche a’ stiùireadh ùr-ghnàthachadh ann an dealbhadh draibhearan. Tha grunn bhuannachdan aig draibhearan Shape Memory Alloy (SMA) thairis air draibhearan àbhaisteach, a’ gabhail a-steach co-mheas cumhachd-gu-cuideam àrd. Anns an tràchdas seo, chaidh gnìomhaiche stèidhichte air SMA dà-iteagach a leasachadh a tha a’ cothlamadh buannachdan fèithean iteagach shiostaman bith-eòlasach agus feartan sònraichte SMAn. Tha an sgrùdadh seo a’ sgrùdadh agus a’ leudachadh ghnìomhaichean SMA a bh’ ann roimhe le bhith a’ leasachadh modail matamataigeach den ghnìomhaiche ùr stèidhichte air rèiteachadh uèir SMA dà-mhodhail agus ga dhearbhadh gu deuchainneach. An coimeas ri draibhearan aithnichte stèidhichte air SMA, tha feachd gnìomhachaidh an draibhear ùir co-dhiù 5 tursan nas àirde (suas ri 150 N). Tha an call cuideim co-fhreagarrach mu 67%. Tha toraidhean mion-sgrùdadh cugallachd mhodalan matamataigeach feumail airson paramadairean dealbhaidh a ghleusadh agus tuigse fhaighinn air prìomh pharamadairean. Tha an sgrùdadh seo cuideachd a’ taisbeanadh draibhear ìre Nth ioma-ìre a ghabhas cleachdadh gus daineamaigs a leasachadh tuilleadh. Tha raon farsaing de thagraidhean aig gnìomhaichean fèithean dipvalerate stèidhichte air SMA, bho fèin-ghluasad thogalaichean gu siostaman lìbhrigidh dhrogaichean mionaideach.
Faodaidh siostaman bith-eòlasach, leithid structaran fèitheach mamalan, mòran ghnìomhaichean seòlta a ghnìomhachadh1. Tha structaran fèithe eadar-dhealaichte aig mamalan, gach fear a’ frithealadh adhbhar sònraichte. Ach, faodar mòran de structar clò fèithe mamalan a roinn ann an dà roinn fharsaing. Co-shìnte agus pennate. Anns na hamstrings agus flexors eile, mar a tha an t-ainm a’ moladh, tha snàithleanan fèithe aig a’ fhèith-chruth co-shìnte ris an tendon meadhanach. Tha an t-sreath de shnàithleanan fèithe air a lìnigeadh suas agus ceangailte gu gnìomhach leis an stuth ceangail mun cuairt orra. Ged a thathar ag ràdh gu bheil turas mòr (giorrachadh ceudad) aig na fèithean sin, tha an neart fèithe iomlan aca gu math cuingealaichte. An coimeas ri sin, anns a’ triceps laogh2 (gastrocnemius lateral (GL)3, gastrocnemius medial (GM)4 agus soleus (SOL)) agus extensor femoris (quadriceps)5,6 lorgar clò fèithe pennate anns gach fèith7. Ann an structar pinnate, tha na snàithleanan fèithe anns a’ fhèith-chruth bipennate an làthair air gach taobh den tendon meadhanach aig ceàrnan claon (ceàrnan pinnate). Tha am facal pennate a’ tighinn bhon fhacal Laidinn “penna”, a tha a’ ciallachadh “peann”, agus, mar a chithear ann am figear 1, tha coltas iteagach air. Tha snàithleanan nam fèithean pennate nas giorra agus ceàrnach ri ais fhada na fèithe. Air sgàth an structair pinnate, tha gluasaid iomlan nam fèithean sin air a lughdachadh, a tha a’ leantainn gu na pàirtean transverse agus fada den phròiseas giorrachaidh. Air an làimh eile, bidh gnìomhachadh nam fèithean sin a’ leantainn gu neart fèithe iomlan nas àirde air sgàth mar a thathas a’ tomhas farsaingeachd thar-roinneil fiseòlasach. Mar sin, airson farsaingeachd thar-roinneil sònraichte, bidh fèithean pennate nas làidire agus cruthaichidh iad feachdan nas àirde na fèithean le snàithleanan co-shìnte. Bidh feachdan a chruthaicheas snàithleanan fa leth a’ gineadh feachdan fèithe aig ìre macrascopach anns an fhighe fèithe sin. A bharrachd air an sin, tha feartan sònraichte aige leithid crìonadh luath, dìon an aghaidh milleadh tensile, agus maothachadh. Bidh e ag atharrachadh a’ chàirdeis eadar cuir a-steach snàithleach agus toradh cumhachd fèithe le bhith a’ cleachdadh nan feartan sònraichte agus iom-fhillteachd geoimeatrach den rèiteachadh snàithleach co-cheangailte ri loidhnichean gnìomh fèithe.
Tha diagraman sgemataig de dhealbhaidhean gnìomhaiche stèidhichte air SMA a tha ann mar-thà a thaobh ailtireachd fèitheach dà-mhodhail air an sealltainn, mar eisimpleir (a), a’ riochdachadh eadar-obrachadh feachd tactile anns a bheil inneal cumadh-làimhe air a ghnìomhachadh le uèirichean SMA air a chuir air inneal-fuadain gluasadach fèin-riaghlaidh dà-chuibhleach9,10. , (b) Prosthesis orbital robotach le prosthesis orbital luchdaichte le fuaran SMA air a chuir gu antagonist. Tha suidheachadh na sùla prosthetic air a smachdachadh le comharra bho fhèith sùla na sùla11, (c) Tha gnìomhaichean SMA air leth freagarrach airson tagraidhean fon uisge air sgàth an fhreagairt tricead àrd agus leud-bann ìosal. Anns an rèiteachadh seo, thathas a’ cleachdadh gnìomhaichean SMA gus gluasad tonn a chruthachadh le bhith ag atharrais gluasad èisg, (d) thathas a’ cleachdadh gnìomhaichean SMA gus inneal-fuadain sgrùdaidh micropìoban a chruthachadh as urrainn prionnsapal gluasad cnuimhe òirleach a chleachdadh, air a smachdachadh le gluasad uèirichean SMA taobh a-staigh seanail 10, (e) a’ sealltainn stiùireadh snàithleanan fèithe giorrachadh agus a’ gineadh feachd cùmhnantail ann an clò gastrocnemius, (f) a’ sealltainn uèirichean SMA air an rèiteachadh ann an cruth snàithleanan fèithe ann an structar fèithe pennate.
Tha gnìomhaichean air fàs gu bhith nam pàirt chudromach de shiostaman meacanaigeach air sgàth an raon farsaing de thagraidhean. Mar sin, tha feum air draibhearan nas lugha, nas luaithe agus nas èifeachdaiche a’ fàs deatamach. A dh’ aindeoin na buannachdan aca, tha draibhearan traidiseanta air dearbhadh gu bheil iad daor agus a’ toirt ùine airson an cumail suas. Tha gnìomhaichean uisgeachaidh is niùmatach iom-fhillte agus daor agus tha iad buailteach do chaitheamh, duilgheadasan lubrication agus fàilligeadh phàirtean. Mar fhreagairt air iarrtas, is e am fòcas a bhith a’ leasachadh gnìomhaichean cosg-èifeachdach, leasaichte a thaobh meud agus adhartach stèidhichte air stuthan snasail. Tha rannsachadh leantainneach a’ coimhead air gnìomhaichean sreathan de alloy cuimhne cumadh (SMA) gus coinneachadh ris an fheum seo. Tha gnìomhaichean ìreachail gun samhail leis gu bheil iad a’ cothlamadh mòran ghnìomhaichean fa leth ann an fo-shiostaman macro-sgèile iom-fhillte gu geoimeatrach gus gnìomhachd nas motha agus nas leudaichte a thoirt seachad. A thaobh seo, tha an clò fèithe daonna a chaidh a mhìneachadh gu h-àrd a’ toirt seachad eisimpleir ioma-fhilleadh sàr-mhath de ghnìomhachd ioma-fhilleadh mar sin. Tha an sgrùdadh làithreach a’ toirt cunntas air draibhear SMA ioma-ìre le grunn eileamaidean dràibhidh fa leth (uèirichean SMA) air an co-thaobhadh ris na treòrachadh snàithleach a tha an làthair ann am fèithean bimodal, a leasaicheas coileanadh iomlan an dràibhidh.
