Nature.com сайтаар зочилсонд баярлалаа.Таны ашиглаж буй хөтчийн хувилбар нь хязгаарлагдмал CSS дэмжлэгтэй.Хамгийн сайн ашиглахын тулд бид танд шинэчилсэн хөтөч ашиглахыг зөвлөж байна (эсвэл Internet Explorer-д нийцтэй байдлын горимыг идэвхгүй болгох).Энэ хооронд байнгын дэмжлэгийг хангахын тулд бид сайтыг ямар ч загвар, JavaScript-гүйгээр үзүүлэх болно.
Хөдөлгүүрийг хаа сайгүй ашигладаг бөгөөд үйлдвэрлэл, үйлдвэрлэлийн автоматжуулалтад янз бүрийн үйлдлийг гүйцэтгэхийн тулд зөв өдөөх хүч эсвэл эргүүлэх хүчийг ашиглан хяналттай хөдөлгөөнийг бий болгодог.Илүү хурдан, жижиг, илүү үр ашигтай хөтчүүдийн хэрэгцээ нь хөтөчийн загварт инновацийг түлхэж байна.Shape Memory Alloy (SMA) хөтчүүд нь ердийн хөтчүүдээс хэд хэдэн давуу талтай бөгөөд үүнд хүч, жингийн харьцаа өндөр байдаг.Энэхүү диссертацид биологийн системийн өдлөг булчингийн давуу талууд болон SMA-ийн өвөрмөц шинж чанарыг хослуулсан хоёр өдтэй SMA-д суурилсан идэвхжүүлэгчийг бүтээсэн.Энэхүү судалгаа нь хоёр модаль SMA утасны зохион байгуулалтад суурилсан шинэ идэвхжүүлэгчийн математик загварыг боловсруулж, туршилтаар турших замаар өмнөх SMA идэвхжүүлэгчийг судалж, өргөжүүлсэн.SMA дээр суурилсан мэдэгдэж байгаа хөтчүүдтэй харьцуулахад шинэ хөтөчийг ажиллуулах хүч дор хаяж 5 дахин их (150 Н хүртэл).Харгалзах жингийн алдагдал нь ойролцоогоор 67% байна.Математик загваруудын мэдрэмжийн шинжилгээний үр дүн нь дизайны параметрүүдийг тохируулах, үндсэн параметрүүдийг ойлгоход тустай.Энэхүү судалгаа нь цаашдын динамикийг сайжруулахад ашиглаж болох олон түвшний N-р шатны хөтөчийг танилцуулж байна.SMA-д суурилсан dipvalerate булчингийн идэвхжүүлэгч нь барилгын автоматжуулалтаас эхлээд эм дамжуулах нарийн систем хүртэл өргөн хүрээний хэрэглээтэй.
Хөхтөн амьтдын булчингийн бүтэц гэх мэт биологийн системүүд нь олон нарийн идэвхжүүлэгчийг идэвхжүүлж чаддаг1.Хөхтөн амьтад булчингийн өөр өөр бүтэцтэй бөгөөд тус бүр нь тодорхой зорилготой байдаг.Гэсэн хэдий ч хөхтөн амьтдын булчингийн эд эсийн бүтцийн ихэнх хэсгийг хоёр том ангилалд хувааж болно.Зэрэгцээ ба зүү.Шөрмөс болон бусад нугалахад, нэрнээс нь харахад зэрэгцээ булчингууд нь төвийн шөрмөстэй параллель булчингийн утастай байдаг.Булчингийн утаснуудын гинж нь эгнэж, тэдгээрийн эргэн тойрон дахь холбогч эдээр үйл ажиллагаагаар холбогддог.Хэдийгээр эдгээр булчингууд нь их хэмжээний экскурс (хувиар богиноссон) гэж нэрлэгддэг боловч булчингийн ерөнхий хүч нь маш хязгаарлагдмал байдаг.Үүний эсрэгээр, гурвалсан булчинд тугалын булчин2 (хажуугийн гастроцемиус (GL)3, дунд ходоод (GM)4 ба ул (SOL)) болон гуяны сунгагч (квадрицепс)5,6 пеннат булчингийн эд булчин тус бүрд байдаг7.Цоорхойн бүтцэд хоёр талт булчингийн булчингийн утаснууд нь төв шөрмөсний хоёр талд ташуу өнцгөөр (pinnate өнцөг) байрладаг.Пеннат гэдэг нь "үзэг" гэсэн утгатай "penna" гэсэн латин үгнээс гаралтай бөгөөд зурагт үзүүлсэн шиг.1 нь өдтэй төстэй дүр төрхтэй.Pennate булчингийн утаснууд нь богино бөгөөд булчингийн уртааш тэнхлэгт өнцөгт байрладаг.Pinnate бүтцийн улмаас эдгээр булчингийн ерөнхий хөдөлгөөн багасч, богиносгосон үйл явцын хөндлөн ба уртын бүрэлдэхүүн хэсгүүдэд хүргэдэг.Нөгөөтэйгүүр, эдгээр булчинг идэвхжүүлснээр физиологийн хөндлөн огтлолын хэмжээг хэмжих аргаас шалтгаалан булчингийн нийт хүч нэмэгддэг.Тиймээс өгөгдсөн хөндлөн огтлолын хувьд пеннат булчингууд илүү хүчтэй байх ба зэрэгцээ утастай булчингуудаас илүү их хүчийг бий болгодог.Хувь хүний ​​утаснаас үүссэн хүч нь тухайн булчингийн эдэд макроскопийн түвшинд булчингийн хүчийг үүсгэдэг.Үүнээс гадна, энэ нь хурдан агшилт, суналтын гэмтлээс хамгаалах, зөөлөвч гэх мэт өвөрмөц шинж чанартай байдаг.Энэ нь булчингийн үйл ажиллагааны шугамтай холбоотой шилэн зохион байгуулалтын өвөрмөц онцлог, геометрийн нарийн төвөгтэй байдлыг ашиглан шилэн оролт ба булчингийн хүч чадлын хоорондын хамаарлыг өөрчилдөг.
Бимодаль булчингийн бүтэцтэй холбоотой одоо байгаа SMA-д суурилсан идэвхжүүлэгчийн загваруудын бүдүүвч диаграммыг үзүүлэв, жишээлбэл (a) нь SMA утсаар хөдөлдөг гар хэлбэрийн төхөөрөмжийг хоёр дугуйтай автономит хөдөлгөөнт робот дээр суурилуулсан хүрэлцэх хүчний харилцан үйлчлэлийг харуулсан болно9,10., (б) Антагонист байрлуулсан SMA пүрштэй тойрог замын хиймэл эрхтэнтэй робот хиймэл хиймэл эрхтэн.Хиймэл нүдний байрлалыг нүдний булчингийн булчингийн дохиогоор удирддаг11, (в) SMA идэвхжүүлэгч нь өндөр давтамжийн хариу үйлдэл, бага зурвасын өргөнтэй учир усан доорх хэрэглээнд тохиромжтой.Энэ тохиргоонд SMA идэвхжүүлэгчийг загасны хөдөлгөөнийг дуурайлган долгионы хөдөлгөөнийг бий болгоход ашигладаг, (г) SMA идэвхжүүлэгчийг 10-р суваг доторх SMA утаснуудын хөдөлгөөнөөр удирддаг инчийн өт хорхойн хөдөлгөөний зарчмыг ашиглах боломжтой бичил хоолойн хяналтын роботыг бий болгоход ашигладаг, (e) булчингийн утаснуудын агшилтын чиглэлийг харуулж, булчингийн утаснуудын агшилтын хүчийг харуулдаг, булчингийн утаснуудын агшилтын хүчийг үүсгэдэг. s pennate булчингийн бүтцэд.
