Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com.De browserversie die u gebruikt heeft beperkte CSS-ondersteuning.Voor de beste ervaring raden we u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of Compatibiliteitsmodus uit te schakelen in Internet Explorer).In de tussentijd zullen we, om voortdurende ondersteuning te garanderen, de site weergeven zonder stijlen en JavaScript.
Actuators worden overal gebruikt en creëren een gecontroleerde beweging door de juiste excitatiekracht of het juiste koppel toe te passen om verschillende bewerkingen in productie en industriële automatisering uit te voeren.De behoefte aan snellere, kleinere en efficiëntere aandrijvingen stimuleert innovatie in het ontwerp van aandrijvingen.SMA-schijven (Shape Memory Alloy) bieden een aantal voordelen ten opzichte van conventionele schijven, waaronder een hoge verhouding tussen vermogen en gewicht.In dit proefschrift is een twee-gevederde SMA-gebaseerde actuator ontwikkeld die de voordelen van de gevederde spieren van biologische systemen combineert met de unieke eigenschappen van SMA's.Deze studie onderzoekt en breidt eerdere SMA-actuatoren uit door een wiskundig model van de nieuwe actuator te ontwikkelen op basis van de bimodale SMA-draadopstelling en deze experimenteel te testen.In vergelijking met bekende aandrijvingen op basis van SMA is de aandrijfkracht van de nieuwe aandrijving minstens 5 keer hoger (tot 150 N).Het overeenkomstige gewichtsverlies is ongeveer 67%.De resultaten van gevoeligheidsanalyse van wiskundige modellen zijn nuttig voor het afstemmen van ontwerpparameters en het begrijpen van sleutelparameters.Deze studie presenteert verder een multi-level N-trapaandrijving die kan worden gebruikt om de dynamiek verder te verbeteren.Op SMA gebaseerde dipvalerate-spieractuatoren hebben een breed scala aan toepassingen, van gebouwautomatisering tot precisiesystemen voor medicijnafgifte.
Biologische systemen, zoals de spierstructuren van zoogdieren, kunnen vele subtiele actuatoren activeren1.Zoogdieren hebben verschillende spierstructuren, die elk een specifiek doel dienen.Een groot deel van de structuur van spierweefsel bij zoogdieren kan echter in twee brede categorieën worden verdeeld.Parallel en pennate.In de hamstrings en andere buigspieren, zoals de naam al doet vermoeden, heeft de parallelle musculatuur spiervezels parallel aan de centrale pees.De keten van spiervezels is opgesteld en functioneel verbonden door het bindweefsel eromheen.Hoewel van deze spieren wordt gezegd dat ze een grote uitslag hebben (percentage verkorting), is hun algehele spierkracht zeer beperkt.Daarentegen wordt in de triceps-kuitspier2 (laterale gastrocnemius (GL)3, mediale gastrocnemius (GM)4 en soleus (SOL)) en extensor femoris (quadriceps)5,6 pennate spierweefsel gevonden in elke spier7.In een geveerde structuur zijn de spiervezels in de bipennate musculatuur aanwezig aan beide zijden van de centrale pees onder schuine hoeken (geveerde hoeken).Pennate komt van het Latijnse woord "penna", wat "pen" betekent, en, zoals getoond in Fig.1 heeft een veerachtig uiterlijk.De vezels van de pennate-spieren zijn korter en staan ​​onder een hoek ten opzichte van de lengteas van de spier.Vanwege de geveerde structuur wordt de algehele mobiliteit van deze spieren verminderd, wat leidt tot de transversale en longitudinale componenten van het verkortingsproces.Aan de andere kant leidt activering van deze spieren tot een hogere algehele spierkracht vanwege de manier waarop het fysiologische dwarsdoorsnede-oppervlak wordt gemeten.Daarom zullen pennate-spieren voor een gegeven dwarsdoorsnede sterker zijn en hogere krachten genereren dan spieren met parallelle vezels.Krachten die door individuele vezels worden gegenereerd, genereren spierkrachten op macroscopisch niveau in dat spierweefsel.Bovendien heeft het zulke unieke eigenschappen als snelle krimp, bescherming tegen trekschade, demping.Het transformeert de relatie tussen vezelinput en spierkrachtoutput door gebruik te maken van de unieke kenmerken en geometrische complexiteit van de vezelopstelling geassocieerd met spieractielijnen.
Getoond worden schematische diagrammen van bestaande op SMA gebaseerde actuatorontwerpen in relatie tot een bimodale gespierde architectuur, bijvoorbeeld (a), die de interactie van tactiele kracht weergeeft waarin een handvormig apparaat dat wordt aangedreven door SMA-draden wordt gemonteerd op een tweewielige autonome mobiele robot9,10., (b) Robotorbitale prothese met antagonistisch geplaatste SMA veerbelaste orbitale prothese.De positie van het prothetische oog wordt gecontroleerd door een signaal van de oogspier van het oog11, (c) SMA-actuatoren zijn ideaal voor onderwatertoepassingen vanwege hun hoge frequentierespons en lage bandbreedte.In deze configuratie worden SMA-actuatoren gebruikt om golfbewegingen te creëren door de beweging van vissen te simuleren, (d) SMA-actuatoren worden gebruikt om een ​​micropijpinspectierobot te maken die het inch-wormbewegingsprincipe kan gebruiken, bestuurd door de beweging van SMA-draden in kanaal 10, (e) toont de richting van samentrekkingsspiervezels en genereert contractiele kracht in gastrocnemiusweefsel, (f) toont SMA-draden gerangschikt in de vorm van spiervezels in de pennate spierstructuur.
Actuatoren zijn een belangrijk onderdeel geworden van mechanische systemen vanwege hun brede scala aan toepassingen.Daarom wordt de behoefte aan kleinere, snellere en efficiëntere schijven van cruciaal belang.Ondanks hun voordelen is gebleken dat traditionele aandrijvingen duur en tijdrovend zijn om te onderhouden.Hydraulische en pneumatische actuatoren zijn complex en duur en onderhevig aan slijtage, smeringsproblemen en defecten aan onderdelen.Als antwoord op de vraag ligt de focus op het ontwikkelen van kosteneffectieve, qua afmetingen geoptimaliseerde en geavanceerde actuatoren op basis van slimme materialen.Lopend onderzoek kijkt naar gelaagde actuatoren met vormgeheugenlegering (SMA) om aan deze behoefte te voldoen.Hiërarchische actuatoren zijn uniek omdat ze vele discrete actuatoren combineren tot geometrisch complexe subsystemen op macroschaal om meer en uitgebreide functionaliteit te bieden.In dit opzicht biedt het hierboven beschreven menselijke spierweefsel een uitstekend meerlagig voorbeeld van een dergelijke meerlagige aandrijving.De huidige studie beschrijft een multi-level SMA-drive met verschillende individuele drive-elementen (SMA-draden) die zijn uitgelijnd met de vezeloriëntaties die aanwezig zijn in bimodale spieren, wat de algehele drive-prestaties verbetert.
