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एक्चुएटर्स का उपयोग हर जगह किया जाता है और विनिर्माण और औद्योगिक स्वचालन में विभिन्न कार्यों को करने के लिए सही उत्तेजना बल या टॉर्क को लागू करके नियंत्रित गति बनाते हैं।तेज़, छोटी और अधिक कुशल ड्राइव की आवश्यकता ड्राइव डिज़ाइन में नवीनता ला रही है।शेप मेमोरी अलॉय (एसएमए) ड्राइव पारंपरिक ड्राइव की तुलना में कई फायदे प्रदान करते हैं, जिसमें उच्च पावर-टू-वेट अनुपात भी शामिल है।इस शोध प्रबंध में, एक दो पंखों वाला एसएमए-आधारित एक्चुएटर विकसित किया गया था जो जैविक प्रणालियों की पंखदार मांसपेशियों के फायदे और एसएमए के अद्वितीय गुणों को जोड़ता है।यह अध्ययन बिमोडल एसएमए तार व्यवस्था के आधार पर नए एक्चुएटर का गणितीय मॉडल विकसित करके और प्रयोगात्मक रूप से परीक्षण करके पिछले एसएमए एक्चुएटर्स की खोज और विस्तार करता है।एसएमए पर आधारित ज्ञात ड्राइव की तुलना में, नई ड्राइव का सक्रियण बल कम से कम 5 गुना अधिक (150 एन तक) है।तदनुरूप वजन घटाना लगभग 67% है।गणितीय मॉडल के संवेदनशीलता विश्लेषण के परिणाम डिज़ाइन मापदंडों को ट्यून करने और प्रमुख मापदंडों को समझने के लिए उपयोगी होते हैं।यह अध्ययन एक बहु-स्तरीय एनएच चरण ड्राइव प्रस्तुत करता है जिसका उपयोग गतिशीलता को और बढ़ाने के लिए किया जा सकता है।एसएमए-आधारित डिपवेलरेट मसल एक्चुएटर्स के पास बिल्डिंग ऑटोमेशन से लेकर सटीक दवा वितरण प्रणाली तक अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला है।
जैविक प्रणालियाँ, जैसे स्तनधारियों की मांसपेशी संरचनाएँ, कई सूक्ष्म एक्चुएटर्स1 को सक्रिय कर सकती हैं।स्तनधारियों की मांसपेशियों की संरचना अलग-अलग होती है, प्रत्येक एक विशिष्ट उद्देश्य को पूरा करती है।हालाँकि, स्तनधारी मांसपेशी ऊतक की अधिकांश संरचना को दो व्यापक श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है।समान्तर और पेन्नेट.हैमस्ट्रिंग और अन्य फ्लेक्सर्स में, जैसा कि नाम से पता चलता है, समानांतर मांसपेशियों में केंद्रीय कण्डरा के समानांतर मांसपेशी फाइबर होते हैं।मांसपेशियों के तंतुओं की श्रृंखला पंक्तिबद्ध होती है और उनके चारों ओर संयोजी ऊतक द्वारा कार्यात्मक रूप से जुड़ी होती है।हालाँकि कहा जाता है कि इन मांसपेशियों में बड़ा भ्रमण (प्रतिशत छोटा होना) होता है, लेकिन उनकी कुल मांसपेशियों की ताकत बहुत सीमित होती है।इसके विपरीत, ट्राइसेप्स पिंडली मांसपेशी2 (लेटरल गैस्ट्रोकनेमियस (जीएल)3, मेडियल गैस्ट्रोकनेमियस (जीएम)4 और सोलियस (एसओएल)) और एक्सटेंसर फेमोरिस (क्वाड्रिसेप्स)5,6 में प्रत्येक मांसपेशी7 में पेनेटेट मांसपेशी ऊतक पाया जाता है।एक पिननेट संरचना में, द्विध्रुवीय मांसलता में मांसपेशी फाइबर केंद्रीय कण्डरा के दोनों किनारों पर तिरछे कोण (पिननेट कोण) पर मौजूद होते हैं।पेनेट लैटिन शब्द "पेन्ना" से आया है, जिसका अर्थ है "कलम", और, जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है।1 का स्वरूप पंख जैसा है।पेनेट मांसपेशियों के तंतु छोटे होते हैं और मांसपेशियों के अनुदैर्ध्य अक्ष के कोण पर होते हैं।पिननेट संरचना के कारण, इन मांसपेशियों की समग्र गतिशीलता कम हो जाती है, जिससे छोटा होने की प्रक्रिया के अनुप्रस्थ और अनुदैर्ध्य घटक होते हैं।दूसरी ओर, शारीरिक क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र को मापने के तरीके के कारण इन मांसपेशियों के सक्रिय होने से समग्र मांसपेशियों की ताकत अधिक हो जाती है।इसलिए, किसी दिए गए क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र के लिए, पेननेट मांसपेशियां मजबूत होंगी और समानांतर फाइबर वाली मांसपेशियों की तुलना में अधिक बल उत्पन्न करेंगी।व्यक्तिगत तंतुओं द्वारा उत्पन्न बल उस मांसपेशी ऊतक में स्थूल स्तर पर मांसपेशी बल उत्पन्न करते हैं।इसके अलावा, इसमें तेजी से सिकुड़न, तन्य क्षति से सुरक्षा, कुशनिंग जैसे अद्वितीय गुण हैं।यह क्रिया की मांसपेशियों की रेखाओं से जुड़ी फाइबर व्यवस्था की अनूठी विशेषताओं और ज्यामितीय जटिलता का फायदा उठाकर फाइबर इनपुट और मांसपेशी पावर आउटपुट के बीच संबंध को बदल देता है।
उदाहरण के लिए, बाइमॉडल मस्कुलर आर्किटेक्चर के संबंध में मौजूदा एसएमए-आधारित एक्चुएटर डिजाइनों के योजनाबद्ध आरेख दिखाए गए हैं (ए), स्पर्श बल की बातचीत का प्रतिनिधित्व करते हैं जिसमें एसएमए तारों द्वारा संचालित एक हाथ के आकार का उपकरण दो-पहिया स्वायत्त मोबाइल रोबोट9,10 पर लगाया जाता है।, (बी) विरोधी रूप से रखे गए एसएमए स्प्रिंग-लोडेड ऑर्बिटल प्रोस्थेसिस के साथ रोबोटिक ऑर्बिटल प्रोस्थेसिस।कृत्रिम आंख की स्थिति को आंख की नेत्र संबंधी मांसपेशी से एक संकेत द्वारा नियंत्रित किया जाता है11, (सी) एसएमए एक्चुएटर अपनी उच्च आवृत्ति प्रतिक्रिया और कम बैंडविड्थ के कारण पानी के नीचे अनुप्रयोगों के लिए आदर्श हैं।इस कॉन्फ़िगरेशन में, एसएमए एक्चुएटर्स का उपयोग मछली की गति का अनुकरण करके तरंग गति बनाने के लिए किया जाता है, (डी) एसएमए एक्चुएटर्स का उपयोग एक माइक्रो पाइप निरीक्षण रोबोट बनाने के लिए किया जाता है जो इंच वर्म मोशन सिद्धांत का उपयोग कर सकता है, जिसे चैनल 10 के अंदर एसएमए तारों की गति द्वारा नियंत्रित किया जाता है, (ई) मांसपेशी फाइबर के संकुचन की दिशा दिखाता है और गैस्ट्रोकनेमियस ऊतक में संकुचन बल उत्पन्न करता है, (एफ) पेनेट मांसपेशी संरचना में मांसपेशी फाइबर के रूप में व्यवस्थित एसएमए तारों को दिखाता है।
अपने व्यापक अनुप्रयोगों के कारण एक्चुएटर यांत्रिक प्रणालियों का एक महत्वपूर्ण हिस्सा बन गए हैं।इसलिए, छोटी, तेज़ और अधिक कुशल ड्राइव की आवश्यकता महत्वपूर्ण हो जाती है।अपने फायदों के बावजूद, पारंपरिक ड्राइव महंगी और रखरखाव में समय लेने वाली साबित हुई हैं।हाइड्रोलिक और वायवीय एक्चुएटर जटिल और महंगे हैं और घिसाव, स्नेहन समस्याओं और घटक विफलता के अधीन हैं।मांग के जवाब में, स्मार्ट सामग्रियों के आधार पर लागत प्रभावी, आकार-अनुकूलित और उन्नत एक्चुएटर्स विकसित करने पर ध्यान केंद्रित किया गया है।चल रहे शोध इस आवश्यकता को पूरा करने के लिए शेप मेमोरी अलॉय (एसएमए) स्तरित एक्चुएटर्स पर विचार कर रहे हैं।पदानुक्रमित एक्चुएटर्स इस मायने में अद्वितीय हैं कि वे बढ़ी हुई और विस्तारित कार्यक्षमता प्रदान करने के लिए कई अलग-अलग एक्चुएटर्स को ज्यामितीय रूप से जटिल मैक्रो स्केल सबसिस्टम में जोड़ते हैं।इस संबंध में, ऊपर वर्णित मानव मांसपेशी ऊतक ऐसे बहुस्तरीय क्रियान्वयन का एक उत्कृष्ट बहुस्तरीय उदाहरण प्रदान करता है।वर्तमान अध्ययन में कई अलग-अलग ड्राइव तत्वों (एसएमए तारों) के साथ एक बहु-स्तरीय एसएमए ड्राइव का वर्णन किया गया है, जो बिमोडल मांसपेशियों में मौजूद फाइबर ओरिएंटेशन से जुड़ा हुआ है, जो समग्र ड्राइव प्रदर्शन में सुधार करता है।