’S e prìomh adhbhar actuator toradh cumhachd meacanaigeach a ghineadh leithid feachd agus gluasad le bhith ag atharrachadh lùth dealain. Tha aloidhean cuimhne cumadh nan clas de stuthan “smart” as urrainn an cumadh ath-nuadhachadh aig teòthachd àrd. Fo luchdan àrda, bidh àrdachadh ann an teòthachd uèir SMA ag adhbhrachadh ath-bheothachadh cumadh, agus mar thoradh air sin bidh dùmhlachd lùtha gnìomhachaidh nas àirde an taca ri diofar stuthan snasail ceangailte gu dìreach. Aig an aon àm, fo luchdan meacanaigeach, bidh SMAn a’ fàs brisg. Fo chumhachan sònraichte, faodaidh luchd cearcallach lùth meacanaigeach a ghabhail a-steach agus a leigeil ma sgaoil, a’ nochdadh atharrachaidhean cumadh hysteretic ath-thionndaidheach. Tha na feartan sònraichte seo a’ dèanamh SMA freagarrach airson mothachairean, maothachadh crith agus gu sònraichte actuators12. Le seo san amharc, tha tòrr rannsachaidh air a bhith ann air draibhearan stèidhichte air SMA. Bu chòir a thoirt fa-near gu bheil actuators stèidhichte air SMA air an dealbhadh gus gluasad eadar-theangachaidh agus rothlach a thoirt seachad airson grunn thagraidhean13,14,15. Ged a chaidh cuid de actuators rothlach a leasachadh, tha luchd-rannsachaidh gu sònraichte airson ùidh a bhith aca ann an actuators loidhneach. Faodar na actuators loidhneach seo a roinn ann an trì seòrsaichean de actuators: actuators aon-thaobhach, gluasad agus eadar-dhealaichte16. An toiseach, chaidh draibhearan tar-chinealach a chruthachadh ann an co-bhonn ri SMA agus draibhearan àbhaisteach eile. Is e aon eisimpleir de ghnìomhaiche loidhneach tar-chinealach stèidhichte air SMA cleachdadh uèir SMA le motair DC gus feachd toraidh timcheall air 100 N agus gluasad mòr a thoirt seachad17.
B’ e an draibhear co-shìnte SMA aon de na ciad leasachaidhean ann an draibhearan stèidhichte gu tur air SMA. Le bhith a’ cleachdadh iomadh uèir SMA, tha an draibhear co-shìnte stèidhichte air SMA air a dhealbhadh gus comas cumhachd an draibhear a mheudachadh le bhith a’ cur a h-uile uèir SMA18 ann an co-shìnte. Chan e a-mhàin gu bheil feum aig ceangal co-shìnte de ghnìomhaichean air barrachd cumhachd, ach tha e cuideachd a’ cuingealachadh cumhachd toraidh aon uèir. Is e ana-cothrom eile a tha aig gnìomhaichean stèidhichte air SMA an siubhal cuibhrichte as urrainn dhaibh a choileanadh. Gus an duilgheadas seo fhuasgladh, chaidh giùlan càball SMA a chruthachadh anns a bheil giùlan sùbailte lùbte gus gluasad a mheudachadh agus gluasad loidhneach a choileanadh, ach cha do chruthaich e feachdan nas àirde19. Chaidh structaran agus aodach bog deformable airson innealan-fuadain stèidhichte air aloidhean cuimhne cumadh a leasachadh sa mhòr-chuid airson leudachadh buaidh20,21,22. Airson tagraidhean far a bheil feum air astaran àrda, chaidh aithris air pumpaichean dràibhidh teann a’ cleachdadh SMAn film tana airson tagraidhean dràibhidh micropump23. Tha tricead dràibhidh membran SMA film tana na phrìomh fheart ann a bhith a’ cumail smachd air astar an draibhear. Mar sin, tha freagairt fiùghantach nas fheàrr aig motaran loidhneach SMA na motaran earraich no slat SMA. Tha robotachd bhog agus teicneòlas greimeachaidh nan dà thagradh eile a bhios a’ cleachdadh gnìomhaichean stèidhichte air SMA. Mar eisimpleir, gus an gnìomhaiche àbhaisteach a thathas a’ cleachdadh anns a’ chlamp fànais 25 N a chur na àite, chaidh gnìomhaiche co-shìnte 24 de alloy cuimhne cumadh a leasachadh. Ann an cùis eile, chaidh gnìomhaiche bog SMA a dhèanamh stèidhichte air uèir le maitrís leabaithe comasach air feachd tarraing as àirde de 30 N a thoirt gu buil. Air sgàth an cuid fheartan meacanaigeach, thathas a’ cleachdadh SMAn cuideachd gus gnìomhaichean a thoirt gu buil a bhios ag atharrais air iongantas bith-eòlasach. Tha aon leasachadh mar sin a’ toirt a-steach inneal-fuadain 12-cealla a tha na bhith-mhìmeatach de fhàs-bheairt coltach ri cnuimh-talmhainn le SMA gus gluasad sinusoidal a chruthachadh gus losgadh26,27.
Mar a chaidh ainmeachadh roimhe, tha crìoch air an fheachd as motha a gheibhear bho ghnìomhaichean stèidhichte air SMA a tha ann mar-thà. Gus dèiligeadh ris a’ chùis seo, tha an sgrùdadh seo a’ taisbeanadh structar fèithe dà-mhodhail bith-mhìmeatach. Air a stiùireadh le uèir aloidh cuimhne cumadh. Tha e a’ toirt seachad siostam seòrsachaidh anns a bheil grunn uèirichean aloidh cuimhne cumadh. Gu ruige seo, chan eil gnìomhaichean stèidhichte air SMA le ailtireachd coltach ris air an aithris anns an litreachas. Chaidh an siostam sònraichte agus nuadh seo stèidhichte air SMA a leasachadh gus giùlan SMA a sgrùdadh rè co-thaobhadh fèithean dà-mhodhail. An coimeas ri gnìomhaichean stèidhichte air SMA a tha ann mar-thà, b’ e amas an sgrùdaidh seo gnìomhaiche dà-mhìmeatach bith-mhìmeatach a chruthachadh gus feachdan gu math nas àirde a ghineadh ann am meud beag. An coimeas ri draibhearan motair ceumnaiche àbhaisteach a thathas a’ cleachdadh ann an siostaman fèin-ghluasaid agus smachd thogalaichean HVAC, tha an dealbhadh dràibhidh dà-mhodhail stèidhichte air SMA a thathar a’ moladh a’ lughdachadh cuideam an inneil dràibhidh le 67%. Anns na leanas, thathas a’ cleachdadh na teirmean “fèithe” agus “dràibheadh” an àite a chèile. Tha an sgrùdadh seo a’ sgrùdadh atharrais ioma-fiosaigs air dràibheadh mar sin. Chaidh giùlan meacanaigeach nan siostaman sin a sgrùdadh le dòighean deuchainneach agus anailis. Chaidh tuilleadh rannsachaidh a dhèanamh air sgaoilidhean feachd is teòthachd aig bholtaids inntrigidh de 7 V. Às dèidh sin, chaidh mion-sgrùdadh paraimeadrach a dhèanamh gus tuigse nas fheàrr fhaighinn air a’ cheangal eadar prìomh pharaimeatairean agus an fheachd toraidh. Mu dheireadh, chaidh gnìomhaichean ìreachail a shamhlachadh agus chaidh buaidhean ìreachail a mholadh mar raon san àm ri teachd airson gnìomhaichean neo-mhagnaiteach airson tagraidhean prosthetic. A rèir thoraidhean nan sgrùdaidhean a chaidh ainmeachadh, bidh cleachdadh ailtireachd aon-ìre a’ toirt a-mach feachdan co-dhiù ceithir gu còig uiread nas àirde na gnìomhaichean stèidhichte air SMA a chaidh aithris. A bharrachd air an sin, chaidh a shealltainn gu bheil an aon fheachd dràibhidh a chaidh a chruthachadh le draibhear ioma-ìre ioma-ìre nas motha na deich uiread na draibhearan àbhaisteach stèidhichte air SMA. An uairsin bidh an sgrùdadh ag aithris prìomh pharaimeatairean a’ cleachdadh mion-sgrùdadh cugallachd eadar diofar dhealbhaidhean agus caochladairean inntrigidh. Tha buaidh àicheil làidir aig fad tùsail uèir SMA (\(l_0\)), ceàrn pinnate (\(\alpha\)) agus àireamh nan snàithleanan singilte (n) anns gach snàthainn fa leth air meud neart an fheachd dràibhidh, agus thionndaidh am bholtaids inntrigidh (lùth) a-mach gu bhith co-cheangailte gu deimhinneach.
