Nature.com ની મુલાકાત લેવા બદલ આભાર. તમે જે બ્રાઉઝર વર્ઝનનો ઉપયોગ કરી રહ્યા છો તેમાં મર્યાદિત CSS સપોર્ટ છે. શ્રેષ્ઠ અનુભવ માટે, અમે ભલામણ કરીએ છીએ કે તમે અપડેટેડ બ્રાઉઝરનો ઉપયોગ કરો (અથવા ઇન્ટરનેટ એક્સપ્લોરરમાં સુસંગતતા મોડને અક્ષમ કરો). તે દરમિયાન, સતત સપોર્ટ સુનિશ્ચિત કરવા માટે, અમે સાઇટને સ્ટાઇલ અને JavaScript વિના રેન્ડર કરીશું.
એક્ટ્યુએટર્સનો ઉપયોગ દરેક જગ્યાએ થાય છે અને ઉત્પાદન અને ઔદ્યોગિક ઓટોમેશનમાં વિવિધ કામગીરી કરવા માટે યોગ્ય ઉત્તેજના બળ અથવા ટોર્ક લાગુ કરીને નિયંત્રિત ગતિ બનાવે છે. ઝડપી, નાના અને વધુ કાર્યક્ષમ ડ્રાઇવ્સની જરૂરિયાત ડ્રાઇવ ડિઝાઇનમાં નવીનતા લાવી રહી છે. શેપ મેમરી એલોય (SMA) ડ્રાઇવ પરંપરાગત ડ્રાઇવ્સ કરતાં ઘણા ફાયદા પ્રદાન કરે છે, જેમાં ઉચ્ચ પાવર-ટુ-વેઇટ રેશિયોનો સમાવેશ થાય છે. આ નિબંધમાં, બે-પીંછાવાળા SMA-આધારિત એક્ટ્યુએટર વિકસાવવામાં આવ્યા હતા જે જૈવિક પ્રણાલીઓના પીછાવાળા સ્નાયુઓના ફાયદા અને SMA ના અનન્ય ગુણધર્મોને જોડે છે. આ અભ્યાસ બાયમોડલ SMA વાયર ગોઠવણી પર આધારિત નવા એક્ટ્યુએટરનું ગાણિતિક મોડેલ વિકસાવીને અને પ્રાયોગિક રીતે તેનું પરીક્ષણ કરીને અગાઉના SMA એક્ટ્યુએટર્સની શોધ અને વિસ્તરણ કરે છે. SMA પર આધારિત જાણીતા ડ્રાઇવ્સની તુલનામાં, નવી ડ્રાઇવનું એક્ટ્યુએશન ફોર્સ ઓછામાં ઓછું 5 ગણું વધારે છે (150 N સુધી). અનુરૂપ વજન ઘટાડવું લગભગ 67% છે. ગાણિતિક મોડેલોના સંવેદનશીલતા વિશ્લેષણના પરિણામો ડિઝાઇન પરિમાણોને ટ્યુન કરવા અને મુખ્ય પરિમાણોને સમજવા માટે ઉપયોગી છે. આ અભ્યાસ એક બહુ-સ્તરીય Nth સ્ટેજ ડ્રાઇવ રજૂ કરે છે જેનો ઉપયોગ ગતિશીલતાને વધુ વધારવા માટે થઈ શકે છે. SMA-આધારિત ડિપવેલરેટ સ્નાયુ એક્ટ્યુએટર્સમાં ઓટોમેશન બનાવવાથી લઈને ચોકસાઇ ડ્રગ ડિલિવરી સિસ્ટમ્સ સુધીના એપ્લિકેશનોની વિશાળ શ્રેણી છે.
સસ્તન પ્રાણીઓની સ્નાયુબદ્ધ રચનાઓ જેવી જૈવિક પ્રણાલીઓ ઘણા સૂક્ષ્મ કાર્યકર્તાઓને સક્રિય કરી શકે છે1. સસ્તન પ્રાણીઓમાં વિવિધ સ્નાયુ રચનાઓ હોય છે, દરેક ચોક્કસ હેતુ માટે સેવા આપે છે. જો કે, સસ્તન સ્નાયુ પેશીઓની મોટાભાગની રચનાને બે વ્યાપક શ્રેણીઓમાં વિભાજિત કરી શકાય છે. સમાંતર અને પેનેટ. હેમસ્ટ્રિંગ્સ અને અન્ય ફ્લેક્સર્સમાં, જેમ કે નામ સૂચવે છે, સમાંતર સ્નાયુમાં મધ્ય કંડરાની સમાંતર સ્નાયુ તંતુઓ હોય છે. સ્નાયુ તંતુઓની સાંકળ તેમની આસપાસના જોડાણશીલ પેશીઓ દ્વારા લાઇન કરેલી અને કાર્યાત્મક રીતે જોડાયેલી હોય છે. જોકે આ સ્નાયુઓમાં મોટો પ્રવાસ (ટકાવારી શોર્ટનિંગ) હોવાનું કહેવાય છે, તેમની એકંદર સ્નાયુ શક્તિ ખૂબ જ મર્યાદિત છે. તેનાથી વિપરીત, ટ્રાઇસેપ્સ કાફ સ્નાયુ2 (લેટરલ ગેસ્ટ્રોકનેમિયસ (GL)3, મેડિયલ ગેસ્ટ્રોકનેમિયસ (GM)4 અને સોલિયસ (SOL)) અને એક્સટેન્સર ફેમોરિસ (ક્વાડ્રિસેપ્સ)5,6 પેનેટ સ્નાયુ પેશીઓ દરેક સ્નાયુ7 માં જોવા મળે છે. પિનેટ માળખામાં, બાયપેનેટ સ્નાયુમાં સ્નાયુ તંતુઓ મધ્ય કંડરાની બંને બાજુએ ત્રાંસા ખૂણાઓ (પિનેટ ખૂણા) પર હાજર હોય છે. પેનેટ લેટિન શબ્દ "પેન્ના" પરથી આવ્યો છે, જેનો અર્થ "પેન" થાય છે, અને, આકૃતિ 1 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, પીંછા જેવો દેખાવ ધરાવે છે. પેનેટ સ્નાયુઓના તંતુઓ ટૂંકા હોય છે અને સ્નાયુના રેખાંશ ધરી પર કોણીય હોય છે. પિનેટ રચનાને કારણે, આ સ્નાયુઓની એકંદર ગતિશીલતા ઓછી થાય છે, જે ટૂંકાણ પ્રક્રિયાના ત્રાંસા અને રેખાંશ ઘટકો તરફ દોરી જાય છે. બીજી બાજુ, શારીરિક ક્રોસ-સેક્શનલ વિસ્તારને માપવાની રીતને કારણે આ સ્નાયુઓના સક્રિયકરણથી એકંદર સ્નાયુ મજબૂતાઈ વધે છે. તેથી, આપેલ ક્રોસ-સેક્શનલ વિસ્તાર માટે, પેનેટ સ્નાયુઓ મજબૂત હશે અને સમાંતર તંતુઓવાળા સ્નાયુઓ કરતાં વધુ બળ ઉત્પન્ન કરશે. વ્યક્તિગત તંતુઓ દ્વારા ઉત્પન્ન થતા દળો તે સ્નાયુ પેશીઓમાં મેક્રોસ્કોપિક સ્તરે સ્નાયુ દળો ઉત્પન્ન કરે છે. વધુમાં, તેમાં ઝડપી સંકોચન, તાણ નુકસાન સામે રક્ષણ, ગાદી જેવા અનન્ય ગુણધર્મો છે. તે સ્નાયુ ક્રિયા રેખાઓ સાથે સંકળાયેલ ફાઇબર ગોઠવણીની અનન્ય સુવિધાઓ અને ભૌમિતિક જટિલતાનો ઉપયોગ કરીને ફાઇબર ઇનપુટ અને સ્નાયુ પાવર આઉટપુટ વચ્ચેના સંબંધને પરિવર્તિત કરે છે.
બાયમોડલ સ્નાયુબદ્ધ સ્થાપત્યના સંબંધમાં હાલના SMA-આધારિત એક્ટ્યુએટર ડિઝાઇનના યોજનાકીય આકૃતિઓ બતાવવામાં આવી છે, ઉદાહરણ તરીકે (a), સ્પર્શેન્દ્રિય બળની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે જેમાં SMA વાયર દ્વારા કાર્યરત હાથ-આકારનું ઉપકરણ બે-પૈડાવાળા સ્વાયત્ત મોબાઇલ રોબોટ પર માઉન્ટ થયેલ છે9,10. , (b) વિરોધી રીતે મૂકવામાં આવેલા SMA સ્પ્રિંગ-લોડેડ ઓર્બિટલ પ્રોસ્થેસિસ સાથે રોબોટિક ઓર્બિટલ પ્રોસ્થેસિસ. કૃત્રિમ આંખની સ્થિતિ આંખના આંખના સ્નાયુમાંથી સિગ્નલ દ્વારા નિયંત્રિત થાય છે11, (c) SMA એક્ટ્યુએટર્સ તેમના ઉચ્ચ આવર્તન પ્રતિભાવ અને ઓછી બેન્ડવિડ્થને કારણે પાણીની અંદરના ઉપયોગ માટે આદર્શ છે. આ રૂપરેખાંકનમાં, SMA એક્ટ્યુએટર્સનો ઉપયોગ માછલીની હિલચાલનું અનુકરણ કરીને તરંગ ગતિ બનાવવા માટે થાય છે, (d) SMA એક્ટ્યુએટર્સનો ઉપયોગ માઇક્રો પાઇપ નિરીક્ષણ રોબોટ બનાવવા માટે થાય છે જે ઇંચ કૃમિ ગતિ સિદ્ધાંતનો ઉપયોગ કરી શકે છે, જે ચેનલ 10 ની અંદર SMA વાયરની હિલચાલ દ્વારા નિયંત્રિત થાય છે, (e) સ્નાયુ તંતુઓના સંકોચનની દિશા અને ગેસ્ટ્રોકનેમિયસ પેશીઓમાં સંકોચન બળ ઉત્પન્ન કરે છે, (f) પેનેટ સ્નાયુ માળખામાં સ્નાયુ તંતુઓના સ્વરૂપમાં ગોઠવાયેલા SMA વાયર બતાવે છે.
એક્ટ્યુએટર્સ તેમના વિશાળ શ્રેણીના ઉપયોગને કારણે યાંત્રિક પ્રણાલીઓનો એક મહત્વપૂર્ણ ભાગ બની ગયા છે. તેથી, નાના, ઝડપી અને વધુ કાર્યક્ષમ ડ્રાઇવ્સની જરૂરિયાત મહત્વપૂર્ણ બની જાય છે. તેમના ફાયદા હોવા છતાં, પરંપરાગત ડ્રાઇવ્સ ખર્ચાળ અને જાળવણીમાં સમય માંગી લે તેવી સાબિત થઈ છે. હાઇડ્રોલિક અને ન્યુમેટિક એક્ટ્યુએટર્સ જટિલ અને ખર્ચાળ છે અને ઘસારો, લુબ્રિકેશન સમસ્યાઓ અને ઘટક નિષ્ફળતાને પાત્ર છે. માંગના પ્રતિભાવમાં, સ્માર્ટ સામગ્રી પર આધારિત ખર્ચ-અસરકારક, કદ-ઑપ્ટિમાઇઝ્ડ અને અદ્યતન એક્ટ્યુએટર્સ વિકસાવવા પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરવામાં આવી રહ્યું છે. આ જરૂરિયાતને પહોંચી વળવા માટે ચાલુ સંશોધન આકાર મેમરી એલોય (SMA) સ્તરવાળા એક્ટ્યુએટર્સ પર નજર રાખી રહ્યું છે. હાયરાર્કિકલ એક્ટ્યુએટર્સ અનન્ય છે કારણ કે તેઓ વધેલી અને વિસ્તૃત કાર્યક્ષમતા પ્રદાન કરવા માટે ઘણા ડિસ્ક્રીટ એક્ટ્યુએટર્સને ભૌમિતિક રીતે જટિલ મેક્રો સ્કેલ સબસિસ્ટમ્સમાં જોડે છે. આ સંદર્ભમાં, ઉપર વર્ણવેલ માનવ સ્નાયુ પેશી આવા બહુસ્તરીય એક્ટ્યુએશનનું ઉત્તમ બહુસ્તરીય ઉદાહરણ પૂરું પાડે છે. વર્તમાન અભ્યાસ બાયમોડલ સ્નાયુઓમાં હાજર ફાઇબર ઓરિએન્ટેશન સાથે ગોઠવાયેલા અનેક વ્યક્તિગત ડ્રાઇવ તત્વો (SMA વાયર) સાથે બહુ-સ્તરીય SMA ડ્રાઇવનું વર્ણન કરે છે, જે એકંદર ડ્રાઇવ પ્રદર્શનને સુધારે છે.