एक्चुएटर का मुख्य उद्देश्य विद्युत ऊर्जा को परिवर्तित करके बल और विस्थापन जैसे यांत्रिक बिजली उत्पादन उत्पन्न करना है।आकार स्मृति मिश्र धातु "स्मार्ट" सामग्रियों का एक वर्ग है जो उच्च तापमान पर अपना आकार बहाल कर सकता है।उच्च भार के तहत, एसएमए तार के तापमान में वृद्धि से आकार में सुधार होता है, जिसके परिणामस्वरूप विभिन्न सीधे जुड़े स्मार्ट सामग्रियों की तुलना में उच्च सक्रियण ऊर्जा घनत्व होता है।साथ ही, यांत्रिक भार के तहत, एसएमए भंगुर हो जाते हैं।कुछ शर्तों के तहत, एक चक्रीय भार यांत्रिक ऊर्जा को अवशोषित और जारी कर सकता है, जो प्रतिवर्ती हिस्टेरेटिक आकार में परिवर्तन प्रदर्शित करता है।ये अद्वितीय गुण एसएमए को सेंसर, कंपन डंपिंग और विशेष रूप से एक्चुएटर्स12 के लिए आदर्श बनाते हैं।इसे ध्यान में रखते हुए, एसएमए-आधारित ड्राइव पर बहुत सारे शोध हुए हैं।यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि एसएमए-आधारित एक्चुएटर्स विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों के लिए अनुवादात्मक और रोटरी गति प्रदान करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं।हालाँकि कुछ रोटरी एक्चुएटर्स विकसित किए गए हैं, शोधकर्ता विशेष रूप से लीनियर एक्चुएटर्स में रुचि रखते हैं।इन लीनियर एक्चुएटर्स को तीन प्रकार के एक्चुएटर्स में विभाजित किया जा सकता है: एक-आयामी, विस्थापन और विभेदक एक्चुएटर्स 16।प्रारंभ में, हाइब्रिड ड्राइव एसएमए और अन्य पारंपरिक ड्राइव के संयोजन में बनाए गए थे।एसएमए-आधारित हाइब्रिड लीनियर एक्चुएटर का ऐसा एक उदाहरण डीसी मोटर के साथ एसएमए तार का उपयोग है जो लगभग 100 एन का आउटपुट बल और महत्वपूर्ण विस्थापन17 प्रदान करता है।
पूरी तरह से एसएमए पर आधारित ड्राइव में पहला विकास एसएमए समानांतर ड्राइव था।एकाधिक एसएमए तारों का उपयोग करते हुए, एसएमए-आधारित समानांतर ड्राइव को सभी एसएमए18 तारों को समानांतर में रखकर ड्राइव की पावर क्षमता बढ़ाने के लिए डिज़ाइन किया गया है।एक्चुएटर्स के समानांतर कनेक्शन के लिए न केवल अधिक बिजली की आवश्यकता होती है, बल्कि एक तार की आउटपुट पावर भी सीमित हो जाती है।एसएमए आधारित एक्चुएटर्स का एक और नुकसान सीमित यात्रा है जो वे प्राप्त कर सकते हैं।इस समस्या को हल करने के लिए, एक एसएमए केबल बीम बनाया गया था जिसमें विस्थापन को बढ़ाने और रैखिक गति प्राप्त करने के लिए एक विक्षेपित लचीला बीम शामिल था, लेकिन उच्च बल उत्पन्न नहीं हुआ19।आकृति स्मृति मिश्र धातुओं पर आधारित रोबोटों के लिए नरम विकृत संरचनाएं और कपड़े मुख्य रूप से प्रभाव प्रवर्धन 20,21,22 के लिए विकसित किए गए हैं।उन अनुप्रयोगों के लिए जहां उच्च गति की आवश्यकता होती है, माइक्रोपंप संचालित अनुप्रयोगों23 के लिए पतली फिल्म एसएमए का उपयोग करके कॉम्पैक्ट संचालित पंपों की सूचना दी गई है।पतली फिल्म एसएमए झिल्ली की ड्राइव आवृत्ति ड्राइवर की गति को नियंत्रित करने में एक महत्वपूर्ण कारक है।इसलिए, एसएमए लीनियर मोटर्स में एसएमए स्प्रिंग या रॉड मोटर्स की तुलना में बेहतर गतिशील प्रतिक्रिया होती है।सॉफ्ट रोबोटिक्स और ग्रिपिंग टेक्नोलॉजी दो अन्य अनुप्रयोग हैं जो एसएमए-आधारित एक्चुएटर्स का उपयोग करते हैं।उदाहरण के लिए, 25 एन स्पेस क्लैंप में प्रयुक्त मानक एक्चुएटर को बदलने के लिए, एक आकार मेमोरी मिश्र धातु समानांतर एक्चुएटर 24 विकसित किया गया था।एक अन्य मामले में, एक एसएमए सॉफ्ट एक्चुएटर एक एम्बेडेड मैट्रिक्स के साथ एक तार के आधार पर बनाया गया था जो 30 एन की अधिकतम खींचने वाली शक्ति उत्पन्न करने में सक्षम था। उनके यांत्रिक गुणों के कारण, एसएमए का उपयोग उन एक्चुएटर्स का उत्पादन करने के लिए भी किया जाता है जो जैविक घटनाओं की नकल करते हैं।ऐसे ही एक विकास में एक 12-सेल रोबोट शामिल है जो एसएमए के साथ एक केंचुए जैसे जीव का बायोमिमेटिक है जो आग लगने के लिए एक साइनसॉइडल गति उत्पन्न करता है।
जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, मौजूदा एसएमए-आधारित एक्चुएटर्स से प्राप्त की जा सकने वाली अधिकतम बल की एक सीमा है।इस मुद्दे को संबोधित करने के लिए, यह अध्ययन एक बायोमिमेटिक बिमोडल मांसपेशी संरचना प्रस्तुत करता है।आकार स्मृति मिश्र धातु तार द्वारा संचालित।यह एक वर्गीकरण प्रणाली प्रदान करता है जिसमें कई आकार के मेमोरी मिश्र धातु के तार शामिल होते हैं।आज तक, साहित्य में समान वास्तुकला वाले किसी भी एसएमए-आधारित एक्चुएटर्स की सूचना नहीं दी गई है।एसएमए पर आधारित यह अनूठी और नवीन प्रणाली द्विमोडल मांसपेशी संरेखण के दौरान एसएमए के व्यवहार का अध्ययन करने के लिए विकसित की गई थी।मौजूदा एसएमए-आधारित एक्चुएटर्स की तुलना में, इस अध्ययन का लक्ष्य एक छोटी मात्रा में काफी अधिक बल उत्पन्न करने के लिए बायोमिमेटिक डिपवेलरेट एक्चुएटर बनाना था।एचवीएसी बिल्डिंग ऑटोमेशन और नियंत्रण प्रणालियों में उपयोग किए जाने वाले पारंपरिक स्टेपर मोटर चालित ड्राइव की तुलना में, प्रस्तावित एसएमए-आधारित बिमोडल ड्राइव डिज़ाइन ड्राइव तंत्र के वजन को 67% तक कम कर देता है।निम्नलिखित में, "मांसपेशियों" और "ड्राइव" शब्दों का परस्पर उपयोग किया जाता है।यह अध्ययन ऐसी ड्राइव के बहुभौतिकी सिमुलेशन की जांच करता है।ऐसी प्रणालियों के यांत्रिक व्यवहार का अध्ययन प्रयोगात्मक और विश्लेषणात्मक तरीकों से किया गया है।7 V के इनपुट वोल्टेज पर बल और तापमान वितरण की आगे जांच की गई। इसके बाद, प्रमुख मापदंडों और आउटपुट बल के बीच संबंध को बेहतर ढंग से समझने के लिए एक पैरामीट्रिक विश्लेषण किया गया।अंत में, पदानुक्रमित एक्चुएटर्स की कल्पना की गई है और कृत्रिम अनुप्रयोगों के लिए गैर-चुंबकीय एक्चुएटर्स के संभावित भविष्य के क्षेत्र के रूप में पदानुक्रमित स्तर के प्रभावों को प्रस्तावित किया गया है।उपरोक्त अध्ययनों के परिणामों के अनुसार, एकल-चरण वास्तुकला का उपयोग रिपोर्ट किए गए एसएमए-आधारित एक्चुएटर्स की तुलना में कम से कम चार से पांच गुना अधिक बल उत्पन्न करता है।इसके अलावा, मल्टी-लेवल मल्टी-लेवल ड्राइव द्वारा उत्पन्न समान ड्राइव बल को पारंपरिक एसएमए-आधारित ड्राइव की तुलना में दस गुना अधिक दिखाया गया है।फिर अध्ययन विभिन्न डिज़ाइनों और इनपुट चरों के बीच संवेदनशीलता विश्लेषण का उपयोग करके प्रमुख मापदंडों की रिपोर्ट करता है।एसएमए तार की प्रारंभिक लंबाई (\(l_0\)), पिननेट कोण (\(\alpha\)) और प्रत्येक व्यक्तिगत स्ट्रैंड में एकल स्ट्रैंड की संख्या (n) का ड्राइविंग बल के परिमाण पर एक मजबूत नकारात्मक प्रभाव पड़ता है।ताकत, जबकि इनपुट वोल्टेज (ऊर्जा) सकारात्मक रूप से सहसंबद्ध निकला।