Bidh uèir SMA a’ nochdadh a’ bhuaidh cuimhne cumadh (SME) a chithear ann an teaghlach aloidhean nicil-titanium (Ni-Ti). Mar as trice, bidh dà ìre a tha an urra ri teòthachd aig SMAn: ìre teòthachd ìosal agus ìre teòthachd àrd. Tha feartan sònraichte aig an dà ìre air sgàth làthaireachd structaran criostail eadar-dhealaichte. Anns an ìre austenite (ìre teòthachd àrd) a tha os cionn teòthachd an atharrachaidh, tha neart àrd aig an stuth agus chan eil e air a dheformachadh gu math fo luchd. Bidh an aloidh ag obair mar stàilinn gun smal, agus mar sin tha e comasach dha seasamh ri cuideaman gnìomhachaidh nas àirde. A’ gabhail brath air a’ fheart seo de aloidhean Ni-Ti, tha uèirichean SMA air an claonadh gus gnìomhaiche a chruthachadh. Tha modalan anailis iomchaidh air an leasachadh gus tuigse fhaighinn air meacanaig bhunasach giùlan teirmeach SMA fo bhuaidh diofar pharaimeatairean agus diofar geoimeatraidhean. Fhuaireadh deagh aonta eadar na toraidhean deuchainneach agus anailis.
Chaidh sgrùdadh deuchainneach a dhèanamh air a’ phròtaip a chithear ann am Figear 9a gus measadh a dhèanamh air coileanadh draibhear dà-mhodhail stèidhichte air SMA. Chaidh dà de na feartan sin, an fheachd a chruthaicheas an draibhear (feachd fèithe) agus teòthachd uèir SMA (teòthachd SMA), a thomhas gu deuchainneach. Mar a bhios an diofar bholtaids ag àrdachadh air feadh fad na uèir anns an draibhear, bidh teòthachd na uèir ag àrdachadh air sgàth buaidh teasachaidh Joule. Chaidh am bholtaids cuir a-steach a chuir an sàs ann an dà chearcall 10-diogan (air an sealltainn mar dotagan dearga ann am Figear 2a, b) le ùine fuarachaidh 15-diogan eadar gach cearcall. Chaidh an fheachd bacaidh a thomhas a’ cleachdadh tomhas-deuchainn piezoelectric, agus chaidh sgaoileadh teòthachd uèir SMA a sgrùdadh ann an àm fìor a’ cleachdadh camara LWIR àrd-rùn ìre saidheansail (faic feartan an uidheamachd a chaidh a chleachdadh ann an Clàr 2). a’ sealltainn, rè na h-ìre bholtaids àrd, gu bheil teòthachd na uèir ag àrdachadh gu monotonach, ach nuair nach eil sruth a’ sruthadh, bidh teòthachd na uèir a’ leantainn air tuiteam. Anns an t-suidheachadh deuchainneach làithreach, thuit teòthachd an uèir SMA aig àm na fuarachaidh, ach bha e fhathast os cionn teòthachd na h-àrainneachd. Ann am figear 2e chithear dealbh-sgrìn den teòthachd air an uèir SMA a chaidh a thogail bhon chamara LWIR. Air an làimh eile, ann am figear 2a chithear an fheachd bacaidh a chaidh a chruthachadh leis an t-siostam dràibhidh. Nuair a bhios an fheachd fèithe nas àirde na feachd ath-nuadhachaidh an earraich, tòisichidh a’ ghàirdean gluasadach, mar a chithear ann am Figear 9a, a’ gluasad. Cho luath ‘s a thòisicheas an gnìomhachadh, thig a’ ghàirdean gluasadach an conaltradh ris an sensor, a’ cruthachadh feachd bodhaig, mar a chithear ann am figear 2c, d. Nuair a bhios an teòthachd as àirde faisg air \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), is e 105 N an fheachd as àirde a chaidh fhaicinn.
Tha a’ ghraf a’ sealltainn nan toraidhean deuchainneach a thaobh teòthachd uèir SMA agus an fheachd a chaidh a chruthachadh leis an actuator dà-mhodhail stèidhichte air SMA rè dà chearcall. Tha am bholtadh cuir a-steach air a chur an sàs ann an dà chearcall 10 diogan (air an sealltainn mar dotagan dearga) le ùine fuarachaidh 15 diogan eadar gach cearcall. B’ e uèir Flexinol le trast-thomhas de 0.51 mm bho Dynalloy, Inc. an uèir SMA a chaidh a chleachdadh airson nan deuchainnean. (a) Tha a’ ghraf a’ sealltainn an fheachd deuchainneach a fhuaireadh thairis air dà chearcall, (c, d) a’ sealltainn dà eisimpleir neo-eisimeileach de ghnìomhachd actuators gàirdean gluasadach air transducer feachd piezoelectric PACEline CFT/5kN, (b) tha a’ ghraf a’ sealltainn an teòthachd as àirde den uèir SMA gu lèir rè dà chearcall, (e) a’ sealltainn dealbh-camara teòthachd a chaidh a thogail bhon uèir SMA a’ cleachdadh camara LWIR bathar-bog FLIR ResearchIR. Tha na paramadairean geoimeatrach a chaidh a thoirt fa-near anns na deuchainnean air an toirt seachad ann an Clàr a h-aon.