Het belangrijkste doel van een actuator is het genereren van mechanisch vermogen, zoals kracht en verplaatsing, door elektrische energie om te zetten.Legeringen met vormgeheugen zijn een klasse van "slimme" materialen die hun vorm bij hoge temperaturen kunnen herstellen.Bij hoge belasting leidt een verhoging van de temperatuur van de SMA-draad tot vormherstel, wat resulteert in een hogere activeringsenergiedichtheid in vergelijking met verschillende direct gebonden slimme materialen.Tegelijkertijd worden SMA's onder mechanische belasting broos.Onder bepaalde omstandigheden kan een cyclische belasting mechanische energie absorberen en afgeven, waarbij reversibele hysteretische vormveranderingen optreden.Deze unieke eigenschappen maken SMA ideaal voor sensoren, trillingsdemping en vooral actuatoren12.Met dit in gedachten is er veel onderzoek gedaan naar op SMA gebaseerde schijven.Opgemerkt moet worden dat op SMA gebaseerde actuatoren zijn ontworpen om translatie- en roterende bewegingen te bieden voor een verscheidenheid aan toepassingen13,14,15.Hoewel er enkele roterende actuatoren zijn ontwikkeld, zijn onderzoekers vooral geïnteresseerd in lineaire actuatoren.Deze lineaire actuatoren kunnen worden onderverdeeld in drie typen actuatoren: eendimensionale, verplaatsings- en differentiële actuatoren 16 .Aanvankelijk werden hybride aandrijvingen gemaakt in combinatie met SMA en andere conventionele aandrijvingen.Een voorbeeld van een op SMA gebaseerde hybride lineaire actuator is het gebruik van een SMA-draad met een DC-motor om een ​​uitgaande kracht van ongeveer 100 N en een aanzienlijke verplaatsing te leveren17.
Een van de eerste ontwikkelingen in aandrijvingen die volledig op SMA gebaseerd waren, was de SMA parallelle aandrijving.De op SMA gebaseerde parallelle drive maakt gebruik van meerdere SMA-draden en is ontworpen om het vermogen van de drive te vergroten door alle SMA18-draden parallel te plaatsen.Parallelle aansluiting van actuatoren vereist niet alleen meer vermogen, maar beperkt ook het uitgangsvermogen van een enkele draad.Een ander nadeel van op SMA gebaseerde actuatoren is de beperkte slag die ze kunnen bereiken.Om dit probleem op te lossen, werd een SMA-kabelbalk gemaakt met een afgebogen flexibele balk om de verplaatsing te vergroten en lineaire beweging te bereiken, maar genereerde geen hogere krachten19.Zachte vervormbare structuren en stoffen voor robots op basis van legeringen met vormgeheugen zijn in de eerste plaats ontwikkeld voor impactversterking20,21,22.Voor toepassingen waarbij hoge snelheden vereist zijn, zijn compacte aangedreven pompen gerapporteerd met behulp van dunne film SMA's voor micropomp aangedreven toepassingen.De aandrijffrequentie van het dunne film SMA-membraan is een sleutelfactor bij het regelen van de snelheid van de bestuurder.Daarom hebben SMA lineaire motoren een betere dynamische respons dan SMA veer- of stangmotoren.Zachte robotica en grijptechnologie zijn twee andere toepassingen die op SMA gebaseerde actuatoren gebruiken.Ter vervanging van de standaard actuator die wordt gebruikt in de 25 N ruimteklem, is bijvoorbeeld een parallelle actuator 24 van vormgeheugenlegering ontwikkeld.In een ander geval werd een SMA-zachte actuator vervaardigd op basis van een draad met een ingebedde matrix die een maximale trekkracht van 30 N kan produceren. Vanwege hun mechanische eigenschappen worden SMA's ook gebruikt om actuatoren te produceren die biologische fenomenen nabootsen.Een van die ontwikkelingen omvat een robot met 12 cellen die een biomimetica is van een regenwormachtig organisme met SMA om een ​​sinusoïdale beweging te genereren om te vuren26,27.
Zoals eerder vermeld, is er een limiet aan de maximale kracht die kan worden verkregen met bestaande op SMA gebaseerde actuatoren.Om dit probleem aan te pakken, presenteert deze studie een biomimetische bimodale spierstructuur.Gedreven door draad van vormgeheugenlegering.Het biedt een classificatiesysteem met verschillende draden van vormgeheugenlegeringen.Tot op heden zijn er in de literatuur geen op SMA gebaseerde actuatoren met een vergelijkbare architectuur beschreven.Dit unieke en nieuwe systeem op basis van SMA is ontwikkeld om het gedrag van SMA tijdens bimodale spieruitlijning te bestuderen.Vergeleken met bestaande op SMA gebaseerde actuatoren, was het doel van deze studie om een ​​biomimetische dipvalerate-actuator te creëren om aanzienlijk hogere krachten in een klein volume te genereren.Vergeleken met conventionele door een stappenmotor aangedreven aandrijvingen die worden gebruikt in HVAC-gebouwautomatisering en controlesystemen, vermindert het voorgestelde op SMA gebaseerde bimodale aandrijfontwerp het gewicht van het aandrijfmechanisme met 67%.In het volgende worden de termen "spier" en "drive" door elkaar gebruikt.Deze studie onderzoekt de multifysische simulatie van een dergelijke aandrijving.Het mechanische gedrag van dergelijke systemen is bestudeerd met experimentele en analytische methoden.Kracht- en temperatuurverdelingen werden verder onderzocht bij een ingangsspanning van 7 V. Vervolgens werd een parametrische analyse uitgevoerd om de relatie tussen sleutelparameters en de uitgaande kracht beter te begrijpen.Ten slotte zijn hiërarchische actuatoren voorgesteld en zijn hiërarchische niveau-effecten voorgesteld als een potentieel toekomstig gebied voor niet-magnetische actuatoren voor prothetische toepassingen.Volgens de resultaten van de bovengenoemde onderzoeken produceert het gebruik van een eentrapsarchitectuur krachten die minstens vier tot vijf keer hoger zijn dan gerapporteerde op SMA gebaseerde actuatoren.Bovendien is aangetoond dat dezelfde aandrijfkracht die wordt gegenereerd door een multi-level multi-level drive meer dan tien keer zo groot is als die van conventionele SMA-gebaseerde drives.De studie rapporteert vervolgens de belangrijkste parameters met behulp van gevoeligheidsanalyse tussen verschillende ontwerpen en invoervariabelen.De initiële lengte van de SMA-draad (\(l_0\)), de geveerde hoek (\(\alpha\)) en het aantal enkele strengen (n) in elke afzonderlijke streng hebben een sterk negatief effect op de grootte van de drijvende kracht.kracht, terwijl de ingangsspanning (energie) positief gecorreleerd bleek te zijn.