एसएमए तार मिश्र धातुओं के निकल-टाइटेनियम (नी-टीआई) परिवार में देखे गए आकार स्मृति प्रभाव (एसएमई) को प्रदर्शित करता है।आमतौर पर, एसएमए दो तापमान पर निर्भर चरण प्रदर्शित करते हैं: एक कम तापमान चरण और एक उच्च तापमान चरण।विभिन्न क्रिस्टल संरचनाओं की उपस्थिति के कारण दोनों चरणों में अद्वितीय गुण हैं।परिवर्तन तापमान के ऊपर मौजूद ऑस्टेनाइट चरण (उच्च तापमान चरण) में, सामग्री उच्च शक्ति प्रदर्शित करती है और लोड के तहत खराब रूप से विकृत होती है।मिश्र धातु स्टेनलेस स्टील की तरह व्यवहार करती है, इसलिए यह उच्च सक्रियण दबावों का सामना करने में सक्षम है।नी-टीआई मिश्र धातुओं की इस संपत्ति का लाभ उठाते हुए, एसएमए तारों को एक एक्चुएटर बनाने के लिए झुकाया जाता है।विभिन्न मापदंडों और विभिन्न ज्यामिति के प्रभाव के तहत एसएमए के थर्मल व्यवहार के मौलिक यांत्रिकी को समझने के लिए उपयुक्त विश्लेषणात्मक मॉडल विकसित किए गए हैं।प्रयोगात्मक और विश्लेषणात्मक परिणामों के बीच अच्छा समझौता प्राप्त हुआ।
एसएमए पर आधारित बिमोडल ड्राइव के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए चित्र 9ए में दिखाए गए प्रोटोटाइप पर एक प्रायोगिक अध्ययन किया गया था।इनमें से दो गुण, ड्राइव द्वारा उत्पन्न बल (मांसपेशियों का बल) और एसएमए तार का तापमान (एसएमए तापमान), प्रयोगात्मक रूप से मापा गया था।जैसे-जैसे ड्राइव में तार की पूरी लंबाई के साथ वोल्टेज अंतर बढ़ता है, जूल हीटिंग प्रभाव के कारण तार का तापमान बढ़ता है।इनपुट वोल्टेज को प्रत्येक चक्र के बीच 15-एस शीतलन अवधि के साथ दो 10-एस चक्र (चित्र 2 ए, बी में लाल बिंदुओं के रूप में दिखाया गया है) में लागू किया गया था।अवरोधक बल को पीजोइलेक्ट्रिक स्ट्रेन गेज का उपयोग करके मापा गया था, और एसएमए तार के तापमान वितरण की वास्तविक समय में वैज्ञानिक-ग्रेड उच्च-रिज़ॉल्यूशन एलडब्ल्यूआईआर कैमरे का उपयोग करके निगरानी की गई थी (तालिका 2 में प्रयुक्त उपकरण की विशेषताओं को देखें)।दर्शाता है कि उच्च वोल्टेज चरण के दौरान, तार का तापमान एकरस रूप से बढ़ता है, लेकिन जब कोई धारा प्रवाहित नहीं होती है, तो तार का तापमान गिरता रहता है।वर्तमान प्रायोगिक सेटअप में, शीतलन चरण के दौरान एसएमए तार का तापमान गिर गया, लेकिन यह अभी भी परिवेश के तापमान से ऊपर था।अंजीर पर.2e LWIR कैमरे से लिए गए SMA तार पर तापमान का एक स्नैपशॉट दिखाता है।दूसरी ओर, चित्र में।2a ड्राइव सिस्टम द्वारा उत्पन्न अवरोधक बल को दर्शाता है।जब मांसपेशियों का बल स्प्रिंग के पुनर्स्थापन बल से अधिक हो जाता है, तो चल भुजा, जैसा कि चित्र 9ए में दिखाया गया है, हिलना शुरू कर देती है।जैसे ही सक्रियण शुरू होता है, गतिशील भुजा सेंसर के संपर्क में आती है, जिससे शरीर पर बल उत्पन्न होता है, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है।2सी, डी.जब अधिकतम तापमान \(84\,^{\circ}\hbox {C}\) के करीब होता है, तो अधिकतम प्रेक्षित बल 105 N होता है।
ग्राफ़ दो चक्रों के दौरान एसएमए तार के तापमान और एसएमए-आधारित बिमोडल एक्चुएटर द्वारा उत्पन्न बल के प्रयोगात्मक परिणामों को दर्शाता है।इनपुट वोल्टेज को दो 10 सेकंड के चक्रों में लागू किया जाता है (लाल बिंदुओं के रूप में दिखाया गया है) और प्रत्येक चक्र के बीच 15 सेकंड की कूल डाउन अवधि होती है।प्रयोगों के लिए इस्तेमाल किया गया एसएमए तार डायनालॉय, इंक. से 0.51 मिमी व्यास वाला फ्लेक्सिनोल तार था। (ए) ग्राफ़ दो चक्रों में प्राप्त प्रयोगात्मक बल को दर्शाता है, (सी, डी) पीएसीईलाइन सीएफटी/5केएन पीज़ोइलेक्ट्रिक बल ट्रांसड्यूसर पर चलती आर्म एक्चुएटर्स की कार्रवाई के दो स्वतंत्र उदाहरण दिखाता है, (बी) ग्राफ़ दो चक्रों के दौरान पूरे एसएमए तार का अधिकतम तापमान दिखाता है, (ई) एफएलआईआर रिसर्च का उपयोग करके एसएमए तार से लिया गया तापमान स्नैपशॉट दिखाता है आईआर सॉफ्टवेयर एलडब्ल्यूआईआर कैमरा।प्रयोगों में ध्यान में रखे गए ज्यामितीय पैरामीटर तालिका में दिए गए हैं।एक।
गणितीय मॉडल के सिमुलेशन परिणाम और प्रयोगात्मक परिणामों की तुलना 7V के इनपुट वोल्टेज की स्थिति में की जाती है, जैसा कि चित्र 5 में दिखाया गया है।पैरामीट्रिक विश्लेषण के परिणामों के अनुसार और एसएमए तार के अधिक गर्म होने की संभावना से बचने के लिए, एक्चुएटर को 11.2 डब्ल्यू की शक्ति की आपूर्ति की गई थी।इनपुट वोल्टेज के रूप में 7V की आपूर्ति करने के लिए एक प्रोग्राम योग्य डीसी बिजली आपूर्ति का उपयोग किया गया था, और तार पर 1.6A का करंट मापा गया था।करंट लागू होने पर ड्राइव द्वारा उत्पन्न बल और एसडीआर का तापमान बढ़ जाता है।7V के इनपुट वोल्टेज के साथ, सिमुलेशन परिणामों और पहले चक्र के प्रयोगात्मक परिणामों से प्राप्त अधिकतम आउटपुट बल क्रमशः 78 N और 96 N है।दूसरे चक्र में, सिमुलेशन और प्रयोगात्मक परिणामों का अधिकतम आउटपुट बल क्रमशः 150 एन और 105 एन था।रोड़ा बल माप और प्रयोगात्मक डेटा के बीच विसंगति रोड़ा बल को मापने के लिए उपयोग की जाने वाली विधि के कारण हो सकती है।प्रयोगात्मक परिणाम अंजीर में दिखाए गए हैं।5a लॉकिंग बल की माप के अनुरूप है, जिसे तब मापा जाता था जब ड्राइव शाफ्ट PACEline CFT/5kN पीज़ोइलेक्ट्रिक बल ट्रांसड्यूसर के संपर्क में था, जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है।2s.इसलिए, जब ड्राइव शाफ्ट शीतलन क्षेत्र की शुरुआत में बल सेंसर के संपर्क में नहीं होता है, तो बल तुरंत शून्य हो जाता है, जैसा कि चित्र 2डी में दिखाया गया है।इसके अलावा, अन्य पैरामीटर जो बाद के चक्रों में बल के गठन को प्रभावित करते हैं, वे हैं शीतलन समय के मान और पिछले चक्र में संवहनी ताप हस्तांतरण के गुणांक।