Tha toraidhean an t-samhlachaidh bhon mhodail mhatamataigeach agus na toraidhean deuchainneach air an coimeas fo chumha bholtaids cuir a-steach de 7V, mar a chithear ann am Fig.5. A rèir thoraidhean an sgrùdaidh paraimeadrach agus gus casg a chuir air cus teasachadh uèir SMA, chaidh cumhachd de 11.2 W a thoirt don actuator. Chaidh solar cumhachd DC prògramaichte a chleachdadh gus 7V a thoirt seachad mar bholtaids cuir a-steach, agus chaidh sruth de 1.6A a thomhas thairis air an uèir. Bidh an fheachd a chruthaicheas an draibhear agus teòthachd an SDR ag àrdachadh nuair a thèid sruth a chuir an sàs. Le bholtaids cuir a-steach de 7V, is e 78 N agus 96 N, fa leth, an fheachd toraidh as àirde a fhuaireadh bho thoraidhean an t-samhlachaidh agus toraidhean deuchainneach a’ chiad chearcall. Anns an dàrna cearcall, b’ e 150 N agus 105 N, fa leth, an fheachd toraidh as àirde bho thoraidhean an t-samhlachaidh agus an deuchainn. Is dòcha gu bheil an eadar-dhealachadh eadar tomhais feachd dùnaidh agus dàta deuchainneach mar thoradh air an dòigh a chaidh a chleachdadh gus feachd dùnaidh a thomhas. Na toraidhean deuchainneach a chithear ann am fig. Tha 5a a’ freagairt ri tomhas na feachd glasaidh, a chaidh a thomhas nuair a bha an seafta dràibhidh ann an conaltradh ris an transducer feachd piezoelectric PACEline CFT/5kN, mar a chithear ann am fig. 2s. Mar sin, nuair nach eil an seafta dràibhidh ann an conaltradh ris an sensor feachd aig toiseach na sòn fuarachaidh, bidh an fheachd a’ fàs neoni sa bhad, mar a chithear ann am Fig. 2d. A bharrachd air an sin, is e paramadairean eile a bheir buaidh air cruthachadh feachd ann an cuairtean às dèidh sin luachan na h-ùine fuarachaidh agus co-èifeachd gluasaid teas convective anns a’ chearcall roimhe. Bho fig. 2b, chithear às dèidh ùine fuarachaidh 15 diogan, nach do ràinig uèir SMA teòthachd an t-seòmair agus mar sin bha teòthachd tòiseachaidh nas àirde aice (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) anns an dàrna cearcall dràibhidh an taca ris a’ chiad chearcall (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Mar sin, an taca ris a’ chiad chearcall, ruigidh teòthachd uèir SMA rè an dàrna cearcall teasachaidh an teòthachd austenite tùsail (\(A_s\)) nas tràithe agus fuirichidh e san ùine gluasaid nas fhaide, agus mar thoradh air sin bidh cuideam agus feachd ann. Air an làimh eile, tha coltas càileachdail àrd aig sgaoilidhean teòthachd rè chearcallan teasachaidh is fuarachaidh a fhuaireadh bho dheuchainnean agus atharrais ri eisimpleirean bho mhion-sgrùdadh teirmeagrafach. Sheall mion-sgrùdadh coimeasach air dàta teirmeach uèir SMA bho dheuchainnean agus atharrais cunbhalachd rè chearcallan teasachaidh is fuarachaidh agus taobh a-staigh fulangas iomchaidh airson dàta deuchainneach. Is e \(89\,^{\circ }\hbox {{}}\) agus \(75\,^{\circ }\hbox {{ }}\, fa leth), an teòthachd as àirde den uèir SMA, a fhuaireadh bho thoraidhean atharrais agus deuchainnean a’ chiad chearcaill, agus anns an dàrna cearcall is e \(94\,^{\circ }\hbox {{}}\) agus \(83\,^{\circ }\hbox {{}}\) an teòthachd as àirde den uèir SMA. Tha am modail a chaidh a leasachadh gu bunaiteach a’ dearbhadh buaidh buaidh cuimhne cumadh. Cha deach beachdachadh air pàirt sgìths agus cus teasachaidh san ath-bhreithneachadh seo. San àm ri teachd, thèid am modail a leasachadh gus eachdraidh cuideam uèir SMA a thoirt a-steach, ga dhèanamh nas freagarraiche airson tagraidhean innleadaireachd. Tha na plotaichean feachd toraidh dràibhidh agus teòthachd SMA a fhuaireadh bhon bhloc Simulink taobh a-staigh fulangas ceadaichte an dàta deuchainneach fo chumha cuisle bholtaids cuir a-steach de 7 V. Tha seo a’ dearbhadh ceartas agus earbsachd a’ mhodail matamataigeach a chaidh a leasachadh.
Chaidh am modail matamataigeach a leasachadh ann an àrainneachd MathWorks Simulink R2020b a’ cleachdadh nan co-aontaran bunaiteach a tha air am mìneachadh anns an earrann Modhan. Ann am figear 3b chithear diagram bloc de mhodail matamataigeach Simulink. Chaidh am modail a shamhlachadh airson cuisle bholtaids cuir a-steach 7V mar a chithear ann am Figear 2a, b. Tha luachan nam paramadairean a chaidh a chleachdadh san t-samhlachadh air an liostadh ann an Clàr 1. Tha toraidhean an t-samhlachaidh de phròiseasan sealach air an taisbeanadh ann am Figearan 1 agus 1. Figearan 3a agus 4. Ann am figear 4a, b chithear am bholtaids brosnaichte anns an uèir SMA agus an fheachd a chaidh a chruthachadh leis an actuator mar ghnìomh ùine. Rè cruth-atharrachadh cùil (teasachadh), nuair a bhios teòthachd uèir SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (teòthachd tòiseachaidh ìre austenite atharraichte le cuideam), bidh ìre atharrachaidh cuibhreann meud martensite (\(\dot{\xi }\)) neoni. Rè cruth-atharrachadh cùil (teasachadh), nuair a bhios teòthachd uèir SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (teòthachd tòiseachaidh ìre austenite atharraichte le cuideam), bidh ìre atharrachaidh cuibhreann meud martensite (\(\dot{\xi }\)) neoni. Anns an dreuchd seo, tha an t-ainm SMA, \(T
(a) Toradh samhlachaidh a’ sealltainn sgaoileadh teòthachd agus teòthachd ceangail air adhbhrachadh le cuideam ann an gnìomhaiche divalerate stèidhichte air SMA. Nuair a thèid teòthachd na uèire thairis air teòthachd gluasaid austenite anns an ìre teasachaidh, tòisichidh teòthachd gluasaid austenite atharraichte ag àrdachadh, agus san aon dòigh, nuair a thèid teòthachd slat na uèire thairis air teòthachd gluasaid martensitic anns an ìre fuarachaidh, lùghdaichidh teòthachd gluasaid martensitic. SMA airson modaladh anailisichte den phròiseas gnìomhachaidh. (Airson sealladh mionaideach air gach fo-shiostam de mhodail Simulink, faic earrann an leas-phàipeir den fhaidhle a bharrachd.)
Tha toraidhean an anailis airson diofar chuairtean paramadair air an sealltainn airson dà chearcall den bholtaids cuir a-steach 7V (cearcallan blàthachaidh 10 diogan agus cearcallan fuarachaidh 15 diogan). Ged a tha (ac) agus (e) a’ sealltainn an t-sgaoilidh thar ùine, air an làimh eile, tha (d) agus (f) a’ sealltainn an t-sgaoilidh le teòthachd. Airson nan suidheachaidhean cuir a-steach fa leth, is e 106 MPa (nas lugha na 345 MPa, neart toraidh uèir) an cuideam as àirde a chaidh fhaicinn, is e 150 N an fheachd, is e 270 µm an gluasad as àirde, agus is e 0.91 an ìre as ìsle de mheud martensite. Air an làimh eile, tha an t-atharrachadh ann an cuideam agus an t-atharrachadh ann am meud martensite le teòthachd coltach ri feartan hysteresis.
Tha an aon mhìneachadh a’ buntainn ris an atharrachadh dìreach (fuarachadh) bhon ìre austenite chun ìre martensite, far a bheil teòthachd uèir SMA (T) agus teòthachd deireannach na h-ìre martensite atharraichte le cuideam (\(M_f^{\prime}\ )) sàr-mhath. Air fig. 4d, tha f a’ sealltainn an atharrachadh anns an cuideam brosnaichte (\(\sigma\)) agus an co-mheas meud de martensite (\(\xi\)) anns an uèir SMA mar ghnìomh den atharrachadh ann an teòthachd an uèir SMA (T), airson an dà chearcall dràibhidh. Air fig. Tha Figear 3a a’ sealltainn an atharrachadh ann an teòthachd an uèir SMA thar ùine a rèir cuisle bholtaids an cuir-a-steach. Mar a chithear bhon fhigear, tha teòthachd an uèir a’ sìor dhol am meud le bhith a’ toirt seachad stòr teas aig bholtaids neoni agus fuarachadh convective às deidh sin. Rè teasachadh, tòisichidh ath-chruth-atharrachadh martensite gu ìre austenite nuair a thèid teòthachd uèir SMA (T) thairis air teòthachd niùclachaidh austenite air a cheartachadh le cuideam (\(A_s^{\prime}\)). Rè na h-ìre seo, bidh uèir SMA air a teannachadh agus bidh an gnìomhaiche a’ gineadh feachd. Cuideachd rè fuarachadh, nuair a thèid teòthachd uèir SMA (T) thairis air teòthachd niùclachaidh ìre martensite air a cheartachadh le cuideam (\(M_s^{\prime}\)) bidh gluasad adhartach ann bhon ìre austenite chun ìre martensite. Bidh an fheachd dràibhidh a’ lùghdachadh.
