Grazzi talli żort Nature.com. Il-verżjoni tal-browser li qed tuża għandha appoġġ limitat għas-CSS. Għall-aħjar esperjenza, nirrakkomandaw li tuża browser aġġornat (jew tiddiżattiva l-Modalità ta' Kompatibilità fl-Internet Explorer). Sadanittant, biex niżguraw appoġġ kontinwu, se nirrendu s-sit mingħajr stili u JavaScript.
L-attwaturi jintużaw kullimkien u joħolqu moviment ikkontrollat billi japplikaw il-forza ta' eċċitazzjoni jew it-torque korrett biex iwettqu diversi operazzjonijiet fil-manifattura u l-awtomazzjoni industrijali. Il-ħtieġa għal drives aktar veloċi, iżgħar u aktar effiċjenti qed tmexxi l-innovazzjoni fid-disinn tas-drives. Drives tal-Liga tal-Memorja tal-Forma (SMA) joffru numru ta' vantaġġi fuq drives konvenzjonali, inkluż proporzjon għoli ta' qawwa għall-piż. F'din id-dissertazzjoni, ġie żviluppat attwatur ibbażat fuq SMA b'żewġ rix li jgħaqqad il-vantaġġi tal-muskoli b'rix tas-sistemi bijoloġiċi u l-proprjetajiet uniċi tal-SMAs. Dan l-istudju jesplora u jestendi l-attwaturi SMA preċedenti billi jiżviluppa mudell matematiku tal-attwatur il-ġdid ibbażat fuq l-arranġament tal-wajer bimodali SMA u jittestjah sperimentalment. Meta mqabbel ma' drives magħrufa bbażati fuq SMA, il-forza ta' attwazzjoni tas-drive il-ġdida hija mill-inqas 5 darbiet ogħla (sa 150 N). It-telf ta' piż korrispondenti huwa madwar 67%. Ir-riżultati tal-analiżi tas-sensittività tal-mudelli matematiċi huma utli għall-irfinar tal-parametri tad-disinn u l-fehim tal-parametri ewlenin. Dan l-istudju jippreżenta wkoll drive N-th stadju b'ħafna livelli li jista' jintuża biex itejjeb aktar id-dinamika. L-attwaturi tal-muskoli tad-divalerat ibbażati fuq l-SMA għandhom firxa wiesgħa ta' applikazzjonijiet, mill-awtomazzjoni tal-bini sa sistemi ta' preċiżjoni għall-kunsinna ta' mediċini.
Sistemi bijoloġiċi, bħall-istrutturi muskolari tal-mammiferi, jistgħu jattivaw ħafna attwaturi sottili1. Il-mammiferi għandhom strutturi muskolari differenti, kull waħda sservi skop speċifiku. Madankollu, ħafna mill-istruttura tat-tessut tal-muskolu tal-mammiferi tista' tinqasam f'żewġ kategoriji wesgħin. Paralleli u pennati. Fil-hamstrings u flessuri oħra, kif jissuġġerixxi l-isem, il-muskolatura parallela għandha fibri tal-muskoli paralleli mat-tendon ċentrali. Il-katina tal-fibri tal-muskoli hija allinjata u funzjonalment konnessa mit-tessut konnettiv ta' madwarhom. Għalkemm dawn il-muskoli jingħad li għandhom eskursjoni kbira (tqassir perċentwali), is-saħħa ġenerali tal-muskoli tagħhom hija limitata ħafna. B'kuntrast, fil-muskolu triceps tal-għoġol2 (gastrocnemius laterali (GL)3, gastrocnemius medjali (GM)4 u soleus (SOL)) u extensor femoris (quadriceps)5,6 jinstab tessut tal-muskoli pennati f'kull muskolu7. Fi struttura pinnata, il-fibri tal-muskoli fil-muskolatura bipennata huma preżenti fuq iż-żewġ naħat tat-tendon ċentrali f'angoli oblikwi (angoli pinnati). Pennat ġej mill-kelma Latina "penna", li tfisser "pinna", u, kif muri fil-figura 1 għandu dehra ta' rixa. Il-fibri tal-muskoli pennati huma iqsar u angolati mal-assi lonġitudinali tal-muskolu. Minħabba l-istruttura pinnata, il-mobilità ġenerali ta' dawn il-muskoli hija mnaqqsa, li twassal għall-komponenti trasversali u lonġitudinali tal-proċess ta' tqassir. Min-naħa l-oħra, l-attivazzjoni ta' dawn il-muskoli twassal għal saħħa ġenerali ogħla tal-muskoli minħabba l-mod kif titkejjel l-erja trasversali fiżjoloġika. Għalhekk, għal erja trasversali partikolari, il-muskoli pennati se jkunu aktar b'saħħithom u se jiġġeneraw forzi ogħla mill-muskoli b'fibri paralleli. Il-forzi ġġenerati minn fibri individwali jiġġeneraw forzi tal-muskoli f'livell makroskopiku f'dak it-tessut tal-muskolu. Barra minn hekk, għandu proprjetajiet uniċi bħal jinxtorob malajr, protezzjoni kontra ħsara tensili, ikkuttunar. Jittrasforma r-relazzjoni bejn l-input tal-fibra u l-output tal-qawwa tal-muskoli billi jisfrutta l-karatteristiċi uniċi u l-kumplessità ġeometrika tal-arranġament tal-fibra assoċjat mal-linji ta' azzjoni tal-muskoli.
Muri huma dijagrammi skematiċi ta' disinji eżistenti ta' attwaturi bbażati fuq l-SMA fir-rigward ta' arkitettura muskolari bimodali, pereżempju (a), li jirrappreżentaw l-interazzjoni tal-forza tattili fejn apparat forma ta' id attivat minn wajers SMA huwa mmuntat fuq robot mobbli awtonomu b'żewġ roti9,10. , (b) Protesi orbitali robotika bi protesi orbitali mgħobbija b'molla SMA mqiegħda antagonistikament. Il-pożizzjoni tal-għajn prostetika hija kkontrollata minn sinjal mill-muskolu okulari tal-għajn11, (c) L-attwaturi SMA huma ideali għal applikazzjonijiet taħt l-ilma minħabba r-rispons ta' frekwenza għolja tagħhom u l-bandwidth baxx. F'din il-konfigurazzjoni, l-attwaturi SMA jintużaw biex joħolqu moviment ta' mewġ billi jissimulaw il-moviment tal-ħut, (d) L-attwaturi SMA jintużaw biex joħolqu robot ta' spezzjoni ta' mikro pajpijiet li jista' juża l-prinċipju tal-moviment tad-dudu pulzier, ikkontrollat mill-moviment tal-wajers SMA ġewwa l-kanal 10, (e) juri d-direzzjoni tal-fibri tal-muskoli tal-kontrazzjoni u l-ġenerazzjoni tal-forza kontrattili fit-tessut gastrocnemius, (f) juri wajers SMA rranġati fil-forma ta' fibri tal-muskoli fl-istruttura tal-muskoli pennati.
L-attwaturi saru parti importanti mis-sistemi mekkaniċi minħabba l-firxa wiesgħa ta' applikazzjonijiet tagħhom. Għalhekk, il-ħtieġa għal drives iżgħar, aktar veloċi u aktar effiċjenti ssir kritika. Minkejja l-vantaġġi tagħhom, id-drives tradizzjonali wrew li huma għaljin u jieħdu ħafna ħin biex jinżammu. L-attwaturi idrawliċi u pnewmatiċi huma kumplessi u għaljin u huma soġġetti għal xedd, problemi ta' lubrikazzjoni u ħsara fil-komponenti. Bi tweġiba għad-domanda, l-enfasi hija fuq l-iżvilupp ta' attwaturi kosteffettivi, ottimizzati għad-daqs u avvanzati bbażati fuq materjali intelliġenti. Ir-riċerka li għaddejja qed tħares lejn attwaturi f'saffi ta' liga b'memorja tal-forma (SMA) biex tissodisfa din il-ħtieġa. L-attwaturi ġerarkiċi huma uniċi fis-sens li jikkombinaw ħafna attwaturi diskreti f'sottosistemi fuq skala makro ġeometrikament kumplessi biex jipprovdu funzjonalità akbar u estiża. F'dan ir-rigward, it-tessut tal-muskolu uman deskritt hawn fuq jipprovdi eżempju eċċellenti b'ħafna saffi ta' tali attwazzjoni b'ħafna saffi. L-istudju attwali jiddeskrivi drive SMA b'ħafna livelli b'diversi elementi ta' drive individwali (wajers SMA) allinjati mal-orjentazzjonijiet tal-fibri preżenti fil-muskoli bimodali, li jtejjeb il-prestazzjoni ġenerali tas-drive.
