Շնորհակալություն Nature.com այցելելու համար:Ձեր օգտագործած բրաուզերի տարբերակը ունի սահմանափակ CSS աջակցություն:Լավագույն փորձի համար խորհուրդ ենք տալիս օգտագործել թարմացված դիտարկիչ (կամ անջատել Համատեղելիության ռեժիմը Internet Explorer-ում):Միևնույն ժամանակ, շարունակական աջակցությունն ապահովելու համար մենք կայքը կներկայացնենք առանց ոճերի և JavaScript-ի:
Գործարկիչները օգտագործվում են ամենուր և ստեղծում են վերահսկվող շարժում՝ կիրառելով գրգռման ճիշտ ուժ կամ ոլորող մոմենտ՝ արտադրության և արդյունաբերական ավտոմատացման տարբեր գործողություններ կատարելու համար:Ավելի արագ, փոքր և ավելի արդյունավետ սկավառակների անհրաժեշտությունը խթանում է նորարարությունը սկավառակների դիզայնում:Shape Memory Alloy (SMA) կրիչներն առաջարկում են մի շարք առավելություններ սովորական կրիչների նկատմամբ, ներառյալ հզորության և քաշի բարձր հարաբերակցությունը:Այս ատենախոսության մեջ մշակվել է SMA-ի վրա հիմնված երկփետրավոր ակտուատոր, որը միավորում է կենսաբանական համակարգերի փետրավոր մկանների առավելությունները և SMA-ների յուրահատուկ հատկությունները:Այս ուսումնասիրությունը ուսումնասիրում և ընդլայնում է նախկին SMA ակտուատորները՝ մշակելով նոր մղիչի մաթեմատիկական մոդելը, որը հիմնված է երկմոդալ SMA մետաղալարերի դասավորության վրա և փորձարկելով այն:SMA-ի վրա հիմնված հայտնի կրիչների համեմատ՝ նոր սկավառակի գործարկման ուժը առնվազն 5 անգամ ավելի բարձր է (մինչև 150 Ն):Համապատասխան քաշի կորուստը կազմում է մոտ 67%:Մաթեմատիկական մոդելների զգայունության վերլուծության արդյունքները օգտակար են դիզայնի պարամետրերը կարգավորելու և հիմնական պարամետրերը հասկանալու համար:Այս ուսումնասիրությունը հետագայում ներկայացնում է բազմամակարդակ N-րդ փուլի շարժիչը, որը կարող է օգտագործվել դինամիկան հետագա ուժեղացնելու համար:SMA-ի վրա հիմնված dipvalerate մկանային ակտուատորներն ունեն կիրառությունների լայն շրջանակ՝ շենքերի ավտոմատացումից մինչև դեղերի ճշգրիտ առաքման համակարգեր:
Կենսաբանական համակարգերը, ինչպիսիք են կաթնասունների մկանային կառուցվածքները, կարող են ակտիվացնել շատ նուրբ ազդակներ1:Կաթնասուններն ունեն տարբեր մկանային կառուցվածքներ, որոնցից յուրաքանչյուրը ծառայում է որոշակի նպատակի:Այնուամենայնիվ, կաթնասունների մկանային հյուսվածքի կառուցվածքի մեծ մասը կարելի է բաժանել երկու լայն կատեգորիաների.Զուգահեռ և գրիչ:Համստրինգների և այլ ճկուն հատվածներում, ինչպես անունն է հուշում, զուգահեռ մկանային հյուսվածքն ունի մկանային մանրաթելեր՝ կենտրոնական ջիլին զուգահեռ:Մկանային մանրաթելերի շղթան շարված է և ֆունկցիոնալորեն կապված է նրանց շրջապատող շարակցական հյուսվածքի միջոցով։Չնայած ասվում է, որ այս մկանները մեծ էքսկուրսիա ունեն (տոկոսային կրճատում), նրանց ընդհանուր մկանային ուժը շատ սահմանափակ է:Ի հակադրություն, triceps սրունքի մկաններում2 (կողային gastrocnemius (GL)3, medial gastrocnemius (GM)4 և soleus (SOL)) և extensor femoris (quadriceps) յուրաքանչյուր մկանում հայտնաբերված է 5,6 թևավոր մկանային հյուսվածք7:Փետրավոր կառուցվածքում երկփեղկ մկանների մկանային մանրաթելերը առկա են կենտրոնական ջիլի երկու կողմերում՝ թեք անկյուններով (փետրավոր անկյուններ):Pennate-ը գալիս է լատիներեն «penna» բառից, որը նշանակում է «գրիչ», և, ինչպես ցույց է տրված նկ.1-ն ունի փետուրի տեսք:Թիկունքային մկանների մանրաթելերն ավելի կարճ են և թեքված մկանների երկայնական առանցքի նկատմամբ։Փետրաձև կառուցվածքի պատճառով այս մկանների ընդհանուր շարժունակությունը նվազում է, ինչը հանգեցնում է կրճատման գործընթացի լայնակի և երկայնական բաղադրիչներին:Մյուս կողմից, այս մկանների ակտիվացումը հանգեցնում է ընդհանուր մկանային ուժի բարձրացման՝ կապված ֆիզիոլոգիական խաչմերուկի տարածքի չափման եղանակի հետ:Հետևաբար, տրված խաչմերուկի տարածքի համար թմբիկավոր մկաններն ավելի ուժեղ կլինեն և ավելի մեծ ուժեր կառաջացնեն, քան զուգահեռ մանրաթելեր ունեցող մկանները:Առանձին մանրաթելերի կողմից առաջացած ուժերը առաջացնում են մկանային ուժեր մակրոսկոպիկ մակարդակով այդ մկանային հյուսվածքում:Բացի այդ, այն ունի այնպիսի եզակի հատկություններ, ինչպիսիք են արագ կծկվելը, պաշտպանությունը առաձգական վնասներից, ամորտիզացումը:Այն փոխակերպում է կապը մանրաթելերի մուտքագրման և մկանային հզորության միջև՝ օգտագործելով մկանների գործողության գծերի հետ կապված մանրաթելերի դասավորության եզակի առանձնահատկությունները և երկրաչափական բարդությունը:
Ցուցադրված են SMA-ի վրա հիմնված ակտիվացուցիչների նախագծման սխեմատիկ դիագրամները՝ կապված երկմոդալ մկանային ճարտարապետության հետ, օրինակ (ա), որը ներկայացնում է շոշափելի ուժի փոխազդեցությունը, որի դեպքում SMA լարերով գործարկվող ձեռքի ձևով սարքը տեղադրված է երկանիվ ինքնավար շարժական ռոբոտի վրա9,10:, (բ) Ռոբոտային օրբիտալ պրոթեզ՝ հակագոնիստականորեն տեղադրված SMA զսպանակով բեռնված ուղեծրի պրոթեզով։Աչքի պրոթեզի դիրքը վերահսկվում է աչքի ակնային մկանից ստացվող ազդանշանով11, (գ) SMA ակտուատորները իդեալական են ստորջրյա կիրառման համար՝ շնորհիվ իրենց բարձր հաճախականության արձագանքման և ցածր թողունակության:Այս կոնֆիգուրացիայում SMA ակտուատորներն օգտագործվում են ալիքային շարժում ստեղծելու համար՝ մոդելավորելով ձկների շարժումը, (դ) SMA ակտուատորներն օգտագործվում են միկրո խողովակների տեսչական ռոբոտ ստեղծելու համար, որը կարող է օգտագործել դյույմ ճիճու շարժման սկզբունքը, որը վերահսկվում է 10-րդ ալիքի ներսում SMA լարերի շարժումով, (e) ցույց է տալիս մկանային մանրաթելերի կծկման ուղղությունը և ցույց է տալիս մկանային մանրաթելերի կծկման ուղղությունը: bers է pennate մկանային կառուցվածքի.