Gheibhear na prìomh thaobhan càileachdail den draibh dà-mhodhail stèidhichte air SMA bho na toraidhean atharrais. A thaobh cuir a-steach cuisle bholtaids, bidh teòthachd uèir SMA ag àrdachadh air sgàth buaidh teasachaidh Joule. Tha luach tùsail cuibhreann meud martensite (\(\xi\)) air a shuidheachadh gu 1, leis gu bheil an stuth an toiseach ann an ìre làn martensitic. Mar a bhios an uèir a’ leantainn air adhart a’ teasachadh, bidh teòthachd uèir SMA a’ dol thairis air teòthachd niùclachaidh austenite air a cheartachadh le cuideam \(A_s^{\prime}\), agus mar thoradh air sin tha lùghdachadh ann am cuibhreann meud martensite, mar a chithear ann am Figear 4c. A bharrachd air an sin, ann am figear 4e tha sgaoileadh stròcan an actuator ann an tìm, agus ann am figear 5 - feachd dràibhidh mar ghnìomh ùine. Tha siostam co-aontaran co-cheangailte a’ toirt a-steach teòthachd, cuibhreann meud martensite, agus cuideam a bhios a’ leasachadh anns an uèir, agus mar thoradh air sin tha crìonadh uèir SMA agus an fheachd a chruthaicheas an actuator. Mar a chithear ann am figear... Tha atharrachadh bholtaids 4d,f, le teòthachd agus atharrachadh ann am bloigh-toirt martensite le teòthachd a’ freagairt ri feartan hysteresis an SMA anns a’ chùis samhlaichte aig 7 V.
Chaidh coimeas a dhèanamh eadar paramadairean dràibhidh tro dheuchainnean agus àireamhachadh anailisichte. Chaidh na uèirichean a chur fo bholtaids cuir-a-steach cuisleach de 7 V airson 10 diogan, agus an uairsin chaidh an fhuarachadh airson 15 diogan (ìre fuarachaidh) thairis air dà chearcall. Tha ceàrn a’ phinnidh air a shuidheachadh gu \(40^{\circ}\) agus tha fad tùsail uèir SMA anns gach cas prìne singilte air a shuidheachadh gu 83mm. (a) A’ tomhas an fheachd dràibhidh le cealla luchd (b) A’ cumail sùil air teòthachd uèir le camara teirmeach infridhearg.
Gus tuigse fhaighinn air buaidh nam paramadairean fiosaigeach air an fheachd a bhios an draibhear a’ dèanamh, chaidh mion-sgrùdadh a dhèanamh air cugallachd a’ mhodail matamataigeach do na paramadairean fiosaigeach taghte, agus chaidh na paramadairean a rangachadh a rèir an cuid buaidh. An toiseach, chaidh samplachadh nam paramadairean modail a dhèanamh a’ cleachdadh phrionnsabalan dealbhaidh deuchainneach a lean sgaoileadh aonfhoirmeil (faic an Earrann a bharrachd air Mion-sgrùdadh Mothachaidh). Anns a’ chùis seo, tha na paramadairean modail a’ toirt a-steach bholtaids cuir a-steach (\(V_{in}\)), fad uèir SMA tùsail (\(l_0\)), ceàrn triantan (\(\alpha\)), cunbhalachd earraich claon (\(K_x\)), an co-èifeachd gluasaid teas convective (\(h_T\)) agus an àireamh de gheugan unimodal (n). Anns an ath cheum, chaidh neart fèithe as àirde a thaghadh mar riatanas dealbhaidh sgrùdaidh agus fhuaireadh buaidhean paraimeadrach gach seata de chaochladairean air neart. Chaidh na plotaichean tornado airson an anailis cugallachd a thoirt bho na co-èifeachdan co-dhàimh airson gach paramadair, mar a chithear ann am Figear 6a.
(a) Tha luachan co-èifeachd co-dhàimh nam paramadairean modail agus an tionchar air an fheachd toraidh as àirde de 2500 buidheann sònraichte de na paramadairean modail gu h-àrd air an sealltainn anns a’ phlota tornado. Tha a’ ghraf a’ sealltainn an co-dhàimh rangachaidh airson grunn chomharran. Tha e soilleir gur e \(V_{in}\) an aon pharamadair le co-dhàimh dheimhinneach, agus gur e \(l_0\) am paramadair leis a’ cho-dhàimh àicheil as àirde. Tha buaidh diofar pharamadairean ann an diofar choimeasgaidhean air neart fèithe as àirde air a shealltainn ann an (b, c). Tha \(K_x\) a’ dol bho 400 gu 800 N/m agus tha n a’ dol bho 4 gu 24. Dh’atharraich bholtaids (\(V_{in}\)) bho 4V gu 10V, dh’atharraich fad uèir (\(l_{0 } \)) bho 40 gu 100 mm, agus dh’atharraich ceàrn an earbaill (\(\alpha \)) bho \(20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Air figear 6a, chithear plota tornado de dhiofar cho-èifeachdan co-dhàimh airson gach paramadair le riatanasan dealbhaidh feachd dràibhidh as àirde. Bho fhigear 6a, chithear gu bheil am paramadair bholtaids (\(V_{in}\)) ceangailte gu dìreach ris an fheachd toraidh as àirde, agus gu bheil an co-èifeachd gluasaid teas convective (\(h_T\)), ceàrn lasair (\(\alpha\)), cunbhalachd earraich gluasaid (\(K_x\)) co-cheangailte gu àicheil ris an fheachd toraidh agus fad tùsail (\(l_0\)) uèir SMA, agus tha an àireamh de gheugan unimodal (n) a’ sealltainn co-dhàimh làidir neo-dhìreach. Ann an cùis co-dhàimh dhìreach. Ann an cùis luach nas àirde den cho-èifeachd co-dhàimh bholtaids (\(V_{in}\)) tha e a’ sealltainn gu bheil a’ bhuaidh as motha aig a’ pharamadair seo air an toradh cumhachd. Bidh mion-sgrùdadh coltach ris eile a’ tomhas an fheachd as àirde le bhith a’ measadh buaidh diofar pharaimeatairean ann an diofar choimeasgaidhean den dà àite coimpiutaireachd, mar a chithear ann am Figear 6b, c. Tha pàtrain coltach ri chèile aig \(V_{in}\) agus \(l_0\), \(\alpha\) agus \(l_0\), agus tha an graf a’ sealltainn gu bheil pàtrain coltach ri chèile aig \(V_{in}\) agus \(\alpha\) agus \(\alpha\). Bidh luachan nas lugha de \(l_0\) ag adhbhrachadh fheachdan as àirde. Tha an dà phlota eile a rèir Figear 6a, far a bheil n agus \(K_x\) co-cheangailte gu àicheil agus \(V_{in}\) gu deimhinneach. Bidh an anailis seo a’ cuideachadh le bhith a’ mìneachadh agus ag atharrachadh nam paramadairean buaidh leis an gabh feachd toraidh, stròc agus èifeachdas an t-siostaim dràibhidh atharrachadh a rèir nan riatanasan agus an tagraidh.
Tha obair rannsachaidh làithreach a’ toirt a-steach agus a’ sgrùdadh draibhearan ìreachail le N ìrean. Ann an ìreachadh dà-ìre, mar a chithear ann am Figear 7a, far a bheil rèiteachadh dà-mhodhail air a choileanadh an àite gach uèir SMA den ghnìomhaiche ìre a h-aon, mar a chithear ann am figear 9e. Air figear 7c chithear mar a tha an uèir SMA air a lùbadh timcheall air gàirdean gluasadach (gàirdean taice) nach eil a’ gluasad ach san t-slighe fhada. Ach, tha a’ phrìomh ghàirdean gluasadach a’ leantainn air adhart a’ gluasad san aon dòigh ris a’ ghàirdean gluasadach den ghnìomhaiche ioma-ìre ìre 1d. Mar as trice, thèid draibhear N-ìre a chruthachadh le bhith a’ cur draibhear ìre a h-aon an àite uèir SMA ìre \(N-1\). Mar thoradh air an sin, bidh gach meur ag atharrais air draibhear a’ chiad ìre, ach a-mhàin a’ mheur a tha a’ cumail an uèir fhèin. San dòigh seo, faodar structaran neadaichte a chruthachadh a chruthaicheas feachdan a tha grunn thursan nas motha na feachdan nan draibhearan prìomh. Anns an sgrùdadh seo, airson gach ìre, chaidh fad uèir SMA èifeachdach iomlan de 1 m a thoirt fa-near, mar a chithear ann an cruth clàir ann am Figear 7d. Tha an sruth tro gach uèir anns gach dealbhadh unimodal agus an ro-chuideam agus am bholtadh a thig às anns gach earrann uèir SMA mar an ceudna aig gach ìre. A rèir ar modail anailis, tha an fheachd toraidh co-cheangailte gu dearbhach ris an ìre, agus tha an gluasad co-cheangailte gu àicheil. Aig an aon àm, bha co-rèiteachadh eadar gluasad agus neart fèithe. Mar a chithear ann am figear 7b, ged a gheibhear an fheachd as motha anns an àireamh as motha de shreathan, chithear an gluasad as motha anns an t-sreath as ìsle. Nuair a chaidh an ìre rangachd a shuidheachadh gu \(N=5\), lorgar feachd fèithe as àirde de 2.58 kN le 2 stròc a chaidh fhaicinn \(\upmu\)m. Air an làimh eile, bidh an draibhear ìre a’ chiad a’ gineadh feachd de 150 N aig stròc de 277 \(\upmu\)m. Tha actuators ioma-ìre comasach air fìor fhèithean bith-eòlasach aithris, far a bheil fèithean fuadain stèidhichte air aloidhean cuimhne cumadh comasach air feachdan gu math nas àirde a ghineadh le gluasadan mionaideach agus nas mìne. Is e na crìochan a tha air an dealbhadh beag bìodach seo, mar a bhios an rangachd ag àrdachadh, gu bheil an gluasad air a lughdachadh gu mòr agus gu bheil iom-fhillteachd a’ phròiseas saothrachaidh dràibh ag àrdachadh.
