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Actuators yog siv nyob txhua qhov chaw thiab tsim kev tswj xyuas los ntawm kev siv lub zog excitation los yog torque los ua ntau yam haujlwm hauv kev tsim khoom thiab kev lag luam automation.Qhov xav tau kom ceev dua, me dua thiab siv tau zoo dua yog tsav kev tsim kho tshiab hauv kev tsim tsav.Shape Memory Alloy (SMA) drives muab ntau qhov zoo dua li cov qauv siv, suav nrog lub zog-rau-qhov hnyav piv.Hauv qhov kev tshaj tawm no, ob-feathered SMA-raws li actuator tau tsim los ua ke nrog qhov zoo ntawm cov leeg nqaij ntawm cov kab mob lom thiab cov khoom tshwj xeeb ntawm SMAs.Txoj kev tshawb no tshawb nrhiav thiab txuas ntxiv SMA actuators yav dhau los los ntawm kev tsim cov qauv lej ntawm tus actuator tshiab raws li bimodal SMA xaim xaim thiab sim nws sim.Piv nrog rau cov tsav uas paub raws li SMA, lub zog ua haujlwm ntawm tus tsav tshiab yog tsawg kawg yog 5 zaug siab dua (txog 150 N).Qhov hnyav poob yog kwv yees li 67%.Cov txiaj ntsig ntawm kev soj ntsuam rhiab heev ntawm cov qauv lej yog qhov muaj txiaj ntsig zoo rau kev kho cov qauv tsim thiab kev nkag siab cov ntsiab lus tseem ceeb.Txoj kev tshawb no ntxiv nthuav qhia ntau theem Nth theem tsav uas tuaj yeem siv los txhim kho kev muaj zog ntxiv.SMA-raws li dipvalerate leeg actuators muaj ntau yam kev siv, los ntawm lub tsev automation mus rau precision tshuaj xa tshuab.
Cov kab mob lom neeg, xws li cov leeg nqaij ntawm cov tsiaj nyeg, tuaj yeem qhib tau ntau yam kev hloov maj mam ua haujlwm 1.Cov tsiaj nyeg muaj cov leeg nqaij sib txawv, txhua qhov ua haujlwm tshwj xeeb.Txawm li cas los xij, feem ntau ntawm cov qauv ntawm cov leeg nqaij tuaj yeem muab faib ua ob pawg dav.Parallel thiab pennate.Nyob rau hauv lub hamstrings thiab lwm yam flexors, raws li lub npe qhia, lub musculature musculature muaj cov leeg nqaij fibers thaum uas tig mus rau hauv nruab nrab leeg.Cov saw ntawm cov nqaij fibers yog lined thiab functionally txuas los ntawm connective cov ntaub so ntswg nyob ib ncig ntawm lawv.Txawm hais tias cov leeg no tau hais tias muaj kev ncig ua si loj (feem pua ua kom luv), lawv lub zog tag nrho cov leeg muaj tsawg heev.Nyob rau hauv sib piv, nyob rau hauv lub triceps calf nqaij 2 (lateral gastrocnemius (GL) 3, medial gastrocnemius (GM) 4 thiab soleus (SOL)) thiab extensor femoris (quadriceps) 5,6 pennate leeg nqaij yog pom nyob rau hauv txhua leeg 7.Nyob rau hauv ib tug pinnate qauv, cov nqaij fibers nyob rau hauv lub bipennate musculature muaj nyob rau ntawm ob sab ntawm lub hauv paus leeg ntawm oblique ces kaum (pinnate ces kaum).Pennate los ntawm Latin lo lus "penna", uas txhais tau tias "tus cwj mem", thiab, raws li qhia hauv daim duab.1 muaj lub ntsej muag zoo li plaub.Cov fibers ntawm cov leeg pennate yog luv dua thiab angled rau longitudinal axis ntawm cov leeg.Vim yog cov qauv pinnate, tag nrho cov kev txav mus los ntawm cov leeg no raug txo, uas ua rau cov khoom sib txuas thiab ntev ntawm cov txheej txheem luv luv.Ntawm qhov tod tes, kev ua kom cov leeg no ua rau muaj zog dua tag nrho cov leeg nqaij vim qhov kev ntsuas ntawm qhov chaw ntawm lub cev.Yog li ntawd, rau ib cheeb tsam uas muab hlais, cov nqaij ntshiv pennate yuav muaj zog dua thiab yuav ua kom muaj zog ntau dua li cov nqaij uas muaj fiber ntau sib npaug.Lub zog tsim los ntawm ib tus neeg fibers tsim cov leeg nqaij ntawm qib macroscopic hauv cov leeg nqaij.Tsis tas li ntawd, nws muaj cov khoom tshwj xeeb xws li shrinkage ceev, tiv thaiv tensile puas, cushioning.Nws hloov pauv kev sib raug zoo ntawm fiber ntau cov tswv yim thiab cov leeg lub zog tso zis los ntawm kev siv cov yam ntxwv tshwj xeeb thiab geometric complexity ntawm fiber ntau nrog rau cov leeg kab ntawm kev ua.
Qhia tau tias yog cov duab kos duab ntawm SMA-raws li tus actuator tsim nyob rau hauv kev sib raug zoo rau ib tug bimodal nqaij mos architecture, piv txwv li (a), sawv cev rau kev sib cuam tshuam ntawm tactile quab yuam nyob rau hauv uas ib tug tes-zoo li tus ntaus ntawv actuated los ntawm SMA xov hlau yog mounted rau ib tug ob-wheeled autonomous mobile neeg hlau9,10., (b) Robotic orbital prosthesis nrog antagonistically muab tso rau SMA caij nplooj ntoos hlav-loaded orbital prosthesis.Txoj hauj lwm ntawm lub qhov muag prosthetic yog tswj los ntawm lub teeb liab los ntawm cov nqaij ntshiv ntawm lub qhov muag11, (c) SMA actuators yog qhov zoo tagnrho rau cov ntawv thov hauv qab dej vim lawv cov lus teb ntau zaus thiab qis bandwidth.Hauv qhov kev teeb tsa no, SMA actuators yog siv los tsim yoj yoj los ntawm kev simulating kev txav ntawm cov ntses, (d) SMA actuators yog siv los tsim cov micro yeeb nkab tshuaj xyuas neeg hlau uas tuaj yeem siv cov ntiv tes worm motion txoj cai, tswj los ntawm kev txav ntawm SMA xov hlau nyob rau hauv channel 10, (e) qhia cov kev taw qhia ntawm contraction nqaij fibers thiab generating cov nqaij ntshiv cov ntaub so ntswg nyob rau hauv cov ntaub so ntswg MA. cov leeg nqaij pennate.
Actuators tau dhau los ua ib feem tseem ceeb ntawm cov tshuab tshuab vim lawv cov kev siv ntau yam.Yog li ntawd, qhov kev xav tau ntawm cov tsav me me, nrawm dua thiab ua haujlwm tau zoo yog qhov tseem ceeb.Txawm hais tias lawv cov txiaj ntsig zoo, cov tsoos tsav tau ua pov thawj tias kim thiab siv sijhawm los tswj.Hydraulic thiab pneumatic actuators yog qhov nyuaj thiab kim thiab raug hnav, teeb meem lubrication thiab cov khoom tsis ua haujlwm.Hauv kev teb rau kev thov, lub hom phiaj yog los tsim cov nqi tsim nyog, sizing-optimized thiab advanced actuators raws li cov ntaub ntawv ntse.Kev tshawb fawb tsis tu ncua yog saib cov duab nco alloy (SMA) cov txheej txheem ua kom tau raws li qhov xav tau no.Hierarchical actuators yog tshwj xeeb nyob rau hauv uas lawv muab ntau discrete actuators rau hauv geometrically complex macro scale subsystems los muab ntau zog thiab nthuav functionality.Hauv qhov no, tib neeg cov nqaij leeg tau piav qhia saum toj no muab ib qho piv txwv zoo heev ntawm kev ua haujlwm ntau yam.Txoj kev tshawb fawb tam sim no piav qhia txog ntau theem SMA tsav nrog ntau tus neeg tsav tsheb (SMA xov hlau) ua raws li cov kev taw qhia fiber ntau tam sim no nyob rau hauv cov leeg bimodal, uas txhim kho tag nrho cov tsav tsheb.
