Dėkojame, kad apsilankėte Nature.com.Naudojama naršyklės versija turi ribotą CSS palaikymą.Norėdami gauti geriausią patirtį, rekomenduojame naudoti atnaujintą naršyklę (arba išjungti suderinamumo režimą „Internet Explorer“).Tuo tarpu norėdami užtikrinti nuolatinį palaikymą, svetainę pateiksime be stilių ir „JavaScript“.
Pavaros naudojamos visur ir sukuria valdomą judesį taikydami tinkamą sužadinimo jėgą arba sukimo momentą, kad būtų galima atlikti įvairias gamybos ir pramonės automatizavimo operacijas.Greitesnių, mažesnių ir efektyvesnių pavarų poreikis skatina pavarų dizaino naujoves.Shape Memory Alloy (SMA) diskai turi daug pranašumų, palyginti su įprastais diskais, įskaitant didelį galios ir svorio santykį.Šioje disertacijoje buvo sukurta dviejų plunksnų SMA pagrindu veikianti pavara, apjungianti biologinių sistemų plunksninių raumenų privalumus ir unikalias SMA savybes.Šiame tyrime tiriamos ir išplečiamos ankstesnės SMA pavaros, sukuriant matematinį naujos pavaros modelį, pagrįstą bimodaliniu SMA laidų išdėstymu ir išbandant jį eksperimentiškai.Palyginti su žinomomis SMA pagrindu veikiančiomis pavaromis, naujosios pavaros įjungimo jėga yra bent 5 kartus didesnė (iki 150 N).Atitinkamas svorio netekimas yra apie 67%.Matematinių modelių jautrumo analizės rezultatai yra naudingi derinant projektavimo parametrus ir suprasti pagrindinius parametrus.Šiame tyrime taip pat pristatoma daugiapakopė N-osios pakopos pavara, kurią galima naudoti dar labiau pagerinti dinamiką.SMA pagrindu pagamintos dipvaleratinės raumenų pavaros turi platų pritaikymo spektrą – nuo ​​pastatų automatizavimo iki tikslių vaistų tiekimo sistemų.
Biologinės sistemos, tokios kaip žinduolių raumenų struktūros, gali suaktyvinti daugybę subtilių pavarų1.Žinduoliai turi skirtingas raumenų struktūras, kurių kiekviena atlieka tam tikrą tikslą.Tačiau didžiąją dalį žinduolių raumenų audinio struktūros galima suskirstyti į dvi plačias kategorijas.Lygiagretus ir pennatas.Šlaunies ir kitų lenkiamųjų raumenų srityje, kaip rodo pavadinimas, lygiagrečiai raumenys turi raumenų skaidulas, lygiagrečias centrinei sausgyslei.Raumenų skaidulų grandinė yra išdėstyta ir funkcionaliai sujungta juos supančio jungiamojo audinio.Nors sakoma, kad šie raumenys turi didelį judėjimą (sutrumpėja procentais), jų bendra raumenų jėga yra labai ribota.Priešingai, trigalvio blauzdos raumenyje2 (šoninis gastrocnemius (GL)3, medialinis gastrocnemius (GM)4 ir padas (SOL)) ir tiesiamajame šlaunies raumenyje (keturgalvis raumuo)5,6 randamas kiekviename raumenyje7.Plunksninėje struktūroje dvipusio raumens raumenų skaidulos yra abiejose centrinės sausgyslės pusėse įstrižais kampais (smailūs kampai).Pennate kilęs iš lotyniško žodžio „penna“, kuris reiškia „rašiklis“, ir, kaip parodyta pav.1 atrodo kaip plunksna.Pennate raumenų skaidulos yra trumpesnės ir kampuotos į išilginę raumens ašį.Dėl plunksninės struktūros sumažėja bendras šių raumenų mobilumas, o tai lemia skersinius ir išilginius trumpėjimo proceso komponentus.Kita vertus, šių raumenų aktyvinimas lemia didesnę bendrą raumenų jėgą, nes matuojamas fiziologinis skerspjūvio plotas.Todėl tam tikrame skerspjūvio plote pennatiniai raumenys bus stipresni ir generuos didesnes jėgas nei raumenys su lygiagrečiomis skaidulomis.Atskirų skaidulų sukurtos jėgos sukuria raumenų jėgas makroskopiniu lygiu tame raumeniniame audinyje.Be to, jis pasižymi tokiomis unikaliomis savybėmis kaip greitas susitraukimas, apsauga nuo tempimo pažeidimų, amortizacija.Jis pakeičia ryšį tarp skaidulų įvesties ir raumenų galios, išnaudodamas unikalias skaidulų išdėstymo savybes ir geometrinį sudėtingumą, susijusį su raumenų veikimo linijomis.
Parodytos esamų SMA pagrįstų pavaros mechanizmų schemos, susijusios su bimodaline raumenų architektūra, 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.Protezuotos akies padėtis valdoma signalu iš akies akies raumens11, (c) SMA pavaros idealiai tinka naudoti po vandeniu dėl savo didelio dažnio atsako ir mažo dažnių juostos pločio.Šioje konfigūracijoje SMA pavaros naudojamos bangų judėjimui sukurti, imituojant žuvų judėjimą, (d) SMA pavaros naudojamos sukurti mikrovamzdžių tikrinimo robotą, kuris gali naudoti colių sliekinio judėjimo principą, valdomą SMA laidų judėjimu 10 kanalo viduje, (e) rodo raumenų skaidulų susitraukimo kryptį ir generuoja raumenų skaidulų susitraukimo jėgą gastrocnemius audinyje, (f) the pens of the raumeninės skaidulos forma rodo susitraukimo jėgą gastrocnemius audinyje.
Pavaros tapo svarbia mechaninių sistemų dalimi dėl plataus pritaikymo spektro.Todėl mažesnių, greitesnių ir efektyvesnių diskų poreikis tampa itin svarbus.Nepaisant pranašumų, tradiciniai diskai pasirodė esąs brangūs ir atima daug laiko prižiūrėti.Hidraulinės ir pneumatinės pavaros yra sudėtingos ir brangios, gali susidėvėti, sutepti ir sugesti.Atsižvelgiant į paklausą, pagrindinis dėmesys skiriamas ekonomiškų, pagal dydį optimizuotų ir pažangių pavarų, pagrįstų pažangiomis medžiagomis, kūrimui.Vykdomi tyrimai nagrinėja formos atminties lydinio (SMA) sluoksniuotos pavaros, kad atitiktų 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 veikimo pavyzdys.Šiame tyrime aprašomas kelių lygių SMA diskas su keliais atskirais pavaros elementais (SMA laidais), suderintais su pluošto orientacijomis, esančiomis bimodaliniuose raumenyse, o tai pagerina bendrą pavaros našumą.