(a) Tha siostam gnìomhaiche loidhneach dà-ìre (\(N=2\)) sreathach de cho-mheasgachadh cuimhneachaidh cumadh air a shealltainn ann an rèiteachadh dà-mhodhail. Tha am modail a thathar a’ moladh air a choileanadh le bhith a’ cur an àite uèir SMA anns a’ ghnìomhaiche sreathach den chiad ìre le gnìomhaiche sreathach aon-ìre eile. (c) Rèiteachadh mì-chumaichte gnìomhaiche ioma-fhilleadh an dàrna ìre. (b) Tha sgaoileadh fheachdan agus gluasadan a rèir an àireamh de ìrean air a mhìneachadh. Chaidh a lorg gu bheil feachd as àirde an ghnìomhaiche co-cheangailte gu dearbhach ris an ìre sgèile air a’ ghraf, agus gu bheil an stròc co-cheangailte gu àicheil ris an ìre sgèile. Tha an sruth agus an ro-bholtaids anns gach uèir seasmhach aig gach ìre. (d) Tha an clàr a’ sealltainn an àireamh de thapaichean agus fad uèir SMA (snàithleach) aig gach ìre. Tha feartan nan uèirichean air an comharrachadh le clàr-amais 1, agus tha an àireamh de mheuran àrd-sgoile (aon ceangailte ris a’ phrìomh chas) air a chomharrachadh leis an àireamh as motha anns an fho-sgrìobhadh. Mar eisimpleir, aig ìre 5, tha \(n_1\) a’ toirt iomradh air an àireamh de uèirichean SMA a tha an làthair anns gach structar dà-mhodhail, agus tha \(n_5\) a’ toirt iomradh air an àireamh de chasan taice (aon ceangailte ris a’ phrìomh chas).
Tha iomadh dòigh air a bhith air a mholadh le mòran luchd-rannsachaidh gus modaladh a dhèanamh air giùlan SMAn le cuimhne cumadh, a tha an urra ris na feartan teirmea-mheacanaigeach a tha an cois nan atharrachaidhean macrascopach ann an structar criostail co-cheangailte ris an atharrachadh ìre. Tha cruthachadh dhòighean bun-reachdail gu nàdarrach iom-fhillte. Is e Tanaka28 am modail feinimeanòlach as cumanta a thathas a’ cleachdadh agus tha e air a chleachdadh gu farsaing ann an tagraidhean innleadaireachd. Tha am modail feinimeanòlach a mhol Tanaka [28] a’ gabhail ris gur e gnìomh eas-chruthach de theodhachd agus cuideam a th’ ann an co-mheas meud martensite. Nas fhaide air adhart, mhol Liang agus Rogers29 agus Brinson30 modail anns an deach gabhail ris gur e gnìomh cosine de bholtaids agus teòthachd a bh’ ann an daineamaigs an atharrachaidh ìre, le beagan atharrachaidhean air a’ mhodail. Mhol Becker agus Brinson modail cineatach stèidhichte air diagram ìre gus modaladh a dhèanamh air giùlan stuthan SMA fo chumhachan luchdachadh neo-riaghailteach a bharrachd air gluasadan pàirteach. Bidh Banerjee32 a’ cleachdadh dòigh daineamaigs diagram ìre Bekker agus Brinson31 gus inneal-làimhseachaidh aon ìre de shaorsa a chaidh a leasachadh le Elahinia agus Ahmadian33 atharrais. Tha e doirbh dòighean cineatach stèidhichte air diagraman ìre, a bheir aire don atharrachadh neo-aon-thonach ann am bholtaids le teòthachd, a chur an gnìomh ann an tagraidhean innleadaireachd. Tha Elakhinia agus Ahmadian a’ tarraing aire do na h-uireasbhaidhean sin ann am modalan fean-eòlach a th’ ann mar-thà agus a’ moladh modail fean-eòlach leudaichte gus giùlan cuimhne cumadh a sgrùdadh agus a mhìneachadh fo chumhachan luchdachadh iom-fhillte sam bith.
Tha modail structarail uèir SMA a’ toirt seachad cuideam (\(\sigma\)), deformachadh (\(\epsilon\)), teòthachd (T), agus bloigh meud martensite (\(\xi\)) uèir SMA. Chaidh am modail bun-reachdail feinimeanòlach a mholadh an toiseach le Tanaka28 agus an dèidh sin chaidh gabhail ris le Liang29 agus Brinson30. Tha cruth an toraidh den cho-aontar:
far a bheil E na mhodúl Young aig SMA a tha an urra ri ìre a gheibhear le bhith a’ cleachdadh \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) agus \(E_A\) agus \(E_M\) a’ riochdachadh modúl Young nan ìrean austenitic agus martensitic, fa leth, agus tha an co-èifeachd leudachaidh teirmeach air a riochdachadh le \(\theta _T\). Is e am factar tabhartais gluasaid ìre \(\Omega = -E \epsilon _L\) agus is e \(\epsilon _L\) an cuideam as motha a ghabhas fhaighinn air ais anns an uèir SMA.
Tha co-aontar daineamaigs na h-ìre a’ freagairt ris a’ ghnìomh cosine a chaidh a leasachadh le Liang29 agus a chaidh a ghabhail os làimh nas fhaide air adhart le Brinson30 an àite a’ ghnìomh eas-chruthach a mhol Tanaka28. Tha am modail gluasaid ìre na leudachadh air a’ mhodail a mhol Elakhinia agus Ahmadian34 agus air atharrachadh stèidhichte air na cumhaichean gluasaid ìre a thug Liang29 agus Brinson30 seachad. Tha na cumhaichean a thathar a’ cleachdadh airson a’ mhodail gluasaid ìre seo dligheach fo luchdan teirmea-mheacanaigeach iom-fhillte. Aig gach àm, thèid luach bloigh meud martensite obrachadh a-mach nuair a thathar a’ modaladh a’ cho-aontar bun-reachdail.
Seo mar a leanas an co-aontar ath-chruth-atharrachaidh riaghlaidh, air a chur an cèill le cruth-atharrachadh martensite gu austenite fo chumhachan teasachaidh:
far a bheil _(\xi\) na cuibhreann-toirte de martensite, _(\xi _M\) na cuibhreann-toirte de martensite a gheibhear ron teasachadh, _(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), _(\displaystyle b_A = -a_A/C_A\) agus _(C_A\) – paramadairean tuairmseachaidh na lùb, T – teòthachd uèir SMA, _(A_s\) agus _(A_f\) – toiseach is deireadh ìre an austenite, fa leth, teòthachd.
Is e seo an co-aontar smachd cruth-atharrachaidh dhìreach, air a riochdachadh leis an atharrachadh ìre de austenite gu martensite fo chumhachan fuarachaidh:
far a bheil \(\xi_A\) na chuibhreann-toirte de martensite a fhuaireadh ron fhuarachadh, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) agus \(C_M \) – paramadairean freagarrachd lùb, T – teòthachd uèir SMA, \(M_s\) agus \(M_f\) – teòthachdan tùsail is deireannach martensite, fa leth.