એક્ટ્યુએટરનો મુખ્ય હેતુ વિદ્યુત ઉર્જાને રૂપાંતરિત કરીને બળ અને વિસ્થાપન જેવા યાંત્રિક પાવર આઉટપુટ ઉત્પન્ન કરવાનો છે. શેપ મેમરી એલોય એ "સ્માર્ટ" સામગ્રીનો એક વર્ગ છે જે ઊંચા તાપમાને તેમનો આકાર પુનઃસ્થાપિત કરી શકે છે. ઊંચા ભાર હેઠળ, SMA વાયરના તાપમાનમાં વધારો આકાર પુનઃપ્રાપ્તિ તરફ દોરી જાય છે, જેના પરિણામે વિવિધ સીધા બંધાયેલા સ્માર્ટ સામગ્રીની તુલનામાં વધુ એક્ટ્યુએશન ઊર્જા ઘનતા થાય છે. તે જ સમયે, યાંત્રિક ભાર હેઠળ, SMA બરડ બની જાય છે. ચોક્કસ પરિસ્થિતિઓમાં, ચક્રીય ભાર યાંત્રિક ઊર્જાને શોષી શકે છે અને મુક્ત કરી શકે છે, જે ઉલટાવી શકાય તેવા હિસ્ટેરેટિક આકાર ફેરફારો દર્શાવે છે. આ અનન્ય ગુણધર્મો સેન્સર, વાઇબ્રેશન ડેમ્પિંગ અને ખાસ કરીને એક્ટ્યુએટર્સ માટે SMA ને આદર્શ બનાવે છે12. આને ધ્યાનમાં રાખીને, SMA-આધારિત ડ્રાઇવ્સમાં ઘણું સંશોધન થયું છે. એ નોંધવું જોઈએ કે SMA-આધારિત એક્ટ્યુએટર્સ વિવિધ એપ્લિકેશનો માટે ટ્રાન્સલેશનલ અને રોટરી ગતિ પ્રદાન કરવા માટે રચાયેલ છે13,14,15. જોકે કેટલાક રોટરી એક્ટ્યુએટર્સ વિકસાવવામાં આવ્યા છે, સંશોધકો ખાસ કરીને રેખીય એક્ટ્યુએટર્સમાં રસ ધરાવે છે. આ રેખીય એક્ટ્યુએટર્સને ત્રણ પ્રકારના એક્ટ્યુએટરમાં વિભાજિત કરી શકાય છે: એક-પરિમાણીય, વિસ્થાપન અને વિભેદક એક્ટ્યુએટર્સ 16. શરૂઆતમાં, હાઇબ્રિડ ડ્રાઇવ્સ SMA અને અન્ય પરંપરાગત ડ્રાઇવ્સ સાથે સંયોજનમાં બનાવવામાં આવી હતી. SMA-આધારિત હાઇબ્રિડ રેખીય એક્ટ્યુએટરનું એક ઉદાહરણ એ છે કે DC મોટર સાથે SMA વાયરનો ઉપયોગ લગભગ 100 N નું આઉટપુટ ફોર્સ અને નોંધપાત્ર ડિસ્પ્લેસમેન્ટ17 પ્રદાન કરે છે.
સંપૂર્ણપણે SMA પર આધારિત ડ્રાઇવ્સમાં પ્રથમ વિકાસમાંનો એક SMA સમાંતર ડ્રાઇવ હતો. બહુવિધ SMA વાયરનો ઉપયોગ કરીને, SMA-આધારિત સમાંતર ડ્રાઇવ બધા SMA18 વાયરને સમાંતરમાં મૂકીને ડ્રાઇવની પાવર ક્ષમતા વધારવા માટે રચાયેલ છે. એક્ટ્યુએટર્સના સમાંતર જોડાણને માત્ર વધુ શક્તિની જરૂર નથી, પરંતુ એક વાયરની આઉટપુટ શક્તિને પણ મર્યાદિત કરે છે. SMA આધારિત એક્ટ્યુએટરનો બીજો ગેરલાભ એ છે કે તેઓ મર્યાદિત મુસાફરી પ્રાપ્ત કરી શકે છે. આ સમસ્યાને ઉકેલવા માટે, SMA કેબલ બીમ બનાવવામાં આવ્યો હતો જેમાં ડિસ્પ્લેસમેન્ટ વધારવા અને રેખીય ગતિ પ્રાપ્ત કરવા માટે ડિફ્લેક્ટેડ ફ્લેક્સિબલ બીમ હતો, પરંતુ તે ઉચ્ચ બળો ઉત્પન્ન કરતો ન હતો19. આકાર મેમરી એલોય પર આધારિત રોબોટ્સ માટે સોફ્ટ ડિફોર્મેબલ સ્ટ્રક્ચર્સ અને ફેબ્રિક્સ મુખ્યત્વે ઇમ્પેક્ટ એમ્પ્લીફિકેશન20,21,22 માટે વિકસાવવામાં આવ્યા છે. જ્યાં ઉચ્ચ ગતિ જરૂરી હોય તેવા એપ્લિકેશનો માટે, માઇક્રોપંપ સંચાલિત એપ્લિકેશનો23 માટે પાતળા ફિલ્મ SMA નો ઉપયોગ કરીને કોમ્પેક્ટ સંચાલિત પંપની જાણ કરવામાં આવી છે. પાતળા ફિલ્મ SMA પટલની ડ્રાઇવ ફ્રીક્વન્સી ડ્રાઇવરની ગતિને નિયંત્રિત કરવામાં મુખ્ય પરિબળ છે. તેથી, SMA રેખીય મોટર્સ SMA સ્પ્રિંગ અથવા રોડ મોટર્સ કરતાં વધુ સારી ગતિશીલ પ્રતિભાવ ધરાવે છે. સોફ્ટ રોબોટિક્સ અને ગ્રિપિંગ ટેકનોલોજી એ બે અન્ય એપ્લિકેશનો છે જે SMA-આધારિત એક્ટ્યુએટરનો ઉપયોગ કરે છે. ઉદાહરણ તરીકે, 25 N સ્પેસ ક્લેમ્પમાં ઉપયોગમાં લેવાતા સ્ટાન્ડર્ડ એક્ટ્યુએટરને બદલવા માટે, એક આકાર મેમરી એલોય સમાંતર એક્ટ્યુએટર 24 વિકસાવવામાં આવ્યો હતો. બીજા કિસ્સામાં, SMA સોફ્ટ એક્ટ્યુએટર 30 N નું મહત્તમ ખેંચાણ બળ ઉત્પન્ન કરવા સક્ષમ એમ્બેડેડ મેટ્રિક્સવાળા વાયર પર આધારિત બનાવવામાં આવ્યું હતું. તેમના યાંત્રિક ગુણધર્મોને કારણે, SMA નો ઉપયોગ જૈવિક ઘટનાની નકલ કરતા એક્ટ્યુએટર ઉત્પન્ન કરવા માટે પણ થાય છે. આવા એક વિકાસમાં 12-કોષ રોબોટનો સમાવેશ થાય છે જે SMA સાથે અળસિયા જેવા જીવનું બાયોમિમેટિક છે જે 26,27 ને આગ લગાડવા માટે સાઇનસૉઇડલ ગતિ ઉત્પન્ન કરે છે.
અગાઉ ઉલ્લેખ કર્યો છે તેમ, હાલના SMA-આધારિત એક્ટ્યુએટર્સમાંથી મેળવી શકાય તેવા મહત્તમ બળની મર્યાદા છે. આ મુદ્દાને ઉકેલવા માટે, આ અભ્યાસ બાયોમિમેટિક બાયમોડલ સ્નાયુ માળખું રજૂ કરે છે. આકાર મેમરી એલોય વાયર દ્વારા સંચાલિત. તે એક વર્ગીકરણ પ્રણાલી પ્રદાન કરે છે જેમાં અનેક આકાર મેમરી એલોય વાયરનો સમાવેશ થાય છે. આજ સુધી, સાહિત્યમાં સમાન આર્કિટેક્ચરવાળા કોઈ SMA-આધારિત એક્ટ્યુએટર્સ નોંધાયા નથી. SMA પર આધારિત આ અનન્ય અને નવીન સિસ્ટમ બાયમોડલ સ્નાયુ સંરેખણ દરમિયાન SMA ના વર્તનનો અભ્યાસ કરવા માટે વિકસાવવામાં આવી હતી. હાલના SMA-આધારિત એક્ટ્યુએટર્સની તુલનામાં, આ અભ્યાસનો ધ્યેય બાયોમિમેટિક ડિવેલરેટ એક્ટ્યુએટર બનાવવાનો હતો જે નાના જથ્થામાં નોંધપાત્ર રીતે વધુ બળ ઉત્પન્ન કરે. HVAC બિલ્ડિંગ ઓટોમેશન અને નિયંત્રણ સિસ્ટમ્સમાં ઉપયોગમાં લેવાતા પરંપરાગત સ્ટેપર મોટર સંચાલિત ડ્રાઇવ્સની તુલનામાં, પ્રસ્તાવિત SMA-આધારિત બાયમોડલ ડ્રાઇવ ડિઝાઇન ડ્રાઇવ મિકેનિઝમના વજનને 67% ઘટાડે છે. નીચેનામાં, "સ્નાયુ" અને "ડ્રાઇવ" શબ્દો એકબીજાના બદલે ઉપયોગમાં લેવાય છે. આ અભ્યાસ આવી ડ્રાઇવના મલ્ટિફિઝિક્સ સિમ્યુલેશનની તપાસ કરે છે. આવી સિસ્ટમોના યાંત્રિક વર્તનનો અભ્યાસ પ્રાયોગિક અને વિશ્લેષણાત્મક પદ્ધતિઓ દ્વારા કરવામાં આવ્યો છે. 7 V ના ઇનપુટ વોલ્ટેજ પર બળ અને તાપમાન વિતરણની વધુ તપાસ કરવામાં આવી. ત્યારબાદ, મુખ્ય પરિમાણો અને આઉટપુટ બળ વચ્ચેના સંબંધને વધુ સારી રીતે સમજવા માટે પેરામેટ્રિક વિશ્લેષણ હાથ ધરવામાં આવ્યું. અંતે, હાયરાર્કિકલ એક્ટ્યુએટર્સની કલ્પના કરવામાં આવી છે અને પ્રોસ્થેટિક એપ્લિકેશનો માટે બિન-ચુંબકીય એક્ટ્યુએટર્સ માટે સંભવિત ભાવિ ક્ષેત્ર તરીકે હાયરાર્કિકલ સ્તરની અસરોનો પ્રસ્તાવ મૂકવામાં આવ્યો છે. ઉપરોક્ત અભ્યાસોના પરિણામો અનુસાર, સિંગલ-સ્ટેજ આર્કિટેક્ચરનો ઉપયોગ અહેવાલ કરાયેલ SMA-આધારિત એક્ટ્યુએટર્સ કરતા ઓછામાં ઓછા ચાર થી પાંચ ગણા વધારે બળ ઉત્પન્ન કરે છે. વધુમાં, મલ્ટી-લેવલ મલ્ટી-લેવલ ડ્રાઇવ દ્વારા ઉત્પન્ન થયેલ સમાન ડ્રાઇવ ફોર્સ પરંપરાગત SMA-આધારિત ડ્રાઇવ કરતા દસ ગણા કરતાં વધુ હોવાનું દર્શાવવામાં આવ્યું છે. ત્યારબાદ અભ્યાસ વિવિધ ડિઝાઇન અને ઇનપુટ ચલો વચ્ચે સંવેદનશીલતા વિશ્લેષણનો ઉપયોગ કરીને મુખ્ય પરિમાણોનો અહેવાલ આપે છે. SMA વાયરની પ્રારંભિક લંબાઈ (\(l_0\)), પિનેટ એંગલ (\(\alpha\)) અને દરેક વ્યક્તિગત સ્ટ્રેન્ડમાં સિંગલ સ્ટ્રેન્ડ (n) ની સંખ્યા ડ્રાઇવિંગ ફોર્સની તીવ્રતા પર મજબૂત નકારાત્મક અસર કરે છે. તાકાત, જ્યારે ઇનપુટ વોલ્ટેજ (ઊર્જા) હકારાત્મક રીતે સહસંબંધિત હોવાનું બહાર આવ્યું.