अंजीर से.2बी, यह देखा जा सकता है कि 15 सेकंड की शीतलन अवधि के बाद, एसएमए तार कमरे के तापमान तक नहीं पहुंच पाया और इसलिए पहले चक्र (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)) की तुलना में दूसरे ड्राइविंग चक्र में उच्च प्रारंभिक तापमान (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) था।इस प्रकार, पहले चक्र की तुलना में, दूसरे ताप चक्र के दौरान एसएमए तार का तापमान प्रारंभिक ऑस्टेनाइट तापमान (\(A_s\)) तक पहले पहुंच जाता है और संक्रमण अवधि में लंबे समय तक रहता है, जिसके परिणामस्वरूप तनाव और बल होता है।दूसरी ओर, प्रयोगों और सिमुलेशन से प्राप्त ताप और शीतलन चक्रों के दौरान तापमान वितरण में थर्मोग्राफिक विश्लेषण के उदाहरणों के साथ उच्च गुणात्मक समानता होती है।प्रयोगों और सिमुलेशन से एसएमए तार थर्मल डेटा के तुलनात्मक विश्लेषण ने हीटिंग और कूलिंग चक्रों के दौरान और प्रयोगात्मक डेटा के लिए स्वीकार्य सहनशीलता के भीतर स्थिरता दिखाई।पहले चक्र के सिमुलेशन और प्रयोगों के परिणामों से प्राप्त SMA तार का अधिकतम तापमान क्रमशः \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) और \(75\,^{\circ }\hbox { C }\ है), और दूसरे चक्र में SMA तार का अधिकतम तापमान \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) और \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\ है ).मौलिक रूप से विकसित मॉडल आकार स्मृति प्रभाव के प्रभाव की पुष्टि करता है।इस समीक्षा में थकान और अधिक गर्मी की भूमिका पर विचार नहीं किया गया।भविष्य में, एसएमए तार के तनाव इतिहास को शामिल करने के लिए मॉडल में सुधार किया जाएगा, जिससे यह इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों के लिए अधिक उपयुक्त हो जाएगा।सिमुलिंक ब्लॉक से प्राप्त ड्राइव आउटपुट बल और एसएमए तापमान प्लॉट 7 वी के इनपुट वोल्टेज पल्स की स्थिति के तहत प्रयोगात्मक डेटा की स्वीकार्य सहनशीलता के भीतर हैं। यह विकसित गणितीय मॉडल की शुद्धता और विश्वसनीयता की पुष्टि करता है।
गणितीय मॉडल को मैथवर्क्स सिमुलिंक आर2020बी वातावरण में मेथड्स अनुभाग में वर्णित बुनियादी समीकरणों का उपयोग करके विकसित किया गया था।अंजीर पर.3बी सिमुलिंक गणित मॉडल का एक ब्लॉक आरेख दिखाता है।मॉडल को 7V इनपुट वोल्टेज पल्स के लिए सिम्युलेटेड किया गया था जैसा कि चित्र 2a, b में दिखाया गया है।सिमुलेशन में प्रयुक्त मापदंडों के मान तालिका 1 में सूचीबद्ध हैं। क्षणिक प्रक्रियाओं के सिमुलेशन के परिणाम चित्र 1 और 1 में प्रस्तुत किए गए हैं। चित्र 3 ए और 4. अंजीर में।4a,b समय के फलन के रूप में SMA तार में प्रेरित वोल्टेज और एक्चुएटर द्वारा उत्पन्न बल को दर्शाता है। रिवर्स ट्रांसफॉर्मेशन (हीटिंग) के दौरान, जब SMA तार का तापमान, \(T < A_s^{\ prime}\) (तनाव-संशोधित ऑस्टेनाइट चरण प्रारंभ तापमान), मार्टेंसाइट वॉल्यूम अंश (\(\dot{\xi }\)) के परिवर्तन की दर शून्य होगी। रिवर्स ट्रांसफॉर्मेशन (हीटिंग) के दौरान, जब SMA तार का तापमान, \(T < A_s^{\ prime}\) (तनाव-संशोधित ऑस्टेनाइट चरण प्रारंभ तापमान), मार्टेंसाइट वॉल्यूम अंश (\(\dot{\ xi }\)) के परिवर्तन की दर शून्य होगी। Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s ^(प्राइम}) скорость объемния объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. रिवर्स ट्रांसफॉर्मेशन (हीटिंग) के दौरान, जब SMA तार का तापमान, \(T < A_s^{\ prime}\) (तनाव-संशोधित ऑस्टेनाइट शुरुआत तापमान), मार्टेंसाइट वॉल्यूम अंश (\(\dot{\ xi }\ )) के परिवर्तन की दर शून्य होगी।अधिक पढ़ें यह एक अच्छा विकल्प है (\(\dot{\ xi }\)) पर क्लिक करें।在 反向 转变 （加热） 中 , 当 当 当 线 温度 \ (t
(ए) सिमुलेशन परिणाम एसएमए-आधारित डायवलरेट एक्चुएटर में तापमान वितरण और तनाव-प्रेरित जंक्शन तापमान दिखा रहा है।जब तार का तापमान हीटिंग चरण में ऑस्टेनाइट संक्रमण तापमान को पार कर जाता है, तो संशोधित ऑस्टेनाइट संक्रमण तापमान बढ़ना शुरू हो जाता है, और इसी तरह, जब वायर रॉड का तापमान शीतलन चरण में मार्टेंसिटिक संक्रमण तापमान को पार कर जाता है, तो मार्टेंसिटिक संक्रमण तापमान कम हो जाता है।क्रियान्वयन प्रक्रिया के विश्लेषणात्मक मॉडलिंग के लिए एसएमए।(सिमुलिंक मॉडल के प्रत्येक सबसिस्टम के विस्तृत दृश्य के लिए, पूरक फ़ाइल का परिशिष्ट अनुभाग देखें।)
विभिन्न पैरामीटर वितरणों के विश्लेषण के परिणाम 7V इनपुट वोल्टेज के दो चक्रों (10 सेकंड वार्म अप चक्र और 15 सेकंड कूल डाउन चक्र) के लिए दिखाए गए हैं।जबकि (एसी) और (ई) समय के साथ वितरण को दर्शाते हैं, दूसरी ओर, (डी) और (एफ) तापमान के साथ वितरण को दर्शाते हैं।संबंधित इनपुट स्थितियों के लिए, अधिकतम मनाया गया तनाव 106 एमपीए (345 एमपीए से कम, तार उपज शक्ति) है, बल 150 एन है, अधिकतम विस्थापन 270 µm है, और न्यूनतम मार्टेंसिटिक वॉल्यूम अंश 0.91 है।दूसरी ओर, तनाव में परिवर्तन और तापमान के साथ मार्टेंसाइट के आयतन अंश में परिवर्तन हिस्टैरिसीस विशेषताओं के समान है।
यही व्याख्या ऑस्टेनाइट चरण से मार्टेंसाइट चरण में प्रत्यक्ष परिवर्तन (शीतलन) पर लागू होती है, जहां एसएमए तार तापमान (टी) और तनाव-संशोधित मार्टेंसाइट चरण का अंतिम तापमान (\(M_f^{\ prime}\ )) उत्कृष्ट है।अंजीर पर.4d,f दोनों ड्राइविंग चक्रों के लिए SMA तार (T) के तापमान में परिवर्तन के एक फ़ंक्शन के रूप में SMA तार में प्रेरित तनाव (\(\sigma\)) और मार्टेंसाइट के आयतन अंश (\(\xi\)) में परिवर्तन को दर्शाता है।अंजीर पर.चित्र 3ए इनपुट वोल्टेज पल्स के आधार पर समय के साथ एसएमए तार के तापमान में परिवर्तन दिखाता है।जैसा कि चित्र से देखा जा सकता है, शून्य वोल्टेज पर ताप स्रोत प्रदान करने और उसके बाद संवहन शीतलन के कारण तार का तापमान बढ़ता रहता है।गर्म करने के दौरान, मार्टेंसाइट का ऑस्टेनाइट चरण में पुनर्परिवर्तन तब शुरू होता है जब एसएमए तार तापमान (टी) तनाव-सही ऑस्टेनाइट न्यूक्लिएशन तापमान (\(A_s^{\ prime}\)) को पार कर जाता है।इस चरण के दौरान, एसएमए तार संपीड़ित होता है और एक्चुएटर बल उत्पन्न करता है।इसके अलावा शीतलन के दौरान, जब एसएमए तार (टी) का तापमान तनाव-संशोधित मार्टेंसाइट चरण (\(M_s^{\ prime}\)) के न्यूक्लिएशन तापमान को पार कर जाता है, तो ऑस्टेनाइट चरण से मार्टेंसाइट चरण में एक सकारात्मक संक्रमण होता है।ड्राइव बल कम हो जाता है.