SMA-draad vertoont het vormgeheugeneffect (SME) dat wordt gezien in de nikkel-titanium (Ni-Ti) familie van legeringen.SMA's vertonen doorgaans twee temperatuurafhankelijke fasen: een fase met lage temperatuur en een fase met hoge temperatuur.Beide fasen hebben unieke eigenschappen door de aanwezigheid van verschillende kristalstructuren.In de austenietfase (hoge temperatuurfase) die boven de transformatietemperatuur bestaat, vertoont het materiaal een hoge sterkte en is het slecht vervormd onder belasting.De legering gedraagt ​​zich als roestvrij staal en is dus bestand tegen hogere bedieningsdrukken.Door gebruik te maken van deze eigenschap van Ni-Ti-legeringen, zijn de SMA-draden schuin om een ​​actuator te vormen.Geschikte analytische modellen worden ontwikkeld om de fundamentele mechanica van het thermisch gedrag van SMA onder invloed van verschillende parameters en verschillende geometrieën te begrijpen.Er werd een goede overeenkomst verkregen tussen de experimentele en analytische resultaten.
Er is een experimentele studie uitgevoerd op het prototype getoond in Fig. 9a om de prestaties van een bimodale aandrijving op basis van SMA te evalueren.Twee van deze eigenschappen, de kracht gegenereerd door de aandrijving (spierkracht) en de temperatuur van de SMA-draad (SMA-temperatuur), werden experimenteel gemeten.Naarmate het spanningsverschil over de gehele lengte van de draad in de aandrijving toeneemt, neemt de temperatuur van de draad toe als gevolg van het Joule-verwarmingseffect.De ingangsspanning werd aangelegd in twee cycli van 10 seconden (weergegeven als rode stippen in Fig. 2a, b) met een afkoelperiode van 15 seconden tussen elke cyclus.De blokkeerkracht werd gemeten met behulp van een piëzo-elektrische spanningsmeter en de temperatuurverdeling van de SMA-draad werd in realtime gevolgd met behulp van een LWIR-camera met hoge resolutie van wetenschappelijke kwaliteit (zie de kenmerken van de gebruikte apparatuur in tabel 2).laat zien dat tijdens de hoogspanningsfase de temperatuur van de draad monotoon toeneemt, maar als er geen stroom vloeit, blijft de temperatuur van de draad dalen.In de huidige experimentele opstelling daalde de temperatuur van de SMA-draad tijdens de afkoelfase, maar was deze nog steeds boven de omgevingstemperatuur.Op afb.2e toont een momentopname van de temperatuur op de SMA-draad genomen van de LWIR-camera.Aan de andere kant, in afb.2a toont de door het aandrijfsysteem gegenereerde blokkeerkracht.Wanneer de spierkracht de herstellende kracht van de veer overschrijdt, begint de beweegbare arm, zoals weergegeven in figuur 9a, te bewegen.Zodra de bediening begint, komt de beweegbare arm in contact met de sensor, waardoor er een lichaamskracht ontstaat, zoals getoond in afb.2c, ged.Wanneer de maximale temperatuur dicht bij \(84\,^{\circ}\hbox {C}\) ligt, is de maximaal waargenomen kracht 105 N.
De grafiek toont de experimentele resultaten van de temperatuur van de SMA-draad en de kracht die wordt gegenereerd door de op SMA gebaseerde bimodale actuator gedurende twee cycli.De ingangsspanning wordt toegepast in twee cycli van 10 seconden (weergegeven als rode stippen) met een afkoelperiode van 15 seconden tussen elke cyclus.De SMA-draad die voor de experimenten werd gebruikt, was een Flexinol-draad met een diameter van 0,51 mm van Dynalloy, Inc. (a) De grafiek toont de experimentele kracht verkregen over twee cycli, (c, d) toont twee onafhankelijke voorbeelden van de werking van actuatoren met bewegende armen op een PACEline CFT/5kN piëzo-elektrische krachttransducer, (b) de grafiek toont de maximumtemperatuur van de gehele SMA-draad gedurende twee cycli, (e) toont een momentopname van de temperatuur genomen van de SMA-draad met behulp van de FLIR ResearchIR-software LWIR-camera .De geometrische parameters waarmee rekening is gehouden bij de experimenten zijn weergegeven in de tabel.een.
De simulatieresultaten van het wiskundige model en de experimentele resultaten worden vergeleken onder de voorwaarde van een ingangsspanning van 7V, zoals getoond in Fig.5.Volgens de resultaten van parametrische analyse en om de mogelijkheid van oververhitting van de SMA-draad te voorkomen, werd een vermogen van 11,2 W aan de actuator geleverd.Een programmeerbare gelijkstroomvoeding werd gebruikt om 7V als ingangsspanning te leveren en er werd een stroom van 1,6A over de draad gemeten.De kracht die door de aandrijving wordt gegenereerd en de temperatuur van de SDR nemen toe wanneer stroom wordt toegepast.Met een ingangsspanning van 7V is de maximale uitgangskracht verkregen uit de simulatieresultaten en experimentele resultaten van de eerste cyclus respectievelijk 78 N en 96 N.In de tweede cyclus was de maximale uitvoerkracht van de simulatie en de experimentele resultaten respectievelijk 150 N en 105 N.De discrepantie tussen occlusiekrachtmetingen en experimentele gegevens kan te wijten zijn aan de methode die wordt gebruikt om de occlusiekracht te meten.De experimentele resultaten getoond in Fig.5a komt overeen met de meting van de vergrendelingskracht, die op zijn beurt werd gemeten toen de aandrijfas in contact was met de PACEline CFT/5kN piëzo-elektrische krachtopnemer, zoals getoond in Fig.2s.Daarom, wanneer de aandrijfas niet in contact is met de krachtsensor aan het begin van de koelzone, wordt de kracht onmiddellijk nul, zoals weergegeven in figuur 2d.Bovendien zijn andere parameters die van invloed zijn op de vorming van kracht in volgende cycli de waarden van de koeltijd en de coëfficiënt van convectieve warmteoverdracht in de vorige cyclus.Van afb.2b is te zien dat na een afkoelperiode van 15 seconden de SMA-draad niet op kamertemperatuur kwam en daarom een ​​hogere begintemperatuur had (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) in de tweede rijcyclus vergeleken met de eerste cyclus (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Dus, in vergelijking met de eerste cyclus, bereikt de temperatuur van de SMA-draad tijdens de tweede verwarmingscyclus eerder de initiële austeniettemperatuur (\(A_s\)) en blijft deze langer in de overgangsperiode, wat resulteert in spanning en kracht.Aan de andere kant hebben temperatuurverdelingen tijdens verwarmings- en koelcycli verkregen uit experimenten en simulaties een hoge kwalitatieve gelijkenis met voorbeelden uit thermografische analyse.Vergelijkende analyse van thermische gegevens van SMA-draad van experimenten en simulaties toonde consistentie tijdens verwarmings- en koelcycli en binnen aanvaardbare toleranties voor experimentele gegevens.De maximale temperatuur van de SMA-draad, verkregen uit de resultaten van simulatie en experimenten van de eerste cyclus, is respectievelijk \(89\,^{\circ}\hbox {C}\) en \(75\,^{\circ}\hbox {C}\), en in de tweede cyclus is de maximale temperatuur van de SMA-draad \(94\,^{\circ}\hbox {C}\) en \(83\,^{\circ}\ hbox {C} \).Het fundamenteel ontwikkelde model bevestigt het effect van het vormgeheugeneffect.De rol van vermoeidheid en oververhitting werd in deze review niet meegenomen.In de toekomst zal het model worden verbeterd om de spanningsgeschiedenis van de SMA-draad op te nemen, waardoor het geschikter wordt voor technische toepassingen.De uitgangskracht van de aandrijving en de SMA-temperatuurplots verkregen uit het Simulink-blok vallen binnen de toegestane toleranties van de experimentele gegevens onder de voorwaarde van een ingangsspanningspuls van 7 V. Dit bevestigt de juistheid en betrouwbaarheid van het ontwikkelde wiskundige model.