Lub hom phiaj tseem ceeb ntawm tus actuator yog los tsim cov khoom siv hluav taws xob xws li kev quab yuam thiab kev hloov pauv los ntawm kev hloov hluav taws xob hluav taws xob.Shape memory alloys yog ib chav kawm ntawm "ntse" cov ntaub ntawv uas tuaj yeem kho lawv cov duab ntawm qhov kub thiab txias.Nyob rau hauv cov loads siab, qhov nce ntawm qhov kub ntawm SMA hlau ua rau cov duab rov qab, uas ua rau muaj zog ua kom muaj zog ntau dua piv rau ntau yam khoom siv ntse ncaj qha.Nyob rau tib lub sij hawm, nyob rau hauv mechanical loads, SMAs ua nkig.Nyob rau hauv tej yam kev mob, ib tug cyclic load tuaj yeem nqus tau thiab tso tawm lub zog ntawm lub zog, nthuav tawm cov kev hloov pauv hloov pauv hysteretic.Cov khoom tshwj xeeb no ua rau SMA zoo tagnrho rau cov sensors, kev co damping thiab tshwj xeeb tshaj yog actuators12.Nrog rau qhov no hauv siab, tau muaj kev tshawb fawb ntau rau hauv SMA-based drives.Nws yuav tsum raug sau tseg tias SMA-raws li actuators yog tsim los muab kev txhais lus thiab cov lus teb rau ntau yam kev siv 13,14,15.Txawm hais tias qee qhov kev hloov pauv hluav taws xob tau tsim los, cov kws tshawb fawb tshwj xeeb nyiam cov kab hluav taws xob.Cov linear actuators tuaj yeem muab faib ua peb hom actuators: ib-dimensional, hloov chaw thiab txawv actuators 16 .Thaum xub thawj, hybrid drives tau tsim ua ke nrog SMA thiab lwm cov qauv siv.Ib qho piv txwv ntawm SMA-raws li hybrid linear actuator yog kev siv SMA xaim nrog DC lub cev muaj zog los muab lub zog tso tawm ntawm ib puag ncig 100 N thiab kev hloov pauv tseem ceeb17.
Ib qho ntawm thawj qhov kev txhim kho hauv kev tsav tsheb raws li tag nrho ntawm SMA yog SMA parallel tsav.Siv ntau SMA xov hlau, SMA-raws li kev sib txuas tsav yog tsim los ua kom lub zog muaj peev xwm ntawm tus tsav los ntawm kev tso tag nrho SMA18 xov hlau nyob rau hauv parallel.Kev sib txuas ntawm cov actuators tsis tsuas yog xav tau lub zog ntau dua, tab sis kuj txwv lub zog tso zis ntawm ib lub xaim.Lwm qhov tsis zoo ntawm SMA raws li actuators yog qhov kev mus ncig tsawg uas lawv tuaj yeem ua tiav.Txhawm rau daws qhov teeb meem no, SMA cable beam tau tsim muaj cov kab hluav taws xob hloov tau yooj yim kom nce kev hloov pauv thiab ua tiav cov lus tsa suab, tab sis tsis tsim kom muaj zog dua 19.Mos deformable qauv thiab ntaub rau neeg hlau raws li cov duab nco alloys tau tsim feem ntau rau kev cuam tshuam amplification20,21,22.Rau cov ntawv thov uas yuav tsum tau muaj kev kub ceev, cov twj tso kua mis compact tau tshaj tawm siv cov zaj duab xis nyias SMAs rau micropump tsav applications23.Tsav zaus ntawm nyias zaj duab xis SMA daim nyias nyias yog qhov tseem ceeb hauv kev tswj kev ceev ntawm tus tsav tsheb.Yog li ntawd, SMA linear motors muaj cov lus teb zoo dua li SMA caij nplooj ntoos hlav lossis qws motors.Mos robotics thiab gripping technology yog ob daim ntawv thov uas siv SMA-raws li actuators.Piv txwv li, los hloov tus qauv actuator siv nyob rau hauv 25 N qhov chaw clamp, lub cim xeeb alloy parallel actuator 24 tau tsim.Hauv lwm qhov xwm txheej, SMA soft actuator tau tsim los ntawm cov xaim nrog cov matrix embedded muaj peev xwm tsim tau qhov siab tshaj plaws rub tawm ntawm 30 N. Vim lawv cov khoom siv kho tshuab, SMAs kuj tau siv los tsim cov actuators uas ua raws li cov xwm txheej lom neeg.Ib qho kev loj hlob zoo li no suav nrog 12-cell neeg hlau uas yog biomimetic ntawm cov kab mob hauv av zoo li SMA los ua kom muaj qhov sinusoidal motion rau hluav taws26,27.
Raws li tau hais ua ntej, muaj qhov txwv rau qhov siab tshaj plaws uas tuaj yeem tau txais los ntawm SMA-based actuators uas twb muaj lawm.Txhawm rau daws qhov teeb meem no, qhov kev tshawb fawb no nthuav tawm cov qauv biomimetic bimodal leeg.Tsav los ntawm cov duab nco alloy hlau.Nws muab cov txheej txheem kev faib tawm uas suav nrog ntau lub cim xeeb hlau hlau.Txog niaj hnub no, tsis muaj SMA-based actuators nrog cov qauv zoo sib xws tau tshaj tawm hauv cov ntaub ntawv.Qhov no tshwj xeeb thiab cov txheej txheem tshiab raws li SMA tau tsim los kawm txog tus cwj pwm ntawm SMA thaum lub sij hawm bimodal leeg sib dhos.Piv rau SMA-raws li actuators uas twb muaj lawm, lub hom phiaj ntawm txoj kev tshawb no yog los tsim ib tug biomimetic dipvalerate actuator los tsim kom muaj zog ntau dua nyob rau hauv ib tug me me ntim.Piv nrog rau cov pa stepper lub cev muaj zog tsav tsav siv nyob rau hauv HVAC lub tsev automation thiab tswj systems, lub tswv yim SMA-based bimodal tsav tsim txo qhov hnyav ntawm lub tshuab tsav los ntawm 67%.Hauv qab no, cov lus "cov leeg" thiab "tsav" yog siv sib hloov.Txoj kev tshawb no tshawb xyuas qhov kev sim ua kom muaj ntau yam ntawm cov tsav no.Kev coj tus cwj pwm ntawm cov tshuab zoo li no tau kawm los ntawm kev sim thiab kev tshuaj ntsuam xyuas.Kev quab yuam thiab qhov kub thiab txias tau raug tshawb xyuas ntxiv ntawm qhov hluav taws xob input ntawm 7 V. Tom qab ntawd, ib qho kev ntsuas parametric tau ua kom nkag siab zoo dua qhov kev sib raug zoo ntawm qhov tseem ceeb thiab qhov tso zis quab yuam.Thaum kawg, hierarchical actuators tau pom zoo thiab qib hierarchical cov teebmeem tau raug npaj ua thaj tsam yav tom ntej rau cov tsis-magnetic actuators rau kev siv cov khoom siv.Raws li cov txiaj ntsig ntawm cov kev tshawb fawb saum toj no, kev siv ib-theem architecture tsim muaj zog tsawg kawg yog plaub mus rau tsib npaug ntau dua li tshaj tawm SMA-based actuators.Tsis tas li ntawd, tib lub zog tsav tsim los ntawm ntau theem ntau theem tsav tau pom tias muaj ntau tshaj kaum npaug ntawm cov qauv SMA-raws li cov tsav.Txoj kev tshawb no qhia txog qhov tseem ceeb ntawm kev siv cov kev soj ntsuam rhiab heev ntawm cov qauv sib txawv thiab cov tswv yim sib txawv.Thawj qhov ntev ntawm SMA hlau (\(l_0\)), lub pinnate lub kaum sab xis (\(\alpha\)) thiab tus naj npawb ntawm ib leeg strands (n) nyob rau hauv txhua tus neeg strand muaj ib tug muaj zog tsis zoo rau qhov loj ntawm lub zog tsav.lub zog, thaum lub input voltage (zog) tig mus rau qhov zoo correlated.
