Takk for at du besøker Nature.com.Nettleserversjonen du bruker har begrenset CSS-støtte.For den beste opplevelsen anbefaler vi at du bruker en oppdatert nettleser (eller deaktiverer kompatibilitetsmodus i Internet Explorer).I mellomtiden, for å sikre fortsatt støtte, vil vi gjengi nettstedet uten stiler og JavaScript.
Aktuatorer brukes overalt og skaper kontrollert bevegelse ved å bruke riktig eksitasjonskraft eller dreiemoment for å utføre ulike operasjoner innen produksjon og industriell automasjon.Behovet for raskere, mindre og mer effektive frekvensomformere driver innovasjon innen frekvensomformerdesign.Shape Memory Alloy (SMA)-stasjoner tilbyr en rekke fordeler i forhold til konvensjonelle stasjoner, inkludert et høyt effekt-til-vekt-forhold.I denne avhandlingen ble det utviklet en tofjæret SMA-basert aktuator som kombinerer fordelene med de fjærkledde musklene til biologiske systemer og de unike egenskapene til SMA.Denne studien utforsker og utvider tidligere SMA-aktuatorer ved å utvikle en matematisk modell av den nye aktuatoren basert på det bimodale SMA-ledningsarrangementet og teste det eksperimentelt.Sammenlignet med kjente frekvensomformere basert på SMA, er aktiveringskraften til den nye frekvensomformeren minst 5 ganger høyere (opptil 150 N).Tilsvarende vekttap er ca. 67 %.Resultatene av sensitivitetsanalyse av matematiske modeller er nyttige for å justere designparametere og forstå nøkkelparametere.Denne studien presenterer videre en multi-level Nth stage drive som kan brukes til å forbedre dynamikken ytterligere.SMA-baserte dipvalerat-muskelaktuatorer har et bredt spekter av bruksområder, fra bygningsautomatisering til presisjonssystemer for medikamentlevering.
Biologiske systemer, som muskulære strukturer til pattedyr, kan aktivere mange subtile aktuatorer1.Pattedyr har forskjellige muskelstrukturer, som hver tjener et bestemt formål.Imidlertid kan mye av strukturen til pattedyrmuskelvev deles inn i to brede kategorier.Parallell og pennate.I hamstrings og andre flexorer, som navnet antyder, har den parallelle muskulaturen muskelfibre parallelt med den sentrale senen.Kjeden av muskelfibre er på linje og funksjonelt forbundet med bindevevet rundt dem.Selv om disse musklene sies å ha en stor ekskursjon (prosentvis forkorting), er deres totale muskelstyrke svært begrenset.I kontrast, i triceps leggmuskel2 (lateral gastrocnemius (GL)3, medial gastrocnemius (GM)4 og soleus (SOL)) og ekstensor femoris (quadriceps) finnes 5,6 pennate muskelvev i hver muskel7.I en pinnate struktur er muskelfibrene i den bipennate muskulaturen tilstede på begge sider av den sentrale senen i skrå vinkler (finnate angles).Pennate kommer fra det latinske ordet "penna", som betyr "penn", og som vist i fig.1 har et fjærlignende utseende.Fibrene i pennatemusklene er kortere og vinklet til muskelens lengdeakse.På grunn av den pinnate strukturen reduseres den generelle mobiliteten til disse musklene, noe som fører til de tverrgående og langsgående komponentene i forkortningsprosessen.På den annen side fører aktivering av disse musklene til høyere total muskelstyrke på grunn av måten fysiologisk tverrsnittsareal måles på.Derfor, for et gitt tverrsnittsareal, vil pennate muskler være sterkere og generere høyere krefter enn muskler med parallelle fibre.Krefter generert av individuelle fibre genererer muskelkrefter på et makroskopisk nivå i det muskelvevet.I tillegg har den så unike egenskaper som rask krymping, beskyttelse mot strekkskader, demping.Den transformerer forholdet mellom fiberinngang og muskelkraftutgang ved å utnytte de unike egenskapene og geometriske kompleksiteten til fiberarrangementet knyttet til muskelhandlingslinjer.