L-iskop ewlieni ta' attwatur huwa li jiġġenera output ta' enerġija mekkanika bħal forza u spostament billi jikkonverti l-enerġija elettrika. Ligi bil-memorja tal-forma huma klassi ta' materjali "intelliġenti" li jistgħu jirrestawraw il-forma tagħhom f'temperaturi għoljin. Taħt tagħbijiet għoljin, żieda fit-temperatura tal-wajer SMA twassal għal irkupru tal-forma, li jirriżulta f'densità ta' enerġija ta' attwazzjoni ogħla meta mqabbla ma' diversi materjali intelliġenti marbuta direttament. Fl-istess ħin, taħt tagħbijiet mekkaniċi, l-SMAs isiru fraġli. Taħt ċerti kundizzjonijiet, tagħbija ċiklika tista' tassorbi u tirrilaxxa enerġija mekkanika, u turi bidliet isteriċi riversibbli fil-forma. Dawn il-proprjetajiet uniċi jagħmlu l-SMA ideali għal sensuri, damping tal-vibrazzjoni u speċjalment attwaturi12. B'dan f'moħħna, kien hemm ħafna riċerka dwar drives ibbażati fuq l-SMA. Ta' min jinnota li l-attwaturi bbażati fuq l-SMA huma ddisinjati biex jipprovdu moviment translazzjonali u rotatorju għal varjetà ta' applikazzjonijiet13,14,15. Għalkemm ġew żviluppati xi attwaturi rotatorji, ir-riċerkaturi huma partikolarment interessati fl-attwaturi lineari. Dawn l-attwaturi lineari jistgħu jinqasmu fi tliet tipi ta' attwaturi: attwaturi unidimensjonali, ta' spostament u differenzjali16. Inizjalment, id-drajvs ibridi nħolqu flimkien ma' SMA u drajvs konvenzjonali oħra. Eżempju wieħed ta' attwatur lineari ibridu bbażat fuq SMA huwa l-użu ta' wajer SMA b'mutur DC biex jipprovdi forza ta' ħruġ ta' madwar 100 N u spostament sinifikanti17.
Wieħed mill-ewwel żviluppi fid-drajvs ibbażati kompletament fuq l-SMA kien id-drajv parallel SMA. Bl-użu ta' wajers SMA multipli, id-drajv parallel ibbażat fuq l-SMA huwa ddisinjat biex iżid il-kapaċità tal-qawwa tad-drajv billi jpoġġi l-wajers SMA18 kollha b'mod parallel. Il-konnessjoni parallela tal-attwaturi mhux biss teħtieġ aktar qawwa, iżda tillimita wkoll il-qawwa tal-ħruġ ta' wajer wieħed. Żvantaġġ ieħor tal-attwaturi bbażati fuq l-SMA huwa l-ivvjaġġar limitat li jistgħu jiksbu. Biex tissolva din il-problema, inħoloq raġġ tal-kejbil SMA li fih raġġ flessibbli defless biex iżid l-ispostament u jikseb moviment lineari, iżda ma ġġenerax forzi ogħla19. Strutturi u drappijiet deformabbli rotob għal robots ibbażati fuq ligi tal-memorja tal-forma ġew żviluppati primarjament għall-amplifikazzjoni tal-impatt20,21,22. Għal applikazzjonijiet fejn huma meħtieġa veloċitajiet għoljin, ġew irrappurtati pompi misjuqa kompatti bl-użu ta' SMAs b'film irqiq għal applikazzjonijiet misjuqa minn mikropompi23. Il-frekwenza tas-sewqan tal-membrana SMA b'film irqiq hija fattur ewlieni fil-kontroll tal-veloċità tad-drajv. Għalhekk, il-muturi lineari SMA għandhom rispons dinamiku aħjar mill-muturi tar-rebbiegħa jew tal-vireg SMA. Ir-robotika ratba u t-teknoloġija tal-qbid huma żewġ applikazzjonijiet oħra li jużaw attwaturi bbażati fuq l-SMA. Pereżempju, biex tissostitwixxi l-attwatur standard użat fil-morsa spazjali ta' 25 N, ġie żviluppat attwatur parallel tal-liga tal-memorja tal-forma 24. F'każ ieħor, ġie fabbrikat attwatur artab SMA bbażat fuq wajer b'matriċi inkorporata kapaċi tipproduċi forza massima ta' ġbid ta' 30 N. Minħabba l-proprjetajiet mekkaniċi tagħhom, l-SMAs jintużaw ukoll biex jipproduċu attwaturi li jimitaw fenomeni bijoloġiċi. Żvilupp wieħed bħal dan jinkludi robot ta' 12-il ċellula li huwa bijomimetiku ta' organiżmu simili għal dud tal-art b'SMA biex jiġġenera moviment sinusoidali għan-nar26,27.
Kif imsemmi qabel, hemm limitu għall-forza massima li tista' tinkiseb minn attwaturi eżistenti bbażati fuq l-SMA. Biex jindirizza din il-kwistjoni, dan l-istudju jippreżenta struttura tal-muskoli bimodali bijomimetika. Immexxija minn wajer tal-liga tal-memorja tal-forma. Jipprovdi sistema ta' klassifikazzjoni li tinkludi diversi wajers tal-liga tal-memorja tal-forma. Sal-lum, l-ebda attwatur ibbażat fuq l-SMA b'arkitettura simili ma ġie rrappurtat fil-letteratura. Din is-sistema unika u ġdida bbażata fuq l-SMA ġiet żviluppata biex tistudja l-imġiba tal-SMA waqt l-allinjament tal-muskoli bimodali. Meta mqabbel mal-attwaturi eżistenti bbażati fuq l-SMA, l-għan ta' dan l-istudju kien li jinħoloq attwatur tad-divalerat bijomimetiku biex jiġġenera forzi sinifikament ogħla f'volum żgħir. Meta mqabbel ma' drives konvenzjonali mmexxija minn muturi stepper użati f'sistemi ta' awtomazzjoni u kontroll tal-bini HVAC, id-disinn propost tas-sewqan bimodali bbażat fuq l-SMA jnaqqas il-piż tal-mekkaniżmu tas-sewqan b'67%. Fil-li ġej, it-termini "muskolu" u "sewqan" jintużaw minflok xulxin. Dan l-istudju jinvestiga s-simulazzjoni multifiżika ta' tali sewqan. L-imġiba mekkanika ta' sistemi bħal dawn ġiet studjata b'metodi sperimentali u analitiċi. Id-distribuzzjonijiet tal-forza u t-temperatura ġew investigati aktar f'vultaġġ tad-dħul ta' 7 V. Sussegwentement, twettqet analiżi parametrika biex tinftiehem aħjar ir-relazzjoni bejn il-parametri ewlenin u l-forza tal-ħruġ. Fl-aħħar nett, ġew previsti attwaturi ġerarkiċi u ġew proposti effetti ta' livell ġerarkiku bħala qasam potenzjali futur għal attwaturi mhux manjetiċi għal applikazzjonijiet prostetiċi. Skont ir-riżultati tal-istudji msemmija hawn fuq, l-użu ta' arkitettura ta' stadju wieħed jipproduċi forzi mill-inqas erba' sa ħames darbiet ogħla mill-attwaturi bbażati fuq l-SMA rrappurtati. Barra minn hekk, l-istess forza tas-sewqan iġġenerata minn sewqan b'ħafna livelli b'ħafna livelli ntweriet li hija aktar minn għaxar darbiet dik tad-drives konvenzjonali bbażati fuq l-SMA. L-istudju mbagħad jirrapporta parametri ewlenin bl-użu ta' analiżi tas-sensittività bejn disinji differenti u varjabbli tad-dħul. It-tul inizjali tal-wajer SMA (\(l_0\)), l-angolu pinnat (\(\alpha\)) u n-numru ta' linji singoli (n) f'kull linja individwali għandhom effett negattiv qawwi fuq il-kobor tal-forza tas-sewqan, filwaqt li l-vultaġġ tad-dħul (enerġija) irriżulta li kien korrelat b'mod pożittiv.