SMA વાયર નિકલ-ટાઇટેનિયમ (Ni-Ti) એલોય પરિવારમાં જોવા મળતા આકાર મેમરી ઇફેક્ટ (SME) દર્શાવે છે. સામાન્ય રીતે, SMA બે તાપમાન આધારિત તબક્કાઓ દર્શાવે છે: નીચા તાપમાનનો તબક્કો અને ઉચ્ચ તાપમાનનો તબક્કો. બંને તબક્કાઓમાં વિવિધ સ્ફટિક માળખાંની હાજરીને કારણે અનન્ય ગુણધર્મો હોય છે. રૂપાંતર તાપમાનથી ઉપર રહેલા ઓસ્ટેનાઇટ તબક્કા (ઉચ્ચ તાપમાનનો તબક્કો) માં, સામગ્રી ઉચ્ચ શક્તિ દર્શાવે છે અને ભાર હેઠળ નબળી રીતે વિકૃત થાય છે. એલોય સ્ટેનલેસ સ્ટીલ જેવું વર્તે છે, તેથી તે ઉચ્ચ એક્ટ્યુએશન દબાણનો સામનો કરવા સક્ષમ છે. Ni-Ti એલોયના આ ગુણધર્મનો લાભ લઈને, SMA વાયરને એક્ટ્યુએટર બનાવવા માટે ત્રાંસા કરવામાં આવે છે. વિવિધ પરિમાણો અને વિવિધ ભૂમિતિઓના પ્રભાવ હેઠળ SMA ના થર્મલ વર્તણૂકના મૂળભૂત મિકેનિક્સને સમજવા માટે યોગ્ય વિશ્લેષણાત્મક મોડેલો વિકસાવવામાં આવ્યા છે. પ્રાયોગિક અને વિશ્લેષણાત્મક પરિણામો વચ્ચે સારો કરાર પ્રાપ્ત થયો હતો.
SMA પર આધારિત બાયમોડલ ડ્રાઇવના પ્રદર્શનનું મૂલ્યાંકન કરવા માટે આકૃતિ 9a માં બતાવેલ પ્રોટોટાઇપ પર એક પ્રાયોગિક અભ્યાસ હાથ ધરવામાં આવ્યો હતો. આમાંના બે ગુણધર્મો, ડ્રાઇવ દ્વારા ઉત્પન્ન થતું બળ (સ્નાયુ બળ) અને SMA વાયરનું તાપમાન (SMA તાપમાન), પ્રાયોગિક રીતે માપવામાં આવ્યા હતા. ડ્રાઇવમાં વાયરની સમગ્ર લંબાઈ સાથે વોલ્ટેજ તફાવત વધતાં, જૌલ હીટિંગ અસરને કારણે વાયરનું તાપમાન વધે છે. ઇનપુટ વોલ્ટેજ બે 10-સેકન્ડ ચક્રમાં લાગુ કરવામાં આવ્યું હતું (આકૃતિ 2a, b માં લાલ બિંદુઓ તરીકે દર્શાવવામાં આવ્યું છે) દરેક ચક્ર વચ્ચે 15-સેકન્ડ ઠંડક સમયગાળા સાથે. બ્લોકિંગ ફોર્સ પીઝોઇલેક્ટ્રિક સ્ટ્રેન ગેજનો ઉપયોગ કરીને માપવામાં આવ્યું હતું, અને વૈજ્ઞાનિક-ગ્રેડ હાઇ-રિઝોલ્યુશન LWIR કેમેરાનો ઉપયોગ કરીને SMA વાયરના તાપમાન વિતરણનું વાસ્તવિક સમયમાં નિરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું હતું (કોષ્ટક 2 માં ઉપયોગમાં લેવાતા સાધનોની લાક્ષણિકતાઓ જુઓ). દર્શાવે છે કે ઉચ્ચ વોલ્ટેજ તબક્કા દરમિયાન, વાયરનું તાપમાન એકવિધ રીતે વધે છે, પરંતુ જ્યારે કોઈ પ્રવાહ વહેતો નથી, ત્યારે વાયરનું તાપમાન ઘટતું રહે છે. વર્તમાન પ્રાયોગિક સેટઅપમાં, ઠંડકના તબક્કા દરમિયાન SMA વાયરનું તાપમાન ઘટી ગયું હતું, પરંતુ તે હજુ પણ આસપાસના તાપમાનથી ઉપર હતું. આકૃતિ 2e માં LWIR કેમેરામાંથી લેવામાં આવેલા SMA વાયર પરના તાપમાનનો સ્નેપશોટ બતાવવામાં આવ્યો છે. બીજી બાજુ, આકૃતિ 2a માં ડ્રાઇવ સિસ્ટમ દ્વારા ઉત્પન્ન થયેલ અવરોધ બળ બતાવવામાં આવ્યું છે. જ્યારે સ્નાયુ બળ સ્પ્રિંગના પુનઃસ્થાપન બળ કરતાં વધી જાય છે, ત્યારે આકૃતિ 9a માં બતાવ્યા પ્રમાણે, ગતિશીલ હાથ ખસેડવાનું શરૂ કરે છે. સક્રિયકરણ શરૂ થતાંની સાથે જ, ગતિશીલ હાથ સેન્સરના સંપર્કમાં આવે છે, જે શરીર બળ બનાવે છે, જેમ કે આકૃતિ 2c, d માં બતાવ્યા પ્રમાણે. જ્યારે મહત્તમ તાપમાન \(84\,^{\circ}\hbox {C}\ ની નજીક હોય છે, ત્યારે મહત્તમ અવલોકન કરેલ બળ 105 N છે.
આ ગ્રાફ બે ચક્ર દરમિયાન SMA વાયરના તાપમાન અને SMA-આધારિત બાયમોડલ એક્ટ્યુએટર દ્વારા ઉત્પન્ન થતા બળના પ્રાયોગિક પરિણામો દર્શાવે છે. ઇનપુટ વોલ્ટેજ બે 10 સેકન્ડ ચક્રમાં (લાલ બિંદુઓ તરીકે દર્શાવવામાં આવે છે) લાગુ કરવામાં આવે છે જેમાં દરેક ચક્ર વચ્ચે 15 સેકન્ડનો કૂલ ડાઉન સમયગાળો હોય છે. પ્રયોગો માટે ઉપયોગમાં લેવાતો SMA વાયર ડાયનાલોય, ઇન્ક.નો 0.51 મીમી વ્યાસનો ફ્લેક્સિનોલ વાયર હતો. (a) ગ્રાફ બે ચક્રમાં મેળવેલ પ્રાયોગિક બળ દર્શાવે છે, (c, d) PACEline CFT/5kN પીઝોઇલેક્ટ્રિક ફોર્સ ટ્રાન્સડ્યુસર પર મૂવિંગ આર્મ એક્ટ્યુએટર્સની ક્રિયાના બે સ્વતંત્ર ઉદાહરણો દર્શાવે છે, (b) ગ્રાફ બે ચક્ર દરમિયાન સમગ્ર SMA વાયરનું મહત્તમ તાપમાન દર્શાવે છે, (e) FLIR ResearchIR સોફ્ટવેર LWIR કેમેરાનો ઉપયોગ કરીને SMA વાયરમાંથી લેવામાં આવેલ તાપમાન સ્નેપશોટ દર્શાવે છે. પ્રયોગોમાં ધ્યાનમાં લેવામાં આવેલા ભૌમિતિક પરિમાણો કોષ્ટક એકમાં આપવામાં આવ્યા છે.