Vist er skjematiske diagrammer av eksisterende SMA-baserte aktuatordesign i forhold til en bimodal muskelarkitektur, for eksempel (a), som representerer samspillet mellom taktil kraft der en håndformet enhet aktivert av SMA-ledninger er montert på en tohjuls autonom mobil robot9,10., (b) Robotisk orbitalprotese med antagonistisk plassert SMA fjærbelastet orbitalprotese.Posisjonen til det protetiske øyet styres av et signal fra øyemuskelen i øyet11, (c) SMA-aktuatorer er ideelle for undervannsapplikasjoner på grunn av deres høye frekvensrespons og lave båndbredde.I denne konfigurasjonen brukes SMA-aktuatorer for å skape bølgebevegelse ved å simulere bevegelsen til fisk, (d) SMA-aktuatorer brukes til å lage en mikrorørinspeksjonsrobot som kan bruke tommers ormbevegelsesprinsippet, kontrollert av bevegelsen av SMA-tråder inne i kanal 10, (e) viser retningen til sammentrekningen av muskelfibre og genererer sammentrekningskraft i SMA-vevet, (tråden) pennate muskelstruktur.
Aktuatorer har blitt en viktig del av mekaniske systemer på grunn av deres brede bruksområde.Derfor blir behovet for mindre, raskere og mer effektive stasjoner kritisk.Til tross for fordelene har tradisjonelle stasjoner vist seg å være dyre og tidkrevende å vedlikeholde.Hydrauliske og pneumatiske aktuatorer er komplekse og kostbare og er utsatt for slitasje, smøreproblemer og komponentfeil.Som svar på etterspørselen er det fokus på å utvikle kostnadseffektive, dimensjoneringsoptimerte og avanserte aktuatorer basert på smarte materialer.Pågående forskning ser på formminnelegering (SMA) lagdelte aktuatorer for å møte dette behovet.Hierarkiske aktuatorer er unike ved at de kombinerer mange diskrete aktuatorer til geometrisk komplekse makroskala undersystemer for å gi økt og utvidet funksjonalitet.I denne forbindelse gir det menneskelige muskelvevet beskrevet ovenfor et utmerket flerlags eksempel på slik flerlags aktivering.Den nåværende studien beskriver et multi-level SMA-drev med flere individuelle drivelementer (SMA-tråder) justert til fiberorienteringene som er tilstede i bimodale muskler, noe som forbedrer den generelle kjøreytelsen.
Hovedformålet med en aktuator er å generere mekanisk kraftutgang som kraft og forskyvning ved å konvertere elektrisk energi.Formminnelegeringer er en klasse av "smarte" materialer som kan gjenopprette formen ved høye temperaturer.Under høy belastning fører en økning i temperaturen til SMA-tråden til formgjenoppretting, noe som resulterer i en høyere aktiveringsenergitetthet sammenlignet med ulike direkte bundne smarte materialer.Samtidig, under mekaniske belastninger, blir SMA-er sprø.Under visse forhold kan en syklisk belastning absorbere og frigjøre mekanisk energi, og vise reversible hysteretiske formendringer.Disse unike egenskapene gjør SMA ideell for sensorer, vibrasjonsdemping og spesielt aktuatorer12.Med dette i tankene har det vært mye forskning på SMA-baserte stasjoner.Det skal bemerkes at SMA-baserte aktuatorer er designet for å gi translasjons- og rotasjonsbevegelser for en rekke bruksområder13,14,15.Selv om noen roterende aktuatorer er utviklet, er forskere spesielt interessert i lineære aktuatorer.Disse lineære aktuatorene kan deles inn i tre typer aktuatorer: endimensjonale, forskyvnings- og differensielle aktuatorer 16 .I utgangspunktet ble hybrid-stasjoner laget i kombinasjon med SMA og andre konvensjonelle stasjoner.Et slikt eksempel på en SMA-basert hybrid lineær aktuator er bruken av en SMA-ledning med en likestrømsmotor for å gi en utgangskraft på rundt 100 N og betydelig forskyvning17.