Het wiskundige model is ontwikkeld in de MathWorks Simulink R2020b-omgeving met behulp van de basisvergelijkingen beschreven in het gedeelte Methoden.Op afb.3b toont een blokschema van het rekenmodel van Simulink.Het model werd gesimuleerd voor een 7V ingangsspanningspuls zoals weergegeven in Fig. 2a, b.De waarden van de parameters die in de simulatie worden gebruikt, staan ​​​​vermeld in tabel 1. De resultaten van de simulatie van voorbijgaande processen worden gepresenteerd in figuren 1 en 1. Figuren 3a en 4. In Fig.4a,b toont de geïnduceerde spanning in de SMA-draad en de kracht die door de actuator wordt gegenereerd als functie van de tijd. Tijdens omgekeerde transformatie (verhitting), wanneer de SMA-draadtemperatuur, \(T <A_s^{\prime}\) (stressgemodificeerde austenietfasestarttemperatuur), zal de veranderingssnelheid van de martensietvolumefractie (\(\dot{\xi}\)) nul zijn. Tijdens omgekeerde transformatie (verhitting), wanneer de SMA-draadtemperatuur, \(T <A_s^{\prime}\) (stress-gemodificeerde austenietfase starttemperatuur), zal de veranderingssnelheid van martensietvolumefractie (\(\dot{\ xi}\)) nul zijn. Als je een computer gebruikt, gebruik dan SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (download een van de manieren waarop u uw geld kunt verdienen, kunt u de kosten van het programma wijzigen енсита (\(\punt{\ xi }\)) будет равно нулю. Tijdens de omgekeerde transformatie (verhitting), wanneer de temperatuur van de SMA-draad, \(T < A_s^{\prime}\) (door spanning gemodificeerde austeniet-begintemperatuur), zal de veranderingssnelheid van de martensietvolumefractie (\(\dot{\ xi}\)) nul zijn.SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度)氏体体积分数的变化率（\(\punt{\ xi}\))在 反向 转变 （加热） 中 , 当 当 当 线 温度 \ (t De beste opties voor het laden van de computer (T < A_s^{\prime}\) Als u een van de volgende programma's (\( \ punt{\ xi}\)) будет равно нулю. Tijdens de omgekeerde transformatie (verhitting) bij de temperatuur van de SMA-draad \(T < A_s^{\prime}\) (de temperatuur van de kiemvorming van de austenietfase, gecorrigeerd voor spanning), zal de veranderingssnelheid in de volumefractie van martensiet (\( \dot{\ xi}\)) gelijk zijn aan nul.Daarom zal de snelheid van spanningsverandering (\(\dot{\sigma}\)) alleen afhangen van de spanningssnelheid (\(\dot{\epsilon}\)) en de temperatuurgradiënt (\(\dot{T} \) met behulp van vergelijking (1).Naarmate de SMA-draad echter in temperatuur stijgt en (\(A_s^{\prime}\) kruist), begint de austenietfase zich te vormen en wordt (\(\dot{\xi}\)) genomen als de gegeven waarde van de vergelijking (3).Daarom wordt de veranderingssnelheid van spanning (\(\dot{\sigma}\)) gezamenlijk geregeld door \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) en \(\dot{\xi}\) gelijk aan gegeven in formule (1).Dit verklaart de gradiëntveranderingen die zijn waargenomen in de in de tijd variërende spannings- en krachtkaarten tijdens de verwarmingscyclus, zoals weergegeven in figuur 4a, b.
( a ) Simulatieresultaat dat de temperatuurverdeling en door spanning geïnduceerde junctietemperatuur toont in een op SMA gebaseerde divalerate actuator.Wanneer de draadtemperatuur de austenietovergangstemperatuur in de verwarmingsfase overschrijdt, begint de gemodificeerde austenietovergangstemperatuur te stijgen, en evenzo, wanneer de walsdraadtemperatuur de martensitische overgangstemperatuur in de koelfase overschrijdt, neemt de martensitische overgangstemperatuur af.SMA voor analytische modellering van het aandrijfproces.(Zie de bijlage van het aanvullende bestand voor een gedetailleerd overzicht van elk subsysteem van een Simulink-model.)
De resultaten van de analyse voor verschillende parameterverdelingen worden getoond voor twee cycli van de 7V-ingangsspanning (10 seconden opwarmcycli en 15 seconden afkoelcycli).Terwijl (ac) en (e) de verdeling in de tijd weergeven, illustreren (d) en (f) daarentegen de verdeling met temperatuur.Voor de respectieve ingangscondities is de maximale waargenomen spanning 106 MPa (minder dan 345 MPa, draadvloeigrens), de kracht is 150 N, de maximale verplaatsing is 270 µm en de minimale martensitische volumefractie is 0,91.Aan de andere kant zijn de verandering in spanning en de verandering in de volumefractie van martensiet met temperatuur vergelijkbaar met hysteresiskarakteristieken.