Pagrindinė pavaros paskirtis yra generuoti mechaninę galią, tokią kaip jėga ir poslinkis, konvertuojant elektros energiją.Formos atminties lydiniai yra „protingų“ medžiagų klasė, galinti atkurti savo formą esant aukštai temperatūrai.Esant didelėms apkrovoms, SMA laido temperatūros padidėjimas lemia formos atkūrimą, todėl aktyvavimo energijos tankis yra didesnis, palyginti su įvairiomis tiesiogiai sujungtomis išmaniosiomis medžiagomis.Tuo pačiu metu, veikiant mechaninėms apkrovoms, SMA tampa trapūs.Tam tikromis sąlygomis ciklinė apkrova gali sugerti ir išleisti mechaninę energiją, parodydama grįžtamus isteretinius formos pokyčius.Dėl šių unikalių savybių SMA idealiai tinka jutikliams, vibracijos slopinimui ir ypač pavaroms12.Turint tai omenyje, buvo atlikta daug SMA pagrindu veikiančių diskų tyrimų.Reikėtų pažymėti, kad SMA pagrindu veikiančios pavaros yra sukurtos taip, kad būtų galima atlikti slenkamąjį ir sukamąjį judesį įvairioms reikmėms 13, 14, 15.Nors kai kurios sukamosios pavaros buvo sukurtos, tyrėjus ypač domina tiesinės pavaros.Šios linijinės pavaros gali būti suskirstytos į trijų tipų pavaras: vienmačius, poslinkius ir diferencines pavaras 16 .Iš pradžių hibridiniai diskai buvo sukurti kartu su SMA ir kitais įprastais diskais.Vienas iš tokių SMA pagrindu sukurtų hibridinių linijinių pavarų pavyzdžių yra SMA laido naudojimas su nuolatinės srovės varikliu, siekiant užtikrinti maždaug 100 N išėjimo jėgą ir didelį poslinkį17.
Vienas iš pirmųjų visiškai SMA pagrindu sukurtų diskų patobulinimų buvo SMA lygiagreti pavara.Naudojant kelis SMA laidus, SMA pagrįsta lygiagreti pavara skirta padidinti įrenginio galią, visus SMA18 laidus dedant lygiagrečiai.Lygiagretus pavarų prijungimas reikalauja ne tik daugiau galios, bet ir riboja vieno laido išėjimo galią.Kitas SMA pagrindu veikiančių pavarų trūkumas yra ribotas jų judėjimas.Siekiant išspręsti šią problemą, buvo sukurta SMA kabelio sija, kurioje yra nukreipta lanksti sija, siekiant padidinti poslinkį ir pasiekti linijinį judėjimą, tačiau nesukėlė didesnių jėgų19.Minkštos deformuojamos konstrukcijos ir audiniai robotams, pagrįsti formos atminties lydiniais, pirmiausia buvo sukurti smūgiams sustiprinti20,21,22.Pranešama, kad tais atvejais, kai reikalingas didelis greitis, buvo pranešta apie kompaktiškus varomus siurblius, kuriuose naudojami plonasluoksniai SMA mikrosiurblių varomoms programoms23.Plonos plėvelės SMA membranos pavaros dažnis yra pagrindinis veiksnys, reguliuojantis vairuotojo greitį.Todėl SMA linijiniai varikliai turi geresnį dinaminį atsaką nei SMA spyruokliniai ar strypiniai varikliai.Minkštoji robotika ir sugriebimo technologija yra dar dvi programos, kuriose naudojamos SMA pagrįstos pavaros.Pavyzdžiui, norint pakeisti standartinę pavarą, naudojamą 25 N erdvės apkaboje, buvo sukurta formos atminties lydinio lygiagreti pavara 24.Kitu atveju SMA minkštoji pavara buvo pagaminta remiantis viela su įterpta matrica, galinčia sukurti maksimalią 30 N traukimo jėgą. Dėl savo mechaninių savybių SMA taip pat naudojamos biologinius reiškinius imituojančioms pavaroms gaminti.Vienas iš tokių patobulinimų apima 12 ląstelių robotą, kuris yra į slieką panašaus organizmo biomimetikas su SMA, sukuriantis sinusoidinį ugnies judesį 26, 27.
Kaip minėta anksčiau, yra ribojama maksimali jėga, kurią galima gauti iš esamų SMA pagrindu veikiančių pavarų.Siekiant išspręsti šią problemą, šiame tyrime pateikiama biomimetinė bimodalinė raumenų struktūra.Varomas formos atminties lydinio viela.Tai suteikia klasifikavimo sistemą, kuri apima keletą formų atminties lydinio laidų.Iki šiol literatūroje nebuvo pranešta apie panašios architektūros SMA pagrindu veikiančias pavaras.Ši unikali ir nauja sistema, pagrįsta SMA, buvo sukurta siekiant ištirti SMA elgesį bimodalinio raumenų derinimo metu.Palyginti su esamomis SMA pavaromis, šio tyrimo tikslas buvo sukurti biomimetinę dipvalerato pavarą, kuri generuotų žymiai didesnes jėgas mažame tūryje.Palyginti su įprastomis žingsninio variklio varomomis pavaromis, naudojamomis ŠVOK pastatų automatizavimo ir valdymo sistemose, siūloma SMA pagrindu sukurta bimodalinė pavaros konstrukcija sumažina pavaros mechanizmo svorį 67%.Toliau terminai „raumenys“ ir „varomoji jėga“ vartojami pakaitomis.Šiame tyrime tiriamas daugiafizinis tokio disko 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 ateities nemagnetinių pavarų, skirtų protezavimui, sritis.Remiantis pirmiau minėtų tyrimų rezultatais, naudojant vienpakopę architektūrą sukuriamos mažiausiai keturis ar penkis kartus didesnės jėgos, nei pranešta apie SMA pagrindu veikiančias pavaras.Be to, įrodyta, kad ta pati pavaros jėga, kurią sukuria kelių lygių kelių lygių diskas, yra daugiau nei dešimt kartų didesnė nei įprastų SMA pagrindu veikiančių diskų.Tada tyrime pateikiami pagrindiniai parametrai, naudojant skirtingų konstrukcijų ir įvesties kintamųjų jautrumo analizę.Pradinis SMA laido ilgis (\(l_0\)), viršutinio kampo kampas (\(\alpha\)) ir atskirų vijų skaičius (n) kiekvienoje atskiroje juostoje turi stiprų neigiamą poveikį varančiosios jėgos dydžiui.stiprumo, o įėjimo įtampa (energija) pasirodė teigiamai koreliuojanti.