Գործարկիչները դարձել են մեխանիկական համակարգերի կարևոր մասն իրենց կիրառությունների լայն շրջանակի շնորհիվ:Հետևաբար, ավելի փոքր, արագ և արդյունավետ սկավառակների անհրաժեշտությունը դառնում է կարևոր:Չնայած իրենց առավելություններին, ավանդական կրիչներն ապացուցել են, որ թանկ են և ժամանակատար դրանց պահպանման համար:Հիդրավլիկ և օդաճնշական շարժիչները բարդ և թանկ են և ենթակա են մաշվածության, քսման հետ կապված խնդիրների և բաղադրիչների խափանումների:Ի պատասխան պահանջարկի՝ ուշադրությունը կենտրոնացված է խելացի նյութերի վրա հիմնված ծախսարդյունավետ, չափերի օպտիմալացված և առաջադեմ շարժիչների մշակման վրա:Ընթացիկ հետազոտությունները դիտարկում են ձևի հիշողության խառնուրդի (SMA) շերտավոր մղիչներ՝ այս կարիքը բավարարելու համար:Հիերարխիկ ակտուատորները եզակի են նրանով, որ նրանք միավորում են բազմաթիվ դիսկրետ մղիչներ երկրաչափականորեն բարդ մակրո մասշտաբի ենթահամակարգերի մեջ՝ ապահովելու բարձր և ընդլայնված ֆունկցիոնալությունը:Այս առումով վերը նկարագրված մարդու մկանային հյուսվածքը տալիս է նման բազմաշերտ ակտիվացման հիանալի բազմաշերտ օրինակ:Ընթացիկ ուսումնասիրությունը նկարագրում է բազմամակարդակ SMA սկավառակ՝ մի քանի անհատական ​​շարժիչ տարրերով (SMA լարեր), որոնք համահունչ են բիմոդալ մկաններում առկա մանրաթելային կողմնորոշիչներին, ինչը բարելավում է շարժիչի ընդհանուր աշխատանքը:
Շարժիչի հիմնական նպատակն է արտադրել մեխանիկական հզորություն, ինչպիսիք են ուժը և տեղաշարժը էլեկտրական էներգիան փոխակերպելու միջոցով:Ձևային հիշողության համաձուլվածքները «խելացի» նյութերի դաս են, որոնք կարող են վերականգնել իրենց ձևը բարձր ջերմաստիճանում:Բարձր բեռների դեպքում SMA մետաղալարերի ջերմաստիճանի բարձրացումը հանգեցնում է ձևի վերականգնմանը, ինչը հանգեցնում է ակտիվացման էներգիայի ավելի բարձր խտության՝ համեմատած ուղղակիորեն կապված տարբեր խելացի նյութերի հետ:Միեւնույն ժամանակ, մեխանիկական բեռների տակ, SMA-ները դառնում են փխրուն:Որոշակի պայմաններում ցիկլային բեռը կարող է կլանել և ազատել մեխանիկական էներգիան՝ դրսևորելով շրջելի հիստերետիկ ձևի փոփոխություններ:Այս եզակի հատկությունները SMA-ին դարձնում են իդեալական սենսորների, թրթռումների մեղմացման և հատկապես ակտուատորների համար12:Սա նկատի ունենալով, շատ հետազոտություններ են կատարվել SMA-ի վրա հիմնված սկավառակների վերաբերյալ:Հարկ է նշել, որ SMA-ի վրա հիմնված ակտուատորները նախատեսված են տարբեր կիրառությունների համար թարգմանական և պտտվող շարժում ապահովելու համար13,14,15:Թեև մշակվել են որոշ պտտվող շարժիչներ, հետազոտողները հատկապես հետաքրքրված են գծային շարժիչներով:Այս գծային ակտուատորները կարելի է բաժանել երեք տեսակի ակտուատորների՝ միաչափ, տեղաշարժվող և դիֆերենցիալ մղիչներ 16:Սկզբում հիբրիդային կրիչներ ստեղծվել են SMA-ի և այլ սովորական կրիչների հետ համատեղ:SMA-ի վրա հիմնված հիբրիդային գծային մղիչի նման օրինակներից է SMA մետաղալարի օգտագործումը DC շարժիչով՝ շուրջ 100 Ն ելքային ուժ և զգալի տեղաշարժ ապահովելու համար17:
Ամբողջովին SMA-ի վրա հիմնված սկավառակների առաջին զարգացումներից մեկը SMA զուգահեռ սկավառակն էր:Օգտագործելով SMA-ի մի քանի լարեր, SMA-ի վրա հիմնված զուգահեռ սկավառակը նախատեսված է սկավառակի հզորությունը մեծացնելու համար՝ բոլոր SMA18 լարերը զուգահեռ տեղադրելով:Գործարկիչների զուգահեռ միացումը ոչ միայն պահանջում է ավելի շատ հզորություն, այլև սահմանափակում է մեկ մետաղալարի ելքային հզորությունը:SMA-ի վրա հիմնված շարժիչների մեկ այլ թերություն է սահմանափակ ճանապարհորդությունը, որին նրանք կարող են հասնել:Այս խնդիրը լուծելու համար ստեղծվել է SMA մալուխային ճառագայթ, որը պարունակում է շեղված ճկուն ճառագայթ՝ տեղաշարժը մեծացնելու և գծային շարժման հասնելու համար, բայց ավելի մեծ ուժեր չի առաջացրել19:Փափուկ դեֆորմացվող կառուցվածքները և գործվածքները ռոբոտների համար, որոնք հիմնված են ձևի հիշողության համաձուլվածքների վրա, մշակվել են հիմնականում ազդեցության ուժեղացման համար20,21,22:Այն ծրագրերի համար, որտեղ պահանջվում են բարձր արագություններ, հաղորդվել է, որ կոմպակտ շարժիչով պոմպերն օգտագործում են բարակ թաղանթային SMAs միկրոպոմպերով աշխատող կիրառությունների համար23:Բարակ թաղանթով SMA մեմբրանի շարժման հաճախականությունը հիմնական գործոնն է վարորդի արագությունը վերահսկելու համար:Հետևաբար, SMA գծային շարժիչներն ունեն ավելի լավ դինամիկ արձագանք, քան SMA զսպանակային կամ ձողային շարժիչները:Փափուկ ռոբոտաշինությունը և բռնելու տեխնոլոգիան երկու այլ հավելվածներ են, որոնք օգտագործում են SMA-ի վրա հիմնված շարժիչներ:Օրինակ, 25 N տիեզերական սեղմակում օգտագործվող ստանդարտ շարժիչը փոխարինելու համար մշակվել է 24-ի ձևի հիշողության համաձուլվածքի զուգահեռ շարժիչ:Մեկ այլ դեպքում, SMA-ի փափուկ ակտուատորը ստեղծվել է ներկառուցված մատրիցով մետաղալարի հիման վրա, որն ունակ է արտադրել 30 Ն առավելագույն ձգող ուժ: Իրենց մեխանիկական հատկությունների շնորհիվ SMA-ները նաև օգտագործվում են կենսաբանական երևույթները նմանակող շարժիչներ արտադրելու համար:Նման զարգացումներից մեկը ներառում է 12 բջիջ ունեցող ռոբոտը, որը հանդիսանում է SMA-ով երկրային ճիճու օրգանիզմի բիոմիմետիկ՝ սինուսոիդային շարժում առաջացնելու համար դեպի կրակ26,27:
Ինչպես նշվեց ավելի վաղ, գոյություն ունի SMA-ի վրա հիմնված գործող շարժիչներից առավելագույն ուժի սահմանափակում:Այս խնդիրը լուծելու համար այս ուսումնասիրությունը ներկայացնում է բիոմիմետիկ երկմոդալ մկանային կառուցվածքը:Առաջնորդված է ձևի հիշողության խառնուրդի մետաղալարով:Այն ապահովում է դասակարգման համակարգ, որը ներառում է մի քանի ձևի հիշողության համաձուլվածքային մետաղալարեր:Մինչ օրս գրականության մեջ չեն հաղորդվել SMA-ի վրա հիմնված նմանատիպ ճարտարապետություն ունեցող շարժիչներ:SMA-ի վրա հիմնված այս եզակի և նոր համակարգը մշակվել է՝ ուսումնասիրելու SMA-ի վարքագիծը երկմոդալ մկանների հավասարեցման ժամանակ:Համեմատած գոյություն ունեցող SMA-ի վրա հիմնված ակտուատորների հետ՝ այս հետազոտության նպատակն էր ստեղծել բիոմիմետիկ դիպվալերատ մղիչ՝ փոքր ծավալում զգալիորեն ավելի մեծ ուժեր առաջացնելու համար:Համեմատած սովորական աստիճանային շարժիչով շարժիչների հետ, որոնք օգտագործվում են HVAC շենքերի ավտոմատացման և կառավարման համակարգերում, առաջարկվող SMA-ի վրա հիմնված երկմոդալ շարժիչի դիզայնը նվազեցնում է շարժիչ մեխանիզմի քաշը 67%-ով:Հետևյալում «մկան» և «շարժում» տերմինները օգտագործվում են փոխադարձաբար:Այս ուսումնասիրությունը ուսումնասիրում է նման շարժիչի բազմաֆիզիկական մոդելավորումը:Նման համակարգերի մեխանիկական վարքագիծը ուսումնասիրվել է փորձարարական և անալիտիկ մեթոդներով։Ուժի և ջերմաստիճանի բաշխումը հետագայում ուսումնասիրվել է 7 Վ մուտքային լարման դեպքում: Այնուհետև կատարվել է պարամետրային վերլուծություն՝ հիմնական պարամետրերի և ելքային ուժի միջև կապը ավելի լավ հասկանալու համար:Վերջապես, նախատեսվել են հիերարխիկ ակտուատորներ և առաջարկվել են հիերարխիկ մակարդակի էֆեկտներ՝ որպես պրոթեզավորման կիրառման համար ոչ մագնիսական շարժիչների համար ապագա տարածք:Համաձայն վերոհիշյալ ուսումնասիրությունների արդյունքների, միաստիճան ճարտարապետության օգտագործումը առնվազն չորսից հինգ անգամ ավելի մեծ ուժեր է արտադրում, քան հաղորդված SMA-ի վրա հիմնված շարժիչները:Բացի այդ, միևնույն շարժիչ ուժը, որը ստեղծվում է բազմամակարդակ բազմաստիճան սկավառակի միջոցով, ավելի քան տասն անգամ գերազանցում է սովորական SMA-ի վրա հիմնված կրիչներին:Հետազոտությունն այնուհետև զեկուցում է հիմնական պարամետրերը, օգտագործելով զգայունության վերլուծությունը տարբեր դիզայնի և մուտքային փոփոխականների միջև:SMA մետաղալարի սկզբնական երկարությունը (\(l_0\)), փետրավոր անկյունը (\(\ալֆա\)) և յուրաքանչյուր առանձին շղթայի մեջ առանձին շղթաների քանակը (n) խիստ բացասական ազդեցություն ունեն շարժիչ ուժի մեծության վրա:ուժը, մինչդեռ մուտքային լարումը (էներգիան) պարզվեց, որ դրական փոխկապակցված է:
SMA մետաղալարը ցուցադրում է ձևի հիշողության էֆեկտը (SME), որը դիտվում է նիկել-տիտան (Ni-Ti) համաձուլվածքների ընտանիքում:Սովորաբար, SMA-ները ցուցադրում են ջերմաստիճանից կախված երկու փուլ՝ ցածր ջերմաստիճանի և բարձր ջերմաստիճանի փուլ:Երկու փուլերն էլ ունեն յուրահատուկ հատկություններ տարբեր բյուրեղային կառուցվածքների առկայության պատճառով:Աուստենիտի փուլում (բարձր ջերմաստիճանի փուլ), որը գոյություն ունի փոխակերպման ջերմաստիճանից բարձր, նյութը ցուցադրում է բարձր ամրություն և վատ դեֆորմացվում է ծանրաբեռնվածության տակ:Համաձուլվածքն իրեն պահում է չժանգոտվող պողպատի պես, ուստի այն ի վիճակի է դիմակայել ակտիվացման ավելի բարձր ճնշումներին:Օգտվելով Ni-Ti համաձուլվածքների այս հատկությունից՝ SMA լարերը թեքված են՝ ձևավորելու մղիչ:Մշակվում են համապատասխան վերլուծական մոդելներ՝ տարբեր պարամետրերի և տարբեր երկրաչափությունների ազդեցության տակ SMA-ի ջերմային վարքագծի հիմնարար մեխանիզմը հասկանալու համար:Լավ համաձայնություն է ձեռք բերվել փորձարարական և վերլուծական արդյունքների միջև:
Փորձարարական ուսումնասիրություն է իրականացվել Նկար 9ա-ում ցուցադրված նախատիպի վրա՝ SMA-ի վրա հիմնված երկմոդալ շարժիչի աշխատանքը գնահատելու համար:Այս հատկություններից երկուսը` շարժիչի ուժը (մկանային ուժ) և SMA մետաղալարի ջերմաստիճանը (SMA ջերմաստիճան), չափվել են փորձարարական եղանակով:Քանի որ լարման տարբերությունը մեծանում է սկավառակի մետաղալարերի ողջ երկարությամբ, լարերի ջերմաստիճանը մեծանում է Ջոուլի տաքացման էֆեկտի պատճառով:Մուտքային լարումը կիրառվել է երկու 10-վ ցիկլերում (ցուցված է որպես կարմիր կետեր նկ. 2ա, բ) յուրաքանչյուր ցիկլի միջև 15 վ հովացման ժամանակաշրջանով:Արգելափակման ուժը չափվել է պիեզոէլեկտրական լարման չափիչի միջոցով, իսկ SMA մետաղալարերի ջերմաստիճանի բաշխումը իրական ժամանակում վերահսկվել է գիտական ​​կարգի բարձր լուծաչափով LWIR տեսախցիկի միջոցով (տես աղյուսակ 2-ում օգտագործվող սարքավորումների բնութագրերը):ցույց է տալիս, որ բարձր լարման փուլում լարերի ջերմաստիճանը միապաղաղ աճում է, բայց երբ հոսանք չի հոսում, լարերի ջերմաստիճանը շարունակում է իջնել։Ընթացիկ փորձարարական կարգավորումներում SMA մետաղալարերի ջերմաստիճանն իջել է հովացման փուլում, բայց այն դեռ բարձր է եղել շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանից:Նկ.2e-ը ցույց է տալիս LWIR տեսախցիկից վերցված SMA լարերի ջերմաստիճանի պատկերը:Մյուս կողմից, նկ.2a-ն ցույց է տալիս շարժիչի համակարգի կողմից առաջացած արգելափակման ուժը:Երբ մկանային ուժը գերազանցում է զսպանակի վերականգնող ուժը, շարժական թեւը, ինչպես ցույց է տրված Նկար 9ա-ում, սկսում է շարժվել:Հենց ակտիվացումը սկսվում է, շարժական թեւը շփվում է սենսորի հետ՝ ստեղծելով մարմնի ուժ, ինչպես ցույց է տրված նկ.2c, դ.Երբ առավելագույն ջերմաստիճանը մոտ է \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), առավելագույն դիտարկվող ուժը 105 Ն է։
Գրաֆիկը ցույց է տալիս SMA մետաղալարի ջերմաստիճանի փորձարարական արդյունքները և SMA-ի վրա հիմնված երկմոդալ մղիչի կողմից առաջացած ուժը երկու ցիկլերի ընթացքում:Մուտքային լարումը կիրառվում է երկու 10 վայրկյան ցիկլով (ցուցադրվում է որպես կարմիր կետեր) յուրաքանչյուր ցիկլի միջև 15 վայրկյան հովացման ժամանակահատվածով:Փորձերի համար օգտագործված SMA մետաղալարը 0,51 մմ տրամագծով Flexinol մետաղալար էր Dynalloy, Inc.-ից (ա) Գրաֆիկը ցույց է տալիս փորձարարական ուժը, որը ստացվել է երկու ցիկլերի ընթացքում, (c, d) ցույց է տալիս PACEline CFT/5kN պիեզոէլեկտրական ուժի առավելագույն ջերմաստիճանը երկու ցիկլի ընթացքում (b): ցույց է տալիս ջերմաստիճանի պատկերը, որը վերցված է SMA մետաղալարից՝ օգտագործելով FLIR ResearchIR ծրագրաշարը LWIR տեսախցիկը:Փորձարկումներում հաշվի առնված երկրաչափական պարամետրերը տրված են Աղյուսակում:մեկ.
Մաթեմատիկական մոդելի մոդելավորման արդյունքները և փորձարարական արդյունքները համեմատվում են 7 Վ մուտքային լարման պայմաններում, ինչպես ցույց է տրված Նկ.5-ում:Պարամետրային վերլուծության արդյունքների համաձայն և SMA մետաղալարի գերտաքացումից խուսափելու համար մղիչին մատակարարվել է 11,2 Վտ հզորություն:Օգտագործվել է ծրագրավորվող DC սնուցման աղբյուր՝ որպես մուտքային լարում 7 Վ մատակարարելու համար, և մետաղալարով չափվել է 1,6 Ա հոսանք:Շարժիչի կողմից առաջացած ուժը և SDR-ի ջերմաստիճանը մեծանում են, երբ հոսանք է կիրառվում:7 Վ մուտքային լարման դեպքում առաջին ցիկլի մոդելավորման արդյունքներից և փորձարարական արդյունքներից ստացված առավելագույն ելքային ուժը համապատասխանաբար 78 Ն և 96 Ն է։Երկրորդ ցիկլում մոդելավորման և փորձարարական արդյունքների առավելագույն ելքային ուժը համապատասխանաբար կազմել է 150 Ն և 105 Ն։Խցանման ուժի չափումների և փորձարարական տվյալների միջև անհամապատասխանությունը կարող է պայմանավորված լինել խցանման ուժի չափման մեթոդով:Փորձարարական արդյունքները ցույց են տրված նկ.5a-ը համապատասխանում է կողպման ուժի չափմանը, որն իր հերթին չափվել է, երբ շարժիչ լիսեռը շփվել է PACEline CFT/5kN պիեզոէլեկտրական ուժի փոխարկիչի հետ, ինչպես ցույց է տրված նկ.2 վրկ.Հետևաբար, երբ հովացման գոտու սկզբում շարժիչի լիսեռը չի շփվում ուժային սենսորի հետ, ուժն անմիջապես դառնում է զրո, ինչպես ցույց է տրված նկ. 2դ-ում:Բացի այդ, մյուս պարամետրերը, որոնք ազդում են հետագա ցիկլերում ուժի ձևավորման վրա, հովացման ժամանակի արժեքներն են և նախորդ ցիկլում կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցման գործակիցը:Սկսած թզ.2b, կարելի է տեսնել, որ 15 վայրկյան սառեցման ժամանակաշրջանից հետո SMA լարը չի հասել սենյակային ջերմաստիճանի և, հետևաբար, ունեցել է ավելի բարձր սկզբնական ջերմաստիճան (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) երկրորդ վարման ցիկլում, համեմատած առաջին ցիկլի հետ (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)):Այսպիսով, համեմատած առաջին ցիկլի հետ, SMA հաղորդալարի ջերմաստիճանը տաքացման երկրորդ ցիկլի ընթացքում ավելի վաղ հասնում է ավստենիտի սկզբնական ջերմաստիճանին (\(A_s\)) և ավելի երկար է մնում անցումային շրջանում, ինչը հանգեցնում է սթրեսի և ուժի:Մյուս կողմից, փորձարկումներից և մոդելավորումներից ստացված ջեռուցման և հովացման ցիկլերի ընթացքում ջերմաստիճանի բաշխումները բարձր որակական նմանություն ունեն ջերմագրական վերլուծության