Merci fir besicht Nature.com.D'Browser Versioun déi Dir benotzt huet limitéiert CSS Ënnerstëtzung.Fir déi bescht Erfahrung empfeelen mir Iech en aktualiséierte Browser ze benotzen (oder de Kompatibilitéitsmodus am Internet Explorer auszeschalten).An der Tëschenzäit, fir weider Ënnerstëtzung ze garantéieren, wäerte mir de Site ouni Stiler a JavaScript maachen.
Aktuatoren ginn iwwerall benotzt a kreéiert kontrolléiert Bewegung andeems Dir déi richteg Excitatiounskraaft oder Dréimoment applizéiert fir verschidde Operatiounen an der Fabrikatioun an der Industrieautomatiséierung auszeféieren.De Besoin fir méi séier, méi kleng a méi effizient Fuert féiert Innovatioun am Drive Design.Shape Memory Alloy (SMA) Drive bitt eng Rei Virdeeler iwwer konventionell Drive, dorënner en héije Kraaft-zu-Gewiicht Verhältnis.An dëser Dissertatioun gouf en zwee-Federed SMA-baséiert Aktuator entwéckelt, deen d'Virdeeler vun de feathery Muskelen vun biologesche Systemer an déi eenzegaarteg Eegeschafte vun SMAs kombinéiert.Dës Etude exploréiert a verlängert virdrun SMA actuators vun Entwécklungslänner engem mathematesche Modell vun der neier actuator baséiert op der bimodal SMA Drot Arrangement an Testen et experimentally.Am Verglach mat bekannte Drive baséiert op SMA, ass d'Aktiounskraaft vum neien Drive op d'mannst 5 Mol méi héich (bis zu 150 N).Déi entspriechend Gewiichtsverloscht ass ongeféier 67%.D'Resultater vun der Sensibilitéitsanalyse vu mathematesche Modeller sinn nëtzlech fir Designparameter ze stëmmen an Schlësselparameter ze verstoen.Dës Etude stellt weider e Multi-Level Nth Stage Drive vir, dee benotzt ka ginn fir d'Dynamik weider ze verbesseren.SMA-baséiert Dipvalerate Muskelaktuatoren hunn eng breet Palette vun Uwendungen, vu Bauautomatiséierung bis Präzisiounsmedikamenter Liwwerungssystemer.
Biologesch Systemer, wéi d'Muskelstrukture vu Mamendéieren, kënne vill subtile Aktuatoren aktivéieren1.Mamendéieren hu verschidde Muskelstrukturen, jidderee servéiert e spezifeschen Zweck.Wéi och ëmmer, vill vun der Struktur vum Mamendéieren Muskelgewebe kann an zwou breet Kategorien opgedeelt ginn.Parallel a Pennat.An den Hamstrings an aner Flexoren, wéi den Numm et scho seet, huet d'parallel Muskulatur Muskelfaser parallel zu der zentrale Sehne.D'Kette vu Muskelfasern ass opgestallt a funktionell duerch de Bindegewebe ronderëm si verbonnen.Och wann dës Muskele gesot ginn e groussen Ausfluch (prozentualer Ofkierzung), ass hir allgemeng Muskelkraaft ganz limitéiert.Am Géigesaz, am Triceps Kallefmuskel2 (lateral Gastrocnemius (GL) 3, medial Gastrocnemius (GM) 4 a Soleus (SOL)) an Extensor femoris (Quadriceps) gëtt 5,6 Pennat Muskelgewebe an all Muskel fonnt7.An enger Pinnate Struktur sinn d'Muskelfaser an der bipennate Muskulatur op béide Säiten vun der zentraler Sehne bei schräg Winkelen (Pinnate Wénkel) präsent.Pennate kënnt vum laténgesche Wuert "penna", dat heescht "Pen", an, wéi an der Fig.1 huet e fiederähnlecht Erscheinungsbild.D'Faseren vun de Pennatmuskelen si méi kuerz a wénkel op d'Längsachs vum Muskel.Duerch d'Pinnate Struktur gëtt d'Gesamtmobilitéit vun dëse Muskelen reduzéiert, wat zu de transversale a Längskomponenten vum Ofkierzungsprozess féiert.Op der anerer Säit féiert d'Aktivatioun vun dëse Muskelen zu enger méi héijer Gesamtmuskelkraaft wéinst der Art a Weis wéi physiologesch Querschnittsfläch gemooss gëtt.Dofir, fir e bestëmmte Querschnittsgebitt, wäerte Pennatmuskele méi staark sinn a méi héich Kräfte generéieren wéi Muskele mat parallele Faseren.Kräfte generéiert vun eenzelne Faseren generéieren Muskelkräften op engem makroskopesche Niveau an deem Muskelgewebe.Zousätzlech huet et sou eenzegaarteg Eegeschafte wéi séier Schrumpfung, Schutz géint Spannschued, Dämpfung.Et transforméiert d'Relatioun tëscht Faserinput a Muskelkraaftoutput andeems se déi eenzegaarteg Features a geometresch Komplexitéit vun der Faserarrangement ausnotzen, déi mat Muskellinnen vun der Handlung verbonne sinn.
Gewise sinn schematesch Diagrammer vun bestehend SMA-baséiert actuator Design a Relatioun zu enger bimodal muskulär Architektur, Zum Beispill (eng), representéiert d'Interaktioun vun taktile Kraaft an deem eng Hand-gebuerene Apparat vun SMA Dréit ofgepëtzt ass op engem zwee-wheeled autonom Handy Roboter montéiert9,10., (b) Roboter Orbital Protheesen mat antagonistically plazéiert SMA Fréijoer-belaascht Orbital Protheesen.D'Positioun vun der prosthetic Auge kontrolléiert haten duerch e Signal vun der okular Muskel vun eye11, (c) SMA actuators sinn ideal fir Ënnerwaasser Uwendungen wéinst hirer héich Frequenz Äntwert an niddereg bandwidth.An dëser Konfiguratioun ginn SMA Aktuatoren benotzt fir Wellebewegung ze kreéieren andeems d'Bewegung vu Fësch simuléiert gëtt, (d) SMA Aktuatoren ginn benotzt fir e Mikropipe Inspektiounsroboter ze kreéieren deen den Zollwurmbewegungsprinzip benotze kann, kontrolléiert duerch d'Bewegung vun SMA Drot am Kanal 10, (e) weist d'Richtung vun der Kontraktioun Muskelfaser a generéiert contractile Kraaft a SMA-Muskelfaser a arrangéiert Muskelfasern, Pennate Muskel Struktur.
Aktuatoren sinn e wichtege Bestanddeel vu mechanesche Systemer ginn wéinst hirer breet Palette vun Uwendungen.Dofir gëtt de Besoin fir méi kleng, méi séier a méi effizient Drive kritesch.Trotz hire Virdeeler hunn traditionell Drive bewisen deier an Zäitopwänneg ze erhalen.Hydraulesch a pneumatesch Aktuatoren si komplex an deier a ënnerleien zu Verschleiung, Schmierproblemer a Komponentfehler.Als Äntwert op d'Demande ass de Fokus op d'Entwécklung vu kosteneffizienten, Gréisst-optimiséierten a fortgeschratten Aktuatoren baséiert op intelligenten Materialien.Lafend Fuerschung kuckt op Form Memory Alloy (SMA) Layer Actuatoren fir dëse Besoin ze treffen.Hierarchesch Aktuatoren sinn eenzegaarteg datt se vill diskret Aktuatoren a geometresch komplexe Makro-Skala-Subsystemer kombinéiere fir eng erhéicht an erweidert Funktionalitéit ze bidden.An dëser Hisiicht bitt de mënschleche Muskelgewebe uewe beschriwwen en exzellente multilayered Beispill vun esou multilayered actuation.Déi aktuell Etude beschreift e Multi-Level SMA Drive mat verschiddenen individuellen Drive Elementer (SMA Drot) ausgeriicht op d'Faser Orientatiounen, déi an de bimodale Muskelen präsent sinn, wat d'allgemeng Drive Performance verbessert.
Den Haaptzweck vun engem Aktuator ass mechanesch Kraaftoutput wéi Kraaft an Verschiebung ze generéieren andeems se elektresch Energie ëmsetzen.Form Memory Legierungen sinn eng Klass vu "intelligente" Materialien déi hir Form bei héijen Temperaturen restauréiere kënnen.Ënner héich Laascht féiert eng Erhéijung vun der Temperatur vun der SMA Drot zu Form Erhuelung, doraus zu enger méi héich actuation Energie Dicht Verglach zu verschiddenen direkt gebonnen Smart Material.Zur selwechter Zäit, ënner mechanesche Lasten, ginn SMAs brécheg.Ënner bestëmmte Bedéngungen kann eng zyklesch Belaaschtung mechanesch Energie absorbéieren a fräiginn, reversibel hysteretesch Formännerungen weisen.Dës eenzegaarteg Eegeschafte maachen SMA ideal fir Sensoren, Schwéngung damping a besonnesch actuators12.Mat dësem vergiessen gouf et vill Fuerschung iwwer SMA-baséiert Drive.Et sollt bemierkt datt SMA-baséiert Aktuatoren entwéckelt sinn fir Iwwersetzungs- a Rotatiounsbewegung fir eng Vielfalt vun Uwendungen13,14,15 ze bidden.Obwuel e puer Rotary actuators entwéckelt goufen, Fuerscher sinn besonnesch interesséiert linear actuators.Dës linear actuators kann an dräi Zorte vun actuators ënnerdeelt ginn: eent-zweedimensional, Verréckelung an differentiell actuators 16.Am Ufank goufen Hybrid Drive a Kombinatioun mat SMA an aner konventionell Drive erstallt.Een esou Beispill vun engem SMA-baséiert Hybrid linear Aktuator ass d'Benotzung vun engem SMA Drot mat engem DC Motor fir eng Ausgangskraaft vu ronn 100 N a bedeitend Verschiebung ze bidden17.
Eng vun den éischten Entwécklungen an Drive baséiert ganz op SMA war de SMA Parallel Drive.Mat e puer SMA Drot, ass de SMA-baséiert Parallel Drive entwéckelt fir d'Kraaftfäegkeet vum Drive ze erhéijen andeems se all SMA18 Drot parallel setzen.Parallelverbindung vun Aktuatoren erfuerdert net nëmme méi Kraaft, awer limitéiert och d'Ausgangskraaft vun engem eenzegen Drot.En aneren Nodeel vun SMA baséiert Aktuatoren ass déi limitéiert Rees déi se erreechen kënnen.Fir dëse Problem ze léisen, gouf en SMA Kabelstrahl erstallt, deen e ofgeleete flexiblen Strahl enthält fir d'Verschiebung ze vergréisseren an d'linear Bewegung z'erreechen, awer huet net méi héich Kräfte generéiert19.Soft deformable Strukturen a Stoffer fir Roboteren baséiert op Form Memory Alliagen goufen haaptsächlech fir Impakt amplification entwéckelt 20,21,22.Fir Uwendungen wou héich Geschwindegkeet erfuerderlech sinn, goufen kompakt ugedriwwe Pompelen gemellt mat dënnem Film SMAs fir Mikropumpe-Undriff Uwendungen23.D'Drive Frequenz vun der dënnem Film SMA Membran ass e Schlësselfaktor fir d'Geschwindegkeet vum Chauffer ze kontrolléieren.Dofir, SMA linear Motore hunn eng besser dynamesch Äntwert wéi SMA Fréijoer oder Staang Motore.Soft Robotik a Griptechnologie sinn zwou aner Uwendungen déi SMA-baséiert Aktuatoren benotzen.Zum Beispill, fir de Standardaktuator ze ersetzen, deen an der 25 N Raumklemm benotzt gouf, gouf e Form Memory Legierung parallele Aktuator 24 entwéckelt.An engem anere Fall war e SMA mëll actuator fabrizéiert baséiert op engem Drot mat engem agebaute Matrixentgasung kapabel vun engem produzéiere maximal zéien Kraaft pa 30 N. Wéinst hir mechanesch Eegeschafte sinn SMAs och benotzt actuators ze produzéieren déi biologesch Phänomener mimic.Eng esou Entwécklung enthält en 12-Zell Roboter deen e Biomimetik vun engem Äerdworm-ähnlechen Organismus mat SMA ass fir eng sinusoidal Bewegung ze generéieren fir ze brennen26,27.
Wéi virdru scho gesot, gëtt et eng Limit fir déi maximal Kraaft déi aus existéierende SMA-baséierten Aktuatoren kritt ka ginn.Fir dëst Thema unzegoen, presentéiert dës Studie eng biomimetesch bimodal Muskelstruktur.Ugedriwwe vun Form Erënnerung durchgang Drot.Et bitt e Klassifikatiounssystem deen e puer Form Memory Legierung Drot enthält.Bis haut goufen keng SMA-baséiert Aktuatoren mat enger ähnlecher Architektur an der Literatur gemellt.Dësen eenzegaartegen an neie System baséiert op SMA gouf entwéckelt fir d'Behuele vu SMA während der bimodaler Muskelausrichtung ze studéieren.Am Verglach mat existéierende SMA-baséiert Aktuatoren war d'Zil vun dëser Etude e biomimeteschen Dipvalerataktuator ze kreéieren fir wesentlech méi héich Kräfte an engem klenge Volumen ze generéieren.Am Verglach mat konventionelle Steppermotor ugedriwwen Drive, déi an HVAC-Gebaiautomatiséierungs- a Kontrollsystemer benotzt ginn, reduzéiert de proposéierte SMA-baséiert bimodal Drive Design d'Gewiicht vum Drivemechanismus ëm 67%.An der folgender ginn d'Begrëffer "Muskel" a "Drive" austauschbar benotzt.Dës Etude ënnersicht d'Multiphysik Simulatioun vun esou engem Drive.D'mechanesch Verhalen vun esou Systemer gouf duerch experimentell an analytesch Methoden studéiert.D'Kraaft- an d'Temperaturverdeelunge goufen weider ënnersicht bei enger Inputspannung vu 7 V. Duerno gouf eng parametresch Analyse gemaach fir d'Relatioun tëscht Schlësselparameter an der Ausgangskraaft besser ze verstoen.Endlech sinn hierarchesch actuators virgesinn an hierarchesch Niveau Effekter goufen als potentiell Zukunft Beräich fir Net-magnetic actuators fir prosthetic Uwendungen proposéiert.Laut de Resultater vun den uewe genannten Studien, produzéiert d'Benotzung vun enger eenzeger Etapp Architektur Kräften op d'mannst véier bis fënnef Mol méi héich wéi gemellt SMA-baséiert Aktuatoren.Zousätzlech, huet déi selwecht fueren Kraaft generéiert vun engem Multi-Niveau Multi-Niveau fueren gewise ginn méi wéi zéng mol déi vun konventionelle SMA-baséiert fiert.D'Etude bericht dann Schlësselparameter mat der Empfindlechkeetsanalyse tëscht verschiddenen Designen an Inputvariablen.Déi initial Längt vum SMA Drot (\(l_0\)), de pinnate Wénkel (\(\alpha\)) an d'Zuel vun eenzel Strécke (n) an all eenzel Strang hunn e staarken negativen Effekt op d'Gréisst vun der dreiwend Kraaft.Kraaft, während d'Input Spannung (Energie) positiv korreléiert ass.
SMA Drot weist d'Form Erënnerung Effekt (SME) an der Néckel-Titan (Ni-Ti) Famill vun Alliagen gesinn.Typesch, SMAs weisen zwou Temperatur ofhängeg Phasen: eng niddereg Temperatur Phase an héich Temperatur Phas.Béid Phasen hunn eenzegaarteg Eegeschafte wéinst der Präsenz vu verschiddene Kristallstrukturen.An der Austenitphase (Héichtemperaturphase), déi iwwer der Transformatiounstemperatur existéiert, weist d'Material héich Kraaft a gëtt schlecht ënner Belaaschtung verformt.D'Legierung behält sech wéi Edelstahl, sou datt et méi héije Beschränkungsdrock widderstoen kann.Profitéiert vun dëser Eegeschafte vun Ni-Ti Legierungen, sinn d'SMA Drot schräg fir en Aktuator ze bilden.Passend analytesch Modeller ginn entwéckelt fir d'fundamental Mechanik vum thermesche Verhalen vun SMA ënner dem Afloss vu verschiddene Parameteren a verschiddene Geometrien ze verstoen.Gutt Accord gouf tëscht den experimentellen an analyteschen Resultater kritt.
Eng experimentell Studie gouf op de Prototyp, deen an der Fig.Zwee vun dësen Eegeschaften, d'Kraaft generéiert vum Fuert (Muskelkraaft) an d'Temperatur vum SMA Drot (SMA Temperatur), goufen experimentell gemooss.Wéi de Spannungsdifferenz iwwer d'ganz Längt vum Drot am Fuert eropgeet, erhéicht d'Temperatur vum Drot wéinst dem Joule Heizungseffekt.D'Input Volt war an zwee 10-s Zyklen applizéiert (als rout Punkten an Lalumi 2a, b) mat engem 15-s kille Period tëscht all Zyklus applizéiert.D'Blockkraaft gouf mat engem piezoelektresche Belaaschtungsmeter gemooss, an d'Temperaturverdeelung vum SMA Drot gouf an Echtzäit iwwerwaacht mat enger wëssenschaftlecher Héichopléisung LWIR Kamera (kuckt d'Charakteristiken vun der Ausrüstung déi an der Tabell 2 benotzt gëtt).weist datt während der Héichspannungsphase d'Temperatur vum Drot monoton eropgeet, awer wann kee Stroum leeft, geet d'Temperatur vum Drot weider.Am aktuellen experimentellen Opbau ass d'Temperatur vum SMA Drot während der Ofkillungsphase erofgaang, awer et war nach ëmmer iwwer d'Ëmfeldstemperatur.Op Fig.2e weist e Schnappschëss vun der Temperatur op der SMA Drot aus der LWIR Kamera geholl.Op der anerer Säit, an der Fig.2a weist d'Blockkraaft generéiert vum Drive System.Wann d'Muskelkraaft d'Restauratiounskraaft vum Fréijoer iwwerschreift, fänkt de bewegbare Aarm, wéi an der Figur 9a gewisen, un ze beweegen.Soubal d'Aktuatioun ufänkt, kënnt de bewegbare Aarm mam Sensor a Kontakt, a schafft eng Kierperkraaft, wéi an der Fig.2c ,d.Wann déi maximal Temperatur no bei \(84\,^{\circ}\hbox {C}\ ass), ass déi maximal observéiert Kraaft 105 N.
D'Grafik weist d'experimentell Resultater vun der Temperatur vun der SMA Drot an der Kraaft generéiert vun der SMA-baséiert bimodal actuator während zwee Zyklen.D'Input Volt gëtt an zwee 10 Sekonnen Zyklen applizéiert (als roude Punkte gewisen) mat enger 15 Sekonnen Ofkillungsperiod tëscht all Zyklus.D'SMA Drot fir d'Experimenter benotzt war e 0,51 mm Duerchmiesser Flexinol Drot vun Dynalloy, Inc. Snapshot geholl vum SMA Drot mat der FLIR ResearchIR Software LWIR Kamera.Déi geometresch Parameteren, déi an den Experimenter berücksichtegt ginn, ginn an der Tabell uginn.eent.
D'Simulatiounsresultater vum mathematesche Modell an d'experimentell Resultater ginn ënner der Bedingung vun enger Input Spannung vu 7V verglach, wéi an der Fig.Laut de Resultater vun der parametrescher Analyse a fir d'Méiglechkeet vun Iwwerhëtzung vum SMA Drot ze vermeiden, gouf eng Kraaft vun 11,2 W an den Aktuator geliwwert.Eng programméierbar DC Stroumversuergung gouf benotzt fir 7V als Input Spannung ze liwweren, an e Stroum vun 1.6A gouf iwwer den Drot gemooss.D'Kraaft generéiert vum Drive an d'Temperatur vum SDR erhéicht wann de Stroum applizéiert gëtt.Mat enger Input Spannung vu 7V ass déi maximal Ausgangskraaft aus de Simulatiounsresultater an experimentellen Resultater vum éischten Zyklus 78 N respektiv 96 N.Am zweeten Zyklus war déi maximal Ausgangskraaft vun der Simulatioun an der experimenteller Resultater 150 N respektiv 105 N.D'Diskrepanz tëscht Okklusiounskraaftmiessungen an experimentellen Donnéeën ka wéinst der Method sinn, déi benotzt gëtt fir Okklusiounskraaft ze moossen.D'experimentell Resultater gewisen an Fig.5a entsprécht der Messung vun der Sperrkraaft, déi am Tour gemooss gouf wann d'Antriebswell a Kontakt mam PACEline CFT/5kN piezoelektresche Kraafttransducer war, wéi an der Fig.2s.Dofir, wann d'Antriebswell net am Kontakt mam Kraaftsensor am Ufank vun der Killzone ass, gëtt d'Kraaft direkt Null, wéi an der Fig. 2d.Zousätzlech sinn aner Parameteren, déi d'Kraaftbildung an de spéideren Zyklen beaflossen, d'Wäerter vun der Ofkillungszäit an de Koeffizient vum konvektiven Wärmetransfer am virege Zyklus.Aus Fig.2b, kann et gesi ginn, datt no engem 15 Sekonn Ofkillungsperiod den SMA-Drot net Raumtemperatur erreecht huet an dofir eng méi héich initial Temperatur (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) am zweete Fuerzyklus am Verglach mam éischten Zyklus (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)) hat.Also, am Verglach mam éischten Zyklus, erreecht d'Temperatur vum SMA Drot während der zweeter Heizungszyklus déi initial Austenittemperatur (\(A_s\)) méi fréi a bleift an der Iwwergangsperiod méi laang, wat zu Stress a Kraaft resultéiert.Op der anerer Säit hunn d'Temperaturverdeelungen während Heizungs- a Killzyklen, déi aus Experimenter a Simulatioune kritt goufen, eng héich qualitativ Ähnlechkeet mat Beispiller aus der thermographescher Analyse.Comparativ Analyse vun SMA Drot thermesch Donnéeën aus Experimenter a Simulatioune weisen Konsequenz während Heizung- an Ofkillungszyklen a bannent akzeptabel Toleranzen fir experimentell Donnéeën.Déi maximal Temperatur vum SMA Drot, déi aus de Resultater vun der Simulatioun an Experimenter vum éischten Zyklus kritt gëtt, ass \(89\,^{\circ}\hbox {C}\) respektiv \(75\,^{\circ}\hbox {C}\), an am zweeten Zyklus ass d'maximal Temperatur vum SMA-Drot \(94}\,\circuit 3,\circuit \(94}\,\) }\ hbox {C}\).De fundamental entwéckelte Modell bestätegt den Effekt vum Form Memory Effekt.D'Roll vun der Middegkeet an der Iwwerhëtzung gouf an dëser Iwwerpréiwung net berücksichtegt.An Zukunft gëtt de Modell verbessert fir d'Stressgeschicht vum SMA Drot ze enthalen, sou datt et méi gëeegent ass fir Ingenieursapplikatiounen.D'Drive Output Kraaft an SMA Temperatur Plots, déi aus dem Simulink Block kritt goufen, sinn an den zulässlechen Toleranzen vun den experimentellen Donnéeën ënner der Bedingung vun engem Input Spannungsimpuls vu 7 V. Dëst bestätegt d'Korrektheet an d'Zouverlässegkeet vum entwéckelte mathematesche Modell.
De mathematesche Modell gouf am MathWorks Simulink R2020b Ëmfeld entwéckelt mat der Basis Equatioune beschriwwen an der Methode Sektioun.Op Fig.3b weist e Blockdiagramm vum Simulink Mathematik Modell.De Modell gouf fir e 7V Input Volt Impulsreferater simuléiert wéi am Lalumi 2a, b.D'Wäerter vun de Parameteren, déi an der Simulatioun benotzt ginn, ginn an der Tabell opgelëscht 1. D'Resultater vun der Simulatioun vun transiente Prozesser ginn an de Figuren 1 an 1. Figuren 3a a 4. An Fig.4a, b weist d'induzéiert Spannung am SMA Drot an d'Kraaft generéiert vum Aktuator als Funktioun vun der Zäit. Während ëmgedréint Transformatioun (Heizung), wann der SMA Drot Temperatur, \(T <A_s ^ {\ Prime} \) (Stress-geännert austenite Phase Start Temperatur), den Taux vun Ännerung vun martensite Volume Fraktioun (\ (\ Punkt {\ xi }\)) gëtt null. Während ëmgedréint Transformatioun (Heizung), wann der SMA Drot Temperatur, \(T <A_s ^ {\ Prime}\) (Stress-geännert austenite Phase Start Temperatur), den Taux vun Ännerung vun martensite Volume Fraktioun (\ (\ Punkt {\ xi }\)) gëtt null. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (темпуратура начай ированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi}\)) будет равно нулю. Wärend der ëmgedréint Transformatioun (Heizung), wann d'Temperatur vum SMA Drot, \(T <A_s^{\prime}\) (Stressmodifizéiert Austenit-Starttemperatur), wäert den Taux vun der Verännerung vun der Martensitvolumenfraktioun (\(\dot{\xi}\)) null sinn.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 зарождения й на напряжение) скорость измения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Wärend der ëmgedréint Transformatioun (Heizung) bei der Temperatur vum SMA-Drot \(T <A_s^{\prime}\) (d'Temperatur vun der Nukleatioun vun der Austenitphase, korrigéiert fir Stress), wäert den Taux vun der Verännerung vun der Volumefraktioun vum Martensit (\( \dot{\ xi }\)) gläich Null sinn.Dofir hänkt den Taux vun der Spannungsännerung (\(\dot{\sigma}\)) vun der Belaaschtungsrate (\(\dot{\epsilon}\)) an dem Temperaturgradient (\(\dot{T} \)) nëmme mat der Equatioun (1) of.Wéi och ëmmer, wéi de SMA-Drot an der Temperatur eropgeet a kräizt (\(A_s^{\prime}\)), fänkt d'Austenitphase un, an (\(\dot{\xi}\)) gëtt als de gegebene Wäert vun der Equatioun geholl (3).Dofir gëtt den Taux vun der Spannungsännerung (\(\dot{\sigma}\)) zesumme kontrolléiert vu \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) a \(\dot{\xi}\) gläich wéi an der Formel (1) uginn.Dëst erkläert de Gradient Ännerungen an der Zäit-variéierend Stress a Kraaft Kaarte während der Heizung Zyklus observéiert, wéi am Lalumi 4a gewisen, b.
(a) Simulatiounsresultat weist d'Temperaturverdeelung an d'Stress-induzéiert Kräizungstemperatur an engem SMA-baséierten divaleréierten Aktuator.Wann d'Draadtemperatur d'Austenit-Iwwergangstemperatur an der Heizungsstufe kräizt, fänkt d'modifizéiert Austenit-Iwwergangstemperatur erop ze klammen, an ähnlech, wann d'Draadstabtemperatur d'martensitesch Iwwergangstemperatur an der Ofkillungsstadium kräizt, fällt d'martensitesch Iwwergangstemperatur erof.SMA fir analytesch Modeller vum Aktuatiounsprozess.(Fir eng detailléiert Vue vun all Ënnersystem vun engem Simulink Modell, kuckt d'Appendix Sektioun vun der Zousazdatei.)
D'Resultater vun der Analyse fir verschidde Parameterverdeelunge gi fir zwee Zyklen vun der 7V Input Spannung gewisen (10 Sekonne Erwiermungszyklen a 15 Sekonnen Ofkillungszyklen).Wärend (ac) an (e) d'Verdeelung iwwer Zäit duerstellen, op der anerer Säit, (d) an (f) illustréieren d'Verdeelung mat der Temperatur.Fir déi jeeweileg Inputbedéngungen ass de maximal observéierte Stress 106 MPa (manner wéi 345 MPa, Drot Ausbezuelungsstäerkt), d'Kraaft ass 150 N, déi maximal Verschiebung ass 270 µm, an déi minimal martensitesch Volumenfraktioun ass 0,91.Op der anerer Säit sinn d'Verännerung vum Stress an d'Verännerung vun der Volumenfraktioun vum Martensit mat der Temperatur ähnlech wéi d'Hysteresischarakteristiken.
Déi selwecht Erklärung gëllt fir déi direkt Transformatioun (Ofkillung) vun der Austenitphase an der Martensitphase, wou d'SMA Drottemperatur (T) an d'Enntemperatur vun der Stressmodifizéierter Martensitphase (\(M_f^{\prime}\)) excellent ass.Op Fig.4d,f weist d'Verännerung vum induzéierte Stress (\(\sigma\)) an de Volumefraktioun vum Martensit (\(\xi\)) am SMA-Drot als Funktioun vun der Temperaturännerung vum SMA-Drot (T), fir béid Fuerzyklen.Op Fig.Figur 3a weist d'Ännerung vun der Temperatur vun der SMA Drot mat Zäit ofhängeg vun der Input Volt Impulsreferater.Wéi aus der Figur gesi ka ginn, geet d'Temperatur vum Drot weider erop, andeems d'Hëtztquell op Nullspannung a spéider konvektiv Ofkillung ubitt.Wärend der Heizung fänkt d'Retransformatioun vum Martensit an d'Austenitphase un, wann d'SMA Drottemperatur (T) d'Stresskorrigéiert Austenit-Kärntemperatur (\(A_s^{\prime}\) Kräizt).Wärend dëser Phase gëtt de SMA Drot kompriméiert an den Aktuator generéiert Kraaft.Och während der Ofkillung, wann d'Temperatur vum SMA-Drot (T) d'Nukleatiounstemperatur vun der Stressmodifizéierter Martensitphase (\(M_s ^ {\prime}\)) iwwerschreift, gëtt et e positiven Iwwergang vun der Austenitphase an d'Martensitphase.d'Drifkraaft reduzéiert.
D'Haaptqualitativ Aspekter vum bimodale Fuert baséiert op SMA kënnen aus de Simulatiounsresultater kritt ginn.Am Fall vun engem Volt Impulsreferater Input, erhéicht d'Temperatur vum SMA Drot wéinst dem Joule Heizungseffekt.Den initialen Wäert vun der Martensitvolumenfraktioun (\(\xi\)) ass op 1 gesat, well d'Material ufanks an enger voller martensitescher Phase ass.Wéi den Drot weider ze hëtzen, d'Temperatur vun der SMA Drot iwwerschratt der Stress-korrigéiert austenite nucleation Temperatur \ (A_s ^ {\ Prime} \), doraus zu enger Ofsenkung vun der martensite Volume Fraktioun, wéi an der Figur 4c gewisen.Zousätzlech, an der Fig.4e weist d'Verdeelung vun de Schlag vum Aktuator an der Zäit, an an der Fig.5 - dreiwend Kraaft als Funktioun vun der Zäit.En Zesummenhang System vun Equatioune ëmfaasst Temperatur, martensite Volume Fraktioun, a Stress, datt am Drot entwéckelt, doraus zu Schrumpf vun der SMA Drot an der Kraaft generéiert vun der actuator.Wéi an der Fig.4d,f, Spannungsvariatioun mat Temperatur an Martensit Volume Fraktioun Variatioun mat Temperatur entsprécht der Hysteresis Charakteristiken vun der SMA am simuléierte Fall bei 7 V.
Verglach vu Fahrparameter gouf duerch Experimenter an analytesch Berechnungen kritt.D'Drähte goufen 10 Sekonnen mat enger gepulster Input Spannung vu 7 V ënnerworf, duerno fir 15 Sekonnen (Kühlphase) iwwer zwee Zyklen ofgekillt.De pinnate Wénkel ass op \ (40 ^ {\ circ} \) gesat an d'initial Längt vum SMA Drot an all eenzel Pin Been ass op 83 mm gesat.(a) Miessung vun der dreiwend Kraaft mat enger Laaschtzelle (b) Iwwerwaachung vun Drottemperatur mat enger thermescher Infraroutkamera.
Fir den Afloss vu physikalesche Parameteren op d'Kraaft, déi vum Drive produzéiert gëtt, ze verstoen, gouf eng Analyse vun der Empfindlechkeet vum mathematesche Modell op déi gewielte physikalesch Parameteren duerchgefouert, an d'Parameteren goufen no hirem Afloss klasséiert.Als éischt gouf d'Probe vu Modellparameter mat experimentellen Designprinzipien gemaach, déi eng eenheetlech Verdeelung gefollegt hunn (kuckt Zousaz Sektioun iwwer Sensibilitéitsanalyse).An dësem Fall sinn d'Modellparameter Inputspannung (\(V_{in}\)), initial SMA-Draadlängt (\(l_0\)), Dräieckwénkel (\(\alpha\)), Bias Fréijoerskonstant (\(K_x\)), de konvektiven Wärmetransferkoeffizient (\(h_T\)) an d'Zuel vun unimodalen Filialen (n).Am nächste Schrëtt gouf d'Peakmuskelkraaft als Studiedesignfuerderung gewielt an d'parametresch Effekter vun all Set vu Variablen op Stäerkt goufen kritt.D'Tornado-Plots fir d'Sensibilitéitsanalyse goufen aus de Korrelatiounskoeffizienten fir all Parameter ofgeleet, wéi zu Lalumi 6a gewisen.
(a) D'Korrelatiounskoeffizient Wäerter vun de Modellparameter an hiren Effekt op déi maximal Ausgangskraaft vun 2500 eenzegaartege Gruppe vun den uewe genannte Modellparameter ginn am Tornadoplot gewisen.D'Grafik weist d'Rangekorrelatioun vu verschiddenen Indikatoren.Et ass kloer datt \(V_{in}\) deen eenzege Parameter mat enger positiver Korrelatioun ass, an \(l_0\) de Parameter mat der héchster negativer Korrelatioun.Den Effet vu verschiddene Parameteren a verschiddene Kombinatiounen op Peak Muskelkraaft gëtt an (b, c) gewisen.\ (L_x \) Gamme vun 400 bis 800 n / m mm, an de Schwanzwénkel (\ (\ (\ 32. Volt) verännert.
Op Fig.6a weist en Tornadoplot vu verschiddene Korrelatiounskoeffizienten fir all Parameter mat Peak-Drifkraaft-Design Ufuerderunge.Aus Fig.6a kann et gesi ginn datt de Spannungsparameter (\(V_{in}\)) direkt mat der maximaler Ausgangskraaft verbonnen ass, an de konvektiven Wärmetransferkoeffizient (\(h_T\)), Flamwinkel (\ (\alpha\)), Verdrängungsfrënnkonstant (\(K_x\)) ass negativ mat der Ausgangskraaft korreléiert (l_0 vun der Ausgangskraaft (l_0) an der initialer Längt vun der Ausgangskraaft (l_0) imo (l_0) n) weist eng staark invers Korrelatioun Am Fall vun direkter Korrelatioun Am Fall vun engem méi héije Wäert vun der Spannung Korrelatiounskoeffizient (\(V_ {in}\)) weist datt dëse Parameter de gréissten Effekt op d'Kraaftausgang huet.Eng aner ähnlech Analyse moosst d'Spëtzkraaft andeems d'Effekt vu verschiddene Parameteren a verschiddene Kombinatioune vun den zwee Rechenraim evaluéiert gëtt, wéi an der Fig. 6b, c.\(V_{in}\) an \(l_0\), \(\alpha\) an \(l_0\) hunn ähnlech Mustere, an d'Grafik weist datt \(V_{in}\) an \(\alpha\) an \(\alpha\) ähnlech Muster hunn.Méi kleng Wäerter vun \(l_0\) féieren zu méi héije Spëtzkräften.Déi aner zwee Diagrammer si konsequent mat der Figur 6a, wou n an \(K_x\) negativ korreléiert sinn an \(V_{in}\) positiv korreléiert sinn.Dës Analyse hëlleft den Aflossparameter ze definéieren an unzepassen, duerch déi d'Ausgangskraaft, Schlag an Effizienz vum Drive System un d'Ufuerderungen an d'Applikatioun adaptéiert kënne ginn.
Aktuell Fuerschungsaarbecht stellt hierarchesch Drive mat N Niveauen vir an ënnersicht.An engem zwee-Niveau Hierarchie, wéi am Lalumi 7a gewisen, wou amplaz vun all SMA Drot vun der éischter Niveau actuator, eng bimodal Unuerdnung erreecht, wéi am Fig.9 e vun.Op Fig.7c weist, wéi d'SMA Drot ronderëm e bewegt Aarm (Hëllefsarm) opgerullt ass, deen nëmmen an der Längsrichtung beweegt.Wéi och ëmmer, de primäre beweegbare Aarm beweegt sech weider op déiselwecht Manéier wéi de bewegbare Aarm vum 1. Stuf Multi-Stage Aktuator.Typesch gëtt en N-Etapp Drive erstallt andeems de \(N-1\) Etapp SMA Drot mat engem éischte Stuf Drive ersat gëtt.Als Resultat imitéiert all Branche déi éischt Stuf Drive, mat Ausnam vun der Branche, déi den Drot selwer hält.Op dës Manéier kënnen nestéiert Strukture geformt ginn, déi Kräfte kreéieren déi e puer Mol méi grouss sinn wéi d'Kräfte vun de primäre Drive.An dëser Etude, fir all Niveau, eng total effikass SMA Drot Längt vun 1 m Rechnung gedroe, wéi am Table Format an Lalumi 7d gewisen.De Stroum duerch all Drot an all unimodal Design an déi doraus resultéierend prestress an Volt an all SMA Drot Segment sinn déi selwecht op all Niveau.No eisem analytesche Modell ass d'Ausgabkraaft positiv mam Niveau korreléiert, während d'Verschiebung negativ korreléiert ass.Zur selwechter Zäit gouf et en Ofwiesselung tëscht Verrécklung a Muskelkraaft.Wéi an der Fig.7b, wärend déi maximal Kraaft an der gréisst Zuel vu Schichten erreecht gëtt, gëtt déi gréisste Verrécklung an der ënneschter Schicht observéiert.Wann den Hierarchieniveau op \(N=5\) gesat gouf, gouf eng Peak Muskelkraaft vun 2,58 kN mat 2 observéierte Schlag \(\upmu\)m fonnt.Op der anerer Säit generéiert déi éischt Stuf Drive eng Kraaft vun 150 N bei engem Schlag vun 277 \(\upmu\)m.Multi-Level Aktuatoren si fäeg real biologesch Muskelen ze mimikéieren, wou kënschtlech Muskelen op Basis vun Form Memory Legierungen fäeg sinn wesentlech méi héich Kräfte mat präzisen a méi feine Bewegungen ze generéieren.D'Aschränkungen vun dësem miniaturiséierte Design sinn datt wann d'Hierarchie eropgeet, d'Bewegung staark reduzéiert gëtt an d'Komplexitéit vum Drive Fabrikatiounsprozess eropgeet.
(a) A zwee-Etapp (\(N = 2\)) Layer Form Erënnerung durchgang linear actuator System gëtt an enger bimodal Configuratioun gewisen.De proposéierte Modell gëtt erreecht andeems de SMA Drot an der éischter Stuf Layeraktuator mat engem aneren Eenstap Layer Actuator ersetzt.(c) Deforméiert Konfiguratioun vun der zweeter Stuf Multilayer Aktuator.(b) D'Verdeelung vu Kräften a Verschiebungen ofhängeg vun der Unzuel vun den Niveauen gëtt beschriwwen.Et gouf fonnt datt d'Spëtzkraaft vum Aktuator positiv mam Skalaniveau op der Grafik korreléiert ass, während de Schlag negativ mam Skalaniveau korreléiert ass.De Stroum a Pre-Spannung an all Drot bleiwen konstant op all Niveau.(d) Den Dësch weist d'Zuel vun Krunn an der Längt vun der SMA Drot (Faser) op all Niveau.D'Charakteristike vun den Drot ginn duerch Index 1 uginn, an d'Zuel vun de sekundäre Branchen (eent verbonne mat dem primäre Been) gëtt mat der gréisst Zuel am Abonnement uginn.Zum Beispill, um Niveau 5, bezitt \(n_1\) d'Zuel vun SMA Dréit ofgepëtzt an all bimodal Struktur, an \(n_5\) bezitt sech op d'Zuel vun Hëllef Been (eent un der Haaptrei Been verbonnen).
Verschidde Methoden goufen vu ville Fuerscher proposéiert fir d'Behuele vun SMAs mat Form Memory ze modelléieren, déi ofhängeg vun den thermomechaneschen Eegeschaften déi makroskopesch Verännerungen an der Kristallstruktur begleeden, déi mam Phaseniwwergang verbonne sinn.D'Formuléierung vu konstitutiven Methoden ass natierlech komplex.De meescht benotzte phänomenologesche Modell gëtt vum Tanaka28 proposéiert a gëtt vill an Ingenieursapplikatiounen benotzt.De phänomenologesche Modell proposéiert vum Tanaka [28] gëtt ugeholl datt de Volumenfraktioun vum Martensit eng exponentiell Funktioun vun Temperatur a Stress ass.Spéider hu Liang a Rogers29 a Brinson30 e Modell virgeschloen, an deem d'Phaseniwwergangsdynamik ugeholl gouf als Kosinusfunktioun vu Spannung an Temperatur, mat liichte Modifikatioune vum Modell.Becker a Brinson proposéiert e Phasediagramm baséiert kinetesche Modell fir d'Behuele vun SMA Materialien ënner arbiträr Belaaschtungsbedéngungen wéi och deelweis Iwwergäng ze modelléieren.Banerjee32 benotzt d'Bekker a Brinson31 Phase Diagramm Dynamik Method fir en eenzege Fräiheetsmanipulator ze simuléieren entwéckelt vun Elahinia an Ahmadian33.Kinetesch Methoden baséiert op Phasediagrammer, déi d'netmonotone Verännerung vun der Spannung mat der Temperatur berücksichtegen, si schwéier an Ingenieursapplikatiounen ëmzesetzen.D'Elakhinia an den Ahmadian zéien op dës Mängel vun existente phänomenologesche Modeller opmierksam a proposéieren en erweiderten phänomenologesche Modell fir d'Form Memory Verhalen ënner all komplexe Luedebedéngungen ze analyséieren an ze definéieren.
D'strukturell Modell vun SMA Drot gëtt Stress (\ (\ sigma \)), Belaaschtung (\ (\ epsilon \)), Temperatur (T), an martensite Volume Fraktioun (\ (\ xi \)) vun SMA Drot.De phänomenologesche konstitutive Modell gouf fir d'éischt vum Tanaka28 proposéiert a spéider vum Liang29 a Brinson30 ugeholl.D'Derivat vun der Equatioun huet d'Form:
wou E ass de Phase-ofhängeg SMA Young d'Modul kritt mat \(\displaystyle E =\xi E_M + (1-\xi)E_A\) an \(E_A\) an \(E_M\) representéiert Young d'Modul sinn austenitic an martensitic Phasen, respektiv, an de Koeffizient vun thermesch Expansioun vertrueden duerch \_T\.D'Phase Iwwergank Bäitrag Faktor ass \ (\ Omega = -E \ epsilon _L \) an \ (\ epsilon _L \) ass déi maximal recuperéieren Belaaschtung am SMA Drot.
D'Phasdynamikgleichung entsprécht der Kosinusfunktioun entwéckelt vum Liang29 a spéider vum Brinson30 adoptéiert amplaz vun der exponentieller Funktioun proposéiert vum Tanaka28.De Phaseniwwergangsmodell ass eng Ausdehnung vum Modell proposéiert vun Elakhinia an Ahmadian34 a geännert baséiert op de Phaseniwwergangsbedéngungen, déi vum Liang29 a Brinson30 ginn.D'Konditioune, déi fir dëse Phasetransitiounsmodell benotzt ginn, gëllen ënner komplexe thermomechanesche Lasten.Zu all Moment vun der Zäit gëtt de Wäert vun der Volumenfraktioun vum Martensit berechent wann Dir déi konstitutiv Equatioun modelléiert.
Déi regéierend Retransformationsgleichung, ausgedréckt duerch d'Transformatioun vu Martensit an Austenit ënner Heizungsbedéngungen, ass wéi follegt:
wou \(\xi\) d'Volumenfraktioun vum Martensit ass, \(\xi _M\) de Volumenfraktioun vum Martensit ass, deen virun der Erwiermung kritt gëtt, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ (\displaystyle b_A = -a_A/C_A\) an \(C_A\) -Temperaturkurve Approximatioun, \_(A) \_(A) – Ufank an Enn vun der Austenitphase, respektiv Temperatur.
Déi direkt Transformatiounskontrollequatioun, representéiert duerch d'Phasentransformatioun vun Austenit op Martensit ënner Ofkillungsbedéngungen, ass:
wou \(\xi _A\) d'Volumenfraktioun vum Martensit ass, deen virum Ofkillung kritt gëtt, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) an \ (C_M \) – Curvefitting Parameteren, T – SMA Drottemperatur, \(M_s\) respektiv, \(M_s\) Endtemperatur, \(M_s\)
Nodeems d'Equatioune (3) an (4) differenzéiert sinn, ginn déi invers an direkt Transformatiounsgleichungen op déi folgend Form vereinfacht:
Wärend der Vir- a Récktransformatioun huelen \(\eta _{\sigma}\) an \(\eta _{T}\) verschidde Wäerter.D'Basis Equatioune verbonne mat \(\eta _{\sigma}\) an \(\eta _{T}\) goufen ofgeleet an am Detail an engem zousätzleche Sektioun diskutéiert.
Déi thermesch Energie déi néideg ass fir d'Temperatur vum SMA Drot z'erhéijen kënnt aus dem Joule Heizungseffekt.D'thermesch Energie absorbéiert oder fräigelooss vum SMA Drot gëtt duerch d'latent Hëtzt vun der Transformatioun duergestallt.Den Wärmeverloscht am SMA Drot ass wéinst der gezwongener Konvektioun, a mat dem vernoléissegen Effekt vun der Stralung, ass d'Hëtztenergie Gläichgewiicht wéi follegt:
Wou \(m_{Drot}\) d'Gesamtmass vum SMA Drot ass, \(c_{p}\) déi spezifesch Wärmekapazitéit vum SMA ass, \(V_{in}\) ass d'Spannung, déi op den Drot applizéiert gëtt, \(R_{ohm} \) - Phase-ofhängeg Resistenz SMA, definéiert als;\(R_{ohm} = (l/A_{Kräiz})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) wou \(r_M\) an \(r_A\) d'SMA Phase Resistivitéit am Martensit an Austenit sinn, respektiv, \(A_{c}\) ass d'Uewerfläch vum Drot a vum SMA.D'latente Hëtzt vum Iwwergank vum Drot, T an \(T_{\ infty}\) sinn d'Temperaturen vum SMA Drot an d'Ëmwelt, respektiv.
Wann e Form Memory Legierung Drot ageschalt ass, kompriméiert den Drot, schaaft eng Kraaft an all Branche vum bimodale Design genannt Faserkraaft.D'Kräfte vun de Faseren an all Strang vum SMA Drot kreéiert zesummen d'Muskelkraaft fir ze aktivéieren, wéi an der Figur 9e gewisen.Wéinst der Präsenz vun engem biasende Fréijoer ass déi total Muskelkraaft vum Nth Multilayer Aktuator:
Ersetzen \(N = 1\) an Equatioun (7), kann d'Muskelkraaft vum éischte Stuf bimodalen Drive Prototyp wéi follegt kritt ginn:
wou n d'Zuel vun unimodalen Been ass, \(F_m\) ass d'Muskelkraaft, déi vum Drive generéiert gëtt, \ (F_f\) ass d'Faserstäerkt am SMA Drot, \(K_x\) ass d'Bassteifheet.Fréijoer, \(\alpha\) ass de Wénkel vum Dräieck, \(x_0\) ass den initialen Offset vum Bias Fréijoer fir de SMA Kabel an der virgespannter Positioun ze halen, an \(\Delta x\) ass den Aktuatorrees.
D'total Verschiebung oder Bewegung vum Fuert (\(\Delta x\)) ofhängeg vun der Spannung (\(\sigma\)) a Belaaschtung (\(\epsilon\)) um SMA-Draad vun der Nth Stuf, gëtt de Drive op (kuckt Fig. zousätzlechen Deel vun der Ausgab):
D'kinematesch Equatioune ginn d'Relatioun tëscht Fuerverformung (\(\epsilon\)) an Verschiebung oder Verschiebung (\(\Delta x\)).D'Deformatioun vum Arb Drot als Funktioun vun der initialer Arb Drotlängt (\(l_0\)) an der Drotlängt (l) zu all Moment t an enger unimodaler Branche ass wéi follegt:
wou \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) kritt gëtt andeems d'Cosinusformel an \(\Delta\)ABB ' ugewannt gëtt, wéi an der Figur 8 gewisen. an \(\alpha _1\) ass \(\alpha \) wéi an der Figur 8 gewisen, andeems d'Zäit vun der Equatioun (11) differenzéiert an de Wäert vun l ersetzt, kann d'Belaaschtungsrate geschriwwe ginn:
wou \(l_0\) d'initial Längt vum SMA Drot ass, l ass d'Längt vum Drot zu all Moment t an enger unimodaler Branche, \(\epsilon\) ass d'Verformung, déi am SMA Drot entwéckelt gëtt, an \(\alpha \) ass de Wénkel vum Dräieck, \(\Delta x\) ass den Drive Offset (wéi an der Figur gewisen).
All n Single-Peak-Strukturen (\(n=6\) an dëser Figur) sinn a Serie mat \(V_{in}\) als Inputspannung verbonnen.Etapp I: Schematesch Diagramm vum SMA Drot an enger bimodaler Konfiguratioun ënner Nullspannungsbedéngungen.
Als Beweis vum Konzept gouf en SMA-baséiert bimodal Drive entwéckelt fir d'simuléiert Ofdreiwung vun den ënnerierdesche Equatioune mat experimentellen Resultater ze testen.Den CAD Modell vum bimodale linearem Aktuator gëtt an der Fig.9a vun.Op der anerer Säit, an der Fig.9c weist en neien Design proposéiert fir eng rotativ prismatic Verbindung engem zwee-Plaze SMA-baséiert actuator mat enger bimodal Struktur benotzt.D'Drive Komponente goufe mat additiv Fabrikatioun op engem Ultimaker 3 Extended 3D Drécker fabrizéiert.D'Material fir 3D Dréckerei vun Komponente benotzt ass Polycarbonat dat ass gëeegent fir Hëtzt resistent géint Material wéi et staark ass, haltbar an huet eng héich Glas Iwwergangstemperatur (110-113 \(^{\circ }\) C).Zousätzlech, war Dynalloy, Inc.Multiple SMA Dréit ofgepëtzt sinn als Faseren präsent an engem bimodal Unuerdnung vun Muskelen arrangéiert déi héich Kräften vun multilayer actuators produzéiert ze kréien, wéi am Lalumi 9b gewisen, d.