Il-wajer SMA juri l-effett tal-memorja tal-forma (SME) li jidher fil-familja ta' ligi tan-nikil-titanju (Ni-Ti). Tipikament, l-SMAs juru żewġ fażijiet dipendenti mit-temperatura: fażi ta' temperatura baxxa u fażi ta' temperatura għolja. Iż-żewġ fażijiet għandhom proprjetajiet uniċi minħabba l-preżenza ta' strutturi kristallini differenti. Fil-fażi awstenita (fażi ta' temperatura għolja) li teżisti 'l fuq mit-temperatura tat-trasformazzjoni, il-materjal juri saħħa għolja u ma tantx jiġi deformat taħt tagħbija. Il-liga taġixxi bħall-azzar inossidabbli, għalhekk hija kapaċi tiflaħ pressjonijiet ta' attwazzjoni ogħla. Billi jittieħed vantaġġ minn din il-proprjetà tal-ligi Ni-Ti, il-wajers SMA huma inklinati biex jiffurmaw attwatur. Mudelli analitiċi xierqa huma żviluppati biex jifhmu l-mekkaniżmi fundamentali tal-imġiba termali tal-SMA taħt l-influwenza ta' diversi parametri u diversi ġeometriji. Inkiseb qbil tajjeb bejn ir-riżultati sperimentali u analitiċi.
Sar studju sperimentali fuq il-prototip muri fil-Fig. 9a biex tiġi evalwata l-prestazzjoni ta' sewqan bimodali bbażat fuq SMA. Tnejn minn dawn il-proprjetajiet, il-forza ġġenerata mid-drajv (forza tal-muskoli) u t-temperatura tal-wajer SMA (temperatura SMA), ġew imkejla b'mod sperimentali. Hekk kif id-differenza fil-vultaġġ tiżdied tul it-tul kollu tal-wajer fid-drajv, it-temperatura tal-wajer tiżdied minħabba l-effett tat-tisħin Joule. Il-vultaġġ tad-dħul ġie applikat f'żewġ ċikli ta' 10 sekondi (murija bħala tikek ħomor fil-Fig. 2a, b) b'perjodu ta' tkessiħ ta' 15-il sekonda bejn kull ċiklu. Il-forza tal-imblukkar tkejlet bl-użu ta' strain gauge pjeżoelettriku, u d-distribuzzjoni tat-temperatura tal-wajer SMA ġiet immonitorjata f'ħin reali bl-użu ta' kamera LWIR ta' riżoluzzjoni għolja ta' grad xjentifiku (ara l-karatteristiċi tat-tagħmir użat fit-Tabella 2). juri li matul il-fażi ta' vultaġġ għoli, it-temperatura tal-wajer tiżdied b'mod monotoniku, iżda meta ma jkunx hemm kurrent li jiċċirkola, it-temperatura tal-wajer tkompli tonqos. Fis-setup sperimentali attwali, it-temperatura tal-wajer SMA niżlet matul il-fażi tat-tkessiħ, iżda xorta kienet 'il fuq mit-temperatura ambjentali. Il-figura 2e turi stampa tat-temperatura fuq il-wajer SMA meħuda mill-kamera LWIR. Min-naħa l-oħra, il-figura 2a turi l-forza tal-imblukkar iġġenerata mis-sistema tas-sewqan. Meta l-forza tal-muskoli taqbeż il-forza ta' restawr tar-rebbiegħa, id-driegħ mobbli, kif muri fil-Figura 9a, jibda jiċċaqlaq. Hekk kif tibda l-attwazzjoni, id-driegħ mobbli jiġi f'kuntatt mas-sensorju, u joħloq forza tal-ġisem, kif muri fil-figura 2c, d. Meta t-temperatura massima tkun qrib \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), il-forza massima osservata hija 105 N.
Il-graff juri r-riżultati sperimentali tat-temperatura tal-wajer SMA u l-forza ġġenerata mill-attwatur bimodali bbażat fuq l-SMA matul żewġ ċikli. Il-vultaġġ tad-dħul huwa applikat f'żewġ ċikli ta' 10 sekondi (murija bħala tikek ħomor) b'perjodu ta' tkessiħ ta' 15-il sekonda bejn kull ċiklu. Il-wajer SMA użat għall-esperimenti kien wajer Flexinol b'dijametru ta' 0.51 mm minn Dynalloy, Inc. (a) Il-graff juri l-forza sperimentali miksuba fuq żewġ ċikli, (c, d) juri żewġ eżempji indipendenti tal-azzjoni ta' attwaturi b'driegħ li jiċċaqlaq fuq transducer tal-forza pjeżoelettrika PACEline CFT/5kN, (b) il-graff juri t-temperatura massima tal-wajer SMA kollu matul żewġ ċikli, (e) juri ritratt tat-temperatura meħud mill-wajer SMA bl-użu tas-softwer FLIR ResearchIR bil-kamera LWIR. Il-parametri ġeometriċi kkunsidrati fl-esperimenti huma mogħtija fit-Tabella waħda.
Ir-riżultati tas-simulazzjoni tal-mudell matematiku u r-riżultati sperimentali huma mqabbla taħt il-kundizzjoni ta' vultaġġ tad-dħul ta' 7V, kif muri fil-Fig.5. Skont ir-riżultati tal-analiżi parametrika u sabiex tiġi evitata l-possibbiltà ta' sħana żejda tal-wajer SMA, qawwa ta' 11.2 W ġiet fornuta lill-attwatur. Provvista ta' enerġija DC programmabbli ntużat biex tipprovdi 7V bħala l-vultaġġ tad-dħul, u kurrent ta' 1.6A tkejjel tul il-wajer. Il-forza ġġenerata mid-drajv u t-temperatura tal-SDR jiżdiedu meta jiġi applikat kurrent. B'vultaġġ tad-dħul ta' 7V, il-forza massima tal-ħruġ miksuba mir-riżultati tas-simulazzjoni u r-riżultati sperimentali tal-ewwel ċiklu hija 78 N u 96 N, rispettivament. Fit-tieni ċiklu, il-forza massima tal-ħruġ tas-simulazzjoni u r-riżultati sperimentali kienet 150 N u 105 N, rispettivament. Id-diskrepanza bejn il-kejl tal-forza tal-okklużjoni u d-dejta sperimentali tista' tkun dovuta għall-metodu użat biex titkejjel il-forza tal-okklużjoni. Ir-riżultati sperimentali murija fil-fig. 5a jikkorrispondu għall-kejl tal-forza tal-illokkjar, li min-naħa tagħha tkejlet meta x-xaft tas-sewqan kien f'kuntatt mat-transducer tal-forza pjeżoelettrika PACEline CFT/5kN, kif muri fil-fig. 2s. Għalhekk, meta x-xaft tas-sewqan ma jkunx f'kuntatt mas-senser tal-forza fil-bidu taż-żona tat-tkessiħ, il-forza immedjatament issir żero, kif muri fil-Fig. 2d. Barra minn hekk, parametri oħra li jaffettwaw il-formazzjoni tal-forza f'ċikli sussegwenti huma l-valuri tal-ħin tat-tkessiħ u l-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana konvettiva fiċ-ċiklu preċedenti. Mill-fig. 2b, jista' jidher li wara perjodu ta' tkessiħ ta' 15-il sekonda, il-wajer SMA ma laħaqx it-temperatura tal-kamra u għalhekk kellu temperatura inizjali ogħla (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) fit-tieni ċiklu tas-sewqan meta mqabbel mal-ewwel ċiklu (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Għalhekk, meta mqabbla mal-ewwel ċiklu, it-temperatura tal-wajer SMA matul it-tieni ċiklu ta' tisħin tilħaq it-temperatura inizjali tal-awstenita (\(A_s\)) aktar kmieni u tibqa' fil-perjodu ta' transizzjoni għal żmien itwal, u dan jirriżulta fi stress u forza. Min-naħa l-oħra, id-distribuzzjonijiet tat-temperatura matul iċ-ċikli ta' tisħin u tkessiħ miksuba minn esperimenti u simulazzjonijiet għandhom xebh kwalitattiv għoli ma' eżempji minn analiżi termografika. Analiżi komparattiva tad-dejta termali tal-wajer SMA minn esperimenti u simulazzjonijiet uriet konsistenza matul iċ-ċikli ta' tisħin u tkessiħ u fi ħdan tolleranzi aċċettabbli għad-dejta sperimentali. It-temperatura massima tal-wajer SMA, miksuba mir-riżultati tas-simulazzjoni u l-esperimenti tal-ewwel ċiklu, hija \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) u \(75\,^{\circ }\hbox {C}\, rispettivament), u fit-tieni ċiklu t-temperatura massima tal-wajer SMA hija \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) u \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Il-mudell żviluppat b'mod fundamentali jikkonferma l-effett tal-effett tal-memorja tal-forma. Ir-rwol tal-għeja u s-sħana żejda ma ġiex ikkunsidrat f'din ir-reviżjoni. Fil-futur, il-mudell se jittejjeb biex jinkludi l-istorja tal-istress tal-wajer SMA, u b'hekk ikun aktar adattat għal applikazzjonijiet ta' inġinerija. Il-plott tal-forza tal-ħruġ tas-sewqan u t-temperatura SMA miksuba mill-blokk Simulink huma fi ħdan it-tolleranzi permissibbli tad-dejta sperimentali taħt il-kundizzjoni ta' impuls tal-vultaġġ tad-dħul ta' 7 V. Dan jikkonferma l-korrettezza u l-affidabbiltà tal-mudell matematiku żviluppat.