Өргөн хүрээний хэрэглээний улмаас идэвхжүүлэгч нь механик системийн чухал хэсэг болсон.Тиймээс жижиг, хурдан, илүү үр ашигтай хөтчүүдийн хэрэгцээ чухал болж байна.Хэдийгээр давуу талтай ч уламжлалт хөтчүүд нь засвар үйлчилгээ хийхэд үнэтэй, цаг хугацаа их шаарддаг нь батлагдсан.Гидравлик болон пневматик идэвхжүүлэгч нь нарийн төвөгтэй бөгөөд үнэтэй бөгөөд элэгдэл, тосолгооны асуудал, эд анги эвдрэлд өртдөг.Эрэлт хэрэгцээний дагуу ухаалаг материалд суурилсан зардал багатай, хэмжээсийг оновчтой, дэвшилтэт идэвхжүүлэгчийг хөгжүүлэхэд гол анхаарлаа хандуулж байна.Энэ хэрэгцээг хангахын тулд хэлбэр санах ойн хайлш (SMA) давхаргат идэвхжүүлэгчийг судалж байна.Шаталсан идэвхжүүлэгч нь олон салангид идэвхжүүлэгчийг геометрийн нарийн төвөгтэй макро масштабын дэд системд нэгтгэж, өргөтгөсөн функцийг хангадгаараа онцлог юм.Үүнтэй холбогдуулан дээр дурдсан хүний ​​булчингийн эд нь ийм олон давхаргат идэвхжүүлэлтийн маш сайн олон давхаргат жишээ юм.Одоогийн судалгаа нь хоёр модаль булчинд байдаг шилэн чиглэлтэй нийцсэн хэд хэдэн бие даасан хөтөч элемент (SMA утас) бүхий олон түвшний SMA хөтөчийг дүрсэлсэн бөгөөд энэ нь хөтөчийн ерөнхий гүйцэтгэлийг сайжруулдаг.
Хөдөлгүүрийн гол зорилго нь цахилгаан энергийг хувиргах замаар хүч, шилжилт зэрэг механик хүчийг бий болгох явдал юм.Хэлбэрийн санах ойн хайлш нь өндөр температурт хэлбэрээ сэргээж чаддаг "ухаалаг" материалын ангилал юм.Өндөр ачаалалтай үед SMA утасны температурын өсөлт нь хэлбэрийг сэргээхэд хүргэдэг бөгөөд энэ нь янз бүрийн шууд холбогдсон ухаалаг материалуудтай харьцуулахад идэвхжүүлэлтийн энергийн нягтралыг нэмэгдүүлдэг.Үүний зэрэгцээ механик ачааллын дор SMA нь хэврэг болдог.Тодорхой нөхцөлд мөчлөгийн ачаалал нь механик энергийг шингээж, суллаж, урвуу гистеретик хэлбэрийн өөрчлөлтийг харуулдаг.Эдгээр өвөрмөц шинж чанарууд нь SMA-г мэдрэгч, чичиргээ сааруулагч, ялангуяа идэвхжүүлэгчийн хувьд хамгийн тохиромжтой болгодог12.Үүнийг харгалзан SMA-д суурилсан хөтчүүдийн талаар маш их судалгаа хийсэн.SMA-д суурилсан идэвхжүүлэгч нь төрөл бүрийн хэрэглээнд хөрвүүлэх болон эргэх хөдөлгөөнийг хангах зориулалттай гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй13,14,15.Хэдийгээр зарим эргэлтэт идэвхжүүлэгчийг бүтээсэн ч судлаачид шугаман идэвхжүүлэгчийг онцгойлон сонирхож байна.Эдгээр шугаман идэвхжүүлэгчийг нэг хэмжээст, шилжилтийн болон дифференциал 16 гэсэн гурван төрлийн идэвхжүүлэгчд хувааж болно.Эхэндээ эрлийз хөтчүүдийг SMA болон бусад ердийн хөтчүүдтэй хослуулан бүтээсэн.SMA-д суурилсан эрлийз шугаман идэвхжүүлэгчийн нэг жишээ бол тогтмол гүйдлийн мотортой SMA утсыг ашиглан 100 Н орчим гаралтын хүч, мэдэгдэхүйц шилжилтийг хангах явдал юм17.
Бүрэн SMA дээр суурилсан хөтчүүдийн анхны бүтээн байгуулалтын нэг нь SMA зэрэгцээ хөтөч байв.Олон SMA утас ашиглан SMA-д суурилсан параллель хөтөч нь бүх SMA18 утсыг зэрэгцээ байрлуулах замаар хөтчийн чадавхийг нэмэгдүүлэх зорилготой юм.Хөдөлгүүрийн зэрэгцээ холболт нь зөвхөн илүү их хүч шаарддаг төдийгүй нэг утасны гаралтын хүчийг хязгаарладаг.SMA-д суурилсан идэвхжүүлэгчийн өөр нэг сул тал бол тэдний хүрэх хязгаарлагдмал аялал юм.Энэ асуудлыг шийдэхийн тулд шилжилт хөдөлгөөнийг нэмэгдүүлж, шугаман хөдөлгөөнд хүрэхийн тулд хазайсан уян туяа агуулсан SMA кабелийн цацрагийг бүтээсэн боловч илүү их хүчийг үүсгээгүй19.Хэлбэрийн санах ойн хайлш дээр суурилсан роботуудад зориулсан зөөлөн хэв гажилттай бүтэц, даавууг голчлон цохилтыг нэмэгдүүлэх зорилгоор боловсруулсан болно20,21,22.Өндөр хурд шаардлагатай програмуудын хувьд авсаархан хөдөлгүүртэй насосууд нь нимгэн хальсан SMA-уудыг микро насосоор ажилладаг хэрэглээнд ашигладаг гэж мэдээлсэн байна23.Нимгэн хальсан SMA мембраны хөтчийн давтамж нь жолоочийн хурдыг хянах гол хүчин зүйл юм.Тиймээс SMA шугаман мотор нь SMA пүрш эсвэл саваа мотороос илүү сайн динамик хариу үйлдэл үзүүлдэг.Зөөлөн робот техник ба атгах технологи нь SMA-д суурилсан идэвхжүүлэгчийг ашигладаг өөр хоёр програм юм.Жишээлбэл, 25 N зайны хавчаарт ашигласан стандарт идэвхжүүлэгчийг солихын тулд хэлбэрийн санах ойн хайлштай зэрэгцээ идэвхжүүлэгч 24-ийг боловсруулсан.Өөр нэг тохиолдолд, SMA зөөлөн идэвхжүүлэгчийг 30 Н-ийн хамгийн их татах хүчийг бий болгох чадвартай, суулгагдсан матрицтай утсан дээр үндэслэн үйлдвэрлэсэн. Механик шинж чанараасаа шалтгаалан SMA-г биологийн үзэгдлийг дуурайдаг идэвхжүүлэгч үйлдвэрлэхэд ашигладаг.Ийм бүтээн байгуулалтын нэг нь 12 эсийн робот бөгөөд энэ нь галд синусоид хөдөлгөөн үүсгэх SMA-тай шороон хорхойтой төстэй организмын биомиметик юм26,27.
Өмнө дурьдсанчлан, одоо байгаа SMA-д суурилсан идэвхжүүлэгчээс авч болох хамгийн их хүчний хязгаарлалт байдаг.Энэ асуудлыг шийдвэрлэхийн тулд энэхүү судалгаанд биомиметик хоёр модаль булчингийн бүтцийг танилцуулж байна.Хэлбэрийн санах ойн хайлш утсаар жолооддог.Энэ нь хэд хэдэн хэлбэрийн санах ойн хайлш утсыг багтаасан ангиллын системийг өгдөг.Өнөөдрийг хүртэл ижил төстэй бүтэцтэй SMA-д суурилсан идэвхжүүлэгчийг уран зохиолд мэдээлээгүй байна.SMA-д суурилсан энэхүү өвөрмөц, шинэлэг системийг хоёр модаль булчингийн тэгшитгэлийн үед SMA-ийн зан байдлыг судлах зорилгоор боловсруулсан.Одоо байгаа SMA-д суурилсан идэвхжүүлэгчтэй харьцуулахад энэ судалгааны зорилго нь бага хэмжээгээр илүү их хүчийг бий болгохын тулд биомиметик дипвалератын идэвхжүүлэгчийг бий болгох явдал байв.HVAC барилгын автоматжуулалт, удирдлагын системд ашигладаг ердийн шаталсан хөдөлгүүртэй хөтчүүдтэй харьцуулахад санал болгож буй SMA-д суурилсан хоёр модаль хөтөч загвар нь хөтчийн механизмын жинг 67% бууруулдаг.Дараах зүйлд "булчин" болон "хөдөлгөөн" гэсэн нэр томъёог сольж ашигладаг.Энэхүү судалгаа нь ийм хөтөчийн олон физикийн симуляцийг судалж байна.Ийм системийн механик ажиллагааг туршилтын болон аналитик аргаар судалсан.Хүч ба температурын хуваарилалтыг 7 В-ийн оролтын хүчдэлд үргэлжлүүлэн судалсан. Дараа нь үндсэн параметрүүд болон гаралтын хүчний хоорондын хамаарлыг илүү сайн ойлгохын тулд параметрийн шинжилгээг хийсэн.Эцэст нь, шаталсан идэвхжүүлэгчийг төсөөлж, шаталсан түвшний нөлөөллийг протезийн хэрэглээнд соронзон бус идэвхжүүлэгчийн ирээдүйн боломжит бүс болгон санал болгосон.Дээр дурдсан судалгааны үр дүнгээс харахад нэг үе шаттай архитектурыг ашиглах нь SMA-д суурилсан идэвхжүүлэгчээс дор хаяж 4-5 дахин их хүчийг үүсгэдэг.Нэмж дурдахад, олон түвшний олон түвшний хөтчөөс үүссэн ижил хөдөлгөгч хүч нь ердийн SMA-д суурилсан хөтчүүдээс арав дахин их болохыг харуулсан.Дараа нь судалгаа нь өөр өөр загвар болон оролтын хувьсагчдын хоорондох мэдрэмжийн шинжилгээг ашиглан үндсэн параметрүүдийг мэдээлдэг.SMA утасны анхны урт (\(l_0\)), pinnate өнцөг (\(\альфа\)) болон тус тусын хэлхээ тус бүрийн нэг хэлхээний тоо (n) нь хөдөлгөгч хүчний хэмжээнд хүчтэй сөрөг нөлөө үзүүлдэг.хүч чадал, харин оролтын хүчдэл (эрчим хүч) эерэг хамааралтай болсон.