օրինակների հետ:Փորձերի և սիմուլյացիաների SMA մետաղալարերի ջերմային տվյալների համեմատական ​​վերլուծությունը ցույց է տվել հետևողականություն ջեռուցման և հովացման ցիկլերի ընթացքում և փորձարարական տվյալների համար ընդունելի թույլատրելի սահմաններում:SMA հաղորդալարի առավելագույն ջերմաստիճանը, որը ստացվել է առաջին ցիկլի սիմուլյացիայի և փորձերի արդյունքներից, համապատասխանաբար \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) և \(75\,^{\circ }\hbox { C }\) է, իսկ երկրորդ ցիկլում SMA հաղորդալարի առավելագույն ջերմաստիճանը {3},\\ci {4,\\C{3},\\ci է: ^{\circ }\ hbox {C}\):Հիմնովին մշակված մոդելը հաստատում է ձևի հիշողության էֆեկտի ազդեցությունը:Հոգնածության և գերտաքացման դերը հաշվի չի առնվել այս վերանայման մեջ:Ապագայում մոդելը կբարելավվի՝ ներառելով SMA մետաղալարերի լարվածության պատմությունը՝ այն ավելի հարմար դարձնելով ինժեներական կիրառությունների համար:Սիմուլինկի բլոկից ստացված շարժիչի ելքային ուժը և SMA ջերմաստիճանի գծապատկերները գտնվում են փորձարարական տվյալների թույլատրելի թույլատրելի թույլատրելի սահմաններում՝ 7 Վ մուտքային լարման իմպուլսի պայմաններում: Սա հաստատում է մշակված մաթեմատիկական մոդելի ճիշտությունն ու հուսալիությունը:
Մաթեմատիկական մոդելը մշակվել է MathWorks Simulink R2020b միջավայրում՝ օգտագործելով «Մեթոդներ» բաժնում նկարագրված հիմնական հավասարումները:Նկ.3b-ը ցույց է տալիս Simulink մաթեմատիկական մոդելի բլոկային դիագրամը:Մոդելը մոդելավորվել է 7 Վ մուտքային լարման իմպուլսի համար, ինչպես ցույց է տրված Նկար 2a, b-ում:Մոդելավորման մեջ օգտագործվող պարամետրերի արժեքները թվարկված են Աղյուսակ 1-ում: Անցումային գործընթացների մոդելավորման արդյունքները ներկայացված են Նկար 1-ում և 1-ում: Նկար 3ա և 4: Նկ.4a,b-ը ցույց է տալիս ինդուկտիվ լարումը SMA մետաղալարում և ուժը, որն առաջանում է մղիչի կողմից՝ որպես ժամանակի ֆունկցիա: Հակադարձ փոխակերպման (տաքացման) ժամանակ, երբ SMA լարերի ջերմաստիճանը, \(T < A_s^{\prime}\) (սթրեսով փոփոխված ավստենիտի փուլի մեկնարկի ջերմաստիճանը), մարտենզիտի ծավալային մասի փոփոխության արագությունը (\(\dot{\xi }\)) կլինի զրո: Հակադարձ փոխակերպման (ջեռուցման) ժամանակ, երբ SMA հաղորդալարի ջերմաստիճանը, \(T < A_s^{\prime}\) (սթրեսով ձևափոխված աուստենիտի փուլի մեկնարկի ջերմաստիճանը), մարտենզիտի ծավալային մասնաբաժնի փոփոխության արագությունը (\(\dot{\ xi }\)) կլինի զրո: Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки sma, \ (t <a_s ^ {\ prime} \) (температура начала аустенитной фазы, модифицированная напряжением), Скост ь изменения объемной доли мартенсита (\ (\ dot {\ xi} \)) Будет Равно нулю. Հակադարձ վերափոխման (ջեռուցման) ժամանակ, երբ SMA հաղորդալարի ջերմաստիճանը, \(T < A_s^{\prime}\) (սթրեսով ձևափոխված աուստենիտի սկզբնական ջերմաստիճան), մարտենզիտի ծավալային մասնաբաժնի փոփոխության արագությունը (\(\dot{\ xi }\ )) կլինի զրո:在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\)) 将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t При обратном превращении (нагреве) при температуре проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura зарождения аустенитной фазы с поправкой напряжение) скорость изменения объемной доли буддо}\) SMA մետաղալարի \(T < A_s^{\prime}\) ջերմաստիճանում հակադարձ փոխակերպման (տաքացման) ժամանակ (ավստենիտի փուլի միջուկացման ջերմաստիճանը, շտկված լարվածության համար), մարտենզիտի ծավալային մասի փոփոխության արագությունը (\( \dot{\ xi }\)) հավասար կլինի զրոյի:Հետևաբար, լարվածության փոփոխության արագությունը (\(\dot{\sigma}\)) կախված կլինի լարման արագությունից (\(\dot{\epsilon}\)) և ջերմաստիճանի գրադիենտից (\(\dot{T} \) ) միայն (1) հավասարման միջոցով:Այնուամենայնիվ, երբ SMA լարը բարձրանում է ջերմաստիճանում և անցնում է (\(A_s^{\prime}\)), ավստենիտի փուլը սկսում է ձևավորվել, և (\(\dot{\xi}\)) ընդունվում է որպես (3) հավասարման տրված արժեք:Հետևաբար, լարման փոփոխության արագությունը (\(\dot{\sigma}\)) համատեղ վերահսկվում է \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) և \(\dot{\xi}\)-ով հավասար է (1) բանաձևում տրվածին:Սա բացատրում է գրադիենտային փոփոխությունները, որոնք դիտվում են ժամանակի փոփոխվող լարվածության և ուժի քարտեզներում ջեռուցման ցիկլի ընթացքում, ինչպես ցույց է տրված նկ. 4ա, բ.
(ա) Մոդելավորման արդյունքը, որը ցույց է տալիս ջերմաստիճանի բաշխումը և սթրեսից առաջացած միացման ջերմաստիճանը SMA-ի վրա հիմնված դիվալերատիվ մղիչում:Երբ լարերի ջերմաստիճանը անցնում է ավստենիտի անցումային ջերմաստիճանը ջեռուցման փուլում, փոփոխված ավստենիտի անցումային ջերմաստիճանը սկսում է աճել, և նմանապես, երբ մետաղալարերի ջերմաստիճանը հատում է մարտենզիտի անցումային ջերմաստիճանը հովացման փուլում, մարտենզիտի անցումային ջերմաստիճանը նվազում է:SMA ակտիվացման գործընթացի վերլուծական մոդելավորման համար:(Simulink մոդելի յուրաքանչյուր ենթահամակարգի մանրամասն դիտման համար տե՛ս հավելյալ ֆայլի հավելվածի բաժինը:)
Տարբեր պարամետրերի բաշխումների վերլուծության արդյունքները ցուցադրվում են 7 Վ մուտքային լարման երկու ցիկլերի համար (10 վայրկյան տաքացման և 15 վայրկյան հովացման ցիկլեր):Մինչ (ac) և (e)-ները պատկերում են բաշխումը ժամանակի ընթացքում, մյուս կողմից, (դ) և (զ) բաշխումը պատկերում են ջերմաստիճանով:Համապատասխան մուտքային պայմանների համար դիտարկված առավելագույն լարվածությունը 106 ՄՊա է (345 ՄՊա-ից պակաս, մետաղալարերի թողունակությունը), ուժը 150 Ն է, առավելագույն տեղաշարժը 270 մկմ է, իսկ նվազագույն մարտենզիտի ծավալային բաժինը 0,91 է:Մյուս կողմից, սթրեսի փոփոխությունը և մարտենզիտի ծավալային մասի փոփոխությունը ջերմաստիճանի հետ նման են հիստերեզի բնութագրիչներին։
Նույն բացատրությունը վերաբերում է ուղիղ փոխակերպմանը (սառեցմանը) ավստենիտի փուլից դեպի մարտենզիտի փուլ, որտեղ SMA մետաղալարերի ջերմաստիճանը (T) և լարվածության փոփոխված մարտենզիտի փուլի (\(M_f^{\prime}\ )) վերջնական ջերմաստիճանը գերազանց է:Նկ.4d,f-ը ցույց է տալիս առաջացած լարվածության (\(\sigma\)) և մարտենզիտի (\(\xi\)) փոփոխությունը SMA լարում՝ որպես SMA մետաղալարի (T) ջերմաստիճանի փոփոխության ֆունկցիա՝ երկու շարժիչ ցիկլերի համար:Նկ.Նկար 3ա ցույց է տալիս SMA մետաղալարի ջերմաստիճանի փոփոխությունը ժամանակի հետ՝ կախված մուտքային լարման իմպուլսից:Ինչպես երևում է նկարից, լարերի ջերմաստիճանը շարունակում է աճել՝ ապահովելով ջերմության աղբյուր զրոյական լարման և հետագա կոնվեկտիվ սառեցման միջոցով:Ջեռուցման ընթացքում մարտենզիտի վերափոխումը դեպի ավստենիտի փուլ սկսվում է, երբ SMA մետաղալարի ջերմաստիճանը (T) հատում է լարվածության շտկված ուստենիտի միջուկացման ջերմաստիճանը (\(A_s^{\prime}\)):Այս փուլում SMA մետաղալարը սեղմվում է, և ակտիվացնողը ուժ է ստեղծում:Նաև սառեցման ժամանակ, երբ SMA մետաղալարի (T) ջերմաստիճանը հատում է լարվածության ձևափոխված մարտենզիտի փուլի (\(M_s^{\prime})) միջուկացման ջերմաստիճանը, տեղի է ունենում դրական անցում ավստենիտի փուլից դեպի մարտենզիտի փուլ:շարժիչ ուժը նվազում է.