एसएमए पर आधारित बिमोडल ड्राइव के मुख्य गुणात्मक पहलू सिमुलेशन परिणामों से प्राप्त किए जा सकते हैं।वोल्टेज पल्स इनपुट के मामले में, जूल हीटिंग प्रभाव के कारण एसएमए तार का तापमान बढ़ जाता है।मार्टेंसाइट वॉल्यूम अंश का प्रारंभिक मान (\(\xi\)) 1 पर सेट है, क्योंकि सामग्री शुरू में पूरी तरह से मार्टेंसिटिक चरण में है।जैसे-जैसे तार गर्म होता रहता है, एसएमए तार का तापमान तनाव-सही ऑस्टेनाइट न्यूक्लिएशन तापमान \(A_s^{\ prime}\) से अधिक हो जाता है, जिसके परिणामस्वरूप मार्टेंसाइट वॉल्यूम अंश में कमी आती है, जैसा कि चित्र 4c में दिखाया गया है।इसके अलावा, अंजीर में.4e समय और अंजीर में एक्चुएटर के स्ट्रोक के वितरण को दर्शाता है।5 - समय के कार्य के रूप में प्रेरक शक्ति।समीकरणों की एक संबंधित प्रणाली में तापमान, मार्टेंसाइट वॉल्यूम अंश और तार में विकसित होने वाला तनाव शामिल होता है, जिसके परिणामस्वरूप एसएमए तार का संकुचन होता है और एक्चुएटर द्वारा उत्पन्न बल होता है।जैसा कि चित्र में दिखाया गया है।4डी,एफ, तापमान के साथ वोल्टेज भिन्नता और तापमान के साथ मार्टेंसाइट वॉल्यूम अंश भिन्नता 7 वी पर सिम्युलेटेड मामले में एसएमए की हिस्टैरिसीस विशेषताओं के अनुरूप है।
ड्राइविंग मापदंडों की तुलना प्रयोगों और विश्लेषणात्मक गणनाओं के माध्यम से प्राप्त की गई थी।तारों को 10 सेकंड के लिए 7 V के स्पंदित इनपुट वोल्टेज के अधीन किया गया, फिर दो चक्रों में 15 सेकंड (शीतलन चरण) के लिए ठंडा किया गया।पिननेट कोण को \(40^{\circ}\) पर सेट किया गया है और प्रत्येक एकल पिन लेग में SMA तार की प्रारंभिक लंबाई 83 मिमी पर सेट की गई है।(ए) लोड सेल के साथ ड्राइविंग बल को मापना (बी) थर्मल इंफ्रारेड कैमरे से तार के तापमान की निगरानी करना।
ड्राइव द्वारा उत्पन्न बल पर भौतिक मापदंडों के प्रभाव को समझने के लिए, चयनित भौतिक मापदंडों के लिए गणितीय मॉडल की संवेदनशीलता का विश्लेषण किया गया, और मापदंडों को उनके प्रभाव के अनुसार क्रमबद्ध किया गया।सबसे पहले, मॉडल मापदंडों का नमूना प्रयोगात्मक डिजाइन सिद्धांतों का उपयोग करके किया गया था जो एक समान वितरण का पालन करते थे (संवेदनशीलता विश्लेषण पर पूरक अनुभाग देखें)।इस मामले में, मॉडल मापदंडों में इनपुट वोल्टेज (\(V_{in}\)), प्रारंभिक SMA तार की लंबाई (\(l_0\)), त्रिकोण कोण (\(\alpha\)), बायस स्प्रिंग स्थिरांक (\( K_x\ )), संवहन ताप हस्तांतरण गुणांक (\(h_T\)) और यूनिमॉडल शाखाओं की संख्या (n) शामिल हैं।अगले चरण में, चरम मांसपेशियों की ताकत को अध्ययन डिजाइन आवश्यकता के रूप में चुना गया और ताकत पर चर के प्रत्येक सेट के पैरामीट्रिक प्रभाव प्राप्त किए गए।संवेदनशीलता विश्लेषण के लिए बवंडर प्लॉट प्रत्येक पैरामीटर के लिए सहसंबंध गुणांक से प्राप्त किए गए थे, जैसा कि चित्र 6 ए में दिखाया गया है।
(ए) मॉडल मापदंडों के सहसंबंध गुणांक मान और उपरोक्त मॉडल मापदंडों के 2500 अद्वितीय समूहों के अधिकतम आउटपुट बल पर उनके प्रभाव को बवंडर प्लॉट में दिखाया गया है।ग्राफ़ कई संकेतकों के रैंक सहसंबंध को दर्शाता है।यह स्पष्ट है कि \(V_{in}\) सकारात्मक सहसंबंध वाला एकमात्र पैरामीटर है, और \(l_0\) उच्चतम नकारात्मक सहसंबंध वाला पैरामीटर है।चरम मांसपेशी शक्ति पर विभिन्न संयोजनों में विभिन्न मापदंडों का प्रभाव (बी, सी) में दिखाया गया है।\(K_x\) की रेंज 400 से 800 N/m और n की रेंज 4 से 24 तक होती है। वोल्टेज (\(V_{in}\)) 4V से 10V में बदल जाता है, तार की लंबाई (\(l_{0 } \)) 40 से 100 मिमी में बदल जाती है, और टेल एंगल (\ (\alpha \)) \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\) से बदल जाता है।
अंजीर पर.6ए पीक ड्राइव फोर्स डिजाइन आवश्यकताओं के साथ प्रत्येक पैरामीटर के लिए विभिन्न सहसंबंध गुणांक का एक बवंडर प्लॉट दिखाता है।अंजीर से.6a यह देखा जा सकता है कि वोल्टेज पैरामीटर (\(V_{in}\)) सीधे अधिकतम आउटपुट बल से संबंधित है, और संवहन ताप हस्तांतरण गुणांक (\(h_T\)), लौ कोण (\ ( \alpha\)), विस्थापन स्प्रिंग स्थिरांक ( \(K_x\)) आउटपुट बल और SMA तार की प्रारंभिक लंबाई (\(l_0\)) के साथ नकारात्मक रूप से सहसंबद्ध है, और यूनिमॉडल शाखाओं की संख्या (n) एक मजबूत व्युत्क्रम सहसंबंध दिखाती है। प्रत्यक्ष सहसंबंध के मामले में वोल्टेज सहसंबंध गुणांक (\(V_ {in}\)) के उच्च मान के मामले में यह इंगित करता है कि इस पैरामीटर का बिजली उत्पादन पर सबसे अधिक प्रभाव पड़ता है।एक अन्य समान विश्लेषण दो कम्प्यूटेशनल स्थानों के विभिन्न संयोजनों में विभिन्न मापदंडों के प्रभाव का मूल्यांकन करके चरम बल को मापता है, जैसा कि चित्र 6 बी, सी में दिखाया गया है।\(V_{in}\) और \(l_0\), \(\alpha\) और \(l_0\) के पैटर्न समान हैं, और ग्राफ से पता चलता है कि \(V_{in}\) और \(\alpha\ ) और \(\alpha\) के पैटर्न समान हैं।\(l_0\) के छोटे मानों के परिणामस्वरूप उच्च शिखर बल उत्पन्न होते हैं।अन्य दो प्लॉट चित्र 6a के अनुरूप हैं, जहां n और \(K_x\) नकारात्मक रूप से सहसंबद्ध हैं और \(V_{in}\) सकारात्मक रूप से सहसंबद्ध हैं।यह विश्लेषण प्रभावित करने वाले मापदंडों को परिभाषित करने और समायोजित करने में मदद करता है जिसके द्वारा ड्राइव सिस्टम के आउटपुट बल, स्ट्रोक और दक्षता को आवश्यकताओं और अनुप्रयोग के अनुसार अनुकूलित किया जा सकता है।
वर्तमान शोध कार्य एन स्तरों के साथ पदानुक्रमित ड्राइव का परिचय और जांच करता है।दो-स्तरीय पदानुक्रम में, जैसा कि चित्र 7 ए में दिखाया गया है, जहां पहले स्तर के एक्चुएटर के प्रत्येक एसएमए तार के बजाय, एक द्विमोडल व्यवस्था प्राप्त की जाती है, जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है।9e.अंजीर पर.7c दिखाता है कि कैसे SMA तार एक गतिशील भुजा (सहायक भुजा) के चारों ओर लपेटा जाता है जो केवल अनुदैर्ध्य दिशा में चलती है।हालाँकि, प्राथमिक चल भुजा उसी तरह से चलती रहती है जैसे कि प्रथम चरण मल्टी-स्टेज एक्चुएटर की चल भुजा।आमतौर पर, \(N-1\) स्टेज SMA तार को प्रथम-स्टेज ड्राइव से बदलकर एक N-स्टेज ड्राइव बनाई जाती है।परिणामस्वरूप, प्रत्येक शाखा पहले चरण की ड्राइव का अनुकरण करती है, उस शाखा के अपवाद के साथ जो स्वयं तार रखती है।इस तरह, नेस्टेड संरचनाएं बनाई जा सकती हैं जो ऐसी ताकतें बनाती हैं जो प्राथमिक ड्राइव की ताकतों से कई गुना अधिक होती हैं।