Il-mudell matematiku ġie żviluppat fl-ambjent MathWorks Simulink R2020b bl-użu tal-ekwazzjonijiet bażiċi deskritti fit-taqsima Metodi. Fil-figura 3b tidher dijagramma tal-blokka tal-mudell matematiku Simulink. Il-mudell ġie simulat għal impuls ta' vultaġġ tad-dħul ta' 7V kif muri fil-figura 2a, b. Il-valuri tal-parametri użati fis-simulazzjoni huma elenkati fit-Tabella 1. Ir-riżultati tas-simulazzjoni tal-proċessi temporanji huma ppreżentati fil-Figuri 1 u 1. Il-Figuri 3a u 4. Fil-figura 4a, b tidher il-vultaġġ indott fil-wajer SMA u l-forza ġġenerata mill-attwatur bħala funzjoni tal-ħin. Matul it-trasformazzjoni inversa (tisħin), meta t-temperatura tal-wajer SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura tal-bidu tal-fażi awstenita modifikata bl-istress), ir-rata ta' bidla tal-frazzjoni tal-volum tal-martensite (\(\dot{\xi }\)) tkun żero. Matul it-trasformazzjoni inversa (tisħin), meta t-temperatura tal-wajer SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura tal-bidu tal-fażi awstenita modifikata bl-istress), ir-rata ta' bidla tal-frazzjoni tal-volum tal-martensite (\(\dot{\ xi }\)) tkun żero. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура проволоки SMA, аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли доли матрте{\}\) будет равно нулю. Matul it-trasformazzjoni inversa (tisħin), meta t-temperatura tal-wajer SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura tal-bidu tal-awstenita modifikata bl-istress), ir-rata ta' bidla tal-frazzjoni tal-volum tal-martensita (\(\dot{\ xi }\ )) tkun żero.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率（\(\}dot)\)将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Riżultat tas-simulazzjoni li juri d-distribuzzjoni tat-temperatura u t-temperatura tal-ġunzjoni indotta mill-istress f'attwatur tad-divalerat ibbażat fuq SMA. Meta t-temperatura tal-wajer taqsam it-temperatura tat-tranżizzjoni tal-awstenita fl-istadju tat-tisħin, it-temperatura tat-tranżizzjoni tal-awstenita modifikata tibda tiżdied, u bl-istess mod, meta t-temperatura tal-vireg tal-wajer taqsam it-temperatura tat-tranżizzjoni martensitika fl-istadju tat-tkessiħ, it-temperatura tat-tranżizzjoni martensitika tonqos. SMA għall-immudellar analitiku tal-proċess tal-attwazzjoni. (Għal veduta dettaljata ta' kull sottosistema ta' mudell Simulink, ara t-taqsima tal-appendiċi tal-fajl supplimentari.)
Ir-riżultati tal-analiżi għal distribuzzjonijiet differenti tal-parametri huma murija għal żewġ ċikli tal-vultaġġ tad-dħul ta' 7V (ċikli ta' tisħin ta' 10 sekondi u ċikli ta' tkessiħ ta' 15-il sekonda). Filwaqt li (ac) u (e) juru d-distribuzzjoni maż-żmien, min-naħa l-oħra, (d) u (f) juru d-distribuzzjoni bit-temperatura. Għall-kundizzjonijiet tad-dħul rispettivi, l-istress massimu osservat huwa 106 MPa (inqas minn 345 MPa, saħħa tar-rendiment tal-wajer), il-forza hija 150 N, l-ispostament massimu huwa 270 µm, u l-frazzjoni minima tal-volum martensitiku hija 0.91. Min-naħa l-oħra, il-bidla fl-istress u l-bidla fil-frazzjoni tal-volum tal-martensite bit-temperatura huma simili għall-karatteristiċi tal-isteresi.
L-istess spjegazzjoni tapplika għat-trasformazzjoni diretta (tkessiħ) mill-fażi awstenita għall-fażi martensitika, fejn it-temperatura tal-wajer SMA (T) u t-temperatura tat-tmiem tal-fażi martensitika modifikata għall-istress (\(M_f^{\prime}\ )) huma eċċellenti. Fil-figura 4d, f turi l-bidla fl-istress indott (\(\sigma\)) u l-frazzjoni tal-volum tal-martensitika (\(\xi\)) fil-wajer SMA bħala funzjoni tal-bidla fit-temperatura tal-wajer SMA (T), għaż-żewġ ċikli tas-sewqan. Fil-figura 3a turi l-bidla fit-temperatura tal-wajer SMA maż-żmien skont il-polz tal-vultaġġ tad-dħul. Kif jidher mill-figura, it-temperatura tal-wajer tkompli tiżdied billi tipprovdi sors ta' sħana b'vultaġġ żero u tkessiħ konvettiv sussegwenti. Waqt it-tisħin, it-trasformazzjoni mill-ġdid tal-martensite għall-fażi awstenita tibda meta t-temperatura tal-wajer SMA (T) taqsam it-temperatura tan-nukleazzjoni tal-awstenita kkoreġuta għall-istress (\(A_s^{\prime}\)). Matul din il-fażi, il-wajer SMA jiġi kkompressat u l-attwatur jiġġenera forza. Ukoll waqt it-tkessiħ, meta t-temperatura tal-wajer SMA (T) taqsam it-temperatura tan-nukleazzjoni tal-fażi martensita modifikata għall-istress (\(M_s^{\prime}\)) ikun hemm transizzjoni pożittiva mill-fażi awstenita għall-fażi martensita. Il-forza tas-sewqan tonqos.