SMA-ի վրա հիմնված երկմոդալ շարժիչի հիմնական որակական ասպեկտները կարելի է ձեռք բերել մոդելավորման արդյունքներից:Լարման իմպուլսային մուտքագրման դեպքում SMA հաղորդալարի ջերմաստիճանը մեծանում է Ջոուլի տաքացման էֆեկտի պատճառով:Մարտենզիտի ծավալային մասնաբաժնի (\(\xi\)) սկզբնական արժեքը սահմանվում է 1, քանի որ նյութը սկզբում գտնվում է ամբողջությամբ մարտենզիտային փուլում:Քանի որ մետաղալարը շարունակում է տաքանալ, SMA հաղորդալարի ջերմաստիճանը գերազանցում է լարվածության շտկված ավստենիտի միջուկացման ջերմաստիճանը \(A_s^{\prime}\), ինչի հետևանքով նվազում է մարտենզիտի ծավալային բաժինը, ինչպես ցույց է տրված Նկար 4c-ում:Բացի այդ, նկ.4e-ը ցույց է տալիս մղիչի հարվածների բաշխումը ժամանակի մեջ, իսկ նկ.5 – շարժիչ ուժ՝ որպես ժամանակի ֆունկցիա:Հավասարումների հարակից համակարգը ներառում է ջերմաստիճանը, մարտենզիտի ծավալային բաժինը և լարվածությունը, որը զարգանում է մետաղալարում, ինչը հանգեցնում է SMA հաղորդալարի նեղացմանը և ակտիվացնողի կողմից առաջացած ուժին:Ինչպես ցույց է տրված նկ.4d,f, լարման տատանումները ջերմաստիճանի հետ և մարտենզիտի ծավալային մասնաբաժնի տատանումները ջերմաստիճանի հետ համապատասխանում են SMA-ի հիստերեզի բնութագրիչներին մոդելավորված դեպքում 7 Վ-ում:
Վարորդական պարամետրերի համեմատությունը ստացվել է փորձերի և վերլուծական հաշվարկների միջոցով:Լարերը 10 վայրկյանի ընթացքում ենթարկվել են 7 Վ-ի իմպուլսային մուտքային լարման, այնուհետև երկու ցիկլերի ընթացքում սառչել են 15 վայրկյան (սառեցման փուլ):Պտուտակային անկյունը դրված է \(40^{\circ}\) և SMA մետաղալարերի սկզբնական երկարությունը յուրաքանչյուր մեկ փին ոտքի մեջ սահմանվել է 83 մմ:ա) Շարժիչ ուժի չափում բեռնախցիկով, բ) լարերի ջերմաստիճանի մոնիտորինգ ջերմային ինֆրակարմիր տեսախցիկով:
Ֆիզիկական պարամետրերի ազդեցությունը շարժիչի ուժի վրա հասկանալու համար մաթեմատիկական մոդելի զգայունության վերլուծություն է իրականացվել ընտրված ֆիզիկական պարամետրերի նկատմամբ, և պարամետրերը դասակարգվել են ըստ դրանց ազդեցության:Նախ, մոդելի պարամետրերի նմուշառումն իրականացվել է փորձարարական նախագծման սկզբունքների կիրառմամբ, որոնք հետևում են միասնական բաշխմանը (տես Զգայունության վերլուծության լրացուցիչ բաժինը):Այս դեպքում մոդելի պարամետրերը ներառում են մուտքային լարումը (\(V_{in}\)), SMA լարերի սկզբնական երկարությունը (\(l_0\)), եռանկյունի անկյունը (\(\ալֆա\)), կողմնակալության աղբյուրի հաստատունը (\(K_x\ )), կոնվեկտիվ ջերմափոխանակման գործակիցը (\(h_T\)) և միաձույլ ճյուղերի քանակը:Հաջորդ քայլում որպես ուսումնասիրության նախագծման պահանջ ընտրվեց մկանների գագաթնակետային ուժը և ստացվեցին փոփոխականների յուրաքանչյուր խմբի պարամետրային ազդեցությունը ուժի վրա:Զգայունության վերլուծության համար տորնադոյի սյուժեները ստացվել են յուրաքանչյուր պարամետրի հարաբերակցության գործակիցներից, ինչպես ցույց է տրված Նկար 6ա-ում:
ա) Մոդելի պարամետրերի հարաբերակցության գործակիցների արժեքները և դրանց ազդեցությունը վերը նշված մոդելի պարամետրերի 2500 եզակի խմբերի առավելագույն ելքային ուժի վրա ներկայացված են տորնադոյի գծապատկերում:Գրաֆիկը ցույց է տալիս մի քանի ցուցանիշների վարկանիշային հարաբերակցությունը:Հասկանալի է, որ \(V_{in}\)-ը դրական հարաբերակցությամբ միակ պարամետրն է, իսկ \(l_0\) ամենաբարձր բացասական հարաբերակցությունն ունեցող պարամետրն է:Տարբեր կոմբինացիաներում տարբեր պարամետրերի ազդեցությունը մկանային ուժի գագաթնակետին ցույց է տրված (b, c):\(K_x\) տատանվում է 400-ից 800 Ն/մ, իսկ n-ը տատանվում է 4-ից մինչև 24: Լարումը (\(V_{in}\)) փոխվել է 4 Վ-ից մինչև 10 Վ, լարերի երկարությունը (\(l_{0 } \))՝ 40-ից 100 մմ, իսկ պոչի անկյունը 4-ից մինչև 100 մմ, իսկ պոչը՝ 6-ից (\} –\al): \).
Նկ.6ա-ը ցույց է տալիս տարբեր հարաբերակցության գործակիցների տորնադոյի սյուժեն յուրաքանչյուր պարամետրի համար՝ առավելագույն շարժիչ ուժի նախագծման պահանջներով:Սկսած թզ.6ա երևում է, որ լարման պարամետրը (\(V_{in}\)) ուղղակիորեն կապված է առավելագույն ելքային ուժի հետ, իսկ կոնվեկտիվ ջերմափոխանակման գործակիցը (\(h_T\)), բոցի անկյունը (\ ( \ալֆա\)), տեղաշարժման զսպանակի հաստատունը ( \(K_x\)) բացասաբար է փոխկապակցված լարերի սկզբնական երկարության (մ) և__ի հետ: dal ճյուղերը (n) ցույց են տալիս ուժեղ հակադարձ հարաբերակցություն Ուղղակի հարաբերակցության դեպքում Լարման հարաբերակցության գործակիցի ավելի բարձր արժեքի դեպքում (\(V_ {in}\)) ցույց է տալիս, որ այս պարամետրը ամենամեծ ազդեցությունն ունի ելքային հզորության վրա:Մեկ այլ նմանատիպ վերլուծություն չափում է գագաթնակետային ուժը՝ գնահատելով տարբեր պարամետրերի ազդեցությունը երկու հաշվողական տարածությունների տարբեր համակցություններում, ինչպես ցույց է տրված նկ. 6b, c.\(V_{in}\) և \(l_0\), \(\alpha\) և \(l_0\) ունեն նմանատիպ նախշեր, և գրաֆիկը ցույց է տալիս, որ \(V_{in}\) և \(\alpha\ ) և \(\alpha\) ունեն նմանատիպ նախշեր:\(l_0\)-ի ավելի փոքր արժեքները հանգեցնում են բարձր գագաթնակետային ուժերի:Մյուս երկու սյուժեները համահունչ են Նկար 6a-ին, որտեղ n-ը և \(K_x\)-ը բացասաբար փոխկապակցված են, իսկ \(V_{in}\) դրականորեն փոխկապակցված են:Այս վերլուծությունն օգնում է սահմանել և կարգավորել ազդող պարամետրերը, որոնց միջոցով շարժիչի համակարգի ելքային ուժը, հարվածը և արդյունավետությունը կարող են հարմարվել պահանջներին և կիրառմանը:
Ընթացիկ հետազոտական ​​աշխատանքը ներկայացնում և ուսումնասիրում է N մակարդակներով հիերարխիկ դրայվեր:Երկու մակարդակի հիերարխիայում, ինչպես ցույց է տրված Նկար 7ա-ում, որտեղ առաջին մակարդակի շարժման յուրաքանչյուր SMA լարերի փոխարեն ձեռք է բերվում երկմոդալ դասավորություն, ինչպես ցույց է տրված նկ.9ե.Նկ.7c ցույց է տալիս, թե ինչպես է SMA մետաղալարը պտտվում շարժական թևի (օժանդակ թևի) շուրջ, որը շարժվում է միայն երկայնական ուղղությամբ:Այնուամենայնիվ, առաջնային շարժական թեւը շարունակում է շարժվել նույն ձևով, ինչ 1-ին աստիճանի բազմաստիճան շարժիչի շարժական թեւը:Սովորաբար, N-աստիճան սկավառակը ստեղծվում է \(N-1\) փուլի SMA լարը փոխարինելով առաջին փուլի սկավառակով:Արդյունքում, յուրաքանչյուր ճյուղ ընդօրինակում է առաջին փուլի շարժիչը, բացառությամբ այն ճյուղի, որն ինքն է պահում մետաղալարը:Այս կերպ կարող են ձևավորվել բնադրված կառուցվածքներ, որոնք ստեղծում են ուժեր, որոնք մի քանի անգամ ավելի մեծ են, քան առաջնային շարժիչների ուժերը։Այս ուսումնասիրության մեջ յուրաքանչյուր մակարդակի համար հաշվի է առնվել 1 մ SMA մետաղալարերի ընդհանուր արդյունավետ երկարությունը, ինչպես ցույց է տրված աղյուսակ 7d-ում:Յուրաքանչյուր միամոդալ դիզայնի յուրաքանչյուր մետաղալարով հոսանքը և SMA մետաղալարերի յուրաքանչյուր հատվածում առաջացող նախալարումը և լարումը նույնն են յուրաքանչյուր մակարդակում:Ըստ մեր վերլուծական մոդելի՝ ելքային ուժը դրականորեն փոխկապակցված է մակարդակի հետ, մինչդեռ տեղաշարժը՝ բացասաբար:Միևնույն ժամանակ, տեղի ունեցավ փոխզիջում տեղաշարժի և մկանային ուժի միջև:Ինչպես երևում է նկ.7b, մինչդեռ առավելագույն ուժը ձեռք է բերվում ամենամեծ թվով շերտերում, ամենամեծ տեղաշարժը դիտվում է ամենացածր շերտում:Երբ հիերարխիայի մակարդակը սահմանվեց \(N=5\), մկանային ուժի գագաթնակետը գտնվեց 2,58 կՆ՝ 2 դիտված հարվածներով \(\upmu\)m:Մյուս կողմից, առաջին փուլի շարժիչը 277 \(\upmu\)m հարվածով առաջացնում է 150 Ն ուժ:Բազմաստիճան ակտուատորները կարող են ընդօրինակել իրական կենսաբանական մկանները, որտեղ արհեստական ​​մկանները, որոնք հիմնված են ձևի հիշողության համաձուլվածքների վրա, ի վիճակի են զգալիորեն ավելի բարձր ուժեր առաջացնել ճշգրիտ և նուրբ շարժումներով:Այս մանրապատված դիզայնի սահմանափակումներն այն են, որ հիերարխիայի մեծացմանը զուգընթաց շարժումը զգալիորեն կրճատվում է, և շարժիչի արտադրության գործընթացի բարդությունը մեծանում է:
ա) երկաստիճան (\(N=2\)) շերտավոր ձևի հիշողության համաձուլվածքի գծային մղիչ համակարգը ցուցադրվում է երկմոդալ կազմաձևով:Առաջարկվող մոդելը ձեռք է բերվում SMA մետաղալարը առաջին փուլի շերտավոր մղիչում փոխարինելով մեկ այլ մեկ շերտավոր մղիչով:(գ) Երկրորդ փուլի բազմաշերտ մղիչի դեֆորմացված կոնֆիգուրացիա:բ) Նկարագրված է ուժերի և տեղաշարժերի բաշխումը` կախված մակարդակների քանակից:Պարզվել է, որ մղիչի գագաթնակետային ուժը դրականորեն փոխկապակցված է գրաֆիկի մասշտաբի մակարդակի հետ, մինչդեռ հարվածը բացասաբար է կապված մասշտաբի մակարդակի հետ:Յուրաքանչյուր լարերի ընթացիկ և նախնական լարումը մնում է հաստատուն բոլոր մակարդակներում:(դ) Աղյուսակը ցույց է տալիս ծորակների քանակը և SMA մետաղալարի երկարությունը (մանրաթել) յուրաքանչյուր մակարդակում:Հաղորդալարերի բնութագրերը նշվում են 1-ին ինդեքսով, իսկ երկրորդական ճյուղերի քանակը (մեկը միացված է առաջնային ոտքին) նշվում է ցուցիչում ամենամեծ թվով:Օրինակ, 5-րդ մակարդակում \(n_1\) վերաբերում է SMA լարերի քանակին, որոնք առկա են յուրաքանչյուր երկմոդալ կառուցվածքում, և \(n_5\) վերաբերում է օժանդակ ոտքերի թվին (մեկը միացված է հիմնական ոտքին):
Բազմաթիվ հետազոտողների կողմից առաջարկվել են SMA-ների վարքագիծը ձևի հիշողությամբ մոդելավորելու տարբեր մեթոդներ, որոնք կախված են փուլային անցման հետ կապված բյուրեղային կառուցվածքի մակրոսկոպիկ փոփոխություններին ուղեկցող ջերմամեխանիկական հատկություններից:Կոնստիտուցիոնալ մեթոդների ձևակերպումն իր էությամբ բարդ է:Ամենատարածված ֆենոմենոլոգիական մոդելն առաջարկվել է Tanaka28-ի կողմից և լայնորեն կիրառվում է ինժեներական կիրառություններում:Տանակայի առաջարկած ֆենոմենոլոգիական մոդելը ենթադրում է, որ մարտենզիտի ծավալային բաժինը ջերմաստիճանի և լարվածության էքսպոնենցիալ ֆունկցիա է։Հետագայում Լիանգը և Ռոջերսը29 և Բրինսոնը30 առաջարկեցին մի մոդել, որտեղ փուլային անցման դինամիկան ենթադրվում էր որպես լարման և ջերմաստիճանի կոսինուսային ֆունկցիա՝ մոդելի աննշան փոփոխություններով:Բեքերը և Բրինսոնը առաջարկեցին փուլային դիագրամի վրա հիմնված կինետիկ մոդել՝ մոդելավորելու SMA նյութերի վարքագիծը կամայական բեռնման պայմաններում, ինչպես նաև մասնակի անցումներով:Banerjee32-ն օգտագործում է Bekker and Brinson31 փուլային դիագրամի դինամիկայի մեթոդը՝ Էլահինիայի և Ահմադիանի կողմից մշակված ազատության մեկ աստիճանի մանիպուլյատորի մոդելավորման համար:Ֆազային դիագրամների վրա հիմնված կինետիկ մեթոդները, որոնք հաշվի են առնում լարման ոչ միապաղաղ փոփոխությունը ջերմաստիճանի հետ, դժվար է կիրառել ինժեներական կիրառություններում:Էլախինիան և Ահմադիանը ուշադրություն են հրավիրում գոյություն ունեցող ֆենոմենոլոգիական մոդելների այս թերությունների վրա և առաջարկում են ընդլայնված ֆենոմենոլոգիական մոդել՝ վերլուծելու և սահմանելու ձևի հիշողության վարքագիծը ցանկացած բարդ բեռնման պայմաններում:
SMA մետաղալարի կառուցվածքային մոդելը տալիս է SMA մետաղալարի լարվածություն (\(\sigma\)), լարվածություն (\(\epsilon\)), ջերմաստիճան (T) և մարտենզիտի ծավալային բաժին (\(\xi\)):Ֆենոմենոլոգիական կառուցողական մոդելը սկզբում առաջարկվել է Տանակայի կողմից28, իսկ ավելի ուշ ընդունվել է Լիանգ29-ի և Բրինսոնի կողմից30:Հավասարման ածանցյալն ունի ձև.
որտեղ E-ը փուլից կախված SMA Young-ի մոդուլն է, որը ստացվել է օգտագործելով \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) և \(E_A\) և \(E_M\), որոնք ներկայացնում են Յանգի մոդուլը, համապատասխանաբար ավստենիտիկ և մարտենզիտիկ փուլերն են, իսկ գործակիցը ներկայացված է \T-ի ջերմային ընդլայնմամբ:Ֆազային անցման ներդրման գործակիցը \(\Omega = -E \epsilon _L\) է, իսկ \(\epsilon _L\) առավելագույն վերականգնվող լարումն է SMA մետաղալարում:
Ֆազային դինամիկայի հավասարումը համընկնում է Liang29-ի կողմից մշակված կոսինուսի ֆունկցիայի հետ, որը հետագայում ընդունվել է Brinson30-ի կողմից՝ Tanaka28-ի առաջարկած էքսպոնենցիալ ֆունկցիայի փոխարեն:Փուլային անցման մոդելը Էլախինիայի և Ահմադիանի կողմից առաջարկված մոդելի ընդլայնումն է34 և փոփոխվել է Լիանգ29-ի և Բրինսոնի30-ի կողմից տրված փուլային անցման պայմանների հիման վրա:Այս փուլային անցման մոդելի համար օգտագործվող պայմանները վավեր են բարդ ջերմամեխանիկական բեռների դեպքում:Ժամանակի յուրաքանչյուր պահի կառուցողական հավասարումը մոդելավորելիս հաշվարկվում է մարտենզիտի ծավալային մասի արժեքը:
Վերափոխման կառավարող հավասարումը, որն արտահայտված է տաքացման պայմաններում մարտենզիտի վերափոխմամբ ավստենիտի, հետևյալն է.