SMA утас нь никель-титан (Ni-Ti) төрлийн хайлшаас харагддаг хэлбэрийн санах ойн эффектийг (SME) харуулдаг.Ихэвчлэн SMA нь температураас хамааралтай хоёр үе шатыг харуулдаг: бага температурын үе ба өндөр температурын үе шат.Хоёр үе шат нь өөр өөр болор бүтэцтэй тул өвөрмөц шинж чанартай байдаг.Өөрчлөлтийн температураас дээш байгаа аустенитийн үе шатанд (өндөр температурын үе шат) материал нь өндөр бат бэхийг харуулж, ачааллын дор муу гажигтай байдаг.Хайлш нь зэвэрдэггүй ган шиг ажилладаг тул илүү өндөр даралтыг тэсвэрлэх чадвартай.Ni-Ti хайлшийн энэ шинж чанарыг ашиглан SMA утаснууд нь идэвхжүүлэгч үүсгэхийн тулд ташуу байна.Төрөл бүрийн параметр, янз бүрийн геометрийн нөлөөн дор SMA-ийн дулааны зан үйлийн үндсэн механикийг ойлгохын тулд зохих аналитик загваруудыг боловсруулсан.Туршилтын болон аналитик үр дүнгийн хооронд сайн тохиролцоонд хүрсэн.
SMA дээр суурилсан хоёр модаль хөтөчийн гүйцэтгэлийг үнэлэхийн тулд 9а-р зурагт үзүүлсэн загвар дээр туршилтын судалгаа хийсэн.Эдгээр шинж чанаруудын хоёр нь хөтөчөөс үүссэн хүч (булчингийн хүч) болон SMA утасны температур (SMA температур) -ийг туршилтаар хэмжсэн.Хөтөч дэх утасны бүх уртын дагуу хүчдэлийн зөрүү нэмэгдэхийн хэрээр Жоуль халаалтын нөлөөгөөр утасны температур нэмэгддэг.Оролтын хүчдэлийг 10 секундын хоёр мөчлөгт (Зураг 2a, b-д улаан цэгээр харуулав) цикл бүрийн хооронд 15 секундын хөргөлтийн хугацаатай ашигласан.Блоклох хүчийг пьезоэлектрик омог хэмжигч ашиглан хэмжсэн бөгөөд SMA утасны температурын тархалтыг шинжлэх ухааны өндөр нарийвчлалтай LWIR камер ашиглан бодит цаг хугацаанд хянаж байсан (Хүснэгт 2-д ашигласан тоног төхөөрөмжийн шинж чанарыг харна уу).өндөр хүчдэлийн үе шатанд утасны температур монотоноор нэмэгддэг боловч гүйдэл байхгүй үед утасны температур буурсаар байгааг харуулж байна.Одоогийн туршилтын тохиргоонд хөргөлтийн үе шатанд SMA утасны температур буурсан боловч орчны температураас дээгүүр хэвээр байна.Зураг дээр.2e нь LWIR камераас авсан SMA утсан дээрх температурын агшин зургийг харуулж байна.Нөгөө талаас, зурагт.2а нь хөтчийн системээс үүссэн блоклох хүчийг харуулав.Булчингийн хүч нь пүршний нөхөн сэргээх хүчнээс давсан үед Зураг 9а-д үзүүлсэн шиг хөдлөх гар хөдөлж эхэлдэг.Хөдөлгөөн эхэлмэгц хөдлөх гар нь мэдрэгчтэй холбогдож, биеийн хүчийг үүсгэдэг.2c, d.Хамгийн их температур нь \(84\,^{\circ}\hbox {C}\-д ойр байх үед ажиглагдсан хамгийн их хүч нь 105 Н байна.
График нь SMA утасны температур ба хоёр мөчлөгийн үед SMA-д суурилсан хоёр модаль идэвхжүүлэгчийн үүсгэсэн хүчний туршилтын үр дүнг харуулж байна.Оролтын хүчдэлийг 10 секундын хоёр мөчлөгт (улаан цэгээр харуулсан) хэрэглэнэ, мөчлөг бүрийн хооронд 15 секундын хөргөлтийн хугацаа орно.Туршилтанд ашигласан SMA утас нь Dynalloy, Inc-ийн 0.51 мм-ийн диаметртэй Flexinol утас байв. (a) График нь хоёр мөчлөгийн турш олж авсан туршилтын хүчийг харуулж байна, (c, d) PACEline CFT/5kN пьезоэлектрик хүч хувиргагч дээр хөдөлж буй гар идэвхжүүлэгчийн үйл ажиллагааны бие даасан хоёр жишээг харуулав, (b) SMA-ийн хамгийн их температурыг бүхэлд нь харуулав (b) FLIR ResearchIR програм хангамжийн LWIR камер ашиглан SMA утаснаас авсан температурын агшин зураг.Туршилтанд харгалзан үзсэн геометрийн параметрүүдийг Хүснэгтэнд үзүүлэв.нэг.