SMA xaim nthuav tawm cov duab cim xeeb (SME) pom hauv cov nickel-titanium (Ni-Ti) tsev neeg ntawm cov alloys.Feem ntau, SMAs nthuav tawm ob theem nyob ntawm qhov kub thiab txias: theem qis kub thiab theem kub siab.Ob theem muaj cov khoom tshwj xeeb vim muaj cov qauv siv lead ua sib txawv.Nyob rau hauv lub austenite theem (siab kub theem) uas twb muaj lawm saum toj no lub transformation kub, cov ntaub ntawv uas muaj siab zog thiab tsis zoo deformed nyob rau hauv load.Cov alloy coj zoo li cov hlau tsis muaj steel, yog li nws muaj peev xwm tiv taus siab dua actuation pressures.Ua kom zoo dua ntawm cov cuab yeej no ntawm Ni-Ti alloys, SMA xov hlau yog slanted los ua tus actuator.Cov qauv ntsuas tsim nyog yog tsim los kom nkag siab txog cov txheej txheem tseem ceeb ntawm kev coj tus cwj pwm thermal ntawm SMA nyob rau hauv kev cuam tshuam ntawm ntau yam tsis muaj thiab ntau yam geometries.Kev pom zoo zoo tau txais los ntawm qhov kev sim thiab kev soj ntsuam.
Kev tshawb nrhiav kev sim tau ua tiav ntawm tus qauv qhia hauv daim duab 9a los ntsuas qhov ua tau zoo ntawm lub tshuab tsav bimodal raws li SMA.Ob ntawm cov khoom no, lub zog tsim los ntawm lub zog tsav (cov leeg nqaij) thiab qhov kub ntawm SMA hlau (SMA kub), tau ntsuas kev sim.Raws li qhov sib txawv ntawm qhov hluav taws xob nce ntxiv raws li tag nrho qhov ntev ntawm cov xaim hauv lub tsav, qhov kub ntawm cov hlau nce vim yog Joule cua sov nyhuv.Lub input voltage tau siv nyob rau hauv ob lub voj voog 10-s (pom liab dots hauv daim duab 2a, b) nrog lub sijhawm 15-s txias ntawm txhua lub voj voog.Lub zog thaiv kev ntsuas tau ntsuas los ntawm kev ntsuas piezoelectric strain gauge, thiab qhov ntsuas kub ntawm SMA xaim tau saib xyuas lub sijhawm tiag tiag siv lub koob yees duab scientific-qib siab LWIR (saib cov yam ntxwv ntawm cov khoom siv hauv Table 2).qhia tau hais tias thaum lub sij hawm high voltage theem, qhov kub ntawm cov hlau tsub kom monotonically, tab sis thaum tsis muaj tam sim no ntws, qhov kub ntawm cov hlau tseem poob.Hauv kev teeb tsa kev sim tam sim no, qhov kub ntawm SMA xaim poob thaum lub caij txias, tab sis nws tseem nyob saum qhov ntsuas kub.Ntawm daim duab.2e qhia cov duab ntawm qhov kub thiab txias ntawm SMA xaim coj los ntawm LWIR lub koob yees duab.Ntawm qhov tod tes, hauv daim duab.2a qhia tau hais tias lub zog thaiv kev tsim los ntawm lub tshuab tsav.Thaum cov leeg nqaij muaj zog tshaj lub zog ntawm lub caij nplooj ntoos hlav, lub caj npab txav tau, raws li qhia hauv daim duab 9a, pib txav mus.Sai li sai tau pib actuation, lub caj npab txav tau los rau hauv kev sib cuag nrog lub sensor, tsim lub cev quab yuam, raws li qhia hauv daim duab.2 c,ua d.Thaum qhov kub siab tshaj plaws nyob ze rau \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), qhov siab tshaj plaws pom quab yuam yog 105 N.
Daim duab qhia tau hais tias qhov kev sim ntawm qhov ntsuas kub ntawm SMA hlau thiab lub zog tsim los ntawm SMA-based bimodal actuator thaum ob lub voj voog.Lub input voltage yog siv nyob rau hauv ob 10 thib ob cycles (pom liab dots) nrog ib tug 15 thib ob txias down lub sij hawm ntawm txhua lub voj voog.SMA hlau siv rau qhov kev sim yog 0.51 hli txoj kab uas hla Flexinol hlau los ntawm Dynalloy, Inc. (a) Daim duab qhia qhov kev sim quab yuam tau dhau ob lub voj voog, (c, d) qhia ob qho piv txwv ywj pheej ntawm qhov kev txiav txim ntawm caj npab actuators ntawm PACEline CFT / 5kN piezoelectric quab yuam transducer, (b) qhov siab tshaj plaws ntawm lub sij hawm MA qhia qhov kub thiab txias coj los ntawm SMA xaim siv FLIR ResearchIR software LWIR lub koob yees duab.Cov geometric parameters coj mus rau hauv tus account hauv kev sim tau muab rau hauv Table.ib.
Cov txiaj ntsig simulation ntawm tus qauv lej thiab cov txiaj ntsig kev sim tau muab piv rau hauv cov xwm txheej ntawm qhov hluav taws xob input ntawm 7V, raws li qhia hauv Fig.5.Raws li cov txiaj ntsig ntawm parametric tsom xam thiab txhawm rau zam kom tsis txhob muaj kev kub ntxhov ntawm SMA hlau, lub zog ntawm 11.2 W tau muab rau tus actuator.Ib qho programmable DC fais fab mov tau siv los muab 7V raws li cov khoom siv hluav taws xob, thiab qhov tam sim no ntawm 1.6A tau ntsuas thoob plaws cov hlau.Lub zog tsim los ntawm tus tsav thiab qhov kub ntawm SDR nce thaum siv tam sim no.Nrog rau qhov input voltage ntawm 7V, qhov siab tshaj plaws tso zis quab yuam tau los ntawm kev simulation cov txiaj ntsig thiab kev sim cov txiaj ntsig ntawm thawj lub voj voog yog 78 N thiab 96 N, feem.Nyob rau hauv lub thib ob lub voj voog, qhov siab tshaj plaws tso zis quab yuam ntawm kev simulation thiab kev sim ua tau yog 150 N thiab 105 N, raws li.Qhov tsis sib xws ntawm occlusion force ntsuas thiab cov ntaub ntawv sim yuav yog vim txoj kev siv los ntsuas occlusion quab yuam.Cov txiaj ntsig kev sim tau pom hauv daim duab.5a sib haum mus rau qhov ntsuas ntawm lub ntsuas phoo quab yuam, uas nyob rau hauv lem tau ntsuas thaum tsav ncej nyob rau hauv kev sib cuag nrog PACEline CFT / 5kN piezoelectric quab yuam transducer, raws li qhia nyob rau hauv daim duab.2s ib.Yog li ntawd, thaum tus tsav ncej tsis nyob rau hauv kev sib cuag nrog lub zog sensor nyob rau hauv thaum pib ntawm lub txias cheeb tsam, lub quab yuam tam sim ntawd yuav xoom, raws li qhia nyob rau hauv daim duab 2d.Tsis tas li ntawd, lwm yam kev ntsuas uas cuam tshuam rau kev tsim ntawm lub zog hauv lub voj voog tom ntej yog qhov tseem ceeb ntawm lub sijhawm txias thiab coefficient ntawm convective tshav kub hloov hauv lub voj voog dhau los.Los ntawm fig.2b, nws tuaj yeem pom tau tias tom qab 15 thib ob lub sijhawm txias, SMA xaim tsis ncav cuag chav sov thiab yog li ntawd muaj qhov kub thiab txias dua (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) nyob rau hauv lub voj voog thib ob piv nrog rau thawj lub voj voog (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Yog li, piv nrog rau thawj lub voj voog, qhov kub ntawm SMA xaim thaum lub sijhawm cua sov thib ob nce mus txog qhov pib austenite kub (\(A_s\)) ua ntej thiab nyob twj ywm hauv lub sijhawm hloov mus ntev dua, ua rau muaj kev ntxhov siab thiab quab yuam.Ntawm qhov tod tes, qhov kub thiab txias faib thaum lub sij hawm cua sov thiab cua txias tau los ntawm kev sim thiab simulations muaj qhov zoo sib xws rau cov piv txwv los ntawm kev tsom xam thermal.Kev sib piv ntawm SMA hlau thermal cov ntaub ntawv los ntawm kev sim thiab simulations pom qhov sib xws thaum lub sij hawm cua sov thiab cua txias thiab nyob rau hauv kev kam rau siab rau cov ntaub ntawv sim.Qhov siab tshaj plaws kub ntawm SMA xaim, tau los ntawm cov txiaj ntsig ntawm kev simulation thiab kev sim ntawm thawj lub voj voog, yog \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) thiab \(75\,^{\circ }\hbox {C }\, feem), thiab nyob rau hauv lub voj voog thib ob qhov siab tshaj plaws kub ntawm SMA xaim yog \( 94\,^, rhbox , \( 94\ , ,\,\,\,\,\)) hbox {C}\).Lub hauv paus tsim qauv paub meej tias cov nyhuv ntawm lub cim xeeb zoo.Lub luag haujlwm ntawm kev qaug zog thiab overheating tsis tau txiav txim siab hauv qhov kev tshuaj xyuas no.Nyob rau hauv lub neej yav tom ntej, tus qauv yuav raug txhim kho kom suav nrog cov keeb kwm kev ntxhov siab ntawm SMA hlau, ua rau nws tsim nyog rau kev siv engineering.Lub zog tso zis hluav taws xob thiab SMA qhov kub thiab txias tau txais los ntawm Simulink thaiv yog nyob rau hauv qhov tso cai kam rau ua ntawm cov ntaub ntawv sim nyob rau hauv cov xwm txheej ntawm cov khoom siv hluav taws xob hluav taws xob ntawm 7 V. Qhov no lees paub qhov tseeb thiab kev ntseeg siab ntawm tus qauv tsim lej.