Às dèidh co-aontaran (3) agus (4) a bhith air an eadar-dhealachadh, tha na co-aontaran cruth-atharrachaidh neo-dhìreach agus dìreach air an sìmpleachadh chun chruth a leanas:
Rè cruth-atharrachadh air adhart agus air ais, bidh _(\eta _{\sigma}\) agus _(\eta _{T}\) a’ gabhail luachan eadar-dhealaichte. Chaidh na co-aontaran bunaiteach co-cheangailte ri _(\eta _{\sigma}\) agus _(\eta _{T}\) a thoirt a-mach agus a dheasbad gu mionaideach ann an earrann a bharrachd.
Tha an lùth teirmeach a dh’fheumar gus teòthachd uèir SMA àrdachadh a’ tighinn bhon bhuaidh teasachaidh Joule. Tha an lùth teirmeach a thèid a ghabhail a-steach no a leigeil ma sgaoil leis an uèir SMA air a riochdachadh leis an teas falaichte cruth-atharrachaidh. Tha call teas anns an uèir SMA mar thoradh air giùlan èignichte, agus leis cho beag ‘s a tha buaidh rèididheachd, tha co-aontar cothromachadh lùth teas mar a leanas:
Far a bheil \(m_{wire}\) na mhais iomlan den uèir SMA, \(c_{p}\) na comas teas sònraichte den SMA, \(V_{in}\) na bholtaids a chuirear air an uèir, \(R_{ohm}\) – an aghaidh-aghaidh ìre-eisimeileach SMA, air a mhìneachadh mar; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) far a bheil \(r_M\) agus \(r_A\) nan aghaidh-aghaidh ìre SMA ann am martensite agus austenite, fa leth, \(A_{c}\) na raon uachdar den uèir SMA, \(\Delta H\) na aloidhe cuimhne cumadh. Is e teas falaichte gluasaid na uèire, T agus \(T_{\infty}\) teòthachd an uèir SMA agus na h-àrainneachd, fa leth.
Nuair a thèid uèir aloidh cuimhne-cruth a ghnìomhachadh, bidh an uèir a’ teannachadh, a’ cruthachadh feachd anns gach meur den dealbhadh dà-mhodhail ris an canar feachd snàithleach. Bidh feachdan nan snàithleach anns gach snàth den uèir SMA còmhla a’ cruthachadh an fheachd fèithe gus a ghnìomhachadh, mar a chithear ann am Figear 9e. Air sgàth làthaireachd fuarain claonaidh, is e feachd fèithe iomlan an actuator ioma-fhilleadh Nth:
Le bhith a’ cur \(N = 1\) an àite co-aontar (7), gheibhear neart fèithe a’ chiad phròtaip dràibhidh dà-mhodhail mar a leanas:
far a bheil n an àireamh de chasan unimodal, is e \(F_m\) an fheachd fèithe a ghineas an draibhear, is e \(F_f\) neart an t-snàithleach anns an uèir SMA, is e \(K_x\) stiffness an earraich claonaidh, is e \(\alpha\) ceàrn an triantain, is e \(x_0\) an t-atharrachadh tùsail den earrach claonaidh gus càball SMA a chumail san t-suidheachadh ro-theannaichte, agus is e \(\Deltax\) siubhal an actuator.
Gluasad iomlan an draibh (\(\Delta x\)) a rèir a’ bholtaids (\(\sigma\)) agus an cuideam (\(\epsilon\)) air uèir SMA an Nth ìre, tha an draibh air a shuidheachadh gu (faic Figear. pàirt a bharrachd den toradh):
Tha na co-aontaran cineamatach a’ toirt seachad a’ chàirdeis eadar deformachadh dràibhidh (\(\epsilon\)) agus gluasad neo gluasad (\(\Deltax\)). Tha deformachadh uèir Arb mar ghnìomh de dh’fhaid tùsail uèir Arb (\(l_0\)) agus fad na uèir (l) aig àm sam bith t ann an aon mheur neo-mhodhail mar a leanas:
far a bheil \(l = \sqrt{l_0^2 +(Δx_1)^2 – 2 l_0 (Δx_1) \cos \alpha_1}\) air fhaighinn le bhith a’ cleachdadh foirmle a’ chosine ann an \(Δ)ABB', mar a chithear ann am Figear 8. Airson a’ chiad ìre de dhràibheadh (\(N = 1\)), tha \(Δx_1\) co-ionann ri \(Δx\), agus tha \(α_1\) co-ionann ri \(α \) mar a chithear ann an Mar a chithear ann am Figear 8, le bhith a’ dèanamh eadar-dhealachadh air an ùine bho Cho-aontar (11) agus a’ cur luach l na àite, faodar an ìre deformachaidh a sgrìobhadh mar:
far a bheil \(l_0\) na fhaid tùsail den uèir SMA, l na fhaid den uèir aig àm sam bith t ann an aon mheur unimodal, \(\epsilon\) an deformachadh a chaidh a leasachadh san uèir SMA, agus \(\alpha\) ceàrn an triantain, \(\Deltax\) an co-ghluasad dràibhidh (mar a chithear ann am Figear 8).
Tha na n structaran aon-bheinn uile (\(n=6\) san fhigear seo) ceangailte ann an sreath le \(V_{in}\) mar bholtaids an cuir-a-steach. Ìre I: Diagram sgemataigeach den uèir SMA ann an rèiteachadh dà-mhodhail fo chumhaichean bholtaids neoni Ìre II: Tha structar fo smachd air a shealltainn far a bheil an uèir SMA air a dhlùthadh air sgàth tionndadh neo-dhìreach, mar a chithear leis an loidhne dhearg.
Mar dhearbhadh air bun-bheachd, chaidh draibhear dà-mhodhail stèidhichte air SMA a leasachadh gus deuchainn a dhèanamh air an toradh samhlaichte de na co-aontaran bunaiteach le toraidhean deuchainneach. Tha modail CAD an actuator loidhneach dà-mhodhail air a shealltainn ann am figear 9a. Air an làimh eile, ann am figear 9c chithear dealbhadh ùr a chaidh a mholadh airson ceangal prismatic rothlach a’ cleachdadh actuator stèidhichte air SMA dà-phlèana le structar dà-mhodhail. Chaidh na co-phàirtean dràibhidh a dhèanamh a’ cleachdadh saothrachadh cur-ris air clò-bhualadair 3D Ultimaker 3 Extended. Is e polycarbonate an stuth a chaidh a chleachdadh airson clò-bhualadh 3D de cho-phàirtean a tha freagarrach airson stuthan a tha an aghaidh teas oir tha e làidir, seasmhach agus tha teòthachd gluasaid glainne àrd aige (110-113 \(^{\circ }\) C). A bharrachd air an sin, chaidh uèir alloy cuimhne cumadh Flexinol Dynalloy, Inc. a chleachdadh anns na deuchainnean, agus chaidh na feartan stuthan a bha a’ freagairt ris an uèir Flexinol a chleachdadh anns na samhlaidhean. Tha iomadh uèir SMA air an rèiteachadh mar shnàithleanan a tha an làthair ann an rèiteachadh dà-mhodhail de fhèithean gus na feachdan àrda a tha air an dèanamh le actuators ioma-fhilleadh fhaighinn, mar a chithear ann am Figear 9b, d.