इस अध्ययन में, प्रत्येक स्तर के लिए, 1 मीटर की कुल प्रभावी एसएमए तार की लंबाई को ध्यान में रखा गया, जैसा कि चित्र 7डी में सारणीबद्ध प्रारूप में दिखाया गया है।प्रत्येक यूनिमॉडल डिज़ाइन में प्रत्येक तार के माध्यम से धारा और प्रत्येक एसएमए तार खंड में परिणामी प्रीस्ट्रेस और वोल्टेज प्रत्येक स्तर पर समान होते हैं।हमारे विश्लेषणात्मक मॉडल के अनुसार, आउटपुट बल सकारात्मक रूप से स्तर के साथ सहसंबद्ध है, जबकि विस्थापन नकारात्मक रूप से सहसंबद्ध है।उसी समय, विस्थापन और मांसपेशियों की ताकत के बीच एक समझौता था।जैसा कि चित्र में देखा गया है।7बी, जबकि अधिकतम बल सबसे बड़ी संख्या में परतों में प्राप्त किया जाता है, सबसे बड़ा विस्थापन सबसे निचली परत में देखा जाता है।जब पदानुक्रम स्तर को \(N=5\) पर सेट किया गया था, तो 2 देखे गए स्ट्रोक \(\upmu\)m के साथ 2.58 kN का चरम मांसपेशी बल पाया गया था।दूसरी ओर, प्रथम चरण की ड्राइव 277 \(\upmu\)m के स्ट्रोक पर 150 N का बल उत्पन्न करती है।बहु-स्तरीय एक्चुएटर्स वास्तविक जैविक मांसपेशियों की नकल करने में सक्षम हैं, जहां आकार स्मृति मिश्र धातु पर आधारित कृत्रिम मांसपेशियां सटीक और बेहतर आंदोलनों के साथ काफी अधिक बल उत्पन्न करने में सक्षम हैं।इस लघु डिज़ाइन की सीमाएँ यह हैं कि जैसे-जैसे पदानुक्रम बढ़ता है, गति बहुत कम हो जाती है और ड्राइव निर्माण प्रक्रिया की जटिलता बढ़ जाती है।
(ए) एक दो-चरण (\(एन=2\)) स्तरित आकार मेमोरी मिश्र धातु रैखिक एक्चुएटर सिस्टम को द्विमोडल कॉन्फ़िगरेशन में दिखाया गया है।प्रस्तावित मॉडल को पहले चरण के स्तरित एक्चुएटर में एसएमए तार को दूसरे एकल चरण स्तरित एक्चुएटर के साथ बदलकर हासिल किया गया है।(सी) दूसरे चरण के मल्टीलेयर एक्चुएटर का विकृत विन्यास।(बी) स्तरों की संख्या के आधार पर बलों के वितरण और विस्थापन का वर्णन किया गया है।यह पाया गया है कि एक्चुएटर का शिखर बल ग्राफ़ पर स्केल स्तर के साथ सकारात्मक रूप से सहसंबद्ध होता है, जबकि स्ट्रोक स्केल स्तर के साथ नकारात्मक रूप से सहसंबद्ध होता है।प्रत्येक तार में करंट और प्री-वोल्टेज सभी स्तरों पर स्थिर रहते हैं।(डी) तालिका प्रत्येक स्तर पर नल की संख्या और एसएमए तार (फाइबर) की लंबाई दिखाती है।तारों की विशेषताओं को सूचकांक 1 द्वारा दर्शाया गया है, और माध्यमिक शाखाओं की संख्या (प्राथमिक पैर से जुड़ी एक) को सबस्क्रिप्ट में सबसे बड़ी संख्या द्वारा दर्शाया गया है।उदाहरण के लिए, स्तर 5 पर, \(n_1\) प्रत्येक द्विमोडल संरचना में मौजूद एसएमए तारों की संख्या को संदर्भित करता है, और \(n_5\) सहायक पैरों की संख्या को संदर्भित करता है (एक मुख्य पैर से जुड़ा हुआ है)।
आकार स्मृति के साथ एसएमए के व्यवहार को मॉडल करने के लिए कई शोधकर्ताओं द्वारा विभिन्न तरीकों का प्रस्ताव किया गया है, जो चरण संक्रमण से जुड़े क्रिस्टल संरचना में मैक्रोस्कोपिक परिवर्तनों के साथ थर्मोमैकेनिकल गुणों पर निर्भर करते हैं।संवैधानिक तरीकों का सूत्रीकरण स्वाभाविक रूप से जटिल है।सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला घटनात्मक मॉडल तनाका28 द्वारा प्रस्तावित है और इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।तनाका [28] द्वारा प्रस्तावित घटनात्मक मॉडल मानता है कि मार्टेंसाइट का आयतन अंश तापमान और तनाव का एक घातीय कार्य है।बाद में, लिआंग और रोजर्स29 और ब्रिंसन30 ने एक मॉडल प्रस्तावित किया जिसमें चरण संक्रमण गतिशीलता को मॉडल में मामूली संशोधन के साथ वोल्टेज और तापमान का कोसाइन फ़ंक्शन माना गया था।बेकर और ब्रिंसन ने मनमानी लोडिंग स्थितियों के साथ-साथ आंशिक संक्रमण के तहत एसएमए सामग्रियों के व्यवहार को मॉडल करने के लिए एक चरण आरेख आधारित गतिज मॉडल का प्रस्ताव दिया।बनर्जी32 इलाहिनिया और अहमदियन33 द्वारा विकसित एकल डिग्री स्वतंत्रता मैनिपुलेटर का अनुकरण करने के लिए बेकर और ब्रिंसन31 चरण आरेख गतिशीलता पद्धति का उपयोग करता है।चरण आरेखों पर आधारित गतिज विधियाँ, जो तापमान के साथ वोल्टेज में गैर-मोनोटोनिक परिवर्तन को ध्यान में रखती हैं, इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में लागू करना मुश्किल है।इलाखिनिया और अहमदियन मौजूदा घटनात्मक मॉडल की इन कमियों की ओर ध्यान आकर्षित करते हैं और किसी भी जटिल लोडिंग स्थितियों के तहत आकार स्मृति व्यवहार का विश्लेषण और परिभाषित करने के लिए एक विस्तारित घटनात्मक मॉडल का प्रस्ताव करते हैं।
एसएमए तार का संरचनात्मक मॉडल एसएमए तार का तनाव (\(\sigma\)), तनाव (\(\epsilon\)), तापमान (T), और मार्टेंसाइट वॉल्यूम अंश (\(\xi\)) देता है।घटनात्मक संवैधानिक मॉडल सबसे पहले तनाका28 द्वारा प्रस्तावित किया गया था और बाद में लियांग29 और ब्रिंसन30 द्वारा अपनाया गया था।समीकरण के व्युत्पन्न का रूप है:
जहां E, चरण पर निर्भर SMA यंग का मापांक है जिसे \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) और \(E_A\) और \(E_M\) का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है, जो यंग के मापांक का प्रतिनिधित्व करते हैं, क्रमशः ऑस्टेनिटिक और मार्टेंसिटिक चरण हैं, और थर्मल विस्तार के गुणांक को \(\theta _T\) द्वारा दर्शाया जाता है।चरण संक्रमण योगदान कारक \(\Omega = -E \epsilon _L\) है और \(\epsilon _L\) SMA तार में अधिकतम पुनर्प्राप्ति योग्य तनाव है।
चरण गतिकी समीकरण लिआंग29 द्वारा विकसित कोसाइन फ़ंक्शन के साथ मेल खाता है और बाद में तनाका28 द्वारा प्रस्तावित घातीय फ़ंक्शन के बजाय ब्रिंसन30 द्वारा अपनाया गया।चरण संक्रमण मॉडल इलाखिनिया और अहमदियन34 द्वारा प्रस्तावित मॉडल का विस्तार है और लिआंग29 और ब्रिंसन30 द्वारा दी गई चरण संक्रमण स्थितियों के आधार पर संशोधित किया गया है।इस चरण संक्रमण मॉडल के लिए उपयोग की जाने वाली शर्तें जटिल थर्मोमैकेनिकल भार के तहत मान्य हैं।समय के प्रत्येक क्षण में, संवैधानिक समीकरण को मॉडलिंग करते समय मार्टेंसाइट के आयतन अंश के मूल्य की गणना की जाती है।
हीटिंग स्थितियों के तहत मार्टेंसाइट के ऑस्टेनाइट में परिवर्तन द्वारा व्यक्त शासकीय पुनर्परिवर्तन समीकरण इस प्रकार है:
जहां \(\xi\) मार्टेंसाइट का आयतन अंश है, \(\xi _M\) गर्म करने से पहले प्राप्त मार्टेंसाइट का आयतन अंश है, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) और \(C_A\) - वक्र सन्निकटन पैरामीटर, T - SMA तार तापमान, \(A_s\) और \(A_f\) - a की शुरुआत और अंत यूस्टेनाइट चरण, क्रमशः, तापमान।