ગાણિતિક મોડેલના સિમ્યુલેશન પરિણામો અને પ્રાયોગિક પરિણામોની સરખામણી આકૃતિ 5 માં બતાવ્યા પ્રમાણે 7V ના ઇનપુટ વોલ્ટેજની સ્થિતિ હેઠળ કરવામાં આવે છે. પેરામેટ્રિક વિશ્લેષણના પરિણામો અનુસાર અને SMA વાયરના ઓવરહિટીંગની શક્યતા ટાળવા માટે, એક્ટ્યુએટરને 11.2 W ની શક્તિ પૂરી પાડવામાં આવી હતી. ઇનપુટ વોલ્ટેજ તરીકે 7V સપ્લાય કરવા માટે પ્રોગ્રામેબલ DC પાવર સપ્લાયનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો, અને વાયર પર 1.6A નો પ્રવાહ માપવામાં આવ્યો હતો. પ્રવાહ લાગુ કરવામાં આવે ત્યારે ડ્રાઇવ દ્વારા ઉત્પન્ન થતો બળ અને SDR નું તાપમાન વધે છે. 7V ના ઇનપુટ વોલ્ટેજ સાથે, પ્રથમ ચક્રના સિમ્યુલેશન પરિણામો અને પ્રાયોગિક પરિણામોમાંથી મેળવેલ મહત્તમ આઉટપુટ બળ અનુક્રમે 78 N અને 96 N છે. બીજા ચક્રમાં, સિમ્યુલેશન અને પ્રાયોગિક પરિણામોનું મહત્તમ આઉટપુટ બળ અનુક્રમે 150 N અને 105 N હતું. અવરોધ બળ માપન અને પ્રાયોગિક ડેટા વચ્ચેનો તફાવત અવરોધ બળ માપવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતી પદ્ધતિને કારણે હોઈ શકે છે. આકૃતિમાં દર્શાવેલ પ્રાયોગિક પરિણામો. આકૃતિ 5a લોકીંગ ફોર્સના માપનને અનુરૂપ છે, જે બદલામાં જ્યારે ડ્રાઇવ શાફ્ટ PACEline CFT/5kN પીઝોઇલેક્ટ્રિક ફોર્સ ટ્રાન્સડ્યુસરના સંપર્કમાં હતો ત્યારે માપવામાં આવતું હતું, જેમ કે આકૃતિ 2s માં બતાવ્યા પ્રમાણે. તેથી, જ્યારે ડ્રાઇવ શાફ્ટ કૂલિંગ ઝોનની શરૂઆતમાં ફોર્સ સેન્સરના સંપર્કમાં ન હોય, ત્યારે બળ તરત જ શૂન્ય થઈ જાય છે, જેમ કે આકૃતિ 2d માં બતાવ્યા પ્રમાણે. વધુમાં, અન્ય પરિમાણો જે અનુગામી ચક્રમાં બળની રચનાને અસર કરે છે તે ઠંડક સમયના મૂલ્યો અને પાછલા ચક્રમાં કન્વેક્ટિવ હીટ ટ્રાન્સફરના ગુણાંક છે. આકૃતિ 2b માંથી, તે જોઈ શકાય છે કે 15 સેકન્ડના ઠંડક સમયગાળા પછી, SMA વાયર ઓરડાના તાપમાને પહોંચ્યો ન હતો અને તેથી બીજા ડ્રાઇવિંગ ચક્રમાં પ્રથમ ચક્ર (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)) ની તુલનામાં વધુ પ્રારંભિક તાપમાન (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) હતું. આમ, પ્રથમ ચક્રની તુલનામાં, બીજા ગરમી ચક્ર દરમિયાન SMA વાયરનું તાપમાન પ્રારંભિક ઓસ્ટેનાઇટ તાપમાન (\(A_s\)) વહેલા પહોંચે છે અને સંક્રમણ સમયગાળામાં લાંબા સમય સુધી રહે છે, જેના પરિણામે તણાવ અને બળ ઉત્પન્ન થાય છે. બીજી બાજુ, પ્રયોગો અને સિમ્યુલેશનમાંથી મેળવેલા ગરમી અને ઠંડક ચક્ર દરમિયાન તાપમાન વિતરણ થર્મોગ્રાફિક વિશ્લેષણના ઉદાહરણો સાથે ઉચ્ચ ગુણાત્મક સમાનતા ધરાવે છે. પ્રયોગો અને સિમ્યુલેશનમાંથી SMA વાયર થર્મલ ડેટાના તુલનાત્મક વિશ્લેષણમાં ગરમી અને ઠંડક ચક્ર દરમિયાન સુસંગતતા અને પ્રાયોગિક ડેટા માટે સ્વીકાર્ય સહિષ્ણુતા દર્શાવવામાં આવી છે. પ્રથમ ચક્રના સિમ્યુલેશન અને પ્રયોગોના પરિણામોમાંથી મેળવેલા SMA વાયરનું મહત્તમ તાપમાન અનુક્રમે \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) અને \(75\,^{\circ }\hbox {C }\), છે, અને બીજા ચક્રમાં SMA વાયરનું મહત્તમ તાપમાન \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) અને \(83\,^{\circ }\hbox {C}\) છે. મૂળભૂત રીતે વિકસિત મોડેલ આકાર મેમરી અસરની અસરની પુષ્ટિ કરે છે. આ સમીક્ષામાં થાક અને ઓવરહિટીંગની ભૂમિકા ધ્યાનમાં લેવામાં આવી ન હતી. ભવિષ્યમાં, મોડેલમાં SMA વાયરના તાણ ઇતિહાસનો સમાવેશ કરીને સુધારો કરવામાં આવશે, જે તેને એન્જિનિયરિંગ એપ્લિકેશનો માટે વધુ યોગ્ય બનાવશે. સિમુલિંક બ્લોકમાંથી મેળવેલ ડ્રાઇવ આઉટપુટ ફોર્સ અને SMA તાપમાન પ્લોટ 7 V ના ઇનપુટ વોલ્ટેજ પલ્સની સ્થિતિ હેઠળ પ્રાયોગિક ડેટાની સ્વીકાર્ય સહિષ્ણુતાની અંદર છે. આ વિકસિત ગાણિતિક મોડેલની શુદ્ધતા અને વિશ્વસનીયતાની પુષ્ટિ કરે છે.
મેથડ્સ વિભાગમાં વર્ણવેલ મૂળભૂત સમીકરણોનો ઉપયોગ કરીને મેથવર્ક્સ સિમુલિંક R2020b પર્યાવરણમાં ગાણિતિક મોડેલ વિકસાવવામાં આવ્યું હતું. આકૃતિ 3b માં સિમુલિંક ગણિત મોડેલનો બ્લોક ડાયાગ્રામ બતાવવામાં આવ્યો છે. આકૃતિ 2a, b માં બતાવ્યા પ્રમાણે મોડેલ 7V ઇનપુટ વોલ્ટેજ પલ્સ માટે સિમ્યુલેટેડ હતું. સિમ્યુલેશનમાં ઉપયોગમાં લેવાતા પરિમાણોના મૂલ્યો કોષ્ટક 1 માં સૂચિબદ્ધ છે. ક્ષણિક પ્રક્રિયાઓના સિમ્યુલેશનના પરિણામો આકૃતિ 1 અને 1 માં રજૂ કરવામાં આવ્યા છે. આકૃતિ 3a અને 4. આકૃતિ 4a, b માં SMA વાયરમાં પ્રેરિત વોલ્ટેજ અને સમયના કાર્ય તરીકે એક્ટ્યુએટર દ્વારા ઉત્પન્ન થતા બળ દર્શાવે છે. રિવર્સ ટ્રાન્સફોર્મેશન (હીટિંગ) દરમિયાન, જ્યારે SMA વાયર તાપમાન, \(T < A_s^{\prime}\) (સ્ટ્રેસ-મોડિફાઇડ ઓસ્ટેનાઇટ ફેઝ સ્ટાર્ટ તાપમાન), માર્ટેન્સાઇટ વોલ્યુમ અપૂર્ણાંક (\(\dot{\xi }\)) ના ફેરફારનો દર શૂન્ય હશે. રિવર્સ ટ્રાન્સફોર્મેશન (હીટિંગ) દરમિયાન, જ્યારે SMA વાયર તાપમાન, \(T < A_s^{\prime}\) (સ્ટ્રેસ-મોડિફાઇડ ઓસ્ટેનાઇટ ફેઝ સ્ટાર્ટ તાપમાન), માર્ટેન્સાઇટ વોલ્યુમ અપૂર્ણાંક (\(\dot{\ xi }\)) ના ફેરફારનો દર શૂન્ય હશે. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитура начала аустенитура начала аустенитуратура проволоки SMA, напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. રિવર્સ ટ્રાન્સફોર્મેશન (હીટિંગ) દરમિયાન, જ્યારે SMA વાયરનું તાપમાન, \(T < A_s^{\prime}\) (સ્ટ્રેસ-મોડિફાઇડ ઓસ્ટેનાઇટ શરૂઆત તાપમાન), માર્ટેન્સાઇટ વોલ્યુમ અપૂર્ણાંક (\(\dot{\ xi }\ )) ના ફેરફારનો દર શૂન્ય હશે.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（\(\dot\)在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) SMA-આધારિત ડિવેલરેટ એક્ટ્યુએટરમાં તાપમાન વિતરણ અને તાણ-પ્રેરિત જંકશન તાપમાન દર્શાવતું સિમ્યુલેશન પરિણામ. જ્યારે ગરમીના તબક્કામાં વાયરનું તાપમાન ઓસ્ટેનાઇટ સંક્રમણ તાપમાનને પાર કરે છે, ત્યારે સંશોધિત ઓસ્ટેનાઇટ સંક્રમણ તાપમાન વધવાનું શરૂ થાય છે, અને તેવી જ રીતે, જ્યારે વાયર રોડનું તાપમાન ઠંડકના તબક્કામાં માર્ટેન્સિટિક સંક્રમણ તાપમાનને પાર કરે છે, ત્યારે માર્ટેન્સિટિક સંક્રમણ તાપમાન ઘટે છે. એક્ટ્યુએશન પ્રક્રિયાના વિશ્લેષણાત્મક મોડેલિંગ માટે SMA. (સિમુલિંક મોડેલના દરેક સબસિસ્ટમના વિગતવાર દૃશ્ય માટે, પૂરક ફાઇલનો પરિશિષ્ટ વિભાગ જુઓ.)
7V ઇનપુટ વોલ્ટેજના બે ચક્ર (10 સેકન્ડ વોર્મ અપ ચક્ર અને 15 સેકન્ડ કૂલ ડાઉન ચક્ર) માટે વિવિધ પરિમાણ વિતરણો માટેના વિશ્લેષણના પરિણામો દર્શાવવામાં આવ્યા છે. જ્યારે (ac) અને (e) સમય જતાં વિતરણ દર્શાવે છે, બીજી બાજુ, (d) અને (f) તાપમાન સાથે વિતરણ દર્શાવે છે. સંબંધિત ઇનપુટ પરિસ્થિતિઓ માટે, મહત્તમ અવલોકન કરાયેલ તાણ 106 MPa (345 MPa કરતાં ઓછું, વાયર ઉપજ શક્તિ), બળ 150 N છે, મહત્તમ વિસ્થાપન 270 µm છે, અને લઘુત્તમ માર્ટેન્સિટિક વોલ્યુમ અપૂર્ણાંક 0.91 છે. બીજી બાજુ, તાણમાં ફેરફાર અને તાપમાન સાથે માર્ટેન્સાઇટના વોલ્યુમ અપૂર્ણાંકમાં ફેરફાર હિસ્ટેરેસિસ લાક્ષણિકતાઓ સમાન છે.
આ જ સમજૂતી ઓસ્ટેનાઇટ તબક્કાથી માર્ટેન્સાઇટ તબક્કામાં સીધા પરિવર્તન (ઠંડક) પર લાગુ પડે છે, જ્યાં SMA વાયર તાપમાન (T) અને તણાવ-સંશોધિત માર્ટેન્સાઇટ તબક્કા (\(M_f^{\prime}\ )) નું અંતિમ તાપમાન ઉત્તમ છે. આકૃતિ 4d,f માં, બંને ડ્રાઇવિંગ ચક્ર માટે SMA વાયર (T) ના તાપમાનમાં ફેરફારના કાર્ય તરીકે SMA વાયરમાં પ્રેરિત તણાવ (\(\sigma\)) અને માર્ટેન્સાઇટ (\(\xi\)) ના વોલ્યુમ અપૂર્ણાંકમાં ફેરફાર દર્શાવે છે. આકૃતિ 3a માં ઇનપુટ વોલ્ટેજ પલ્સ પર આધાર રાખીને સમય સાથે SMA વાયરના તાપમાનમાં ફેરફાર દર્શાવે છે. આકૃતિ પરથી જોઈ શકાય છે તેમ, શૂન્ય વોલ્ટેજ અને ત્યારબાદ સંવહન ઠંડક પર ગરમી સ્ત્રોત પ્રદાન કરીને વાયરનું તાપમાન વધતું રહે છે. ગરમી દરમિયાન, માર્ટેનાઇટનું ઓસ્ટેનાઇટ તબક્કામાં પુનઃપરિવર્તન ત્યારે શરૂ થાય છે જ્યારે SMA વાયર તાપમાન (T) તણાવ-સુધારેલા ઓસ્ટેનાઇટ ન્યુક્લિયેશન તાપમાન (\(A_s^{\prime}\)) ને પાર કરે છે. આ તબક્કા દરમિયાન, SMA વાયર સંકુચિત થાય છે અને એક્ટ્યુએટર બળ ઉત્પન્ન કરે છે. ઉપરાંત, ઠંડક દરમિયાન, જ્યારે SMA વાયર (T) નું તાપમાન તણાવ-સુધારેલા માર્ટેનાઇટ તબક્કા (\(M_s^{\prime}\)) ના ન્યુક્લિયેશન તાપમાનને પાર કરે છે ત્યારે ઓસ્ટેનાઇટ તબક્કાથી માર્ટેનાઇટ તબક્કામાં સકારાત્મક સંક્રમણ થાય છે. ડ્રાઇવ ફોર્સ ઘટે છે.