Tus qauv lej tau tsim nyob rau hauv MathWorks Simulink R2020b ib puag ncig siv cov kev sib npaug yooj yim piav qhia hauv Cov Txheej Txheem Tshooj.Ntawm daim duab.3b qhia ib daim duab thaiv ntawm Simulink lej qauv.Tus qauv tau simulated rau 7V input voltage pulse raws li qhia hauv daim duab 2a, b.Cov txiaj ntsig ntawm cov tsis siv nyob rau hauv kev simulation tau teev nyob rau hauv Table 1. Cov txiaj ntsig ntawm kev simulation ntawm cov txheej txheem hloov pauv tau nthuav tawm hauv daim duab 1 thiab 1. Daim duab 3a thiab 4. Hauv daim duab.4a, b qhia qhov induced voltage nyob rau hauv lub SMA hlau thiab lub zog generated los ntawm tus actuator raws li ib tug muaj nuj nqi ntawm lub sij hawm. Thaum lub sij hawm rov qab hloov pauv (cua sov), thaum SMA hlau kub, \(T < A_s^{\prime}\) (stress-modified austenite theem pib kub), tus nqi ntawm kev hloov ntawm martensite ntim feem (\(\dot{\xi }\)) yuav yog xoom. Thaum lub sij hawm rov qab hloov pauv (cua sov), thaum SMA hlau kub, \(T < A_s^{\prime}\) (stress-modified austenite theem pib kub), tus nqi hloov ntawm martensite ntim feem (\(\dot{\xi }\)) yuav yog xoom. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T< A_s^{\prime}\) (темоператлуса на фицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\xi }\)) будет равно нулю. Thaum lub sij hawm rov qab hloov pauv (cua sov), thaum qhov kub ntawm SMA xaim, \(T < A_s^{\prime}\) (stress-modified austenite pib kub), tus nqi hloov ntawm martensite ntim feem (\(\dot{\xi }\ )) yuav yog xoom.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\))数的变化率(\(\dot{\xi }\)) 将为零.在反向转变（加热）中，当当当线温度\(t
(a) Simulation tshwm sim qhia qhov kub thiab txias ntawm qhov sib txuas ntawm qhov kub thiab txias hauv SMA-based divalerate actuator.Thaum cov hlau kub hla lub austenite hloov kub nyob rau hauv lub cua sov theem, qhov hloov pauv austenite hloov kub pib nce, thiab zoo ib yam li, thaum cov hlau qws kub hla lub martensitic hloov kub nyob rau hauv lub txias theem, lub martensitic hloov pauv kub txo.SMA rau kev ntsuas tus qauv ntawm cov txheej txheem actuation.(Rau cov ncauj lus kom ntxaws ntawm txhua qhov subsystem ntawm Simulink qauv, saib cov ntawv txuas ntxiv ntawm cov ntaub ntawv ntxiv.)
Cov txiaj ntsig ntawm kev tsom xam rau qhov sib txawv ntawm qhov sib txawv yog qhia rau ob lub voj voog ntawm 7V input voltage (10 thib ob lub voj voog sov thiab 15 thib ob lub voj voog txias).Thaum (ac) thiab (e) piav qhia txog kev faib tawm lub sijhawm, ntawm qhov tod tes, (d) thiab (f) qhia txog kev faib khoom nrog kub.Rau cov kev sib txuas lus, qhov siab tshaj plaws pom kev ntxhov siab yog 106 MPa (tsawg dua 345 MPa, hlau yield zog), lub zog yog 150 N, qhov siab tshaj plaws hloov chaw yog 270 µm, thiab qhov tsawg kawg nkaus martensitic ntim feem yog 0.91.Ntawm qhov tod tes, qhov kev hloov pauv ntawm kev ntxhov siab thiab kev hloov pauv ntawm qhov ntim feem ntawm martensite nrog qhov kub thiab txias zoo ib yam li cov yam ntxwv ntawm hysteresis.
Cov lus piav qhia tib yam siv rau kev hloov pauv ncaj qha (txias) los ntawm theem austenite mus rau theem martensite, qhov twg SMA hlau kub (T) thiab qhov kawg kub ntawm qhov kev ntxhov siab-hloov martensite theem (\(M_f^{\prime}\ )) zoo heev.Ntawm daim duab.4d, f qhia tau hais tias qhov kev hloov pauv ntawm qhov induced stress (\(\sigma\)) thiab lub ntim feem ntawm martensite (\(\xi\)) nyob rau hauv lub SMA hlau raws li ib tug muaj nuj nqi ntawm kev hloov nyob rau hauv kub ntawm SMA hlau (T), rau ob qho tib si tsav tsheb.Ntawm daim duab.Daim duab 3a qhia tau hais tias qhov kev hloov pauv ntawm qhov kub ntawm SMA xaim nrog lub sijhawm nyob ntawm cov khoom siv hluav taws xob hluav taws xob.Raws li tuaj yeem pom los ntawm daim duab, qhov kub ntawm cov hlau txuas ntxiv nce los ntawm kev muab cov cua sov ntawm xoom voltage thiab tom qab convective txias.Thaum lub sij hawm cua sov, lub retransformation ntawm martensite mus rau lub austenite theem pib thaum lub SMA hlau kub (T) hla qhov kev ntxhov siab-corrected austenite nucleation kub (\(A_s^{\prime}\)).Thaum lub sij hawm no, SMA hlau yog compressed thiab tus actuator generates quab yuam.Tsis tas li ntawd thaum lub caij txias, thaum qhov kub ntawm SMA xaim (T) hla lub nucleation kub ntawm qhov kev ntxhov siab-hloov kho martensite theem (\(M_s^{\prime}\)) muaj kev hloov pauv zoo los ntawm theem austenite mus rau theem martensite.lub zog tsav qis.