En av de første utviklingene innen stasjoner basert utelukkende på SMA var SMA-parallellstasjonen.Ved å bruke flere SMA-ledninger, er den SMA-baserte parallellstasjonen designet for å øke kraftkapasiteten til stasjonen ved å plassere alle SMA18-ledninger parallelt.Parallellkobling av aktuatorer krever ikke bare mer kraft, men begrenser også utgangseffekten til en enkelt ledning.En annen ulempe med SMA-baserte aktuatorer er den begrensede bevegelsen de kan oppnå.For å løse dette problemet ble det laget en SMA kabelbjelke som inneholdt en avbøyd fleksibel bjelke for å øke forskyvningen og oppnå lineær bevegelse, men genererte ikke høyere krefter19.Myke deformerbare strukturer og tekstiler for roboter basert på formminnelegeringer er utviklet primært for slagforsterkning20,21,22.For applikasjoner der høye hastigheter kreves, er det rapportert om kompaktdrevne pumper som bruker tynnfilm SMA-er for mikropumpedrevne applikasjoner23.Kjørefrekvensen til tynnfilm SMA-membranen er en nøkkelfaktor for å kontrollere hastigheten til føreren.Derfor har SMA lineære motorer en bedre dynamisk respons enn SMA fjær- eller stangmotorer.Myk robotikk og gripeteknologi er to andre applikasjoner som bruker SMA-baserte aktuatorer.For eksempel, for å erstatte standardaktuatoren som brukes i 25 N romklemmen, ble en parallellaktuator 24 av formminnelegering utviklet.I et annet tilfelle ble en myk SMA-aktuator laget basert på en ledning med en innebygd matrise som er i stand til å produsere en maksimal trekkkraft på 30 N. På grunn av deres mekaniske egenskaper brukes SMA-er også til å produsere aktuatorer som etterligner biologiske fenomener.En slik utvikling inkluderer en 12-cellers robot som er en biomimetikk av en meitemarklignende organisme med SMA for å generere en sinusformet bevegelse til brann26,27.
Som nevnt tidligere er det en grense for maksimal kraft som kan oppnås fra eksisterende SMA-baserte aktuatorer.For å løse dette problemet presenterer denne studien en biomimetisk bimodal muskelstruktur.Drevet av legeringstråd med formminne.Det gir et klassifiseringssystem som inkluderer flere formminnelegeringstråder.Til dags dato har ingen SMA-baserte aktuatorer med lignende arkitektur blitt rapportert i litteraturen.Dette unike og nye systemet basert på SMA ble utviklet for å studere oppførselen til SMA under bimodal muskeljustering.Sammenlignet med eksisterende SMA-baserte aktuatorer, var målet med denne studien å lage en biomimetisk dipvalerataktuator for å generere betydelig høyere krefter i et lite volum.Sammenlignet med konvensjonelle trinnmotordrevne frekvensomformere som brukes i HVAC-bygningsautomasjons- og kontrollsystemer, reduserer den foreslåtte SMA-baserte bimodale frekvensomformeren vekten på drivmekanismen med 67 %.I det følgende brukes begrepene "muskel" og "drive" om hverandre.Denne studien undersøker multifysisk simulering av en slik stasjon.Den mekaniske oppførselen til slike systemer har blitt studert ved eksperimentelle og analytiske metoder.Kraft- og temperaturfordelinger ble videre undersøkt ved en inngangsspenning på 7 V. Deretter ble det utført en parametrisk analyse for bedre å forstå sammenhengen mellom nøkkelparametere og utgangskraften.Til slutt har hierarkiske aktuatorer blitt sett for seg og hierarkiske nivåeffekter har blitt foreslått som et potensielt fremtidig område for ikke-magnetiske aktuatorer for proteseapplikasjoner.I følge resultatene av de nevnte studiene produserer bruken av en ett-trinns arkitektur krefter som er minst fire til fem ganger høyere enn rapporterte SMA-baserte aktuatorer.I tillegg har den samme drivkraften som genereres av en multi-level multi-level drive vist seg å være mer enn ti ganger større enn konvensjonelle SMA-baserte disker.Studien rapporterer deretter nøkkelparametere ved hjelp av sensitivitetsanalyse mellom ulike design og inngangsvariabler.Startlengden på SMA-tråden (\(l_0\)), den pinnate vinkelen (\(\alpha\)) og antall enkelttråder (n) i hver enkelt tråd har en sterk negativ effekt på størrelsen på drivkraften.styrke, mens inngangsspenningen (energien) viste seg å være positivt korrelert.