Mar a chithear ann am Figear 9a, canar an ceàrn (\(\alpha\)) ris a’ cheàrn gheur a chruthaicheas uèir SMA a’ ghàirdein ghluasadach. Le teannaichean crìochnachaidh ceangailte ris na teannaichean clì is deas, tha an uèir SMA air a cumail aig a’ cheàrn dà-mhodhail a tha thu ag iarraidh. Tha an inneal earraich claon a tha air a chumail air a’ cheangail earraich air a dhealbhadh gus na diofar bhuidhnean leudachaidh earraich claon atharrachadh a rèir an àireamh (n) de shnàithleanan SMA. A bharrachd air an sin, tha suidheachadh nam pàirtean gluasadach air a dhealbhadh gus am bi an uèir SMA fosgailte don àrainneachd a-muigh airson fuarachadh convection èignichte. Bidh na pleitean àrda is ìosal den t-seanadh so-ruigsinneach a’ cuideachadh le bhith a’ cumail an uèir SMA fionnar le gearraidhean eas-tharraingeach air an dealbhadh gus cuideam a lughdachadh. A bharrachd air an sin, tha an dà cheann den uèir CMA ceangailte ris na crìochan clì is deas, fa leth, le bhith a’ cleachdadh crimp. Tha plugair ceangailte ri aon cheann den t-seanadh ghluasadach gus àite a chumail eadar na pleitean àrda is ìosal. Tha am plugair cuideachd air a chleachdadh gus feachd bacadh a chuir air an sensor tro cheangal gus an fheachd bacadh a thomhas nuair a thèid an uèir SMA a ghnìomhachadh.
Tha structar fèithe dà-mhodhail SMA ceangailte gu dealain ann an sreath agus air a chumhachdachadh le bholtaids cuisle cuir-a-steach. Rè cearcall cuisle a’ bholtaids, nuair a thèid bholtaids a chuir an sàs agus an uèir SMA air a theasachadh os cionn teòthachd tùsail an austenite, tha fad na h-uèir anns gach snàthainn air a ghiorrachadh. Bidh an tarraing air ais seo a’ gnìomhachadh fo-chruinneachadh a’ ghàirdein ghluasadach. Nuair a chaidh am bholtaids a shuidheachadh gu neoni san aon chearcall, chaidh an uèir SMA teasachaidh fhuarachadh fo theodhachd uachdar martensite, agus mar sin a’ tilleadh chun a suidheachadh tùsail. Fo chumhachan cuideam neoni, tha an uèir SMA air a shìneadh gu fulangach an toiseach le fuaran claonaidh gus an staid martensitic neo-cheangailte a ruighinn. Bidh an sgriubha, tro am bi an uèir SMA a’ dol seachad, a’ gluasad air sgàth an teannachaidh a chaidh a chruthachadh le bhith a’ cur cuisle bholtaids air an uèir SMA (ruigidh SPA ìre an austenite), a tha a’ leantainn gu gnìomhachadh an luamhain ghluasadach. Nuair a thèid an uèir SMA a tharraing air ais, bidh an t-earrach claonaidh a’ cruthachadh feachd an aghaidh le bhith a’ sìneadh an earraich nas fhaide. Nuair a thig an cuideam anns a’ bholtaids cuisle gu bhith neoni, bidh an uèir SMA a’ sìneadh agus ag atharrachadh a chumadh air sgàth fuarachadh convection èignichte, a’ ruighinn ìre martensitic dùbailte.
Tha rèiteachadh dà-mhodhail aig an t-siostam gnìomhaiche loidhneach stèidhichte air SMA a thathar a’ moladh anns a bheil uèirichean SMA ceàrnach. (a) a’ sealltainn modail CAD den phròtaip, a tha a’ toirt iomradh air cuid de na pàirtean agus na tha iad a’ ciallachadh airson a’ phròtaip, (b, d) a’ riochdachadh a’ phròtaip deuchainneach a chaidh a leasachadh35. Ged a tha (b) a’ sealltainn sealladh àrd den phròtaip le ceanglaichean dealain agus fuarain claonaidh agus tomhasairean deformachaidh air an cleachdadh, tha (d) a’ sealltainn sealladh peirspeactach den t-suidheachadh. (e) Diagram de shiostam gnìomhachaidh loidhneach le uèirichean SMA air an cur gu dà-mhodhail aig àm sam bith t, a’ sealltainn stiùireadh agus cùrsa an t-snàithleach agus neart fèithe. (c) Chaidh ceangal prismatic rothlach 2-DOF a mholadh airson gnìomhaiche stèidhichte air SMA dà-phlèana a chleachdadh. Mar a chithear, bidh an ceangal a’ gluasad gluasad loidhneach bhon draibhear ìosal chun a’ ghàirdean as àirde, a’ cruthachadh ceangal rothlach. Air an làimh eile, tha gluasad a’ chàraid phriosam mar an ceudna ri gluasad an draibhear ioma-fhilleadh ìre a’ chiad.
Chaidh sgrùdadh deuchainneach a dhèanamh air a’ phròtotaip a chithear ann am Figear 9b gus measadh a dhèanamh air coileanadh dràibhidh dà-mhodhail stèidhichte air SMA. Mar a chithear ann am Figear 10a, bha an suidheachadh deuchainneach a’ toirt a-steach solar cumhachd DC prògramaichte gus bholtaids cuir a-steach a thoirt do na uèirichean SMA. Mar a chithear ann am figear 10b, chaidh inneal-tomhais cuideam piezoelectric (PACEline CFT/5kN) a chleachdadh gus an fheachd bacaidh a thomhas a’ cleachdadh clàradair dàta Graphtec GL-2000. Tha an dàta air a chlàradh leis an aoigh airson tuilleadh sgrùdaidh. Feumaidh innealan-tomhais cuideam agus amplifiers cosgais solar cumhachd seasmhach gus comharra bholtaids a thoirt gu buil. Tha na comharran co-fhreagarrach air an tionndadh gu toraidhean cumhachd a rèir cugallachd an sensor feachd piezoelectric agus paramadairean eile mar a tha air a mhìneachadh ann an Clàr 2. Nuair a thèid cuisle bholtaids a chuir an sàs, bidh teòthachd an uèir SMA ag àrdachadh, ag adhbhrachadh gun tèid an uèir SMA a dhlùthadh, a bheir air an actuator feachd a chruthachadh. Tha na toraidhean deuchainneach de thoradh neart fèithe le cuisle bholtaids cuir a-steach de 7 V air an sealltainn ann am figear 2a.
(a) Chaidh siostam gnìomhaiche loidhneach stèidhichte air SMA a stèidheachadh san deuchainn gus an fheachd a ghineas an gnìomhaiche a thomhas. Bidh an cealla luchdan a’ tomhas an fheachd bacaidh agus tha e air a chumhachdachadh le solar cumhachd 24 V DC. Chaidh tuiteam bholtaids 7 V a chuir an sàs air feadh fad a’ chàball a’ cleachdadh solar cumhachd DC prògramaichte GW Instek. Bidh an uèir SMA a’ crìonadh air sgàth teas, agus bidh a’ ghàirdean gluasadach a’ conaltradh ris a’ chill luchdan agus a’ cur an gnìomh feachd bacaidh. Tha an cealla luchdan ceangailte ris an neach-clàraidh dàta GL-2000 agus tha an dàta air a stòradh air an aoigh airson tuilleadh giollachd. (b) Diagram a’ sealltainn sreath nam pàirtean den t-suidheachadh deuchainneach airson neart fèithe a thomhas.
Bidh aloidhean cuimhne cumadh air an spreagadh le lùth teirmeach, agus mar sin bidh teòthachd na pharamadair cudromach airson a bhith a’ sgrùdadh iongantas na cuimhne cumadh. Gu deuchainneach, mar a chithear ann am Figear 11a, chaidh ìomhaighean teirmeach agus tomhais teòthachd a dhèanamh air prototype de ghnìomhaiche divalerate stèidhichte air SMA. Chuir stòr DC prògramaichte bholtaids cuir a-steach ris na uèirichean SMA anns an t-suidheachadh deuchainneach, mar a chithear ann am Figear 11b. Chaidh atharrachadh teòthachd an uèir SMA a thomhas ann an àm fìor a’ cleachdadh camara LWIR àrd-rùn (FLIR A655sc). Bidh an aoigh a’ cleachdadh bathar-bog ResearchIR gus dàta a chlàradh airson tuilleadh iar-phròiseasadh. Nuair a thèid cuisle bholtaids a chuir an sàs, bidh teòthachd an uèir SMA ag àrdachadh, ag adhbhrachadh gum bi an uèir SMA a’ crìonadh. Ann am figear. Tha Figear 2b a’ sealltainn nan toraidhean deuchainneach de theodhachd uèir SMA an aghaidh ùine airson cuisle bholtaids cuir a-steach 7V.
Àm puist: 28 Sultain 2022