Dezelfde uitleg is van toepassing op de directe transformatie (afkoeling) van de austenietfase naar de martensietfase, waar de SMA-draadtemperatuur (T) en de eindtemperatuur van de spanningsgemodificeerde martensietfase (\(M_f^{\prime}\)) uitstekend is.Op afb.4d,f toont de verandering in de geïnduceerde spanning (\(\sigma\)) en de volumefractie van martensiet (\(\xi\)) in de SMA-draad als functie van de verandering in temperatuur van de SMA-draad (T), voor beide rijcycli.Op afb.Afbeelding 3a toont de verandering in de temperatuur van de SMA-draad in de tijd, afhankelijk van de ingangsspanningspuls.Zoals te zien is in de figuur, blijft de temperatuur van de draad toenemen door een warmtebron op nulspanning te leveren en daaropvolgende convectiekoeling.Tijdens het verwarmen begint de hertransformatie van martensiet naar de austenietfase wanneer de SMA-draadtemperatuur (T) de voor spanning gecorrigeerde austenietkiemvormingstemperatuur (\(A_s^{\prime}\)) overschrijdt.Tijdens deze fase wordt de SMA-draad samengedrukt en genereert de actuator kracht.Ook tijdens het afkoelen, wanneer de temperatuur van de SMA-draad (T) de nucleatietemperatuur van de spanningsgemodificeerde martensietfase (\(M_s^{\prime}\)) overschrijdt, is er een positieve overgang van de austenietfase naar de martensietfase.de aandrijfkracht neemt af.
De belangrijkste kwalitatieve aspecten van de bimodale aandrijving op basis van SMA kunnen worden verkregen uit de simulatieresultaten.In het geval van een spanningspulsingang neemt de temperatuur van de SMA-draad toe door het joule-verwarmingseffect.De beginwaarde van de martensietvolumefractie (\(\xi\)) wordt op 1 gezet, aangezien het materiaal zich aanvankelijk in een volledig martensitische fase bevindt.Naarmate de draad verder opwarmt, overschrijdt de temperatuur van de SMA-draad de spanningsgecorrigeerde austenietkiemvormingstemperatuur \(A_s^{\prime}\), wat resulteert in een afname van de martensietvolumefractie, zoals weergegeven in figuur 4c.Bovendien, in afb.4e toont de verdeling van slagen van de actuator in de tijd, en in Fig.5 – drijvende kracht als functie van de tijd.Een verwant systeem van vergelijkingen omvat temperatuur, martensietvolumefractie en spanning die zich in de draad ontwikkelt, resulterend in krimp van de SMA-draad en de kracht die door de actuator wordt gegenereerd.Zoals weergegeven in afb.4d, f, spanningsvariatie met temperatuur en martensietvolumefractievariatie met temperatuur komen overeen met de hysteresiskarakteristieken van de SMA in het gesimuleerde geval bij 7 V.
Vergelijking van rijparameters werd verkregen door middel van experimenten en analytische berekeningen.De draden werden gedurende 10 seconden blootgesteld aan een gepulseerde ingangsspanning van 7 V en daarna gedurende 2 cycli gedurende 15 seconden afgekoeld (afkoelfase).De geveerde hoek is ingesteld op \(40^{\circ}\) en de initiële lengte van de SMA-draad in elke enkele penpoot is ingesteld op 83 mm.(a) Meten van de drijvende kracht met een loadcel (b) Draadtemperatuur bewaken met een thermische infraroodcamera.
Om de invloed van fysieke parameters op de door de aandrijving geproduceerde kracht te begrijpen, werd een analyse van de gevoeligheid van het wiskundige model voor de geselecteerde fysieke parameters uitgevoerd en werden de parameters gerangschikt op basis van hun invloed.Eerst werd de bemonstering van modelparameters uitgevoerd met behulp van experimentele ontwerpprincipes die een uniforme verdeling volgden (zie aanvullende sectie over gevoeligheidsanalyse).In dit geval omvatten de modelparameters ingangsspanning (\(V_{in}\)), initiële SMA-draadlengte (\(l_0\)), driehoekshoek (\(\alpha\)), voorspanningsveerconstante (\( K_x\ )), de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt (\(h_T\)) en het aantal unimodale takken (n).In de volgende stap werd piekspierkracht gekozen als vereiste voor het ontwerp van het onderzoek en werden de parametrische effecten van elke reeks variabelen op kracht verkregen.De tornadoplots voor de gevoeligheidsanalyse werden afgeleid van de correlatiecoëfficiënten voor elke parameter, zoals weergegeven in figuur 6a.
(a) De correlatiecoëfficiëntwaarden van de modelparameters en hun effect op de maximale uitvoerkracht van 2500 unieke groepen van de bovenstaande modelparameters worden weergegeven in de tornadoplot.De grafiek toont de rangcorrelatie van verschillende indicatoren.Het is duidelijk dat \(V_{in}\) de enige parameter is met een positieve correlatie, en \(l_0\) de parameter is met de hoogste negatieve correlatie.Het effect van verschillende parameters in verschillende combinaties op de piekspierkracht wordt weergegeven in (b, c).\(K_x\) varieert van 400 tot 800 N/m en n varieert van 4 tot 24. Voltage (\(V_{in}\)) veranderde van 4V naar 10V, draadlengte (\(l_{0 } \)) veranderde van 40 naar 100 mm, en de staarthoek (\ (\alpha \)) varieerde van \ (20 – 60 \, ^ {\circ}\).
Op afb.6a toont een tornadografiek van verschillende correlatiecoëfficiënten voor elke parameter met vereisten voor het ontwerp van de maximale aandrijfkracht.Van afb.6a is te zien dat de spanningsparameter (\(V_{in}\)) direct gerelateerd is aan de maximale uitvoerkracht, en de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt (\(h_T\)), vlamhoek (\ (\alpha\)), verplaatsingsveerconstante (\(K_x\)) negatief gecorreleerd is met de uitvoerkracht en de initiële lengte (\(l_0\)) van de SMA-draad, en het aantal unimodale takken (n) vertoont een sterke omgekeerde correlatie. van directe correlatie In het geval van een hogere waarde van de spanning correlatiecoëfficiënt (\(V_ {in}\)) geeft aan dat deze parameter het grootste effect heeft op het geleverde vermogen.Een andere soortgelijke analyse meet de piekkracht door het effect van verschillende parameters in verschillende combinaties van de twee rekenruimten te evalueren, zoals weergegeven in figuur 6b, c.\(V_{in}\) en \(l_0\), \(\alpha\) en \(l_0\) hebben vergelijkbare patronen, en de grafiek laat zien dat \(V_{in}\) en \(\alpha\ ) en \(\alpha\) vergelijkbare patronen hebben.Kleinere waarden van \(l_0\) resulteren in hogere piekkrachten.De andere twee plots komen overeen met figuur 6a, waar n en \(K_x\) negatief gecorreleerd zijn en \(V_{in}\) positief gecorreleerd zijn.Deze analyse helpt bij het definiëren en aanpassen van de beïnvloedende parameters waarmee de uitgaande kracht, slag en efficiëntie van het aandrijfsysteem kunnen worden aangepast aan de vereisten en toepassing.