L-aspetti kwalitattivi ewlenin tas-sewqan bimodali bbażat fuq SMA jistgħu jinkisbu mir-riżultati tas-simulazzjoni. Fil-każ ta' input ta' impuls ta' vultaġġ, it-temperatura tal-wajer SMA tiżdied minħabba l-effett tat-tisħin Joule. Il-valur inizjali tal-frazzjoni tal-volum tal-martensite (\(\xi\)) huwa ssettjat għal 1, peress li l-materjal inizjalment ikun f'fażi martensitika kompletament. Hekk kif il-wajer ikompli jisħon, it-temperatura tal-wajer SMA taqbeż it-temperatura tan-nukleazzjoni tal-awstenita kkoreġuta għall-istress \(A_s^{\prime}\), li tirriżulta fi tnaqqis fil-frazzjoni tal-volum tal-martensite, kif muri fil-Figura 4c. Barra minn hekk, fil-fig. 4e turi d-distribuzzjoni tal-puplesiji tal-attwatur fil-ħin, u fil-fig. 5 – forza tas-sewqan bħala funzjoni tal-ħin. Sistema ta' ekwazzjonijiet relatata tinkludi t-temperatura, il-frazzjoni tal-volum tal-martensite, u l-istress li jiżviluppa fil-wajer, li jirriżulta fit-tinxtorob tal-wajer SMA u l-forza ġġenerata mill-attwatur. Kif muri fil-fig. 4d,f, il-varjazzjoni tal-vultaġġ bit-temperatura u l-varjazzjoni tal-frazzjoni tal-volum tal-martensite mat-temperatura jikkorrispondu mal-karatteristiċi tal-isteresi tal-SMA fil-każ simulat f'7 V.
It-tqabbil tal-parametri tas-sewqan inkiseb permezz ta' esperimenti u kalkoli analitiċi. Il-wajers ġew soġġetti għal vultaġġ ta' input pulsat ta' 7 V għal 10 sekondi, imbagħad tkessħu għal 15-il sekonda (fażi tat-tkessiħ) fuq żewġ ċikli. L-angolu pinnat huwa ssettjat għal \(40^{\circ}\) u t-tul inizjali tal-wajer SMA f'kull sieq tal-pin huwa ssettjat għal 83mm. (a) Kejl tal-forza tas-sewqan b'ċellula tat-tagħbija (b) Monitoraġġ tat-temperatura tal-wajer b'kamera infra-aħmar termali.
Sabiex tinftiehem l-influwenza tal-parametri fiżiċi fuq il-forza prodotta mid-drajv, twettqet analiżi tas-sensittività tal-mudell matematiku għall-parametri fiżiċi magħżula, u l-parametri ġew ikklassifikati skont l-influwenza tagħhom. L-ewwel, il-kampjunar tal-parametri tal-mudell sar bl-użu ta' prinċipji ta' disinn sperimentali li segwew distribuzzjoni uniformi (ara t-Taqsima Supplimentari dwar l-Analiżi tas-Sensittività). F'dan il-każ, il-parametri tal-mudell jinkludu l-vultaġġ tad-dħul (\(V_{in}\)), it-tul inizjali tal-wajer SMA (\(l_0\)), l-angolu tat-trijangolu (\(\alpha\)), il-kostanti tar-rebbiegħa tal-polarizzazzjoni (\( K_x\ )), il-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana konvettiv (\(h_T\)) u n-numru ta' fergħat unimodali (n). Fil-pass li jmiss, is-saħħa massima tal-muskoli ntgħażlet bħala rekwiżit tad-disinn tal-istudju u nkisbu l-effetti parametriċi ta' kull sett ta' varjabbli fuq is-saħħa. Il-plottijiet tat-tornado għall-analiżi tas-sensittività ġew derivati mill-koeffiċjenti tal-korrelazzjoni għal kull parametru, kif muri fil-Fig. 6a.
(a) Il-valuri tal-koeffiċjent tal-korrelazzjoni tal-parametri tal-mudell u l-effett tagħhom fuq il-forza massima tal-ħruġ ta' 2500 grupp uniku tal-parametri tal-mudell ta' hawn fuq huma murija fil-plott tat-tornado. Il-graff juri l-korrelazzjoni tal-grad ta' diversi indikaturi. Jidher ċar li \(V_{in}\) huwa l-uniku parametru b'korrelazzjoni pożittiva, u \(l_0\) huwa l-parametru bl-ogħla korrelazzjoni negattiva. L-effett ta' diversi parametri f'diversi kombinazzjonijiet fuq is-saħħa massima tal-muskoli huwa muri f'(b, c). \(K_x\) ivarja minn 400 sa 800 N/m u n ivarja minn 4 sa 24. Il-vultaġġ (\(V_{in}\)) inbidel minn 4V għal 10V, it-tul tal-wajer (\(l_{0 } \)) inbidel minn 40 għal 100 mm, u l-angolu tad-denb (\ (\alpha \)) varja minn \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Fil-figura 6a tidher plott tat-tornado ta' diversi koeffiċjenti ta' korrelazzjoni għal kull parametru bir-rekwiżiti tad-disinn tal-forza massima tas-sewqan. Mill-figura 6a jidher li l-parametru tal-vultaġġ (\(V_{in}\)) huwa direttament relatat mal-forza massima tal-ħruġ, u l-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana konvettiv (\(h_T\)), l-angolu tal-fjamma (\ ( \alpha\)), il-kostanti tar-rebbiegħa tal-ispostament (\(K_x\)) huma korrelati b'mod negattiv mal-forza tal-ħruġ u t-tul inizjali (\(l_0\)) tal-wajer SMA, u n-numru ta' fergħat unimodali (n) juri korrelazzjoni inversa qawwija. Fil-każ ta' korrelazzjoni diretta, fil-każ ta' valur ogħla tal-koeffiċjent tal-korrelazzjoni tal-vultaġġ (\(V_ {in}\)) jindika li dan il-parametru għandu l-akbar effett fuq il-ħruġ tal-enerġija. Analiżi simili oħra tkejjel il-forza massima billi tevalwa l-effett ta' parametri differenti f'kombinazzjonijiet differenti taż-żewġ spazji komputazzjonali, kif muri fil-figura 6b, c. \(V_{in}\) u \(l_0\), \(\alpha\) u \(l_0\) għandhom mudelli simili, u l-graff juri li \(V_{in}\) u \(\alpha\ ) u \(\alpha\) għandhom mudelli simili. Valuri iżgħar ta' \(l_0\) jirriżultaw f'forzi massimi ogħla. Iż-żewġ plottijiet l-oħra huma konsistenti mal-Figura 6a, fejn n u \(K_x\) huma korrelati b'mod negattiv u \(V_{in}\) huma korrelati b'mod pożittiv. Din l-analiżi tgħin biex tiddefinixxi u taġġusta l-parametri ta' influwenza li bihom il-forza tal-ħruġ, il-puplesija u l-effiċjenza tas-sistema tas-sewqan jistgħu jiġu adattati għar-rekwiżiti u l-applikazzjoni.