Wéi an der Figur 9a gewisen, ass de spëtzen Wénkel vun der bewegt Aarm SMA Drot de Wénkel genannt (\ (\ alpha \)).Mat Terminal Klameren op déi lénks a riets Klamere befestegt, gëtt de SMA Drot am gewënschten bimodale Wénkel ofgehalen.De Bias Fréijoersapparat, deen um Fréijoersstecker ofgehale gëtt, ass entwéckelt fir déi verschidde Bias Fréijoer Extensiounsgruppen unzepassen no der Zuel (n) vun SMA Faseren.Zousätzlech ass d'Plaz vun de bewegt Deeler sou entworf datt de SMA Drot dem externen Ëmfeld fir forcéiert Konvektiounskillung ausgesat ass.Déi iewescht an ënnen Placke vun der eraushuelbarer Assemblée hëllefen den SMA Drot cool ze halen mat extrudéierten Ausschnëtter entworf fir Gewiicht ze reduzéieren.Zousätzlech si béid Enden vum CMA Drot op déi lénks a riets Klemm fixéiert, respektiv, mat Hëllef vun enger Crimp.E Plunger ass un engem Enn vun der bewegbarer Versammlung befestegt fir d'Späicherung tëscht den ieweschte an ënnen Placke z'erhalen.De Plunger gëtt och benotzt fir eng Spärkraaft op de Sensor iwwer e Kontakt z'applizéieren fir d'Blockkraaft ze moossen wann de SMA Drot ageschalt ass.
D'bimodal Muskel Struktur SMA ass elektresch an Serie ugeschloss an ugedriwwen duerch eng Input Pulsatiounsperiod Volt.Wärend dem Spannungsimpulszyklus, wann d'Spannung ugewannt gëtt an de SMA-Draad iwwer d'initial Temperatur vum Austenit erhëtzt gëtt, gëtt d'Längt vum Drot an all Strang verkierzt.Dës Réckzuch aktivéiert d'beweegbar Aarm Ënnerversammlung.Wann d'Spannung am selwechten Zyklus nulléiert gouf, gouf den erhëtzten SMA-Drot ënnert der Temperatur vun der Martensit-Uewerfläch ofgekillt, an domat zréck an hir ursprénglech Positioun.Ënner Nullstressbedéngungen gëtt de SMA Drot fir d'éischt passiv duerch e Bias Fréijoer gestreckt fir den entwinnten martensiteschen Zoustand z'erreechen.D'Schraube, duerch déi de SMA-Draad passéiert, bewegt sech duerch d'Kompressioun, déi duerch e Spannungsimpuls op den SMA-Draad applizéiert gëtt (SPA erreecht d'Austenitphase), wat zu der Aktuatioun vum bewegbare Hiewel féiert.Wann de SMA Drot zréckgezunn ass, schaaft d'Bas Fréijoer eng Géigekraaft andeems d'Fréijoer weider streckt.Wann de Stress an der Impulsspannung null gëtt, verlängert de SMA-Drot a verännert seng Form wéinst gezwongener Konvektiounskühlung, an erreecht eng duebel martensitesch Phase.
Déi proposéiert SMA-baséiert linear actuator System huet eng bimodal Configuratioun an deem d'SMA Drot Wénkel gekäppt.(a) weist e CAD Modell vum Prototyp, deen e puer vun de Komponenten an hir Bedeitunge fir de Prototyp ernimmt, (b, d) representéieren den entwéckelt experimentellen Prototyp35.Iwwerdeems (b) weist eng Top Vue vum Prototyp mat elektresche Verbindungen a Bias Quellen an spannen gauges benotzt, (d) weist eng Perspektiv Vue vun der Opstellung.(e) Diagramm vun engem linear Aktuatiounssystem mat SMA Dréit ofgepëtzt bimodally zu all Moment t, weist d'Richtung an Course vun der Léngen an Muskel Kraaft.(c) Eng 2-DOF Rotatiounsprismatesch Verbindung gouf proposéiert fir eng zwee-Fliger SMA-baséiert Aktuator z'installéieren.Wéi gewisen, iwwerdréit de Link linear Bewegung vun der ënneschter Fuert op den Uewerarm, a schafft eng Rotatiounsverbindung.Op der anerer Säit ass d'Bewegung vum Pair vu Prismen d'selwecht wéi d'Bewegung vum Multilayer Éischt Stuf Drive.
Eng experimentell Studie gouf op de Prototyp, deen an der Fig.Wéi an der Figur 10a gewisen, bestoung den experimentellen Setup aus enger programméierbarer DC Stroumversuergung fir d'Input Spannung un d'SMA Drot ze liwweren.Wéi an der Fig.10b, e piezoelektresche Belaaschtungsmeter (PACEline CFT/5kN) gouf benotzt fir d'Blockkraaft mat engem Graphtec GL-2000 Datelogger ze moossen.D'Donnéeë ginn vum Host opgeholl fir weider Studie.Strain gauges a charge amplifiers erfuerderen eng konstant Energieversuergung fir e Spannungssignal ze produzéieren.Déi entspriechend Signaler ginn an d'Kraaftausgaben ëmgewandelt no der Empfindlechkeet vum piezoelektresche Kraaftsensor an aner Parameteren wéi an der Tabell beschriwwen 2. Wann e Spannungsimpuls ugewannt gëtt, erhéicht d'Temperatur vum SMA-Drot, wat d'SMA-Drot kompriméiert, wat d'Actuator verursaacht fir Kraaft ze generéieren.D'experimentell Resultater vum Ausgang vun der Muskelkraaft duerch en Input Spannungsimpuls vu 7 V ginn an der Fig.2a.
(a) En SMA-baséiert linear Aktuatorsystem gouf am Experiment opgestallt fir d'Kraaft ze moossen, déi vum Aktuator generéiert gëtt.D'Laaschtzelle moosst d'Blockkraaft a gëtt vun enger 24 V DC Stroumversuergung ugedriwwen.E 7 V Spannungsfall gouf iwwer d'ganz Längt vum Kabel applizéiert mat enger GW Instek programmierbarer DC Energieversuergung.De SMA Drot schrumpft wéinst Hëtzt, an de bewegbare Aarm kontaktéiert d'Laaschtzell an übt eng Spärkraaft aus.D'Laaschtzelle ass mam GL-2000 Datelogger verbonnen an d'Donnéeën ginn am Host gespäichert fir weider Veraarbechtung.(b) Diagramm weist d'Kette vu Komponenten vum experimentellen Setup fir d'Muskelkraaft ze moossen.
Form Memory Legierungen ginn duerch thermesch Energie opgereegt, sou datt d'Temperatur e wichtege Parameter gëtt fir de Form Memory Phänomen ze studéieren.Experimentell, wéi am Lalumi 11a gewisen, goufen thermesch Imaging an Temperatur Miessunge op engem Prototyp SMA-baséiert divalerate actuator gesuergt.Eng programméierbar DC Quell applizéiert Input Spannung op d'SMA Dréit ofgepëtzt an der experimentell Opstellung, wéi an der Figur 11b gewisen.D'Temperaturännerung vum SMA Drot gouf an Echtzäit mat enger héijer Opléisung LWIR Kamera (FLIR A655sc) gemooss.Den Host benotzt d'ResearchIR Software fir Daten opzehuelen fir weider Postveraarbechtung.Wann e Spannungsimpuls ugewannt gëtt, erhéicht d'Temperatur vum SMA Drot, wat d'SMA Drot schrumpft.Op Fig.Figur 2b weist d'experimentell Resultater vun der SMA Drot Temperatur versus Zäit fir eng 7V Input Volt Impulsreferater.