SMA viela pasižymi formos atminties efektu (SME), matomu nikelio-titano (Ni-Ti) lydinių šeimoje.Paprastai SMA turi dvi nuo temperatūros priklausančias fazes: žemos temperatūros fazę ir aukštos temperatūros fazę.Abi fazės turi unikalių savybių dėl skirtingų kristalų struktūrų.Austenito fazėje (aukštos temperatūros fazėje), esančioje virš transformacijos temperatūros, medžiaga pasižymi dideliu stiprumu ir silpnai deformuojasi veikiant apkrovai.Lydinys elgiasi kaip nerūdijantis plienas, todėl gali atlaikyti didesnį įjungimo slėgį.Išnaudojant šią Ni-Ti lydinių savybę, SMA laidai yra pasvirę, kad sudarytų pavarą.Sukurti tinkami analitiniai modeliai, leidžiantys suprasti pagrindinę SMA šiluminio elgesio, veikiant įvairiems parametrams ir įvairioms geometrijoms, mechaniką.Buvo gautas geras sutapimas tarp eksperimentinių ir analitinių rezultatų.
Buvo atliktas eksperimentinis prototipo, parodyto 9a pav., 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 pavaroje esančio laido ilgį, laido temperatūra didėja dėl Džaulio šildymo efekto.Įvesties įtampa buvo taikoma dviem 10 s ciklais (parodyta raudonais taškais 2a, b pav.) su 15 s aušinimo periodu tarp kiekvieno ciklo.Blokavimo jėga buvo matuojama naudojant pjezoelektrinį deformacijos matuoklį, o SMA laido temperatūros pasiskirstymas buvo stebimas realiu laiku, naudojant mokslinio lygio didelės raiškos LWIR kamerą (naudojamos įrangos charakteristikas žr. 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 nukrito aušinimo fazės metu, tačiau ji vis tiek buvo aukštesnė už aplinkos temperatūrą.Ant pav.2e parodyta SMA laido temperatūros momentinė nuotrauka, paimta iš LWIR kameros.Kita vertus, pav.2a parodyta blokavimo jėga, kurią sukuria pavaros sistema.Kai raumenų jėga viršija atkuriamąją spyruoklės jėgą, judama ranka, kaip parodyta 9a paveiksle, pradeda judėti.Kai tik prasideda aktyvinimas, judanti ranka liečiasi su jutikliu, sukurdama kūno jėgą, kaip parodyta Fig.2c, d.Kai maksimali temperatūra yra artima \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), didžiausia stebima jėga yra 105 N.
Grafike rodomi eksperimentiniai SMA laido temperatūros ir jėgos, kurią sukuria SMA pagrindu veikianti bimodalinė pavara per du ciklus, rezultatai.Įvesties įtampa tiekiama dviem 10 sekundžių ciklais (rodomi raudonais taškais), tarp kiekvieno ciklo 15 sekundžių atvėsti.Eksperimentams naudotas SMA laidas buvo 0,51 mm skersmens Flexinol viela iš Dynalloy, Inc. (a) Grafike parodyta eksperimentinė jėga, gauta per du ciklus, (c, d) rodomi du nepriklausomi judančių svirties pavarų veikimo PACEline CFT/5kN pjezoelektriniame jėgos keitiklyje pavyzdžiai, (b) rodoma didžiausia temperatūra per visą dviejų ciklų laiką, MAnap. kadras, padarytas iš SMA laido naudojant FLIR ResearchIR programinės įrangos LWIR kamerą.Geometriniai parametrai, į kuriuos buvo atsižvelgta atliekant eksperimentus, pateikti lentelėje.vienas.
Matematinio modelio modeliavimo rezultatai ir eksperimentiniai rezultatai lyginami esant 7V įėjimo įtampai, kaip parodyta 5 pav.Pagal parametrinės analizės rezultatus ir siekiant išvengti SMA laido perkaitimo, pavarai buvo tiekiama 11,2 W galia.7 V įvesties įtampai tiekti buvo naudojamas programuojamas nuolatinės srovės maitinimo šaltinis, o per laidą išmatuota 1,6 A srovė.Pavaros sukuriama jėga ir SDR temperatūra didėja, kai įjungiama srovė.Esant 7V įėjimo įtampai, maksimali išėjimo jėga, gauta iš modeliavimo rezultatų ir pirmojo ciklo eksperimentinių rezultatų, yra atitinkamai 78 N ir 96 N.Antrajame cikle maksimali modeliavimo ir eksperimentinių rezultatų išėjimo jėga buvo atitinkamai 150 N ir 105 N.Neatitikimas tarp okliuzijos jėgos matavimų ir eksperimentinių duomenų gali atsirasti dėl okliuzijos jėgos matavimo metodo.Eksperimentiniai rezultatai, parodyti fig.5a atitinka fiksavimo jėgos matavimą, kuris savo ruožtu buvo išmatuotas, kai pavaros velenas liečiasi su PACEline CFT/5kN pjezoelektriniu jėgos keitikliu, kaip parodyta fig.2s.Todėl, kai pavaros velenas nesiliečia su jėgos jutikliu aušinimo zonos pradžioje, jėga iš karto tampa lygi nuliui, kaip parodyta 2d pav.Be to, kiti parametrai, turintys įtakos jėgos susidarymui vėlesniuose ciklus, yra aušinimo laiko reikšmės ir konvekcinio šilumos perdavimo koeficientas ankstesniame cikle.Iš pav.2b, matyti, kad po 15 sekundžių aušinimo laikotarpio SMA laidas nepasiekė kambario temperatūros, todėl antrojo važiavimo ciklo pradinė temperatūra buvo aukštesnė (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)), palyginti su pirmuoju ciklu (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Taigi, palyginti su pirmuoju ciklu, SMA laido temperatūra antrojo šildymo ciklo metu pasiekia pradinę austenito temperatūrą (\ (A_s )) anksčiau ir ilgiau išlieka pereinamuoju laikotarpiu, todėl atsiranda įtempis ir jėga.Kita vertus, temperatūrų pasiskirstymas šildymo ir aušinimo ciklų metu, gautas iš eksperimentų ir modeliavimo, turi didelį kokybinį panašumą į termografinės analizės pavyzdžius.Lyginamoji SMA vielos šiluminių duomenų iš eksperimentų ir modeliavimo analizė parodė nuoseklumą šildymo ir vėsinimo ciklų metu ir neviršijant priimtinų eksperimentinių duomenų leistinų nuokrypių.Maksimali SMA laido temperatūra, gauta iš pirmojo ciklo modeliavimo ir eksperimentų rezultatų, yra atitinkamai \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) ir \(75\,^{\circ }\hbox { C }\ ), o antrajame cikle maksimali SMA laido temperatūra yra \{\box { \ ^ \ \ { \ h } circ }\ hbox {C}\).