SMA-tråd viser formminneeffekten (SME) sett i nikkel-titan (Ni-Ti)-familien av legeringer.Vanligvis viser SMA-er to temperaturavhengige faser: en lavtemperaturfase og en høytemperaturfase.Begge fasene har unike egenskaper på grunn av tilstedeværelsen av forskjellige krystallstrukturer.I austenittfasen (høytemperaturfasen) som eksisterer over transformasjonstemperaturen, viser materialet høy styrke og deformeres dårlig under belastning.Legeringen oppfører seg som rustfritt stål, så den er i stand til å motstå høyere aktiveringstrykk.Ved å dra nytte av denne egenskapen til Ni-Ti-legeringer, er SMA-ledningene skråstilt for å danne en aktuator.Passende analytiske modeller er utviklet for å forstå den grunnleggende mekanikken til den termiske oppførselen til SMA under påvirkning av ulike parametere og ulike geometrier.Det ble oppnådd god overensstemmelse mellom de eksperimentelle og analytiske resultatene.
En eksperimentell studie ble utført på prototypen vist i fig. 9a for å evaluere ytelsen til en bimodal drift basert på SMA.To av disse egenskapene, kraften generert av drivverket (muskelkraft) og temperaturen til SMA-tråden (SMA-temperatur), ble målt eksperimentelt.Ettersom spenningsforskjellen øker langs hele lengden av ledningen i frekvensomformeren, øker temperaturen på ledningen på grunn av Joule-varmeeffekten.Inngangsspenningen ble tilført i to 10-s sykluser (vist som røde prikker i fig. 2a, b) med en 15-s kjøleperiode mellom hver syklus.Blokkeringskraften ble målt ved hjelp av en piezoelektrisk strekkmåler, og temperaturfordelingen til SMA-tråden ble overvåket i sanntid ved bruk av et vitenskapelig høyoppløselig LWIR-kamera (se egenskapene til utstyret brukt i tabell 2).viser at under høyspenningsfasen øker temperaturen på ledningen monotont, men når det ikke går strøm, fortsetter temperaturen på ledningen å falle.I det nåværende eksperimentelle oppsettet falt temperaturen på SMA-tråden under avkjølingsfasen, men den var fortsatt over omgivelsestemperaturen.På fig.2e viser et øyeblikksbilde av temperaturen på SMA-ledningen tatt fra LWIR-kameraet.På den annen side, i fig.2a viser blokkeringskraften generert av drivsystemet.Når muskelkraften overstiger gjenopprettingskraften til fjæren, begynner den bevegelige armen, som vist i figur 9a, å bevege seg.Så snart aktiveringen begynner, kommer den bevegelige armen i kontakt med sensoren, og skaper en kroppskraft, som vist i fig.2c, d.Når maksimumstemperaturen er nær \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), er den maksimale observerte kraften 105 N.
Grafen viser de eksperimentelle resultatene av temperaturen til SMA-tråden og kraften generert av den SMA-baserte bimodale aktuatoren i løpet av to sykluser.Inngangsspenningen påføres i to 10 sekunders sykluser (vist som røde prikker) med en 15 sekunders nedkjølingsperiode mellom hver syklus.SMA-tråden som ble brukt til eksperimentene var en Flexinol-tråd med en diameter på 0,51 mm fra Dynalloy, Inc. (a) Grafen viser den eksperimentelle kraften oppnådd over to sykluser, (c, d) viser to uavhengige eksempler på virkningen av bevegelige armaktuatorer på en PACEline CFT/5kN piezoelektrisk krafttransduser, (b) ledningens maksimale temperatur i løpet av tiden a) stillbilde tatt fra SMA-ledningen med FLIR ResearchIR-programvaren LWIR-kamera.De geometriske parameterne tatt i betraktning i forsøkene er gitt i tabell.en.