शीतलन स्थितियों के तहत ऑस्टेनाइट के मार्टेंसाइट में चरण परिवर्तन द्वारा दर्शाया गया प्रत्यक्ष परिवर्तन नियंत्रण समीकरण है:
जहां \(\xi _A\) ठंडा होने से पहले प्राप्त मार्टेंसाइट का आयतन अंश है, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s - M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) और \ ( C_M \) - वक्र फिटिंग पैरामीटर, T - SMA तार तापमान, \(M_s\) और \(M_f\) - क्रमशः प्रारंभिक और अंतिम मार्टेंसाइट तापमान।
समीकरण (3) और (4) को विभेदित करने के बाद, व्युत्क्रम और प्रत्यक्ष परिवर्तन समीकरणों को निम्नलिखित रूप में सरल बनाया गया है:
आगे और पीछे परिवर्तन के दौरान \(\eta _{\sigma}\) और \(\eta _{T}\) अलग-अलग मान लेते हैं।\(\eta _{\sigma}\) और \(\eta _{T}\) से जुड़े बुनियादी समीकरण निकाले गए हैं और एक अतिरिक्त अनुभाग में विस्तार से चर्चा की गई है।
एसएमए तार का तापमान बढ़ाने के लिए आवश्यक तापीय ऊर्जा जूल हीटिंग प्रभाव से आती है।एसएमए तार द्वारा अवशोषित या जारी थर्मल ऊर्जा को परिवर्तन की गुप्त गर्मी द्वारा दर्शाया जाता है।एसएमए तार में गर्मी का नुकसान मजबूर संवहन के कारण होता है, और विकिरण के नगण्य प्रभाव को देखते हुए, गर्मी ऊर्जा संतुलन समीकरण इस प्रकार है:
जहां \(m_{wire}\) SMA तार का कुल द्रव्यमान है, \(c_{p}\) SMA की विशिष्ट ताप क्षमता है, \(V_{in}\) तार पर लागू वोल्टेज है, \(R_{ohm} \ ) - चरण-निर्भर प्रतिरोध SMA, के रूप में परिभाषित किया गया है;\(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) जहां \(r_M\ ) और \(r_A\) क्रमशः मार्टेंसाइट और ऑस्टेनाइट में SMA चरण प्रतिरोधकता हैं, \(A_{c}\) SMA तार का सतह क्षेत्र है, \(\Delta H \) एक आकार स्मृति मिश्र धातु है।तार के संक्रमण की गुप्त ऊष्मा, T और \(T_{\infty}\) क्रमशः SMA तार और पर्यावरण का तापमान हैं।
जब एक आकार मेमोरी मिश्र धातु तार सक्रिय होता है, तो तार संपीड़ित होता है, जिससे बिमोडल डिज़ाइन की प्रत्येक शाखा में एक बल बनता है जिसे फाइबर बल कहा जाता है।एसएमए तार के प्रत्येक स्ट्रैंड में तंतुओं के बल मिलकर मांसपेशियों को सक्रिय करने के लिए बल बनाते हैं, जैसा कि चित्र 9ई में दिखाया गया है।बायसिंग स्प्रिंग की उपस्थिति के कारण, Nth मल्टीलेयर एक्चुएटर की कुल मांसपेशी शक्ति है:
\(N = 1\) को समीकरण (7) में प्रतिस्थापित करते हुए, पहले चरण के बिमोडल ड्राइव प्रोटोटाइप की मांसपेशियों की ताकत निम्नानुसार प्राप्त की जा सकती है:
जहां n यूनिमॉडल पैरों की संख्या है, \(F_m\) ड्राइव द्वारा उत्पन्न मांसपेशी बल है, \(F_f\) SMA तार में फाइबर की ताकत है, \(K_x\) पूर्वाग्रह कठोरता है।स्प्रिंग, \(\alpha\) त्रिभुज का कोण है, \(x_0\) SMA केबल को पूर्व-तनावपूर्ण स्थिति में रखने के लिए बायस स्प्रिंग का प्रारंभिक ऑफसेट है, और \(\Delta x\) एक्चुएटर यात्रा है।
ड्राइव का कुल विस्थापन या संचलन (\(\Delta x\)) वोल्टेज (\(\sigma\)) और तनाव (\(\epsilon\)) के आधार पर Nth चरण के SMA तार पर, ड्राइव को सेट किया जाता है (चित्र देखें। आउटपुट का अतिरिक्त भाग):
गतिज समीकरण ड्राइव विरूपण (\(\epsilon\)) और विस्थापन या विस्थापन (\(\Delta x\)) के बीच संबंध देते हैं।एक यूनिमॉडल शाखा में किसी भी समय t पर प्रारंभिक Arb तार की लंबाई (\(l_0\)) और तार की लंबाई (l) के एक फ़ंक्शन के रूप में Arb तार का विरूपण इस प्रकार है:
जहां \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 - 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\' को \(\Delta\)ABB ' में कोसाइन फॉर्मूला लागू करके प्राप्त किया जाता है, जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है। पहले चरण की ड्राइव (\(N = 1\)) के लिए, \(\Delta x_1\) \(\Delta x\) है, और \(\ alpha _1\) \(\alpha \) है जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है, समीकरण (11) से समय को अलग करके और l के मान को प्रतिस्थापित करके, तनाव दर को इस प्रकार लिखा जा सकता है:
जहां \(l_0\) SMA तार की प्रारंभिक लंबाई है, l एक यूनिमॉडल शाखा में किसी भी समय t तार की लंबाई है, \(\epsilon\) SMA तार में विकसित विकृति है, और \(\alpha \) त्रिकोण का कोण है, \(\Delta x\) ड्राइव ऑफसेट है (जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है)।
सभी n एकल-शिखर संरचनाएं (\(n=6\) इस चित्र में) इनपुट वोल्टेज के रूप में \(V_{in}\) के साथ श्रृंखला में जुड़ी हुई हैं।स्टेज I: शून्य वोल्टेज स्थितियों के तहत एक द्विमोडल कॉन्फ़िगरेशन में एसएमए तार का योजनाबद्ध आरेख स्टेज II: एक नियंत्रित संरचना दिखाई जाती है जहां एसएमए तार व्युत्क्रम रूपांतरण के कारण संपीड़ित होता है, जैसा कि लाल रेखा द्वारा दिखाया गया है।
अवधारणा के प्रमाण के रूप में, प्रायोगिक परिणामों के साथ अंतर्निहित समीकरणों की सिम्युलेटेड व्युत्पत्ति का परीक्षण करने के लिए एक एसएमए-आधारित बिमोडल ड्राइव विकसित किया गया था।बिमोडल लीनियर एक्चुएटर का CAD मॉडल अंजीर में दिखाया गया है।9ए.दूसरी ओर, चित्र में।9सी एक द्वि-प्लेन एसएमए-आधारित एक्चुएटर का उपयोग करके एक द्वि-मॉडल संरचना के साथ घूर्णी प्रिज्मीय कनेक्शन के लिए प्रस्तावित एक नया डिज़ाइन दिखाता है।ड्राइव घटकों को अल्टिमेकर 3 एक्सटेंडेड 3डी प्रिंटर पर एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग का उपयोग करके तैयार किया गया था।घटकों की 3डी प्रिंटिंग के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्री पॉली कार्बोनेट है जो गर्मी प्रतिरोधी सामग्री के लिए उपयुक्त है क्योंकि यह मजबूत, टिकाऊ है और इसमें उच्च ग्लास संक्रमण तापमान (110-113 \(^{\circ }\) C) है।इसके अलावा, डायनालॉय, इंक. फ्लेक्सिनोल आकार मेमोरी मिश्र धातु तार का प्रयोग प्रयोगों में किया गया था, और फ्लेक्सिनोल तार के अनुरूप भौतिक गुणों का उपयोग सिमुलेशन में किया गया था।मल्टीलेयर एक्चुएटर्स द्वारा उत्पादित उच्च बलों को प्राप्त करने के लिए एकाधिक एसएमए तारों को मांसपेशियों की द्विमोडल व्यवस्था में मौजूद फाइबर के रूप में व्यवस्थित किया जाता है, जैसा कि चित्र 9 बी, डी में दिखाया गया है।