Математик загварын симуляцийн үр дүн болон туршилтын үр дүнг 7V-ийн оролтын хүчдэлийн нөхцөлд харьцуулж, 5-р зурагт үзүүлэв.Параметрийн шинжилгээний үр дүнгээс үзэхэд SMA утсыг хэт халахаас зайлсхийхийн тулд идэвхжүүлэгч рүү 11.2 Вт-ын хүчийг өгсөн.Программчлагдсан тогтмол гүйдлийн тэжээлийн эх үүсвэрийг оролтын хүчдэл болгон 7V-ээр хангахын тулд ашигласан бөгөөд утсан дээрх 1.6А гүйдлийг хэмжсэн.Гүйдэл өгөх үед хөтөчөөс үүсэх хүч ба SDR-ийн температур нэмэгддэг.7V оролтын хүчдэлтэй бол симуляцийн үр дүн ба туршилтын үр дүнгээс олж авсан хамгийн их гаралтын хүч нь 78 Н ба 96 Н байна.Хоёр дахь мөчлөгт загварчлал болон туршилтын үр дүнгийн хамгийн их гаралтын хүч нь 150 Н ба 105 Н байв.Битүүмжлэх хүчний хэмжилт ба туршилтын өгөгдлийн хоорондын зөрүү нь битүүмжлэлийн хүчийг хэмжих аргаас шалтгаалж болно.Туршилтын үр дүнг зурагт үзүүлэв.Зураг 5а нь түгжих хүчний хэмжилттэй тохирч байгаа бөгөөд энэ нь эргээд хөтчийн босоо ам нь PACEline CFT/5kN пьезоэлектрик хүч хувиргагчтай холбогдох үед хэмжсэн.2сек.Тиймээс хөтчийн босоо ам нь хөргөлтийн бүсийн эхэнд хүч мэдрэгчтэй холбоогүй үед 2-р зурагт үзүүлсэн шиг хүч тэр даруй тэг болно.Нэмж дурдахад дараагийн мөчлөгт хүч үүсэхэд нөлөөлдөг бусад үзүүлэлтүүд нь өмнөх мөчлөгийн хөргөлтийн хугацаа ба конвектив дулаан дамжуулалтын коэффициент юм.Зураг дээрээс.2б-ээс харахад 15 секундын хөргөлтийн хугацааны дараа SMA утас тасалгааны температурт хүрээгүй тул эхний мөчлөгтэй (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)) харьцуулахад хоёр дахь жолоодлогын циклд илүү өндөр температуртай (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) байгааг харж болно.Ийнхүү эхний мөчлөгтэй харьцуулахад хоёр дахь халаалтын мөчлөгийн үед SMA утасны температур нь аустенитийн анхны температурт (\(A_s\)) эрт хүрч, шилжилтийн хугацаанд илүү удаан байж, стресс, хүч үүсдэг.Нөгөөтэйгүүр, туршилт, загварчлалаар олж авсан халаалт, хөргөлтийн мөчлөгийн температурын хуваарилалт нь термографийн шинжилгээний жишээнүүдтэй чанарын хувьд ижил төстэй байдаг.Туршилт, загварчлалын SMA утасны дулааны өгөгдлийн харьцуулсан дүн шинжилгээ нь халаах, хөргөх мөчлөгийн явцад болон туршилтын өгөгдлийн зөвшөөрөгдөх хүлцэлийн хүрээнд нийцэж байгааг харуулсан.Эхний мөчлөгийн загварчлал ба туршилтын үр дүнгээс олж авсан SMA утасны хамгийн их температур нь \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) ба \(75\,^{\circ }\hbox { C }\ тус тус) бөгөөд хоёр дахь мөчлөгт SMA утасны хамгийн их температур нь \(94\, \{\}, \{\box \{\}, \(94\, \^\) байна. circ }\ hbox {C}\).Үндэслэн боловсруулсан загвар нь дүрсний санах ойн нөлөөг баталгаажуулдаг.Энэ тоймд ядаргаа, хэт халалтын үүргийг авч үзээгүй.Цаашид уг загварыг сайжруулж, SMA утасны стрессийн түүхийг оруулснаар инженерийн хэрэглээнд илүү тохиромжтой болгоно.Simulink блокоос олж авсан хөтчийн гаралтын хүч ба SMA температурын графикууд нь 7 В-ийн оролтын хүчдэлийн импульсийн нөхцөлд туршилтын өгөгдлийн зөвшөөрөгдөх хүлцлийн хүрээнд байна. Энэ нь боловсруулсан математик загварын зөв, найдвартай байдлыг баталж байна.
Математик загварыг MathWorks Simulink R2020b орчинд Аргачлалын хэсэгт тайлбарласан үндсэн тэгшитгэлийг ашиглан боловсруулсан.Зураг дээр.3b нь Simulink математикийн загварын блок диаграммыг харуулж байна.Загвар 2a, b-т үзүүлсэн шиг 7V оролтын хүчдэлийн импульсийн загварчилсан.Симуляцид ашигласан параметрүүдийн утгыг Хүснэгт 1-д жагсаав. Түр зуурын процессын симуляцийн үр дүнг Зураг 1 ба 1-д үзүүлэв. Зураг 3a ба 4. Зураг дээр.4a,b нь SMA утсан дахь индукцийн хүчдэл ба идэвхжүүлэгчийн үүсгэсэн хүчийг цаг хугацааны функцээр харуулав. Урвуу хувиргалт (халаалтын) үед SMA утасны температур, \(T < A_s^{\prime}\) (стресс-өөрчлөгдсөн аустенит фазын эхлэх температур) үед мартенситийн эзэлхүүний фракцийн өөрчлөлтийн хурд (\(\ цэг{\xi }\)) тэг болно. Урвуу хувиргалт (халаалтын) үед SMA утасны температур, \(T < A_s^{\prime}\) (стресс-өөрчлөгдсөн аустенитын фазын эхлэх температур), мартенситийн эзэлхүүний фракцийн өөрчлөлтийн хурд (\(\ цэг{\ xi }\)) тэг болно. Во время обратного превращения (нагрева), когда температурын проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость равган изменения объемной доли буд мартенсита (\(\dot{\)но. Урвуу хувиргалт (халаалтын) үед SMA утасны температур, \(T < A_s^{\prime}\) (стресс өөрчлөгдсөн аустенит эхлэх температур) үед мартенситийн эзэлхүүний фракцын өөрчлөлтийн хурд (\(\цэг{\ xi }\ )) тэг болно.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正氏体修正奰氏体修正奭氏体氏体体积分数的变化率（\(\цэг{\ xi }\)) 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 аустенитной фазы с поправкой напряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi буд }\)). Урвуу хувиргалт (халаалтын) үед SMA утасны температурт \(T < A_s^{\prime}\) (аустенит фазын бөөмийн температур, стресст тохируулсан) мартенситийн эзлэхүүний фракцын өөрчлөлтийн хурд (\( \dot{\ xi }\)) тэгтэй тэнцүү байх болно.Иймд стрессийн өөрчлөлтийн хурд (\(\цэг{\сигма}\)) нь суналтын хурд (\(\цэг{\epsilon}\)) ба температурын градиентаас (\(\цэг{T} \) ) зөвхөн тэгшитгэл (1) ашиглан хамаарна.Гэхдээ SMA утас нь температур нэмэгдэж (\(A_s^{\prime}\)) огтлолцох үед аустенитийн фаз үүсч эхлэх ба (\(\цэг{\xi}\)) тэгшитгэлийн өгөгдсөн утга болгон авна ( 3).Тиймээс хүчдэлийн өөрчлөлтийн хурдыг (\(\цэг{\сигма}\)) \(\цэг{\epsilon}, \dot{T}\) ба \(\цэг{\xi}\) томъёогоор (1) өгөгдсөнтэй тэнцүү байна.Энэ нь 4a, b-р зурагт үзүүлсэн шиг халаалтын мөчлөгийн үед цаг хугацааны өөрчлөлттэй стресс ба хүчний зураглалд ажиглагдсан градиентийн өөрчлөлтийг тайлбарлаж байна.
(a) SMA-д суурилсан дивалератын идэвхжүүлэгчийн температурын тархалт ба стрессээс үүдэлтэй уулзварын температурыг харуулсан загварчлалын үр дүн.Халаалтын үе шатанд утасны температур аустенитийн шилжилтийн температурыг давах үед өөрчлөгдсөн аустенитийн шилжилтийн температур нэмэгдэж эхэлдэг ба үүнтэй адил утсан савааны температур нь хөргөлтийн үе шатанд мартенситийн шилжилтийн температурыг давах үед мартенситын шилжилтийн температур буурдаг.Хөдөлгөөний үйл явцын аналитик загварчлалын SMA.(Simulink загварын дэд систем бүрийн дэлгэрэнгүй мэдээллийг нэмэлт файлын хавсралт хэсгээс үзнэ үү.)
Өөр өөр параметрийн хуваарилалтын шинжилгээний үр дүнг 7V оролтын хүчдэлийн хоёр мөчлөгт (10 секундын халаалт ба 15 секундын хөргөлтийн цикл) харуулав.(ac) ба (e) нь цаг хугацааны хуваарилалтыг дүрсэлсэн байхад нөгөө талаас (d) ба (f) нь температурын тархалтыг харуулсан.Оролтын холбогдох нөхцлийн хувьд ажиглагдсан хамгийн их хүчдэл нь 106 МПа (345 МПа-аас бага, утасны уналтын бат бэх), хүч нь 150 Н, хамгийн их шилжилт нь 270 мкм, мартенситын хамгийн бага эзлэхүүний хэсэг нь 0.91 байна.Нөгөөтэйгүүр, стрессийн өөрчлөлт ба мартенситын эзлэхүүний фракцын температурын өөрчлөлт нь гистерезисийн шинж чанартай төстэй юм.