Lub ntsiab zoo ntawm cov tsav bimodal raws li SMA tuaj yeem tau txais los ntawm cov txiaj ntsig simulation.Nyob rau hauv cov ntaub ntawv ntawm ib tug voltage mem tes input, qhov kub ntawm lub SMA hlau nce vim lub Joule cua sov nyhuv.Tus nqi pib ntawm martensite ntim feem (\(\xi\)) yog teem rau 1, txij li thaum cov khoom yog pib nyob rau hauv ib tug tag nrho martensitic theem.Raws li cov hlau txuas ntxiv kom sov, qhov kub ntawm SMA hlau tshaj qhov kev ntxhov siab kho austenite nucleation kub \(A_s^{\prime}\), ua rau txo qis hauv martensite ntim feem, raws li pom hauv daim duab 4c.Tsis tas li ntawd, hauv daim duab.4e qhia txog kev faib cov strokes ntawm tus actuator hauv lub sijhawm, thiab hauv daim duab.5 - tsav lub zog ua haujlwm ntawm lub sijhawm.Ib qho kev sib npaug ntawm qhov sib npaug suav nrog qhov kub thiab txias, martensite ntim feem, thiab kev ntxhov siab uas tsim nyob rau hauv cov hlau, uas ua rau shrinkage ntawm SMA hlau thiab lub zog tsim los ntawm tus actuator.Raws li qhia hauv daim duab.4d, f, voltage variation nrog kub thiab martensite ntim feem variation nrog kub sib haum mus rau lub hysteresis yam ntxwv ntawm SMA nyob rau hauv cov ntaub ntawv simulated ntawm 7 V.
Kev sib piv ntawm kev tsav tsheb tsis tau txais los ntawm kev sim thiab ntsuas ntsuas.Cov xaim hluav taws xob tau raug xa mus rau lub zog hluav taws xob ntawm 7 V rau 10 vib nas this, tom qab ntawd txias rau 15 vib nas this (qib txias) dhau ob lub voj voog.Lub pinnate lub kaum sab xis yog teem rau \(40^{\circ}\) thiab thawj qhov ntev ntawm SMA hlau nyob rau hauv txhua tus pin ceg yog teem rau 83 hli.(a) Kev ntsuas lub zog tsav tsheb nrog lub xov tooj ntawm tes (b) Saib xyuas cov hlau kub nrog lub koob yees duab thermal infrared.
Txhawm rau kom nkag siab txog qhov cuam tshuam ntawm lub cev tsis muaj zog ntawm lub zog tsim los ntawm kev tsav tsheb, kev soj ntsuam ntawm qhov rhiab heev ntawm tus qauv lej rau cov kev xaiv lub cev tsis tau raug coj los ua, thiab cov kev ntsuas tau raug ntsuas raws li lawv lub zog.Ua ntej, qhov piv txwv ntawm cov qauv ntsuas tau ua tiav siv cov qauv tsim qauv uas ua raws li kev faib khoom sib xws (saib Cov Lus Qhia Ntxiv ntawm Kev Ntsuas Kev Ntsuas ).Nyob rau hauv cov ntaub ntawv no, tus qauv tsis muaj xws li input voltage (\(V_{in}\)), pib SMA hlau ntev (\(l_0\)), daim duab peb sab (\(\alpha\)), bias caij nplooj ntoos hlav tsis tu ncua (\(K_x\ )), lub convective tshav kub hloov coefficient (\(h_T\)) thiab tus naj npawb ntawm unimodal ceg (n).Nyob rau hauv cov kauj ruam tom ntej, lub siab tshaj plaws cov leeg nqaij tau raug xaiv raws li kev kawm tsim qauv thiab cov kev cuam tshuam parametric ntawm txhua pawg ntawm qhov sib txawv ntawm lub zog tau txais.Cov phiaj xwm cua daj cua dub rau kev tsom xam rhiab heev tau muab los ntawm cov coefficients sib raug zoo rau txhua qhov ntsuas, raws li qhia hauv daim duab 6a.
(a) Cov kev sib raug zoo coefficient qhov tseem ceeb ntawm cov qauv tsis thiab lawv cov txiaj ntsig ntawm qhov tso zis ntau tshaj plaws ntawm 2500 cov pab pawg tshwj xeeb ntawm cov qauv ntsuas saum toj no tau qhia hauv cov phiaj xwm tornado.Daim duab qhia txog kev sib raug zoo ntawm ntau qhov ntsuas.Nws yog qhov tseeb tias \(V_{in}\) tsuas yog qhov parameter nrog qhov zoo sib raug zoo, thiab \(l_0\) yog qhov parameter nrog qhov tsis zoo tshaj plaws.Cov txiaj ntsig ntawm ntau yam tsis sib xws hauv ntau qhov sib xyaw ua ke ntawm cov leeg nqaij muaj zog yog qhia hauv (b, c).\ (K_x \) li ntawm 400 txog 800 txog 800 n / m thiab 1 {} ({)
Ntawm daim duab.6a qhia tau hais tias muaj cua daj cua dub ntawm ntau yam kev sib raug zoo coefficients rau txhua qhov kev ntsuas nrog lub ncov tsav quab yuam tsim tsim.Los ntawm fig.6a nws tuaj yeem pom tias qhov ntsuas hluav taws xob (\(V_{in}\)) ncaj qha cuam tshuam rau qhov siab tshaj plaws tso zis quab yuam, thiab cov cua kub hloov pauv coefficient (\(h_T\)), nplaim lub kaum sab xis (\ (\alpha\)), lub caij nplooj ntoos hlav hloov pauv tsis tu ncua ( \(K_x\)) tsis zoo cuam tshuam nrog rau cov khoom siv hluav taws xob (\(\(h_T\))), lub kaum sab xis (\(\alpha\)) , lub caij nplooj ntoos hlav txav tsis tu ncua ( \(K_x\)) tsis zoo correlated nrog rau cov zis hluav taws xob (M\) thiab tus naj npawb ntawm cov zis (L) ceg (n) qhia tau hais tias muaj zog inverse correlation Nyob rau hauv cov ntaub ntawv ntawm direct correlation Nyob rau hauv cov ntaub ntawv ntawm ib tug ntau dua tus nqi ntawm lub voltage correlation coefficient (\(V_ {in}\)) qhia hais tias qhov parameter no muaj qhov zoo tshaj plaws ntawm lub hwj chim tso zis.Lwm qhov kev soj ntsuam zoo sib xws ntsuas lub zog siab tshaj plaws los ntawm kev ntsuas cov txiaj ntsig ntawm qhov sib txawv ntawm qhov sib txawv ntawm qhov sib txawv ntawm ob qhov chaw suav, raws li qhia hauv daim duab 6b, c.\(V_{in}\) thiab \(l_0\), \(\alpha\) thiab \(l_0\) muaj cov qauv zoo sib xws, thiab daim duab qhia tias \(V_{in}\) thiab \(\alpha\) thiab \(\alpha\) muaj cov qauv zoo sib xws.Cov nqi me me ntawm \(l_0\) ua rau muaj zog siab dua.Lwm qhov ob daim phiaj yog ua raws li daim duab 6a, qhov twg n thiab \(K_x\) tsis zoo correlated thiab \(V_{in}\) zoo correlated.Qhov kev tsom xam no pab txhawm rau txheeb xyuas thiab kho cov kev cuam tshuam cuam tshuam los ntawm qhov tso zis quab yuam, mob stroke thiab kev ua haujlwm ntawm lub tshuab tsav tuaj yeem hloov kho raws li qhov yuav tsum tau ua thiab daim ntawv thov.