Simuleringsresultatene til den matematiske modellen og de eksperimentelle resultatene sammenlignes under betingelse av en inngangsspenning på 7V, som vist i fig.5.I henhold til resultatene av parametrisk analyse og for å unngå muligheten for overoppheting av SMA-ledningen, ble en effekt på 11,2 W levert til aktuatoren.En programmerbar likestrømforsyning ble brukt for å levere 7V som inngangsspenning, og en strøm på 1,6A ble målt over ledningen.Kraften som genereres av frekvensomformeren og temperaturen til SDR øker når strøm påføres.Med en inngangsspenning på 7V er den maksimale utgangskraften oppnådd fra simuleringsresultatene og eksperimentelle resultatene fra den første syklusen henholdsvis 78 N og 96 N.I den andre syklusen var den maksimale utgangskraften for simulerings- og eksperimentelle resultater henholdsvis 150 N og 105 N.Avviket mellom okklusjonskraftmålinger og eksperimentelle data kan skyldes metoden som brukes for å måle okklusjonskraft.De eksperimentelle resultatene vist i fig.5a tilsvarer målingen av låsekraften, som igjen ble målt når drivakselen var i kontakt med PACEline CFT/5kN piezoelektrisk krafttransduser, som vist i fig.2s.Derfor, når drivakselen ikke er i kontakt med kraftsensoren ved begynnelsen av kjølesonen, blir kraften umiddelbart null, som vist i fig. 2d.I tillegg er andre parametere som påvirker dannelsen av kraft i påfølgende sykluser verdiene for kjøletiden og koeffisienten for konvektiv varmeoverføring i forrige syklus.Fra fig.2b, kan man se at etter en 15 sekunders avkjølingsperiode nådde ikke SMA-tråden romtemperatur og hadde derfor en høyere starttemperatur (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) i den andre kjøresyklusen sammenlignet med den første syklusen (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Således, sammenlignet med den første syklusen, når temperaturen på SMA-tråden under den andre oppvarmingssyklusen den opprinnelige austenitttemperaturen (\(A_s\)) tidligere og forblir i overgangsperioden lenger, noe som resulterer i stress og kraft.På den annen side har temperaturfordelinger under oppvarmings- og avkjølingssykluser oppnådd fra eksperimenter og simuleringer en høy kvalitativ likhet med eksempler fra termografisk analyse.Sammenlignende analyse av termiske data fra SMA-tråder fra eksperimenter og simuleringer viste konsistens under oppvarmings- og avkjølingssykluser og innenfor akseptable toleranser for eksperimentelle data.Maksimumstemperaturen til SMA-tråden, hentet fra resultatene av simulering og eksperimenter av den første syklusen, er henholdsvis \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) og \(75\,^{\circ }\hbox { C }\), og i den andre syklusen er maksimumstemperaturen til SMA-tråden \(94}\,\circ-tråden \(94}\,\circl 3,\circ-tråden \(94}\,\) }\ hbox {C}\).Den fundamentalt utviklede modellen bekrefter effekten av formminneeffekten.Rollen til tretthet og overoppheting ble ikke vurdert i denne gjennomgangen.I fremtiden vil modellen bli forbedret for å inkludere spenningshistorien til SMA-tråden, noe som gjør den mer egnet for ingeniørapplikasjoner.Driftsutgangskraften og SMA-temperaturplottene oppnådd fra Simulink-blokken er innenfor de tillatte toleransene til de eksperimentelle dataene under betingelsen av en inngangsspenningspuls på 7 V. Dette bekrefter riktigheten og påliteligheten til den utviklede matematiske modellen.
Den matematiske modellen ble utviklet i MathWorks Simulink R2020b-miljøet ved å bruke de grunnleggende ligningene beskrevet i metodedelen.På fig.3b viser et blokkskjema av Simulink matematiske modell.Modellen ble simulert for en 7V inngangsspenningspuls som vist i fig. 2a, b.Verdiene til parameterne som brukes i simuleringen er oppført i tabell 1. Resultatene av simuleringen av transiente prosesser er presentert i figur 1 og 1. Figur 3a og 4. I fig.4a,b viser den induserte spenningen i SMA-ledningen og kraften generert av aktuatoren som en funksjon av tiden. Under omvendt transformasjon (oppvarming), når SMA-trådtemperaturen, \(T < A_s^{\prime}\) (spenningsmodifisert austenittfasestarttemperatur), vil endringshastigheten for martensittvolumfraksjonen (\(\dot{\xi }\)) være null. Under omvendt transformasjon (oppvarming), når SMA-trådtemperaturen, \(T < A_s^{\prime}\) (spenningsmodifisert austenittfasestarttemperatur), vil endringshastigheten for martensittvolumfraksjonen (\(\dot{\ xi }\)) være null. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (темпуратура начай ированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Under omvendt transformasjon (oppvarming), når temperaturen på SMA-tråden, \(T < A_s^{\prime}\) (spenningsmodifisert austenittstarttemperatur), vil endringshastigheten til martensittvolumfraksjonen (\(\dot{\ xi }\ )) være null.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氩度禬正奥︩体禬氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\)) 将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Simuleringsresultat som viser temperaturfordeling og spenningsindusert overgangstemperatur i en SMA-basert divalerataktuator.Når trådtemperaturen krysser austenittovergangstemperaturen i oppvarmingstrinnet, begynner den modifiserte austenittovergangstemperaturen å øke, og på samme måte, når valsetrådstemperaturen krysser den martensittiske overgangstemperaturen i avkjølingstrinnet, synker martensittisk overgangstemperatur.SMA for analytisk modellering av aktiveringsprosessen.(For en detaljert oversikt over hvert delsystem av en Simulink-modell, se vedleggsdelen av tilleggsfilen.)