Xogħol ta' riċerka attwali jintroduċi u jinvestiga drives ġerarkiċi b'N livelli. F'ġerarkija ta' żewġ livelli, kif muri fil-Fig. 7a, fejn minflok kull wajer SMA tal-attwatur tal-ewwel livell, jinkiseb arranġament bimodali, kif muri fil-fig. 9e. Fil-fig. 7c jidher kif il-wajer SMA huwa mdawwar madwar driegħ mobbli (driegħ awżiljarju) li jiċċaqlaq biss fid-direzzjoni lonġitudinali. Madankollu, id-driegħ mobbli primarju jkompli jiċċaqlaq bl-istess mod bħad-driegħ mobbli tal-attwatur b'ħafna stadji tal-ewwel stadju. Tipikament, drive ta' N stadji jinħoloq billi l-wajer SMA tal-istadju \(N-1\) jiġi sostitwit b'drive tal-ewwel stadju. Bħala riżultat, kull fergħa timita d-drive tal-ewwel stadju, bl-eċċezzjoni tal-fergħa li żżomm il-wajer innifsu. B'dan il-mod, jistgħu jiġu ffurmati strutturi nested li joħolqu forzi li huma diversi drabi akbar mill-forzi tad-drives primarji. F'dan l-istudju, għal kull livell, ġie kkunsidrat tul effettiv totali tal-wajer SMA ta' 1 m, kif muri f'format tabulari fil-Fig. 7d. Il-kurrent minn kull wajer f'kull disinn unimodali u l-prestress u l-vultaġġ li jirriżultaw f'kull segment tal-wajer SMA huma l-istess f'kull livell. Skont il-mudell analitiku tagħna, il-forza tal-ħruġ hija korrelata b'mod pożittiv mal-livell, filwaqt li l-ispostament huwa korrelata b'mod negattiv. Fl-istess ħin, kien hemm kompromess bejn l-ispostament u s-saħħa tal-muskoli. Kif jidher fil-fig. 7b, filwaqt li l-forza massima tinkiseb fl-akbar numru ta' saffi, l-akbar spostament huwa osservat fl-aktar saff baxx. Meta l-livell tal-ġerarkija kien issettjat għal \(N=5\), instabet forza massima tal-muskoli ta' 2.58 kN b'2 puplesiji osservati \(\upmu\)m. Min-naħa l-oħra, l-ewwel stadju tas-sewqan jiġġenera forza ta' 150 N b'puplesija ta' 277 \(\upmu\)m. L-attwaturi b'ħafna livelli huma kapaċi jimitaw muskoli bijoloġiċi reali, fejn muskoli artifiċjali bbażati fuq ligi tal-memorja tal-forma huma kapaċi jiġġeneraw forzi sinifikament ogħla b'movimenti preċiżi u aktar fini. Il-limitazzjonijiet ta' dan id-disinn minjaturizzat huma li hekk kif tiżdied il-ġerarkija, il-moviment jitnaqqas ħafna u l-kumplessità tal-proċess tal-manifattura tas-sewqan tiżdied.
(a) Sistema ta' attwatur lineari b'liga ta' memorja tal-forma f'żewġ stadji (\(N=2\)) f'saffi hija murija f'konfigurazzjoni bimodali. Il-mudell propost jinkiseb billi l-wajer SMA fl-attwatur f'saffi tal-ewwel stadju jiġi sostitwit b'attwatur ieħor f'saffi ta' stadju wieħed. (ċ) Konfigurazzjoni deformata tal-attwatur b'ħafna saffi tat-tieni stadju. (b) Id-distribuzzjoni tal-forzi u l-ispostamenti skont in-numru ta' livelli hija deskritta. Instab li l-forza massima tal-attwatur hija korrelata b'mod pożittiv mal-livell tal-iskala fuq il-graff, filwaqt li l-puplesija hija korrelata b'mod negattiv mal-livell tal-iskala. Il-kurrent u l-pre-vultaġġ f'kull wajer jibqgħu kostanti fil-livelli kollha. (d) It-tabella turi n-numru ta' viti u t-tul tal-wajer SMA (fibra) f'kull livell. Il-karatteristiċi tal-wajers huma indikati bl-indiċi 1, u n-numru ta' fergħat sekondarji (waħda konnessa mar-riġel primarju) huwa indikat bl-akbar numru fis-sottoskritt. Pereżempju, fil-livell 5, \(n_1\) jirreferi għan-numru ta' wajers SMA preżenti f'kull struttura bimodali, u \(n_5\) jirreferi għan-numru ta' saqajn awżiljarji (waħda konnessa mar-riġel prinċipali).
Diversi metodi ġew proposti minn ħafna riċerkaturi biex jimmudellaw l-imġiba tal-SMAs b'memorja tal-forma, li jiddependu fuq il-proprjetajiet termomekkaniċi li jakkumpanjaw il-bidliet makroskopiċi fl-istruttura tal-kristall assoċjata mat-tranżizzjoni tal-fażi. Il-formulazzjoni ta' metodi kostituttivi hija intrinsikament kumplessa. L-aktar mudell fenomenoloġiku użat komunement huwa propost minn Tanaka28 u huwa użat ħafna f'applikazzjonijiet ta' inġinerija. Il-mudell fenomenoloġiku propost minn Tanaka [28] jassumi li l-frazzjoni tal-volum tal-martensite hija funzjoni esponenzjali tat-temperatura u l-istress. Aktar tard, Liang u Rogers29 u Brinson30 ipproponew mudell li fih id-dinamika tat-tranżizzjoni tal-fażi kienet preżunta li hija funzjoni kosinus tal-vultaġġ u t-temperatura, b'modifiki żgħar fil-mudell. Becker u Brinson ipproponew mudell kinetiku bbażat fuq dijagramma tal-fażi biex jimmudellaw l-imġiba tal-materjali SMA taħt kundizzjonijiet ta' tagħbija arbitrarji kif ukoll tranżizzjonijiet parzjali. Banerjee32 juża l-metodu tad-dinamika tad-dijagramma tal-fażi Bekker u Brinson31 biex jissimula manipulatur ta' grad wieħed ta' libertà żviluppat minn Elahinia u Ahmadian33. Metodi kinetiċi bbażati fuq dijagrammi tal-fażi, li jqisu l-bidla mhux monotonika fil-vultaġġ mat-temperatura, huma diffiċli biex jiġu implimentati f'applikazzjonijiet ta' inġinerija. Elakhinia u Ahmadian jiġbdu l-attenzjoni għal dawn in-nuqqasijiet tal-mudelli fenomenoloġiċi eżistenti u jipproponu mudell fenomenoloġiku estiż biex janalizzaw u jiddefinixxu l-imġiba tal-memorja tal-forma taħt kwalunkwe kundizzjoni ta' tagħbija kumplessa.
Il-mudell strutturali tal-wajer SMA jagħti l-istress (\(\sigma\)), id-deformazzjoni (\(\epsilon\)), it-temperatura (T), u l-frazzjoni tal-volum tal-martensite (\(\xi\)) tal-wajer SMA. Il-mudell kostituttiv fenomenoloġiku ġie propost għall-ewwel darba minn Tanaka28 u aktar tard adottat minn Liang29 u Brinson30. Id-derivata tal-ekwazzjoni għandha l-forma:
Fejn E huwa l-modulu ta' Young tal-SMA dipendenti fuq il-fażi miksub bl-użu ta' \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) u \(E_A\) u \(E_M\) li jirrappreżentaw il-modulu ta' Young huma fażijiet awstenitiċi u martensitiċi, rispettivament, u l-koeffiċjent tal-espansjoni termali huwa rappreżentat minn \(\theta _T\). Il-fattur tal-kontribuzzjoni tat-tranżizzjoni tal-fażi huwa \(\Omega = -E \epsilon _L\) u \(\epsilon _L\) hija t-tensjoni massima li tista' tiġi rkuprata fil-wajer tal-SMA.
L-ekwazzjoni tad-dinamika tal-fażi tikkoinċidi mal-funzjoni tal-kosinus żviluppata minn Liang29 u aktar tard adottata minn Brinson30 minflok il-funzjoni esponenzjali proposta minn Tanaka28. Il-mudell tat-tranżizzjoni tal-fażi huwa estensjoni tal-mudell propost minn Elakhinia u Ahmadian34 u modifikat abbażi tal-kundizzjonijiet tat-tranżizzjoni tal-fażi mogħtija minn Liang29 u Brinson30. Il-kundizzjonijiet użati għal dan il-mudell tat-tranżizzjoni tal-fażi huma validi taħt tagħbijiet termomekkaniċi kumplessi. F'kull mument ta' żmien, il-valur tal-frazzjoni tal-volum tal-martensite huwa kkalkulat meta tiġi mmudellata l-ekwazzjoni kostituttiva.
L-ekwazzjoni tar-ritrasformazzjoni li tirregola, espressa bit-trasformazzjoni tal-martensite għall-awstenite taħt kundizzjonijiet ta' tisħin, hija kif ġej:
fejn \(\xi\) hija l-frazzjoni tal-volum tal-martensite, \(\xi _M\) hija l-frazzjoni tal-volum tal-martensite miksuba qabel it-tisħin, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) u \(C_A\) – parametri tal-approssimazzjoni tal-kurva, T – temperatura tal-wajer SMA, \(A_s\) u \(A_f\) – bidu u tmiem tal-fażi awstenita, rispettivament, temperatura.
L-ekwazzjoni tal-kontroll tat-trasformazzjoni diretta, rappreżentata mit-trasformazzjoni tal-fażi tal-awstenita għal martensita taħt kundizzjonijiet ta' tkessiħ, hija:
fejn \(\xi _A\) hija l-frazzjoni tal-volum tal-martensite miksuba qabel it-tkessiħ, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) u \(C_M \) – parametri tat-twaħħil tal-kurva, T – temperatura tal-wajer SMA, \(M_s\) u \(M_f\) – temperaturi inizjali u finali tal-martensite, rispettivament.
Wara li l-ekwazzjonijiet (3) u (4) jiġu differenzjati, l-ekwazzjonijiet tat-trasformazzjoni inversa u diretta jiġu ssimplifikati għall-forma li ġejja:
Matul it-trasformazzjoni 'l quddiem u lura \(\eta _{\sigma}\) u \(\eta _{T}\) jieħdu valuri differenti. L-ekwazzjonijiet bażiċi assoċjati ma' \(\eta _{\sigma}\) u \(\eta _{T}\) ġew derivati u diskussi fid-dettall f'taqsima addizzjonali.
L-enerġija termali meħtieġa biex tgħolli t-temperatura tal-wajer SMA ġejja mill-effett tat-tisħin Joule. L-enerġija termali assorbita jew rilaxxata mill-wajer SMA hija rappreżentata mis-sħana latenti tat-trasformazzjoni. It-telf tas-sħana fil-wajer SMA huwa dovut għall-konvezzjoni sfurzata, u minħabba l-effett negliġibbli tar-radjazzjoni, l-ekwazzjoni tal-bilanċ tal-enerġija tas-sħana hija kif ġej:
Fejn \(m_{wire}\) hija l-massa totali tal-wajer SMA, \(c_{p}\) hija l-kapaċità tas-sħana speċifika tal-SMA, \(V_{in}\) huwa l-vultaġġ applikat fuq il-wajer, \(R_{ohm} \ ) – reżistenza dipendenti fuq il-fażi SMA, definita bħala; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) fejn \(r_M\ ) u \(r_A\) huma r-reżistività tal-fażi SMA fil-martensite u l-awstenite, rispettivament, \(A_{c}\) hija l-erja tal-wiċċ tal-wajer SMA, \(\Delta H \) hija liga b'memorja tal-forma. Is-sħana latenti tat-tranżizzjoni tal-wajer, T u \(T_{\infty}\) huma t-temperaturi tal-wajer SMA u tal-ambjent, rispettivament.
Meta wajer tal-liga b'memorja tal-forma jiġi attivat, il-wajer jikkompressa, u joħloq forza f'kull fergħa tad-disinn bimodali msejħa forza tal-fibra. Il-forzi tal-fibri f'kull linja tal-wajer SMA flimkien joħolqu l-forza tal-muskoli biex jiġi attivat, kif muri fil-Fig. 9e. Minħabba l-preżenza ta' molla ta' polarizzazzjoni, il-forza totali tal-muskoli tal-attwatur b'ħafna saffi N hija:
Jekk nissostitwixxu \(N = 1\) fl-ekwazzjoni (7), is-saħħa tal-muskoli tal-prototip tas-sewqan bimodali tal-ewwel stadju tista' tinkiseb kif ġej:
Fejn n huwa n-numru ta' saqajn unimodali, \(F_m\) hija l-forza tal-muskoli ġġenerata mid-drajv, \(F_f\) hija s-saħħa tal-fibra fil-wajer SMA, \(K_x\) hija r-riġidità tal-polarizzazzjoni tar-rebbiegħa, \(\alpha\) huwa l-angolu tat-trijangolu, \(x_0\) huwa l-ispostament inizjali tar-rebbiegħa tal-polarizzazzjoni biex iżżomm il-kejbil SMA fil-pożizzjoni pre-tensjoni, u \(\Delta x\) hija l-moviment tal-attwatur.
L-ispostament jew il-moviment totali tas-sewqan (\(\Delta x\)) skont il-vultaġġ (\(\sigma\)) u t-tensjoni (\(\epsilon\)) fuq il-wajer SMA tal-istadju N, is-sewqan huwa ssettjat għal (ara l-Fig. parti addizzjonali tal-output):
L-ekwazzjonijiet kinematiċi jagħtu r-relazzjoni bejn id-deformazzjoni tas-sewqan (\(\epsilon\)) u l-ispostament jew l-ispostament (\(\Delta x\)). Id-deformazzjoni tal-wajer Arb bħala funzjoni tat-tul inizjali tal-wajer Arb (\(l_0\)) u t-tul tal-wajer (l) fi kwalunkwe ħin t f'fergħa unimodali waħda hija kif ġej:
fejn \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) jinkiseb billi tiġi applikata l-formula tal-kosinus f'\(\Delta\)ABB ', kif muri fil-Figura 8. Għall-ewwel stadju tas-sewqan (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) huwa \(\Delta x\), u \(\alpha _1\) huwa \(\alpha \) kif muri f' Kif muri fil-Figura 8, billi tiddifferenzja l-ħin mill-ekwazzjoni (11) u tissostitwixxi l-valur ta' l, ir-rata tat-tensjoni tista' tinkiteb bħala:
fejn \(l_0\) huwa t-tul inizjali tal-wajer SMA, l huwa t-tul tal-wajer fi kwalunkwe ħin t f'fergħa unimodali waħda, \(\epsilon\) hija d-deformazzjoni żviluppata fil-wajer SMA, u \(\alpha \) huwa l-angolu tat-trijangolu, \(\Delta x\) huwa l-ispostament tas-sewqan (kif muri fil-Figura 8).
L-istrutturi kollha n b'quċċata waħda (\(n=6\) f'din il-figura) huma konnessi f'serje ma' \(V_{in}\) bħala l-vultaġġ tad-dħul. Stadju I: Dijagramma skematika tal-wajer SMA f'konfigurazzjoni bimodali taħt kundizzjonijiet ta' vultaġġ żero Stadju II: Tintwera struttura kkontrollata fejn il-wajer SMA huwa kkompressat minħabba konverżjoni inversa, kif muri mil-linja ħamra.
Bħala prova tal-kunċett, ġie żviluppat sewqan bimodali bbażat fuq l-SMA biex jiġi ttestjat id-derivazzjoni simulata tal-ekwazzjonijiet sottostanti b'riżultati sperimentali. Il-mudell CAD tal-attwatur lineari bimodali huwa muri fil-fig. 9a. Min-naħa l-oħra, fil-fig. 9c juri disinn ġdid propost għal konnessjoni prismatika rotazzjonali bl-użu ta' attwatur ibbażat fuq l-SMA b'żewġ pjani bi struttura bimodali. Il-komponenti tas-sewqan ġew iffabbrikati bl-użu ta' manifattura addittiva fuq printer 3D Ultimaker 3 Extended. Il-materjal użat għall-istampar 3D tal-komponenti huwa l-polikarbonat li huwa adattat għal materjali reżistenti għas-sħana peress li huwa b'saħħtu, durabbli u għandu temperatura għolja ta' tranżizzjoni tal-ħġieġ (110-113 \(^{\circ }\) C). Barra minn hekk, wajer tal-liga tal-memorja tal-forma Flexinol ta' Dynalloy, Inc. intuża fl-esperimenti, u l-proprjetajiet tal-materjal li jikkorrispondu għall-wajer Flexinol intużaw fis-simulazzjonijiet. Wajers SMA multipli huma rranġati bħala fibri preżenti f'arranġament bimodali ta' muskoli biex jinkisbu l-forzi għoljin prodotti minn attwaturi b'ħafna saffi, kif muri fil-Fig. 9b, d.