Lopend onderzoekswerk introduceert en onderzoekt hiërarchische drijfveren met N-niveaus.In een hiërarchie met twee niveaus, zoals getoond in Fig. 7a, waar in plaats van elke SMA-draad van de actuator van het eerste niveau een bimodale opstelling wordt bereikt, zoals getoond in Fig.9e.Op afb.7c laat zien hoe de SMA-draad om een ​​beweegbare arm (hulparm) wordt gewikkeld die alleen in de lengterichting beweegt.De primaire beweegbare arm blijft echter op dezelfde manier bewegen als de beweegbare arm van de meertrapsactuator van de eerste trap.Gewoonlijk wordt een N-traps aandrijving gemaakt door de SMA-draad van de \(N-1\) trap te vervangen door een eerste traps aandrijving.Hierdoor imiteert elke tak de aandrijving van de eerste trap, met uitzondering van de tak die de draad zelf vasthoudt.Op deze manier kunnen geneste structuren worden gevormd die krachten creëren die vele malen groter zijn dan de krachten van de primaire aandrijvingen.In deze studie werd voor elk niveau rekening gehouden met een totale effectieve SMA-draadlengte van 1 m, zoals weergegeven in tabelvorm in figuur 7d.De stroom door elke draad in elk unimodaal ontwerp en de resulterende voorspanning en spanning in elk SMA-draadsegment zijn op elk niveau hetzelfde.Volgens ons analytisch model is de uitgaande kracht positief gecorreleerd met het niveau, terwijl de verplaatsing negatief gecorreleerd is.Tegelijkertijd was er een wisselwerking tussen verplaatsing en spierkracht.Zoals te zien in afb.7b, terwijl de maximale kracht wordt bereikt in het grootste aantal lagen, wordt de grootste verplaatsing waargenomen in de onderste laag.Wanneer het hiërarchieniveau was ingesteld op \(N=5\), werd een piekspierkracht van 2,58 kN gevonden met 2 waargenomen slagen \(\upmu\)m.Aan de andere kant genereert de aandrijving van de eerste trap een kracht van 150 N bij een slag van 277 \(\upmu\)m.Actuatoren met meerdere niveaus kunnen echte biologische spieren nabootsen, waarbij kunstmatige spieren op basis van vormgeheugenlegeringen aanzienlijk hogere krachten kunnen genereren met nauwkeurige en fijnere bewegingen.De beperkingen van dit geminiaturiseerde ontwerp zijn dat naarmate de hiërarchie toeneemt, de beweging sterk wordt verminderd en de complexiteit van het fabricageproces van de aandrijving toeneemt.
(a) Een tweetraps (\(N=2\)) gelaagd lineair actuatorsysteem van een vormgeheugenlegering wordt getoond in een bimodale configuratie.Het voorgestelde model wordt bereikt door de SMA-draad in de gelaagde actuator van de eerste trap te vervangen door een andere gelaagde actuator met één trap.(c) Vervormde configuratie van de meerlaagse actuator van de tweede trap.(b) De verdeling van krachten en verplaatsingen afhankelijk van het aantal niveaus wordt beschreven.Gebleken is dat de piekkracht van de actuator positief gecorreleerd is met het schaalniveau op de grafiek, terwijl de slag negatief gecorreleerd is met het schaalniveau.De stroom en voorspanning in elke draad blijven op alle niveaus constant.(d) De tabel toont het aantal aftakkingen en de lengte van de SMA-draad (glasvezel) op elk niveau.De kenmerken van de draden worden aangegeven door index 1 en het aantal secundaire takken (één verbonden met het primaire been) wordt aangegeven door het grootste getal in het subscript.Op niveau 5 verwijst \(n_1\) bijvoorbeeld naar het aantal SMA-draden dat aanwezig is in elke bimodale structuur, en verwijst \(n_5\) naar het aantal hulpbenen (één verbonden met het hoofdbeen).
Door veel onderzoekers zijn verschillende methoden voorgesteld om het gedrag van SMA's met vormgeheugen te modelleren, die afhangen van de thermomechanische eigenschappen die gepaard gaan met de macroscopische veranderingen in de kristalstructuur die verband houden met de faseovergang.De formulering van constitutieve methoden is inherent complex.Het meest gebruikte fenomenologische model wordt voorgesteld door Tanaka28 en wordt veel gebruikt in technische toepassingen.Het door Tanaka [28] voorgestelde fenomenologische model gaat ervan uit dat de volumefractie van martensiet een exponentiële functie is van temperatuur en stress.Later stelden Liang en Rogers29 en Brinson30 een model voor waarin werd aangenomen dat de faseovergangsdynamiek een cosinusfunctie is van spanning en temperatuur, met kleine aanpassingen aan het model.Becker en Brinson stelden een op fasediagram gebaseerd kinetisch model voor om het gedrag van SMA-materialen onder willekeurige belastingsomstandigheden en gedeeltelijke overgangen te modelleren.Banerjee32 gebruikt de Bekker en Brinson31 fasediagram dynamische methode om een ​​manipulator met een enkele vrijheidsgraad te simuleren, ontwikkeld door Elahinia en Ahmadian33.Kinetische methoden op basis van fasediagrammen, die rekening houden met de niet-monotone spanningsverandering met temperatuur, zijn moeilijk te implementeren in technische toepassingen.Elakhinia en Ahmadian vestigen de aandacht op deze tekortkomingen van bestaande fenomenologische modellen en stellen een uitgebreid fenomenologisch model voor om vormgeheugengedrag onder complexe belastingsomstandigheden te analyseren en te definiëren.
Het structurele model van SMA-draad geeft spanning (\(\sigma\)), spanning (\(\epsilon\)), temperatuur (T) en martensietvolumefractie (\(\xi\)) van SMA-draad.Het fenomenologische constitutieve model werd voor het eerst voorgesteld door Tanaka28 en later overgenomen door Liang29 en Brinson30.De afgeleide van de vergelijking heeft de vorm:
waarbij E de fase-afhankelijke SMA Young-modulus is die is verkregen met behulp van \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) en \(E_A\) en \(E_M\) die de Young-modulus vertegenwoordigen, zijn respectievelijk austenitische en martensitische fasen, en de thermische uitzettingscoëfficiënt wordt weergegeven door \(\theta _T\).De faseovergangsbijdragefactor is \(\Omega = -E \epsilon _L\) en \(\epsilon _L\) is de maximaal herstelbare spanning in de SMA-draad.
De fasedynamische vergelijking valt samen met de cosinusfunctie ontwikkeld door Liang29 en later overgenomen door Brinson30 in plaats van de exponentiële functie voorgesteld door Tanaka28.Het faseovergangsmodel is een uitbreiding van het model voorgesteld door Elakhinia en Ahmadian34 en aangepast op basis van de faseovergangscondities gegeven door Liang29 en Brinson30.De voorwaarden die voor dit faseovergangsmodel worden gebruikt, zijn geldig onder complexe thermomechanische belastingen.Op elk moment wordt de waarde van de volumefractie van martensiet berekend bij het modelleren van de constitutieve vergelijking.