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, todėl jis bus tinkamesnis inžinerinėms reikmėms.Pavaros išėjimo jėgos ir SMA temperatūros grafikai, gauti iš Simulink bloko, yra eksperimentinių duomenų leistinų nuokrypių ribose 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.Ant pav.3b parodyta Simulink matematinio modelio blokinė schema.Modelis buvo imituotas 7 V įėjimo įtampos impulsui, kaip parodyta 2a, b pav.Modeliuojant naudojamų parametrų reikšmės pateiktos 1 lentelėje. Pereinamųjų procesų modeliavimo rezultatai pateikti 1 ir 1 pav. 3a ir 4 pav.4a, b parodyta SMA laido indukuota įtampa ir pavaros generuojama jėga kaip laiko funkcija. Atvirkštinės transformacijos (kaitinimo) metu, kai SMA laido temperatūra, \(T < A_s^{\prime}\) (įtempių modifikuota austenito fazės pradžios temperatūra), martensito tūrio dalies (\(\dot{\xi }\)) kitimo greitis bus lygus nuliui. Atvirkštinės transformacijos (kaitinimo) metu, kai SMA laido temperatūra, \(T < A_s^{\prime}\) (įtempių modifikuota austenito fazės pradžios temperatūra), martensito tūrio dalies (\(\dot{\ xi }\)) kitimo greitis bus lygus nuliui. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) нная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Atvirkštinės transformacijos (kaitinimo) metu, kai SMA laido temperatūra, \(T < A_s^{\prime}\) (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Ｆ正奥氏体目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 ауспопо ряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Atvirkštinės transformacijos (kaitinimo) metu SMA laido \(T <A_s^{\prime}\) temperatūroje (austenito fazės branduolių susidarymo temperatūra, pakoreguota pagal įtempį), martensito tūrinės dalies kitimo greitis (\( \dot{\ xi }\)) bus lygus nuliui.Todėl įtempių kitimo greitis (\(\dot{\sigma}\)) priklausys nuo deformacijos greičio (\(\dot{\epsilon}\)) ir temperatūros gradiento (\(\dot{T} \) ) tik naudojant (1) lygtį.Tačiau, kai SMA laidas pakyla ir kerta (\(A_s^{\prime}\)), pradeda formuotis austenito fazė ir (\(\dot{\xi}\)) imama kaip nurodyta lygties (3) reikšme.Todėl įtampos kitimo greitis (\(\taškas{\sigma}\)) yra bendrai valdomas \(\taškas{\epsilon}, \taškas{T}\) ir \(\taškas{\xi}\) yra lygus nurodytam (1) formulėje.Tai paaiškina gradiento pokyčius, pastebėtus laike kintančių įtempių ir jėgų žemėlapiuose šildymo ciklo metu, kaip parodyta 4a, b pav.
a ) Modeliavimo rezultatas, rodantis temperatūros pasiskirstymą ir įtempių sukeltą sankryžos temperatūrą SMA pagrindu veikiančioje divalerato pavaroje.Kai kaitinimo stadijoje vielos temperatūra kerta austenito pereinamąją temperatūrą, modifikuoto austenito pereinamojo laikotarpio temperatūra pradeda didėti, ir panašiai, kai vielos strypo temperatūra aušinimo stadijoje kerta martensitinį pereinamąjį temperatūrą, martensitinės pereinamoji temperatūra mažėja.SMA, skirtas analitiniam įjungimo proceso modeliavimui.(Išsamų kiekvieno Simulink modelio posistemio vaizdą rasite papildomo failo priedo skyriuje.)
Skirtingų parametrų pasiskirstymo analizės rezultatai pateikiami dviem 7V įėjimo įtampos ciklams (10 sekundžių įšilimo ciklų ir 15 sekundžių vėsinimo ciklų).Nors (ac) ir (e) vaizduoja pasiskirstymą laikui bėgant, (d) ir (f) iliustruoja pasiskirstymą pagal temperatūrą.Atitinkamomis įvesties sąlygomis didžiausias stebimas įtempis yra 106 MPa (mažiau nei 345 MPa, vielos takumo riba), jėga – 150 N, didžiausias poslinkis – 270 µm, o mažiausia martensitinė tūrio dalis – 0,91.Kita vertus, įtempių pokytis ir martensito tūrio dalies kitimas su temperatūra yra panašus į histerezės charakteristikas.
Tas pats paaiškinimas taikomas tiesioginiam transformavimui (aušinimui) iš austenito fazės į martensito fazę, kur SMA vielos temperatūra (T) ir įtempių modifikuotos martensito fazės pabaigos temperatūra (\(M_f^{\prime}\ )) yra puiki.Ant pav.4d, f rodo sukelto įtempio (\(\sigma\)) ir martensito tūrio dalies (\(\xi\)) pokytį SMA laidoje kaip SMA laido (T) temperatūros pokyčio funkciją abiem važiavimo ciklais.Ant pav.3a paveiksle parodytas SMA laido temperatūros pokytis su laiku, priklausomai nuo įėjimo įtampos impulso.Kaip matyti iš paveikslo, laido temperatūra toliau didėja, suteikiant šilumos šaltinį esant nulinei įtampai ir vėlesniam konvekciniam aušinimui.Kaitinant, martensito retransformacija į austenito fazę prasideda, kai SMA vielos temperatūra (T) kerta įtempių pakoreguotą austenito branduolio susidarymo temperatūrą (\(A_s^{\prime}\)).Šios fazės metu SMA laidas suspaudžiamas ir pavara sukuria jėgą.Taip pat aušinimo metu, kai SMA laido (T) temperatūra kerta įtempių modifikuotos martensito fazės branduolio susidarymo temperatūrą (\(M_s^{\prime}\)), vyksta teigiamas perėjimas iš austenito fazės į martensito fazę.varomoji jėga mažėja.
Pagrindinius kokybinius bimodalinės pavaros, pagrįstos SMA, aspektus galima gauti iš modeliavimo rezultatų.Įtampos impulsų įvesties atveju SMA laido temperatūra pakyla dėl Džaulio šildymo efekto.Pradinė martensito tūrio dalies reikšmė (\(\xi\)) nustatoma į 1, nes medžiaga iš pradžių yra visiškai martensitinės fazės.Kai viela ir toliau įkaista, SMA laido temperatūra viršija įtempių pakoreguotą austenito branduolio susidarymo temperatūrą \(A_s^{\prime}\), todėl martensito tūrio dalis sumažėja, kaip parodyta 4c paveiksle.Be to, pav.4e parodytas pavaros eigos pasiskirstymas laike, o fig.5 – varomoji jėga kaip laiko funkcija.Susijusi lygčių sistema apima temperatūrą, martensito tūrio dalį ir įtempį, susidarantį laide, dėl kurio SMA viela susitraukia ir pavaros sukuriama jėga.Kaip parodyta pav.4d, f, įtampos pokytis priklausomai nuo temperatūros ir martensito tūrio dalies kitimas priklausomai nuo temperatūros atitinka SMA histerezės charakteristikas imituotu atveju esant 7 V.
Eksperimentais ir analitiniais skaičiavimais gautas važiavimo parametrų palyginimas.Laidai 10 sekundžių buvo veikiami impulsine 7 V įvesties įtampa, po to 15 sekundžių atšaldomi (aušinimo fazė) per du ciklus.Nukreipimo kampas nustatytas į \(40^{\circ}\), o pradinis SMA laido ilgis kiekvienoje atskiroje kaiščio kojoje yra 83 mm.a) Varomosios jėgos matavimas naudojant apkrovos elementą. b) Laido temperatūros stebėjimas naudojant šiluminę infraraudonųjų spindulių kamerą.
Siekiant suprasti fizikinių parametrų įtaką pavaros sukuriamai jėgai, buvo atlikta matematinio modelio jautrumo pasirinktiems fizikiniams parametrams analizė, parametrai surikiuoti pagal jų įtaką.Pirma, modelio parametrų atranka buvo atlikta naudojant eksperimentinio projektavimo principus, kurie buvo vienodai paskirstyti (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\ )), konvekcinį šilumos perdavimo koeficientą (\(h_T\)) ir vienarūšių šakų skaičių (n).Kitame etape didžiausia raumenų jėga buvo pasirinkta kaip tyrimo plano reikalavimas ir buvo gautas kiekvieno kintamųjų rinkinio parametrinis poveikis jėgai.Jautrumo analizės tornadų grafikai buvo gauti iš kiekvieno parametro koreliacijos koeficientų, kaip parodyta 6a pav.
(a) Tornado diagramoje parodytos modelio parametrų koreliacijos koeficientų vertės ir jų įtaka 2500 unikalių aukščiau išvardytų modelio parametrų grupių maksimaliai išėjimo jėgai.Grafike parodyta kelių rodiklių ranginė koreliacija.Aišku, kad \(V_{in}\) yra vienintelis parametras, turintis teigiamą koreliaciją, o \(l_0\) yra parametras, turintis didžiausią neigiamą koreliaciją.Įvairių parametrų įvairiose kombinacijose poveikis didžiausiai raumenų jėgai parodytas (b, c).\(K_x\) svyruoja nuo 400 iki 800 N/m, o n svyruoja nuo 4 iki 24. Įtampa (\(V_{in}\)) pakeista iš 4 V į 10 V, laido ilgis (\(l_{0 } \)) pakeistas nuo 40 iki 100 mm, o uodegos kampas nuo \) (\) \ 0, \ \ 2 c }\).
Ant pav.6a parodytas įvairių koreliacijos koeficientų tornado grafikas kiekvienam parametrui su didžiausios pavaros jėgos projektavimo reikalavimais.Iš pav.6a matyti, kad įtampos parametras (\(V_{in}\)) yra tiesiogiai susijęs su maksimalia išėjimo jėga, o konvekcinis šilumos perdavimo koeficientas (\(h_T\)), liepsnos kampas (\ ( \alpha\)) , poslinkio spyruoklės konstanta ( \(K_x\)) yra neigiamai koreliuojamas su išėjimo jėga ir laido pradiniu ilgiu () \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\parodo laido pradinį ilgį () stipri atvirkštinė koreliacija Tiesioginės koreliacijos atveju Didesnės įtampos koreliacijos koeficiento reikšmės atveju (\(V_ {in}\)) rodo, kad šis parametras turi didžiausią įtaką išėjimo galiai.Kita panaši analizė matuoja didžiausią jėgą, įvertindama skirtingų parametrų poveikį skirtingose ​​​​dviejų skaičiavimo erdvių deriniuose, kaip parodyta 6b, c pav.\(V_{in}\) ir \(l_0\), \(\alpha\) ir \(l_0\) turi panašius šablonus, o diagrama rodo, kad \(V_{in}\) ir \(\alpha\ ) ir \(\alpha\) šablonai yra panašūs.Mažesnės \(l_0\) reikšmės lemia didesnes didžiausias jėgas.Kiti du grafikai atitinka 6a paveikslą, kur n ir \(K_x\) koreliuoja neigiamai, o \(V_{in}\) yra teigiamai koreliuojami.Ši analizė padeda apibrėžti ir pakoreguoti įtakojančius parametrus, kuriais remiantis galima pritaikyti pavaros sistemos išėjimo jėgą, eigą ir efektyvumą prie reikalavimų ir pritaikymo.
Dabartinis mokslinis darbas pristato ir tiria hierarchines pavaras su N lygiais.Dviejų lygių hierarchijoje, kaip parodyta Fig. 7a, kur vietoj kiekvieno pirmojo lygio pavaros SMA laido pasiekiamas bimodalinis išdėstymas, kaip parodyta fig.9e.Ant pav.7c parodyta, kaip SMA viela apvyniojama aplink judamą ranką (pagalbinę svirtį), kuri juda tik išilgine kryptimi.Tačiau pirminė judama svirtis ir toliau juda taip pat, kaip ir 1-osios pakopos daugiapakopės pavaros judama svirtis.Paprastai N pakopos diskas sukuriamas pakeičiant \(N-1\) pakopos SMA laidą pirmos pakopos įrenginiu.Dėl to kiekviena šaka imituoja pirmos pakopos pavarą, išskyrus šaką, kurioje laikomas pats laidas.Tokiu būdu galima suformuoti įdėtas struktūras, kurios sukuria jėgas, kurios kelis kartus viršija pirminių pavarų jėgas.Šiame tyrime kiekvienam lygiui buvo atsižvelgta į bendrą efektyvų 1 m SMA laido ilgį, kaip parodyta lentelės formatu 7d pav.Srovė per kiekvieną laidą kiekvienoje unimodalinėje konstrukcijoje ir gaunamas išankstinis įtempis bei įtampa kiekviename SMA laido segmente kiekviename lygyje yra vienodi.Remiantis mūsų analitiniu modeliu, išėjimo jėga yra teigiamai koreliuojama su lygiu, o poslinkis yra neigiamai koreliuojamas.Tuo pačiu metu buvo kompromisas tarp poslinkio ir raumenų jėgos.Kaip matyti pav.7b, nors didžiausia jėga pasiekiama daugiausiai sluoksnių, didžiausias poslinkis stebimas žemiausiame sluoksnyje.Kai hierarchijos lygis buvo nustatytas į \(N=5\), didžiausia raumenų jėga buvo 2,58 kN su 2 pastebėtais smūgiais \(\upmu\)m.Kita vertus, pirmosios pakopos pavara sukuria 150 N jėgą esant 277 \(\upmu\)m eigai.Daugiapakopės pavaros gali imituoti tikrus biologinius raumenis, kur dirbtiniai raumenys, pagrįsti formos atminties lydiniais, tiksliais ir smulkesniais judesiais gali generuoti žymiai didesnes jėgas.Šios miniatiūrinės konstrukcijos trūkumai yra tai, kad didėjant hierarchijai judėjimas labai sumažėja, o pavaros gamybos procesas tampa sudėtingesnis.
(a) Dviejų pakopų (\(N=2\)) sluoksnių formos atminties lydinio linijinė pavaros sistema parodyta bimodaline konfigūracija.Siūlomas modelis pasiekiamas pakeitus SMA laidą pirmos pakopos sluoksniuotoje pavaroje kita vienpakopė sluoksnine pavara.c) Deformuota antrojo etapo daugiasluoksnės pavaros konfigūracija.b) Apibūdinamas jėgų ir poslinkių pasiskirstymas priklausomai nuo lygių skaičiaus.Nustatyta, kad smailės pavaros jėga teigiamai koreliuoja su skalės lygiu grafike, o eiga neigiamai koreliuoja su skalės lygiu.Srovė ir išankstinė įtampa kiekviename laide išlieka pastovūs visais lygiais.(d) Lentelėje parodytas čiaupų skaičius ir SMA laido (pluošto) ilgis kiekviename lygyje.Laidų charakteristikos nurodomos indeksu 1, o antrinių šakų skaičius (viena prijungta prie pirminės kojos) nurodoma didžiausiu skaičiumi indekse.Pavyzdžiui, 5 lygyje \(n_1\) nurodo SMA laidų, esančių kiekvienoje bimodalinėje struktūroje, skaičių, o \(n_5\) nurodo pagalbinių kojelių (vienos, sujungtos su pagrindine atšaka) skaičių.
Daugelis mokslininkų pasiūlė įvairius metodus, skirtus modeliuoti SMA elgseną su formos atmintimi, kurios priklauso nuo termomechaninių savybių, lydinčių makroskopinius kristalų struktūros pokyčius, susijusius su faziniu perėjimu.Konstitucinių metodų formulavimas iš esmės yra sudėtingas.Dažniausiai naudojamą fenomenologinį modelį siūlo Tanaka28 ir jis plačiai naudojamas inžinerinėse programose.Tanakos [28] pasiūlytame fenomenologiniame modelyje daroma prielaida, kad martensito tūrinė dalis yra eksponentinė temperatūros ir įtempių funkcija.Vėliau Liangas ir Rogersas29 bei Brinsonas30 pasiūlė modelį, kuriame buvo manoma, kad fazių perėjimo dinamika yra įtampos ir temperatūros kosinusinė funkcija, su nedideliais modelio pakeitimais.Beckeris ir Brinsonas pasiūlė fazių diagrama pagrįstą kinetinį modelį, skirtą modeliuoti SMA medžiagų elgseną savavališkomis apkrovos sąlygomis, taip pat dalinius perėjimus.Banerjee32 naudoja Bekker ir Brinson31 fazių diagramos dinamikos metodą, kad imituotų vieno laisvės laipsnio manipuliatorių, kurį sukūrė Elahinia ir Ahmadian33.Kinetinius metodus, pagrįstus fazių diagramomis, kuriuose atsižvelgiama į nemonotoninį įtampos pokytį su temperatūra, sunku įgyvendinti inžinerinėse programose.Elakhinia ir Ahmadianas atkreipia dėmesį į šiuos esamų fenomenologinių modelių trūkumus ir siūlo išplėstinį fenomenologinį modelį, skirtą analizuoti ir apibrėžti formos atminties elgesį 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 pirmiausia pasiūlė Tanaka28, o vėliau priėmė Liang29 ir Brinsonas30.Lygties išvestinė turi tokią formą:
čia E yra nuo fazės priklausomas SMA Youngo modulis, gautas naudojant \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) ir \(E_A\) ir \(E_M\), reiškiantys Youngo modulį, yra atitinkamai austenitinė ir martensitinė fazės, o šiluminio plėtimosi koeficientas \\ed pagal _T yra \\\ed.Fazinio perėjimo įnašo koeficientas yra \(\Omega = -E \epsilon _L\), o \(\epsilon _L\) yra didžiausia atkuriama SMA laido deformacija.
Fazių dinamikos lygtis sutampa su kosinuso funkcija, kurią sukūrė Liang29 ir vėliau priėmė Brinsonas, o ne Tanaka28 pasiūlyta eksponentinė funkcija.Fazių perėjimo modelis yra Elakhinia ir Ahmadian34 pasiūlyto modelio pratęsimas ir modifikuotas remiantis Liang29 ir Brinson30 pateiktomis fazinio perėjimo sąlygomis.Šiam fazinio perėjimo modeliui naudojamos sąlygos galioja esant sudėtingoms termomechaninėms apkrovoms.Kiekvienu laiko momentu, modeliuojant konstitucinę lygtį, apskaičiuojama martensito tūrinės dalies reikšmė.
Valdančioji retransformacijos lygtis, išreikšta martensito pavertimu austenitu kaitinimo sąlygomis, yra tokia:
čia \(\xi\) 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 \_ parametras \(C) – temperatura, T_\apytikslis \) ir \(A_f\) – atitinkamai austenito fazės pradžia ir pabaiga, temperatūra.
Tiesioginės transformacijos valdymo lygtis, pavaizduota faziniu austenito transformavimu į martensitą aušinimo sąlygomis, yra:
čia \(\xi _A\) 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 – pradinė temperatūra\_, T _ – SMA – \_ temperatūra vietos temperatūros atitinkamai.
Diferencijavus (3) ir (4) lygtis, atvirkštinės ir tiesioginės transformacijos lygtys supaprastinamos iki tokios formos:
Transformuojant pirmyn ir atgal \(\eta _{\sigma}\) ir \(\eta _{T}\) įgyja skirtingas reikšmes.Pagrindinės lygtys, susietos su \(\eta _{\sigma}\) ir \(\eta _{T}\), buvo išvestos ir išsamiai aptartos papildomame skyriuje.
Šiluminė energija, reikalinga SMA laido temperatūrai pakelti, gaunama iš Džaulio šildymo efekto.SMA laido sugeriamą arba išleidžiamą šiluminę energiją vaizduoja latentinė transformacijos šiluma.Šilumos nuostoliai SMA laidoje atsiranda dėl priverstinės konvekcijos, o atsižvelgiant į nereikšmingą spinduliuotės poveikį, šilumos energijos balanso lygtis yra tokia:
Kur \(m_{laidas}\) yra bendra SMA laido masė, \(c_{p}\) yra specifinė SMA šiluminė talpa, \(V_{in}\) yra laidui taikoma įtampa, \(R_{ohm} \ ) – nuo ​​fazės priklausoma varža SMA, apibrėžta kaip;\(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) kur \(r_M\ ) ir \(r_A\) yra atitinkamai martensito ir austenito SMA fazinė varža, \(A_{c}\) yra viso laido paviršiaus plotas.Latentinė laido perėjimo šiluma, T ir \(T_{\infty}\) yra atitinkamai SMA laido ir aplinkos temperatūra.
Kai įjungiama formos atminties lydinio viela, viela susispaudžia, sukurdama jėgą kiekvienoje bimodalinio dizaino šakoje, vadinamą pluošto jėga.Kiekvienoje SMA vielos gijoje esančių skaidulų jėgos kartu sukuria raumenų jėgą veikti, kaip parodyta 9e pav.Dėl įstrižainės spyruoklės N-osios daugiasluoksnės pavaros bendra raumenų jėga yra:
Pakeitus \(N = 1\) į (7) lygtį, pirmos pakopos bimodalinės pavaros prototipo raumenų jėgą galima gauti taip:
kur n yra vienarūšių kojų skaičius, \(F_m\) yra pavaros sukuriama raumenų jėga, \​​(F_f\) yra SMA laido pluošto stiprumas, \(K_x\) yra poslinkio standumas.spyruoklė, \(\alpha\) yra trikampio kampas, \(x_0\) yra pradinis įstrižainės spyruoklės poslinkis, kad SMA kabelis būtų iš anksto įtemptas, o \(\Delta x\) yra pavaros eiga.
Bendras pavaros poslinkis arba judėjimas (\(\Delta x\)) priklausomai nuo įtampos (\(\sigma\)) ir įtempimo (\(\epsilon\)) ant N pakopos SMA laido, pavara nustatoma į (žr. Pav. Papildoma išėjimo dalis):
Kinematinės lygtys pateikia ryšį tarp pavaros deformacijos (\(\epsilon\)) ir poslinkio arba poslinkio (\(\Delta x\)).Arb vielos deformacija kaip pradinio Arb vielos ilgio (\(l_0\)) ir laido ilgio (l) funkcija bet kuriuo momentu t vienoje unimodalinėje šakoje yra tokia:
kur \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) gaunamas pritaikius kosinuso formulę \(\Delta\)ABB ', kaip parodyta 8 paveiksle. Pirmosios pakopos pavara (\)\1\1\1) () ) \), o \(\alpha _1\) yra \(\alpha \), kaip parodyta 8 paveiksle, atskiriant laiką nuo (11) lygties ir pakeitus l reikšmę, deformacijos greitis gali būti parašytas taip:
kur \(l_0\) yra pradinis SMA laido ilgis, l yra laido ilgis bet kuriuo metu t vienoje unimodalinėje šakoje, \(\epsilon\) yra SMA laido deformacija, o \(\alpha \) yra trikampio kampas, \(\Delta x\) yra pavaros poslinkis (kaip parodyta 8 paveiksle).
Visos n vienos smailės struktūrų (\(n=6\) šiame paveiksle) yra nuosekliai sujungtos su \(V_{in}\) kaip įėjimo įtampa.I etapas: Bimodalinės konfigūracijos nulinės įtampos sąlygomis SMA laido schema II etapas: parodyta kontroliuojama struktūra, kurioje SMA laidas suspaudžiamas dėl atvirkštinės konversijos, kaip parodyta raudona linija.
Kaip koncepcijos įrodymas, buvo sukurta SMA pagrįsta bimodalinė pavara, skirta išbandyti imituojamą pagrindinių lygčių išvedimą naudojant eksperimentinius rezultatus.Bimodalinės linijinės pavaros CAD modelis parodytas fig.9a.Kita vertus, pav.9c parodytas naujas dizainas, pasiūlytas rotaciniam prizminiam ryšiui naudojant dviejų plokštumų SMA pavarą su bimodaline struktūra.Pavaros komponentai buvo pagaminti naudojant priedų gamybą naudojant Ultimaker 3 Extended 3D spausdintuvą.Komponentų 3D spausdinimui naudojama medžiaga yra polikarbonatas, kuris tinka karščiui atsparioms medžiagoms, nes yra tvirtas, ilgaamžis ir pasižymi aukšta stiklėjimo temperatūra (110-113 \(^{\circ }\) C).Be to, eksperimentuose buvo naudojama Dynalloy, Inc. Flexinol formos atminties lydinio viela, o modeliavime panaudotos medžiagos savybės, atitinkančios Flexinol laidą.Keli SMA laidai yra išdėstyti kaip pluoštai, esantys bimodaliniame raumenų išdėstyme, siekiant gauti dideles jėgas, kurias sukuria daugiasluoksnės pavaros, kaip parodyta 9b, d pav.
Kaip parodyta 9a paveiksle, smailusis kampas, sudarytas iš judančios rankos SMA vielos, vadinamas kampu (\(\alpha\)).Su gnybtų spaustukais, pritvirtintais prie kairiojo ir dešiniojo gnybtų, SMA laidas laikomas norimu bimodaliniu kampu.Ant spyruoklės jungties laikomas įstrižainės spyruoklės įtaisas yra skirtas reguliuoti skirtingas įstrižainės spyruoklių prailginimo grupes pagal SMA pluoštų skaičių (n).Be to, judančių dalių vieta suprojektuota taip, kad SMA laidas būtų veikiamas išorinės aplinkos priverstiniam konvekciniam aušinimui.Viršutinė ir apatinė nuimamo mazgo plokštės padeda išlaikyti SMA laidą vėsią su ekstruzinėmis išpjovomis, skirtomis sumažinti svorį.Be to, abu CMA laido galai atitinkamai pritvirtinami prie kairiojo ir dešiniojo gnybtų, naudojant užspaudimą.Stūmoklis yra pritvirtintas prie vieno judamojo mazgo galo, kad būtų išlaikytas tarpas tarp viršutinės ir apatinės plokščių.Stūmoklis taip pat naudojamas blokavimo jėgai taikyti jutikliui per kontaktą, kad būtų išmatuota blokavimo jėga, kai įjungiamas SMA laidas.