Kev tshawb fawb tam sim no qhia thiab tshawb xyuas cov tsav tsheb hierarchical nrog N qib.Nyob rau hauv ob-theem hierarchy, raws li qhia nyob rau hauv daim duab. 7a, qhov twg es tsis txhob ntawm txhua SMA hlau ntawm thawj theem actuator, ib tug bimodal npaj tiav, raws li qhia nyob rau hauv daim duab.9 ib e.Ntawm daim duab.7c qhia tau hais tias SMA xaim li cas nyob ib ncig ntawm lub caj npab txav tau (ntsuas caj npab) uas tsuas yog txav mus rau qhov ntev.Txawm li cas los xij, thawj kauj ruam tseem ceeb tseem txav mus rau tib yam li lub caj npab txav tau ntawm 1st theem multi-theem actuator.Feem ntau, N-theem tsav yog tsim los ntawm kev hloov lub \(N-1\) theem SMA xaim nrog rau thawj-theem tsav.Raws li qhov tshwm sim, txhua ceg ua qauv ntawm thawj theem tsav, tshwj tsis yog cov ceg ntoo uas tuav cov hlau nws tus kheej.Nyob rau hauv txoj kev no, cov qauv nested tuaj yeem tsim tau uas tsim cov rog uas muaj ntau zaus ntau dua li lub zog ntawm cov thawj tsav.Hauv txoj kev tshawb no, rau txhua qib, tag nrho cov txiaj ntsig SMA xaim ntev ntawm 1 m tau muab coj los siv rau hauv tus account, raws li qhia hauv daim duab hauv daim duab 7d.Qhov tam sim no los ntawm txhua lub xaim hauv txhua qhov kev tsim qauv tsis zoo thiab qhov ua rau muaj zog thiab qhov hluav taws xob hauv txhua qhov SMA hlau ntu yog tib yam ntawm txhua qib.Raws li peb cov qauv kev soj ntsuam, qhov tso zis quab yuam yog qhov zoo sib xws nrog qib, thaum qhov kev hloov pauv tsis zoo cuam tshuam.Nyob rau tib lub sijhawm, muaj kev sib pauv ntawm kev hloov pauv thiab cov leeg nqaij.Raws li pom hauv daim duab.7b, thaum lub zog siab tshaj plaws tau ua tiav nyob rau hauv cov txheej txheem ntau tshaj plaws, qhov kev hloov pauv loj tshaj plaws tau pom nyob rau hauv cov txheej txheem qis tshaj plaws.Thaum lub hierarchy theem tau teem rau \(N = 5\), lub ncov leeg quab yuam ntawm 2.58 kN tau pom nrog 2 soj ntsuam strokes \(\upmu\) m.Ntawm qhov tod tes, thawj theem tsav tsim lub zog ntawm 150 N ntawm stroke ntawm 277 \(\upmu\)m.Multi-theem actuators muaj peev xwm ua raws li cov leeg nqaij tiag tiag, qhov twg cov leeg nqaij ua kom zoo raws li cov duab cim xeeb muaj peev xwm ua kom muaj zog ntau dua nrog cov lus meej thiab zoo dua.Cov kev txwv ntawm qhov kev tsim miniaturized no yog tias raws li cov hierarchy nce, lub zog txo qis heev thiab qhov nyuaj ntawm kev tsim cov txheej txheem tsav tsheb nce.
(a) Ob theem (\(N = 2\)) txheej txheej nco alloy linear actuator system yog qhia nyob rau hauv ib tug bimodal configuration.Cov qauv npaj tau ua tiav los ntawm kev hloov SMA xaim hauv thawj theem txheej txheej actuator nrog rau lwm theem txheej txheej actuator.(c) Deformed configuration ntawm theem ob multilayer actuator.(b) Kev faib tawm ntawm lub zog thiab kev hloov pauv nyob ntawm seb muaj pes tsawg qib tau piav qhia.Nws tau pom tias lub zog siab tshaj plaws ntawm tus actuator muaj qhov cuam tshuam zoo nrog qhov ntsuas theem ntawm daim duab, thaum lub stroke tsis zoo cuam tshuam nrog qhov ntsuas theem.Tam sim no thiab pre-voltage nyob rau hauv txhua lub xaim nyob twj ywm ntawm txhua theem.(d) Lub rooj qhia cov naj npawb ntawm cov kais dej thiab qhov ntev ntawm SMA hlau (fiber) ntawm txhua qib.Cov yam ntxwv ntawm cov xov hlau yog qhia los ntawm qhov ntsuas 1, thiab tus naj npawb ntawm cov ceg ntoo thib ob (ib qho txuas nrog thawj ceg) yog qhia los ntawm tus lej loj tshaj plaws hauv cov ntawv sau npe.Piv txwv li, nyob rau theem 5, \(n_1\) hais txog tus naj npawb ntawm SMA xov hlau tam sim no nyob rau hauv txhua tus qauv bimodal, thiab \(n_5\) yog hais txog tus naj npawb ntawm cov ceg pab (ib qho txuas nrog lub ntsiab ceg).
Ntau txoj hauv kev tau thov los ntawm ntau tus kws tshawb fawb los ua qauv tus cwj pwm ntawm SMAs nrog lub cim xeeb zoo, uas nyob ntawm cov khoom siv thermomechanical nrog rau cov kev hloov pauv macroscopic hauv cov qauv siv lead ua cuam tshuam nrog cov theem hloov.Lub formulation ntawm constitutive txoj kev yog inherently complex.Qhov feem ntau siv phenomenological qauv yog npaj los ntawm Tanaka28 thiab yog dav siv nyob rau hauv engineering daim ntaub ntawv.Tus qauv phenomenological tau thov los ntawm Tanaka [28] xav tias qhov ntim feem ntawm martensite yog qhov ua haujlwm ntawm qhov kub thiab txias.Tom qab ntawd, Liang thiab Rogers29 thiab Brinson30 tau npaj ib qho qauv uas qhov kev hloov pauv hloov pauv tau suav tias yog cosine muaj nuj nqi ntawm qhov hluav taws xob thiab qhov kub thiab txias, nrog kev hloov kho me ntsis rau tus qauv.Becker thiab Brinson tau npaj ib daim duab qhia theem raws li kinetic qauv los ua qauv ntawm tus cwj pwm ntawm SMA cov ntaub ntawv nyob rau hauv arbitrary loading tej yam kev mob raws li zoo raws li ib feem ntawm kev hloov.Banerjee32 siv Bekker thiab Brinson31 theem daim duab dynamics txoj kev los simulate ib tug degree ntawm kev ywj pheej manipulator tsim los ntawm Elahinia thiab Ahmadian33.Kinetic txoj kev raws li cov kab kos duab, uas coj mus rau hauv tus account qhov kev hloov pauv uas tsis yog-monotonic hauv qhov hluav taws xob nrog qhov kub thiab txias, yog qhov nyuaj rau kev siv hauv kev siv engineering.Elakhinia thiab Ahmadian kos xim rau cov kev tsis txaus ntawm cov qauv phenomenological uas twb muaj lawm thiab nthuav tawm cov qauv phenomenological txuas ntxiv los txheeb xyuas thiab txheeb xyuas tus cwj pwm nco zoo nyob rau hauv ib qho kev thauj khoom nyuaj.
Tus qauv qauv ntawm SMA hlau muab kev ntxhov siab (\(\sigma\)), strain (\(\epsilon\)), kub (T), thiab martensite ntim feem (\(\xi\)) ntawm SMA hlau.Tus qauv phenomenological constitutive yog thawj zaug tau thov los ntawm Tanaka28 thiab tom qab ntawd tau txais los ntawm Liang29 thiab Brinson30.Lub derivative ntawm qhov sib npaug muaj daim ntawv:
qhov twg E yog theem nyob ntawm SMA Young's modulus tau siv \(\displaystyle E = \xi E_M + (1-\xi )E_A\) thiab \(E_A\) thiab \(E_M\) sawv cev rau Young's modulus yog austenitic thiab martensitic theem, raws li, thiab cov coefficient ntawm thermal expansion (T \ta).Cov theem hloov pauv qhov txiaj ntsig yog \(\Omega = -E \epsilon _L\) thiab \(\epsilon _L\) yog qhov siab tshaj plaws rov qab tau zoo hauv SMA hlau.
Cov theem dynamics sib npaug coincides nrog lub cosine muaj nuj nqi tsim los ntawm Liang29 thiab tom qab tau txais los ntawm Brinson30 es tsis txhob ntawm cov exponential muaj nuj nqi tau npaj los ntawm Tanaka28.Tus qauv hloov pauv theem yog qhov txuas ntxiv ntawm tus qauv uas tau thov los ntawm Elakhinia thiab Ahmadian34 thiab hloov kho raws li theem kev hloov pauv tau muab los ntawm Liang29 thiab Brinson30.Cov xwm txheej siv rau cov qauv hloov pauv theem no siv tau raws li cov khoom siv thermomechanical nyuaj.Nyob rau txhua lub sijhawm, tus nqi ntawm qhov ntim feem ntawm martensite yog xam thaum ua qauv kev sib npaug.