SMA પર આધારિત બાયમોડલ ડ્રાઇવના મુખ્ય ગુણાત્મક પાસાઓ સિમ્યુલેશન પરિણામોમાંથી મેળવી શકાય છે. વોલ્ટેજ પલ્સ ઇનપુટના કિસ્સામાં, SMA વાયરનું તાપમાન જુલ હીટિંગ ઇફેક્ટને કારણે વધે છે. માર્ટેન્સાઇટ વોલ્યુમ અપૂર્ણાંક (\(\xi\)) નું પ્રારંભિક મૂલ્ય 1 પર સેટ કરેલું છે, કારણ કે સામગ્રી શરૂઆતમાં સંપૂર્ણપણે માર્ટેન્સિટિક તબક્કામાં હોય છે. જેમ જેમ વાયર ગરમ થવાનું ચાલુ રાખે છે, તેમ તેમ SMA વાયરનું તાપમાન તાણ-સુધારેલા ઓસ્ટેનાઇટ ન્યુક્લિયેશન તાપમાન \(A_s^{\prime}\) કરતાં વધી જાય છે, જેના પરિણામે માર્ટેન્સાઇટ વોલ્યુમ અપૂર્ણાંકમાં ઘટાડો થાય છે, જેમ કે આકૃતિ 4c માં બતાવ્યા પ્રમાણે. વધુમાં, આકૃતિ 4e માં એક્ટ્યુએટરના સ્ટ્રોકનું વિતરણ સમયસર દર્શાવે છે, અને આકૃતિ 5 માં - સમયના કાર્ય તરીકે ચાલક બળ. સમીકરણોની સંબંધિત સિસ્ટમમાં તાપમાન, માર્ટેન્સાઇટ વોલ્યુમ અપૂર્ણાંક અને વાયરમાં વિકસે છે તે તણાવનો સમાવેશ થાય છે, જેના પરિણામે SMA વાયર સંકોચાય છે અને એક્ટ્યુએટર દ્વારા ઉત્પન્ન થતું બળ. જેમ આકૃતિમાં બતાવ્યા પ્રમાણે. 4d,f માં, તાપમાન સાથે વોલ્ટેજ ભિન્નતા અને તાપમાન સાથે માર્ટેન્સાઇટ વોલ્યુમ અપૂર્ણાંક ભિન્નતા 7 V પર સિમ્યુલેટેડ કેસમાં SMA ની હિસ્ટેરેસિસ લાક્ષણિકતાઓને અનુરૂપ છે.
પ્રયોગો અને વિશ્લેષણાત્મક ગણતરીઓ દ્વારા ડ્રાઇવિંગ પરિમાણોની સરખામણી મેળવવામાં આવી હતી. વાયરને 10 સેકન્ડ માટે 7 V ના પલ્સ્ડ ઇનપુટ વોલ્ટેજ પર રાખવામાં આવ્યા હતા, પછી બે ચક્રમાં 15 સેકન્ડ (ઠંડકનો તબક્કો) માટે ઠંડુ કરવામાં આવ્યું હતું. પિનેટ એંગલ \(40^{\circ}\) પર સેટ કરવામાં આવ્યો છે અને દરેક સિંગલ પિન લેગમાં SMA વાયરની પ્રારંભિક લંબાઈ 83mm પર સેટ કરવામાં આવી છે. (a) લોડ સેલ વડે ડ્રાઇવિંગ ફોર્સનું માપન (b) થર્મલ ઇન્ફ્રારેડ કેમેરા વડે વાયરના તાપમાનનું નિરીક્ષણ.
ડ્રાઇવ દ્વારા ઉત્પાદિત બળ પર ભૌતિક પરિમાણોના પ્રભાવને સમજવા માટે, પસંદ કરેલા ભૌતિક પરિમાણો પ્રત્યે ગાણિતિક મોડેલની સંવેદનશીલતાનું વિશ્લેષણ હાથ ધરવામાં આવ્યું હતું, અને પરિમાણોને તેમના પ્રભાવ અનુસાર ક્રમાંકિત કરવામાં આવ્યા હતા. પ્રથમ, મોડેલ પરિમાણોના નમૂના લેવાનું પ્રાયોગિક ડિઝાઇન સિદ્ધાંતોનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવ્યું હતું જે એકસમાન વિતરણને અનુસરે છે (સંવેદનશીલતા વિશ્લેષણ પર પૂરક વિભાગ જુઓ). આ કિસ્સામાં, મોડેલ પરિમાણોમાં ઇનપુટ વોલ્ટેજ (\(V_{in}\)), પ્રારંભિક SMA વાયર લંબાઈ (\(l_0\)), ત્રિકોણ કોણ (\(\alpha\)), બાયસ સ્પ્રિંગ કોન્સ્ટન્ટ (\( K_x\ )), સંવહન ગરમી ટ્રાન્સફર ગુણાંક (\(h_T\)) અને યુનિમોડલ શાખાઓની સંખ્યા (n) શામેલ છે. આગળના પગલામાં, પીક સ્નાયુ તાકાતને અભ્યાસ ડિઝાઇન આવશ્યકતા તરીકે પસંદ કરવામાં આવી હતી અને તાકાત પર ચલોના દરેક સમૂહની પેરામેટ્રિક અસરો મેળવવામાં આવી હતી. સંવેદનશીલતા વિશ્લેષણ માટે ટોર્નેડો પ્લોટ દરેક પરિમાણ માટે સહસંબંધ ગુણાંકમાંથી મેળવવામાં આવ્યા હતા, જેમ કે આકૃતિ 6a માં બતાવ્યા પ્રમાણે.
(a) મોડેલ પરિમાણોના સહસંબંધ ગુણાંક મૂલ્યો અને ઉપરોક્ત મોડેલ પરિમાણોના 2500 અનન્ય જૂથોના મહત્તમ આઉટપુટ બળ પર તેમની અસર ટોર્નેડો પ્લોટમાં બતાવવામાં આવી છે. ગ્રાફ અનેક સૂચકોના ક્રમ સહસંબંધ દર્શાવે છે. તે સ્પષ્ટ છે કે \(V_{in}\) એ એકમાત્ર પરિમાણ છે જેનો સકારાત્મક સહસંબંધ છે, અને \(l_0\) એ સૌથી વધુ નકારાત્મક સહસંબંધ ધરાવતો પરિમાણ છે. વિવિધ સંયોજનોમાં વિવિધ પરિમાણોની ટોચની સ્નાયુ શક્તિ પર અસર (b, c) માં બતાવવામાં આવી છે. \(K_x\) 400 થી 800 N/m સુધીની છે અને n 4 થી 24 સુધીની છે. વોલ્ટેજ (\(V_{in}\)) 4V થી 10V સુધી બદલાઈ ગયો, વાયર લંબાઈ (\(l_{0 } \)) 40 થી 100 mm સુધી બદલાઈ ગઈ, અને પૂંછડીનો કોણ (\ (\alpha \)) \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\) થી બદલાઈ ગયો.
આકૃતિ 6a માં પીક ડ્રાઇવ ફોર્સ ડિઝાઇન આવશ્યકતાઓ સાથે દરેક પરિમાણ માટે વિવિધ સહસંબંધ ગુણાંકનો ટોર્નેડો પ્લોટ બતાવવામાં આવ્યો છે. આકૃતિ 6a માંથી જોઈ શકાય છે કે વોલ્ટેજ પરિમાણ (\(V_{in}\)) સીધો મહત્તમ આઉટપુટ બળ સાથે સંબંધિત છે, અને કન્વેક્ટિવ હીટ ટ્રાન્સફર ગુણાંક (\(h_T\)), જ્યોત કોણ (\ ( \alpha\)), ડિસ્પ્લેસમેન્ટ સ્પ્રિંગ કોન્સ્ટન્ટ (\(K_x\)) આઉટપુટ બળ અને SMA વાયરની પ્રારંભિક લંબાઈ (\(l_0\)) સાથે નકારાત્મક રીતે સંબંધિત છે, અને યુનિમોડલ શાખાઓની સંખ્યા (n) એક મજબૂત વ્યસ્ત સહસંબંધ દર્શાવે છે. સીધા સહસંબંધના કિસ્સામાં વોલ્ટેજ સહસંબંધ ગુણાંક (\(V_ {in}\)) ના ઊંચા મૂલ્યના કિસ્સામાં સૂચવે છે કે આ પરિમાણ પાવર આઉટપુટ પર સૌથી વધુ અસર કરે છે. આકૃતિ 6b, c માં બતાવ્યા પ્રમાણે, બે ગણતરીત્મક જગ્યાઓના વિવિધ સંયોજનોમાં વિવિધ પરિમાણોના પ્રભાવનું મૂલ્યાંકન કરીને ટોચ બળ માપવામાં આવે છે. \(V_{in}\) અને \(l_0\), \(\alpha\) અને \(l_0\) સમાન પેટર્ન ધરાવે છે, અને ગ્રાફ દર્શાવે છે કે \(V_{in}\) અને \(\alpha\ ) અને \(\alpha\) સમાન પેટર્ન ધરાવે છે. \(l_0\) ના નાના મૂલ્યો ઉચ્ચ શિખર બળમાં પરિણમે છે. અન્ય બે પ્લોટ આકૃતિ 6a સાથે સુસંગત છે, જ્યાં n અને \(K_x\) નકારાત્મક રીતે સહસંબંધિત છે અને \(V_{in}\) હકારાત્મક રીતે સહસંબંધિત છે. આ વિશ્લેષણ ડ્રાઇવ સિસ્ટમના આઉટપુટ બળ, સ્ટ્રોક અને કાર્યક્ષમતાને જરૂરિયાતો અને એપ્લિકેશન અનુસાર અનુકૂલિત કરી શકાય તેવા પ્રભાવક પરિમાણોને વ્યાખ્યાયિત અને સમાયોજિત કરવામાં મદદ કરે છે.