Kif muri fil-Figura 9a, l-angolu akut iffurmat mill-wajer SMA tad-driegħ mobbli jissejjaħ l-angolu (\(\alpha\)). Bil-klampi tat-terminal imwaħħla mal-klampi tax-xellug u tal-lemin, il-wajer SMA jinżamm fl-angolu bimodali mixtieq. L-apparat tar-rebbiegħa tal-polarizzazzjoni miżmum fuq il-konnettur tar-rebbiegħa huwa ddisinjat biex jaġġusta l-gruppi differenti ta' estensjoni tar-rebbiegħa tal-polarizzazzjoni skont in-numru (n) ta' fibri SMA. Barra minn hekk, il-post tal-partijiet li jiċċaqalqu huwa ddisinjat sabiex il-wajer SMA jkun espost għall-ambjent estern għal tkessiħ bil-konvezzjoni sfurzata. Il-pjanċi ta' fuq u ta' isfel tal-assemblaġġ li jinqala' jgħinu biex iżommu l-wajer SMA kiesaħ b'qtugħ estruż iddisinjat biex inaqqas il-piż. Barra minn hekk, iż-żewġt itruf tal-wajer CMA huma ffissati mat-terminals tax-xellug u tal-lemin, rispettivament, permezz ta' crimp. Planġer huwa mwaħħal ma' tarf wieħed tal-assemblaġġ mobbli biex iżomm l-ispazju bejn il-pjanċi ta' fuq u ta' isfel. Il-planġer jintuża wkoll biex japplika forza ta' imblukkar lis-senser permezz ta' kuntatt biex ikejjel il-forza ta' imblukkar meta l-wajer SMA jiġi attivat.
L-istruttura tal-muskoli bimodali SMA hija konnessa elettrikament f'serje u mħaddma minn vultaġġ tal-impuls tad-dħul. Matul iċ-ċiklu tal-impuls tal-vultaġġ, meta jiġi applikat vultaġġ u l-wajer SMA jissaħħan 'il fuq mit-temperatura inizjali tal-awstenita, it-tul tal-wajer f'kull linja jitqassar. Din l-irtirar tattiva s-sottoassemblaġġ tad-driegħ mobbli. Meta l-vultaġġ ġie żero fl-istess ċiklu, il-wajer SMA msaħħan tkessaħ taħt it-temperatura tal-wiċċ tal-martensita, u b'hekk reġa' lura għall-pożizzjoni oriġinali tiegħu. Taħt kundizzjonijiet ta' stress żero, il-wajer SMA l-ewwel jiġi mġebbed b'mod passiv minn molla ta' polarizzazzjoni biex jilħaq l-istat martensitiku detwinned. Il-vit, li minnu jgħaddi l-wajer SMA, jiċċaqlaq minħabba l-kompressjoni maħluqa bl-applikazzjoni ta' impuls tal-vultaġġ fuq il-wajer SMA (SPA jilħaq il-fażi awstenita), li jwassal għall-attivazzjoni tal-lieva mobbli. Meta l-wajer SMA jiġi rtirat, ir-rebbiegħa ta' polarizzazzjoni toħloq forza opposta billi tkompli tiġġebbed ir-rebbiegħa. Meta l-istress fil-vultaġġ tal-impuls isir żero, il-wajer SMA jittawwal u jibdel il-forma tiegħu minħabba t-tkessiħ tal-konvezzjoni sfurzata, u jilħaq fażi martensitika doppja.
Is-sistema proposta ta' attwatur lineari bbażata fuq l-SMA għandha konfigurazzjoni bimodali fejn il-wajers tal-SMA huma angolati. (a) turi mudell CAD tal-prototip, li jsemmi wħud mill-komponenti u t-tifsiriet tagħhom għall-prototip, (b, d) tirrappreżenta l-prototip sperimentali żviluppat35. Filwaqt li (b) turi veduta minn fuq tal-prototip b'konnessjonijiet elettriċi u molol ta' polarizzazzjoni u gauges tat-tensjoni użati, (d) turi veduta prospettiva tas-setup. (e) Dijagramma ta' sistema ta' attwazzjoni lineari b'wajers tal-SMA mqiegħda bimodalment fi kwalunkwe ħin t, li turi d-direzzjoni u l-kors tal-fibra u s-saħħa tal-muskoli. (c) Ġiet proposta konnessjoni priżmatika rotazzjonali ta' 2-DOF għall-iskjerament ta' attwatur ibbażat fuq l-SMA b'żewġ pjani. Kif muri, il-konnessjoni tittrażmetti moviment lineari mis-sewqan t'isfel għad-driegħ ta' fuq, u toħloq konnessjoni rotazzjonali. Min-naħa l-oħra, il-moviment tal-par ta' priżmi huwa l-istess bħall-moviment tas-sewqan tal-ewwel stadju b'ħafna saffi.
Sar studju sperimentali fuq il-prototip muri fil-Fig. 9b biex tiġi evalwata l-prestazzjoni ta' sewqan bimodali bbażat fuq SMA. Kif muri fil-Figura 10a, is-setup sperimentali kien jikkonsisti minn provvista ta' enerġija DC programmabbli biex tipprovdi vultaġġ tad-dħul lill-wajers SMA. Kif muri fil-fig. 10b, intuża strain gauge pjeżoelettriku (PACEline CFT/5kN) biex titkejjel il-forza tal-imblukkar bl-użu ta' data logger Graphtec GL-2000. Id-dejta tiġi rreġistrata mill-host għal aktar studju. L-istrain gauges u l-amplifikaturi tal-ċarġ jeħtieġu provvista ta' enerġija kostanti biex jipproduċu sinjal ta' vultaġġ. Is-sinjali korrispondenti huma konvertiti f'outputs ta' enerġija skont is-sensittività tas-senser tal-forza pjeżoelettrika u parametri oħra kif deskritt fit-Tabella 2. Meta jiġi applikat impuls ta' vultaġġ, it-temperatura tal-wajer SMA tiżdied, u tikkawża li l-wajer SMA jikkompressa, li jikkawża li l-attwatur jiġġenera forza. Ir-riżultati sperimentali tal-output tas-saħħa tal-muskoli minn impuls ta' vultaġġ tad-dħul ta' 7 V huma murija fil-fig. 2a.
(a) Fl-esperiment twaqqfet sistema ta' attwatur lineari bbażata fuq l-SMA biex tkejjel il-forza ġġenerata mill-attwatur. Iċ-ċellula tat-tagħbija tkejjel il-forza tal-imblukkar u hija mħaddma minn provvista ta' enerġija DC ta' 24 V. Tnaqqis fil-vultaġġ ta' 7 V ġie applikat tul it-tul kollu tal-kejbil bl-użu ta' provvista ta' enerġija DC programmabbli GW Instek. Il-wajer SMA jiċkien minħabba s-sħana, u d-driegħ mobbli jikkuntattja ċ-ċellula tat-tagħbija u jeżerċita forza ta' imblukkar. Iċ-ċellula tat-tagħbija hija konnessa mad-data logger GL-2000 u d-dejta tinħażen fuq il-host għal aktar ipproċessar. (b) Dijagramma li turi l-katina tal-komponenti tas-setup sperimentali għall-kejl tas-saħħa tal-muskoli.
Il-ligi tal-memorja tal-forma huma eċċitati bl-enerġija termali, għalhekk it-temperatura ssir parametru importanti għall-istudju tal-fenomenu tal-memorja tal-forma. B'mod sperimentali, kif muri fil-Fig. 11a, l-immaġini termali u l-kejl tat-temperatura twettqu fuq prototip ta' attwatur divalerat ibbażat fuq l-SMA. Sors DC programmabbli applika vultaġġ tad-dħul għall-wajers SMA fis-setup sperimentali, kif muri fil-Figura 11b. Il-bidla fit-temperatura tal-wajer SMA tkejlet f'ħin reali bl-użu ta' kamera LWIR b'riżoluzzjoni għolja (FLIR A655sc). Il-host juża s-softwer ResearchIR biex jirreġistra d-dejta għal aktar ipproċessar wara l-ipproċessar. Meta jiġi applikat impuls ta' vultaġġ, it-temperatura tal-wajer SMA tiżdied, u b'hekk il-wajer SMA jiċkien. Fil-Figura 2b turi r-riżultati sperimentali tat-temperatura tal-wajer SMA kontra l-ħin għal impuls ta' vultaġġ tad-dħul ta' 7V.
Ħin tal-posta: 28 ta' Settembru 2022