Kev tswj hwm kev hloov pauv hloov pauv, qhia los ntawm kev hloov pauv ntawm martensite rau austenite nyob rau hauv cov cua sov, yog raws li nram no:
qhov twg \(\xi\) yog qhov ntim feem ntawm martensite, \(\xi _M\) yog qhov ntim feem ntawm martensite tau ua ntej cua sov, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \(\displaystyle b_A = -a_A/C_A\) thiab \(C_A\) thiab \(C_A\) -s parameter (C_A\) \) A_f\) - pib thiab xaus ntawm austenite theem, ntsig txog, kub.
Cov kev hloov pauv ncaj qha tswj vaj huam sib luag, sawv cev los ntawm theem kev hloov pauv ntawm austenite rau martensite nyob rau hauv txias txias, yog:
Qhov twg \ (\ xi _a \) yog cov ntim ntim ntawm martensite tau ua ntej txias, yog muaj) thiab \ (\ (\) _F \) - thawj zaug thiab kawg martensite kub, feem.
Tom qab qhov sib npaug (3) thiab (4) sib txawv, qhov sib npaug sib npaug thiab ncaj qha hloov pauv tau yooj yim rau hauv daim ntawv hauv qab no:
Thaum lub sij hawm rau pem hauv ntej thiab rov qab transformation \(\eta _{\sigma}\) thiab \(\eta _{T}\) coj txawv nqi.Cov kab zauv yooj yim txuam nrog \(\eta _{\sigma}\) thiab \(\eta _{T}\) tau muab los thiab sib tham kom ntxaws hauv ib ntu ntxiv.
Lub thermal zog yuav tsum tau nce qhov kub ntawm SMA hlau los ntawm Joule cua sov nyhuv.Lub thermal zog absorbed los yog tso tawm los ntawm SMA hlau yog sawv cev los ntawm latent tshav kub ntawm transformation.Lub tshav kub poob hauv SMA xaim yog vim raug yuam convection, thiab muab qhov tsis zoo ntawm hluav taws xob, qhov sib npaug ntawm lub zog hluav taws xob yog raws li hauv qab no:
Qhov twg \(m_{wire}\) yog tag nrho cov huab hwm coj ntawm SMA hlau, \(c_{p}\) yog qhov tshwj xeeb tshav kub muaj peev xwm ntawm SMA, \(V_{in}\) yog qhov voltage thov rau cov hlau, \(R_{ohm} \) – theem-nyob ntawm SMA, txhais raws li;\(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) qhov twg \(r_M\ ) thiab \(r_A\) yog SMA theem resistivity nyob rau hauv martensite thiab austenite, feem, \(A_{c}\) yog qhov chaw ntawm lub cim xeeb SMA (H)Lub latent cua sov ntawm kev hloov ntawm cov hlau, T thiab \(T_{\infty}\) yog qhov kub thiab txias ntawm SMA hlau thiab ib puag ncig, feem.
Thaum lub cim xeeb alloy hlau yog actuated, cov hlau compresses, tsim ib tug quab yuam nyob rau hauv txhua ceg ntawm bimodal tsim hu ua fiber quab yuam.Lub zog ntawm cov fibers hauv txhua txoj hlua ntawm SMA hlau ua ke tsim cov leeg nqaij kom ua kom muaj zog, raws li qhia hauv daim duab 9e.Vim muaj lub caij nplooj ntoos hlav biasing, tag nrho cov leeg nqaij ntawm Nth multilayer actuator yog:
Hloov \(N = 1\) rau hauv qhov sib npaug (7), cov leeg lub zog ntawm thawj theem bimodal tsav qauv tuaj yeem tau txais raws li hauv qab no:
qhov twg n yog tus naj npawb ntawm cov ceg tsis zoo, \(F_m\) yog cov leeg nqaij tsim los ntawm tus tsav, (F_f\) yog lub zog fiber ntau hauv SMA hlau, \(K_x\) yog qhov tsis ncaj ncees.caij nplooj ntoos hlav, \(\alpha\) yog lub kaum sab xis ntawm daim duab peb sab, \(x_0\) yog qhov pib offset ntawm lub caij nplooj ntoos hlav bias tuav lub SMA cable nyob rau hauv lub pre-tensioned txoj hauj lwm, thiab \(\Delta x\) yog lub actuator mus ncig teb chaws.
Tag nrho kev txav los yog txav ntawm lub tsav (\(\Delta x\)) nyob ntawm qhov voltage (\(\sigma\)) thiab strain (\(\epsilon\))) ntawm SMA xaim ntawm Nth theem, tus tsav yog teem rau (saib daim duab ntxiv ib feem ntawm cov zis):
Cov kinematic equations muab kev sib raug zoo ntawm tsav deformation (\(\epsilon\)) thiab txav los yog hloov chaw (\(\Delta x\)).Lub deformation ntawm Arb hlau raws li ib tug muaj nuj nqi ntawm thawj Arb hlau ntev (\(l_0\)) thiab cov hlau ntev (l) txhua lub sij hawm t nyob rau hauv ib tug unimodal ceg yog raws li nram no:
where \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) yog tau los ntawm kev siv cov qauv cosine hauv \(\Delta\)ABB ', raws li qhia hauv daim duab 8. For the first stage drive (\) \(N) = (1\) ), thiab \(\alpha _1\) yog \(\alpha \) raws li qhia nyob rau hauv Raws li pom nyob rau hauv daim duab 8, los ntawm kev sib txawv lub sij hawm los ntawm Equation (11) thiab hloov tus nqi ntawm l, tus strain rate yuav sau li:
qhov twg \(l_0\) yog qhov pib ntev ntawm SMA hlau, l yog qhov ntev ntawm cov hlau nyob rau txhua lub sij hawm t nyob rau hauv ib tug unimodal ceg, \(\epsilon\) yog lub deformation tsim nyob rau hauv lub SMA hlau, thiab \(\alpha \) yog lub kaum sab xis ntawm daim duab peb sab, \(\Delta x\) yog tus tsav offset (raws li qhia nyob rau hauv daim duab 8).
Tag nrho n ib leeg-peak structures (\(n=6\) nyob rau hauv daim duab no) yog txuas nrog nyob rau hauv series nrog \(V_{in}\) raws li input voltage.Theem I: Schematic daim duab ntawm SMA hlau nyob rau hauv ib tug bimodal configuration nyob rau hauv xoom voltage tej yam kev mob theem II: Ib tug tswj qauv yog qhia qhov twg SMA hlau yog compressed vim inverse conversion, raws li qhia los ntawm kab liab.
Raws li cov ntaub ntawv pov thawj ntawm lub tswv yim, SMA-based bimodal tsav tau tsim los ntsuas qhov simulated derivation ntawm qhov sib npaug hauv qab nrog cov txiaj ntsig kev sim.Tus qauv CAD ntawm bimodal linear actuator tau qhia hauv daim duab.9 ib a.Ntawm qhov tod tes, hauv daim duab.9c qhia tau hais tias tus qauv tsim tshiab tau npaj rau kev sib hloov prismatic kev sib txuas siv ob lub dav hlau SMA-raws li actuator nrog cov qauv bimodal.Cov khoom siv tsav tau tsim los siv kev tsim khoom ntxiv ntawm Ultimaker 3 Extended 3D tshuab luam ntawv.Cov khoom siv rau 3D luam ntawv ntawm cov khoom yog polycarbonate uas tsim nyog rau cov khoom siv hluav taws xob vim nws muaj zog, ruaj khov thiab muaj qhov kub hloov pauv iav (110-113 \(^{\circ }\) C).Tsis tas li ntawd, Dynalloy, Inc. Flexinol cov duab nco alloy hlau tau siv rau hauv kev sim, thiab cov khoom siv sib txuas nrog Flexinol hlau tau siv hauv kev simulations.Ntau SMA xov hlau yog teem raws li cov fibers tam sim no nyob rau hauv ib tug bimodal kev npaj ntawm cov nqaij ntshiv kom tau lub siab rog tsim los ntawm multilayer actuators, raws li qhia nyob rau hauv daim duab 9b, d.