વર્તમાન સંશોધન કાર્ય N સ્તરો સાથે શ્રેણીબદ્ધ ડ્રાઇવ્સનો પરિચય અને તપાસ કરે છે. આકૃતિ 7a માં બતાવ્યા પ્રમાણે, બે-સ્તરના શ્રેણીબદ્ધમાં, જ્યાં પ્રથમ સ્તરના એક્ટ્યુએટરના દરેક SMA વાયરને બદલે, એક બાયમોડલ ગોઠવણી પ્રાપ્ત થાય છે, જેમ કે આકૃતિ 9e માં બતાવ્યા પ્રમાણે. આકૃતિ 7c માં બતાવે છે કે SMA વાયર કેવી રીતે એક ગતિશીલ હાથ (સહાયક હાથ) ની આસપાસ ઘા કરવામાં આવે છે જે ફક્ત રેખાંશ દિશામાં જ ફરે છે. જો કે, પ્રાથમિક ગતિશીલ હાથ 1લા તબક્કાના મલ્ટી-સ્ટેજ એક્ટ્યુએટરના ગતિશીલ હાથની જેમ જ આગળ વધવાનું ચાલુ રાખે છે. સામાન્ય રીતે, \(N-1\) તબક્કાના SMA વાયરને પ્રથમ તબક્કાના ડ્રાઇવથી બદલીને N-સ્ટેજ ડ્રાઇવ બનાવવામાં આવે છે. પરિણામે, દરેક શાખા પ્રથમ તબક્કાના ડ્રાઇવનું અનુકરણ કરે છે, તે શાખા સિવાય જે વાયરને જ પકડી રાખે છે. આ રીતે, નેસ્ટેડ સ્ટ્રક્ચર્સ બનાવી શકાય છે જે પ્રાથમિક ડ્રાઇવ્સના બળો કરતા અનેક ગણા વધારે બળો બનાવે છે. આ અભ્યાસમાં, દરેક સ્તર માટે, 1 મીટરની કુલ અસરકારક SMA વાયર લંબાઈ ધ્યાનમાં લેવામાં આવી હતી, જેમ કે આકૃતિ 7d માં કોષ્ટક ફોર્મેટમાં બતાવ્યા પ્રમાણે. દરેક યુનિમોડલ ડિઝાઇનમાં દરેક વાયર દ્વારા વહેતો પ્રવાહ અને દરેક SMA વાયર સેગમેન્ટમાં પરિણામી પ્રીસ્ટ્રેસ અને વોલ્ટેજ દરેક સ્તરે સમાન હોય છે. અમારા વિશ્લેષણાત્મક મોડેલ મુજબ, આઉટપુટ ફોર્સ સ્તર સાથે હકારાત્મક રીતે સંકળાયેલ છે, જ્યારે ડિસ્પ્લેસમેન્ટ નકારાત્મક રીતે સંકળાયેલ છે. તે જ સમયે, ડિસ્પ્લેસમેન્ટ અને સ્નાયુ મજબૂતાઈ વચ્ચે ટ્રેડ-ઓફ હતો. જેમ કે આકૃતિ 7b માં જોવા મળે છે, જ્યારે મહત્તમ બળ સૌથી વધુ સંખ્યામાં સ્તરોમાં પ્રાપ્ત થાય છે, ત્યારે સૌથી મોટું ડિસ્પ્લેસમેન્ટ સૌથી નીચલા સ્તરમાં જોવા મળે છે. જ્યારે વંશવેલો સ્તર \(N=5\) પર સેટ કરવામાં આવ્યો હતો, ત્યારે 2 અવલોકન કરાયેલ સ્ટ્રોક \(\upmu\)m સાથે 2.58 kN નું ટોચનું સ્નાયુ બળ જોવા મળ્યું. બીજી બાજુ, પ્રથમ તબક્કાની ડ્રાઇવ 277 \(\upmu\)m ના સ્ટ્રોક પર 150 N નું બળ ઉત્પન્ન કરે છે. મલ્ટી-લેવલ એક્ટ્યુએટર્સ વાસ્તવિક જૈવિક સ્નાયુઓની નકલ કરવામાં સક્ષમ છે, જ્યાં આકાર મેમરી એલોય પર આધારિત કૃત્રિમ સ્નાયુઓ ચોક્કસ અને ઝીણી હિલચાલ સાથે નોંધપાત્ર રીતે ઉચ્ચ બળ ઉત્પન્ન કરવામાં સક્ષમ છે. આ લઘુચિત્ર ડિઝાઇનની મર્યાદાઓ એ છે કે જેમ જેમ વંશવેલો વધે છે તેમ તેમ ગતિવિધિ ઘણી ઓછી થાય છે અને ડ્રાઇવ ઉત્પાદન પ્રક્રિયાની જટિલતા વધે છે.
(a) બે-તબક્કા (\(N=2\)) સ્તરવાળી આકારની મેમરી એલોય રેખીય એક્ટ્યુએટર સિસ્ટમ બાયમોડલ રૂપરેખાંકનમાં બતાવવામાં આવી છે. પ્રસ્તાવિત મોડેલ પ્રથમ તબક્કાના સ્તરવાળી એક્ટ્યુએટરમાં SMA વાયરને બીજા સિંગલ સ્ટેજ સ્તરવાળી એક્ટ્યુએટર સાથે બદલીને પ્રાપ્ત થાય છે. (c) બીજા તબક્કાના મલ્ટિલેયર એક્ટ્યુએટરનું વિકૃત રૂપરેખાંકન. (b) સ્તરોની સંખ્યાના આધારે બળો અને વિસ્થાપનોનું વિતરણ વર્ણવવામાં આવ્યું છે. એવું જાણવા મળ્યું છે કે એક્ટ્યુએટરનું પીક ફોર્સ ગ્રાફ પર સ્કેલ લેવલ સાથે હકારાત્મક રીતે સંકળાયેલું છે, જ્યારે સ્ટ્રોક સ્કેલ લેવલ સાથે નકારાત્મક રીતે સંકળાયેલું છે. દરેક વાયરમાં વર્તમાન અને પ્રી-વોલ્ટેજ બધા સ્તરે સ્થિર રહે છે. (d) કોષ્ટક દરેક સ્તરે ટેપ્સની સંખ્યા અને SMA વાયર (ફાઇબર) ની લંબાઈ દર્શાવે છે. વાયરની લાક્ષણિકતાઓ ઇન્ડેક્સ 1 દ્વારા સૂચવવામાં આવી છે, અને ગૌણ શાખાઓની સંખ્યા (પ્રાથમિક પગ સાથે જોડાયેલ) સબસ્ક્રિપ્ટમાં સૌથી મોટી સંખ્યા દ્વારા સૂચવવામાં આવી છે. ઉદાહરણ તરીકે, સ્તર 5 પર, \(n_1\) દરેક બાયમોડલ માળખામાં હાજર SMA વાયરની સંખ્યાનો ઉલ્લેખ કરે છે, અને \(n_5\) સહાયક પગની સંખ્યા (મુખ્ય પગ સાથે જોડાયેલ એક) નો ઉલ્લેખ કરે છે.
ઘણા સંશોધકો દ્વારા આકાર મેમરી સાથે SMA ના વર્તનનું મોડેલિંગ કરવા માટે વિવિધ પદ્ધતિઓ પ્રસ્તાવિત કરવામાં આવી છે, જે તબક્કા સંક્રમણ સાથે સંકળાયેલા સ્ફટિક માળખામાં મેક્રોસ્કોપિક ફેરફારો સાથે થર્મોમિકેનિકલ ગુણધર્મો પર આધાર રાખે છે. રચનાત્મક પદ્ધતિઓનું નિર્માણ સ્વાભાવિક રીતે જટિલ છે. સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતું અસાધારણ મોડેલ Tanaka28 દ્વારા પ્રસ્તાવિત છે અને એન્જિનિયરિંગ એપ્લિકેશન્સમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે. Tanaka [28] દ્વારા પ્રસ્તાવિત અસાધારણ મોડેલ ધારે છે કે માર્ટેન્સાઇટનો વોલ્યુમ અપૂર્ણાંક તાપમાન અને તાણનું ઘાતાંકીય કાર્ય છે. પાછળથી, લિયાંગ અને રોજર્સ29 અને બ્રિન્સન30 એ એક મોડેલ પ્રસ્તાવિત કર્યું જેમાં તબક્કા સંક્રમણ ગતિશીલતાને વોલ્ટેજ અને તાપમાનનું કોસાઇન કાર્ય માનવામાં આવ્યું હતું, મોડેલમાં થોડો ફેરફાર સાથે. બેકર અને બ્રિન્સને મનસ્વી લોડિંગ પરિસ્થિતિઓ તેમજ આંશિક સંક્રમણો હેઠળ SMA સામગ્રીના વર્તનનું મોડેલિંગ કરવા માટે તબક્કા આકૃતિ આધારિત ગતિ મોડેલનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો. બેનરજી32 એલાહિનિયા અને અહમદિયન33 દ્વારા વિકસિત એક ડિગ્રી સ્વતંત્રતા મેનિપ્યુલેટરનું અનુકરણ કરવા માટે બેકર અને બ્રિન્સન31 તબક્કા આકૃતિ ગતિશીલતા પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરે છે. ફેઝ ડાયાગ્રામ પર આધારિત ગતિ પદ્ધતિઓ, જે તાપમાન સાથે વોલ્ટેજમાં બિન-મોનોટોનિક ફેરફારને ધ્યાનમાં લે છે, તે એન્જિનિયરિંગ એપ્લિકેશનોમાં અમલમાં મૂકવી મુશ્કેલ છે. એલાખિનિયા અને અહમદિયન હાલના અસાધારણ મોડેલોની આ ખામીઓ તરફ ધ્યાન દોરે છે અને કોઈપણ જટિલ લોડિંગ પરિસ્થિતિઓ હેઠળ આકાર મેમરી વર્તણૂકનું વિશ્લેષણ અને વ્યાખ્યાયિત કરવા માટે વિસ્તૃત અસાધારણ મોડેલનો પ્રસ્તાવ મૂકે છે.
SMA વાયરનું માળખાકીય મોડેલ SMA વાયરના તણાવ (\(\સિગ્મા\)), તાણ (\(\એપ્સીલોન\)), તાપમાન (T), અને માર્ટેન્સાઇટ વોલ્યુમ અપૂર્ણાંક (\(\xi\)) આપે છે. અસાધારણ રચનાત્મક મોડેલ સૌપ્રથમ Tanaka28 દ્વારા પ્રસ્તાવિત કરવામાં આવ્યું હતું અને બાદમાં Liang29 અને Brinson30 દ્વારા અપનાવવામાં આવ્યું હતું. સમીકરણનું વ્યુત્પન્ન આ સ્વરૂપ ધરાવે છે:
જ્યાં E એ \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) અને \(E_A\) અને \(E_M\) નો ઉપયોગ કરીને મેળવેલ તબક્કા આધારિત SMA યંગનું મોડ્યુલસ છે જે યંગના મોડ્યુલસનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે તે અનુક્રમે ઓસ્ટેનિટિક અને માર્ટેન્સિટિક તબક્કાઓ છે, અને થર્મલ વિસ્તરણનો ગુણાંક \(\theta _T\) દ્વારા દર્શાવવામાં આવે છે. તબક્કા સંક્રમણ યોગદાન પરિબળ \(\Omega = -E \epsilon _L\) છે અને \(\epsilon _L\) એ SMA વાયરમાં મહત્તમ પુનઃપ્રાપ્ત કરી શકાય તેવું તાણ છે.
ફેઝ ડાયનેમિક્સ સમીકરણ લિયાંગ29 દ્વારા વિકસિત અને બાદમાં બ્રિન્સન30 દ્વારા અપનાવવામાં આવેલા કોસાઇન ફંક્શન સાથે સુસંગત છે, જે તનાકા28 દ્વારા પ્રસ્તાવિત ઘાતાંકીય ફંક્શનને બદલે છે. ફેઝ ટ્રાન્ઝિશન મોડેલ એલાખિનિયા અને અહમદિયન34 દ્વારા પ્રસ્તાવિત મોડેલનું વિસ્તરણ છે અને લિયાંગ29 અને બ્રિન્સન30 દ્વારા આપવામાં આવેલી ફેઝ ટ્રાન્ઝિશન શરતોના આધારે સંશોધિત કરવામાં આવ્યું છે. આ ફેઝ ટ્રાન્ઝિશન મોડેલ માટે ઉપયોગમાં લેવાતી શરતો જટિલ થર્મોમિકેનિકલ લોડ હેઠળ માન્ય છે. સમયના દરેક ક્ષણે, રચનાત્મક સમીકરણનું મોડેલિંગ કરતી વખતે માર્ટેન્સાઇટના વોલ્યુમ અપૂર્ણાંકનું મૂલ્ય ગણવામાં આવે છે.