De heersende hertransformatievergelijking, uitgedrukt door de transformatie van martensiet naar austeniet onder verhittingsomstandigheden, is als volgt:
waarbij \(\xi\) de volumefractie van martensiet is, \(\xi _M\) de volumefractie van martensiet is die is verkregen vóór verhitting, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) en \(C_A\) – curve-benaderingsparameters, T – SMA-draadtemperatuur, \(A_s\) en \(A_f\) – begin en einde van de austenietfase respectievelijk temperatuur.
De directe transformatiecontrolevergelijking, vertegenwoordigd door de fasetransformatie van austeniet naar martensiet onder koelomstandigheden, is:
waarbij \(\xi _A\) de volumefractie is van martensiet verkregen vóór afkoeling, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) en \ ( C_M \) - parameters voor het aanpassen van de curve, T - SMA-draadtemperatuur, \(M_s\) en \(M_f\) - initiële en uiteindelijke martensiettemperaturen, respectievelijk.
Nadat vergelijkingen (3) en (4) zijn gedifferentieerd, worden de inverse en directe transformatievergelijkingen vereenvoudigd tot de volgende vorm:
Tijdens voorwaartse en achterwaartse transformatie nemen \(\eta _{\sigma}\) en \(\eta _{T}\) verschillende waarden aan.De basisvergelijkingen geassocieerd met \(\eta _{\sigma}\) en \(\eta _{T}\) zijn afgeleid en in detail besproken in een extra sectie.
De thermische energie die nodig is om de temperatuur van de SMA-draad te verhogen, is afkomstig van het Joule-verwarmingseffect.De thermische energie die wordt geabsorbeerd of vrijgegeven door de SMA-draad wordt weergegeven door de latente transformatiewarmte.Het warmteverlies in de SMA-draad is het gevolg van geforceerde convectie en gezien het verwaarloosbare effect van straling, is de vergelijking van de warmte-energiebalans als volgt:
Waar \(m_{wire}\) de totale massa van de SMA-draad is, \(c_{p}\) is de specifieke warmtecapaciteit van de SMA, \(V_{in}\) is de spanning die op de draad wordt toegepast, \(R_{ohm} \ ) - faseafhankelijke weerstand SMA, gedefinieerd als;\(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) waarbij \(r_M\ ) en \(r_A\) de SMA-faseweerstand zijn in respectievelijk martensiet en austeniet, \(A_{c}\) is het oppervlak van de SMA-draad, \(\Delta H \) is een legering met vormgeheugen.De latente overgangswarmte van de draad, T en \(T_{\infty}\) zijn respectievelijk de temperaturen van de SMA-draad en de omgeving.
Wanneer een draad van een vormgeheugenlegering wordt geactiveerd, wordt de draad samengedrukt, waardoor een kracht ontstaat in elke tak van het bimodale ontwerp, de zogenaamde vezelkracht.De krachten van de vezels in elke streng van de SMA-draad creëren samen de spierkracht die moet worden geactiveerd, zoals weergegeven in figuur 9e.Vanwege de aanwezigheid van een voorspanveer is de totale spierkracht van de N-de meerlaagse actuator:
Door \(N = 1\) in vergelijking (7) te vervangen, kan de spierkracht van het prototype van de bimodale aandrijving van de eerste trap als volgt worden verkregen:
waarbij n het aantal unimodale benen is, \(F_m\) is de spierkracht die wordt gegenereerd door de aandrijving, \​​(F_f\) is de vezelsterkte in de SMA-draad, \(K_x\) is de biasstijfheid.veer, \(\alpha\) is de hoek van de driehoek, \(x_0\) is de initiële offset van de voorspanningsveer om de SMA-kabel in de voorgespannen positie te houden, en \(\Delta x\) is de slag van de actuator.
De totale verplaatsing of beweging van de aandrijving (\(\Delta x\)) afhankelijk van de spanning (\(\sigma\)) en spanning (\(\epsilon\)) op de SMA-draad van de N-trap, wordt de aandrijving ingesteld op (zie Fig. extra deel van de uitgang):
De kinematische vergelijkingen geven de relatie tussen aandrijvingsvervorming (\(\epsilon\)) en verplaatsing of verplaatsing (\(\Delta x\)).De vervorming van de Arb-draad als functie van de initiële Arb-draadlengte (\(l_0\)) en de draadlengte (l) op elk moment t in één unimodale tak is als volgt:
waarbij \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) wordt verkregen door de cosinusformule toe te passen in \(\Delta\)ABB ', zoals weergegeven in figuur 8. Voor de aandrijving van de eerste trap (\(N = 1\)), is \(\Delta x_1\) \(\Delta x\), en \( \alpha _1\) is \(\alpha \) zoals getoond in Zoals weergegeven in figuur 8, door de tijd te onderscheiden van vergelijking (11) en de waarde van l te vervangen, kan de reksnelheid worden geschreven als:
waarbij \(l_0\) de aanvankelijke lengte van de SMA-draad is, l de lengte van de draad op elk moment t in één unimodale tak is, \(\epsilon\) de vervorming is die in de SMA-draad is ontwikkeld, en \(\alpha \) de hoek van de driehoek is, \(\Delta x\) de offset van de aandrijving is (zoals weergegeven in afbeelding 8).
Alle n structuren met één piek (\(n=6\) in deze figuur) zijn in serie geschakeld met \(V_{in}\) als ingangsspanning.Fase I: Schematisch diagram van de SMA-draad in een bimodale configuratie onder nulspanningscondities Fase II: Er wordt een gecontroleerde structuur getoond waar de SMA-draad wordt gecomprimeerd als gevolg van omgekeerde conversie, zoals weergegeven door de rode lijn.
Als proof of concept werd een op SMA gebaseerde bimodale aandrijving ontwikkeld om de gesimuleerde afleiding van de onderliggende vergelijkingen met experimentele resultaten te testen.Het CAD-model van de bimodale lineaire actuator wordt getoond in Fig.9a.Aan de andere kant, in afb.9c toont een nieuw ontwerp dat is voorgesteld voor een roterende prismatische verbinding met behulp van een op SMA gebaseerde actuator met twee vlakken en een bimodale structuur.De aandrijfcomponenten zijn vervaardigd met behulp van additive manufacturing op een Ultimaker 3 Extended 3D-printer.Het materiaal dat wordt gebruikt voor het 3D-printen van componenten is polycarbonaat, dat geschikt is voor hittebestendige materialen omdat het sterk en duurzaam is en een hoge glasovergangstemperatuur heeft (110-113 \(^{\circ }\) C).Bovendien werd Dynalloy, Inc. Flexinol-draad met vormgeheugenlegering gebruikt in de experimenten, en de materiaaleigenschappen die overeenkomen met de Flexinol-draad werden gebruikt in de simulaties.Meerdere SMA-draden zijn gerangschikt als vezels die aanwezig zijn in een bimodale opstelling van spieren om de hoge krachten te verkrijgen die worden geproduceerd door meerlaagse actuatoren, zoals weergegeven in figuur 9b, d.