जैसा कि चित्र 9a में दिखाया गया है, गतिशील भुजा SMA तार द्वारा बनने वाले न्यून कोण को कोण (\(\alpha\)) कहा जाता है।बाएँ और दाएँ क्लैंप से जुड़े टर्मिनल क्लैंप के साथ, SMA तार को वांछित बिमोडल कोण पर रखा जाता है।स्प्रिंग कनेक्टर पर लगे बायस स्प्रिंग डिवाइस को एसएमए फाइबर की संख्या (एन) के अनुसार विभिन्न बायस स्प्रिंग एक्सटेंशन समूहों को समायोजित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।इसके अलावा, चलने वाले हिस्सों का स्थान डिज़ाइन किया गया है ताकि एसएमए तार मजबूर संवहन शीतलन के लिए बाहरी वातावरण के संपर्क में आ सके।अलग करने योग्य असेंबली की ऊपरी और निचली प्लेटें वजन कम करने के लिए डिज़ाइन किए गए एक्सट्रूडेड कटआउट के साथ एसएमए तार को ठंडा रखने में मदद करती हैं।इसके अलावा, सीएमए तार के दोनों सिरों को एक क्रिंप के माध्यम से क्रमशः बाएं और दाएं टर्मिनलों पर तय किया जाता है।ऊपर और नीचे की प्लेटों के बीच निकासी बनाए रखने के लिए मूवेबल असेंबली के एक छोर पर एक प्लंजर जुड़ा हुआ है।एसएमए तार सक्रिय होने पर अवरोधक बल को मापने के लिए एक संपर्क के माध्यम से सेंसर पर अवरोधक बल लगाने के लिए प्लंजर का भी उपयोग किया जाता है।
बिमोडल मांसपेशी संरचना एसएमए विद्युत रूप से श्रृंखला में जुड़ी हुई है और एक इनपुट पल्स वोल्टेज द्वारा संचालित है।वोल्टेज पल्स चक्र के दौरान, जब वोल्टेज लगाया जाता है और एसएमए तार को ऑस्टेनाइट के प्रारंभिक तापमान से ऊपर गर्म किया जाता है, तो प्रत्येक स्ट्रैंड में तार की लंबाई कम हो जाती है।यह प्रत्यावर्तन गतिशील भुजा उपसंयोजन को सक्रिय करता है।जब उसी चक्र में वोल्टेज शून्य हो गया, तो गर्म एसएमए तार को मार्टेंसाइट सतह के तापमान से नीचे ठंडा कर दिया गया, जिससे वह अपनी मूल स्थिति में लौट आया।शून्य तनाव की स्थिति के तहत, एसएमए तार को पहले एक बायस स्प्रिंग द्वारा निष्क्रिय रूप से खींचा जाता है ताकि डिटविन्ड मार्टेंसिटिक अवस्था तक पहुंच सके।पेंच, जिसके माध्यम से एसएमए तार गुजरता है, एसएमए तार पर वोल्टेज पल्स लगाने से उत्पन्न संपीड़न के कारण चलता है (एसपीए ऑस्टेनाइट चरण तक पहुंचता है), जिससे चल लीवर सक्रिय हो जाता है।जब एसएमए तार को पीछे खींचा जाता है, तो बायस स्प्रिंग स्प्रिंग को और खींचकर एक विरोधी बल बनाता है।जब आवेग वोल्टेज में तनाव शून्य हो जाता है, तो एसएमए तार लंबा हो जाता है और मजबूर संवहन शीतलन के कारण अपना आकार बदल लेता है, जो डबल मार्टेंसिटिक चरण तक पहुंच जाता है।
प्रस्तावित एसएमए-आधारित लीनियर एक्चुएटर सिस्टम में एक द्विमॉडल कॉन्फ़िगरेशन है जिसमें एसएमए तारों को कोण दिया जाता है।(ए) प्रोटोटाइप के सीएडी मॉडल को दर्शाता है, जिसमें प्रोटोटाइप के लिए कुछ घटकों और उनके अर्थों का उल्लेख है, (बी, डी) विकसित प्रयोगात्मक प्रोटोटाइप 35 का प्रतिनिधित्व करता है।जबकि (बी) विद्युत कनेक्शन और बायस स्प्रिंग्स और स्ट्रेन गेज के साथ प्रोटोटाइप का एक शीर्ष दृश्य दिखाता है, (डी) सेटअप का एक परिप्रेक्ष्य दृश्य दिखाता है।(ई) एसएमए तारों के साथ एक रैखिक सक्रियण प्रणाली का आरेख, किसी भी समय टी पर द्विपक्षीय रूप से रखा गया है, जो फाइबर और मांसपेशियों की ताकत की दिशा और पाठ्यक्रम दिखाता है।(सी) दो-प्लेन एसएमए-आधारित एक्चुएटर को तैनात करने के लिए 2-डीओएफ घूर्णी प्रिज्मीय कनेक्शन प्रस्तावित किया गया है।जैसा कि दिखाया गया है, लिंक एक घूर्णी कनेक्शन बनाते हुए निचली ड्राइव से ऊपरी बांह तक रैखिक गति संचारित करता है।दूसरी ओर, प्रिज्म जोड़ी की गति मल्टीलेयर प्रथम चरण ड्राइव की गति के समान है।
एसएमए पर आधारित बाइमोडल ड्राइव के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए चित्र 9बी में दिखाए गए प्रोटोटाइप पर एक प्रायोगिक अध्ययन किया गया था।जैसा कि चित्र 10ए में दिखाया गया है, प्रयोगात्मक सेटअप में एसएमए तारों को इनपुट वोल्टेज की आपूर्ति करने के लिए एक प्रोग्रामयोग्य डीसी बिजली की आपूर्ति शामिल थी।जैसा कि चित्र में दिखाया गया है।10बी, एक पीजोइलेक्ट्रिक स्ट्रेन गेज (पीएसीलाइन सीएफटी/5केएन) का उपयोग ग्राफटेक जीएल-2000 डेटा लॉगर का उपयोग करके अवरोधक बल को मापने के लिए किया गया था।डेटा को आगे के अध्ययन के लिए होस्ट द्वारा रिकॉर्ड किया जाता है।स्ट्रेन गेज और चार्ज एम्पलीफायरों को वोल्टेज सिग्नल उत्पन्न करने के लिए निरंतर बिजली आपूर्ति की आवश्यकता होती है।पीज़ोइलेक्ट्रिक बल सेंसर की संवेदनशीलता और तालिका 2 में वर्णित अन्य मापदंडों के अनुसार संबंधित संकेतों को पावर आउटपुट में परिवर्तित किया जाता है। जब वोल्टेज पल्स लगाया जाता है, तो एसएमए तार का तापमान बढ़ जाता है, जिससे एसएमए तार संपीड़ित हो जाता है, जिससे एक्चुएटर बल उत्पन्न करता है।7 वी के इनपुट वोल्टेज पल्स द्वारा मांसपेशियों की ताकत के उत्पादन के प्रयोगात्मक परिणाम अंजीर में दिखाए गए हैं।2ए.
(ए) एक्चुएटर द्वारा उत्पन्न बल को मापने के लिए प्रयोग में एक एसएमए-आधारित रैखिक एक्चुएटर प्रणाली स्थापित की गई थी।लोड सेल अवरोधक बल को मापता है और 24 वी डीसी बिजली आपूर्ति द्वारा संचालित होता है।जीडब्ल्यू इंस्टेक प्रोग्रामयोग्य डीसी बिजली आपूर्ति का उपयोग करके केबल की पूरी लंबाई पर 7 वी वोल्टेज ड्रॉप लागू किया गया था।एसएमए तार गर्मी के कारण सिकुड़ जाता है, और चल भुजा लोड सेल से संपर्क करती है और एक अवरोधक बल लगाती है।लोड सेल GL-2000 डेटा लॉगर से जुड़ा है और डेटा को आगे की प्रक्रिया के लिए होस्ट पर संग्रहीत किया जाता है।(बी) मांसपेशियों की ताकत को मापने के लिए प्रायोगिक सेटअप के घटकों की श्रृंखला दिखाने वाला आरेख।
आकार स्मृति मिश्र धातु तापीय ऊर्जा से उत्तेजित होती है, इसलिए आकार स्मृति घटना का अध्ययन करने के लिए तापमान एक महत्वपूर्ण पैरामीटर बन जाता है।प्रायोगिक तौर पर, जैसा कि चित्र 11ए में दिखाया गया है, थर्मल इमेजिंग और तापमान माप एक प्रोटोटाइप एसएमए-आधारित डायवलरेट एक्चुएटर पर किया गया था।एक प्रोग्रामयोग्य डीसी स्रोत ने प्रायोगिक सेटअप में एसएमए तारों पर इनपुट वोल्टेज लागू किया, जैसा कि चित्र 11बी में दिखाया गया है।एसएमए तार के तापमान परिवर्तन को उच्च रिज़ॉल्यूशन वाले LWIR कैमरे (FLIR A655sc) का उपयोग करके वास्तविक समय में मापा गया था।होस्ट आगे की पोस्ट-प्रोसेसिंग के लिए डेटा रिकॉर्ड करने के लिए रिसर्चआईआर सॉफ़्टवेयर का उपयोग करता है।जब वोल्टेज पल्स लगाया जाता है, तो एसएमए तार का तापमान बढ़ जाता है, जिससे एसएमए तार सिकुड़ जाता है।अंजीर पर.चित्र 2बी 7वी इनपुट वोल्टेज पल्स के लिए एसएमए तार तापमान बनाम समय के प्रयोगात्मक परिणाम दिखाता है।
पोस्ट करने का समय: सितम्बर-28-2022