որտեղ \(\xi\) մարտենզիտի ծավալային մասն է, \(\xi _M\) - մարտենզիտի ծավալային մասնաբաժինը, որը ստացվել է տաքացումից առաջ, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) և \(C_A\) և \(C_A\) – ջերմաստիճանի լարում, \(C_A\) – curve: (A_f\) – ավստենիտի փուլի սկիզբը և ավարտը, համապատասխանաբար, ջերմաստիճանը:
Ուղղակի փոխակերպման վերահսկման հավասարումը, որը ներկայացված է սառեցման պայմաններում ավստենիտի փուլային փոխակերպմամբ մարտենզիտի, հետևյալն է.
որտեղ \(\xi _A\) մարտենզիտի ծավալային մասնաբաժինն է, որը ստացվել է մինչև սառչելը, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) և \ (C_M \) – կորի կցման պարամետրերը, T – SMA մետաղալարերի վերջնական կցման պարամետրերը, T – SMA մետաղալարերի վերջնական ջերմաստիճանը, M սկզբնական ջերմաստիճանը և M. .
(3) և (4) հավասարումները տարբերակելուց հետո հակադարձ և ուղղակի փոխակերպման հավասարումները պարզեցվում են հետևյալ ձևով.
Առաջ և հետընթաց փոխակերպման ժամանակ \(\eta _{\sigma}\) և \(\eta _{T}\) տարբեր արժեքներ են ընդունում:\(\eta _{\sigma}\) և \(\eta _{T}\)-ի հետ կապված հիմնական հավասարումները ստացվել և մանրամասն քննարկվել են լրացուցիչ բաժնում:
Ջերմային էներգիան, որն անհրաժեշտ է SMA մետաղալարի ջերմաստիճանը բարձրացնելու համար, ստացվում է Ջոուլի ջեռուցման էֆեկտից:SMA մետաղալարով կլանված կամ թողարկվող ջերմային էներգիան ներկայացված է փոխակերպման թաքնված ջերմությամբ:SMA մետաղալարում ջերմության կորուստը պայմանավորված է հարկադիր կոնվեկցիայի պատճառով, և հաշվի առնելով ճառագայթման աննշան ազդեցությունը, ջերմային էներգիայի հաշվեկշռի հավասարումը հետևյալն է.
Այնտեղ, որտեղ \(m_{wire}\) SMA հաղորդալարի ընդհանուր զանգվածն է, \(c_{p}\)-ը SMA-ի հատուկ ջերմային հզորությունն է, \(V_{in}\) լարման վրա կիրառվող լարումն է, \(R_{ohm} \ ) – փուլային կախված դիմադրություն SMA, սահմանված է որպես;\(R_{ohm} = (l/A_{խաչ})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) որտեղ \(r_M\ ) և \(r_A\) SMA փուլային դիմադրողականությունն են մարտենզիտում և ավստենիտում, համապատասխանաբար, \(A_{c}\) - \(A_{c}\)-ը հաղորդալարի բոլորի մակերեսն է, \(S) բոլոր հիշողության մակերեսն է:Լարի անցման թաքնված ջերմությունը, T և \(T_{\infty}\) համապատասխանաբար SMA լարերի և շրջակա միջավայրի ջերմաստիճաններն են:
Երբ գործարկվում է ձևի հիշողության համաձուլվածքային մետաղալարը, մետաղալարը սեղմվում է՝ ստեղծելով մի ուժ երկմոդալ դիզայնի յուրաքանչյուր ճյուղում, որը կոչվում է մանրաթելային ուժ:SMA մետաղալարի յուրաքանչյուր շղթայի մանրաթելերի ուժերը միասին ստեղծում են մկանային ուժ՝ գործարկելու համար, ինչպես ցույց է տրված Նկար 9e-ում:Շեղող զսպանակի առկայության պատճառով N-րդ բազմաշերտ մղիչի ընդհանուր մկանային ուժը կազմում է.
Փոխարինելով \(N = 1\) (7) հավասարման մեջ՝ առաջին փուլի երկմոդալ շարժիչի նախատիպի մկանային ուժը կարելի է ստանալ հետևյալ կերպ.
որտեղ n-ը միամոդալ ոտքերի թիվն է, \(F_m\) մկանային ուժն է, որն առաջանում է շարժիչի կողմից, \​(F_f\) - մանրաթելի ուժը SMA մետաղալարում, \(K_x\) կողմնակալության կոշտությունն է:զսպանակը, \(\ալֆա\) եռանկյունու անկյունն է, \(x_0\)-ը շեղման զսպանակի սկզբնական շեղումն է՝ SMA մալուխը նախապես լարված դիրքում պահելու համար, և \(\Delta x\) շարժիչի շարժն է:
Շարժիչի ընդհանուր տեղաշարժը կամ շարժումը (\(\Delta x\)) կախված լարումից (\(\sigma\)) և լարումից (\(\epsilon\)) N-րդ փուլի SMA մետաղալարի վրա, սկավառակը դրված է (տես Նկ. ելքի լրացուցիչ մասը).
Կինեմատիկական հավասարումները տալիս են կապը շարժիչի դեֆորմացիայի (\(\epsilon\)) և տեղաշարժի կամ տեղաշարժի (\(\Delta x\)) միջև:Arb հաղորդալարի դեֆորմացիան՝ որպես սկզբնական Arb մետաղալարի երկարության (\(l_0\)) և մետաղալարի երկարության (l) ֆունկցիա ցանկացած ժամանակ t մեկ միամոդալ ճյուղում հետևյալն է.
որտեղ \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) ստացվում է՝ կիրառելով կոսինուսի բանաձևը \(\Delta\)ABB '-ում, ինչպես ցույց է տրված Նկար 8-ում: Առաջին փուլի շարժման համար (\D) (\D) (\D) = x. ), և \(\ալֆա _1\)-ը \(\ալֆա \) է, ինչպես ցույց է տրված Նկար 8-ում, ժամանակը տարբերելով (11) հավասարումից և փոխարինելով l-ի արժեքը, լարման արագությունը կարող է գրվել հետևյալ կերպ.
որտեղ \(l_0\)-ը SMA հաղորդալարի սկզբնական երկարությունն է, l-ը մետաղալարի երկարությունն է ցանկացած պահի t մեկ միամոդալ ճյուղում, \(\epsilon\)-ը SMA լարում զարգացած դեֆորմացիան է, և \(\ալֆա \) եռանկյունու անկյունն է, \(\Delta x\) շարժման շեղումը (ինչպես ցույց է տրված նկարում):
Բոլոր n մեկ գագաթնակետային կառույցները (\(n=6\) այս նկարում) շարքով միացված են \(V_{in}\) որպես մուտքային լարման:Փուլ I. SMA հաղորդալարի սխեմատիկ դիագրամ երկմոդալ կոնֆիգուրացիայի մեջ զրոյական լարման պայմաններում Փուլ II. Ցուցադրվում է կառավարվող կառուցվածք, որտեղ SMA մետաղալարը սեղմվում է հակադարձ փոխակերպման պատճառով, ինչպես ցույց է տրված կարմիր գծով:
Որպես հայեցակարգի ապացույց, մշակվել է SMA-ի վրա հիմնված երկմոդալ շարժիչ՝ փորձարարական արդյունքներով հիմքում ընկած հավասարումների մոդելավորված ածանցումը փորձարկելու համար:Բիմոդալ գծային մղիչի CAD մոդելը ներկայացված է նկ.9 ա.Մյուս կողմից, նկ.9c-ը ցույց է տալիս նոր դիզայն, որն առաջարկվում է պտտվող պրիզմատիկ միացման համար՝ օգտագործելով երկհարկանի SMA-ի վրա հիմնված մղիչ՝ երկմոդալ կառուցվածքով:Շարժիչի բաղադրիչները պատրաստվել են Ultimaker 3 Extended 3D տպիչի վրա հավելումների արտադրության միջոցով:Բաղադրիչների 3D տպագրության համար օգտագործվող նյութը պոլիկարբոնատ է, որը հարմար է ջերմակայուն նյութերի համար, քանի որ այն ամուր է, դիմացկուն և ունի բարձր ապակե անցման ջերմաստիճան (110-113 \(^{\circ }\) C):Բացի այդ, Dynalloy, Inc. Flexinol-ի հիշողության համաձուլվածքի մետաղալարն օգտագործվել է փորձերում, իսկ սիմուլյացիաներում օգտագործվել են Flexinol մետաղալարին համապատասխանող նյութական հատկությունները։Բազմաթիվ SMA լարերը դասավորված են որպես մանրաթելեր, որոնք առկա են մկանների երկմոդալ դասավորության մեջ՝ ստանալու համար բազմաշերտ ակտուատորների կողմից արտադրվող բարձր ուժերը, ինչպես ցույց է տրված Նկար 9b, d-ում:
Ինչպես ցույց է տրված Նկար 9ա-ում, շարժական թևի SMA մետաղալարով ձևավորված սուր անկյունը կոչվում է անկյուն (\(\ալֆա\)):Ձախ և աջ սեղմակներին ամրացված տերմինալային սեղմիչներով SMA մետաղալարը պահվում է ցանկալի երկմոդալ անկյան տակ:Զսպանակային միակցիչի վրա պահվող կողմնակալ զսպանակային սարքը նախատեսված է տարբեր կողմնակալ զսպանակների երկարացման խմբերը կարգավորելու համար՝ ըստ SMA մանրաթելերի քանակի (n):Բացի այդ, շարժվող մասերի գտնվելու վայրը նախագծված է այնպես, որ SMA մետաղալարը ենթարկվի արտաքին միջավայրին հարկադիր կոնվեկցիոն հովացման համար:Անջատվող հավաքույթի վերին և ներքևի թիթեղները օգնում են SMA մետաղալարը սառը պահել՝ մամլված կտրվածքներով, որոնք նախատեսված են քաշը նվազեցնելու համար:Բացի այդ, CMA մետաղալարերի երկու ծայրերը ամրացվում են համապատասխանաբար ձախ և աջ տերմինալների վրա, սեղմակի միջոցով:Շարժական հավաքույթի մի ծայրին ամրացված է մխոց՝ վերևի և ներքևի թիթեղների միջև բացը պահպանելու համար:Մխոցը նաև օգտագործվում է կոնտակտի միջոցով սենսորին արգելափակող ուժ կիրառելու համար՝ SMA լարը գործարկելու ժամանակ արգելափակող ուժը չափելու համար:
SMA-ի երկմոդալ մկանային կառուցվածքը էլեկտրականորեն միացված է հաջորդաբար և սնուցվում է մուտքային իմպուլսային լարման միջոցով:Լարման իմպուլսային ցիկլի ընթացքում, երբ լարումը կիրառվում է, և SMA մետաղալարը տաքացվում է ավստենիտի սկզբնական ջերմաստիճանից բարձր, յուրաքանչյուր շղթայի մեջ մետաղալարի երկարությունը կրճատվում է:Այս ետ քաշումը ակտիվացնում է շարժական թեւի ենթախումբը:Երբ նույն ցիկլում լարումը զրոյացվեց, ջեռուցվող SMA մետաղալարը սառեցվեց մարտենզիտի մակերեսի ջերմաստիճանից ցածր՝ դրանով իսկ վերադառնալով իր սկզբնական դիրքին:Զրոյական լարվածության պայմաններում SMA մետաղալարը սկզբում պասիվորեն ձգվում է շեղման զսպանակով, որպեսզի հասնի կապակցված մարտենզիտի վիճակին:Պտուտակը, որով անցնում է SMA մետաղալարը, շարժվում է SMA մետաղալարին լարման իմպուլս կիրառելով ստեղծված սեղմման պատճառով (SPA-ն հասնում է ավստենիտի փուլին), ինչը հանգեցնում է շարժական լծակի գործարկմանը։Երբ SMA մետաղալարը հետ է քաշվում, կողմնակալության զսպանակը հակառակ ուժ է ստեղծում՝ զսպանակի հետագա ձգման միջոցով:Երբ իմպուլսային լարման լարվածությունը դառնում է զրոյական, SMA մետաղալարը երկարանում է և փոխում է իր ձևը հարկադիր կոնվեկցիոն հովացման պատճառով՝ հասնելով կրկնակի մարտենզիտային փուլի։
Առաջարկվող SMA-ի վրա հիմնված գծային մղիչ համակարգը ունի երկմոդալ կոնֆիգուրացիա, որում SMA լարերը թեքված են:(ա) պատկերում է նախատիպի CAD մոդելը, որը նշում է որոշ բաղադրիչներ և դրանց նշանակությունը նախատիպի համար, (բ, դ) ներկայացնում է մշակված փորձնական նախատիպը35:Մինչ (բ) ցույց է տալիս նախատիպի վերևի տեսքը էլեկտրական միացումներով և օգտագործված կողմնակալ աղբյուրներով և լարման չափիչներով, (դ) ցույց է տալիս տեղադրման հեռանկարային տեսքը:ե) գծային ակտիվացման համակարգի դիագրամ SMA լարերով, որոնք տեղադրված են երկմոդալ ցանկացած ժամանակ t, որը ցույց է տալիս մանրաթելի և մկանների ուժի ուղղությունն ու ընթացքը։(գ) Առաջարկվել է 2-DOF պտտվող պրիզմատիկ միացում՝ SMA-ի վրա հիմնված երկու հարթության շարժիչ սարքի տեղակայման համար:Ինչպես ցույց է տրված, կապը փոխանցում է գծային շարժում ներքևի շարժիչից դեպի վերին թևը, ստեղծելով պտտվող միացում:Մյուս կողմից, զույգ պրիզմայի շարժումը նույնն է, ինչ բազմաշերտ առաջին փուլի շարժիչի շարժումը։
Փորձարարական ուսումնասիրություն է իրականացվել Նկար 9b-ում ցուցադրված նախատիպի վրա՝ SMA-ի վրա հիմնված երկմոդալ շարժիչի աշխատանքը գնահատելու համար:Ինչպես ցույց է տրված Նկար 10ա-ում, փորձարարական կարգավորումը բաղկացած էր ծրագրավորվող DC սնուցման աղբյուրից՝ մուտքային լարումը SMA լարերին մատակարարելու համար:Ինչպես ցույց է տրված նկ.10b, պիեզոէլեկտրական լարման չափիչ (PACEline CFT/5kN) օգտագործվել է արգելափակման ուժը չափելու համար՝ օգտագործելով Graphtec GL-2000 տվյալների լոգերը:Տվյալները գրանցվում են տանտիրոջ կողմից հետագա ուսումնասիրության համար:Լարվածության չափիչները և լիցքավորման ուժեղացուցիչները պահանջում են մշտական ​​էներգիայի մատակարարում լարման ազդանշան արտադրելու համար:Համապատասխան ազդանշանները վերածվում են էներգիայի ելքերի՝ համաձայն պիեզոէլեկտրական ուժի սենսորի զգայունության և այլ պարամետրերի, ինչպես նկարագրված է Աղյուսակ 2-ում: Լարման իմպուլսի կիրառման դեպքում SMA հաղորդալարի ջերմաստիճանը մեծանում է, ինչի հետևանքով SMA լարը սեղմվում է, ինչը ստիպում է մղիչին ուժ առաջացնել:7 Վ մուտքային լարման իմպուլսի միջոցով մկանային ուժի ելքի փորձարարական արդյունքները ներկայացված են նկ.2 ա.
ա) Փորձարկման ժամանակ ստեղծվել է SMA-ի վրա հիմնված գծային ակտուատորի համակարգ՝ շարժիչի կողմից առաջացած ուժը չափելու համար:Բեռնախցիկը չափում է արգելափակման ուժը և սնուցվում է 24 Վ հաստատուն հոսանքի սնուցման միջոցով:7 Վ լարման անկումը կիրառվել է մալուխի ողջ երկարությամբ՝ օգտագործելով GW Instek ծրագրավորվող DC սնուցման աղբյուրը:SMA մետաղալարը փոքրանում է ջերմության պատճառով, իսկ շարժական թեւը շփվում է բեռնախցիկի հետ և գործադրում արգելափակող ուժ։Բեռնախցիկը միացված է GL-2000 տվյալների լոգերին և տվյալները պահվում են հոսթի վրա՝ հետագա մշակման համար:բ) Դիագրամ, որը ցույց է տալիս մկանների ուժի չափման փորձարարական կազմավորման բաղադրիչների շղթան:
Ձևային հիշողության համաձուլվածքները գրգռվում են ջերմային էներգիայով, ուստի ջերմաստիճանը կարևոր պարամետր է դառնում ձևի հիշողության ֆենոմենը ուսումնասիրելու համար:Փորձնականորեն, ինչպես ցույց է տրված Նկար 11ա-ում, ջերմային պատկերացումն ու ջերմաստիճանի չափումները կատարվել են SMA-ի վրա հիմնված դիվալերատիվ մղիչի նախատիպի վրա:Ծրագրավորվող DC աղբյուրը ներածման լարում է կիրառել SMA լարերի վրա փորձարարական կարգավորմամբ, ինչպես ցույց է տրված Նկար 11b-ում:SMA լարերի ջերմաստիճանի փոփոխությունը չափվել է իրական ժամանակում՝ օգտագործելով բարձր լուծաչափով LWIR տեսախցիկ (FLIR A655sc):Հյուրընկալողն օգտագործում է ResearchIR ծրագրակազմը՝ հետագա հետմշակման համար տվյալները գրանցելու համար:Երբ լարման իմպուլսը կիրառվում է, SMA մետաղալարի ջերմաստիճանը մեծանում է, ինչի հետևանքով SMA լարը փոքրանում է:Նկ.Նկար 2b-ը ցույց է տալիս SMA լարերի ջերմաստիճանի փորձնական արդյունքները 7 Վ մուտքային լարման իմպուլսի ժամանակի համեմատ: