Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com.Jūsu izmantotajai pārlūkprogrammas versijai ir ierobežots CSS atbalsts.Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, ieteicams izmantot atjauninātu pārlūkprogrammu (vai atspējot saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer).Tikmēr, lai nodrošinātu nepārtrauktu atbalstu, mēs atveidosim vietni bez stiliem un JavaScript.
Izpildmehānismi tiek izmantoti visur un rada kontrolētu kustību, pieliekot pareizo ierosmes spēku vai griezes momentu, lai veiktu dažādas darbības ražošanas un rūpnieciskās automatizācijas jomā.Nepieciešamība pēc ātrākiem, mazākiem un efektīvākiem diskdziņiem veicina inovāciju piedziņu dizainā.Shape Memory Alloy (SMA) diskdziņi piedāvā vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar parastajiem diskdziņiem, tostarp augstu jaudas un svara attiecību.Šajā promocijas darbā tika izstrādāts divu spalvu SMA bāzes izpildmehānisms, kas apvieno bioloģisko sistēmu spalvu muskuļu priekšrocības un SMA unikālās īpašības.Šis pētījums pēta un paplašina iepriekšējos SMA izpildmehānismus, izstrādājot jaunā izpildmehānisma matemātisko modeli, pamatojoties uz bimodālo SMA vadu izvietojumu, un pārbaudot to eksperimentāli.Salīdzinot ar zināmajiem diskdziņiem, kuru pamatā ir SMA, jaunā piedziņas iedarbināšanas spēks ir vismaz 5 reizes lielāks (līdz 150 N).Attiecīgais svara zudums ir aptuveni 67%.Matemātisko modeļu jutīguma analīzes rezultāti ir noderīgi dizaina parametru regulēšanai un galveno parametru izpratnei.Šis pētījums arī parāda daudzlīmeņu N posma piedziņu, ko var izmantot, lai vēl vairāk uzlabotu dinamiku.Uz SMA balstītiem dipvalerāta muskuļu izpildmehānismiem ir plašs pielietojumu klāsts, sākot no ēku automatizācijas līdz precīzām zāļu ievadīšanas sistēmām.
Bioloģiskās sistēmas, piemēram, zīdītāju muskuļu struktūras, var aktivizēt daudzus smalkus izpildmehānismus1.Zīdītājiem ir dažādas muskuļu struktūras, un katra no tām kalpo noteiktam mērķim.Tomēr lielu daļu zīdītāju muskuļu audu struktūras var iedalīt divās plašās kategorijās.Paralēli un pennate.Paceles cīpslās un citos saliecējus, kā norāda nosaukums, paralēlajā muskulatūrā ir muskuļu šķiedras, kas ir paralēlas centrālajai cīpslai.Muskuļu šķiedru ķēde ir sakārtota un funkcionāli savienota ar saistaudi ap tām.Lai gan tiek teikts, ka šiem muskuļiem ir liela ekskursija (procentuālais saīsinājums), to kopējais muskuļu spēks ir ļoti ierobežots.Turpretim teļa tricepsā muskulī2 (sānu gastrocnemius (GL)3, mediālais gastrocnemius (GM)4 un soleus (SOL)) un augšstilba ekstensorā (četrgalvu muskulī)5,6 ir katrā muskulī 7.Pinnatīvā struktūrā muskuļu šķiedras divpusējā muskulatūras daļā atrodas abās centrālās cīpslas pusēs slīpos leņķos (virsmalas leņķi).Pennate nāk no latīņu vārda "penna", kas nozīmē "pildspalva", un, kā parādīts attēlā.1 ir spalvai līdzīgs izskats.Pennate muskuļu šķiedras ir īsākas un leņķī pret muskuļa garenisko asi.Pinnate struktūras dēļ tiek samazināta šo muskuļu kopējā mobilitāte, kas noved pie saīsināšanas procesa šķērseniskām un gareniskām sastāvdaļām.No otras puses, šo muskuļu aktivizēšana rada lielāku kopējo muskuļu spēku, jo tiek mērīts fizioloģiskā šķērsgriezuma laukums.Tāpēc noteiktā šķērsgriezuma laukumā pennate muskuļi būs spēcīgāki un radīs lielākus spēkus nekā muskuļi ar paralēlām šķiedrām.Atsevišķu šķiedru radītie spēki rada muskuļu spēkus makroskopiskā līmenī šajos muskuļu audos.Turklāt tai ir tādas unikālas īpašības kā ātra saraušanās, aizsardzība pret stiepes bojājumiem, amortizācija.Tas pārveido attiecības starp šķiedru ievadi un muskuļu jaudas izvadi, izmantojot šķiedru izvietojuma unikālās īpašības un ģeometrisko sarežģītību, kas saistīta ar muskuļu darbības līnijām.
Parādītas esošo uz SMA balstītu izpildmehānismu shēmu shematiskas diagrammas saistībā ar bimodālu muskuļu arhitektūru, piemēram, (a), kas attēlo taustes spēka mijiedarbību, kurā ar SMA vadiem iedarbināta rokas formas ierīce ir uzstādīta uz divriteņu autonoma mobilā robota9,10., (b) Robotiskā orbitālā protēze ar antagonistiski novietotu SMA atsperes orbitālo protēzi.Protēzes acs stāvokli kontrolē signāls no acs acs muskuļa11, (c) SMA izpildmehānismi ir ideāli piemēroti lietošanai zem ūdens, jo tiem ir augsta frekvences reakcija un mazs joslas platums.Šajā konfigurācijā SMA izpildmehānismi tiek izmantoti, lai radītu viļņu kustību, simulējot zivju kustību, (d) SMA izpildmehānismi tiek izmantoti, lai izveidotu mikrocaurules pārbaudes robotu, kas var izmantot collu tārpu kustības principu, ko kontrolē SMA vadu kustība kanālā 10, (e) parāda muskuļu šķiedru kontrakcijas virzienu un rada muskuļu šķiedru formu S struktūras muskuļu stieple MA.
Izpildmehānismi ir kļuvuši par nozīmīgu mehānisko sistēmu sastāvdaļu to plašā pielietojuma klāsta dēļ.Tāpēc nepieciešamība pēc mazākiem, ātrākiem un efektīvākiem diskdziņiem kļūst kritiska.Neskatoties uz to priekšrocībām, tradicionālie diskdziņi ir izrādījušies dārgi un laikietilpīgi uzturēt.Hidrauliskie un pneimatiskie izpildmehānismi ir sarežģīti un dārgi, un tie ir pakļauti nodilumam, eļļošanas problēmām un sastāvdaļu bojājumiem.Reaģējot uz pieprasījumu, galvenā uzmanība tiek pievērsta rentablu, pēc izmēra optimizētu un modernu izpildmehānismu izstrādei, kuru pamatā ir viedie materiāli.Lai apmierinātu šo vajadzību, notiekošie pētījumi aplūko formas atmiņas sakausējuma (SMA) slāņu izpildmehānismus.Hierarhiskie izpildmehānismi ir unikāli ar to, ka tie apvieno daudzus atsevišķus izpildmehānismus ģeometriski sarežģītās makro mēroga apakšsistēmās, lai nodrošinātu palielinātu un paplašinātu funkcionalitāti.Šajā sakarā iepriekš aprakstītie cilvēka muskuļu audi ir lielisks daudzslāņu piemērs šādai daudzslāņu iedarbināšanai.Pašreizējais pētījums apraksta daudzlīmeņu SMA disku ar vairākiem atsevišķiem piedziņas elementiem (SMA vadiem), kas ir saskaņoti ar šķiedru orientāciju, kas atrodas bimodālajos muskuļos, kas uzlabo kopējo piedziņas veiktspēju.
Izpildmehānisma galvenais mērķis ir radīt mehānisku jaudu, piemēram, spēku un pārvietojumu, pārveidojot elektrisko enerģiju.Formas atmiņas sakausējumi ir “gudru” materiālu klase, kas spēj atjaunot savu formu augstā temperatūrā.Pie lielām slodzēm SMA stieples temperatūras paaugstināšanās noved pie formas atjaunošanās, kā rezultātā tiek sasniegts augstāks iedarbināšanas enerģijas blīvums, salīdzinot ar dažādiem tieši savienotiem viedajiem materiāliem.Tajā pašā laikā mehāniskās slodzes ietekmē SMA kļūst trausli.Noteiktos apstākļos cikliskā slodze var absorbēt un atbrīvot mehānisko enerģiju, parādot atgriezeniskas histerētiskas formas izmaiņas.Šīs unikālās īpašības padara SMA ideālu sensoriem, vibrāciju slāpēšanai un īpaši izpildmehānismiem12.Paturot to prātā, ir veikts daudz pētījumu par diskdziņiem, kuru pamatā ir SMA.Jāatzīmē, ka uz SMA balstīti izpildmehānismi ir paredzēti, lai nodrošinātu translācijas un rotācijas kustību dažādiem lietojumiem13, 14, 15.Lai gan ir izstrādāti daži rotējošie izpildmehānismi, pētnieki ir īpaši ieinteresēti lineāros izpildmehānismos.Šos lineāros izpildmehānismus var iedalīt trīs veidu izpildmehānismos: viendimensijas, pārvietošanas un diferenciālos izpildmehānismos 16 .Sākotnēji hibrīda diskdziņi tika izveidoti kombinācijā ar SMA un citiem parastajiem diskdziņiem.Viens no šādiem uz SMA balstīta hibrīda lineārā izpildmehānisma piemēriem ir SMA stieples izmantošana ar līdzstrāvas motoru, lai nodrošinātu aptuveni 100 N izejas spēku un ievērojamu pārvietojumu17.
Viens no pirmajiem diskdziņiem, kas pilnībā balstīti uz SMA, bija SMA paralēlais disks.Izmantojot vairākus SMA vadus, uz SMA balstītais paralēlais diskdzinis ir paredzēts, lai palielinātu diskdziņa jaudas jaudu, novietojot visus SMA18 vadus paralēli.Izpildmehānismu paralēlais savienojums ne tikai prasa lielāku jaudu, bet arī ierobežo viena vada izejas jaudu.Vēl viens uz SMA balstītu izpildmehānismu trūkums ir ierobežotais gājiens, ko tie var sasniegt.Lai atrisinātu šo problēmu, tika izveidots SMA kabeļa stars, kas satur novirzītu elastīgu siju, lai palielinātu nobīdi un panāktu lineāru kustību, bet neradīja lielākus spēkus19.Mīkstas deformējamas konstrukcijas un audumi robotiem, kuru pamatā ir formas atmiņas sakausējumi, galvenokārt ir izstrādāti trieciena pastiprināšanai20,21,22.Lietojumiem, kur nepieciešami lieli ātrumi, ir ziņots par kompaktiem piedziņas sūkņiem, kuros izmanto plānas plēves SMA mikrosūkņu piedziņai 23.Plānās plēves SMA membrānas piedziņas frekvence ir galvenais faktors vadītāja ātruma regulēšanā.Tāpēc SMA lineārajiem motoriem ir labāka dinamiskā reakcija nekā SMA atsperu vai stieņu motoriem.Mīkstā robotika un satveršanas tehnoloģija ir divas citas lietojumprogrammas, kurās tiek izmantoti uz SMA balstīti izpildmehānismi.Piemēram, lai aizstātu standarta izpildmehānismu, ko izmantoja 25 N telpas skavā, tika izstrādāts formas atmiņas sakausējuma paralēlais izpildmehānisms 24.Citā gadījumā SMA mīkstais izpildmehānisms tika izgatavots, pamatojoties uz vadu ar iegultu matricu, kas spēj radīt maksimālo vilkšanas spēku 30 N. To mehānisko īpašību dēļ SMA izmanto arī tādu izpildmehānismu ražošanai, kas atdarina bioloģiskas parādības.Viena no šādām izstrādēm ietver 12 šūnu robotu, kas ir sliekām līdzīga organisma biomimētisks līdzeklis ar SMA, lai radītu sinusoidālu kustību uz uguni26, 27.
Kā minēts iepriekš, pastāv ierobežojums maksimālajam spēkam, ko var iegūt no esošajiem SMA izpildmehānismiem.Lai risinātu šo problēmu, šajā pētījumā ir parādīta biomimētiska bimodāla muskuļu struktūra.Piedzen ar formas atmiņas sakausējuma stiepli.Tas nodrošina klasifikācijas sistēmu, kas ietver vairākas formas atmiņas sakausējuma vadus.Līdz šim literatūrā nav ziņots par uz SMA balstītiem izpildmehānismiem ar līdzīgu arhitektūru.Šī unikālā un jaunā sistēma, kuras pamatā ir SMA, tika izstrādāta, lai izpētītu SMA uzvedību bimodālās muskuļu izlīdzināšanas laikā.Salīdzinot ar esošajiem SMA izpildmehānismiem, šī pētījuma mērķis bija izveidot biomimētisku dipvalerāta izpildmehānismu, lai radītu ievērojami lielākus spēkus nelielā tilpumā.Salīdzinājumā ar parastajām pakāpju motora piedziņām, ko izmanto HVAC ēku automatizācijā un vadības sistēmās, piedāvātā uz SMA balstītā bimodālā piedziņas konstrukcija samazina piedziņas mehānisma svaru par 67%.Turpmāk termini “muskuļi” un “dziņa” tiek lietoti kā sinonīmi.Šajā pētījumā tiek pētīta šāda diska daudzfizikas simulācija.Šādu sistēmu mehāniskā uzvedība ir pētīta ar eksperimentālām un analītiskām metodēm.Spēka un temperatūras sadalījums tika tālāk pētīts pie ieejas sprieguma 7 V. Pēc tam tika veikta parametru analīze, lai labāk izprastu saistību starp galvenajiem parametriem un izejas spēku.Visbeidzot, ir paredzēti hierarhiski izpildmehānismi un ir ierosināti hierarhiskā līmeņa efekti kā potenciāla nākotnes joma nemagnētiskiem izpildmehānismiem protezēšanas lietojumiem.Saskaņā ar iepriekšminēto pētījumu rezultātiem vienpakāpes arhitektūras izmantošana rada vismaz četras līdz piecas reizes lielākus spēkus nekā ziņotie uz SMA balstītie izpildmehānismi.Turklāt ir pierādīts, ka tas pats piedziņas spēks, ko rada daudzlīmeņu daudzlīmeņu diskdzinis, ir vairāk nekā desmit reizes lielāks nekā parastajiem SMA diskdziņiem.Pēc tam pētījumā tiek ziņots par galvenajiem parametriem, izmantojot jutīguma analīzi starp dažādiem dizainiem un ievades mainīgajiem.SMA stieples sākotnējam garumam (\(l_0\)), slīpuma leņķim (\(\alpha\)) un atsevišķu šķipsnu skaitam (n) katrā atsevišķā pavedienā ir spēcīga negatīva ietekme uz virzošā spēka lielumu.spēks, savukārt ieejas spriegums (enerģija) izrādījās pozitīvi korelēts.
SMA stieplei ir formas atmiņas efekts (MME), kas redzams niķeļa-titāna (Ni-Ti) sakausējumu saimē.Parasti SMA ir divas no temperatūras atkarīgas fāzes: zemas temperatūras fāze un augstas temperatūras fāze.Abām fāzēm ir unikālas īpašības dažādu kristāla struktūru klātbūtnes dēļ.Austenīta fāzē (augstas temperatūras fāzē), kas atrodas virs transformācijas temperatūras, materiālam ir augsta izturība un tas ir slikti deformēts slodzes ietekmē.Sakausējums uzvedas kā nerūsējošais tērauds, tāpēc tas spēj izturēt lielāku iedarbināšanas spiedienu.Izmantojot šo Ni-Ti sakausējumu īpašību, SMA vadi ir slīpi, lai izveidotu izpildmehānismu.Tiek izstrādāti atbilstoši analītiskie modeļi, lai izprastu SMA termiskās uzvedības fundamentālo mehāniku dažādu parametru un dažādu ģeometriju ietekmē.Tika iegūta laba sakritība starp eksperimentālajiem un analītiskajiem rezultātiem.
Eksperimentāls pētījums tika veikts ar prototipu, kas parādīts 9.a attēlā, lai novērtētu uz SMA balstītas bimodālās piedziņas veiktspēju.Divas no šīm īpašībām, piedziņas radītais spēks (muskuļu spēks) un SMA stieples temperatūra (SMA temperatūra), tika izmērītas eksperimentāli.Palielinoties sprieguma starpībai visā piedziņas vada garumā, džoula sildīšanas efekta dēļ stieples temperatūra paaugstinās.Ieejas spriegums tika pielietots divos 10 s ciklos (parādīts kā sarkani punktiņi 2.a, b attēlā) ar 15 s dzesēšanas periodu starp katru ciklu.Bloķēšanas spēks tika mērīts, izmantojot pjezoelektrisko deformācijas mērītāju, un SMA stieples temperatūras sadalījums tika uzraudzīts reāllaikā, izmantojot zinātniskas kvalitātes augstas izšķirtspējas LWIR kameru (skatiet izmantoto iekārtu raksturlielumus 2. tabulā).parāda, ka augstsprieguma fāzē stieples temperatūra monotoni paaugstinās, bet, kad strāva neplūst, stieples temperatūra turpina kristies.Pašreizējā eksperimentālajā iestatījumā SMA stieples temperatūra dzesēšanas fāzē pazeminājās, taču tā joprojām bija virs apkārtējās vides temperatūras.Uz att.2e parāda temperatūras momentuzņēmumu uz SMA vada, kas ņemts no LWIR kameras.No otras puses, att.2.a attēlā parādīts piedziņas sistēmas radītais bloķēšanas spēks.Kad muskuļu spēks pārsniedz atsperes atjaunojošo spēku, kustīgā roka, kā parādīts 9.a attēlā, sāk kustēties.Tiklīdz sākas iedarbināšana, kustīgā roka saskaras ar sensoru, radot ķermeņa spēku, kā parādīts attēlā.2c, d.Kad maksimālā temperatūra ir tuvu \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), maksimālais novērotais spēks ir 105 N.
Grafikā parādīti eksperimentālie rezultāti par SMA stieples temperatūru un spēku, ko divu ciklu laikā rada uz SMA balstīta bimodālā izpildmehānisma.Ieejas spriegums tiek pielietots divos 10 sekunžu ciklos (parādīts kā sarkani punktiņi) ar 15 sekunžu atdzišanas periodu starp katru ciklu.Eksperimentos izmantotais SMA vads bija 0,51 mm diametra Flexinol stieple no Dynalloy, Inc. (a) Diagrammā parādīts eksperimentālais spēks, kas iegūts divos ciklos, (c, d) parādīti divi neatkarīgi piemēri kustīgu roku izpildmehānismu darbībai uz PACEline CFT/5kN pjezoelektriskā spēka devēja, (b) parādīta maksimālā temperatūra visu S ciklu laikā, grafiks parāda maksimālo temperatūru (laiks grafikā). kadrs uzņemts no SMA vada, izmantojot FLIR ResearchIR programmatūras LWIR kameru.Eksperimentos ņemtie ģeometriskie parametri ir doti tabulā.viens.
Matemātiskā modeļa simulācijas rezultāti un eksperimentālie rezultāti tiek salīdzināti 7V ieejas sprieguma apstākļos, kā parādīts 5.att.Saskaņā ar parametru analīzes rezultātiem un lai izvairītos no SMA stieples pārkaršanas iespējas, izpildmehānismam tika piegādāta jauda 11,2 W.Programmējams līdzstrāvas barošanas avots tika izmantots, lai nodrošinātu 7 V kā ieejas spriegumu, un visā vadā tika mērīta strāva 1,6 A.Piedziņas radītais spēks un SDR temperatūra palielinās, kad tiek pielietota strāva.Ar ieejas spriegumu 7V maksimālais izejas spēks, kas iegūts no pirmā cikla simulācijas rezultātiem un eksperimentālajiem rezultātiem, ir attiecīgi 78 N un 96 N.Otrajā ciklā simulācijas un eksperimentālo rezultātu maksimālais izejas spēks bija attiecīgi 150 N un 105 N.Neatbilstība starp oklūzijas spēka mērījumiem un eksperimentālajiem datiem var būt saistīta ar oklūzijas spēka mērīšanai izmantoto metodi.Attēlā parādītie eksperimentālie rezultāti.5a atbilst bloķēšanas spēka mērījumam, kas savukārt tika mērīts, kad piedziņas vārpsta bija saskarē ar PACEline CFT/5kN pjezoelektriskā spēka devēju, kā parādīts attēlā.2s.Tāpēc, kad piedziņas vārpsta nav saskarē ar spēka sensoru dzesēšanas zonas sākumā, spēks uzreiz kļūst par nulli, kā parādīts 2.d attēlā.Turklāt citi parametri, kas ietekmē spēka veidošanos nākamajos ciklos, ir dzesēšanas laika vērtības un konvektīvās siltuma pārneses koeficients iepriekšējā ciklā.No att.2b, var redzēt, ka pēc 15 sekunžu dzesēšanas perioda SMA vads nesasniedza istabas temperatūru un tāpēc tam bija augstāka sākotnējā temperatūra (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) otrajā braukšanas ciklā, salīdzinot ar pirmo ciklu (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Tādējādi, salīdzinot ar pirmo ciklu, SMA stieples temperatūra otrajā sildīšanas ciklā agrāk sasniedz sākotnējo austenīta temperatūru (\(A_s\)) un ilgāk paliek pārejas periodā, kā rezultātā rodas spriegums un spēks.No otras puses, temperatūras sadalījumam sildīšanas un dzesēšanas ciklos, kas iegūti eksperimentos un simulācijās, ir augsta kvalitatīvā līdzība ar termogrāfiskās analīzes piemēriem.Eksperimentu un simulāciju SMA stieples termisko datu salīdzinošā analīze parādīja konsekvenci sildīšanas un dzesēšanas ciklu laikā un pieļaujamās eksperimentālo datu pielaides.SMA vada maksimālā temperatūra, kas iegūta no pirmā cikla simulācijas un eksperimentu rezultātiem, ir attiecīgi \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) un \(75\,^{\circ }\hbox { C }\ ), bet otrajā ciklā SMA vada maksimālā temperatūra ir \{\box {^ } \ \(94c , ^) circ }\ hbox {C}\).Pamatā izstrādātais modelis apstiprina formas atmiņas efekta efektu.Noguruma un pārkaršanas loma šajā pārskatā netika ņemta vērā.Nākotnē modelis tiks uzlabots, iekļaujot SMA stieples sprieguma vēsturi, padarot to piemērotāku inženiertehniskiem lietojumiem.Piedziņas izejas spēka un SMA temperatūras diagrammas, kas iegūtas no Simulink bloka, ir eksperimentālo datu pieļaujamajās pielaidēs pie ieejas sprieguma impulsa 7 V. Tas apstiprina izstrādātā matemātiskā modeļa pareizību un ticamību.
Matemātiskais modelis tika izstrādāts MathWorks Simulink R2020b vidē, izmantojot sadaļā Metodes aprakstītos pamatvienādojumus.Uz att.3b parāda Simulink matemātikas modeļa blokshēmu.Modelis tika simulēts 7 V ieejas sprieguma impulsam, kā parādīts 2.a, b attēlā.Simulācijā izmantoto parametru vērtības ir norādītas 1. tabulā. Pārejas procesu simulācijas rezultāti parādīti 1. un 1. attēlā. 3.a un 4. attēlā.4a, b parāda inducēto spriegumu SMA vadā un izpildmehānisma radīto spēku kā laika funkciju. Reversās transformācijas (sildīšanas) laikā, kad SMA stieples temperatūra \(T < A_s^{\prime}\) (spriegumā modificētā austenīta fāzes sākuma temperatūra), martensīta tilpuma daļas (\(\dot{\xi }\)) izmaiņu ātrums būs nulle. Reversās transformācijas (sildīšanas) laikā, kad SMA stieples temperatūra \(T < A_s^{\prime}\) (spriegumā modificētā austenīta fāzes sākuma temperatūra), martensīta tilpuma daļas (\(\dot{\ xi }\)) izmaiņu ātrums būs nulle. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начафитыро а, стощения нная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Reversās transformācijas (sildīšanas) laikā, kad SMA stieples temperatūra \(T < A_s^{\prime}\) (sprieguma modificēta austenīta sākuma temperatūra), martensīta tilpuma daļas (\(\dot{\ xi }\ )) izmaiņu ātrums būs nulle.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T <A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体盋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 айпнарафоты ряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Reversās transformācijas (sildīšanas) laikā SMA stieples temperatūrā \(T <A_s^{\prime}\) (austenīta fāzes kodola temperatūra, koriģēta pēc sprieguma), martensīta tilpuma daļas izmaiņu ātrums (\( \dot{\ xi }\)) būs vienāds ar nulli.Tāpēc spriedzes izmaiņu ātrums (\(\dot{\sigma}\)) būs atkarīgs no deformācijas ātruma (\(\dot{\epsilon}\)) un temperatūras gradienta (\(\dot{T} \) ), tikai izmantojot vienādojumu (1).Tomēr, SMA stieples temperatūrai paaugstinoties un šķērsojot (\(A_s^{\prime}\)), sāk veidoties austenīta fāze, un (\(\dot{\xi}\)) tiek ņemta par vienādojuma (3) doto vērtību.Tāpēc sprieguma maiņas ātrumu (\(\punkt{\sigma}\)) kopīgi kontrolē \(\punkts{\epsilon}, \punkts{T}\) un \(\punkts{\xi}\) ir vienāds ar formulā (1) norādīto.Tas izskaidro gradienta izmaiņas, kas novērotas laika mainīgajā sprieguma un spēka kartēs sildīšanas cikla laikā, kā parādīts 4.a, b attēlā.
(a) Simulācijas rezultāts, kas parāda temperatūras sadalījumu un sprieguma izraisītu savienojuma temperatūru divvalerāta izpildmehānismā, kura pamatā ir SMA.Kad stieples temperatūra karsēšanas stadijā šķērso austenīta pārejas temperatūru, modificētā austenīta pārejas temperatūra sāk paaugstināties, un līdzīgi, kad stiepļu stieņa temperatūra šķērso martensīta pārejas temperatūru dzesēšanas stadijā, martensīta pārejas temperatūra samazinās.SMA iedarbināšanas procesa analītiskai modelēšanai.(Lai iegūtu detalizētu skatījumu par katru Simulink modeļa apakšsistēmu, skatiet papildu faila pielikuma sadaļu.)
Analīzes rezultāti dažādiem parametru sadalījumiem ir parādīti diviem 7V ieejas sprieguma cikliem (10 sekunžu iesildīšanas cikli un 15 sekunžu dzesēšanas cikli).Kamēr (ac) un (e) attēlo sadalījumu laikā, no otras puses, (d) un (f) ilustrē sadalījumu ar temperatūru.Attiecīgajiem ievades apstākļiem maksimālais novērotais spriegums ir 106 MPa (mazāks par 345 MPa, stieples tecēšanas robeža), spēks ir 150 N, maksimālais pārvietojums ir 270 µm un minimālā martensīta tilpuma daļa ir 0,91.No otras puses, sprieguma izmaiņas un martensīta tilpuma daļas izmaiņas ar temperatūru ir līdzīgas histerēzes raksturlielumiem.
Tas pats skaidrojums attiecas uz tiešo pārveidošanu (dzesēšanu) no austenīta fāzes uz martensīta fāzi, kur SMA stieples temperatūra (T) un sprieguma modificētās martensīta fāzes beigu temperatūra (\(M_f^{\prime}\ )) ir lieliska.Uz att.4d, f parāda inducētā sprieguma (\(\sigma\)) un martensīta tilpuma daļas (\(\xi\)) izmaiņas SMA stieplē kā SMA stieples temperatūras izmaiņu funkciju (T) abos braukšanas ciklos.Uz att.3.a attēlā parādītas SMA stieples temperatūras izmaiņas ar laiku atkarībā no ieejas sprieguma impulsa.Kā redzams attēlā, stieples temperatūra turpina paaugstināties, nodrošinot siltuma avotu pie nulles sprieguma un sekojošu konvektīvu dzesēšanu.Karsēšanas laikā martensīta retransformācija austenīta fāzē sākas, kad SMA stieples temperatūra (T) šķērso spriegumu koriģēto austenīta kodēšanas temperatūru (\(A_s^{\prime}\)).Šajā fāzē SMA vads tiek saspiests un izpildmehānisms rada spēku.Arī dzesēšanas laikā, kad SMA stieples (T) temperatūra šķērso spriegumu modificētās martensīta fāzes (\(M_s^{\prime}\)) kodēšanas temperatūru, notiek pozitīva pāreja no austenīta fāzes uz martensīta fāzi.piedziņas spēks samazinās.
Uz SMA balstītās bimodālās piedziņas galvenos kvalitatīvos aspektus var iegūt no simulācijas rezultātiem.Sprieguma impulsa ieejas gadījumā SMA stieples temperatūra palielinās džoula sildīšanas efekta dēļ.Martensīta tilpuma daļas sākotnējā vērtība (\(\xi\)) ir iestatīta uz 1, jo materiāls sākotnēji ir pilnībā martensīta fāzē.Vadam turpinot uzkarst, SMA stieples temperatūra pārsniedz spriegumu koriģēto austenīta kodēšanas temperatūru \(A_s^{\prime}\), kā rezultātā samazinās martensīta tilpuma daļa, kā parādīts 4.c attēlā.Turklāt attēlā.4e parādīts izpildmehānisma gājienu sadalījums laikā, un att.5 – dzinējspēks kā laika funkcija.Saistītā vienādojumu sistēma ietver temperatūru, martensīta tilpuma daļu un spriegumu, kas veidojas stieplē, kā rezultātā SMA stieple saraujas un spēks, ko rada izpildmehānisms.Kā parādīts attēlā.4d, f, sprieguma svārstības ar temperatūru un martensīta tilpuma frakcijas izmaiņas ar temperatūru atbilst SMA histerēzes raksturlielumiem simulētajā gadījumā pie 7 V.
Braukšanas parametru salīdzinājums tika iegūts, veicot eksperimentus un analītiskos aprēķinus.Vadi tika pakļauti impulsa ieejas spriegumam 7 V 10 sekundes, pēc tam atdzesēja 15 sekundes (dzesēšanas fāze) divos ciklos.Pinnate leņķis ir iestatīts uz \(40^{\circ}\), un sākotnējais SMA stieples garums katrā atsevišķā tapas kājā ir iestatīts uz 83 mm.a) dzinējspēka mērīšana ar slodzes elementu; b) stieples temperatūras uzraudzība ar termisko infrasarkano kameru.
Lai izprastu fizisko parametru ietekmi uz piedziņas radīto spēku, tika veikta matemātiskā modeļa jutības analīze pret izvēlētajiem fizikālajiem parametriem un parametri sarindoti atbilstoši to ietekmei.Pirmkārt, modeļa parametru paraugu ņemšana tika veikta, izmantojot eksperimentālas projektēšanas principus, kas sekoja vienmērīgam sadalījumam (skatīt Papildu sadaļu par jutīguma analīzi).Šajā gadījumā modeļa parametri ietver ieejas spriegumu (\(V_{in}\)), sākotnējo SMA stieples garumu (\(l_0\)), trīsstūra leņķi (\(\alpha\)), slīpuma atsperes konstanti (\( K_x\ )), konvektīvās siltuma pārneses koeficientu (\(h_T\)) un unimodālo zaru skaitu (n).Nākamajā solī kā pētījuma plānošanas prasība tika izvēlēts maksimālais muskuļu spēks un tika iegūta katra mainīgo kopuma parametriskā ietekme uz spēku.Tornado diagrammas jutības analīzei tika iegūtas no katra parametra korelācijas koeficientiem, kā parādīts 6.a attēlā.
(a) Tornado diagrammā ir parādītas modeļa parametru korelācijas koeficientu vērtības un to ietekme uz augstākminēto modeļa parametru 2500 unikālo grupu maksimālo izejas spēku.Grafikā parādīta vairāku rādītāju rangu korelācija.Ir skaidrs, ka \(V_{in}\) ir vienīgais parametrs ar pozitīvu korelāciju, un \(l_0\) ir parametrs ar visaugstāko negatīvo korelāciju.Dažādu parametru ietekme dažādās kombinācijās uz maksimālo muskuļu spēku ir parādīta (b, c).\(K_x\) svārstās no 400 līdz 800 N/m un n diapazonā no 4 līdz 24. Spriegums (\(V_{in}\)) mainīts no 4 V uz 10 V, stieples garums (\(l_{0 } \)) mainīts no 40 līdz 100 mm, un astes leņķis ir mainīts no (\) (\) (\0, \ \ 0, \ \ \ 2 c }\).
Uz att.6.a attēlā ir parādīts viesuļvētru grafiks ar dažādiem korelācijas koeficientiem katram parametram ar maksimālā piedziņas spēka projektēšanas prasībām.No att.6a redzams, ka sprieguma parametrs (\(V_{in}\)) ir tieši saistīts ar maksimālo izejas spēku, un konvektīvā siltuma pārneses koeficients (\(h_T\)), liesmas leņķis (\ ( \alpha\)) , pārvietojuma atsperes konstante ( \(K_x\)) ir negatīvi korelē ar izejas spēku un stieples sākotnējo garumu (,)() spēcīga apgrieztā korelācija Tiešās korelācijas gadījumā Augstākas sprieguma korelācijas koeficienta vērtības gadījumā (\(V_ {in}\)) norāda, ka šim parametram ir vislielākā ietekme uz izejas jaudu.Cita līdzīga analīze mēra maksimālo spēku, novērtējot dažādu parametru ietekmi dažādās divu skaitļošanas telpu kombinācijās, kā parādīts 6.b, c attēlā.\(V_{in}\) un \(l_0\), \(\alpha\) un \(l_0\) ir līdzīgi modeļi, un diagramma parāda, ka \(V_{in}\) un \(\alpha\ ) un \(\alpha\) ir līdzīgi modeļi.Mazākas \(l_0\) vērtības rada lielākus maksimālos spēkus.Pārējie divi grafiki atbilst 6.a attēlam, kur n un \(K_x\) ir negatīvi korelēti un \(V_{in}\) ir pozitīvi korelēti.Šī analīze palīdz definēt un pielāgot ietekmējošos parametrus, ar kuriem piedziņas sistēmas izejas spēku, gājienu un efektivitāti var pielāgot prasībām un pielietojumam.
Pašreizējais pētniecības darbs ievieš un pēta hierarhiskus diskus ar N līmeņiem.Divu līmeņu hierarhijā, kā parādīts 7.a attēlā, kur katra pirmā līmeņa izpildmehānisma SMA vada vietā tiek panākts bimodāls izvietojums, kā parādīts 7.a attēlā.9e.Uz att.7c attēlā parādīts, kā SMA vads tiek aptīts ap kustīgu roku (palīgroku), kas pārvietojas tikai garenvirzienā.Tomēr primārā kustīgā roka turpina kustēties tādā pašā veidā kā 1. pakāpes daudzpakāpju izpildmehānisma kustīgā roka.Parasti N-pakāpes diskdzini izveido, aizstājot \(N-1\) posma SMA vadu ar pirmās pakāpes disku.Rezultātā katrs zars atdarina pirmās pakāpes piedziņu, izņemot zaru, kas tur pašu vadu.Tādā veidā var izveidot ligzdotas struktūras, kas rada spēkus, kas vairākas reizes pārsniedz primāro piedziņu spēkus.Šajā pētījumā katram līmenim tika ņemts vērā kopējais efektīvais SMA stieples garums 1 m, kā parādīts tabulas formātā 7.d attēlā.Strāva caur katru vadu katrā unimodālajā dizainā un no tā izrietošais priekšspriegums un spriegums katrā SMA stieples segmentā ir vienādi katrā līmenī.Saskaņā ar mūsu analītisko modeli izejas spēks ir pozitīvi korelēts ar līmeni, savukārt pārvietojums ir negatīvi korelēts.Tajā pašā laikā notika kompromiss starp pārvietošanos un muskuļu spēku.Kā redzams attēlā.7b, kamēr maksimālais spēks tiek sasniegts lielākajā slāņu skaitā, vislielākā nobīde tiek novērota zemākajā slānī.Kad hierarhijas līmenis tika iestatīts uz \(N=5\), tika konstatēts maksimālais muskuļu spēks 2,58 kN ar 2 novērotiem sitieniem \(\upmu\)m.No otras puses, pirmā posma piedziņa ģenerē 150 N spēku pie 277 \(\upmu\)m gājiena.Daudzlīmeņu izpildmehānismi spēj atdarināt reālus bioloģiskos muskuļus, kur mākslīgie muskuļi, kuru pamatā ir formas atmiņas sakausējumi, spēj radīt ievērojami lielākus spēkus ar precīzām un smalkākām kustībām.Šīs miniaturizētās konstrukcijas ierobežojumi ir tādi, ka, palielinoties hierarhijai, kustība tiek ievērojami samazināta un piedziņas ražošanas process kļūst sarežģītāks.
(a) Divpakāpju (\(N=2\)) slāņu formas atmiņas sakausējuma lineārā izpildmehānisma sistēma ir parādīta bimodālā konfigurācijā.Piedāvātais modelis tiek panākts, aizstājot SMA vadu pirmās pakāpes slāņainā izpildmehānismā ar citu vienpakāpes slāņu izpildmehānismu.c) Otrās pakāpes daudzslāņu izpildmehānisma deformēta konfigurācija.b) ir aprakstīts spēku un pārvietojumu sadalījums atkarībā no līmeņu skaita.Konstatēts, ka izpildmehānisma maksimālais spēks pozitīvi korelē ar skalas līmeni grafikā, savukārt gājiens ir negatīvi korelēts ar skalas līmeni.Strāva un priekšspriegums katrā vadā paliek nemainīgs visos līmeņos.(d) Tabulā ir norādīts krānu skaits un SMA stieples (šķiedras) garums katrā līmenī.Vadu raksturlielumi ir norādīti ar indeksu 1, un sekundāro zaru skaits (viens, kas savienots ar primāro kāju) ir norādīts ar lielāko indeksa numuru.Piemēram, 5. līmenī \(n_1\) apzīmē SMA vadu skaitu katrā bimodālajā struktūrā, un \(n_5\) norāda uz papildu kāju skaitu (viena, kas savienota ar galveno posmu).
Daudzi pētnieki ir ierosinājuši dažādas metodes, lai modelētu SMA uzvedību ar formas atmiņu, kas ir atkarīga no termomehāniskajām īpašībām, kas pavada makroskopiskās izmaiņas kristāla struktūrā, kas saistītas ar fāzes pāreju.Konstitutīvo metožu formulējums pēc būtības ir sarežģīts.Visbiežāk izmantoto fenomenoloģisko modeli ierosina Tanaka28, un to plaši izmanto inženierzinātnēs.Tanaka [28] piedāvātais fenomenoloģiskais modelis pieņem, ka martensīta tilpuma daļa ir temperatūras un sprieguma eksponenciāla funkcija.Vēlāk Liangs un Rodžers29 un Brinsons30 ierosināja modeli, kurā tika pieņemts, ka fāzes pārejas dinamika ir sprieguma un temperatūras kosinusa funkcija ar nelielām modeļa modifikācijām.Bekers un Brinsons ierosināja fāzu diagrammu balstītu kinētisko modeli, lai modelētu SMA materiālu uzvedību patvaļīgos slodzes apstākļos, kā arī daļējas pārejas.Banerjee32 izmanto Bekker un Brinson31 fāzes diagrammas dinamikas metodi, lai simulētu vienas brīvības pakāpes manipulatoru, ko izstrādājuši Elahinia un Ahmadian33.Kinētiskās metodes, kuru pamatā ir fāzu diagrammas un kurās tiek ņemtas vērā nemonotoniskās sprieguma izmaiņas atkarībā no temperatūras, ir grūti īstenot inženiertehniskos lietojumos.Elakhinia un Ahmadian pievērš uzmanību šiem esošo fenomenoloģisko modeļu trūkumiem un ierosina paplašinātu fenomenoloģisko modeli, lai analizētu un definētu formas atmiņas uzvedību jebkuros sarežģītos iekraušanas apstākļos.
SMA stieples strukturālais modelis sniedz SMA stieples spriegumu (\(\sigma\)), deformāciju (\(\epsilon\)), temperatūru (T) un martensīta tilpuma daļu (\(\xi\)).Fenomenoloģisko konstitutīvo modeli vispirms ierosināja Tanaka28 un vēlāk pieņēma Liang29 un Brinsons30.Vienādojuma atvasinājumam ir šāda forma:
kur E ir no fāzes atkarīgais SMA Janga modulis, kas iegūts, izmantojot \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) un \(E_A\) un \(E_M\), kas attēlo Janga moduli, ir attiecīgi austenīta un martensīta fāzes, un termiskās izplešanās koeficients \\edta ar _T ir.Fāzes pārejas ieguldījuma koeficients ir \(\Omega = -E \epsilon _L\) un \(\epsilon _L\) ir SMA vada maksimālā atgūstamā deformācija.
Fāzes dinamikas vienādojums sakrīt ar kosinusa funkciju, ko izstrādāja Liang29 un vēlāk pieņēma Brinsons30 Tanaka ierosinātās eksponenciālās funkcijas vietā.Fāzes pārejas modelis ir Elakhinia un Ahmadian34 piedāvātā modeļa paplašinājums un modificēta, pamatojoties uz Liang29 un Brinson sniegtajiem fāzes pārejas nosacījumiem.Šim fāzes pārejas modelim izmantotie nosacījumi ir spēkā sarežģītās termomehāniskās slodzēs.Katrā laika momentā, modelējot konstitutīvo vienādojumu, tiek aprēķināta martensīta tilpuma daļas vērtība.
Vadošais retransformācijas vienādojums, kas izteikts ar martensīta pārveidošanu par austenītu karsēšanas apstākļos, ir šāds:
kur \(\xi\) ir martensīta tilpuma daļa, \(\xi _M\) ir martensīta tilpuma daļa, kas iegūta pirms karsēšanas, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) un parametrs \(C) – vads, \\ aptuvens \) un \(A_f\) – austenīta fāzes sākums un beigas, attiecīgi temperatūra.
Tiešās transformācijas kontroles vienādojums, ko attēlo austenīta fāzes pārveide par martensītu dzesēšanas apstākļos, ir:
kur \(\xi _A\) ir martensīta tilpuma daļa, kas iegūta pirms dzesēšanas, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) un \ ( C_M \) – līknes pielāgošanas parametri, \_ sākuma un SMA\ vadu temperatūra, T ) (SMA) vietas temperatūra, attiecīgi.
Pēc (3) un (4) vienādojuma diferencēšanas apgrieztās un tiešās transformācijas vienādojumi tiek vienkāršoti šādā formā:
Pārveidojot uz priekšu un atpakaļ, \(\eta _{\sigma}\) un \(\eta _{T}\) ir dažādas vērtības.Pamatvienādojumi, kas saistīti ar \(\eta _{\sigma}\) un \(\eta _{T}\), ir atvasināti un detalizēti apspriesti papildu sadaļā.
Siltumenerģija, kas nepieciešama, lai paaugstinātu SMA stieples temperatūru, nāk no Džoula sildīšanas efekta.SMA stieples absorbēto vai izdalīto siltumenerģiju attēlo latentais transformācijas siltums.Siltuma zudumi SMA vadā rodas piespiedu konvekcijas rezultātā, un, ņemot vērā nenozīmīgo starojuma ietekmi, siltumenerģijas bilances vienādojums ir šāds:
Kur \(m_{vads}\) ir SMA vada kopējā masa, \(c_{p}\) ir SMA īpatnējā siltumietilpība, \(V_{in}\) ir vadam pievadītais spriegums, \(R_{ohm} \ ) – no fāzes atkarīga pretestība SMA, kas definēta kā;\(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) kur \(r_M\ ) un \(r_A\) ir attiecīgi martensīta un austenīta SMA fāzes pretestība, \(A_{c}\) ir visas atmiņas virsmas laukums.Stieples latentais pārejas siltums T un \(T_{\infty}\) ir attiecīgi SMA vada un vides temperatūra.
Kad tiek iedarbināta formas atmiņas sakausējuma stieple, stieple saspiežas, radot spēku katrā bimodālās konstrukcijas atzarā, ko sauc par šķiedras spēku.Šķiedru spēki katrā SMA stieples pavedienā kopā rada muskuļu spēku, lai iedarbinātu, kā parādīts 9.e attēlā.Slīpēšanas atsperes klātbūtnes dēļ N. daudzslāņu izpildmehānisma kopējais muskuļu spēks ir:
Aizstājot \(N = 1\) vienādojumā (7), pirmās pakāpes bimodālās piedziņas prototipa muskuļu spēku var iegūt šādi:
kur n ir unimodālo kāju skaits, \(F_m\) ir piedziņas radītais muskuļu spēks, \​​(F_f\) ir šķiedras stiprums SMA stieplē, \(K_x\) ir slīpuma stīvums.atspere, \(\alpha\) ir trīsstūra leņķis, \(x_0\) ir nobīdes atsperes sākotnējā nobīde, lai noturētu SMA kabeli iepriekš nospriegotā stāvoklī, un \(\Delta x\) ir izpildmehānisma gājiens.
Kopējais piedziņas pārvietojums vai kustība (\(\Delta x\)) atkarībā no sprieguma (\(\sigma\)) un spriedzes (\(\epsilon\)) uz N pakāpes SMA vada, piedziņa ir iestatīta uz (skatiet att. Izejas papildu daļu):
Kinemātiskie vienādojumi sniedz sakarību starp piedziņas deformāciju (\(\epsilon\)) un pārvietojumu vai pārvietojumu (\(\Delta x\)).Arb stieples deformācija kā funkcija no sākotnējā Arb stieples garuma (\(l_0\)) un stieples garuma (l) jebkurā brīdī t vienā unimodālajā atzarā ir šāda:
kur \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) iegūst, piemērojot kosinusa formulu \(\Delta\)ABB ', kā parādīts 8. attēlā. Pirmā posma piedziņai (\)\1\1\1) x \), un \(\alpha _1\) ir \(\alpha \), kā parādīts 8. attēlā, diferencējot laiku no vienādojuma (11) un aizstājot l vērtību, deformācijas ātrumu var uzrakstīt šādi:
kur \(l_0\) ir SMA vada sākotnējais garums, l ir stieples garums jebkurā brīdī t vienā unimodālajā atzarā, \(\epsilon\) ir SMA vada deformācija, un \(\alpha \) ir trīsstūra leņķis, \(\Delta x\) ir piedziņas nobīde (kā parādīts 8. attēlā).
Visas n viena pīķa struktūras (\(n=6\) šajā attēlā) ir savienotas virknē ar \(V_{in}\) kā ieejas spriegumu.I posms: SMA stieples shematiska diagramma bimodālā konfigurācijā nulles sprieguma apstākļos II posms: tiek parādīta kontrolēta struktūra, kur SMA vads ir saspiests apgrieztās konversijas dēļ, kā parādīts ar sarkano līniju.
Kā koncepcijas pierādījums tika izstrādāta uz SMA balstīta bimodāla piedziņa, lai pārbaudītu pamatā esošo vienādojumu simulētu atvasināšanu ar eksperimentāliem rezultātiem.Bimodālā lineārā izpildmehānisma CAD modelis ir parādīts att.9a.No otras puses, att.9c parādīts jauns dizains, kas ierosināts rotācijas prizmatiskajam savienojumam, izmantojot divu plakņu SMA izpildmehānismu ar bimodālu struktūru.Piedziņas komponenti tika izgatavoti, izmantojot piedevu ražošanu Ultimaker 3 Extended 3D printerī.Komponentu 3D drukāšanai izmantotais materiāls ir polikarbonāts, kas ir piemērots karstumizturīgiem materiāliem, jo ​​ir izturīgs, izturīgs un tam ir augsta stiklošanās temperatūra (110-113 \(^{\circ }\) C).Turklāt eksperimentos tika izmantots Dynalloy, Inc. Flexinol formas atmiņas sakausējuma stieple, un simulācijās tika izmantotas materiāla īpašības, kas atbilst Flexinol stieplei.Vairāki SMA vadi ir izvietoti kā šķiedras, kas atrodas muskuļu bimodālā izkārtojumā, lai iegūtu lielus spēkus, ko rada daudzslāņu izpildmehānismi, kā parādīts 9.b, d attēlā.
Kā parādīts 9.a attēlā, akūto leņķi, ko veido kustīgā roka SMA stieple, sauc par leņķi (\(\alpha\)).Ar spaiļu skavām, kas piestiprinātas pie kreisās un labās puses skavām, SMA vads tiek turēts vēlamajā bimodālajā leņķī.Spriedzes atsperes ierīce, kas atrodas uz atsperes savienotāja, ir paredzēta dažādu slīpo atsperu pagarinājumu grupu regulēšanai atbilstoši SMA šķiedru skaitam (n).Turklāt kustīgo daļu izvietojums ir veidots tā, lai SMA vads tiktu pakļauts ārējai videi piespiedu konvekcijas dzesēšanai.Noņemamā mezgla augšējās un apakšējās plāksnes palīdz uzturēt SMA vadu vēsu ar ekstrudētiem izgriezumiem, kas paredzēti svara samazināšanai.Turklāt abi CMA stieples gali ir piestiprināti attiecīgi pie kreisās un labās puses spailēm ar gofrēšanas palīdzību.Vienam kustīgā mezgla galam ir pievienots virzulis, lai saglabātu atstarpi starp augšējo un apakšējo plāksni.Virzuli izmanto arī, lai pieliktu sensoram bloķējošu spēku, izmantojot kontaktu, lai izmērītu bloķēšanas spēku, kad tiek iedarbināts SMA vads.
Bimodālā muskuļu struktūra SMA ir elektriski savienota virknē un tiek darbināta ar ieejas impulsa spriegumu.Sprieguma impulsa cikla laikā, kad tiek pielikts spriegums un SMA vads tiek uzkarsēts virs austenīta sākotnējās temperatūras, stieples garums katrā pavedienā tiek saīsināts.Šī ievilkšana aktivizē kustīgo roku mezglu.Kad spriegums tika noregulēts uz nulli tajā pašā ciklā, sakarsētais SMA vads tika atdzesēts zem martensīta virsmas temperatūras, tādējādi atgriežoties sākotnējā stāvoklī.Nulles sprieguma apstākļos SMA vads vispirms tiek pasīvi izstiepts ar slīpuma atsperi, lai sasniegtu atdalīto martensīta stāvokli.Skrūve, caur kuru iziet SMA vads, pārvietojas kompresijas dēļ, kas rodas, pieliekot SMA vadam sprieguma impulsu (SPA sasniedz austenīta fāzi), kas noved pie kustīgās sviras iedarbināšanas.Kad SMA vads ir ievilkts, slīpuma atspere rada pretēju spēku, tālāk izstiepjot atsperi.Kad spriegums impulsa spriegumā kļūst par nulli, SMA vads pagarinās un maina savu formu piespiedu konvekcijas dzesēšanas dēļ, sasniedzot dubultu martensīta fāzi.
Piedāvātajai uz SMA balstītai lineārajai izpildmehānismu sistēmai ir bimodāla konfigurācija, kurā SMA vadi ir noliekti.(a) attēlo prototipa CAD modeli, kurā minēti daži komponenti un to nozīme prototipam, (b, d) attēlo izstrādāto eksperimentālo prototipu35.Kamēr (b) parāda prototipa augšējo skatu ar elektriskajiem savienojumiem un izmantotajām atsperēm un deformācijas mērierīcēm, (d) parāda iestatīšanas perspektīvu.(e) lineāras iedarbināšanas sistēmas diagramma ar SMA vadiem, kas novietoti bimodāli jebkurā laikā t, parādot šķiedras un muskuļu spēka virzienu un gaitu.(c) Ir ierosināts 2-DOF rotācijas prizmatisks savienojums, lai izvietotu divu plakņu SMA izpildmehānismu.Kā parādīts, saite pārraida lineāru kustību no apakšējās piedziņas uz augšējo roku, radot rotācijas savienojumu.No otras puses, prizmu pāra kustība ir tāda pati kā daudzslāņu pirmās pakāpes piedziņas kustība.
Eksperimentāls pētījums tika veikts ar prototipu, kas parādīts 9.b attēlā, lai novērtētu uz SMA balstītas bimodālās piedziņas veiktspēju.Kā parādīts 10.a attēlā, eksperimentālā iestatīšana sastāvēja no programmējama līdzstrāvas barošanas avota, lai nodrošinātu ieejas spriegumu SMA vadiem.Kā parādīts attēlā.10b, pjezoelektriskais deformācijas mērītājs (PACEline CFT/5kN) tika izmantots, lai izmērītu bloķēšanas spēku, izmantojot Graphtec GL-2000 datu reģistrētāju.Datus reģistrē saimnieks turpmākai izpētei.Sprieguma signāla radīšanai deformācijas mērītājiem un lādiņa pastiprinātājiem ir nepieciešama pastāvīga strāvas padeve.Atbilstošie signāli tiek pārveidoti jaudas izejās atbilstoši pjezoelektriskā spēka sensora jutībai un citiem parametriem, kā aprakstīts 2. tabulā. Kad tiek pielietots sprieguma impulss, SMA stieples temperatūra palielinās, izraisot SMA stieples saspiešanu, kā rezultātā izpildmehānisms rada spēku.Eksperimentālie rezultāti muskuļu spēka izvadīšanai ar ieejas sprieguma impulsu 7 V ir parādīti attēlā.2a.
(a) Eksperimentā tika izveidota uz SMA balstīta lineāra izpildmehānisma sistēma, lai izmērītu izpildmehānisma radīto spēku.Slodzes devējs mēra bloķēšanas spēku, un to darbina 24 V līdzstrāvas barošanas avots.Visā kabeļa garumā tika pielietots 7 V sprieguma kritums, izmantojot GW Instek programmējamo līdzstrāvas barošanas avotu.SMA vads saraujas karstuma dēļ, un kustīgā roka saskaras ar slodzes elementu un iedarbojas bloķējošu spēku.Slodzes devējs ir savienots ar GL-2000 datu reģistrētāju, un dati tiek saglabāti resursdatorā turpmākai apstrādei.(b) Diagramma, kurā parādīta muskuļu spēka mērīšanas eksperimentālā iestatījuma komponentu ķēde.
Formas atmiņas sakausējumus ierosina siltumenerģija, tāpēc temperatūra kļūst par svarīgu parametru formas atmiņas fenomena pētīšanai.Eksperimentāli, kā parādīts 11.a attēlā, termiskā attēlveidošana un temperatūras mērījumi tika veikti ar SMA bāzes divvalerāta izpildmehānisma prototipu.Programmējams līdzstrāvas avots pielika ieejas spriegumu SMA vadiem eksperimentālajā iestatījumā, kā parādīts 11.b attēlā.SMA stieples temperatūras izmaiņas tika mērītas reāllaikā, izmantojot augstas izšķirtspējas LWIR kameru (FLIR A655sc).Saimnieks izmanto ResearchIR programmatūru, lai reģistrētu datus turpmākai pēcapstrādei.Kad tiek pielietots sprieguma impulss, SMA stieples temperatūra paaugstinās, izraisot SMA stieples saraušanos.Uz att.2.b attēlā parādīti SMA stieples temperatūras un laika eksperimentālie rezultāti 7 V ieejas sprieguma impulsam.