Raws li pom hauv daim duab 9a, lub kaum sab xis tsim los ntawm lub caj npab txav tau SMA hlau yog hu ua lub kaum sab xis (\(\alpha\)).Nrog lub davhlau ya nyob twg clamps txuas rau sab laug thiab sab xis clamps, SMA hlau yog tuav ntawm lub kaum sab xis uas xav tau.Lub caij nplooj ntoos hlav tsis ncaj ncees tuav ntawm lub caij nplooj ntoos hlav txuas yog tsim los kho qhov sib txawv ntawm lub caij nplooj ntoos hlav txuas ntxiv raws li tus lej (n) ntawm SMA fibers.Tsis tas li ntawd, qhov chaw ntawm qhov chaw txav yog tsim los kom cov SMA xaim raug rau sab nraud ib puag ncig rau kev quab yuam convection txias.Sab saum toj thiab hauv qab daim hlau ntawm lub detachable sib dhos pab kom SMA hlau txias nrog extruded cutouts tsim los txo qhov hnyav.Tsis tas li ntawd, ob qhov kawg ntawm CMA hlau yog tsau rau sab laug thiab sab xis terminals, feem, los ntawm txoj kev crimp.Lub plunger yog txuas mus rau ib qho kawg ntawm lub rooj sib txoos txav tau los tswj kev tshem tawm ntawm cov phaj saum toj thiab hauv qab.Lub plunger kuj tseem siv los siv lub zog thaiv rau lub sensor ntawm kev sib cuag los ntsuas qhov thaiv quab yuam thaum lub SMA hlau yog actuated.
Cov leeg nqaij bimodal SMA yog hluav taws xob txuas nrog hauv cov koob thiab siv los ntawm cov khoom siv hluav taws xob hluav taws xob.Thaum lub sij hawm voltage mem tes voj voog, thaum voltage yog thov thiab SMA hlau yog rhuab saum toj no qhov pib kub ntawm lub austenite, qhov ntev ntawm cov hlau nyob rau hauv txhua strand yog shortened.Qhov no retraction activates lub movable caj npab subassembly.Thaum qhov hluav taws xob raug xoom nyob rau hauv tib lub voj voog, cov cua sov SMA xaim tau txias hauv qab qhov kub ntawm lub martensite nto, yog li rov qab mus rau nws txoj haujlwm qub.Nyob rau hauv xoom kev ntxhov siab, SMA hlau yog thawj zaug dhau los ntawm lub caij nplooj ntoos hlav tsis ncaj ncees kom ncav cuag lub xeev martensitic detwinned.Cov ntsia hlau, los ntawm qhov uas SMA xaim hla, txav mus los ntawm qhov compression tsim los ntawm kev siv lub zog hluav taws xob mus rau SMA xaim (SPA mus txog theem austenite), uas ua rau kev ua haujlwm ntawm lub zog txav tau.Thaum lub SMA hlau yog retracted, lub bias caij nplooj ntoos hlav tsim ib tug opposing quab yuam los ntawm ntxiv stretching lub caij nplooj ntoos hlav.Thaum cov kev ntxhov siab nyob rau hauv lub impulse voltage dhau los ua xoom, SMA xaim elongates thiab hloov nws cov duab vim yog yuam convection txias, mus txog rau theem ob martensitic.
Lub tswv yim SMA-raws li linear actuator system muaj ib tug bimodal configuration nyob rau hauv uas lub SMA xov hlau yog angled.(a) piav qhia txog tus qauv CAD ntawm tus qauv, uas hais txog qee yam ntawm cov khoom thiab lawv lub ntsiab lus rau tus qauv, (b, d) sawv cev rau qhov kev sim tsim qauv qauv 35.Thaum (b) qhia txog qhov pom saum toj kawg nkaus ntawm tus qauv nrog kev sib txuas hluav taws xob thiab kev tsis sib haum xeeb thiab cov ntsuas ntsuas siv tau siv, (d) qhia qhov kev pom ntawm qhov teeb tsa.(e) Daim duab ntawm cov kab hluav taws xob ua haujlwm nrog SMA cov xov hlau tso bimodally txhua lub sijhawm t, qhia cov kev taw qhia thiab chav kawm ntawm fiber ntau thiab cov leeg nqaij.(c) Ib qho 2-DOF rotational prismatic kev twb kev txuas tau thov rau deploying ob-plane SMA-raws li actuator.Raws li pom, qhov txuas xa tawm cov lus tsa suab los ntawm lub hauv qab tsav mus rau sab caj npab, tsim kom muaj kev sib hloov.Ntawm qhov tod tes, kev txav ntawm ob khub ntawm prisms yog tib yam li kev txav ntawm multilayer thawj theem tsav.
Kev tshawb nrhiav kev sim tau ua tiav ntawm tus qauv qhia hauv daim duab 9b los ntsuas qhov kev ua tau zoo ntawm bimodal tsav raws li SMA.Raws li pom hauv daim duab 10a, qhov kev sim teeb tsa muaj qhov programmable DC fais fab mov los muab cov khoom siv hluav taws xob rau SMA xov hlau.Raws li qhia hauv daim duab.10b, piezoelectric strain gauge (PACEline CFT/5kN) tau siv los ntsuas qhov thaiv quab yuam siv Graphtec GL-2000 cov ntaub ntawv logger.Cov ntaub ntawv raug kaw los ntawm tus tswv tsev rau kev kawm ntxiv.Lim gauges thiab them amplifiers yuav tsum muaj lub zog tas li los tsim cov teeb liab voltage.Cov teeb liab sib raug tau hloov mus rau hauv cov khoom siv hluav taws xob raws li qhov rhiab heev ntawm piezoelectric quab yuam sensor thiab lwm yam tsis raws li tau piav qhia hauv Table 2. Thaum siv lub zog hluav taws xob, qhov kub ntawm SMA xaim nce, ua rau SMA xaim compression, uas ua rau lub actuator tsim kom muaj zog.Cov txiaj ntsig kev sim ntawm cov zis ntawm cov leeg lub zog los ntawm kev siv hluav taws xob hluav taws xob ntawm 7 V tau pom hauv daim duab.2 ib a.
(a) Ib qho SMA-raws li linear actuator system tau teeb tsa hauv kev sim los ntsuas lub zog tsim los ntawm tus actuator.Lub load cell ntsuas lub zog thaiv thiab yog siv los ntawm 24 V DC fais fab mov.Ib qho 7 V voltage poob tau siv rau tag nrho qhov ntev ntawm lub cable siv GW Instek programmable DC fais fab mov.Lub SMA hlau shrinks vim cua sov, thiab lub caj npab txav tau hu rau lub xov tooj ntawm tes thiab siv lub zog thaiv.Lub load cell txuas nrog GL-2000 cov ntaub ntawv logger thiab cov ntaub ntawv khaws cia ntawm tus tswv tsev rau kev ua haujlwm ntxiv.(b) Daim duab qhia txog cov saw ntawm cov khoom ntawm kev sim teeb tsa rau kev ntsuas cov leeg nqaij.
Cov duab nco alloys zoo siab los ntawm thermal zog, yog li qhov kub thiab txias dhau los ua qhov tseem ceeb rau kev kawm txog qhov tshwm sim ntawm lub cim xeeb.Kev sim, raws li pom nyob rau hauv daim duab 11a, thermal imaging thiab ntsuas kub tau ua nyob rau hauv ib tug qauv SMA-raws li divalerate actuator.Ib qho programmable DC qhov chaw siv hluav taws xob nkag mus rau SMA cov xov hlau hauv qhov kev sim teeb tsa, raws li pom hauv daim duab 11b.Qhov kub hloov pauv ntawm SMA hlau tau ntsuas nyob rau lub sijhawm siv lub koob yees duab LWIR siab (FLIR A655sc).Tus tswv tsev siv ResearchIR software los sau cov ntaub ntawv rau kev ua haujlwm tom qab ntxiv.Thaum siv hluav taws xob hluav taws xob, qhov kub ntawm SMA xaim nce, ua rau SMA xaim qis.Ntawm daim duab.Daim duab 2b qhia txog qhov kev sim ntawm SMA hlau kub piv rau lub sijhawm rau 7V input voltage mem tes.
Post lub sij hawm: Sep-28-2022