Zoals weergegeven in figuur 9a, wordt de scherpe hoek gevormd door de SMA-draad van de beweegbare arm de hoek genoemd (\(\alpha\)).Met aansluitklemmen die aan de linker- en rechterklemmen zijn bevestigd, wordt de SMA-draad in de gewenste bimodale hoek gehouden.Het voorspanningsveerapparaat dat op de veerconnector wordt gehouden, is ontworpen om de verschillende voorspanningsveeruitbreidingsgroepen aan te passen volgens het aantal (n) SMA-vezels.Bovendien is de locatie van de bewegende delen zo ontworpen dat de SMA-draad wordt blootgesteld aan de externe omgeving voor geforceerde convectiekoeling.De boven- en onderplaten van de afneembare assemblage helpen de SMA-draad koel te houden met geëxtrudeerde uitsparingen die zijn ontworpen om het gewicht te verminderen.Bovendien zijn beide uiteinden van de CMA-draad door middel van een krimp bevestigd aan respectievelijk de linker en rechter terminal.Aan het ene uiteinde van het beweegbare samenstel is een plunjer bevestigd om speling tussen de boven- en onderplaat te behouden.De plunjer wordt ook gebruikt om via een contact een blokkeerkracht op de sensor uit te oefenen om de blokkeerkracht te meten wanneer de SMA-draad wordt bediend.
De bimodale spierstructuur SMA is elektrisch in serie geschakeld en wordt gevoed door een ingangspulsspanning.Tijdens de spanningspulscyclus, wanneer spanning wordt aangelegd en de SMA-draad wordt verwarmd tot boven de begintemperatuur van het austeniet, wordt de lengte van de draad in elke streng verkort.Deze terugtrekking activeert het beweegbare armsubsamenstel.Toen de spanning in dezelfde cyclus op nul werd gezet, werd de verwarmde SMA-draad afgekoeld tot onder de temperatuur van het martensietoppervlak, waardoor hij terugkeerde naar zijn oorspronkelijke positie.Onder spanningsloze omstandigheden wordt de SMA-draad eerst passief uitgerekt door een voorspanningsveer om de ontkoppelde martensitische toestand te bereiken.De schroef waar de SMA-draad doorheen gaat, beweegt als gevolg van de compressie die wordt gecreëerd door een spanningspuls op de SMA-draad aan te brengen (SPA bereikt de austenietfase), wat leidt tot de bediening van de beweegbare hendel.Wanneer de SMA-draad wordt ingetrokken, creëert de voorspanningsveer een tegenkracht door de veer verder uit te rekken.Wanneer de spanning in de pulsspanning nul wordt, wordt de SMA-draad langer en verandert van vorm als gevolg van geforceerde convectiekoeling, waarbij een dubbele martensitische fase wordt bereikt.
Het voorgestelde op SMA gebaseerde lineaire actuatorsysteem heeft een bimodale configuratie waarin de SMA-draden onder een hoek staan.(a) toont een CAD-model van het prototype, dat enkele componenten en hun betekenis voor het prototype vermeldt, (b, d) vertegenwoordigt het ontwikkelde experimentele prototype35.Terwijl (b) een bovenaanzicht toont van het prototype met elektrische aansluitingen en gebruikte voorspanningsveren en rekstrookjes, toont (d) een perspectivisch aanzicht van de opstelling.(e) Schema van een lineair aandrijfsysteem met SMA-draden die op elk moment t bimodaal zijn geplaatst en de richting en het verloop van de vezel en spierkracht tonen.(c) Er is een 2-DOF roterende prismatische verbinding voorgesteld voor het inzetten van een op SMA gebaseerde actuator met twee vlakken.Zoals weergegeven, brengt de verbinding een lineaire beweging over van de onderste aandrijving naar de bovenste arm, waardoor een roterende verbinding ontstaat.Aan de andere kant is de beweging van het paar prisma's dezelfde als de beweging van de meerlagige aandrijving van de eerste trap.
Er is een experimentele studie uitgevoerd op het prototype getoond in Fig. 9b om de prestaties van een bimodale aandrijving op basis van SMA te evalueren.Zoals weergegeven in figuur 10a, bestond de experimentele opstelling uit een programmeerbare gelijkstroomvoeding om ingangsspanning te leveren aan de SMA-draden.Zoals weergegeven in afb.10b werd een piëzo-elektrische spanningsmeter (PACEline CFT/5kN) gebruikt om de blokkeerkracht te meten met behulp van een Graphtec GL-2000 datalogger.De gegevens worden door de gastheer geregistreerd voor verder onderzoek.Rekstrookjes en ladingsversterkers hebben een constante voeding nodig om een ​​spanningssignaal te produceren.De overeenkomstige signalen worden omgezet in uitgangsvermogen volgens de gevoeligheid van de piëzo-elektrische krachtsensor en andere parameters zoals beschreven in Tabel 2. Wanneer een spanningspuls wordt toegepast, neemt de temperatuur van de SMA-draad toe, waardoor de SMA-draad wordt samengedrukt, waardoor de actuator kracht genereert.De experimentele resultaten van de output van spierkracht door een ingangsspanningspuls van 7 V worden getoond in Fig.2a.
(a) In het experiment werd een op SMA gebaseerd lineair actuatorsysteem opgezet om de door de actuator gegenereerde kracht te meten.De load cell meet de blokkeerkracht en wordt gevoed door een 24 V DC voeding.Over de gehele lengte van de kabel werd een spanningsval van 7 V aangebracht met behulp van een GW Instek programmeerbare gelijkstroomvoeding.De SMA-draad krimpt door hitte en de beweegbare arm maakt contact met de loadcel en oefent een blokkerende kracht uit.De loadcel is verbonden met de GL-2000 datalogger en de data wordt opgeslagen op de host voor verdere verwerking.(b) Schematische weergave van de keten van componenten van de experimentele opstelling voor het meten van spierkracht.
Legeringen met vormgeheugen worden geëxciteerd door thermische energie, dus temperatuur wordt een belangrijke parameter voor het bestuderen van het fenomeen van vormgeheugen.Experimenteel, zoals getoond in Fig. 11a, werden thermische beeldvorming en temperatuurmetingen uitgevoerd op een prototype van een op SMA gebaseerde divalerate actuator.Een programmeerbare DC-bron paste ingangsspanning toe op de SMA-draden in de experimentele opstelling, zoals weergegeven in figuur 11b.De temperatuurverandering van de SMA-draad werd in realtime gemeten met behulp van een LWIR-camera met hoge resolutie (FLIR A655sc).De host gebruikt de ResearchIR-software om gegevens op te nemen voor verdere nabewerking.Wanneer een spanningspuls wordt toegepast, neemt de temperatuur van de SMA-draad toe, waardoor de SMA-draad krimpt.Op afb.Figuur 2b toont de experimentele resultaten van de SMA-draadtemperatuur versus tijd voor een 7V ingangsspanningspuls.