ગરમીની સ્થિતિમાં માર્ટેનાઇટના ઓસ્ટેનાઇટમાં રૂપાંતર દ્વારા વ્યક્ત કરાયેલ નિયમનકારી પુનર્પરિવર્તન સમીકરણ નીચે મુજબ છે:
જ્યાં \(\xi\) એ માર્ટેન્સાઇટનો વોલ્યુમ અપૂર્ણાંક છે, \(\xi _M\) એ ગરમ કરતા પહેલા મેળવેલ માર્ટેન્સાઇટનો વોલ્યુમ અપૂર્ણાંક છે, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) અને \(C_A\) – વળાંક અંદાજ પરિમાણો, T – SMA વાયર તાપમાન, \(A_s\) અને \(A_f\) – ઓસ્ટેનાઇટ તબક્કાની શરૂઆત અને અંત, અનુક્રમે, તાપમાન.
ઠંડકની સ્થિતિમાં ઓસ્ટેનાઇટના માર્ટેનાઇટમાં તબક્કાવાર રૂપાંતર દ્વારા રજૂ કરાયેલ પ્રત્યક્ષ રૂપાંતર નિયંત્રણ સમીકરણ છે:
જ્યાં \(\xi _A\) એ ઠંડુ થતાં પહેલાં મેળવેલા માર્ટેન્સાઇટનો વોલ્યુમ અપૂર્ણાંક છે, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) અને \( C_M \) – કર્વ ફિટિંગ પરિમાણો, T – SMA વાયર તાપમાન, \(M_s\) અને \(M_f\) – અનુક્રમે પ્રારંભિક અને અંતિમ માર્ટેન્સાઇટ તાપમાન.
સમીકરણો (3) અને (4) ને અલગ કર્યા પછી, વ્યસ્ત અને પ્રત્યક્ષ રૂપાંતર સમીકરણોને નીચેના સ્વરૂપમાં સરળ બનાવવામાં આવે છે:
આગળ અને પાછળ રૂપાંતર દરમિયાન \(\eta _{\sigma}\) અને \(\eta _{T}\) અલગ અલગ મૂલ્યો લે છે. \(\eta _{\sigma}\) અને \(\eta _{T}\) સાથે સંકળાયેલા મૂળભૂત સમીકરણો મેળવવામાં આવ્યા છે અને વધારાના વિભાગમાં વિગતવાર ચર્ચા કરવામાં આવી છે.
SMA વાયરનું તાપમાન વધારવા માટે જરૂરી ઉષ્મા ઊર્જા જૌલ હીટિંગ અસરમાંથી આવે છે. SMA વાયર દ્વારા શોષાયેલી અથવા મુક્ત થતી ઉષ્મા ઊર્જા રૂપાંતરની સુષુપ્ત ગરમી દ્વારા દર્શાવવામાં આવે છે. SMA વાયરમાં ગરમીનું નુકસાન બળજબરીથી સંવહનને કારણે થાય છે, અને કિરણોત્સર્ગની નગણ્ય અસરને ધ્યાનમાં રાખીને, ઉષ્મા ઊર્જા સંતુલન સમીકરણ નીચે મુજબ છે:
જ્યાં \(m_{wire}\) એ SMA વાયરનો કુલ દળ છે, \(c_{p}\) એ SMA ની ચોક્કસ ગરમી ક્ષમતા છે, \(V_{in}\) એ વાયર પર લાગુ વોલ્ટેજ છે, \(R_{ohm} \ ) - તબક્કા-આધારિત પ્રતિકાર SMA, જે વ્યાખ્યાયિત થયેલ છે; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) જ્યાં \(r_M\ ) અને \(r_A\) અનુક્રમે માર્ટેન્સાઇટ અને ઓસ્ટેનાઇટમાં SMA તબક્કા પ્રતિકારકતા છે, \(A_{c}\) એ SMA વાયરનો સપાટી વિસ્તાર છે, \(\ડેલ્ટા H \) એક આકાર મેમરી એલોય છે. વાયર, T અને \(T_{\infty}\) ના સંક્રમણની સુષુપ્ત ગરમી અનુક્રમે SMA વાયર અને પર્યાવરણનું તાપમાન છે.
જ્યારે આકાર મેમરી એલોય વાયરને સક્રિય કરવામાં આવે છે, ત્યારે વાયર સંકુચિત થાય છે, જેનાથી બાયમોડલ ડિઝાઇનની દરેક શાખામાં ફાઇબર ફોર્સ નામનું બળ બને છે. SMA વાયરના દરેક સ્ટ્રાન્ડમાં રહેલા તંતુઓના બળો મળીને સક્રિય થવા માટે સ્નાયુ બળ બનાવે છે, જેમ કે આકૃતિ 9e માં બતાવ્યા પ્રમાણે. બાયસિંગ સ્પ્રિંગની હાજરીને કારણે, Nth મલ્ટિલેયર એક્ટ્યુએટરનું કુલ સ્નાયુ બળ છે:
\(N = 1\) ને સમીકરણ (7) માં બદલીને, પ્રથમ તબક્કાના બાયમોડલ ડ્રાઇવ પ્રોટોટાઇપની સ્નાયુ મજબૂતાઈ નીચે મુજબ મેળવી શકાય છે:
જ્યાં n એ યુનિમોડલ લેગ્સની સંખ્યા છે, \(F_m\) એ ડ્રાઇવ દ્વારા ઉત્પન્ન થયેલ સ્નાયુ બળ છે, \(F_f\) એ SMA વાયરમાં ફાઇબર તાકાત છે, \(K_x\) એ બાયસ સ્ટિફનેસ છે. સ્પ્રિંગ, \(\alpha\) એ ત્રિકોણનો કોણ છે, \(x_0\) એ SMA કેબલને પૂર્વ-તણાવવાળી સ્થિતિમાં રાખવા માટે બાયસ સ્પ્રિંગનો પ્રારંભિક ઓફસેટ છે, અને \(\Delta x\) એ એક્ટ્યુએટર ટ્રાવેલ છે.
Nth સ્ટેજના SMA વાયર પર વોલ્ટેજ (\(\sigma\)) અને સ્ટ્રેન (\(\epsilon\)) પર આધાર રાખીને ડ્રાઇવ (\(\Delta x\)) નું કુલ વિસ્થાપન અથવા ગતિ, ડ્રાઇવ સેટ કરેલી છે (આઉટપુટનો આકૃતિનો વધારાનો ભાગ જુઓ):
ગતિશીલ સમીકરણો ડ્રાઇવ વિકૃતિ (\(\epsilon\)) અને વિસ્થાપન અથવા વિસ્થાપન (\(\Delta x\)) વચ્ચેનો સંબંધ આપે છે. એક યુનિમોડલ શાખામાં કોઈપણ સમયે t પર પ્રારંભિક Arb વાયર લંબાઈ (\(l_0\)) અને વાયર લંબાઈ (l) ના કાર્ય તરીકે Arb વાયરનું વિકૃતિ નીચે મુજબ છે:
જ્યાં \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) \(\Delta\)ABB ' માં કોસાઇન સૂત્ર લાગુ કરીને મેળવવામાં આવે છે, જેમ કે આકૃતિ 8 માં બતાવ્યા પ્રમાણે. પ્રથમ તબક્કાની ડ્રાઇવ (\(N = 1\) માટે, \(\Delta x_1\) \(\Delta x\) છે, અને \(\alpha _1\) \(\alpha \) છે જેમ કે આકૃતિ 8 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, સમીકરણ (11) થી સમયને અલગ કરીને અને l ના મૂલ્યને બદલીને, તાણ દર આ રીતે લખી શકાય છે:
જ્યાં \(l_0\) એ SMA વાયરની પ્રારંભિક લંબાઈ છે, l એ એક યુનિમોડલ શાખામાં કોઈપણ સમયે t પર વાયરની લંબાઈ છે, \(\epsilon\) એ SMA વાયરમાં વિકસિત વિકૃતિ છે, અને \(\alpha \) એ ત્રિકોણનો કોણ છે, \(\Delta x\) એ ડ્રાઇવ ઓફસેટ છે (આકૃતિ 8 માં બતાવ્યા પ્રમાણે).
આ આકૃતિમાં બધા n સિંગલ-પીક સ્ટ્રક્ચર્સ (\(n=6\)) ઇનપુટ વોલ્ટેજ તરીકે \(V_{in}\) સાથે શ્રેણીમાં જોડાયેલા છે. સ્ટેજ I: શૂન્ય વોલ્ટેજ પરિસ્થિતિઓ હેઠળ બાયમોડલ રૂપરેખાંકનમાં SMA વાયરનું સ્કીમેટિક ડાયાગ્રામ સ્ટેજ II: એક નિયંત્રિત માળખું બતાવવામાં આવ્યું છે જ્યાં SMA વાયર વ્યસ્ત રૂપાંતરણને કારણે સંકુચિત થાય છે, જેમ કે લાલ રેખા દ્વારા દર્શાવવામાં આવ્યું છે.
ખ્યાલના પુરાવા તરીકે, પ્રાયોગિક પરિણામો સાથે અંતર્ગત સમીકરણોના સિમ્યુલેટેડ વ્યુત્પત્તિનું પરીક્ષણ કરવા માટે SMA-આધારિત બાયમોડલ ડ્રાઇવ વિકસાવવામાં આવી હતી. બાયમોડલ રેખીય એક્ટ્યુએટરનું CAD મોડેલ આકૃતિ 9a માં બતાવવામાં આવ્યું છે. બીજી બાજુ, આકૃતિ 9c માં બાયમોડલ સ્ટ્રક્ચર સાથે બે-પ્લેન SMA-આધારિત એક્ટ્યુએટરનો ઉપયોગ કરીને રોટેશનલ પ્રિઝમેટિક કનેક્શન માટે પ્રસ્તાવિત નવી ડિઝાઇન બતાવવામાં આવી છે. ડ્રાઇવ ઘટકો અલ્ટીમેકર 3 એક્સટેન્ડેડ 3D પ્રિન્ટર પર એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગનો ઉપયોગ કરીને બનાવવામાં આવ્યા હતા. ઘટકોના 3D પ્રિન્ટિંગ માટે વપરાતી સામગ્રી પોલીકાર્બોનેટ છે જે ગરમી પ્રતિરોધક સામગ્રી માટે યોગ્ય છે કારણ કે તે મજબૂત, ટકાઉ છે અને ઉચ્ચ કાચ સંક્રમણ તાપમાન (110-113 \(^{\circ }\) C) ધરાવે છે. વધુમાં, ડાયનાલોય, ઇન્ક. ફ્લેક્સિનોલ આકાર મેમરી એલોય વાયરનો ઉપયોગ પ્રયોગોમાં કરવામાં આવ્યો હતો, અને ફ્લેક્સિનોલ વાયરને અનુરૂપ સામગ્રી ગુણધર્મોનો ઉપયોગ સિમ્યુલેશનમાં કરવામાં આવ્યો હતો. આકૃતિ 9b, d માં બતાવ્યા પ્રમાણે, મલ્ટિલેયર એક્ટ્યુએટર્સ દ્વારા ઉત્પાદિત ઉચ્ચ બળ મેળવવા માટે, સ્નાયુઓની બાયમોડલ ગોઠવણીમાં હાજર ફાઇબર તરીકે બહુવિધ SMA વાયર ગોઠવાયેલા છે.
