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Gli attuatori sono utilizzati ovunque e creano un movimento controllato applicando la forza o la coppia di eccitazione corretta per eseguire varie operazioni nella produzione e nell'automazione industriale.La necessità di azionamenti più veloci, più piccoli ed efficienti sta guidando l'innovazione nella progettazione degli azionamenti.Le unità Shape Memory Alloy (SMA) offrono una serie di vantaggi rispetto alle unità convenzionali, tra cui un elevato rapporto potenza/peso.In questa dissertazione è stato sviluppato un attuatore basato su SMA a due piume che combina i vantaggi dei muscoli piumati dei sistemi biologici e le proprietà uniche delle SMA.Questo studio esplora ed estende i precedenti attuatori SMA sviluppando un modello matematico del nuovo attuatore basato sulla disposizione del filo SMA bimodale e testandolo sperimentalmente.Rispetto agli azionamenti noti basati su SMA, la forza di azionamento del nuovo azionamento è almeno 5 volte superiore (fino a 150 N).La corrispondente perdita di peso è di circa il 67%.I risultati dell'analisi di sensibilità dei modelli matematici sono utili per ottimizzare i parametri di progettazione e comprendere i parametri chiave.Questo studio presenta inoltre un drive Nth stage multi-livello che può essere utilizzato per migliorare ulteriormente la dinamica.Gli attuatori muscolari dipvalerati basati su SMA hanno un'ampia gamma di applicazioni, dall'automazione degli edifici ai sistemi di somministrazione di farmaci di precisione.
I sistemi biologici, come le strutture muscolari dei mammiferi, possono attivare molti attuatori sottili1.I mammiferi hanno diverse strutture muscolari, ciascuna con uno scopo specifico.Tuttavia, gran parte della struttura del tessuto muscolare dei mammiferi può essere suddivisa in due grandi categorie.Parallele e pennate.Nei muscoli posteriori della coscia e in altri flessori, come suggerisce il nome, la muscolatura parallela ha fibre muscolari parallele al tendine centrale.La catena di fibre muscolari è allineata e collegata funzionalmente dal tessuto connettivo che le circonda.Anche se si dice che questi muscoli abbiano una grande escursione (percentuale di accorciamento), la loro forza muscolare complessiva è molto limitata.Al contrario, nel muscolo tricipite del polpaccio2 (gastrocnemio laterale (GL)3, gastrocnemio mediale (GM)4 e soleo (SOL)) ed estensore femorale (quadricipite)5,6 il tessuto muscolare pennato si trova in ciascun muscolo7.In una struttura pennata, le fibre muscolari nella muscolatura bipennata sono presenti su entrambi i lati del tendine centrale ad angoli obliqui (angoli pennati).Pennate deriva dal latino “penna”, che significa “penna”, e, come si vede in fig.1 ha un aspetto simile a una piuma.Le fibre dei muscoli pennati sono più corte e angolate rispetto all'asse longitudinale del muscolo.A causa della struttura pennata, la mobilità complessiva di questi muscoli è ridotta, il che porta alle componenti trasversali e longitudinali del processo di accorciamento.D'altra parte, l'attivazione di questi muscoli porta a una maggiore forza muscolare complessiva a causa del modo in cui viene misurata l'area della sezione trasversale fisiologica.Pertanto, per una data area della sezione trasversale, i muscoli pennati saranno più forti e genereranno forze maggiori rispetto ai muscoli con fibre parallele.Le forze generate dalle singole fibre generano forze muscolari a livello macroscopico in quel tessuto muscolare.Inoltre, ha proprietà uniche come restringimento rapido, protezione contro i danni da trazione, ammortizzazione.Trasforma la relazione tra l'input delle fibre e l'output della potenza muscolare sfruttando le caratteristiche uniche e la complessità geometrica della disposizione delle fibre associate alle linee di azione muscolare.
Vengono mostrati diagrammi schematici di progetti di attuatori basati su SMA esistenti in relazione a un'architettura muscolare bimodale, ad esempio (a), che rappresenta l'interazione della forza tattile in cui un dispositivo a forma di mano azionato da fili SMA è montato su un robot mobile autonomo a due ruote9,10., (b) Protesi orbitale robotica con protesi orbitale caricata a molla SMA posizionata in modo antagonista.La posizione dell'occhio protesico è controllata da un segnale proveniente dal muscolo oculare dell'occhio11, (c) Gli attuatori SMA sono ideali per le applicazioni subacquee grazie alla loro risposta ad alta frequenza e alla bassa larghezza di banda.In questa configurazione, gli attuatori SMA vengono utilizzati per creare il moto ondoso simulando il movimento del pesce, (d) gli attuatori SMA vengono utilizzati per creare un robot di ispezione microtubo che può utilizzare il principio del movimento del verme in pollici, controllato dal movimento dei fili SMA all'interno del canale 10, (e) mostra la direzione delle fibre muscolari di contrazione e genera forza contrattile nel tessuto gastrocnemio, (f) mostra i fili SMA disposti sotto forma di fibre muscolari nella struttura del muscolo pennato.
Gli attuatori sono diventati una parte importante dei sistemi meccanici grazie alla loro vasta gamma di applicazioni.Pertanto, la necessità di unità più piccole, più veloci ed efficienti diventa fondamentale.Nonostante i loro vantaggi, le unità tradizionali si sono dimostrate costose e richiedono molto tempo per la manutenzione.Gli attuatori idraulici e pneumatici sono complessi e costosi e sono soggetti a usura, problemi di lubrificazione e rottura dei componenti.In risposta alla domanda, l'attenzione si concentra sullo sviluppo di attuatori economici, ottimizzati per le dimensioni e avanzati basati su materiali intelligenti.La ricerca in corso sta esaminando gli attuatori stratificati in lega a memoria di forma (SMA) per soddisfare questa esigenza.Gli attuatori gerarchici sono unici in quanto combinano molti attuatori discreti in sottosistemi su scala macro geometricamente complessi per fornire funzionalità aumentate ed espanse.A questo proposito, il tessuto muscolare umano sopra descritto fornisce un eccellente esempio multistrato di tale attivazione multistrato.L'attuale studio descrive un'unità SMA multilivello con diversi elementi di trasmissione individuali (fili SMA) allineati agli orientamenti delle fibre presenti nei muscoli bimodali, che migliora le prestazioni complessive dell'unità.
Lo scopo principale di un attuatore è generare potenza meccanica come forza e spostamento convertendo l'energia elettrica.Le leghe a memoria di forma sono una classe di materiali “intelligenti” in grado di ripristinare la loro forma ad alte temperature.Sotto carichi elevati, un aumento della temperatura del filo SMA porta al recupero della forma, con conseguente maggiore densità di energia di attuazione rispetto a vari materiali intelligenti direttamente incollati.Allo stesso tempo, sotto carichi meccanici, gli SMA diventano fragili.In determinate condizioni, un carico ciclico può assorbire e rilasciare energia meccanica, esibendo cambiamenti di forma isteretici reversibili.Queste proprietà uniche rendono SMA ideale per sensori, smorzamento delle vibrazioni e soprattutto attuatori12.Con questo in mente, sono state condotte molte ricerche sulle unità basate su SMA.Va notato che gli attuatori basati su SMA sono progettati per fornire movimento traslatorio e rotatorio per una varietà di applicazioni13,14,15.Sebbene siano stati sviluppati alcuni attuatori rotanti, i ricercatori sono particolarmente interessati agli attuatori lineari.Questi attuatori lineari possono essere suddivisi in tre tipi di attuatori: unidimensionali, dislocanti e differenziali 16 .Inizialmente, le unità ibride sono state create in combinazione con SMA e altre unità convenzionali.Un esempio di un attuatore lineare ibrido basato su SMA è l'uso di un filo SMA con un motore CC per fornire una forza di uscita di circa 100 N e uno spostamento significativo17.
Uno dei primi sviluppi nelle unità basate interamente su SMA è stata l'unità parallela SMA.Utilizzando più cavi SMA, l'unità parallela basata su SMA è progettata per aumentare la capacità di alimentazione dell'unità posizionando tutti i cavi SMA18 in parallelo.Il collegamento in parallelo degli attuatori non solo richiede più potenza, ma limita anche la potenza di uscita di un singolo filo.Un altro svantaggio degli attuatori basati su SMA è la corsa limitata che possono raggiungere.Per risolvere questo problema, è stata creata una trave di cavo SMA contenente una trave flessibile deviata per aumentare lo spostamento e ottenere un movimento lineare, ma non ha generato forze più elevate19.Strutture e tessuti deformabili morbidi per robot basati su leghe a memoria di forma sono stati sviluppati principalmente per l'amplificazione dell'impatto20,21,22.Per le applicazioni in cui sono richieste velocità elevate, è stato riportato che le pompe azionate compatte utilizzano SMA a film sottile per applicazioni azionate da micropompe23.La frequenza di azionamento della membrana SMA a film sottile è un fattore chiave nel controllo della velocità del driver.Pertanto, i motori lineari SMA hanno una risposta dinamica migliore rispetto ai motori a molla o ad asta SMA.La robotica morbida e la tecnologia di presa sono altre due applicazioni che utilizzano attuatori basati su SMA.Ad esempio, per sostituire l'attuatore standard utilizzato nel morsetto spaziale da 25 N, è stato sviluppato un attuatore parallelo 24 in lega a memoria di forma.In un altro caso, è stato fabbricato un attuatore morbido SMA basato su un filo con una matrice incorporata in grado di produrre una forza di trazione massima di 30 N. Grazie alle loro proprietà meccaniche, gli SMA sono utilizzati anche per produrre attuatori che imitano i fenomeni biologici.Uno di questi sviluppi include un robot a 12 celle che è un biomimetico di un organismo simile a un lombrico con SMA per generare un movimento sinusoidale per sparare26,27.
Come accennato in precedenza, esiste un limite alla forza massima ottenibile dagli attuali attuatori basati su SMA.Per affrontare questo problema, questo studio presenta una struttura muscolare bimodale biomimetica.Guidato da filo in lega a memoria di forma.Fornisce un sistema di classificazione che include diversi fili in lega a memoria di forma.Ad oggi non sono stati riportati in letteratura attuatori basati su SMA con un'architettura simile.Questo sistema unico e innovativo basato sulla SMA è stato sviluppato per studiare il comportamento della SMA durante l'allineamento muscolare bimodale.Rispetto agli attuatori esistenti basati su SMA, l'obiettivo di questo studio era creare un attuatore dipvalerato biomimetico per generare forze significativamente più elevate in un piccolo volume.Rispetto ai tradizionali azionamenti con motore passo-passo utilizzati nei sistemi di controllo e automazione degli edifici HVAC, il design dell'azionamento bimodale basato su SMA proposto riduce il peso del meccanismo di azionamento del 67%.Nel seguito, i termini "muscolo" e "spinta" sono usati in modo intercambiabile.Questo studio indaga la simulazione multifisica di tale unità.Il comportamento meccanico di tali sistemi è stato studiato con metodi sperimentali e analitici.Le distribuzioni di forza e temperatura sono state ulteriormente studiate a una tensione di ingresso di 7 V. Successivamente, è stata eseguita un'analisi parametrica per comprendere meglio la relazione tra i parametri chiave e la forza di uscita.Infine, sono stati previsti attuatori gerarchici e sono stati proposti effetti a livello gerarchico come potenziale area futura per attuatori non magnetici per applicazioni protesiche.Secondo i risultati degli studi summenzionati, l'uso di un'architettura a singolo stadio produce forze almeno da quattro a cinque volte superiori rispetto agli attuatori basati su SMA riportati.Inoltre, è stato dimostrato che la stessa forza motrice generata da un'unità multilivello multilivello è più di dieci volte quella delle unità convenzionali basate su SMA.Lo studio riporta quindi i parametri chiave utilizzando l'analisi di sensibilità tra diversi progetti e variabili di input.La lunghezza iniziale del filo SMA (\(l_0\)), l'angolo pennato (\(\alpha\)) e il numero di singoli fili (n) in ogni singolo filo hanno un forte effetto negativo sull'entità della forza motrice.forza, mentre la tensione di ingresso (energia) si è rivelata positivamente correlata.
Il filo SMA mostra l'effetto memoria di forma (SME) visto nella famiglia di leghe di nichel-titanio (Ni-Ti).Tipicamente, gli SMA presentano due fasi dipendenti dalla temperatura: una fase a bassa temperatura e una fase ad alta temperatura.Entrambe le fasi hanno proprietà uniche dovute alla presenza di diverse strutture cristalline.Nella fase austenite (fase ad alta temperatura) esistente al di sopra della temperatura di trasformazione, il materiale mostra un'elevata resistenza e si deforma poco sotto carico.La lega si comporta come l'acciaio inossidabile, quindi è in grado di sopportare pressioni di azionamento più elevate.Sfruttando questa proprietà delle leghe Ni-Ti, i fili SMA sono inclinati per formare un attuatore.Vengono sviluppati modelli analitici appropriati per comprendere la meccanica fondamentale del comportamento termico della SMA sotto l'influenza di vari parametri e varie geometrie.È stato ottenuto un buon accordo tra i risultati sperimentali e analitici.
Sul prototipo mostrato in Fig. 9a è stato condotto uno studio sperimentale per valutare le prestazioni di un drive bimodale basato su SMA.Due di queste proprietà, la forza generata dalla spinta (forza muscolare) e la temperatura del filo SMA (temperatura SMA), sono state misurate sperimentalmente.All'aumentare della differenza di tensione lungo l'intera lunghezza del cavo nell'azionamento, la temperatura del cavo aumenta a causa dell'effetto di riscaldamento Joule.La tensione di ingresso è stata applicata in due cicli di 10 s (mostrati come punti rossi in Fig. 2a, b) con un periodo di raffreddamento di 15 s tra ogni ciclo.La forza di blocco è stata misurata utilizzando un estensimetro piezoelettrico e la distribuzione della temperatura del filo SMA è stata monitorata in tempo reale utilizzando una telecamera LWIR ad alta risoluzione di livello scientifico (vedere le caratteristiche dell'apparecchiatura utilizzata nella Tabella 2).mostra che durante la fase di alta tensione, la temperatura del filo aumenta in modo monotono, ma quando non scorre corrente, la temperatura del filo continua a scendere.Nell'attuale configurazione sperimentale, la temperatura del filo SMA è diminuita durante la fase di raffreddamento, ma era ancora al di sopra della temperatura ambiente.Sulla fig.2e mostra un'istantanea della temperatura sul filo SMA presa dalla telecamera LWIR.D'altra parte, nella fig.2a mostra la forza di bloccaggio generata dal sistema di azionamento.Quando la forza muscolare supera la forza di ripristino della molla, il braccio mobile, come mostrato nella figura 9a, inizia a muoversi.Non appena inizia l'azionamento, il braccio mobile entra in contatto con il sensore, creando una forza corporea, come mostrato in fig.2c, d.Quando la temperatura massima è vicina a \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), la forza massima osservata è 105 N.
Il grafico mostra i risultati sperimentali della temperatura del filo SMA e della forza generata dall'attuatore bimodale basato su SMA durante due cicli.La tensione di ingresso viene applicata in due cicli di 10 secondi (mostrati come punti rossi) con un periodo di raffreddamento di 15 secondi tra ogni ciclo.Il filo SMA utilizzato per gli esperimenti era un filo Flexinol di 0,51 mm di diametro di Dynalloy, Inc. (a) Il grafico mostra la forza sperimentale ottenuta in due cicli, (c, d) mostra due esempi indipendenti dell'azione degli attuatori a braccio mobile su un trasduttore di forza piezoelettrico PACEline CFT/5kN, (b) il grafico mostra la temperatura massima dell'intero filo SMA durante due cicli, (e) mostra un'istantanea della temperatura presa dal filo SMA utilizzando il software FLIR ResearchIR L Telecamera IR.I parametri geometrici presi in considerazione negli esperimenti sono riportati in Tabella.uno.
I risultati della simulazione del modello matematico ei risultati sperimentali vengono confrontati sotto la condizione di una tensione di ingresso di 7V, come mostrato in Fig.5.In base ai risultati dell'analisi parametrica e per evitare la possibilità di surriscaldamento del filo SMA, è stata fornita all'attuatore una potenza di 11,2 W.È stato utilizzato un alimentatore CC programmabile per fornire 7 V come tensione di ingresso ed è stata misurata una corrente di 1,6 A attraverso il filo.La forza generata dall'azionamento e la temperatura dell'SDR aumentano quando viene applicata corrente.Con una tensione di ingresso di 7 V, la forza di uscita massima ottenuta dai risultati della simulazione e dai risultati sperimentali del primo ciclo è rispettivamente di 78 N e 96 N.Nel secondo ciclo, la forza di uscita massima della simulazione e dei risultati sperimentali era rispettivamente di 150 N e 105 N.La discrepanza tra le misurazioni della forza di occlusione e i dati sperimentali può essere dovuta al metodo utilizzato per misurare la forza di occlusione.I risultati sperimentali mostrati in fig.5a corrispondono alla misura della forza di bloccaggio, che a sua volta è stata misurata quando l'albero motore era a contatto con il trasduttore di forza piezoelettrico PACEline CFT/5kN, come mostrato in fig.2s.Pertanto, quando l'albero motore non è in contatto con il sensore di forza all'inizio della zona di raffreddamento, la forza diventa immediatamente zero, come mostrato in Fig. 2d.Inoltre, altri parametri che influenzano la formazione della forza nei cicli successivi sono i valori del tempo di raffreddamento e il coefficiente di scambio termico convettivo nel ciclo precedente.Dalla fig.2b, si può vedere che dopo un periodo di raffreddamento di 15 secondi, il filo SMA non ha raggiunto la temperatura ambiente e quindi aveva una temperatura iniziale più alta (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) nel secondo ciclo di guida rispetto al primo ciclo (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Pertanto, rispetto al primo ciclo, la temperatura del filo SMA durante il secondo ciclo di riscaldamento raggiunge prima la temperatura iniziale dell'austenite (\(A_s\)) e rimane più a lungo nel periodo di transizione, con conseguente sollecitazione e forza.D'altra parte, le distribuzioni di temperatura durante i cicli di riscaldamento e raffreddamento ottenute da esperimenti e simulazioni hanno un'elevata somiglianza qualitativa con esempi tratti dall'analisi termografica.L'analisi comparativa dei dati termici del filo SMA da esperimenti e simulazioni ha mostrato coerenza durante i cicli di riscaldamento e raffreddamento e entro tolleranze accettabili per i dati sperimentali.La temperatura massima del filo SMA, ottenuta dai risultati della simulazione e degli esperimenti del primo ciclo, è \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) e \(75\,^{\circ }\hbox { C }\, rispettivamente), e nel secondo ciclo la temperatura massima del filo SMA è \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) e \(83\,^{\circ }\ hbox {C} \).Il modello fondamentalmente sviluppato conferma l'effetto dell'effetto memoria di forma.Il ruolo della fatica e del surriscaldamento non è stato considerato in questa recensione.In futuro, il modello verrà migliorato per includere la cronologia delle sollecitazioni del filo SMA, rendendolo più adatto alle applicazioni ingegneristiche.La forza di uscita dell'azionamento e i grafici della temperatura SMA ottenuti dal blocco Simulink rientrano nelle tolleranze consentite dei dati sperimentali sotto la condizione di un impulso di tensione in ingresso di 7 V. Ciò conferma la correttezza e l'affidabilità del modello matematico sviluppato.
Il modello matematico è stato sviluppato nell'ambiente MathWorks Simulink R2020b utilizzando le equazioni di base descritte nella sezione Metodi.Sulla fig.3b mostra uno schema a blocchi del modello matematico Simulink.Il modello è stato simulato per un impulso di tensione di ingresso di 7 V come mostrato in Fig. 2a, b.I valori dei parametri utilizzati nella simulazione sono elencati nella Tabella 1. I risultati della simulazione dei processi transitori sono presentati nelle Figure 1 e 1. Figure 3a e 4. In fig.4a,b mostra la tensione indotta nel filo SMA e la forza generata dall'attuatore in funzione del tempo. Durante la trasformazione inversa (riscaldamento), quando la temperatura del filo SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura iniziale della fase di austenite modificata dallo stress), il tasso di variazione della frazione di volume della martensite (\(\dot{\xi }\)) sarà zero. Durante la trasformazione inversa (riscaldamento), quando la temperatura del filo SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura iniziale della fase di austenite modificata dallo stress), il tasso di variazione della frazione di volume della martensite (\(\dot{\ xi }\)) sarà zero. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura начала аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Durante la trasformazione inversa (riscaldamento), quando la temperatura del filo SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura di insorgenza dell'austenite modificata dallo stress), il tasso di variazione della frazione di volume della martensite (\(\dot{\ xi }\ )) sarà zero.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\)) 将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
( a ) Risultato della simulazione che mostra la distribuzione della temperatura e la temperatura di giunzione indotta dallo stress in un attuatore divalerato basato su SMA.Quando la temperatura del filo incrocia la temperatura di transizione dell'austenite nella fase di riscaldamento, la temperatura di transizione dell'austenite modificata inizia ad aumentare, e analogamente, quando la temperatura della vergella incrocia la temperatura di transizione martensitica nella fase di raffreddamento, la temperatura di transizione martensitica diminuisce.SMA per la modellazione analitica del processo di attuazione.(Per una vista dettagliata di ciascun sottosistema di un modello Simulink, vedere la sezione dell'appendice del file supplementare.)
I risultati dell'analisi per diverse distribuzioni dei parametri sono mostrati per due cicli della tensione di ingresso a 7 V (cicli di riscaldamento di 10 secondi e cicli di raffreddamento di 15 secondi).Mentre (ac) ed (e) rappresentano la distribuzione nel tempo, d'altra parte, (d) ed (f) illustrano la distribuzione con la temperatura.Per le rispettive condizioni di input, la sollecitazione massima osservata è di 106 MPa (meno di 345 MPa, carico di snervamento del filo), la forza è di 150 N, lo spostamento massimo è di 270 µm e la frazione minima del volume martensitico è di 0,91.D'altra parte, la variazione della sollecitazione e la variazione della frazione di volume della martensite con la temperatura sono simili alle caratteristiche di isteresi.
La stessa spiegazione si applica alla trasformazione diretta (raffreddamento) dalla fase austenite alla fase martensite, dove la temperatura del filo SMA (T) e la temperatura finale della fase martensitica modificata dallo stress (\(M_f^{\prime}\ )) è eccellente.Sulla fig.4d,f mostra la variazione della sollecitazione indotta (\(\sigma\)) e la frazione di volume della martensite (\(\xi\)) nel filo SMA in funzione della variazione di temperatura del filo SMA (T), per entrambi i cicli di guida.Sulla fig.La figura 3a mostra la variazione della temperatura del filo SMA nel tempo in funzione dell'impulso della tensione di ingresso.Come si vede dalla figura, la temperatura del filo continua ad aumentare fornendo una sorgente di calore a tensione zero e successivo raffreddamento convettivo.Durante il riscaldamento, la ritrasformazione della martensite in fase austenite inizia quando la temperatura del filo SMA (T) incrocia la temperatura di nucleazione dell'austenite corretta per lo stress (\(A_s^{\prime}\)).Durante questa fase, il filo SMA viene compresso e l'attuatore genera forza.Anche durante il raffreddamento, quando la temperatura del filo SMA (T) incrocia la temperatura di nucleazione della fase martensitica modificata dallo stress (\(M_s^{\prime}\)) c'è una transizione positiva dalla fase austenite alla fase martensitica.la forza motrice diminuisce.
I principali aspetti qualitativi della guida bimodale basata su SMA possono essere ottenuti dai risultati della simulazione.Nel caso di un ingresso impulsivo di tensione, la temperatura del filo SMA aumenta a causa dell'effetto di riscaldamento Joule.Il valore iniziale della frazione di volume della martensite (\(\xi\)) è impostato su 1, poiché il materiale è inizialmente in una fase completamente martensitica.Man mano che il filo continua a riscaldarsi, la temperatura del filo SMA supera la temperatura di nucleazione dell'austenite corretta per lo stress \(A_s^{\prime}\), determinando una diminuzione della frazione di volume della martensite, come mostrato nella Figura 4c.Inoltre, nella fig.4e mostra la distribuzione delle corse dell'attuatore nel tempo, e in fig.5 – forza motrice in funzione del tempo.Un sistema di equazioni correlato comprende la temperatura, la frazione di volume della martensite e lo stress che si sviluppa nel filo, con conseguente restringimento del filo SMA e la forza generata dall'attuatore.Come mostrato in fig.4d,f, la variazione di tensione con la temperatura e la variazione della frazione di volume della martensite con la temperatura corrispondono alle caratteristiche di isteresi della SMA nel caso simulato a 7 V.
Il confronto dei parametri di guida è stato ottenuto attraverso esperimenti e calcoli analitici.I fili sono stati sottoposti a una tensione di ingresso pulsata di 7 V per 10 secondi, quindi raffreddati per 15 secondi (fase di raffreddamento) in due cicli.L'angolo pennato è impostato su \(40^{\circ}\) e la lunghezza iniziale del filo SMA in ogni singola gamba del perno è impostata su 83 mm.(a) Misurazione della forza motrice con una cella di carico (b) Monitoraggio della temperatura del filo con una termocamera a infrarossi.
Per comprendere l'influenza dei parametri fisici sulla forza prodotta dall'azionamento, è stata effettuata un'analisi della sensibilità del modello matematico ai parametri fisici selezionati e i parametri sono stati classificati in base alla loro influenza.Innanzitutto, il campionamento dei parametri del modello è stato effettuato utilizzando principi di progettazione sperimentale che seguivano una distribuzione uniforme (vedere la sezione supplementare sull'analisi di sensibilità).In questo caso, i parametri del modello includono la tensione di ingresso (\(V_{in}\)), la lunghezza iniziale del filo SMA (\(l_0\)), l'angolo del triangolo (\(\alpha\)), la costante della molla diagonale (\( K_x\ )), il coefficiente di scambio termico convettivo (\(h_T\)) e il numero di diramazioni unimodali (n).Nella fase successiva, la forza muscolare di picco è stata scelta come requisito del progetto dello studio e sono stati ottenuti gli effetti parametrici di ciascuna serie di variabili sulla forza.I grafici del tornado per l'analisi della sensibilità sono stati derivati dai coefficienti di correlazione per ciascun parametro, come mostrato in Fig. 6a.
(a) I valori del coefficiente di correlazione dei parametri del modello e il loro effetto sulla forza di uscita massima di 2500 gruppi unici dei parametri del modello di cui sopra sono mostrati nel grafico del tornado.Il grafico mostra la correlazione di rango di diversi indicatori.È chiaro che \(V_{in}\) è l'unico parametro con una correlazione positiva, e \(l_0\) è il parametro con la più alta correlazione negativa.L'effetto di vari parametri in varie combinazioni sul picco di forza muscolare è mostrato in (b, c).\(K_x\) varia da 400 a 800 N/m e n varia da 4 a 24. Il voltaggio (\(V_{in}\)) è cambiato da 4V a 10V, la lunghezza del filo (\(l_{0 } \)) è cambiata da 40 a 100 mm e l'angolo della coda (\ (\alpha \)) è cambiato da \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Sulla fig.6a mostra un grafico a tornado di vari coefficienti di correlazione per ciascun parametro con requisiti di progettazione della forza motrice di picco.Dalla fig.6a si può vedere che il parametro di tensione (\(V_{in}\)) è direttamente correlato alla forza di uscita massima, e il coefficiente di scambio termico convettivo (\(h_T\)), l'angolo di fiamma (\ ( \alpha\)), la costante elastica di spostamento ( \(K_x\)) sono correlati negativamente con la forza di uscita e la lunghezza iniziale (\(l_0\)) del filo SMA, e il numero di rami unimodali (n) mostra una forte correlazione inversa caso di correlazione diretta Nel caso di un valore più alto del coefficiente di correlazione della tensione (\(V_ {in}\)) indica che questo parametro ha il maggior effetto sulla potenza erogata.Un'altra analisi simile misura la forza di picco valutando l'effetto di diversi parametri in diverse combinazioni dei due spazi computazionali, come mostrato in Fig. 6b, c.\(V_{in}\) e \(l_0\), \(\alpha\) e \(l_0\) hanno schemi simili e il grafico mostra che \(V_{in}\) e \(\alpha\ ) e \(\alpha\) hanno schemi simili.Valori più piccoli di \(l_0\) si traducono in forze di picco più elevate.Gli altri due grafici sono coerenti con la Figura 6a, dove n e \(K_x\) sono correlati negativamente e \(V_{in}\) sono correlati positivamente.Questa analisi aiuta a definire e regolare i parametri di influenza in base ai quali la forza di uscita, la corsa e l'efficienza del sistema di azionamento possono essere adattati ai requisiti e all'applicazione.
L'attuale lavoro di ricerca introduce e indaga le pulsioni gerarchiche con N livelli.In una gerarchia a due livelli, come mostrato in Fig. 7a, dove invece di ciascun filo SMA dell'attuatore di primo livello, si ottiene una disposizione bimodale, come mostrato in fig.9e.Sulla fig.7c mostra come il filo SMA sia avvolto attorno ad un braccio mobile (braccio ausiliario) che si muove solo in direzione longitudinale.Tuttavia, il braccio mobile primario continua a muoversi allo stesso modo del braccio mobile dell'attuatore a più stadi del primo stadio.In genere, un'unità a N stadi viene creata sostituendo il cavo SMA dello stadio \(N-1\) con un'unità di primo stadio.Di conseguenza, ogni ramo imita il motore del primo stadio, ad eccezione del ramo che sostiene il filo stesso.In questo modo si possono formare strutture annidate che creano forze molte volte maggiori delle forze delle pulsioni primarie.In questo studio, per ogni livello, è stata presa in considerazione una lunghezza totale effettiva del filo SMA di 1 m, come mostrato in formato tabellare in Fig. 7d.La corrente attraverso ogni filo in ogni progetto unimodale e la precompressione e la tensione risultanti in ogni segmento di filo SMA sono le stesse a ogni livello.Secondo il nostro modello analitico, la forza in uscita è correlata positivamente con il livello, mentre lo spostamento è correlato negativamente.Allo stesso tempo, c'era un compromesso tra spostamento e forza muscolare.Come si vede in fig.7b, mentre la forza massima si ottiene nel maggior numero di strati, lo spostamento maggiore si osserva nello strato più basso.Quando il livello gerarchico è stato impostato su \(N=5\), è stata trovata una forza muscolare di picco di 2,58 kN con 2 colpi osservati \(\upmu\)m.D'altra parte, il motore del primo stadio genera una forza di 150 N con una corsa di 277 \(\upmu\)m.Gli attuatori multilivello sono in grado di imitare i muscoli biologici reali, dove i muscoli artificiali basati su leghe a memoria di forma sono in grado di generare forze significativamente più elevate con movimenti precisi e più fini.I limiti di questo design miniaturizzato sono che all'aumentare della gerarchia, il movimento si riduce notevolmente e aumenta la complessità del processo di produzione dell'azionamento.
(a) Un sistema di attuatori lineari in lega a memoria di forma stratificata a due stadi (\(N=2\)) è mostrato in una configurazione bimodale.Il modello proposto si ottiene sostituendo il filo SMA nell'attuatore a strati del primo stadio con un altro attuatore a strati a stadio singolo.(c) Configurazione deformata dell'attuatore multistrato di secondo stadio.(b) Viene descritta la distribuzione delle forze e degli spostamenti in funzione del numero di livelli.Si è riscontrato che la forza di picco dell'attuatore è correlata positivamente con il livello della scala sul grafico, mentre la corsa è correlata negativamente con il livello della scala.La corrente e la pretensione in ciascun filo rimangono costanti a tutti i livelli.(d) La tabella mostra il numero di prese e la lunghezza del filo SMA (fibra) a ciascun livello.Le caratteristiche dei fili sono indicate dall'indice 1, e il numero di rami secondari (uno collegato alla gamba primaria) è indicato dal numero più grande nel pedice.Ad esempio, al livello 5, \(n_1\) si riferisce al numero di fili SMA presenti in ogni struttura bimodale, e \(n_5\) si riferisce al numero di rami ausiliari (uno collegato al ramo principale).
Vari metodi sono stati proposti da molti ricercatori per modellare il comportamento degli SMA con memoria di forma, che dipendono dalle proprietà termomeccaniche che accompagnano i cambiamenti macroscopici nella struttura cristallina associati alla transizione di fase.La formulazione dei metodi costitutivi è intrinsecamente complessa.Il modello fenomenologico più comunemente utilizzato è quello proposto da Tanaka28 ed è ampiamente utilizzato nelle applicazioni ingegneristiche.Il modello fenomenologico proposto da Tanaka [28] assume che la frazione volumetrica della martensite sia una funzione esponenziale della temperatura e dello stress.Successivamente, Liang e Rogers29 e Brinson30 hanno proposto un modello in cui la dinamica della transizione di fase è stata assunta come una funzione coseno di tensione e temperatura, con lievi modifiche al modello.Becker e Brinson hanno proposto un modello cinetico basato sul diagramma di fase per modellare il comportamento dei materiali SMA in condizioni di carico arbitrarie e transizioni parziali.Banerjee32 utilizza il metodo dinamico del diagramma di fase di Bekker e Brinson31 per simulare un manipolatore a singolo grado di libertà sviluppato da Elahinia e Ahmadian33.I metodi cinetici basati sui diagrammi di fase, che tengono conto della variazione non monotona della tensione con la temperatura, sono difficili da implementare nelle applicazioni ingegneristiche.Elakhinia e Ahmadian attirano l'attenzione su queste carenze dei modelli fenomenologici esistenti e propongono un modello fenomenologico esteso per analizzare e definire il comportamento della memoria di forma in qualsiasi condizione di carico complessa.
Il modello strutturale del filo SMA fornisce sollecitazione (\(\sigma\)), deformazione (\(\epsilon\)), temperatura (T) e frazione di volume della martensite (\(\xi\)) del filo SMA.Il modello costitutivo fenomenologico è stato proposto per la prima volta da Tanaka28 e successivamente adottato da Liang29 e Brinson30.La derivata dell'equazione ha la forma:
dove E è il modulo di Young SMA dipendente dalla fase ottenuto utilizzando \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) e \(E_A\) e \(E_M\) che rappresentano il modulo di Young sono fasi austenitiche e martensitiche, rispettivamente, e il coefficiente di dilatazione termica è rappresentato da \(\theta _T\).Il fattore di contributo della transizione di fase è \(\Omega = -E \epsilon _L\) e \(\epsilon _L\) è la deformazione massima recuperabile nel filo SMA.
L'equazione della dinamica di fase coincide con la funzione coseno sviluppata da Liang29 e successivamente adottata da Brinson30 al posto della funzione esponenziale proposta da Tanaka28.Il modello di transizione di fase è un'estensione del modello proposto da Elakhinia e Ahmadian34 e modificato sulla base delle condizioni di transizione di fase fornite da Liang29 e Brinson30.Le condizioni utilizzate per questo modello di transizione di fase sono valide in presenza di carichi termomeccanici complessi.In ogni momento, durante la modellazione dell'equazione costitutiva, viene calcolato il valore della frazione di volume della martensite.
L'equazione di ritrasformazione che governa, espressa dalla trasformazione della martensite in austenite in condizioni di riscaldamento, è la seguente:
dove \(\xi\) è la frazione di volume della martensite, \(\xi _M\) è la frazione di volume della martensite ottenuta prima del riscaldamento, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) e \(C_A\) - parametri di approssimazione della curva, T - temperatura del filo SMA, \(A_s\) e \(A_f\) - inizio e fine della a fase ustenite, rispettivamente, temperatura.
L'equazione di controllo della trasformazione diretta, rappresentata dalla trasformazione di fase dell'austenite in martensite in condizioni di raffreddamento, è:
dove \(\xi _A\) è la frazione di volume della martensite ottenuta prima del raffreddamento, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) e \ ( C_M \) – parametri di adattamento della curva, T – temperatura del filo SMA, \(M_s\) e \(M_f\) – temperature iniziale e finale della martensite, rispettivamente.
Dopo che le equazioni (3) e (4) sono state differenziate, le equazioni di trasformazione inversa e diretta sono semplificate nella seguente forma:
Durante la trasformazione avanti e indietro \(\eta _{\sigma}\) e \(\eta _{T}\) assumono valori diversi.Le equazioni di base associate a \(\eta _{\sigma}\) e \(\eta _{T}\) sono state derivate e discusse in dettaglio in una sezione aggiuntiva.
L'energia termica necessaria per aumentare la temperatura del filo SMA proviene dall'effetto di riscaldamento Joule.L'energia termica assorbita o rilasciata dal filo SMA è rappresentata dal calore latente di trasformazione.La perdita di calore nel filo SMA è dovuta alla convezione forzata e, dato l'effetto trascurabile della radiazione, l'equazione del bilancio energetico termico è la seguente:
Dove \(m_{filo}\) è la massa totale del filo SMA, \(c_{p}\) è la capacità termica specifica dello SMA, \(V_{in}\) è la tensione applicata al filo, \(R_{ohm} \ ) – resistenza dipendente dalla fase SMA, definita come;\(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) dove \(r_M\ ) e \(r_A\) sono rispettivamente la resistività di fase SMA nella martensite e nell'austenite, \(A_{c}\) è l'area superficiale del filo SMA, \(\Delta H \) è una lega a memoria di forma.Il calore latente di transizione del filo, T e \(T_{\infty}\) sono rispettivamente le temperature del filo SMA e dell'ambiente.
Quando viene azionato un filo in lega a memoria di forma, il filo si comprime, creando una forza in ciascun ramo del design bimodale chiamato forza della fibra.Le forze delle fibre in ciascun filamento del filo SMA insieme creano la forza muscolare da attivare, come mostrato in Fig. 9e.A causa della presenza di una molla di spinta, la forza muscolare totale dell'ennesimo attuatore multistrato è:
Sostituendo \(N = 1\) nell'equazione (7), la forza muscolare del prototipo di unità bimodale di primo stadio può essere ottenuta come segue:
dove n è il numero di gambe unimodali, \(F_m\) è la forza muscolare generata dal drive, \(F_f\) è la resistenza della fibra nel filo SMA, \(K_x\) è la rigidità diagonale.molla, \(\alpha\) è l'angolo del triangolo, \(x_0\) è l'offset iniziale della molla diagonale per mantenere il cavo SMA nella posizione pretensionata e \(\Delta x\) è la corsa dell'attuatore.
Lo spostamento totale o il movimento dell'azionamento (\(\Delta x\)) a seconda della tensione (\(\sigma\)) e della deformazione (\(\epsilon\)) sul filo SMA dell'ennesimo stadio, l'azionamento è impostato su (vedi Fig. parte aggiuntiva dell'uscita):
Le equazioni cinematiche danno la relazione tra la deformazione dell'unità (\(\epsilon\)) e lo spostamento o lo spostamento (\(\Delta x\)).La deformazione del filo Arb in funzione della lunghezza del filo Arb iniziale (\(l_0\)) e della lunghezza del filo (l) in qualsiasi momento t in un ramo unimodale è la seguente:
dove \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) si ottiene applicando la formula del coseno in \(\Delta\)ABB ', come mostrato nella Figura 8. Per il drive del primo stadio (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) è \(\Delta x\), e \(\al pha _1\) è \(\alpha \) come mostrato in Come mostrato in Figura 8, differenziando il tempo dall'Equazione (11) e sostituendo il valore di l, la velocità di deformazione può essere scritta come:
dove \(l_0\) è la lunghezza iniziale del filo SMA, l è la lunghezza del filo in qualsiasi momento t in un ramo unimodale, \(\epsilon\) è la deformazione sviluppata nel filo SMA, e \(\alpha \) è l'angolo del triangolo , \(\Delta x\) è l'offset del drive (come mostrato nella Figura 8).
Tutte le n strutture a picco singolo (\(n=6\) in questa figura) sono collegate in serie con \(V_{in}\) come tensione di ingresso.Fase I: diagramma schematico del filo SMA in una configurazione bimodale in condizioni di tensione zero Fase II: viene mostrata una struttura controllata in cui il filo SMA è compresso a causa della conversione inversa, come mostrato dalla linea rossa.
Come prova del concetto, è stato sviluppato un drive bimodale basato su SMA per testare la derivazione simulata delle equazioni sottostanti con risultati sperimentali.Il modello CAD dell'attuatore lineare bimodale è mostrato in fig.9a.D'altra parte, nella fig.9c mostra un nuovo progetto proposto per una connessione prismatica rotazionale utilizzando un attuatore basato su SMA a due piani con una struttura bimodale.I componenti dell'unità sono stati fabbricati utilizzando la produzione additiva su una stampante 3D Ultimaker 3 Extended.Il materiale utilizzato per la stampa 3D dei componenti è il policarbonato, adatto per materiali resistenti al calore in quanto è forte, durevole e ha un'elevata temperatura di transizione vetrosa (110-113 \(^{\circ }\) C).Inoltre, negli esperimenti è stato utilizzato il filo in lega a memoria di forma Dynalloy, Inc. Flexinol e nelle simulazioni sono state utilizzate le proprietà del materiale corrispondenti al filo Flexinol.Più fili SMA sono disposti come fibre presenti in una disposizione bimodale dei muscoli per ottenere le forze elevate prodotte dagli attuatori multistrato, come mostrato in Fig. 9b, d.
Come mostrato in Figura 9a, l'angolo acuto formato dal filo SMA del braccio mobile è chiamato angolo (\(\alpha\)).Con i morsetti terminali collegati ai morsetti sinistro e destro, il filo SMA viene tenuto all'angolo bimodale desiderato.Il dispositivo a molla diagonale tenuto sul connettore a molla è progettato per regolare i diversi gruppi di estensione della molla diagonale in base al numero (n) di fibre SMA.Inoltre, la posizione delle parti mobili è progettata in modo tale che il filo SMA sia esposto all'ambiente esterno per il raffreddamento per convezione forzata.Le piastre superiore e inferiore del gruppo staccabile aiutano a mantenere fresco il filo SMA con ritagli estrusi progettati per ridurre il peso.Inoltre, entrambe le estremità del filo CMA sono fissate rispettivamente ai terminali sinistro e destro mediante una crimpatura.Uno stantuffo è attaccato ad un'estremità del gruppo mobile per mantenere il gioco tra le piastre superiore e inferiore.Lo stantuffo viene utilizzato anche per applicare una forza di blocco al sensore tramite un contatto per misurare la forza di blocco quando viene azionato il filo SMA.
La struttura muscolare bimodale SMA è collegata elettricamente in serie e alimentata da una tensione di impulso di ingresso.Durante il ciclo di impulso di tensione, quando viene applicata tensione e il filo SMA viene riscaldato al di sopra della temperatura iniziale dell'austenite, la lunghezza del filo in ciascun trefolo viene accorciata.Questa retrazione attiva il sottoassieme del braccio mobile.Quando la tensione è stata azzerata nello stesso ciclo, il filo SMA riscaldato è stato raffreddato al di sotto della temperatura della superficie della martensite, tornando così alla sua posizione originale.In condizioni di stress zero, il filo SMA viene prima allungato passivamente da una molla diagonale per raggiungere lo stato martensitico sdoppiato.La vite, attraverso la quale passa il filo SMA, si muove per effetto della compressione creata applicando un impulso di tensione al filo SMA (SPA raggiunge la fase austenite), che porta all'azionamento della leva mobile.Quando il filo SMA viene ritirato, la molla diagonale crea una forza opposta allungando ulteriormente la molla.Quando lo stress nella tensione impulsiva diventa zero, il filo SMA si allunga e cambia forma a causa del raffreddamento per convezione forzata, raggiungendo una doppia fase martensitica.
Il sistema di attuatori lineari basato su SMA proposto ha una configurazione bimodale in cui i fili SMA sono angolati.(a) raffigura un modello CAD del prototipo, che menziona alcuni dei componenti e il loro significato per il prototipo, (b, d) rappresentano il prototipo sperimentale sviluppato35.Mentre (b) mostra una vista dall'alto del prototipo con collegamenti elettrici e molle diagonali ed estensimetri utilizzati, (d) mostra una vista prospettica della configurazione.(e) Schema di un sistema di attuazione lineare con fili SMA posizionati in modo bimodale in qualsiasi momento t, che mostra la direzione e l'andamento della fibra e la forza muscolare.(c) È stata proposta una connessione prismatica rotazionale 2-DOF per l'implementazione di un attuatore basato su SMA a due piani.Come mostrato, il collegamento trasmette il movimento lineare dall'azionamento inferiore al braccio superiore, creando una connessione rotazionale.D'altra parte, il movimento della coppia di prismi è lo stesso del movimento del motore del primo stadio multistrato.
Sul prototipo mostrato in Fig. 9b è stato condotto uno studio sperimentale per valutare le prestazioni di un drive bimodale basato su SMA.Come mostrato nella Figura 10a, la configurazione sperimentale consisteva in un alimentatore CC programmabile per fornire la tensione di ingresso ai fili SMA.Come mostrato in fig.10b, è stato utilizzato un estensimetro piezoelettrico (PACEline CFT/5kN) per misurare la forza di blocco utilizzando un data logger Graphtec GL-2000.I dati vengono registrati dall'host per ulteriori studi.Gli estensimetri e gli amplificatori di carica richiedono un'alimentazione costante per produrre un segnale di tensione.I segnali corrispondenti vengono convertiti in uscite di potenza in base alla sensibilità del sensore di forza piezoelettrico e ad altri parametri come descritto nella Tabella 2. Quando viene applicato un impulso di tensione, la temperatura del filo SMA aumenta, provocando la compressione del filo SMA, che fa sì che l'attuatore generi forza.I risultati sperimentali dell'uscita della forza muscolare da un impulso di tensione in ingresso di 7 V sono mostrati in fig.2a.
(a) Nell'esperimento è stato allestito un sistema di attuatori lineari basato su SMA per misurare la forza generata dall'attuatore.La cella di carico misura la forza di bloccaggio ed è alimentata da un alimentatore a 24 V CC.Una caduta di tensione di 7 V è stata applicata lungo l'intera lunghezza del cavo utilizzando un alimentatore CC programmabile GW Instek.Il filo SMA si restringe a causa del calore e il braccio mobile entra in contatto con la cella di carico ed esercita una forza di blocco.La cella di carico è collegata al data logger GL-2000 ei dati vengono memorizzati sull'host per un'ulteriore elaborazione.(b) Diagramma che mostra la catena di componenti della configurazione sperimentale per misurare la forza muscolare.
Le leghe a memoria di forma sono eccitate dall'energia termica, quindi la temperatura diventa un parametro importante per studiare il fenomeno della memoria di forma.Sperimentalmente, come mostrato in Fig. 11a, le misurazioni di imaging termico e temperatura sono state eseguite su un prototipo di attuatore divalerato basato su SMA.Una sorgente CC programmabile ha applicato la tensione di ingresso ai fili SMA nella configurazione sperimentale, come mostrato nella Figura 11b.La variazione di temperatura del filo SMA è stata misurata in tempo reale utilizzando una termocamera LWIR ad alta risoluzione (FLIR A655sc).L'host utilizza il software ResearchIR per registrare i dati per un'ulteriore post-elaborazione.Quando viene applicato un impulso di tensione, la temperatura del filo SMA aumenta, provocando il restringimento del filo SMA.Sulla fig.La Figura 2b mostra i risultati sperimentali della temperatura del filo SMA rispetto al tempo per un impulso di tensione di ingresso di 7 V.
Tempo di pubblicazione: 28 settembre 2022