Bimodalinė raumenų struktūra SMA yra elektra sujungta nuosekliai ir maitinama įvesties impulsine įtampa.Įtampos impulsų ciklo metu, kai įjungiama įtampa ir SMA laidas įkaista virš pradinės austenito temperatūros, laido ilgis kiekvienoje gijoje sutrumpėja.Šis įtraukimas suaktyvina kilnojamą svirties mazgą.Kai įtampa buvo nulinė per tą patį ciklą, šildoma SMA viela buvo atvėsinta žemiau martensito paviršiaus temperatūros, taip grįždama į pradinę padėtį.Esant nulinės įtampos sąlygoms, SMA viela pirmiausia pasyviai ištempiama įstrižainės spyruokle, kad būtų pasiekta išskaidyta martensitinė būsena.Sraigtas, per kurį praeina SMA laidas, pasislenka dėl suspaudimo, atsirandančio taikant įtampos impulsą SMA laidui (SPA pasiekia austenito fazę), dėl kurio paleidžiama judama svirtis.Kai SMA laidas įtraukiamas, poslinkio spyruoklė sukuria priešingą jėgą, toliau tempdama spyruoklę.Kai įtempis impulsinėje įtampoje tampa lygus nuliui, SMA laidas dėl priverstinio konvekcinio aušinimo pailgėja ir keičia savo formą, pasiekdamas dvigubą martensitinę fazę.
Siūloma SMA pagrindu sukurta linijinė pavarų sistema turi bimodalinę konfigūraciją, kurioje SMA laidai yra kampuoti.(a) vaizduoja prototipo CAD modelį, kuriame minimi kai kurie komponentai ir jų reikšmės prototipui, (b, d) vaizduoja sukurtą eksperimentinį prototipą35.Nors (b) rodomas prototipo vaizdas iš viršaus su elektrinėmis jungtimis ir įstrižainės spyruoklėmis bei naudojamais deformacijos matuokliais, (d) rodomas perspektyvinis sąrankos vaizdas.(e) Linijinės paleidimo sistemos diagrama su SMA laidais, išdėstytais bimodaliai bet kuriuo metu t, parodanti pluošto ir raumenų jėgos kryptį ir eigą.(c) Dviejų plokštumų SMA pagrindu veikiančiai pavarai panaudoti buvo pasiūlyta 2-DOF sukamoji prizminė jungtis.Kaip parodyta, jungtis perduoda linijinį judesį iš apatinės pavaros į viršutinę svirtį, sukurdama sukimosi ryšį.Kita vertus, prizmių poros judėjimas yra toks pat, kaip ir daugiasluoksnės pirmosios pakopos pavaros judėjimas.
Buvo atliktas eksperimentinis prototipo, parodyto 9b pav., tyrimas, siekiant įvertinti bimodalinės pavaros, pagrįstos SMA, veikimą.Kaip parodyta 10a paveiksle, eksperimentinę sąranką sudarė programuojamas nuolatinės srovės maitinimo šaltinis, skirtas tiekti įėjimo įtampą SMA laidams.Kaip parodyta pav.10b, pjezoelektrinis deformacijų matuoklis (PACEline CFT/5kN) buvo naudojamas blokavimo jėgai išmatuoti naudojant duomenų kaupiklį Graphtec GL-2000.Duomenis šeimininkas įrašo tolesniam tyrimui.Įtempimo matuokliai ir įkrovimo stiprintuvai reikalauja nuolatinio maitinimo, kad būtų gautas įtampos signalas.Atitinkami signalai konvertuojami į galios išėjimus pagal pjezoelektrinės jėgos jutiklio jautrumą ir kitus parametrus, kaip aprašyta 2 lentelėje. Kai taikomas įtampos impulsas, SMA laido temperatūra pakyla, todėl SMA laidas susispaudžia, todėl pavara generuoja jėgą.Eksperimentiniai raumenų jėgos išėjimo 7 V įėjimo įtampos impulsu rezultatai parodyti fig.2a.
a ) Eksperimente buvo sukurta SMA pagrįsta linijinė pavaros sistema, skirta išmatuoti pavaros sukuriamą jėgą.Apkrovos elementas matuoja blokavimo jėgą ir yra maitinamas iš 24 V nuolatinės srovės maitinimo šaltinio.Naudojant GW Instek programuojamą nuolatinės srovės maitinimo šaltinį, per visą kabelio ilgį buvo pritaikytas 7 V įtampos kritimas.SMA viela susitraukia dėl karščio, o judanti rankena liečiasi su apkrovos elementu ir veikia blokuojančią jėgą.Apkrovos elementas yra prijungtas prie GL-2000 duomenų kaupiklio ir duomenys saugomi pagrindiniame kompiuteryje tolesniam apdorojimui.(b) Diagrama, rodanti raumenų jėgos matavimo eksperimentinės sąrankos komponentų grandinę.
Formos atminties lydinius sužadina šiluminė energija, todėl temperatūra tampa svarbiu parametru tiriant formos atminties reiškinį.Eksperimentiškai, kaip parodyta 11a pav., šiluminis vaizdavimas ir temperatūros matavimai buvo atlikti naudojant prototipą SMA pagrindu veikiančioje dvivalerato pavaroje.Programuojamas nuolatinės srovės šaltinis panaudojo įvesties įtampą SMA laidams eksperimentinėje sąrankoje, kaip parodyta 11b paveiksle.SMA laido temperatūros pokytis buvo matuojamas realiu laiku naudojant didelės raiškos LWIR kamerą (FLIR A655sc).Priimančioji programa naudoja ResearchIR programinę įrangą, kad įrašytų duomenis tolesniam tolesniam apdorojimui.Kai taikomas įtampos impulsas, SMA laido temperatūra pakyla, todėl SMA laidas susitraukia.Ant pav.2b paveiksle parodyti eksperimentiniai SMA laido temperatūros ir laiko 7 V įvesties įtampos impulso rezultatai.