תודה שביקרת ב-Nature.com.לגרסת הדפדפן שבה אתה משתמש יש תמיכת CSS מוגבלת.לקבלת החוויה הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או להשבית את מצב תאימות ב-Internet Explorer).בינתיים, כדי להבטיח תמיכה מתמשכת, נעבד את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
מפעילים משמשים בכל מקום ויוצרים תנועה מבוקרת על ידי הפעלת כוח עירור או מומנט נכון לביצוע פעולות שונות בייצור ובאוטומציה תעשייתית.הצורך בכוננים מהירים, קטנים ויעילים יותר מניע חדשנות בתכנון הכוננים.כונני Shape Memory Alloy (SMA) מציעים מספר יתרונות על פני כוננים קונבנציונליים, כולל יחס הספק למשקל גבוה.במחקר זה פותח מפעיל מבוסס SMA דו-נוצות המשלב את היתרונות של השרירים הנוצות של מערכות ביולוגיות ואת התכונות הייחודיות של SMAs.מחקר זה בוחן ומרחיב את מפעילי ה-SMA הקודמים על ידי פיתוח מודל מתמטי של המפעיל החדש המבוסס על סידור חוטי ה-SMA הבי-מודאלי ובדיקתו בניסוי.בהשוואה לכוננים מוכרים המבוססים על SMA, כוח ההפעלה של הכונן החדש גבוה לפחות פי 5 (עד 150 N).הירידה המקבילה במשקל היא כ-67%.התוצאות של ניתוח רגישות של מודלים מתמטיים שימושיות לכוונון פרמטרי עיצוב והבנת פרמטרים מרכזיים.מחקר זה מציג עוד כונן שלב Nth רב רמות שניתן להשתמש בו כדי לשפר עוד יותר את הדינמיקה.למפעילי שריר דיפוולרטים מבוססי SMA יש מגוון רחב של יישומים, מאוטומציה של בניין ועד למערכות אספקת תרופות מדויקות.
מערכות ביולוגיות, כמו מבנים שריריים של יונקים, יכולות להפעיל מפעילים עדינים רבים1.ליונקים יש מבני שרירים שונים, כל אחד משרת מטרה מסוימת.עם זאת, ניתן לחלק חלק גדול מהמבנה של רקמת שריר יונקים לשתי קטגוריות רחבות.מקביל ועטוף.בשריר הירך האחורי וכפכפים אחרים, כפי שהשם מרמז, לשרירים המקבילים יש סיבי שריר מקבילים לגיד המרכזי.שרשרת סיבי השריר מסודרת ומחוברת באופן תפקודי על ידי רקמת החיבור שסביבם.למרות שאומרים שלשרירים אלו יש סטיה גדולה (קיצור באחוזים), חוזק השרירים הכללי שלהם מוגבל מאוד.לעומת זאת, בשריר השוק התלת ראשי2 (גסטרוקנמיוס לרוחב (GL)3, גסטרוקנמיוס מדיאלי (GM)4 וסולאוס (SOL)) ו-Extensor femoris (quadriceps) נמצא רקמת שריר 5,6 עטרת בכל שריר7.במבנה משופע, סיבי השריר בשריר הדו-פנינה נמצאים משני צידי הגיד המרכזי בזוויות אלכסוניות (זוויות משוכות).Pennate בא מהמילה הלטינית "penna", שפירושה "עט", וכמתואר באיור.ל-1 יש מראה דמוי נוצה.הסיבים של שרירי הפונט קצרים יותר ומזוויים לציר האורך של השריר.בשל המבנה הפונטי, הניידות הכללית של שרירים אלו מצטמצמת, מה שמוביל למרכיבים הרוחביים והאורכיים של תהליך הקיצור.מצד שני, הפעלה של שרירים אלו מובילה לחוזק שרירים כללי גבוה יותר בשל האופן שבו נמדד שטח חתך פיזיולוגי.לכן, עבור שטח חתך נתון, שרירי העט יהיו חזקים יותר וייצרו כוחות גבוהים יותר מאשר שרירים בעלי סיבים מקבילים.כוחות הנוצרים על ידי סיבים בודדים יוצרים כוחות שרירים ברמה מקרוסקופית ברקמת שריר זו.בנוסף, יש לו תכונות ייחודיות כמו התכווצות מהירה, הגנה מפני נזקי מתיחה, ריפוד.זה משנה את הקשר בין קלט סיבים לתפוקת כוח שריר על ידי ניצול התכונות הייחודיות והמורכבות הגיאומטרית של סידור הסיבים הקשורים לקווי הפעולה של השריר.
מוצגות דיאגרמות סכמטיות של תכנוני מפעילים קיימים מבוססי SMA ביחס לארכיטקטורה שרירית דו-מודאלית, למשל (א), המייצגת את האינטראקציה של כוח מישוש שבה מכשיר בצורת יד המופעל על ידי חוטי SMA מותקן על רובוט נייד אוטונומי דו-גלגלי9,10., (ב) תותבת מסלולית רובוטית עם תותבת מסלולית ממוקמת אנטגוניסטית SMA קפיצית.מיקום העין התותבת נשלט על ידי אות משריר העין של העין11, (ג) מפעילי SMA אידיאליים ליישומים מתחת למים בשל תגובת התדר הגבוהה ורוחב הפס הנמוך שלהם.בתצורה זו, מפעילי SMA משמשים ליצירת תנועת גלים על ידי הדמיית תנועת דגים, (ד) מפעילי SMA משמשים ליצירת רובוט לבדיקת צינורות מיקרו שיכול להשתמש בעקרון תנועת התולעת אינץ', נשלט על ידי תנועת חוטי SMA בתוך ערוץ 10, (ה) מציג את כיוון סיבי השריר כיווץ ויצירת כוח התכווצות של שריר בצורת סיבי השריר בצורת סיבי השריר מבנה שריר עיגול.
מפעילים הפכו לחלק חשוב במערכות מכניות בשל מגוון היישומים הרחב שלהם.לכן, הצורך בכוננים קטנים, מהירים ויעילים יותר הופך להיות קריטי.למרות היתרונות שלהם, כוננים מסורתיים הוכחו כיקרים וגוזלים זמן לתחזוקה.מפעילים הידראוליים ופנאומטיים הם מורכבים ויקרים ונתונים לבלאי, בעיות שימון וכשל ברכיבים.כמענה לביקוש, ההתמקדות היא בפיתוח מפעילים חסכוניים, מותאמים לגודל ומתקדמים המבוססים על חומרים חכמים.מחקר מתמשך בוחן מפעילי שכבות של סגסוגת זיכרון צורה (SMA) כדי לענות על צורך זה.מפעילים היררכיים הם ייחודיים בכך שהם משלבים מפעילים נפרדים רבים לתוך תת-מערכות מורכבות מבחינה גיאומטרית בקנה מידה מאקרו כדי לספק פונקציונליות מוגברת ומורחבת.בהקשר זה, רקמת השריר האנושית שתוארה לעיל מספקת דוגמה רב-שכבתית מצוינת להפעלה רב-שכבתית כזו.המחקר הנוכחי מתאר כונן SMA רב רמות עם מספר רכיבי הנעה בודדים (חוטי SMA) המיושרים לכיוונויות הסיבים הקיימות בשרירים הבימודאליים, מה שמשפר את ביצועי הכונן הכוללים.
המטרה העיקרית של מפעיל היא לייצר פלט כוח מכני כגון כוח ותזוזה על ידי המרת אנרגיה חשמלית.סגסוגות זיכרון צורות הן סוג של חומרים "חכמים" שיכולים לשחזר את צורתם בטמפרטורות גבוהות.בעומסים גבוהים, עלייה בטמפרטורה של חוט SMA מובילה להתאוששות צורה, וכתוצאה מכך צפיפות אנרגיית הפעלה גבוהה יותר בהשוואה לחומרים חכמים שונים הקשורים ישירות.במקביל, תחת עומסים מכניים, SMAs הופכים שבירים.בתנאים מסוימים, עומס מחזורי יכול לספוג ולשחרר אנרגיה מכנית, ולהציג שינויים היסטרטיים הפיכים.תכונות ייחודיות אלו הופכות את SMA לאידיאלי עבור חיישנים, שיכוך רעידות ובעיקר מפעילים12.מתוך מחשבה על כך, נערך מחקר רב על כוננים מבוססי SMA.יש לציין כי מפעילים מבוססי SMA מתוכננים לספק תנועה מתרגלת וסיבובית עבור מגוון יישומים13,14,15.למרות שפותחו כמה מפעילים סיבוביים, החוקרים מתעניינים במיוחד במפעילים ליניאריים.ניתן לחלק מפעילים ליניאריים אלה לשלושה סוגים של מפעילים: מפעילים חד מימדיים, תזוזה ודיפרנציאליים 16 .בתחילה, כוננים היברידיים נוצרו בשילוב עם SMA וכוננים קונבנציונליים אחרים.דוגמה אחת כזו למפעיל לינארי היברידי מבוסס SMA היא השימוש בחוט SMA עם מנוע DC כדי לספק כוח פלט של סביב 100 N ותזוזה משמעותית17.
אחד הפיתוחים הראשונים בכוננים המבוססים לחלוטין על SMA היה הכונן המקבילי SMA.באמצעות חוטי SMA מרובים, הכונן המקבילי מבוסס SMA נועד להגביר את יכולת ההספק של הכונן על ידי הצבת כל חוטי SMA18 במקביל.חיבור מקביל של מפעילים לא רק דורש יותר כוח, אלא גם מגביל את כוח המוצא של חוט בודד.חסרון נוסף של מפעילים מבוססי SMA הוא התנועה המוגבלת שהם יכולים להשיג.כדי לפתור בעיה זו, נוצרה אלומת כבל SMA המכילה אלומה גמישה מוסטת כדי להגדיל את התזוזה ולהשיג תנועה ליניארית, אך לא יצרה כוחות גבוהים יותר19.מבנים ובדים רכים הניתנים לעיוות עבור רובוטים המבוססים על סגסוגות זיכרון צורות פותחו בעיקר להגברת השפעה20,21,22.עבור יישומים שבהם נדרשות מהירויות גבוהות, דווח על משאבות מונעות קומפקטיות המשתמשות ב-SMAs עם סרט דק עבור יישומים מונעי מיקרו-משאבה23.תדר ההנעה של קרום ה-SMA הסרט הדק הוא גורם מפתח בשליטה על מהירות הנהג.לכן, למנועי ליניארי SMA יש תגובה דינמית טובה יותר מאשר למנועי קפיץ או מוט SMA.רובוטיקה רכה וטכנולוגיית אחיזה הם שני יישומים נוספים המשתמשים במפעילים מבוססי SMA.לדוגמה, כדי להחליף את המפעיל הסטנדרטי המשמש במהדק החלל 25 N, פותח מפעיל מקביל מסגסוגת זיכרון צורה 24.במקרה אחר, מפעיל רך SMA יוצר על בסיס חוט עם מטריצה ​​משובצת המסוגלת לייצר כוח משיכה מרבי של 30 N. בשל תכונותיהם המכניות, SMAs משמשים גם לייצור מפעילים המחקים תופעות ביולוגיות.פיתוח אחד כזה כולל רובוט בן 12 תאים שהוא ביומימטי של אורגניזם דמוי תולעת אדמה עם SMA ליצירת תנועה סינוסואידלית לשריפה26,27.
כפי שהוזכר קודם לכן, קיימת הגבלה לכוח המקסימלי שניתן להשיג ממפעילים קיימים מבוססי SMA.כדי לטפל בבעיה זו, מחקר זה מציג מבנה שריר בי-מודאלי ביו-מימטי.מונע על ידי חוט סגסוגת זיכרון צורה.הוא מספק מערכת סיווג הכוללת מספר חוטי סגסוגת זיכרון צורות.עד כה, לא דווחו בספרות מפעילים מבוססי SMA עם ארכיטקטורה דומה.מערכת ייחודית וחדישה זו המבוססת על SMA פותחה כדי לחקור את ההתנהגות של SMA במהלך יישור שרירים דו-מודאלי.בהשוואה למפעילים קיימים מבוססי SMA, מטרת מחקר זה הייתה ליצור מפעיל ביומימטי דיפוולרט ליצירת כוחות גבוהים משמעותית בנפח קטן.בהשוואה לכוננים קונבנציונליים מונעי מנוע צעדים המשמשים במערכות אוטומציה ובקרה של בניין HVAC, תכנון הכונן הבי-מודאלי המוצע מבוסס SMA מפחית את משקל מנגנון ההנעה ב-67%.בהמשך, המונחים "שריר" ו"כונן" משמשים לסירוגין.מחקר זה חוקר הדמיית מולטיפיסיקה של כונן כזה.ההתנהגות המכנית של מערכות כאלה נחקרה בשיטות ניסוי ואנליטיות.התפלגות כוח וטמפרטורה נחקרו עוד במתח כניסה של 7 וולט. לאחר מכן, בוצע ניתוח פרמטרי כדי להבין טוב יותר את הקשר בין פרמטרים מרכזיים וכוח המוצא.לבסוף, מפעילים היררכיים נחזו והוצעו השפעות ברמה היררכית כאזור עתידי פוטנציאלי עבור מפעילים לא מגנטיים ליישומי תותבות.על פי תוצאות המחקרים הנ"ל, השימוש בארכיטקטורה חד-שלבית מייצר כוחות הגבוהים לפחות פי ארבעה עד חמישה מאשר מפעילים מבוססי SMA שדווחו.בנוסף, אותו כוח הנעה שנוצר על ידי כונן רב רמות הוכח כיותר מפי עשרה מזה של כוננים רגילים מבוססי SMA.לאחר מכן, המחקר מדווח על פרמטרים מרכזיים תוך שימוש בניתוח רגישות בין עיצובים שונים ומשתני קלט.האורך ההתחלתי של חוט ה-SMA (\(l_0\)), הזווית הפונטית (\(\alpha\)) ומספר הגדילים הבודדים (n) בכל גדיל בודד משפיעים בצורה שלילית חזקה על גודל הכוח המניע.חוזק, בעוד שמתח הכניסה (אנרגיה) התברר כמתאם חיובי.
חוט SMA מציג את אפקט זיכרון הצורה (SME) הנראה במשפחת סגסוגות ניקל-טיטניום (Ni-Ti).בדרך כלל, SMAs מציגים שני שלבים תלויי טמפרטורה: שלב בטמפרטורה נמוכה ושלב בטמפרטורה גבוהה.לשני השלבים תכונות ייחודיות בשל נוכחותם של מבני גביש שונים.בשלב האוסטניט (שלב טמפרטורה גבוהה) הקיים מעל טמפרטורת הטרנספורמציה, החומר מפגין חוזק גבוה ומתעוות בצורה גרועה תחת עומס.הסגסוגת מתנהגת כמו נירוסטה, כך שהיא מסוגלת לעמוד בפני לחצי הפעלה גבוהים יותר.תוך ניצול התכונה הזו של סגסוגות Ni-Ti, חוטי SMA מלוכסנים ליצירת מפעיל.מודלים אנליטיים מתאימים מפותחים כדי להבין את המכניקה הבסיסית של ההתנהגות התרמית של SMA בהשפעת פרמטרים שונים וגיאומטריות שונות.הושגה התאמה טובה בין תוצאות הניסוי לתוצאות האנליטיות.
מחקר ניסיוני בוצע על אב הטיפוס המוצג באיור 9a כדי להעריך את הביצועים של כונן דו-מודאלי המבוסס על SMA.שניים מהמאפיינים הללו, הכוח שנוצר על ידי הכונן (כוח השריר) והטמפרטורה של חוט SMA (טמפרטורת SMA), נמדדו בניסוי.ככל שהפרש המתח גדל לכל אורך החוט בכונן, הטמפרטורה של החוט עולה עקב אפקט החימום של ג'ול.מתח הכניסה הופעל בשני מחזורים של 10 שניות (מוצגים כנקודות אדומות באיור 2a, ב) עם תקופת קירור של 15 שניות בין כל מחזור.כוח החסימה נמדד באמצעות מד מתח פיזואלקטרי, ופיזור הטמפרטורה של חוט ה-SMA נוטר בזמן אמת באמצעות מצלמת LWIR ברזולוציה גבוהה בדרגה מדעית (ראה את מאפייני הציוד המשמש בטבלה 2).מראה שבשלב המתח הגבוה, הטמפרטורה של החוט עולה באופן מונוטוני, אך כאשר לא זורם זרם, הטמפרטורה של החוט ממשיכה לרדת.במערך הניסוי הנוכחי, הטמפרטורה של חוט SMA ירדה במהלך שלב הקירור, אך היא עדיין הייתה מעל לטמפרטורת הסביבה.על איור.2e מציג תמונת מצב של הטמפרטורה על חוט SMA שצולמה ממצלמת LWIR.מאידך, באיור.2a מציג את כוח החסימה שנוצר על ידי מערכת ההנעה.כאשר כוח השריר עולה על כוח השיקום של הקפיץ, הזרוע הנעה, כפי שמוצג באיור 9a, מתחילה לנוע.ברגע שההפעלה מתחילה, הזרוע הנעים באה במגע עם החיישן, ויוצרת כוח גוף, כפי שמוצג באיור.2ג, ד.כאשר הטמפרטורה המקסימלית קרובה ל-\(84\,^{\circ}\hbox {C}\), הכוח המרבי הנצפה הוא 105 N.
הגרף מציג את תוצאות הניסוי של הטמפרטורה של חוט SMA והכוח שנוצר על ידי המפעיל הבימודאלי מבוסס SMA במהלך שני מחזורים.מתח הכניסה מופעל בשני מחזורים של 10 שניות (מוצגים כנקודות אדומות) עם תקופת קירור של 15 שניות בין כל מחזור.חוט ה-SMA ששימש לניסויים היה חוט Flexinol בקוטר 0.51 מ"מ מבית Dynalloy, Inc. (א) הגרף מראה את הכוח הניסוי שהושג על פני שני מחזורים, (ג, ד) מציג שתי דוגמאות בלתי תלויות לפעולה של מפעילי זרוע נעים על מתמר כוח פיזואלקטרי PACEline CFT/5kN פיזואלקטרי, (ב) הטמפרטורה המקסימלית של החוט, (ב) הטמפרטורה של כל החוט, (ב) תמונת מצב שצולמה מחוט SMA באמצעות מצלמת תוכנת FLIR ResearchIR LWIR.הפרמטרים הגיאומטריים שנלקחו בחשבון בניסויים מובאים בטבלה.אחד.
תוצאות הסימולציה של המודל המתמטי ותוצאות הניסוי מושוות בתנאי מתח כניסה של 7V, כפי שמוצג באיור 5.על פי תוצאות הניתוח הפרמטרי ועל מנת למנוע אפשרות של התחממות יתר של חוט ה-SMA, סופק הספק של 11.2 W למפעיל.נעשה שימוש בספק כוח DC הניתן לתכנות כדי לספק 7V כמתח הכניסה, וזרם של 1.6A נמדד על פני החוט.הכוח שנוצר על ידי הכונן והטמפרטורה של ה-SDR גדלים בעת הפעלת זרם.עם מתח כניסה של 7V, כוח המוצא המרבי המתקבל מתוצאות הסימולציה ומתוצאות הניסוי של המחזור הראשון הוא 78 N ו-96 N, בהתאמה.במחזור השני, כוח הפלט המקסימלי של הסימולציה ותוצאות הניסוי היה 150 N ו- 105 N, בהתאמה.הפער בין מדידות כוח החסימה לנתונים ניסיוניים עשוי לנבוע מהשיטה המשמשת למדידת כוח החסימה.תוצאות הניסוי המוצגות באיור.5a תואם למדידת כוח הנעילה, אשר בתורו נמדד כאשר גל ההינע היה במגע עם מתמר הכוח הפיאזואלקטרי PACEline CFT/5kN, כפי שמוצג באיור.2 שניות.לכן, כאשר גל ההנעה אינו במגע עם חיישן הכוח בתחילת אזור הקירור, הכוח הופך מיד לאפס, כפי שמוצג באיור 2d.בנוסף, פרמטרים נוספים המשפיעים על היווצרות הכוח במחזורים הבאים הם ערכי זמן הקירור ומקדם העברת החום ההסעה במחזור הקודם.מתוך איור.2b, ניתן לראות כי לאחר תקופת קירור של 15 שניות, חוט ה-SMA לא הגיע לטמפרטורת החדר ולכן היה לו טמפרטורה התחלתית גבוהה יותר (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) במחזור הנהיגה השני בהשוואה למחזור הראשון (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).לפיכך, בהשוואה למחזור הראשון, הטמפרטורה של חוט SMA במהלך מחזור החימום השני מגיעה לטמפרטורת האוסטניט הראשונית (\(A_s\)) מוקדם יותר ונשארת בתקופת המעבר זמן רב יותר, וכתוצאה מכך מתח וכוח.מצד שני, להתפלגות הטמפרטורה במהלך מחזורי חימום וקירור המתקבלים מניסויים וסימולציות יש דמיון איכותי לדוגמאות מניתוח תרמוגרפי.ניתוח השוואתי של נתונים תרמיים של חוטי SMA מניסויים וסימולציות הראה עקביות במהלך מחזורי חימום וקירור ובתוך סובלנות מקובלת לנתוני ניסוי.הטמפרטורה המקסימלית של חוט ה-SMA, המתקבלת מתוצאות הסימולציה והניסויים של המחזור הראשון, היא \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) ו-\(75\,^{\circ }\hbox { C }\, בהתאמה), ובמחזור השני הטמפרטורה המקסימלית של חוט ה-SMA היא \(94}\,\circle wire \(94}\,\box{3,\circ }\) }\ hbox {C}\).המודל שפותח באופן בסיסי מאשר את השפעת אפקט זיכרון הצורה.התפקיד של עייפות והתחממות יתר לא נשקל בסקירה זו.בעתיד, הדגם ישופר כך שיכלול את היסטוריית המתח של חוט SMA, מה שיהפוך אותו למתאים יותר ליישומים הנדסיים.כוח הפלט של הכונן וטמפרטורת SMA המתקבלים מבלוק Simulink נמצאים בסובלנות המותרת של הנתונים הניסיוניים בתנאי של דופק מתח כניסה של 7 V. זה מאשר את הנכונות והאמינות של המודל המתמטי שפותח.
המודל המתמטי פותח בסביבת MathWorks Simulink R2020b תוך שימוש במשוואות הבסיסיות המתוארות בסעיף השיטות.על איור.3b מציג תרשים בלוקים של המודל המתמטי של Simulink.המודל בוצע הדמיה עבור דופק מתח כניסה של 7V כפי שמוצג באיור 2a, ב.ערכי הפרמטרים המשמשים בסימולציה מפורטים בטבלה 1. תוצאות הסימולציה של תהליכים חולפים מוצגות באיורים 1 ו-1. איורים 3a ו-4. באיור.4a,b מציג את המתח המושרה בחוט SMA ואת הכוח שנוצר על ידי המפעיל כפונקציה של זמן. במהלך טרנספורמציה הפוכה (חימום), כאשר טמפרטורת החוט של SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (טמפרטורת התחלה של שלב אוסטניט שעבר שינוי מתח), קצב השינוי של שבריר נפח מרטנזיט (\(\dot{\xi }\)) יהיה אפס. במהלך טרנספורמציה הפוכה (חימום), כאשר טמפרטורת החוט של SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (טמפרטורת התחלה של שלב אוסטניט שעבר שינוי מתח), קצב השינוי של שבריר נפח מרטנזיט (\(\dot{\ xi }\)) יהיה אפס. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (темпуратура нача ированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. במהלך הטרנספורמציה ההפוכה (חימום), כאשר הטמפרטורה של חוט ה-SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (טמפרטורת התחלה של אוסטניט עם שינוי מתח), קצב השינוי של חלק הנפח של המרטנזיט (\(\dot{\ xi }\ )) יהיה אפס.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)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 \(T < A_s^{\prime}\) (температура зарождия й на напряжение) скорость измения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) будет равно нулю. במהלך הטרנספורמציה ההפוכה (חימום) בטמפרטורה של חוט SMA \(T < A_s^{\prime}\) (טמפרטורת הגרעין של הפאזה האוסטניטית, מתוקנת למתח), קצב השינוי בשבר הנפח של מרטנזיט (\( \dot{\ xi }\)) יהיה שווה לאפס.לכן, קצב שינוי המתח (\(\dot{\sigma}\)) יהיה תלוי בקצב המתח (\(\dot{\epsilon}\)) ובשיפוע הטמפרטורה (\(\dot{T} \) ) רק עם שימוש במשוואה (1).עם זאת, כאשר חוט SMA עולה בטמפרטורה וחוצה (\(A_s^{\prime}\)), הפאזה האוסטניטית מתחילה להיווצר, ו-(\(\dot{\xi}\)) נלקח כערך הנתון של המשוואה (3).לכן, קצב השינוי של המתח (\(\dot{\sigma}\)) נשלט במשותף על ידי \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) ו-\(\dot{\xi}\) שווה לנתון בנוסחה (1).זה מסביר את שינויי השיפוע שנצפו במפות המתח והכוח המשתנות בזמן במהלך מחזור החימום, כפי שמוצג באיור 4a, ב.
(א) תוצאת סימולציה המציגה את התפלגות הטמפרטורה וטמפרטורת הצומת הנגרמת על ידי מתח במפעיל משתנה מבוסס SMA.כאשר טמפרטורת החוט חוצה את טמפרטורת המעבר האוסטניט בשלב החימום, טמפרטורת המעבר של האוסטניט המשתנה מתחילה לעלות, ובדומה, כאשר טמפרטורת החוט חוצה את טמפרטורת המעבר המרטנסיטית בשלב הקירור, טמפרטורת המעבר המרטנסיטית יורדת.SMA למידול אנליטי של תהליך ההפעלה.(לתצוגה מפורטת של כל תת-מערכת של מודל Simulink, עיין בסעיף הנספח של הקובץ המשלים).
תוצאות הניתוח עבור התפלגויות פרמטרים שונות מוצגות עבור שני מחזורים של מתח הכניסה של 7V (מחזורי חימום של 10 שניות ומחזורי קירור של 15 שניות).בעוד ש-(ac) ו-(ה) מתארים את ההתפלגות לאורך זמן, לעומת זאת, (ד) ו-(ו) ממחישים את ההתפלגות עם טמפרטורה.עבור תנאי הקלט המתאימים, המתח המרבי הנצפה הוא 106 MPa (פחות מ-345 MPa, חוזק תפוקת חוט), הכוח הוא 150 N, התזוזה המקסימלית היא 270 מיקרומטר, ושבר הנפח המרטנסיטי המינימלי הוא 0.91.מצד שני, השינוי במתח והשינוי בשבר הנפח של מרטנזיט עם הטמפרטורה דומים למאפייני היסטרזיס.
אותו הסבר חל על הטרנספורמציה הישירה (קירור) משלב האוסטניט לשלב המרטנסיט, כאשר טמפרטורת החוט של SMA (T) וטמפרטורת הסיום של שלב המרטנסיט עם שינוי המתח (\(M_f^{\prime}\ )) מצוינות.על איור.4d,f מציג את השינוי במתח המושרה (\(\sigma\)) ובחלק הנפח של מרטנזיט (\(\xi\)) בחוט SMA כפונקציה של השינוי בטמפרטורה של חוט SMA (T), עבור שני מחזורי הנהיגה.על איור.איור 3a מציג את השינוי בטמפרטורה של חוט SMA עם הזמן בהתאם לדופק מתח הכניסה.כפי שניתן לראות מהאיור, הטמפרטורה של החוט ממשיכה לעלות על ידי מתן מקור חום במתח אפס וקירור הסעה לאחר מכן.במהלך החימום, ההמרה מחדש של מרטנזיט לשלב האוסטניט מתחיל כאשר טמפרטורת חוט SMA (T) חוצה את טמפרטורת גרעין האוסטניט המתוקנת במתח (\(A_s^{\prime}\)).במהלך שלב זה, חוט ה-SMA נדחס והמפעיל יוצר כוח.כמו כן במהלך הקירור, כאשר טמפרטורת חוט ה-SMA (T) חוצה את טמפרטורת הגרעין של שלב המרטנזיט עם שינוי מתח (\(M_s^{\prime}\)) יש מעבר חיובי מהפאזה האוסטניט לשלב המרטנזיט.כוח ההנעה יורד.
ניתן לקבל את ההיבטים האיכותיים העיקריים של הכונן הבימודאלי המבוסס על SMA מתוצאות הסימולציה.במקרה של כניסת דופק מתח, הטמפרטורה של חוט SMA עולה עקב אפקט החימום של ג'ול.הערך ההתחלתי של שבריר נפח המרטנסיט (\(\xi\)) מוגדר ל-1, מכיוון שהחומר נמצא בתחילה בשלב מרטנזיטי מלא.כשהחוט ממשיך להתחמם, הטמפרטורה של חוט ה-SMA עולה על טמפרטורת הגרעין האוסטניט מתוקנת הלחץ \(A_s^{\prime}\), וכתוצאה מכך ירידה בשבר נפח המרטנזיט, כפי שמוצג באיור 4c.בנוסף, באיור.4e מציג את התפלגות המהלכים של המפעיל בזמן, ובאיור.5 - כוח מניע כפונקציה של זמן.מערכת משוואות קשורה כוללת טמפרטורה, שבר נפח מרטנזיט ומתח המתפתח בחוט, וכתוצאה מכך הצטמקות חוט SMA והכוח שנוצר על ידי המפעיל.כפי שמוצג באיור.4d,f, שינויים במתח עם הטמפרטורה ושברי נפח מרטנזיט עם הטמפרטורה תואמים למאפייני ההיסטרזיס של ה-SMA במקרה המדומה ב-7 V.
השוואה בין פרמטרי נהיגה התקבלה באמצעות ניסויים וחישובים אנליטיים.החוטים הועברו למתח כניסה פועם של 7 וולט למשך 10 שניות, ולאחר מכן התקררו למשך 15 שניות (שלב קירור) במשך שני מחזורים.הזווית הפונטית מוגדרת ל-\(40^{\circ}\) והאורך ההתחלתי של חוט ה-SMA בכל רגל פין בודד מוגדר ל-83 מ"מ.(א) מדידת הכוח המניע באמצעות תא עומס (ב) ניטור טמפרטורת החוט באמצעות מצלמת אינפרא אדום תרמית.
על מנת להבין את השפעת הפרמטרים הפיזיקליים על הכוח שמייצר הכונן, בוצע ניתוח של רגישות המודל המתמטי לפרמטרים הפיזיקליים שנבחרו, והפרמטרים דורגו לפי השפעתם.ראשית, הדגימה של פרמטרי המודל נעשתה תוך שימוש בעקרונות תכנון ניסויים בעקבות התפלגות אחידה (ראה סעיף משלים על ניתוח רגישות).במקרה זה, פרמטרי הדגם כוללים מתח כניסה (\(V_{in}\)), אורך חוט SMA ראשוני (\(l_0\)), זווית משולש (\(\alpha\)), קבוע קפיץ הטיה (\( K_x\ )), מקדם העברת החום ההסעה (\(h_T\)) ומספר הענפים החד-מודאליים (n).בשלב הבא, שיא כוח השרירים נבחר כדרישת תכנון מחקר והושגו ההשפעות הפרמטריות של כל סט של משתנים על הכוח.עלילות הטורנדו לניתוח הרגישות נגזרו ממקדמי המתאם עבור כל פרמטר, כפי שמוצג באיור 6א.
(א) ערכי מקדם המתאם של פרמטרי המודל והשפעתם על כוח הפלט המקסימלי של 2500 קבוצות ייחודיות של פרמטרי הדגם הנ"ל מוצגים בתרשים הטורנדו.הגרף מציג את מתאם הדירוג של מספר אינדיקטורים.ברור ש-\(V_{in}\) הוא הפרמטר היחיד עם מתאם חיובי, ו-\(l_0\) הוא הפרמטר עם המתאם השלילי הגבוה ביותר.ההשפעה של פרמטרים שונים בשילובים שונים על שיא כוח השרירים מוצגת ב (ב, ג).\(K_x\) ranges from 400 to 800 N/m and n ranges from 4 to 24. Voltage (\(V_{in}\)) changed from 4V to 10V, wire length (\(l_{0 } \)) changed from 40 to 100 mm, and the tail angle (\ (\alpha \)) varied from \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
על איור.6a מציגה מגרש טורנדו של מקדמי מתאם שונים עבור כל פרמטר עם דרישות תכנון כוח הנעה שיא.מתוך איור.6a ניתן לראות שפרמטר המתח (\(V_{in}\)) קשור ישירות לכוח היציאה המקסימלי, ומקדם העברת החום ההסעה (\(h_T\)), זווית הלהבה (\ (\alpha\)), קבוע קפיץ העקירה (\(K_x\)) נמצא בקורלציה שלילית עם כוח הפלט של המוצא (l_0)\ של המספר ההתחלתי של SMA,dales והמספר ההתחלתי של SMA (dales) n) מראה מתאם הפוך חזק במקרה של מתאם ישיר במקרה של ערך גבוה יותר של מקדם מתאם המתח (\(V_ {in}\)) מציין שלפרמטר זה יש את ההשפעה הגדולה ביותר על תפוקת ההספק.ניתוח דומה נוסף מודד את כוח השיא על ידי הערכת ההשפעה של פרמטרים שונים בשילובים שונים של שני המרחבים החישוביים, כפי שמוצג באיור 6b, ג.ל-\(V_{in}\) ו-\(l_0\), \(\alpha\) ו-\(l_0\) יש תבניות דומות, והגרף מראה של-\(V_{in}\) ו-\(\alpha\ ) ו-\(\alpha\) יש תבניות דומות.ערכים קטנים יותר של \(l_0\) מביאים לכוחות שיא גבוהים יותר.שתי התרשים האחרים תואמים את איור 6a, כאשר n ו-\(K_x\) נמצאים בקורלציה שלילית ו-\(V_{in}\) נמצאים בקורלציה חיובית.ניתוח זה עוזר להגדיר ולהתאים את הפרמטרים המשפיעים שבאמצעותם ניתן להתאים את כוח הפלט, המהלך והיעילות של מערכת ההנעה לדרישות וליישום.
עבודת מחקר נוכחית מציגה וחוקרת כוננים היררכיים עם N רמות.בהיררכיה דו-מפלסית, כפי שמוצג באיור 7a, כאשר במקום כל חוט SMA של המפעיל ברמה הראשונה, מושג סידור דו-מודאלי, כפי שמוצג באיור.9ה.על איור.7c מראה כיצד חוט ה-SMA מלופף סביב זרוע נעה (זרוע עזר) שנעה רק בכיוון האורך.עם זאת, הזרוע הנעה הראשית ממשיכה לנוע באותו אופן כמו הזרוע הנעה של המפעיל הרב-שלבי בשלב ראשון.בדרך כלל, כונן N-stage נוצר על ידי החלפת חוט ה-SMA שלב \(N-1\) בכונן בשלב ראשון.כתוצאה מכך, כל ענף מחקה את כונן השלב הראשון, למעט הענף שמחזיק את החוט עצמו.בדרך זו, ניתן ליצור מבנים מקוננים היוצרים כוחות גדולים פי כמה מהכוחות של הכוננים הראשוניים.במחקר זה, עבור כל רמה, נלקח בחשבון אורך חוט SMA יעיל של 1 מ', כפי שמוצג בפורמט טבלה באיור 7d.הזרם דרך כל חוט בכל עיצוב לא-מודאלי והלחץ והמתח המתקבלים בכל מקטע חוטי SMA זהים בכל רמה.על פי המודל האנליטי שלנו, כוח הפלט נמצא בקורלציה חיובית עם הרמה, בעוד שהעקירה נמצאת בקורלציה שלילית.יחד עם זאת, היה פשרה בין תזוזה וכוח שרירים.כפי שניתן לראות באיור.7b, בעוד שהכוח המרבי מושג במספר השכבות הגדול ביותר, התזוזה הגדולה ביותר נצפית בשכבה הנמוכה ביותר.כאשר רמת ההיררכיה הוגדרה ל-\(N=5\), נמצא שיא כוח השריר של 2.58 קילו-ניין עם 2 משיכות שנצפו \(\upmu\)m.מצד שני, כונן השלב הראשון יוצר כוח של 150 N במכה של 277 \(\upmu\)m.מפעילים מרובי רמות מסוגלים לחקות שרירים ביולוגיים אמיתיים, כאשר שרירים מלאכותיים המבוססים על סגסוגות של זיכרון צורה מסוגלים לייצר כוחות גבוהים משמעותית בתנועות מדויקות ועדינות יותר.המגבלות של עיצוב ממוזער זה הן שככל שההיררכיה גדלה, התנועה מצטמצמת מאוד והמורכבות של תהליך ייצור הכונן עולה.
(א) מערכת הפעלה ליניארית של סגסוגת זיכרון צורה דו-שלבית (\(N=2\)) מוצגת בתצורה דו-מודאלית.המודל המוצע מושג על ידי החלפת חוט ה-SMA במפעיל השכבתי השלב הראשון במפעיל שכבתי יחיד נוסף.(ג) תצורה מעוותת של המפעיל הרב-שכבתי השלב השני.(ב) מתוארת התפלגות הכוחות והתזוזות בהתאם למספר הרמות.נמצא כי כוח השיא של המפעיל נמצא בקורלציה חיובית עם רמת קנה המידה בגרף, בעוד שהמהלך נמצא בקורלציה שלילית לרמת קנה המידה.הזרם והמתח המקדים בכל חוט נשארים קבועים בכל הרמות.(ד) הטבלה מציגה את מספר הברזים ואת אורך חוט ה-SMA (סיבי) בכל רמה.המאפיינים של החוטים מסומנים על ידי אינדקס 1, ומספר הענפים המשניים (אחד המחובר לרגל הראשית) מצוין במספר הגדול ביותר במתווי.לדוגמה, ברמה 5, \(n_1\) מתייחס למספר חוטי SMA הקיימים בכל מבנה דו-מודאלי, ו-\(n_5\) מתייחס למספר רגלי העזר (אחת המחוברת לרגל הראשית).
שיטות שונות הוצעו על ידי חוקרים רבים למודל של התנהגות SMAs עם זיכרון צורות, התלויות בתכונות התרמו-מכאניות הנלוות לשינויים המקרוסקופיים במבנה הגבישי הקשור למעבר הפאזה.הניסוח של שיטות מכוננות הוא מורכב מטבעו.המודל הפנומנולוגי הנפוץ ביותר מוצע על ידי Tanaka28 והוא נמצא בשימוש נרחב ביישומים הנדסיים.המודל הפנומנולוגי המוצע על ידי טנקה [28] מניח שחלק הנפח של מרטנזיט הוא פונקציה אקספוננציאלית של טמפרטורה ומתח.מאוחר יותר, Liang and Rogers29 ו-Brinson30 הציעו מודל שבו ההנחה היא שדינמיקת מעבר הפאזות היא פונקציה קוסינוס של מתח וטמפרטורה, עם שינויים קלים במודל.בקר וברינסון הציעו מודל קינטי מבוסס דיאגרמת פאזות למודל של התנהגות חומרי SMA בתנאי טעינה שרירותיים כמו גם במעברים חלקיים.Banerjee32 משתמש בשיטת דינמיקת דיאגרמות פאזות של Bekker ו-Brinson31 כדי לדמות מניפולטור של דרגת חופש אחת שפותחה על ידי Elahinia ו- Ahmadian33.שיטות קינטיות המבוססות על דיאגרמות פאזה, הלוקחות בחשבון את השינוי הלא מונוטוני במתח עם הטמפרטורה, קשות ליישום ביישומים הנדסיים.אלכיניה ואחמדיאן מפנים את תשומת הלב לחסרונות אלו של מודלים פנומנולוגיים קיימים ומציעים מודל פנומנולוגי מורחב לניתוח והגדרת התנהגות זיכרון צורות בכל תנאי טעינה מורכבים.
המודל המבני של חוט SMA נותן מתח (\(\sigma\)), מתח (\(\epsilon\)), טמפרטורה (T) ושבריר נפח מרטנזיט (\(\xi\)) של חוט SMA.המודל המכונן הפנומנולוגי הוצע לראשונה על ידי Tanaka28 ומאוחר יותר אומץ על ידי Liang29 וברינסון30.לנגזרת המשוואה יש את הצורה:
כאשר E הוא מודול הפאזה של SMA Young המתקבל באמצעות \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) ו-\(E_A\) ו-\(E_M\) המייצגים את המודולוס של יאנג הם שלבים אוסטניטיים ומרטנסיטיים, בהתאמה, ומקדם ההתפשטות התרמית מיוצג על ידי \_T\).גורם התרומה למעבר פאזה הוא \(\Omega = -E \epsilon _L\) ו-\(\epsilon _L\) הוא המתח המרבי שניתן להחזיר בחוט SMA.
משוואת דינמיקת הפאזה עולה בקנה אחד עם פונקציית הקוסינוס שפותחה על ידי Liang29 ומאוחר יותר אומצה על ידי Brinson30 במקום הפונקציה האקספוננציאלית שהוצעה על ידי Tanaka28.מודל מעבר השלב הוא הרחבה של המודל שהוצע על ידי Elakhinia ו- Ahmadian34 ושונה בהתבסס על תנאי מעבר השלב שניתנו על ידי Liang29 ו-Brinson30.התנאים המשמשים למודל מעבר פאזה זה תקפים בעומסים תרמו-מכניים מורכבים.בכל רגע של זמן, הערך של חלק הנפח של מרטנזיט מחושב בעת מודלים של המשוואה המכוננת.
משוואת הטרנספורמציה מחדש, המתבטאת בהפיכת מרטנזיט לאוסטניט בתנאי חימום, היא כדלקמן:
כאשר \(\xi\) הוא חלק הנפח של מרטנזיט, \(\xi _M\) הוא חלק הנפח של מרטנזיט המתקבל לפני החימום, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ (\displaystyle b_A = -a_A/C_A\) ו-\(C_A\) – פרמטרים של עקומת חוט, A_(A) ו-A_A, קירוב עקומת תיל, (A) - תחילת וסוף השלב האוסטניט, בהתאמה, טמפרטורה.
משוואת בקרת הטרנספורמציה הישירה, המיוצגת על ידי טרנספורמציה הפאזית של אוסטניט למרטנזיט בתנאי קירור, היא:
כאשר \(\xi _A\) הוא חלק הנפח של מרטנזיט שהושג לפני הקירור, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) ו-\ (C_M \) – פרמטרים של התאמה לעקומה, T – SMA טמפרטורת חוט\, \(M_s\ סופי של טמפרטורת חוט\), \(M_s\) בהתאמה.
לאחר הבחנה בין משוואות (3) ו-(4), מפושטות את משוואות הטרנספורמציה ההפוכות והישירות לצורה הבאה:
במהלך טרנספורמציה קדימה ואחורה \(\eta _{\sigma}\) ו-\(\eta _{T}\) מקבלים ערכים שונים.המשוואות הבסיסיות הקשורות ל-\(\eta _{\sigma}\) ו-\(\eta _{T}\) נגזרו ונדונו בפירוט בסעיף נוסף.
האנרגיה התרמית הנדרשת להעלאת הטמפרטורה של חוט ה-SMA מגיעה מאפקט החימום של ג'ול.האנרגיה התרמית שנספגת או משתחררת על ידי חוט SMA מיוצגת על ידי החום הסמוי של הטרנספורמציה.אובדן החום בחוט SMA נובע מהסעה מאולצת, ובהתחשב בהשפעה הזניחה של קרינה, משוואת מאזן אנרגיית החום היא כדלקמן:
כאשר \(m_{חוט}\) היא המסה הכוללת של חוט SMA, \(c_{p}\) היא קיבולת החום הספציפית של ה-SMA, \(V_{in}\) היא המתח המופעל על החוט, \(R_{ohm} \ ) – התנגדות תלוית פאזה SMA, המוגדרת כ;\(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) כאשר \(r_M\ ) ו-\(r_A\) הם התנגדות הפאזה SMA במרטנזיט ובאוסטניט, בהתאמה, \(A_{c}\) הוא שטח הפנים של כל ה-SMA צורת חוט a,() oy.חום המעבר הסמוי של החוט, T ו-\(T_{\infty}\) הם הטמפרטורות של חוט SMA והסביבה, בהתאמה.
כאשר חוט סגסוגת זיכרון צורה מופעל, החוט נדחס, ויוצר כוח בכל ענף של התכנון הבימודאלי הנקרא כוח סיבים.הכוחות של הסיבים בכל גדיל של חוט SMA יוצרים יחד את כוח השריר להפעלה, כפי שמוצג באיור 9ה.בשל נוכחותו של קפיץ מוטה, כוח השריר הכולל של המפעיל הרב-שכבתי ה-Nth הוא:
החלפת \(N = 1\) במשוואה (7), ניתן להשיג את חוזק השרירים של אב הטיפוס של הכונן הבי-מודאלי בשלב הראשון באופן הבא:
כאשר n הוא מספר הרגליים החד-מודאליות, \(F_m\) הוא כוח השריר שנוצר על ידי הכונן, \​(F_f\) הוא חוזק הסיבים בחוט SMA, \(K_x\) הוא קשיחות ההטיה.קפיץ, \(\alpha\) הוא הזווית של המשולש, \(x_0\) הוא ההיסט הראשוני של קפיץ ההטיה כדי להחזיק את כבל SMA במצב מתוח מראש, ו-\(\Delta x\) הוא מהלך המפעיל.
התזוזה או התנועה הכוללת של הכונן (\(\Delta x\)) בהתאם למתח (\(\sigma\)) והמתח (\(\epsilon\)) על חוט ה-SMA של השלב ה-Nth, הכונן מוגדר ל-(ראה איור חלק נוסף של הפלט):
המשוואות הקינמטיות נותנות את הקשר בין עיוות הכונן (\(\epsilon\)) לבין תזוזה או תזוזה (\(\Delta x\)).העיוות של חוט ה-Arb כפונקציה של אורך חוט ה-Arb הראשוני (\(l_0\)) ואורך החוט (l) בכל זמן t בענף חד-מודאלי אחד הוא כדלקמן:
כאשר \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) מתקבל על ידי החלת נוסחת הקוסינוס ב-\(\Delta\)ABB ', כפי שמוצג באיור 8. עבור כונן השלב הראשון (\)\elt\elt (\)(N =(1D)\elt x),(N =(1D)\elt, x) ו-\(\alpha _1\) הוא \(\alpha \) כפי שמוצג באיור 8, על ידי הבדלת הזמן מהמשוואה (11) והחלפת הערך של l, ניתן לכתוב את קצב המתח כ:
כאשר \(l_0\) הוא האורך ההתחלתי של חוט ה-SMA, l הוא אורך החוט בכל זמן t בענף חד-מודאלי אחד, \(\epsilon\) הוא העיוות שפותח בחוט ה-SMA, ו-\(\alpha \) הוא זווית המשולש, \(\Delta x\) הוא היסט ההנעה (כמתואר באיור 8).
כל n מבנים חד-שיאיים (\(n=6\) באיור זה) מחוברים בסדרה עם \(V_{in}\) כמתח הכניסה.שלב I: תרשים סכמטי של חוט SMA בתצורה דו-מודאלית בתנאי מתח אפס שלב II: מוצג מבנה מבוקר שבו חוט SMA נדחס עקב המרה הפוכה, כפי שמוצג בקו האדום.
כהוכחה לקונספט, פותח כונן בי-מודאלי מבוסס SMA כדי לבדוק את הגזירה המדומה של המשוואות הבסיסיות עם תוצאות ניסוי.דגם ה-CAD של המפעיל הליניארי הבימודאלי מוצג באיור.9א.מאידך, באיור.9c מציג עיצוב חדש המוצע לחיבור מנסרתי סיבובי באמצעות מפעיל מבוסס SMA דו-מישור עם מבנה דו-מודאלי.רכיבי הכונן יוצרו באמצעות ייצור תוסף במדפסת Ultimaker 3 Extended 3D.החומר המשמש להדפסת תלת מימד של רכיבים הוא פוליקרבונט המתאים לחומרים עמידים בחום שכן הוא חזק, עמיד ובעל טמפרטורת מעבר זכוכית גבוהה (110-113 \(^{\circ }\) C).בנוסף, נעשה שימוש בחוט סגסוגת זיכרון מסוג Flexinol של Dynalloy, Inc. בניסויים, ובסימולציות נעשה שימוש בתכונות החומר המתאימות לחוט Flexinol.חוטי SMA מרובים מסודרים כסיבים הנמצאים בסידור דו-מודאלי של שרירים כדי להשיג את הכוחות הגבוהים המיוצרים על ידי מפעילים רב-שכבתיים, כפי שמוצג באיור 9b, ד.
כפי שמוצג באיור 9a, הזווית החדה שנוצרת על ידי חוט SMA הזרוע הנעה נקראת הזווית (\(\alpha\)).עם מהדקי קצה המחוברים לתפסים השמאלי והימני, חוט ה-SMA מוחזק בזווית הבימודאלית הרצויה.התקן קפיצי הטיה המוחזק על מחבר הקפיץ נועד להתאים את קבוצות הארכת קפיצי הטיה השונות בהתאם למספר (n) של סיבי SMA.בנוסף, מיקום החלקים הנעים מתוכנן כך שחוט ה-SMA חשוף לסביבה החיצונית לצורך קירור הסעה מאולץ.הפלטות העליונות והתחתונות של המכלול הניתן להסרה עוזרות לשמור על תיל SMA קריר עם גזרות שחולצות שנועדו להפחית משקל.בנוסף, שני הקצוות של חוט CMA מקובעים למסוף השמאלי והימני, בהתאמה, באמצעות לחיצה.בוכנה מחוברת לקצה אחד של המכלול הנייד כדי לשמור על מרווח בין הלוח העליון והתחתון.הבוכנה משמשת גם להפעלת כוח חסימה על החיישן באמצעות מגע כדי למדוד את כוח החסימה כאשר חוט ה-SMA מופעל.
מבנה השריר הבימודאלי SMA מחובר חשמלית בסדרה ומופעל על ידי מתח פולס כניסה.במהלך מחזור פעימות המתח, כאשר מתח מופעל וחוט SMA מחומם מעל הטמפרטורה ההתחלתית של האוסטניט, אורך החוט בכל גדיל מתקצר.נסיגה זו מפעילה את מכלול הזרוע הנעה.כאשר המתח אופס באותו מחזור, חוט ה-SMA המחומם צונן מתחת לטמפרטורה של משטח המרטנסיט, ובכך חזר למיקומו המקורי.בתנאי מתח אפס, חוט ה-SMA נמתח תחילה באופן פסיבי על ידי קפיץ הטיה כדי להגיע למצב המרטנסיטי המיועד.הבורג, שדרכו עובר חוט ה-SMA, נע עקב הדחיסה שנוצרת מהפעלת פולס מתח על חוט ה-SMA (SPA מגיע לפאזה האוסטניטית), מה שמוביל להפעלת המנוף הנעים.כאשר חוט SMA נסוג, קפיץ ההטיה יוצר כוח מנוגד על ידי מתיחה נוספת של הקפיץ.כאשר הלחץ במתח הדחף הופך לאפס, חוט ה-SMA מתארך ומשנה את צורתו עקב קירור הסעה מאולץ, ומגיע לשלב מרטנסיטי כפול.
למערכת ההפעלה הליניארית המוצעת מבוססת SMA יש תצורה דו-מודאלית שבה חוטי ה-SMA זוויתיים.(א) מתאר מודל CAD של אב הטיפוס, אשר מזכיר חלק מהרכיבים ומשמעויותיהם עבור אב הטיפוס, (ב, ד) מייצגים את אב הטיפוס הניסיוני שפותח35.בעוד ש-(ב) מציג תצוגה עליונה של אב הטיפוס עם חיבורים חשמליים וקפיצי הטיה ומדדי מתח בשימוש, (ד) מציג תצוגה פרספקטיבית של ההתקנה.(ה) תרשים של מערכת הפעלה ליניארית עם חוטי SMA הממוקמים בימודאלית בכל זמן t, המראה את הכיוון והמהלך של הסיבים וחוזק השריר.(ג) הוצע חיבור פריזמטי סיבובי 2-DOF לפריסת מפעיל מבוסס SMA דו-מישוריים.כפי שמוצג, הקישור מעביר תנועה ליניארית מהכונן התחתונה לזרוע העליונה, ויוצר חיבור סיבובי.מצד שני, התנועה של צמד המנסרות זהה לתנועה של כונן השלב הראשון הרב-שכבתי.
מחקר ניסיוני בוצע על אב הטיפוס המוצג באיור 9b כדי להעריך את הביצועים של כונן דו-מודאלי המבוסס על SMA.כפי שמוצג באיור 10a, מערך הניסוי כלל ספק כוח DC הניתן לתכנות כדי לספק מתח כניסה לחוטי SMA.כפי שמוצג באיור.10b, מד מתח פיזואלקטרי (PACEline CFT/5kN) שימש למדידת כוח החסימה באמצעות לוגר נתונים Graphtec GL-2000.הנתונים מוקלטים על ידי המארח להמשך מחקר.מדי מתח ומגברי טעינה דורשים אספקת חשמל קבועה כדי להפיק אות מתח.האותות המתאימים מומרים ליציאות הספק בהתאם לרגישות של חיישן הכוח הפיאזואלקטרי ופרמטרים נוספים כמתואר בטבלה 2. כאשר מופעל דופק מתח, הטמפרטורה של חוט ה-SMA עולה, מה שגורם לחוט ה-SMA להידחס, מה שגורם למפעיל ליצור כוח.תוצאות הניסוי של הפלט של כוח השריר על ידי דופק מתח כניסה של 7 וולט מוצגות באיור.2א.
(א) מערכת מפעיל ליניארי מבוססת SMA הוקמה בניסוי כדי למדוד את הכוח שנוצר על ידי המפעיל.תא העומס מודד את כוח החסימה ומופעל על ידי ספק כוח 24 V DC.נפילת מתח של 7V הופעלה לכל אורך הכבל באמצעות ספק כוח DC המתוכנת של GW Instek.חוט ה-SMA מתכווץ עקב חום, והזרוע הנעה מתקשרת עם תא העומס ומפעילה כוח חוסם.תא העומס מחובר ללוגר הנתונים GL-2000 והנתונים מאוחסנים במארח לעיבוד נוסף.(ב) תרשים המראה את שרשרת הרכיבים של מערך הניסוי למדידת כוח השריר.
סגסוגות זיכרון צורות מתרגשות מאנרגיה תרמית, ולכן הטמפרטורה הופכת לפרמטר חשוב לחקר תופעת זיכרון הצורה.באופן ניסיוני, כפי שמוצג באיור. 11a, הדמיה תרמית ומדידות טמפרטורה בוצעו על אב-טיפוס מבוסס SMA divalerate actuator.מקור DC הניתן לתכנות החיל מתח כניסה על חוטי SMA במערך הניסוי, כפי שמוצג באיור 11b.שינוי הטמפרטורה של חוט SMA נמדד בזמן אמת באמצעות מצלמת LWIR ברזולוציה גבוהה (FLIR A655sc).המארח משתמש בתוכנת ResearchIR כדי להקליט נתונים להמשך עיבוד שלאחר.כאשר מופעל דופק מתח, הטמפרטורה של חוט ה-SMA עולה, מה שגורם לכיווץ חוט ה-SMA.על איור.איור 2b מציג את תוצאות הניסוי של טמפרטורת חוט SMA לעומת זמן עבור דופק מתח כניסה של 7V.