Dėkojame, kad apsilankėte Nature.com. Jūsų naudojama naršyklės versija turi ribotą CSS palaikymą. Kad galėtumėte naudotis visomis įmanomomis funkcijomis, rekomenduojame naudoti atnaujintą naršyklę (arba išjungti suderinamumo režimą „Internet Explorer“). Tuo tarpu, siekdami užtikrinti nuolatinį palaikymą, svetainę pateiksime be stilių ir „JavaScript“.
Pavaros naudojamos visur ir sukuria valdomą judesį, pritaikydamos tinkamą sužadinimo jėgą arba sukimo momentą įvairioms gamybos ir pramoninės automatikos operacijoms atlikti. Greitesnių, mažesnių ir efektyvesnių pavarų poreikis skatina pavarų projektavimo inovacijas. Formos atminties lydinio (SMA) pavaros turi daug pranašumų, palyginti su įprastomis pavaromis, įskaitant didelį galios ir svorio santykį. Šioje disertacijoje buvo sukurtas dviejų plunksninių SMA pagrindu pagamintas pavaros mechanizmas, kuris sujungia biologinių sistemų plunksninių raumenų privalumus ir unikalias SMA savybes. Šiame tyrime nagrinėjamos ir išplečiamos ankstesnės SMA pavaros, sukuriant naujos pavaros matematinį modelį, pagrįstą bimodaline SMA laidų išdėstymu, ir jį eksperimentiškai išbandant. Palyginti su žinomomis SMA pagrindu sukurtomis pavaromis, naujos pavaros pavaros jėga yra bent 5 kartus didesnė (iki 150 N). Atitinkamas svorio sumažėjimas yra apie 67 %. Matematinių modelių jautrumo analizės rezultatai yra naudingi projektavimo parametrų derinimui ir pagrindinių parametrų supratimui. Šiame tyrime taip pat pristatoma daugiapakopė N-tosios pakopos pavara, kurią galima naudoti dinamikai dar labiau pagerinti. SMA pagrindu sukurti dipvaleratiniai raumenų pavaros mechanizmai turi platų pritaikymo spektrą – nuo ​​pastatų automatizavimo iki tikslių vaistų tiekimo sistemų.
Biologinės sistemos, tokios kaip žinduolių raumenų struktūros, gali aktyvuoti daug subtilių pavarų1. Žinduoliai turi skirtingas raumenų struktūras, kurių kiekviena atlieka specifinę paskirtį. Tačiau didžiąją dalį žinduolių raumenų audinio struktūros galima suskirstyti į dvi plačias kategorijas. Lygiagretųjį ir pentatinį. Pakinklio ir kitų lenkiamųjų raumenų lygiagretusis raumenynas turi raumenų skaidulas, lygiagrečias centrinei sausgyslei. Raumenų skaidulų grandinė yra išrikiuota ir funkciškai sujungta jas supančiu jungiamuoju audiniu. Nors sakoma, kad šie raumenys turi didelę ekskursiją (procentinį sutrumpėjimą), jų bendra raumenų jėga yra labai ribota. Priešingai, tricepsiniame blauzdos raumenyje2 (šoniniame blauzdos raumenyje (GL)3, viduriniame blauzdos raumenyje (GM)4 ir padiniame raume (SOL)) ir šlaunies tiesiamajame raume (keturgalviame raume)5,6 pentatinio raumens audinys yra kiekviename raumenyje7. Plunksninėje struktūroje dvipentinio raumens raumenų skaidulos yra abiejose centrinės sausgyslės pusėse įstrižais kampais (plunksniniai kampai). Žodis „pennate“ kilęs iš lotyniško žodžio „penna“, reiškiančio „plunksna“, ir, kaip parodyta 1 paveiksle, yra plunksnos formos. Pennate raumenų skaidulos yra trumpesnės ir kampuotos išilginės raumens ašies atžvilgiu. Dėl plunksninės struktūros bendras šių raumenų judrumas sumažėja, o tai lemia skersinį ir išilginį trumpėjimo procesą. Kita vertus, šių raumenų aktyvacija lemia didesnę bendrą raumenų jėgą dėl fiziologinio skerspjūvio ploto matavimo būdo. Todėl, esant tam tikram skerspjūvio plotui, pennate raumenys bus stipresni ir generuos didesnes jėgas nei raumenys su lygiagrečiomis skaidulomis. Atskirų skaidulų generuojamos jėgos sukuria raumenų jėgas makroskopiniu lygmeniu tame raumeniniame audinyje. Be to, jis pasižymi tokiomis unikaliomis savybėmis kaip greitas susitraukimas, apsauga nuo tempimo pažeidimų, amortizacija. Jis transformuoja skaidulų įvesties ir raumenų jėgos išeigos santykį, išnaudodamas unikalias skaidulų išsidėstymo, susijusio su raumenų veikimo linijomis, savybes ir geometrinį sudėtingumą.
Parodytos esamų SMA pagrindu veikiančių pavarų konstrukcijų scheminės diagramos, atsižvelgiant į bimodalinę raumenų architektūrą, pavyzdžiui, (a), vaizduojančios lytėjimo jėgos sąveiką, kai rankos formos įtaisas, valdomas SMA laidais, yra sumontuotas ant dviračio autonominio mobiliojo roboto9,10., (b) Robotinis orbitinis protezas su antagonistiškai išdėstytu SMA spyruokliniu orbitiniu protezu. Protezo padėtį kontroliuoja signalas iš akies raumens11, (c) SMA pavaros idealiai tinka naudoti po vandeniu dėl jų aukšto dažnio atsako ir mažo pralaidumo. Šioje konfigūracijoje SMA pavaros naudojamos bangų judėjimui sukurti imituojant žuvų judėjimą, (d) SMA pavaros naudojamos mikro vamzdžių tikrinimo robotui, kuris gali naudoti colio slieko judėjimo principą, valdomą SMA laidų judėjimu kanale 10, sukurti, (e) rodo susitraukimo raumenų skaidulų kryptį ir susitraukimo jėgos generavimą blauzdos raumens audinyje, (f) rodo SMA laidus, išdėstytus raumenų skaidulų pavidalu pentato raumenų struktūroje.
Dėl plataus pritaikymo spektro pavaros tapo svarbia mechaninių sistemų dalimi. Todėl mažesnių, greitesnių ir efektyvesnių pavarų poreikis tampa kritinis. Nepaisant jų privalumų, tradicinės pavaros pasirodė esančios brangios ir jų priežiūra užima daug laiko. Hidraulinės ir pneumatinės pavaros yra sudėtingos ir brangios, joms kyla problemų dėl tepimo ir komponentų gedimų. Reaguojant į paklausą, daugiausia dėmesio skiriama ekonomiškų, optimizuotų dydžių ir pažangių pavarų, pagrįstų išmaniosiomis medžiagomis, kūrimui. Nuolatiniai tyrimai yra skirti formos atminties lydinių (SMA) sluoksniuotoms pavaroms, siekiant patenkinti šį poreikį. Hierarchinės pavaros yra unikalios tuo, kad jos sujungia daugybę atskirų pavarų į geometriškai sudėtingas makro masto posistemes, kad užtikrintų didesnį ir išplėstą funkcionalumą. Šiuo atžvilgiu aukščiau aprašytas žmogaus raumenų audinys yra puikus daugiasluoksnis tokio daugiasluoksnio pavaros pavyzdys. Šiame tyrime aprašoma daugiapakopė SMA pavara su keliais atskirais pavaros elementais (SMA laidais), suderintais su bimodaliniuose raumenyse esančiomis skaidulų orientacijomis, o tai pagerina bendrą pavaros našumą.
Pagrindinis pavaros tikslas yra generuoti mechaninę galią, tokią kaip jėga ir poslinkis, konvertuojant elektros energiją. Formos atminties lydiniai yra „išmaniųjų“ medžiagų klasė, galinti atkurti savo formą aukštoje temperatūroje. Esant didelėms apkrovoms, SMA laido temperatūros padidėjimas lemia formos atsigavimą, todėl padidėja pavaros energijos tankis, palyginti su įvairiomis tiesiogiai sujungtomis išmaniosiomis medžiagomis. Tuo pačiu metu, veikiant mechaninėms apkrovoms, SMA tampa trapūs. Tam tikromis sąlygomis ciklinė apkrova gali sugerti ir išskirti mechaninę energiją, sukeldama grįžtamuosius histerezinius formos pokyčius. Šios unikalios savybės daro SMA idealiu jutikliams, vibracijos slopinimui ir ypač pavaroms12. Atsižvelgiant į tai, buvo atlikta daug tyrimų apie SMA pagrindu sukurtas pavaras. Reikėtų pažymėti, kad SMA pagrindu sukurtos pavaros yra skirtos slenkamajam ir sukamajam judesiui užtikrinti įvairiose srityse13,14,15. Nors buvo sukurta keletas sukamųjų pavarų, tyrėjus ypač domina linijinės pavaros. Šias linijines pavaras galima suskirstyti į tris pavarų tipus: vienmačius, poslinkio ir diferencialinius pavaras16. Iš pradžių hibridinės pavaros buvo kuriamos kartu su SMA ir kitomis įprastomis pavaromis. Vienas iš tokių SMA pagrindu sukurtos hibridinės linijinės pavaros pavyzdžių yra SMA laido naudojimas su nuolatinės srovės varikliu, siekiant užtikrinti maždaug 100 N išėjimo jėgą ir didelį poslinkį17.
Vienas pirmųjų pavarų, pagrįstų vien tik SMA, patobulinimų buvo SMA lygiagrečioji pavara. Naudojant kelis SMA laidus, SMA pagrįsta lygiagrečioji pavara sukurta taip, kad padidintų pavaros galią, visus SMA18 laidus sujungiant lygiagrečiai. Lygiagretus pavarų sujungimas ne tik reikalauja daugiau galios, bet ir riboja vieno laido išėjimo galią. Kitas SMA pagrindu veikiančių pavarų trūkumas yra ribota jų eiga. Siekiant išspręsti šią problemą, buvo sukurta SMA kabelio sija su nukreipta lanksčia sija, skirta padidinti poslinkį ir pasiekti tiesinį judėjimą, tačiau ji nesukūrė didesnių jėgų19. Minkštos, deformuojamos konstrukcijos ir audiniai robotams, pagrįsti formos atminties lydiniais, buvo sukurti pirmiausia smūgio stiprinimui20,21,22. Taikomoms reikmėms, kur reikalingas didelis greitis, buvo pranešta apie kompaktiškus varomus siurblius, kuriuose naudojamos plonasluoksnės SMA mikrosiurblių varomose programose23. Plonasluoksnės SMA membranos pavaros dažnis yra pagrindinis veiksnys, kontroliuojantis pavaros greitį. Todėl SMA linijiniai varikliai turi geresnį dinaminį atsaką nei SMA spyruokliniai arba strypiniai varikliai. Minkšta robotika ir sugriebimo technologijos yra dar dvi taikymo sritys, kuriose naudojamos SMA pagrindu veikiančios pavaros. Pavyzdžiui, norint pakeisti standartinį pavaros mechanizmą, naudojamą 25 N erdviniame spaustuve, buvo sukurtas formos atminties lydinio lygiagretus pavaros mechanizmas 24. Kitu atveju, remiantis viela su įterpta matrica, galinčia sukurti maksimalią 30 N traukos jėgą, buvo pagamintas minkštas SMA pavaros mechanizmas. Dėl savo mechaninių savybių SMA taip pat naudojami pavaros mechanizmams, kurie imituoja biologinius reiškinius, gaminti. Vienas iš tokių patobulinimų apima 12 ląstelių robotą, kuris yra sliekų tipo organizmo biomimetikas su SMA, kad generuotų sinusoidinį judesį ugniai 26,27.
Kaip minėta anksčiau, esamų SMA pagrindu veikiančių pavarų maksimali jėga yra ribota. Siekiant išspręsti šią problemą, šiame tyrime pristatoma biomimetinė bimodalinė raumenų struktūra. Varoma formos atminties lydinio viela. Pateikiama klasifikavimo sistema, apimanti kelias formos atminties lydinio vielas. Iki šiol literatūroje nebuvo aprašyta jokių panašios architektūros SMA pagrindu veikiančių pavarų. Ši unikali ir nauja SMA pagrindu veikianti sistema buvo sukurta siekiant ištirti SMA elgseną bimodalinio raumens lygiavimo metu. Palyginti su esamomis SMA pagrindu veikiančiomis pavaromis, šio tyrimo tikslas buvo sukurti biomimetinę dipvaleratinę pavarą, kuri generuotų žymiai didesnes jėgas mažame tūryje. Palyginti su įprastomis žingsninių variklių varomomis pavaromis, naudojamomis ŠVOK pastatų automatizavimo ir valdymo sistemose, siūloma SMA pagrindu veikianti bimodalinė pavaros konstrukcija sumažina pavaros mechanizmo svorį 67 %. Toliau terminai „raumuo“ ir „pavara“ vartojami pakaitomis. Šiame tyrime nagrinėjamas tokios pavaros daugiafizinis modeliavimas. Tokių sistemų mechaninis elgesys buvo tiriamas eksperimentiniais ir analitiniais metodais. Jėgos ir temperatūros pasiskirstymas buvo toliau tiriamas esant 7 V įėjimo įtampai. Vėliau buvo atlikta parametrinė analizė, siekiant geriau suprasti pagrindinių parametrų ir išėjimo jėgos ryšį. Galiausiai buvo numatytos hierarchinės pavaros ir pasiūlyti hierarchinio lygio efektai kaip potenciali nemagnetinių pavarų, skirtų protezams, sritis ateityje. Remiantis minėtų tyrimų rezultatais, naudojant vienpakopę architektūrą, sukuriamos jėgos, kurios yra bent keturis–penkis kartus didesnės nei praneštos SMA pagrindu veikiančios pavaros. Be to, įrodyta, kad ta pati varomoji jėga, kurią sukuria daugiapakopė daugiapakopė pavara, yra daugiau nei dešimt kartų didesnė nei įprastų SMA pagrindu veikiančių pavarų. Tuomet tyrime pateikiami pagrindiniai parametrai, naudojant jautrumo analizę tarp skirtingų konstrukcijų ir įvesties kintamųjų. Pradinis SMA laido ilgis (\(l_0\)), plunksninis kampas (\(alpha\)) ir atskirų gijų skaičius (n) kiekvienoje atskiroje gijoje daro didelę neigiamą įtaką varomosios jėgos dydžiui, o įėjimo įtampa (energija) pasirodė esanti teigiamai koreliuojama.
SMA vielai būdingas formos atminties efektas (SME), būdingas nikelio-titano (Ni-Ti) lydinių šeimai. Paprastai SMA turi dvi nuo temperatūros priklausomas fazes: žemos temperatūros fazę ir aukštos temperatūros fazę. Abi fazės pasižymi unikaliomis savybėmis dėl skirtingų kristalinių struktūrų. Austenito fazėje (aukštos temperatūros fazėje), esančioje virš transformacijos temperatūros, medžiaga pasižymi dideliu stiprumu ir mažai deformuojasi veikiant apkrovoms. Lydinys elgiasi kaip nerūdijantis plienas, todėl gali atlaikyti didesnį įjungimo slėgį. Pasinaudojant šia Ni-Ti lydinių savybe, SMA vielos yra pakreiptos, kad sudarytų vykdiklį. Sukurti atitinkami analitiniai modeliai, siekiant suprasti pagrindinę SMA terminio elgesio mechaniką, veikiant įvairiems parametrams ir įvairioms geometrijoms. Gautas geras eksperimentinių ir analitinių rezultatų atitikimas.
Buvo atliktas eksperimentinis 9a pav. parodyto prototipo tyrimas, siekiant įvertinti bimodalinės pavaros, pagrįstos SMA, veikimą. Dvi iš šių savybių – pavaros sukuriama jėga (raumenų jėga) ir SMA laido temperatūra (SMA temperatūra) – buvo išmatuotos eksperimentiškai. Didėjant įtampos skirtumui per visą laido ilgį pavaroje, laido temperatūra didėja dėl Džaulio kaitinimo efekto. Įėjimo įtampa buvo taikoma dviem 10 s ciklais (2a ir b pav. pavaizduoti raudonais taškais), tarp kiekvieno ciklo darant 15 s aušinimo periodą. Blokavimo jėga buvo matuojama naudojant pjezoelektrinį deformacijos matuoklį, o SMA laido temperatūros pasiskirstymas buvo stebimas realiuoju laiku naudojant mokslinės klasės didelės skiriamosios gebos LWIR kamerą (žr. naudojamos įrangos charakteristikas 2 lentelėje). rodo, kad aukštos įtampos fazės metu laido temperatūra monotoniškai didėja, tačiau kai srovė neteka, laido temperatūra toliau krenta. Dabartinėje eksperimentinėje sąrankoje SMA laido temperatūra aušinimo fazės metu nukrito, tačiau ji vis dar buvo aukštesnė už aplinkos temperatūrą. 2e paveiksle parodyta SMA laido temperatūros momentinė nuotrauka, paimta iš LWIR kameros. Kita vertus, 2a paveiksle parodyta pavaros sistemos sukurta blokavimo jėga. Kai raumenų jėga viršija spyruoklės atstatomąją jėgą, judanti svirtis, kaip parodyta 9a paveiksle, pradeda judėti. Kai tik prasideda įjungimas, judanti svirtis liečiasi su jutikliu, sukurdama kūno jėgą, kaip parodyta 2c, d paveiksle. Kai maksimali temperatūra artima \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), maksimali stebima jėga yra 105 N.
Grafike pateikti eksperimentiniai SMA laido temperatūros ir SMA pagrindu sukurtos bimodalinės pavaros sukurtos jėgos rezultatai per du ciklus. Įėjimo įtampa tiekiama per du 10 sekundžių ciklus (parodyta raudonais taškais) su 15 sekundžių atvėsimo laikotarpiu tarp kiekvieno ciklo. Eksperimentams naudota SMA viela buvo 0,51 mm skersmens „Flexinol“ viela iš „Dynalloy, Inc.“. (a) Grafike parodyta eksperimentinė jėga, gauta per du ciklus, (c, d) pateikti du nepriklausomi judančių svirčių pavarų veikimo PACEline CFT/5kN pjezoelektriniame jėgos keitiklyje pavyzdžiai, (b) grafike parodyta maksimali viso SMA laido temperatūra per du ciklus, (e) parodyta temperatūros momentinė nuotrauka, paimta iš SMA laido naudojant FLIR ResearchIR programinės įrangos LWIR kamerą. Geometriniai parametrai, į kuriuos atsižvelgta atliekant eksperimentus, pateikti 1 lentelėje.
Matematinio modelio modeliavimo rezultatai ir eksperimentiniai rezultatai palyginami esant 7 V įėjimo įtampai, kaip parodyta 5 pav. Remiantis parametrinės analizės rezultatais ir siekiant išvengti SMA laido perkaitimo, pavarai buvo tiekiama 11,2 W galia. 7 V įėjimo įtampai tiekti buvo naudojamas programuojamas nuolatinės srovės maitinimo šaltinis, o per laidą buvo išmatuota 1,6 A srovė. Pavaros generuojama jėga ir SDR temperatūra didėja, kai tiekiama srovė. Esant 7 V įėjimo įtampai, maksimali išėjimo jėga, gauta pagal pirmojo ciklo modeliavimo ir eksperimentinius rezultatus, yra atitinkamai 78 N ir 96 N. Antrajame cikle maksimali išėjimo jėga, gauta pagal modeliavimo ir eksperimentinius rezultatus, buvo atitinkamai 150 N ir 105 N. Neatitikimas tarp užkimšimo jėgos matavimų ir eksperimentinių duomenų gali būti dėl užkimšimo jėgai matuoti naudojamo metodo. Eksperimentiniai rezultatai parodyti 5 pav. 5a paveiksle pavaizduotos vertės atitinka fiksavimo jėgos matavimą, kuris savo ruožtu buvo išmatuotas, kai varantysis velenas lietėsi su PACEline CFT/5kN pjezoelektriniu jėgos keitikliu, kaip parodyta 2s paveiksle. Todėl, kai varantysis velenas nesiliečia su jėgos jutikliu aušinimo zonos pradžioje, jėga iš karto tampa lygi nuliui, kaip parodyta 2d paveiksle. Be to, kiti parametrai, turintys įtakos jėgos susidarymui vėlesniuose cikluose, yra aušinimo laiko vertės ir konvekcinio šilumos perdavimo koeficientas ankstesniame cikle. Iš 2b paveikslo matyti, kad po 15 sekundžių aušinimo laikotarpio SMA viela nepasiekė kambario temperatūros, todėl antrajame pavaros cikle jos pradinė temperatūra buvo aukštesnė (\(40\,^{\circ}\hbox {C}\)), palyginti su pirmuoju ciklu (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Taigi, palyginti su pirmuoju ciklu, SMA vielos temperatūra antrojo kaitinimo ciklo metu pasiekia pradinę austenito temperatūrą (\(A_s\)) anksčiau ir ilgiau išlieka pereinamajame laikotarpyje, dėl ko atsiranda įtempis ir jėga. Kita vertus, temperatūros pasiskirstymas kaitinimo ir aušinimo ciklų metu, gautas iš eksperimentų ir modeliavimų, yra labai kokybiškai panašus į termografinės analizės pavyzdžius. Lyginamoji SMA vielos terminių duomenų iš eksperimentų ir modeliavimų analizė parodė nuoseklumą kaitinimo ir aušinimo ciklų metu ir neviršija leistinų eksperimentinių duomenų tolerancijų. Maksimali SMA vielos temperatūra, gauta iš pirmojo ciklo modeliavimo ir eksperimentų rezultatų, yra atitinkamai \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) ir \(75\,^{\circ }\hbox {C}\), o antrajame cikle maksimali SMA vielos temperatūra yra \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) ir \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Iš esmės sukurtas modelis patvirtina formos atminties efekto poveikį. Šioje apžvalgoje nebuvo atsižvelgta į nuovargio ir perkaitimo vaidmenį. Ateityje modelis bus patobulintas, įtraukiant SMA laido įtempių istoriją, kad jis būtų tinkamesnis inžinerinėms reikmėms. Iš „Simulink“ bloko gauti pavaros išėjimo jėgos ir SMA temperatūros grafikai neviršija leistinų eksperimentinių duomenų tolerancijų esant 7 V įėjimo įtampos impulsui. Tai patvirtina sukurto matematinio modelio teisingumą ir patikimumą.
Matematinis modelis buvo sukurtas „MathWorks Simulink R2020b“ aplinkoje, naudojant pagrindines lygtis, aprašytas skyriuje „Metodai“. 3b paveiksle parodyta „Simulink“ matematinio modelio blokinė schema. Modelis buvo imituojamas 7 V įėjimo įtampos impulsui, kaip parodyta 2a ir 2b paveiksluose. Modeliavime naudotų parametrų vertės pateiktos 1 lentelėje. Pereinamųjų procesų modeliavimo rezultatai pateikti 1 ir 1 paveiksluose. 3a ir 4 paveiksluose. 4a ir 4b paveiksle parodyta indukuota įtampa SMA laide ir pavaros generuojama jėga kaip laiko funkcija. Atvirkštinės transformacijos (kaitinimo) metu, kai SMA laido temperatūra yra \(T < A_s^{\prime}\) (įtempio modifikuotos austenito fazės pradžios temperatūra), martensito tūrio dalies (\(\dot{\xi}\)) kitimo greitis bus lygus nuliui. Atvirkštinės transformacijos (kaitinimo) metu, kai SMA laido temperatūra yra \(T < A_s^{\prime}\) (įtempio modifikuotos austenito fazės pradžios temperatūra), martensito tūrio dalies (\(\dot{\xi}\)) kitimo greitis bus lygus nuliui. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начанитзной, стафела ау, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Atvirkštinės transformacijos (kaitinimo) metu, kai SMA laido temperatūra yra \(T < A_s^{\prime}\) (įtempių modifikuota austenito pradžios temperatūra), martensito tūrio dalies (\(\dot{\xi}\)) kitimo greitis bus lygus nuliui.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{)\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 ауспорафатыйпопора на напряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Atvirkštinės transformacijos (kaitinimo) metu SMA laido temperatūroje \(T < A_s^{\prime}\) (austenito fazės susidarymo temperatūroje, pakoreguotoje pagal įtempį), martensito tūrio dalies (\( \dot{\xi}\)) pokyčio greitis bus lygus nuliui.Todėl įtempio pokyčio greitis (\(\dot{\sigma}\)) priklausys nuo deformacijos greičio (\(\dot{\epsilon}\)) ir temperatūros gradiento (\(\dot{T} \) ) tik naudojant (1) lygtį. Tačiau, SMA laido temperatūrai kylant ir kertant (\(A_s^{\prime}\)), pradeda formuotis austenito fazė, ir (\(\dot{\xi}\)) imama kaip duota (3) lygties reikšmė. Todėl įtampos pokyčio greitis (\(\dot{\sigma}\)) yra bendrai kontroliuojamas \(\dot{\epsilon}\), \dot{T}\) ir \(\dot{\xi}\) ir yra lygus nurodytam (1) formulėje. Tai paaiškina gradiento pokyčius, pastebėtus laike kintančiuose įtempių ir jėgų žemėlapiuose kaitinimo ciklo metu, kaip parodyta 4a, b paveiksluose.
(a) Modeliavimo rezultatas, rodantis temperatūros pasiskirstymą ir įtempių sukeltą jungties temperatūrą SMA pagrindu veikiančiame divaleratiniame pavaros mechanizme. Kai vielos temperatūra kaitinimo etape peržengia austenito virsmo temperatūrą, modifikuota austenito virsmo temperatūra pradeda didėti, ir panašiai, kai vielos strypo temperatūra aušinimo etape peržengia martensitinio virsmo temperatūrą, martensitinio virsmo temperatūra mažėja. SMA analitiniam pavaros proceso modeliavimui. (Išsamesnį kiekvienos „Simulink“ modelio posistemės vaizdą rasite papildomo failo priedų skyriuje.)
Pateikiami skirtingų parametrų pasiskirstymo analizės rezultatai dviem 7 V įėjimo įtampos ciklams (10 sekundžių įšilimo ciklai ir 15 sekundžių atvėsimo ciklai). (ac) ir (e) vaizduoja pasiskirstymą laikui bėgant, o (d) ir (f) iliustruoja pasiskirstymą pagal temperatūrą. Atitinkamomis įėjimo sąlygomis didžiausias stebimas įtempis yra 106 MPa (mažiau nei 345 MPa, vielos takumo riba), jėga yra 150 N, didžiausias poslinkis yra 270 µm, o mažiausia martensito tūrio dalis yra 0,91. Kita vertus, įtempio pokytis ir martensito tūrio dalies pokytis priklausomai nuo temperatūros yra panašūs į histerezės charakteristikas.
Tas pats paaiškinimas taikomas ir tiesioginei transformacijai (aušinimui) iš austenito fazės į martensito fazę, kur SMA vielos temperatūra (T) ir įtempio modifikuotos martensito fazės galutinė temperatūra (\(M_f^{\prime}\)) yra puikios. 4d ir f paveiksluose parodytas indukuoto įtempio (\(\sigma\)) ir martensito tūrio dalies (\(\xi\)) pokytis SMA vieloje kaip SMA laido temperatūros pokyčio (T) funkcija abiejų pavaros ciklų metu. 3a paveiksle parodytas SMA laido temperatūros pokytis laikui bėgant, priklausomai nuo įėjimo įtampos impulso. Kaip matyti iš paveikslo, laido temperatūra toliau didėja tiekiant šilumos šaltinį esant nulinei įtampai ir po to vykstant konvekciniam aušinimui. Kaitinimo metu martensito virtimas austenito faze prasideda, kai SMA vielos temperatūra (T) kerta įtempio pakoreguotą austenito branduolio susidarymo temperatūrą (\(A_s^{\prime}\)). Šios fazės metu SMA viela suspaudžiama, o pavara sukuria jėgą. Taip pat aušinimo metu, kai SMA vielos temperatūra (T) kerta įtempio modifikuotos martensito fazės branduolio susidarymo temperatūrą (\(M_s^{\prime}\)), vyksta teigiamas perėjimas iš austenito fazės į martensito fazę. Varomoji jėga mažėja.
Pagrindinius bimodalinės pavaros, pagrįstos SMA, kokybinius aspektus galima gauti iš modeliavimo rezultatų. Įtampos impulso įvesties atveju SMA laido temperatūra didėja dėl Džaulio kaitinimo efekto. Pradinė martensito tūrio dalies (\(\xi\)) vertė nustatoma į 1, nes medžiaga iš pradžių yra visiškai martensitinėje fazėje. Vielai toliau kaistant, SMA laido temperatūra viršija įtempių pakoreguotą austenito kristalizacijos temperatūrą \(A_s^{\prime}\), todėl martensito tūrio dalis sumažėja, kaip parodyta 4c paveiksle. Be to, 4e paveiksle parodytas pavaros eigų pasiskirstymas laike, o 5 paveiksle – varomoji jėga kaip laiko funkcija. Susijusi lygčių sistema apima temperatūrą, martensito tūrio dalį ir vieloje atsirandantį įtempį, dėl kurio SMA laidas susitraukia, ir pavaros sukuriamą jėgą. Kaip parodyta 4c paveiksle. 4d, f, įtampos kitimas priklausomai nuo temperatūros ir martensito tūrio dalies kitimas priklausomai nuo temperatūros atitinka SMA histerezės charakteristikas modeliuojamu atveju esant 7 V įtampai.
Varomosios jėgos parametrų palyginimas buvo atliktas atliekant eksperimentus ir analitinius skaičiavimus. Laidai 10 sekundžių buvo veikiami 7 V impulsine įėjimo įtampa, o po to 15 sekundžių aušinami (aušinimo fazė) per du ciklus. Plunksninis kampas nustatytas ties \(40^{\circ}\), o pradinis SMA laido ilgis kiekvienoje kontaktinėje kojelėje nustatytas ties 83 mm. (a) Varomosios jėgos matavimas naudojant dinamometrinį elementą (b) Laido temperatūros stebėjimas naudojant terminę infraraudonųjų spindulių kamerą.
Siekiant suprasti fizikinių parametrų įtaką pavaros sukuriamai jėgai, buvo atlikta matematinio modelio jautrumo pasirinktiems fizikiniams parametrams analizė, o parametrai buvo surūšiuoti pagal jų įtaką. Pirmiausia, modelio parametrų atranka buvo atlikta naudojant eksperimentinio projektavimo principus, kurie atitiko tolygų pasiskirstymą (žr. papildomą skyrių apie jautrumo analizę). Šiuo atveju modelio parametrai apima įėjimo įtampą (\(V_{in}\)), pradinį SMA laido ilgį (\(l_0\)), trikampio kampą (\(alpha\)), poslinkio spyruoklės konstantą (\(K_x\)), konvekcinio šilumos perdavimo koeficientą (\(h_T\)) ir unimodalių šakų skaičių (n). Kitame etape kaip tyrimo projektavimo reikalavimas buvo pasirinkta didžiausia raumenų jėga ir gauti kiekvieno kintamųjų rinkinio parametriniai poveikiai jėgai. Tornado grafikai jautrumo analizei buvo gauti iš kiekvieno parametro koreliacijos koeficientų, kaip parodyta 6a paveiksle.
(a) Modelio parametrų koreliacijos koeficientų vertės ir jų įtaka maksimaliai 2500 unikalių aukščiau pateiktų modelio parametrų grupių išėjimo jėgai parodytos tornado diagramoje. Grafike parodyta kelių rodiklių ranginė koreliacija. Akivaizdu, kad \(V_{in}\) yra vienintelis parametras su teigiama koreliacija, o \(l_0\) – parametras su didžiausia neigiama koreliacija. Įvairių parametrų, esančių įvairiais deriniais, įtaka didžiausiai raumenų jėgai parodyta (b, c). \(K_x\) svyruoja nuo 400 iki 800 N/m, o n svyruoja nuo 4 iki 24. Įtampa (\(V_{in}\)) pasikeitė nuo 4 V iki 10 V, laido ilgis (\(l_{0 } \)) pasikeitė nuo 40 iki 100 mm, o uodegos kampas (\(\alpha \)) kinta nuo \(20–60 \, ^ {\circ }\).
6a pav. parodyta tornado diagrama su įvairiais kiekvieno parametro koreliacijos koeficientais, atsižvelgiant į didžiausios pavaros jėgos projektavimo reikalavimus. Iš 6a pav. matyti, kad įtampos parametras (\(V_{in}\)) yra tiesiogiai susijęs su maksimalia išėjimo jėga, o konvekcinio šilumos perdavimo koeficientas (\(h_T\)), liepsnos kampas (\(α\)), poslinkio spyruoklės konstanta (\(K_x\)) yra neigiamai koreliuojami su išėjimo jėga ir pradiniu SMA laido ilgiu (\(l_0\)), o unimodalinių šakų skaičius (n) rodo stiprią atvirkštinę koreliaciją. Tiesioginės koreliacijos atveju, didesnės įtampos koreliacijos koeficiento (\(V_{in}\)) vertės atveju, šis parametras turi didžiausią poveikį išėjimo galiai. Kita panaši analizė matuoja maksimalią jėgą, įvertindama skirtingų parametrų poveikį skirtinguose dviejų skaičiavimo erdvių deriniuose, kaip parodyta 6b, c paveiksluose. \(V_{in}\) ir \(l_0\), \(\alpha\) ir \(l_0\) turi panašius modelius, o grafikas rodo, kad \(V_{in}\) ir \(\alpha\) bei \(\alpha\) turi panašius modelius. Mažesnės \(l_0\) vertės lemia didesnes maksimalias jėgas. Kiti du grafikai atitinka 6a paveikslą, kur n ir \(K_x\) yra neigiamai koreliuojami, o \(V_{in}\) – teigiamai. Ši analizė padeda apibrėžti ir koreguoti įtakos parametrus, pagal kuriuos pavaros sistemos išėjimo jėga, eiga ir efektyvumas gali būti pritaikyti prie reikalavimų ir taikymo.
Dabartiniuose tyrimuose pristatomos ir tiriamos hierarchinės pavaros su N lygių. Dviejų lygių hierarchijoje, kaip parodyta 7a paveiksle, vietoj kiekvieno pirmojo lygio pavaros SMA laido pasiekiamas bimodalinis išdėstymas, kaip parodyta 9e paveiksle. 7c paveiksle parodyta, kaip SMA laidas yra apvyniotas aplink judančią svirtį (pagalbinę svirtį), kuri juda tik išilgine kryptimi. Tačiau pagrindinė judanti svirtis toliau juda taip pat, kaip ir pirmosios pakopos daugiapakopės pavaros judanti svirtis. Paprastai N pakopų pavara sukuriama pakeičiant \(N-1\) pakopos SMA laidą pirmosios pakopos pavara. Dėl to kiekviena šaka imituoja pirmosios pakopos pavarą, išskyrus šaką, kurioje laikoma pati viela. Tokiu būdu galima suformuoti įdėtines struktūras, kurios sukuria jėgas, kurios yra kelis kartus didesnės nei pagrindinių pavarų jėgos. Šiame tyrime kiekvienam lygiui buvo atsižvelgta į bendrą efektyvų 1 m SMA laido ilgį, kaip parodyta lentelės formatu 7d paveiksle. Srovė per kiekvieną laidą kiekviename unimodaliniame dizaine ir gautas išankstinis įtempis bei įtampa kiekviename SMA laido segmente yra vienodi kiekviename lygyje. Pagal mūsų analitinį modelį, išėjimo jėga teigiamai koreliuoja su lygiu, o poslinkis – neigiamai. Tuo pačiu metu buvo kompromisas tarp poslinkio ir raumenų jėgos. Kaip matyti 7b paveiksle, nors maksimali jėga pasiekiama didžiausiame sluoksnių skaičiuje, didžiausias poslinkis stebimas žemiausiame sluoksnyje. Kai hierarchijos lygis buvo nustatytas į \(N=5\), esant 2 stebimiems \(\upmu\)m eigoms, nustatyta maksimali 2,58 kN raumenų jėga. Kita vertus, pirmojo etapo pavara generuoja 150 N jėgą esant 277 \(\upmu\)m eigai. Daugiapakopiai pavaros gali imituoti tikrus biologinius raumenis, o dirbtiniai raumenys, pagrįsti formos atminties lydiniais, gali generuoti žymiai didesnes jėgas tiksliais ir smulkesniais judesiais. Šios miniatiūrinės konstrukcijos apribojimai yra tie, kad didėjant hierarchijai, judėjimas labai sumažėja, o pavaros gamybos proceso sudėtingumas didėja.
(a) Pateikta dviejų pakopų (\(N=2\)) sluoksniuoto formos atminties lydinio linijinė pavarų sistema, veikianti bimodaliai. Siūlomas modelis pasiekiamas pakeičiant pirmojo etapo sluoksniuotos pavaros SMA laidą kitu vienpakopiu sluoksniuotu pavaros elementu. (c) Deformuota antrojo etapo daugiasluoksnės pavaros elemento konfigūracija. (b) Aprašomas jėgų ir poslinkių pasiskirstymas, priklausantis nuo lygių skaičiaus. Nustatyta, kad pavaros didžiausia jėga grafike teigiamai koreliuoja su skalės lygiu, o eiga – neigiamai koreliuoja su skalės lygiu. Kiekvieno laido srovė ir išankstinė įtampa visuose lygiuose išlieka pastovios. (d) Lentelėje parodytas atšakų skaičius ir SMA laido (šviesolaidžio) ilgis kiekviename lygyje. Laidų charakteristikos pažymėtos indeksu 1, o antrinių šakų (viena prijungta prie pagrindinės šakos) skaičius – didžiausiu skaičiumi apatiniame indekse. Pavyzdžiui, 5 lygyje \(n_1\) reiškia SMA laidų skaičių kiekvienoje bimodalinėje struktūroje, o \(n_5\) – pagalbinių kojų skaičių (viena prijungta prie pagrindinės kojos).
Daugelis tyrėjų pasiūlė įvairių metodų, skirtų modeliuoti SMA su formos atmintimi elgseną, kuri priklauso nuo termomechaninių savybių, lydinčių makroskopinius kristalinės struktūros pokyčius, susijusius su faziniu virsmu. Konstitucinių metodų formulavimas iš esmės yra sudėtingas. Dažniausiai naudojamą fenomenologinį modelį pasiūlė Tanaka28, ir jis plačiai naudojamas inžinerijos srityje. Tanaka [28] pasiūlytas fenomenologinis modelis daro prielaidą, kad martensito tūrio dalis yra eksponentinė temperatūros ir įtempio funkcija. Vėliau Liang ir Rogers29 bei Brinson30 pasiūlė modelį, kuriame fazinio virsmo dinamika buvo laikoma įtampos ir temperatūros kosinuso funkcija, su nedideliais modelio pakeitimais. Becker ir Brinson pasiūlė fazių diagrama pagrįstą kinetinį modelį, skirtą SMA medžiagų elgsenai modeliuoti esant savavališkoms apkrovos sąlygoms, taip pat daliniams perėjimams. Banerjee32 naudoja Bekkerio ir Brinson31 fazių diagramos dinamikos metodą, kad imituotų Elahinia ir Ahmadian33 sukurtą vieno laisvės laipsnio manipuliatorių. Kinetiniai metodai, pagrįsti fazių diagramomis, kurios atsižvelgia į nemonotoninį įtampos pokytį priklausomai nuo temperatūros, yra sunkiai įgyvendinami inžinerijos srityje. Elakhinia ir Ahmadian atkreipia dėmesį į šiuos esamų fenomenologinių modelių trūkumus ir siūlo išplėstinį fenomenologinį modelį, skirtą formos atminties elgsenai analizuoti ir apibrėžti bet kokiomis sudėtingomis apkrovos sąlygomis.
SMA vielos struktūrinis modelis pateikia SMA vielos įtempį (\(\sigma\)), deformaciją (\(\epsilon\)), temperatūrą (T) ir martensito tūrio dalį (\(\xi\)). Fenomenologinį konstitucinį modelį pirmą kartą pasiūlė Tanaka28, o vėliau jį pritaikė Liang29 ir Brinson30. Lygties išvestinė yra tokia:
kur E yra nuo fazės priklausomas SMA Youngo modulis, gautas naudojant \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\), o \(E_A\) ir \(E_M\), atitinkantys Youngo modulį, yra atitinkamai austenitinės ir martensitinės fazės, o šiluminio plėtimosi koeficientas išreiškiamas \(\theta _T\). Fazės virsmo indėlio koeficientas yra \(\Omega = -E \epsilon _L\), o \(\epsilon _L\) yra didžiausia atkuriama SMA vielos deformacija.
Fazės dinamikos lygtis sutampa su Liang29 sukurta ir vėliau Brinson30 pritaikyta kosinuso funkcija vietoj Tanaka28 pasiūlytos eksponentinės funkcijos. Fazinio virsmo modelis yra Elakhinia ir Ahmadian34 pasiūlyto modelio išplėtimas, modifikuotas remiantis Liang29 ir Brinson30 pateiktomis fazinio virsmo sąlygomis. Šiam fazinio virsmo modeliui naudojamos sąlygos galioja esant sudėtingoms termomechaninėms apkrovoms. Kiekvienu laiko momentu modeliuojant konstitucinę lygtį apskaičiuojama martensito tūrio dalies vertė.
Valdančioji retransformacijos lygtis, išreikšta martensito virsmas austenitu kaitinimo sąlygomis, yra tokia:
kur \(\xi\) yra martensito tūrio dalis, \(\xi _M\) yra martensito tūrio dalis, gauta prieš kaitinimą, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) ir \(C_A\) – kreivės aproksimacijos parametrai, T – SMA laido temperatūra, \(A_s\) ir \(A_f\) – atitinkamai austenito fazės pradžios ir pabaigos temperatūros.
Tiesioginės transformacijos valdymo lygtis, kurią vaizduoja austenito fazinė transformacija į martensitą aušinimo sąlygomis, yra:
kur \(\xi _A\) yra martensito tūrio dalis, gauta prieš aušinimą, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) ir \(C_M \) – kreivės pritaikymo parametrai, T – SMA laido temperatūra, \(M_s\) ir \(M_f\) – pradinė ir galutinė martensito temperatūros.
Diferencijuojus (3) ir (4) lygtis, atvirkštinė ir tiesioginė transformacijos lygtys supaprastinamos iki tokios formos:
Tiesioginės ir atgalinės transformacijos metu \(\eta _{\sigma}\) ir \(\eta _{T}\) įgauna skirtingas reikšmes. Pagrindinės lygtys, susijusios su \(\eta _{\sigma}\) ir \(\eta _{T}\), buvo išvestos ir išsamiai aptartos papildomame skyriuje.
Šiluminė energija, reikalinga SMA laido temperatūrai pakelti, gaunama dėl Džaulio kaitinimo efekto. SMA laido sugeriama arba išskiriama šiluminė energija yra atspindima latentine transformacijos šiluma. Šilumos nuostoliai SMA laide atsiranda dėl priverstinės konvekcijos, ir atsižvelgiant į nereikšmingą spinduliuotės poveikį, šilumos energijos balanso lygtis yra tokia:
Kur \(m_{wire}\) yra bendra SMA laido masė, \(c_{p}\) yra SMA savitoji šiluminė talpa, \(V_{in}\) yra laidui taikoma įtampa, \(R_{ohm} \) – fazės priklausoma SMA varža, apibrėžiama taip: \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\), kur \(r_M\) ir \(r_A\) yra SMA fazinė varža atitinkamai martensite ir austenite, \(A_{c}\) yra SMA laido paviršiaus plotas, \(DeltaH \) yra formą įsimenantis lydinys. Vielos latentinė virsmo šiluma, T ir \(T_{\infty}\) yra atitinkamai SMA laido ir aplinkos temperatūros.
Kai paveikiama formą atmintį turinčio lydinio viela, ji suspaudžiama, sukurdama jėgą kiekvienoje bimodalinio dizaino šakoje, vadinamą pluošto jėga. Kiekvienos SMA vielos gijos pluoštų jėgos kartu sukuria raumenų jėgą, reikalingą paveikimui, kaip parodyta 9e pav. Dėl spaudžiamosios spyruoklės buvimo bendra N-ojo daugiasluoksnio pavaros raumenų jėga yra:
Į (7) lygtį įstačius \(N = 1\), pirmojo etapo bimodalinio pavaros prototipo raumenų jėgą galima gauti taip:
kur n yra unimodalinių kojų skaičius, \(F_m\) yra pavaros sukuriama raumenų jėga, \​​(F_f\) yra SMA vielos pluošto stiprumas, \(K_x\) yra įstrižinės spyruoklės standumas, \(alpha\) yra trikampio kampas, \(x_0\) yra pradinis įstrižinės spyruoklės poslinkis, skirtas SMA kabeliui laikyti įtemptoje padėtyje, ir \(Delta x\) yra pavaros eiga.
Bendras pavaros poslinkis arba judėjimas (\(Delta x\)), priklausomai nuo įtampos (\(sigma\)) ir deformacijos (\(epsilon\)) N-osios pakopos SMA laide, pavara nustatoma (žr. pav. papildomą išėjimo dalį):
Kinematinės lygtys pateikia pavaros deformacijos (\(\epsilon\)) ir poslinkio arba poslinkio (\(Delta x\)) sąryšį. Arb vielos deformacija kaip pradinio Arb vielos ilgio (\(l_0\)) ir vielos ilgio (l) funkcija bet kuriuo laiko momentu t vienoje unimodaline šakoje yra tokia:
kur \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) gaunama taikant kosinuso formulę \(\Delta\)ABB ', kaip parodyta 8 paveiksle. Pirmosios pakopos pavaros atveju (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) yra \(\Delta x\), o \(\alpha _1\) yra \(\alpha \), kaip parodyta Kaip parodyta 8 paveiksle, diferencijuojant laiką iš (11) lygties ir pakeičiant l reikšmę, deformacijos greitį galima užrašyti taip:
kur \(l_0\) yra pradinis SMA laido ilgis, l yra laido ilgis bet kuriuo momentu t vienoje unimodaline šakoje, \(\epsilon\) yra SMA laide susidariusi deformacija, o \alpha \) yra trikampio kampas, o \(\Delta x\) yra pavaros poslinkis (kaip parodyta 8 paveiksle).
Visos n vienos piko struktūros (šiame paveikslėlyje \(n=6\)) yra sujungtos nuosekliai, o įėjimo įtampa \(V_{in}\). I etapas: SMA laido schema bimodalinėje konfigūracijoje nulinės įtampos sąlygomis II etapas: parodyta valdoma struktūra, kurioje SMA laidas yra suspaustas dėl atvirkštinės konversijos, kaip parodyta raudona linija.
Kaip koncepcijos įrodymas, buvo sukurta SMA pagrindu veikianti bimodalinė pavara, skirta patikrinti modeliuojamą pagrindinių lygčių išvedimą su eksperimentiniais rezultatais. Bimodalinės linijinės pavaros CAD modelis parodytas 9a paveiksle. Kita vertus, 9c paveiksle parodytas naujas rotacinės prizminės jungties projektas, naudojant dviejų plokštumų SMA pagrindu veikiančią pavarą su bimodaline struktūra. Pavaros komponentai buvo pagaminti naudojant adityvinę gamybą „Ultimaker 3 Extended“ 3D spausdintuvu. Komponentų 3D spausdinimui naudojama medžiaga yra polikarbonatas, kuris tinka karščiui atsparioms medžiagoms, nes yra tvirtas, patvarus ir turi aukštą stiklėjimo temperatūrą (110–113 °C). Be to, eksperimentuose buvo naudojama „Dynalloy, Inc.“ formos atminties lydinio viela „Flexinol“, o modeliavimuose buvo naudojamos medžiagos savybės, atitinkančios „Flexinol“ vielą. Keli SMA laidai išdėstyti kaip pluoštai, esantys bimodaliniame raumenų išdėstyme, kad būtų gautos didelės jėgos, kurias sukuria daugiasluoksnės pavaros, kaip parodyta 9b, d paveiksle.
Kaip parodyta 9a paveiksle, smailus kampas, kurį sudaro judančios SMA laido svirties dalis, vadinamas kampu (\(\alpha\)). Pritvirtinus gnybtus prie kairiojo ir dešiniojo spaustukų, SMA laidas laikomas norimu bimodaliniu kampu. Ant spyruoklinės jungties pritvirtintas poliarizacijos spyruoklinis įtaisas skirtas reguliuoti skirtingas poliarizacijos spyruoklių pailginimo grupes pagal SMA skaidulų skaičių (n). Be to, judančių dalių vieta suprojektuota taip, kad SMA laidas būtų veikiamas išorinės aplinkos, kad būtų galima priverstinai konvekciniu būdu aušinti. Nuimamo mazgo viršutinė ir apatinė plokštės padeda išlaikyti SMA laidą vėsų, nes jose yra išspaustos išpjovos, skirtos sumažinti svorį. Be to, abu CMA laido galai yra pritvirtinti prie kairiojo ir dešiniojo gnybtų atitinkamai užspaudžiamuoju spaustuku. Prie vieno judančio mazgo galo pritvirtintas stūmoklis, kad būtų išlaikytas tarpas tarp viršutinės ir apatinės plokščių. Stūmoklis taip pat naudojamas blokavimo jėgai jutikliui per kontaktą taikyti, kad būtų matuojama blokavimo jėga, kai SMA laidas yra suaktyvinamas.
Bimodalinė raumenų struktūra SMA yra elektriškai sujungta nuosekliai ir maitinama įėjimo impulsine įtampa. Įtampos impulsų ciklo metu, kai prijungiama įtampa ir SMA viela įkaitinama virš pradinės austenito temperatūros, kiekvienos gijos vielos ilgis sutrumpėja. Šis atitraukimas aktyvuoja judančios svirties mazgą. Kai to paties ciklo metu įtampa buvo sumažinta iki nulio, įkaitinta SMA viela buvo ataušinta žemiau martensito paviršiaus temperatūros ir grįžo į pradinę padėtį. Esant nulinio įtempimo sąlygoms, SMA viela pirmiausia pasyviai ištempiama įtempimo spyruokle, kad pasiektų dedvyninę martensitinę būseną. Sraigtas, per kurį eina SMA viela, juda dėl suspaudimo, susidarančio taikant įtampos impulsą SMA laidui (SPA pasiekia austenito fazę), o tai veda prie judančios svirties suveikimo. Kai SMA viela įtraukiama, įtempimo spyruoklė sukuria priešingą jėgą, toliau tempdama spyruoklę. Kai impulsinės įtampos įtempis tampa lygus nuliui, SMA viela pailgėja ir keičia savo formą dėl priverstinio konvekcijos aušinimo, pasiekdama dvigubą martensitinę fazę.
Siūloma SMA pagrindu sukurta linijinė pavaros sistema turi bimodaline konfigūraciją, kurioje SMA laidai yra kampu. (a) pavaizduotas prototipo CAD modelis, kuriame paminėti kai kurie komponentai ir jų reikšmės prototipui, (b, d) vaizduoja sukurtą eksperimentinį prototipą35. (b) parodytas prototipo vaizdas iš viršaus su elektros jungtimis, panaudotomis įstrižinėmis spyruoklėmis ir deformacijos davikliais, o (d) pateiktas perspektyvinis įrenginio vaizdas. (e) Linijinės pavaros sistemos su SMA laidais, išdėstytais bimodaliai bet kuriuo laiko momentu t, schema, rodanti skaidulų kryptį ir eigą bei raumenų jėgą. (c) Dviejų plokštumų SMA pagrindu veikiančiai pavarai dislokuoti buvo pasiūlyta 2 laisvės laipsnių rotacinė prizminė jungtis. Kaip parodyta, jungtis perduoda linijinį judėjimą iš apatinės pavaros į viršutinę svirtį, sukurdama rotacinę jungtį. Kita vertus, prizmių poros judėjimas yra toks pat kaip daugiasluoksnės pirmojo etapo pavaros judėjimas.
Eksperimentinis tyrimas buvo atliktas su 9b paveiksle parodytu prototipu, siekiant įvertinti bimodalinės pavaros, pagrįstos SMA, veikimą. Kaip parodyta 10a paveiksle, eksperimentinę įrangą sudarė programuojamas nuolatinės srovės maitinimo šaltinis, tiekiantis įėjimo įtampą SMA laidams. Kaip parodyta 10b paveiksle, blokavimo jėgai matuoti buvo naudojamas pjezoelektrinis deformacijos daviklis (PACEline CFT/5kN) naudojant „Graphtec GL-2000“ duomenų kaupiklį. Duomenis registruoja pagrindinis kompiuteris tolesniam tyrimui. Deformacijos davikliai ir krūvio stiprintuvai reikalauja nuolatinio maitinimo šaltinio, kad sukurtų įtampos signalą. Atitinkami signalai paverčiami išėjimo galia pagal pjezoelektrinio jėgos jutiklio jautrumą ir kitus parametrus, kaip aprašyta 2 lentelėje. Kai taikomas įtampos impulsas, SMA laido temperatūra pakyla, todėl jis suspaudžiamas, o tai priverčia pavarą generuoti jėgą. Eksperimentiniai raumenų jėgos, gautos naudojant 7 V įėjimo įtampos impulsą, rezultatai pateikti 2a paveiksle.
(a) Eksperimento metu buvo sukonfigūruota SMA pagrindu sukurta linijinė pavaros sistema, skirta pavaros generuojamai jėgai matuoti. Jėgos jutiklis matuoja blokavimo jėgą ir yra maitinamas 24 V nuolatinės srovės maitinimo šaltiniu. Per visą kabelio ilgį, naudojant GW Instek programuojamą nuolatinės srovės maitinimo šaltinį, buvo taikomas 7 V įtampos kritimas. SMA laidas dėl karščio susitraukia, o judanti svirtis liečiasi su jėgos jutikliu ir sukuria blokavimo jėgą. Jėgos jutiklis prijungtas prie GL-2000 duomenų kaupiklio, o duomenys saugomi pagrindiniame kompiuteryje tolesniam apdorojimui. (b) Diagrama, kurioje parodyta eksperimentinės raumenų jėgos matavimo sistemos komponentų grandinė.
Formos atminties lydiniai sužadinami šilumine energija, todėl temperatūra tampa svarbiu parametru tiriant formos atminties reiškinį. Eksperimentiškai, kaip parodyta 11a paveiksle, terminis vaizdavimas ir temperatūros matavimai buvo atlikti naudojant prototipinį SMA pagrindu pagamintą divaleratinį pavaros įtaisą. Programuojamas nuolatinės srovės šaltinis tiekė įėjimo įtampą SMA laidams eksperimentinėje konfigūracijoje, kaip parodyta 11b paveiksle. SMA laido temperatūros pokytis buvo matuojamas realiuoju laiku naudojant didelės skiriamosios gebos LWIR kamerą (FLIR A655sc). Pagrindinis kompiuteris naudoja „ResearchIR“ programinę įrangą duomenims įrašyti tolesniam apdorojimui. Kai taikomas įtampos impulsas, SMA laido temperatūra padidėja, todėl SMA laidas susitraukia. 2b paveiksle pateikti eksperimentiniai SMA laido temperatūros ir laiko skirtumo rezultatai, kai įėjimo įtampos impulsas yra 7 V.