Үүнтэй ижил тайлбар нь аустенит фазаас мартенсит фаз руу шууд хувиргахад (хөргөх) хамааралтай бөгөөд SMA утасны температур (T) ба стрессээр өөрчлөгдсөн мартенсит фазын төгсгөлийн температур (\(M_f^{\prime}\ )) маш сайн байдаг.Зураг дээр.4d,f нь жолоодлогын хоёр мөчлөгийн хувьд SMA утасны (T) температурын өөрчлөлтөөс хамаарч SMA утсан дахь мартенситын эзлэхүүний (\(\xi\)) өдөөгдсөн стресс (\(\сигма\)) өөрчлөлтийг харуулав.Зураг дээр.Зураг 3а нь оролтын хүчдэлийн импульсээс хамааран SMA утасны температурын өөрчлөлтийг харуулав.Зураг дээрээс харахад утсан дээрх температур тэг хүчдэлтэй дулааны эх үүсвэрийг хангаж, дараа нь конвектив хөргөлтөөр нэмэгдсээр байна.Халаах явцад мартенситыг аустенит фаз руу дахин хувиргах нь SMA утасны температур (T) нь стрессээр зассан аустенит бөөмийн температурыг (\(A_s^{\prime}\)) давснаар эхэлдэг.Энэ үе шатанд SMA утас шахагдаж, идэвхжүүлэгч хүч үүсгэдэг.Мөн хөргөлтийн үед SMA утасны температур (T) нь стрессээр өөрчилсөн мартенситын фазын (\(M_s^{\prime}\)) бөөмийн температурыг давах үед аустенит фазаас мартенсит фаз руу эерэг шилжилт үүсдэг.хөдөлгөх хүч буурна.
SMA дээр суурилсан хоёр модаль хөтөчийн чанарын гол талыг симуляцийн үр дүнгээс олж авч болно.Хүчдэлийн импульсийн оролтын хувьд Joule халаалтын нөлөөнөөс болж SMA утасны температур нэмэгддэг.Мартенситийн эзэлхүүний фракцын анхны утгыг (\(\xi\)) 1 гэж тохируулсан, учир нь материал нь анх бүрэн мартенситын үе шатанд байна.Утас үргэлжлүүлэн халах үед SMA утасны температур нь стрессээр зассан аустенит бөөмийн температур \(A_s^{\prime}\) давж, улмаар 4в-р зурагт үзүүлсэн шиг мартенситын эзэлхүүний фракц буурдаг.Үүнээс гадна, зурагт.4e нь идэвхжүүлэгчийн цус харвалтын хуваарилалтыг цаг хугацаанд нь харуулсан ба зурагт.5 – хөдөлгөгч хүч нь цаг хугацааны функцээр.Холбогдох тэгшитгэлийн системд температур, мартенситийн эзлэхүүний фракц, утсанд үүсэх хүчдэл, SMA утас агшилт болон идэвхжүүлэгчээс үүсэх хүчийг багтаадаг.Зурагт үзүүлсэн шиг.4d,f, температуртай хүчдэлийн хэлбэлзэл ба мартенситийн эзлэхүүний фракцын температурын өөрчлөлт нь 7 В-ийн симуляцийн тохиолдолд SMA-ийн гистерезис шинж чанартай тохирч байна.
Жолооны параметрүүдийн харьцуулалтыг туршилт, аналитик тооцоололоор олж авсан.Утаснууд нь 10 секундын турш 7 В-ийн импульсийн оролтын хүчдэлд өртөж, дараа нь хоёр мөчлөгийн турш 15 секундын турш (хөргөх үе шат) хөргөнө.Зүүний өнцгийг \(40^{\circ}\) гэж тохируулсан бөгөөд нэг зүү хөл тус бүрийн SMA утасны анхны уртыг 83мм болгож тохируулсан.(a) Ачааллын элементээр хөдөлгөгч хүчийг хэмжих (б) Дулааны хэт улаан туяаны камераар утасны температурыг хянах.
Хөдөлгүүрийн үүсгэсэн хүчинд физик үзүүлэлтүүдийн нөлөөллийг ойлгохын тулд сонгосон физик параметрүүдэд математик загварын мэдрэмжийн шинжилгээг хийж, параметрүүдийг тэдгээрийн нөлөөллийн дагуу эрэмбэлсэн.Нэгдүгээрт, загварын параметрүүдийн дээжийг жигд хуваарилалтыг дагаж мөрдөх туршилтын дизайны зарчмуудыг ашиглан хийсэн (Мэдрэмжийн шинжилгээний нэмэлт хэсгийг үзнэ үү).Энэ тохиолдолд загварын параметрүүд нь оролтын хүчдэл (\(V_{in}\)), анхны SMA утасны урт (\(l_0\)), гурвалжин өнцөг (\(\альфа\)), хэвийсэн пүршний тогтмол (\( K_x\ )), конвекцийн дулаан дамжуулалтын коэффициент (\(h_T\)) болон unimodal салбаруудын тоо (n) орно.Дараагийн алхамд булчингийн дээд хүчийг судалгааны дизайны шаардлага болгон сонгосон бөгөөд хувьсагч бүрийн хүчин чадалд үзүүлэх параметрийн нөлөөг олж авсан.Мэдрэмжийн шинжилгээ хийх хар салхины графикийг 6а-р зурагт үзүүлсний дагуу параметр бүрийн корреляцийн коэффициентээс гаргаж авсан.
(a) Загварын параметрүүдийн корреляцийн коэффициентийн утгууд ба тэдгээрийн дээрх загварын параметрүүдийн 2500 өвөрмөц бүлгийн гаралтын хамгийн их хүчинд үзүүлэх нөлөөг хар салхины график дээр үзүүлэв.График нь хэд хэдэн үзүүлэлтийн зэрэглэлийн хамаарлыг харуулж байна.\(V_{in}\) нь эерэг хамааралтай цорын ганц параметр бөгөөд \(l_0\) нь хамгийн их сөрөг хамааралтай параметр болох нь тодорхой байна.Төрөл бүрийн хослолуудын янз бүрийн параметрүүдийн булчингийн хүч чадлын оргилд үзүүлэх нөлөөг (b, c) -д үзүүлэв.\(K_x\) нь 400-аас 800 Н/м, n нь 4-24 хооронд хэлбэлздэг. Хүчдэл (\(V_{in}\)) 4V-ээс 10В болж өөрчлөгдсөн, утасны урт (\(l_{0 } \)) 40-өөс 100 мм болж өөрчлөгдсөн, сүүлний өнцөг (\) (\alp ci - 6 -аас \) \).
Зураг дээр.6а-д хамгийн их хөдөлгөгч хүчний дизайны шаардлага бүхий параметр бүрийн хувьд янз бүрийн корреляцийн коэффициент бүхий хар салхины графикийг харуулав.Зураг дээрээс.6a-аас харахад хүчдэлийн параметр (\(V_{in}\)) нь гаралтын хамгийн их хүчинтэй шууд хамааралтай бөгөөд конвекцийн дулаан дамжуулах коэффициент (\(h_T\)), дөлний өнцөг (\ (\альфа\)), шилжилтийн пүршний тогтмол ( \(K_x\)) нь гаралтын хүчинтэй сөрөг хамааралтай бөгөөд анхны утсыг (\) m урттай харуулдаг. хүчтэй урвуу хамаарал Шууд корреляцийн хувьд хүчдэлийн корреляцийн коэффициент (\(V_ {in}\)) илүү өндөр утгатай тохиолдолд энэ параметр нь цахилгаан гаралтад хамгийн их нөлөө үзүүлдэг болохыг харуулж байна.Өөр нэг ижил төстэй шинжилгээ нь 6б, в-р зурагт үзүүлсэн шиг хоёр тооцооллын орон зайн өөр өөр хослол дахь өөр өөр параметрүүдийн нөлөөг үнэлэх замаар оргил хүчийг хэмждэг.\(V_{in}\) болон \(l_0\), \(\alpha\) болон \(l_0\) ижил төстэй загвартай бөгөөд графикаас \(V_{in}\) болон \(\alpha\ ) болон \(\alpha\) ижил төстэй загвар байгааг харуулж байна.\(l_0\)-ийн жижиг утгууд нь илүү их оргил хүчийг үүсгэдэг.Нөгөө хоёр график нь Зураг 6а-тай нийцэж байгаа бөгөөд n ба \(K_x\) нь сөрөг, \(V_{in}\) нь эерэг хамааралтай байна.Энэхүү шинжилгээ нь хөтчийн системийн гаралтын хүч, цус харвалт, үр ашгийг шаардлага, хэрэглээнд тохируулахад нөлөөлөх параметрүүдийг тодорхойлж, тохируулахад тусалдаг.
Одоогийн судалгааны ажил нь N түвшний шаталсан хөтчүүдийг танилцуулж, судалж байна.Зураг 7а-д үзүүлсэн шиг хоёр түвшний шатлалд эхний түвшний идэвхжүүлэгчийн SMA утас бүрийн оронд хоёр талт зохион байгуулалтыг 2-р зурагт үзүүлэв.9e.Зураг дээр.7c нь зөвхөн уртааш чиглэлд хөдөлдөг хөдлөх гар (туслах гар) дээр SMA утас хэрхэн ороож байгааг харуулж байна.Гэсэн хэдий ч анхдагч хөдлөх гар нь 1-р шатны олон шатлалт идэвхжүүлэгчийн хөдөлгөөнт гартай ижил байдлаар хөдөлж байна.Ихэвчлэн \(N-1\) шатны SMA утсыг эхний шатны хөтөчөөр солих замаар N-үе шаттай хөтөч үүсгэдэг.Үүний үр дүнд салбар бүр нь утсыг өөрөө барьж байгаа салбарыг эс тооцвол эхний шатны хөтөчийг дуурайдаг.Ийм байдлаар анхдагч хөтчүүдийн хүчнээс хэд дахин их хүчийг бий болгодог үүрлэсэн бүтцийг бий болгож чадна.Энэхүү судалгаанд түвшин бүрийн хувьд 7d-р зурагт хүснэгт хэлбэрээр үзүүлсэн шиг 1 м-ийн нийт үр дүнтэй SMA утасны уртыг харгалзан үзсэн.Unimodal загвар бүрийн утас тус бүрээр дамжин өнгөрөх гүйдэл ба SMA утасны сегмент тус бүрийн урьдчилсан хүчдэл ба хүчдэл нь түвшин бүрт ижил байна.Манай аналитик загварын дагуу гаралтын хүч нь түвшинтэй эерэг хамааралтай байхад шилжилт нь сөрөг хамааралтай байна.Үүний зэрэгцээ нүүлгэн шилжүүлэлт болон булчингийн хүч хоёрын хооронд солилцоо байсан.Зурагт үзүүлсэн шиг.7b, хамгийн их хүч хамгийн олон тооны давхаргад хүрч байхад хамгийн их шилжилт нь хамгийн доод давхаргад ажиглагддаг.Шатлалын түвшинг \(N=5\) гэж тохируулахад 2 удаа ажиглагдсан \(\upmu\)m цохилтоор 2.58 кН булчингийн оргил хүч олдсон.Нөгөө талаас, эхний шатны хөтөч нь 277 \(\ upmu\) м-ийн цохилтоор 150 Н хүчийг үүсгэдэг.Олон түвшний идэвхжүүлэгч нь жинхэнэ биологийн булчинг дуурайж чаддаг бөгөөд дүрсний санах ойн хайлш дээр суурилсан хиймэл булчингууд нь нарийн, нарийн хөдөлгөөнөөр мэдэгдэхүйц өндөр хүчийг бий болгож чаддаг.Энэхүү жижигрүүлсэн дизайны хязгаарлалт нь шатлал ихсэх тусам хөдөлгөөн ихээхэн буурч, хөтчийн үйлдвэрлэлийн үйл явцын нарийн төвөгтэй байдал нэмэгддэг.
(a) Хоёр үе шаттай (\(N=2\)) давхаргат хэлбэрийн санах ойн хайлшаар хийгдсэн шугаман идэвхжүүлэгчийн системийг хоёр модаль тохиргоонд үзүүлэв.Санал болгож буй загвар нь эхний шатны давхаргат идэвхжүүлэгчийн SMA утсыг өөр нэг үе шаттай идэвхжүүлэгчээр солих замаар хэрэгждэг.(в) Хоёр дахь шатны олон давхаргат идэвхжүүлэгчийн хэв гажилтын тохиргоо.(б) Түвшингийн тооноос хамааран хүч ба шилжилтийн хуваарилалтыг тодорхойлсон.Хөдөлгүүрийн оргил хүч нь график дээрх масштабын түвшинтэй эерэг хамааралтай байхад цус харвалт нь масштабын түвшинтэй сөрөг хамааралтай болохыг олж мэдсэн.Утас бүрийн гүйдэл ба урьдчилсан хүчдэл бүх түвшинд тогтмол хэвээр байна.(г) Хүснэгтэнд краны тоо болон түвшин тус бүрийн SMA утасны (шийтэн) уртыг харуулав.Утасны шинж чанарыг 1-р индексээр, хоёрдогч салбаруудын тоог (анхдагч хөлтэй холбосон нэг) доод тэмдэгтийн хамгийн их тоогоор зааж өгнө.Жишээлбэл, 5-р түвшинд \(n_1\) нь хоёр модаль бүтэц бүрт байгаа SMA утаснуудын тоог, \(n_5\) нь туслах хөлийн тоог (нэг нь үндсэн хөлтэй холбосон) илэрхийлнэ.
Фазын шилжилттэй холбоотой талст бүтцийн макроскопийн өөрчлөлтийг дагалддаг термомеханик шинж чанараас хамаардаг хэлбэрийн санах ойтой SMA-ийн зан төлөвийг загварчлах янз бүрийн аргыг олон судлаачид санал болгосон.Үндсэн аргуудыг боловсруулах нь угаасаа нарийн төвөгтэй байдаг.Хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг феноменологийн загварыг Tanaka28 санал болгосон бөгөөд инженерийн хэрэглээнд өргөн хэрэглэгддэг.Танакагийн [28] санал болгосон феноменологийн загварт мартенситын эзлэхүүний хэсэг нь температур ба стрессийн экспоненциал функц гэж үздэг.Хожим нь Лианг, Рожерс29, Бринсон30 нар загварт бага зэрэг өөрчлөлт оруулан фазын шилжилтийн динамикийг хүчдэл ба температурын косинусын функц гэж үзсэн загварыг санал болгосон.Бекер, Бринсон нар дурын ачааллын нөхцөлд болон хэсэгчилсэн шилжилтийн үед SMA материалын зан төлөвийг загварчлахын тулд фазын диаграмм дээр суурилсан кинетик загварыг санал болгосон.Banerjee32 нь Bekker болон Brinson31 фазын диаграмын динамик аргыг ашиглан Элахиниа, Ахмадиан33 нарын боловсруулсан нэг зэрэглэлийн эрх чөлөөний манипуляторыг дуурайлган хийдэг.Температурын дагуу хүчдэлийн монотон бус өөрчлөлтийг харгалзан үздэг фазын диаграмм дээр суурилсан кинетик аргуудыг инженерийн хэрэглээнд хэрэгжүүлэхэд хэцүү байдаг.Элахиниа, Ахмадиан нар одоо байгаа феноменологийн загваруудын эдгээр дутагдалтай талуудад анхаарлаа хандуулж, ачааллын ямар ч төвөгтэй нөхцөлд хэлбэрийн санах ойн үйлдлийг шинжлэх, тодорхойлох өргөтгөсөн феноменологийн загварыг санал болгож байна.
SMA утасны бүтцийн загвар нь SMA утасны стресс (\(\сигма\)), омог (\(\epsilon\)), температур (T), мартенситийн эзлэхүүний фракц (\(\xi\)) өгдөг.Феноменологийн үндсэн загварыг анх Танака28 санал болгосон бөгөөд дараа нь Лян29, Бринсон30 нар баталсан.Тэгшитгэлийн дериватив нь дараах хэлбэртэй байна.
Энд E нь фазаас хамааралтай SMA Янгийн модуль нь \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) ба \(E_A\) ба \(E_M\) ашиглан олж авсан Янгийн модулийг аустенит ба мартенсит фазууд бөгөөд дулааны тэлэлтийн коэффициент нь \_\T-ээр илэрхийлэгддэг.Фазын шилжилтийн хувь нэмрийн хүчин зүйл нь \(\Омега = -E \epsilon _L\) ба \(\epsilon _L\) нь SMA утсан дахь нөхөн сэргээгдэх хамгийн их ачаалал юм.
Фазын динамикийн тэгшитгэл нь Танака28-ын санал болгосон экспоненциал функцийн оронд Лян29-ийн боловсруулсан косинусын функцтэй давхцаж, дараа нь Бринсон30-ын баталсан.Фазын шилжилтийн загвар нь Элахиниа, Ахмадиан34 нарын санал болгосон загварын өргөтгөл бөгөөд Лян29, Бринсон30-ын өгсөн фазын шилжилтийн нөхцөл дээр үндэслэн өөрчилсөн.Энэхүү фазын шилжилтийн загварт ашигласан нөхцөл нь нарийн төвөгтэй термомеханик ачааллын үед хүчинтэй байна.Үүсгэх тэгшитгэлийг загварчлахдаа цаг мөч бүрт мартенситын эзлэхүүний фракцын утгыг тооцоолно.
Халаалтын нөхцөлд мартенситыг аустенит болгон хувиргах замаар илэрхийлсэн дахин хувирах тэгшитгэл нь дараах байдалтай байна.
Энд \(\xi\) нь мартенситын эзлэхүүний хэсэг, \(\xi _M\) нь халаахаас өмнө олж авсан мартенситийн эзлэхүүний хэсэг, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) ба \(C_Aro\) - температур хэмжигдэхүүн, T_As, утсыг (C_Aro\) im(S_A\) ба муруйлт. \(A_f\) - аустенит фазын эхлэл ба төгсгөл, температур.
Хөргөлтийн нөхцөлд аустенитийг мартенсит болгон хувиргах үе шатаар илэрхийлэгдэх шууд хувиргах хяналтын тэгшитгэл нь:
Энд \(\xi _A\) нь хөргөхөөс өмнө олж авсан мартенситийн эзлэхүүний хэсэг, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) ба \ ( C_M \) – муруйн тохируулагч параметрүүд, T – SMA утаснуудын эхний температур, \(M_) ба талбайн эцсийн температур, \(M_) ly.
(3) ба (4) тэгшитгэлүүдийг ялгасны дараа урвуу болон шууд хувиргах тэгшитгэлийг дараах хэлбэрт хялбаршуулна.
Урагш болон буцах хувиргалтын үед \(\eta _{\sigma}\) болон \(\eta _{T}\) өөр өөр утгыг авна.\(\eta _{\sigma}\) болон \(\eta _{T}\)-тай холбоотой үндсэн тэгшитгэлүүдийг гаргаж, нэмэлт хэсэгт дэлгэрэнгүй авч үзсэн болно.
SMA утасны температурыг нэмэгдүүлэхэд шаардагдах дулааны энерги нь Joule халаалтын эффектээс үүсдэг.SMA утсанд шингэсэн эсвэл ялгарсан дулааны энергийг хувиргах далд дулаанаар илэрхийлнэ.SMA утсан дахь дулааны алдагдал нь албадан конвекцийн улмаас үүсдэг бөгөөд цацрагийн нөлөөлөл бага байгаа тохиолдолд дулааны энергийн балансын тэгшитгэл дараах байдалтай байна.
Энд \(m_{утас}\) нь SMA утасны нийт масс, \(c_{p}\) нь SMA-ийн хувийн дулаан багтаамж, \(V_{in}\) нь утсанд хэрэглэсэн хүчдэл, \(R_{ohm} \ ) - фазаас хамааралтай эсэргүүцэл SMA, дараах байдлаар тодорхойлогддог;\(R_{ohm} = (l/A_{загалмай})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) энд \(r_M\ ) ба \(r_A\) нь мартенсит ба аустенит дэх SMA фазын эсэргүүцэл, \(A_{c}\) нь утасны гадаргуугийн талбай, \D бүх санах ойн хэлбэр \D.Утасны шилжилтийн далд дулаан, T ба \(T_{\infty}\) нь SMA утас болон хүрээлэн буй орчны температур юм.
Хэлбэрийн санах ойн хайлш утсыг ажиллуулах үед утас шахагдаж, шилэн хүч гэж нэрлэгддэг хоёр модаль дизайны салбар бүрт хүчийг бий болгодог.SMA утасны хэлхээ тус бүрийн утаснуудын хүч нь нийлээд булчингийн хүчийг бий болгож, 9e-р зурагт үзүүлэв.Хагархай пүрш байгаа тул N-р олон давхаргат идэвхжүүлэгчийн булчингийн нийт хүч нь:
Тэгшитгэл (7)-д \(N = 1\) орлуулснаар эхний шатны хоёр модаль хөтөчийн прототипийн булчингийн хүчийг дараах байдлаар олж авч болно.
Энд n нь нэг төрлийн хөлний тоо, \(F_m\) нь хөтөчөөс үүссэн булчингийн хүч, \​​(F_f\) нь SMA утас дахь шилэн бат бэх, \(K_x\) нь хэвийсэн хөшүүн чанар юм.пүрш, \(\альфа\) нь гурвалжны өнцөг, \(x_0\) нь SMA кабелийг урьдчилан татсан байрлалд барих хэвийсэн пүршний анхны офсет, \(\Дельта x\) нь идэвхжүүлэгчийн хөдөлгөөн юм.
N-р шатны SMA утсан дээрх хүчдэл (\(\сигма\)) ба ачаалал (\(\epsilon\)) зэргээс шалтгаалан хөтчийн нийт шилжилт буюу хөдөлгөөн (\(\Дельта x\)) нь хөтчийг тохируулсан байна (Зураг. Гаралтын нэмэлт хэсгийг үзнэ үү):
Кинематик тэгшитгэлүүд нь хөтчийн хэв гажилт (\(\epsilon\)) ба шилжилт эсвэл шилжилтийн (\(\Дельта x\)) хоорондын хамаарлыг өгдөг.Нэг модаль салааны аль ч үед t үед анхны Arb утасны урт (\(l_0\)) ба утасны уртаас (l) хамаарах Arb утасны хэв гажилт дараах байдалтай байна.
Энд \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) нь \(\Delta\)ABB '-д косинусын томьёог хэрэглэснээр 8-р зурагт үзүүлэв. Эхний шатны хөтөчийн хувьд (\)(N\)_ta =(1\) \(D x\el) байна. ), ба \(\альфа _1\) нь \(\альфа \) байна Зураг 8-д үзүүлсэнчлэн (11)-ээс цаг хугацааг ялгаж, l-ийн утгыг орлуулснаар деформацийн хурдыг дараах байдлаар бичиж болно.
Энд \(l_0\) нь SMA утасны анхны урт, l нь нэг унимодаль салааны аль ч үеийн t утасны урт, \(\epsilon\) нь SMA утсанд үүссэн хэв гажилт, \(\альфа \) гурвалжны өнцөг, \(\Дельта x\) нь хөтчийн офсет (Зураг 8-д үзүүлсэн шиг).
Бүх n нэг оргилын бүтэц (энэ зураг дээрх \(n=6\)) оролтын хүчдэлийн хувьд \(V_{in}\) цуваагаар холбогдсон байна.I үе шат: Тэг хүчдэлийн нөхцөлд хоёр модаль тохиргоотой SMA утасны бүдүүвч диаграмм II үе шат: Улаан шугамаар харуулсан шиг урвуу хувиргалтаас болж SMA утас шахагдаж байгаа удирдлагатай бүтцийг үзүүлэв.
Үзэл баримтлалын нотолгоо болгон үндсэн тэгшитгэлийн загварчилсан гарал үүслийг туршилтын үр дүнтэй турших зорилгоор SMA-д суурилсан хоёр модаль хөтөчийг боловсруулсан.Хоёр модаль шугаман идэвхжүүлэгчийн CAD загварыг Зураг дээр үзүүлэв.9а.Нөгөө талаас, зурагт.9в зурагт хоёр талт бүтэцтэй хоёр хавтгай SMA-д суурилсан идэвхжүүлэгч ашиглан эргэдэг призматик холболтыг санал болгож буй шинэ загварыг харуулав.Хөтөчийн эд ангиудыг Ultimaker 3 Extended 3D принтер дээр нэмэлт үйлдвэрлэлээр хийсэн.Бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг 3D хэвлэхэд ашигладаг поликарбонат материал нь бат бөх, удаан эдэлгээтэй, шил шилжилтийн өндөр температуртай (110-113 \(^{\circ }\) C) тул халуунд тэсвэртэй материалд тохиромжтой.Үүнээс гадна Dynalloy, Inc. Flexinol хэлбэрийн санах ойтой хайлш утсыг туршилтанд ашигласан бөгөөд Flexinol утастай тохирох материалын шинж чанарыг загварчлалд ашигласан.9b, d-р зурагт үзүүлсний дагуу олон SMA утаснууд нь олон давхаргат идэвхжүүлэгчийн үүсгэсэн өндөр хүчийг олж авахын тулд булчингийн хоёр модаль зохион байгуулалтанд байдаг утас хэлбэрээр байрладаг.
Зураг 9a-д үзүүлснээр хөдлөх гарны SMA утаснаас үүссэн хурц өнцгийг өнцөг (\(\альфа\)) гэж нэрлэдэг.Зүүн ба баруун хавчааруудад хавчуулсан терминалын хавчаараар SMA утсыг хүссэн хоёр модаль өнцгөөр барина.Пүршний холбогч дээр байрлуулсан хэвийсэн хаврын төхөөрөмж нь SMA утаснуудын тоо (n) -ийн дагуу өөр өөр хэвийсэн хаврын өргөтгөлийн бүлгийг тохируулах зориулалттай.Түүнчлэн хөдөлгөөнт хэсгүүдийн байрлал нь SMA утсыг албадан конвекцоор хөргөх гадаад орчинд байхаар зохион бүтээгдсэн.Салдаг угсралтын дээд ба доод хавтан нь жинг бууруулах зориулалттай шахмал зүсэлт бүхий SMA утсыг сэрүүн байлгахад тусалдаг.Нэмж дурдахад CMA утасны хоёр төгсгөл нь зүүн ба баруун терминалуудад хавчаараар бэхлэгддэг.Дээд ба доод хавтангийн хоорондох зайг хадгалахын тулд хөдлөх угсралтын нэг төгсгөлд бүлүүр бэхлэгдсэн байна.Plunger нь SMA утсыг ажиллуулах үед блоклох хүчийг хэмжихийн тулд контактаар дамжуулан мэдрэгчийг блоклох хүчийг ашиглахад ашиглагддаг.
Хоёр модаль булчингийн бүтэц SMA нь цахилгаанаар цувралаар холбогдсон бөгөөд оролтын импульсийн хүчдэлээр тэжээгддэг.Хүчдэлийн импульсийн мөчлөгийн үед хүчдэл өгч, SMA утсыг аустенитийн анхны температураас дээш халаахад утас тус бүрийн утасны урт богиносдог.Энэ ухрах нь хөдлөх гарны дэд угсралтыг идэвхжүүлдэг.Нэг мөчлөгт хүчдэлийг тэглэх үед халсан SMA утсыг мартенситийн гадаргуугийн температураас доош хөргөж, улмаар анхны байрлалдаа буцаж ирэв.Стрессгүй нөхцөлд SMA утсыг эхлээд хэвийсэн пүршээр идэвхгүй сунгаж, тодорхойлогдсон мартенсит төлөвт хүрдэг.SMA утас дамждаг шураг нь SMA утсанд хүчдэлийн импульс хийснээр үүссэн шахалтын улмаас хөдөлдөг (SPA нь аустенит фазад хүрдэг) бөгөөд энэ нь хөдлөх хөшүүргийг ажиллуулахад хүргэдэг.SMA утсыг татах үед хэвийсэн пүрш нь пүршийг цааш сунгах замаар эсрэг хүчийг үүсгэдэг.Импульсийн хүчдэл дэх стресс тэг болох үед SMA утас нь албадан конвекцийн хөргөлтийн улмаас уртасч, хэлбэрээ өөрчилснөөр давхар мартенситын фазад хүрдэг.
Санал болгож буй SMA-д суурилсан шугаман идэвхжүүлэгч систем нь SMA утаснууд нь өнцгөөр байрладаг хоёр модаль тохиргоотой.(a) загварт хамаарах зарим бүрэлдэхүүн хэсгүүд болон тэдгээрийн утгыг дурьдсан эх загварын CAD загварыг дүрсэлсэн, (b, d) боловсруулсан туршилтын загвар35.(b) нь цахилгаан холболт, хэвийсэн пүрш, суналт хэмжигчийг ашигласан загвар загварын дээд хэсгийг харуулсан бол (г) тохиргооны хэтийн төлөвийг харуулж байна.(д) Ямар ч үед t хоёр модоор байрлуулсан SMA утас бүхий шугаман идэвхжүүлэлтийн системийн диаграмм нь утас ба булчингийн хүч чадлын чиглэл, чиглэлийг харуулсан.(в) Хоёр хавтгай SMA-д суурилсан идэвхжүүлэгчийг байрлуулахын тулд 2-DOF эргэлтийн призматик холболтыг санал болгосон.Зурагт үзүүлснээр холбоос нь доод хөтөчөөс дээд гар руу шугаман хөдөлгөөнийг дамжуулж, эргэлтийн холболт үүсгэдэг.Нөгөө талаас хос призмийн хөдөлгөөн нь олон давхаргат эхний шатны хөтөчийн хөдөлгөөнтэй ижил байна.
SMA дээр суурилсан хоёр модаль хөтөчийн гүйцэтгэлийг үнэлэхийн тулд 9б-р зурагт үзүүлсэн загвар дээр туршилтын судалгаа хийсэн.Зураг 10a-д үзүүлснээр туршилтын тохиргоо нь SMA утаснуудад оролтын хүчдэлийг хангах программчлагдсан тогтмол гүйдлийн тэжээлийн эх үүсвэрээс бүрдсэн.Зурагт үзүүлсэн шиг.Graphtec GL-2000 өгөгдөл бүртгэгч ашиглан блоклох хүчийг хэмжихийн тулд 10б-т пьезоэлектрик омог хэмжигч (PACEline CFT/5kN) ашигласан.Өгөгдлийг хост цаашдын судалгаанд зориулж бүртгэдэг.Хүчдэл хэмжигч ба цэнэгийн өсгөгч нь хүчдэлийн дохиог үүсгэхийн тулд тогтмол тэжээлийн хангамжийг шаарддаг.Харгалзах дохионууд нь 2-р хүснэгтэд тайлбарласны дагуу пьезоэлектрик хүчний мэдрэгчийн мэдрэмж болон бусад параметрүүдийн дагуу тэжээлийн гаралт болгон хувиргадаг. Хүчдэлийн импульс өгөх үед SMA утасны температур нэмэгдэж, SMA утсыг шахаж, улмаар идэвхжүүлэгч хүч үүсгэхэд хүргэдэг.7 В-ийн оролтын хүчдэлийн импульсээр булчингийн хүчийг гаргах туршилтын үр дүнг Зураг дээр үзүүлэв.2а.
(a) Туршилтын явцад идэвхжүүлэгчийн үүсгэсэн хүчийг хэмжихийн тулд SMA-д суурилсан шугаман идэвхжүүлэгчийн системийг суурилуулсан.Ачааллын элемент нь блоклох хүчийг хэмждэг бөгөөд 24 В тогтмол гүйдлийн тэжээлээр тэжээгддэг.GW Instek програмчлагдсан тогтмол гүйдлийн тэжээлийн хангамжийг ашиглан кабелийн бүх уртын дагуу 7 В хүчдэлийн уналт хийсэн.SMA утас нь дулааны улмаас багасч, хөдлөх гар нь ачааны үүрэнд хүрч, блоклох хүчийг үүсгэдэг.Ачааллын үүр нь GL-2000 өгөгдөл бүртгэгчтэй холбогдсон бөгөөд өгөгдлийг цаашид боловсруулах зорилгоор хост дээр хадгалдаг.(б) Булчингийн хүчийг хэмжих туршилтын системийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хэлхээг харуулсан диаграмм.
Хэлбэрийн санах ойн хайлш нь дулааны энергийн нөлөөгөөр өдөөгддөг тул температур нь хэлбэрийн санах ойн үзэгдлийг судлах чухал параметр болдог.Туршилтаар, Зураг 11а-д үзүүлсэнчлэн, дулааны дүрслэл болон температурын хэмжилтийг SMA-д суурилсан дивалератын идэвхжүүлэгчийн загвар дээр хийсэн.Зураг 11б-д үзүүлсэн шиг програмчлагдсан тогтмол гүйдлийн эх үүсвэр нь туршилтын тохиргоонд SMA утаснуудад оролтын хүчдэлийг ашигласан.SMA утасны температурын өөрчлөлтийг өндөр нарийвчлалтай LWIR камер (FLIR A655sc) ашиглан бодит цаг хугацаанд хэмжсэн.Хост нь ResearchIR программ хангамжийг ашиглан өгөгдлийг бичиж, цаашдын боловсруулалт хийдэг.Хүчдэлийн импульс өгөх үед SMA утасны температур нэмэгдэж, SMA утас агшихад хүргэдэг.Зураг дээр.Зураг 2b-д 7V оролтын хүчдэлийн импульсийн хувьд SMA утасны температурын туршилтын үр дүнг харуулав.