આકૃતિ 9a માં બતાવ્યા પ્રમાણે, ગતિશીલ હાથ SMA વાયર દ્વારા રચાયેલ તીવ્ર કોણને કોણ (\(\alpha\)) કહેવામાં આવે છે. ડાબા અને જમણા ક્લેમ્પ્સ સાથે જોડાયેલા ટર્મિનલ ક્લેમ્પ્સ સાથે, SMA વાયર ઇચ્છિત બાયમોડલ કોણ પર રાખવામાં આવે છે. સ્પ્રિંગ કનેક્ટર પર રાખવામાં આવેલ બાયસ સ્પ્રિંગ ડિવાઇસ SMA ફાઇબરની સંખ્યા (n) અનુસાર વિવિધ બાયસ સ્પ્રિંગ એક્સટેન્શન જૂથોને સમાયોજિત કરવા માટે ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યું છે. વધુમાં, ગતિશીલ ભાગોનું સ્થાન એવી રીતે ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યું છે કે SMA વાયર ફરજિયાત સંવહન ઠંડક માટે બાહ્ય વાતાવરણના સંપર્કમાં આવે. ડિટેચેબલ એસેમ્બલીની ટોચ અને નીચેની પ્લેટો વજન ઘટાડવા માટે રચાયેલ એક્સટ્રુડેડ કટઆઉટ્સ સાથે SMA વાયરને ઠંડુ રાખવામાં મદદ કરે છે. વધુમાં, CMA વાયરના બંને છેડા અનુક્રમે ડાબા અને જમણા ટર્મિનલ્સ પર ક્રિમ દ્વારા નિશ્ચિત કરવામાં આવે છે. ટોચ અને નીચેની પ્લેટો વચ્ચે ક્લિયરન્સ જાળવવા માટે ગતિશીલ એસેમ્બલીના એક છેડા સાથે પ્લંગર જોડાયેલ છે. જ્યારે SMA વાયર સક્રિય થાય છે ત્યારે અવરોધક બળ માપવા માટે સંપર્ક દ્વારા સેન્સર પર અવરોધક બળ લાગુ કરવા માટે પણ પ્લંગરનો ઉપયોગ થાય છે.
બાયમોડલ સ્નાયુ માળખું SMA શ્રેણીમાં ઇલેક્ટ્રિકલી જોડાયેલ છે અને ઇનપુટ પલ્સ વોલ્ટેજ દ્વારા સંચાલિત છે. વોલ્ટેજ પલ્સ ચક્ર દરમિયાન, જ્યારે વોલ્ટેજ લાગુ કરવામાં આવે છે અને SMA વાયરને ઓસ્ટેનાઇટના પ્રારંભિક તાપમાનથી ઉપર ગરમ કરવામાં આવે છે, ત્યારે દરેક સ્ટ્રાન્ડમાં વાયરની લંબાઈ ટૂંકી થાય છે. આ રીટ્રેક્શન મૂવેબલ આર્મ સબએસેમ્બલીને સક્રિય કરે છે. જ્યારે તે જ ચક્રમાં વોલ્ટેજ શૂન્ય કરવામાં આવ્યું હતું, ત્યારે ગરમ SMA વાયર માર્ટેન્સાઇટ સપાટીના તાપમાનથી નીચે ઠંડુ કરવામાં આવ્યું હતું, જેનાથી તે તેની મૂળ સ્થિતિ પર પાછો ફર્યો હતો. શૂન્ય તાણની સ્થિતિમાં, SMA વાયરને પ્રથમ નિષ્ક્રિય રીતે બાયસ સ્પ્રિંગ દ્વારા ખેંચવામાં આવે છે જેથી ડિટવિન્ડ માર્ટેન્સિટિક સ્થિતિ સુધી પહોંચે. સ્ક્રુ, જેના દ્વારા SMA વાયર પસાર થાય છે, SMA વાયર પર વોલ્ટેજ પલ્સ લાગુ કરીને બનાવેલા કમ્પ્રેશનને કારણે ખસે છે (SPA ઓસ્ટેનાઇટ તબક્કા સુધી પહોંચે છે), જે મૂવેબલ લિવરના સક્રિયકરણ તરફ દોરી જાય છે. જ્યારે SMA વાયર પાછો ખેંચાય છે, ત્યારે બાયસ સ્પ્રિંગ સ્પ્રિંગને વધુ ખેંચીને એક વિરોધી બળ બનાવે છે. જ્યારે ઇમ્પલ્સ વોલ્ટેજમાં તણાવ શૂન્ય થઈ જાય છે, ત્યારે SMA વાયર લાંબો થાય છે અને બળજબરીથી સંવહન ઠંડકને કારણે તેનો આકાર બદલે છે, જે ડબલ માર્ટેન્સિટિક તબક્કામાં પહોંચે છે.
પ્રસ્તાવિત SMA-આધારિત રેખીય એક્ટ્યુએટર સિસ્ટમમાં બાયમોડલ રૂપરેખાંકન છે જેમાં SMA વાયર કોણીય છે. (a) પ્રોટોટાઇપના CAD મોડેલનું ચિત્રણ કરે છે, જે પ્રોટોટાઇપ માટેના કેટલાક ઘટકો અને તેમના અર્થોનો ઉલ્લેખ કરે છે, (b, d) વિકસિત પ્રાયોગિક પ્રોટોટાઇપનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે35. જ્યારે (b) ઇલેક્ટ્રિકલ કનેક્શન્સ અને બાયસ સ્પ્રિંગ્સ અને સ્ટ્રેન ગેજનો ઉપયોગ કરીને પ્રોટોટાઇપનો ટોચનો દૃશ્ય દર્શાવે છે, (d) સેટઅપનો પરિપ્રેક્ષ્ય દૃશ્ય દર્શાવે છે. (e) કોઈપણ સમયે t પર બાયમોડલી મૂકવામાં આવેલા SMA વાયર સાથે રેખીય એક્ટ્યુએશન સિસ્ટમનો આકૃતિ, ફાઇબર અને સ્નાયુ મજબૂતાઈની દિશા અને કોર્સ દર્શાવે છે. (c) બે-પ્લેન SMA-આધારિત એક્ટ્યુએટરને જમાવવા માટે 2-DOF રોટેશનલ પ્રિઝમેટિક કનેક્શનનો પ્રસ્તાવ મૂકવામાં આવ્યો છે. બતાવ્યા પ્રમાણે, લિંક નીચેની ડ્રાઇવથી ઉપરના હાથ સુધી રેખીય ગતિ ટ્રાન્સમિટ કરે છે, રોટેશનલ કનેક્શન બનાવે છે. બીજી બાજુ, પ્રિઝમની જોડીની હિલચાલ મલ્ટિલેયર ફર્સ્ટ સ્ટેજ ડ્રાઇવની હિલચાલ જેવી જ છે.
SMA પર આધારિત બાયમોડલ ડ્રાઇવના પ્રદર્શનનું મૂલ્યાંકન કરવા માટે આકૃતિ 9b માં બતાવેલ પ્રોટોટાઇપ પર એક પ્રાયોગિક અભ્યાસ હાથ ધરવામાં આવ્યો હતો. આકૃતિ 10a માં બતાવ્યા પ્રમાણે, પ્રાયોગિક સેટઅપમાં SMA વાયરને ઇનપુટ વોલ્ટેજ સપ્લાય કરવા માટે પ્રોગ્રામેબલ DC પાવર સપ્લાયનો સમાવેશ થતો હતો. આકૃતિ 10b માં બતાવ્યા પ્રમાણે, ગ્રાફટેક GL-2000 ડેટા લોગરનો ઉપયોગ કરીને બ્લોકિંગ ફોર્સ માપવા માટે પીઝોઇલેક્ટ્રિક સ્ટ્રેન ગેજ (PACEline CFT/5kN) નો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. વધુ અભ્યાસ માટે હોસ્ટ દ્વારા ડેટા રેકોર્ડ કરવામાં આવે છે. વોલ્ટેજ સિગ્નલ ઉત્પન્ન કરવા માટે સ્ટ્રેન ગેજ અને ચાર્જ એમ્પ્લીફાયર્સને સતત પાવર સપ્લાયની જરૂર પડે છે. કોષ્ટક 2 માં વર્ણવ્યા મુજબ પીઝોઇલેક્ટ્રિક ફોર્સ સેન્સર અને અન્ય પરિમાણોની સંવેદનશીલતા અનુસાર અનુરૂપ સિગ્નલો પાવર આઉટપુટમાં રૂપાંતરિત થાય છે. જ્યારે વોલ્ટેજ પલ્સ લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે SMA વાયરનું તાપમાન વધે છે, જેના કારણે SMA વાયર સંકુચિત થાય છે, જેના કારણે એક્ટ્યુએટર બળ ઉત્પન્ન કરે છે. 7 V ના ઇનપુટ વોલ્ટેજ પલ્સ દ્વારા સ્નાયુ મજબૂતાઈના આઉટપુટના પ્રાયોગિક પરિણામો આકૃતિ 2a માં બતાવવામાં આવ્યા છે.
(a) પ્રયોગમાં એક્ટ્યુએટર દ્વારા ઉત્પન્ન થતા બળને માપવા માટે SMA-આધારિત રેખીય એક્ટ્યુએટર સિસ્ટમ સેટ કરવામાં આવી હતી. લોડ સેલ બ્લોકિંગ બળને માપે છે અને 24 V DC પાવર સપ્લાય દ્વારા સંચાલિત થાય છે. GW Instek પ્રોગ્રામેબલ DC પાવર સપ્લાયનો ઉપયોગ કરીને કેબલની સમગ્ર લંબાઈ સાથે 7 V વોલ્ટેજ ડ્રોપ લાગુ કરવામાં આવ્યો હતો. ગરમીને કારણે SMA વાયર સંકોચાય છે, અને ગતિશીલ હાથ લોડ સેલનો સંપર્ક કરે છે અને બ્લોકિંગ બળનો ઉપયોગ કરે છે. લોડ સેલ GL-2000 ડેટા લોગર સાથે જોડાયેલ છે અને ડેટા વધુ પ્રક્રિયા માટે હોસ્ટ પર સંગ્રહિત થાય છે. (b) સ્નાયુ શક્તિ માપવા માટે પ્રાયોગિક સેટઅપના ઘટકોની સાંકળ દર્શાવતો આકૃતિ.
આકાર મેમરી એલોય થર્મલ ઉર્જા દ્વારા ઉત્તેજિત થાય છે, તેથી તાપમાન આકાર મેમરી ઘટનાનો અભ્યાસ કરવા માટે એક મહત્વપૂર્ણ પરિમાણ બની જાય છે. પ્રાયોગિક રીતે, આકૃતિ 11a માં બતાવ્યા પ્રમાણે, પ્રોટોટાઇપ SMA-આધારિત ડિવેલરેટ એક્ટ્યુએટર પર થર્મલ ઇમેજિંગ અને તાપમાન માપન કરવામાં આવ્યું હતું. આકૃતિ 11b માં બતાવ્યા પ્રમાણે, એક પ્રોગ્રામેબલ DC સ્ત્રોતે પ્રાયોગિક સેટઅપમાં SMA વાયર પર ઇનપુટ વોલ્ટેજ લાગુ કર્યો. SMA વાયરના તાપમાનમાં ફેરફારને ઉચ્ચ રિઝોલ્યુશન LWIR કેમેરા (FLIR A655sc) નો ઉપયોગ કરીને વાસ્તવિક સમયમાં માપવામાં આવ્યો હતો. હોસ્ટ વધુ પોસ્ટ-પ્રોસેસિંગ માટે ડેટા રેકોર્ડ કરવા માટે ResearchIR સોફ્ટવેરનો ઉપયોગ કરે છે. જ્યારે વોલ્ટેજ પલ્સ લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે SMA વાયરનું તાપમાન વધે છે, જેના કારણે SMA વાયર સંકોચાય છે. આકૃતિ 2b માં 7V ઇનપુટ વોલ્ટેજ પલ્સ માટે સમય વિરુદ્ધ SMA વાયર તાપમાનના પ્રાયોગિક પરિણામો દર્શાવે છે.
પોસ્ટ સમય: સપ્ટેમ્બર-૨૮-૨૦૨૨