Resultatene av analysen for forskjellige parameterfordelinger vises for to sykluser av 7V inngangsspenningen (10 sekunders oppvarmingssykluser og 15 sekunders nedkjølingssykluser).Mens (ac) og (e) viser fordelingen over tid, på den annen side, illustrerer (d) og (f) fordelingen med temperatur.For de respektive inngangsforholdene er den maksimale observerte spenningen 106 MPa (mindre enn 345 MPa, ledningsflytestyrke), kraften er 150 N, den maksimale forskyvningen er 270 µm, og den minste martensittiske volumfraksjonen er 0,91.På den annen side er endringen i stress og endringen i volumfraksjonen av martensitt med temperaturen lik hysteresekarakteristikker.
Den samme forklaringen gjelder for den direkte transformasjonen (avkjøling) fra austenittfasen til martensittfasen, hvor SMA-trådtemperaturen (T) og slutttemperaturen til den spenningsmodifiserte martensittfasen (\(M_f^{\prime}\ )) er utmerket.På fig.4d,f viser endringen i den induserte spenningen (\(\sigma\)) og volumfraksjonen av martensitt (\(\xi\)) i SMA-tråden som funksjon av endringen i temperaturen til SMA-tråden (T), for begge kjøresyklusene.På fig.Figur 3a viser endringen i temperaturen til SMA-tråden med tiden avhengig av inngangsspenningspulsen.Som det fremgår av figuren, fortsetter temperaturen på ledningen å øke ved å gi en varmekilde med null spenning og påfølgende konvektiv kjøling.Under oppvarming begynner retransformasjonen av martensitt til austenittfasen når SMA-trådtemperaturen (T) krysser den spenningskorrigerte austenittkjernedannelsestemperaturen (\(A_s^{\prime}\)).I denne fasen komprimeres SMA-tråden og aktuatoren genererer kraft.Også under avkjøling, når temperaturen til SMA-tråden (T) krysser kjernedannelsestemperaturen til den spenningsmodifiserte martensittfasen (\(M_s^{\prime}\)), er det en positiv overgang fra austenittfasen til martensittfasen.drivkraften avtar.
De viktigste kvalitative aspektene ved den bimodale driften basert på SMA kan hentes fra simuleringsresultatene.Ved en spenningspulsinngang øker temperaturen på SMA-ledningen på grunn av Joule-varmeeffekten.Startverdien til martensittvolumfraksjonen (\(\xi\)) er satt til 1, siden materialet i utgangspunktet er i en fullstendig martensittisk fase.Når tråden fortsetter å varmes opp, overstiger temperaturen på SMA-tråden den spenningskorrigerte austenittkjernedannelsestemperaturen \(A_s^{\prime}\), noe som resulterer i en reduksjon i martensittvolumfraksjonen, som vist i figur 4c.I tillegg, i fig.4e viser fordelingen av aktuatorens slag i tid, og på fig.5 – drivkraft som funksjon av tid.Et beslektet ligningssystem inkluderer temperatur, martensittvolumfraksjon og spenning som utvikler seg i ledningen, noe som resulterer i krymping av SMA-tråden og kraften som genereres av aktuatoren.Som vist i fig.4d,f, spenningsvariasjon med temperatur og martensittvolumfraksjonsvariasjon med temperatur tilsvarer hysteresekarakteristikkene til SMA i det simulerte tilfellet ved 7 V.
Sammenligning av kjøreparametre ble oppnådd gjennom eksperimenter og analytiske beregninger.Ledningene ble utsatt for en pulsert inngangsspenning på 7 V i 10 sekunder, deretter avkjølt i 15 sekunder (kjølefase) over to sykluser.Den pinnate vinkelen er satt til \(40^{\circ}\) og den opprinnelige lengden på SMA-tråden i hvert enkelt pinneben er satt til 83 mm.(a) Måling av drivkraften med en lastcelle (b) Overvåking av ledningstemperatur med et termisk infrarødt kamera.
For å forstå påvirkningen av fysiske parametere på kraften produsert av stasjonen, ble det utført en analyse av følsomheten til den matematiske modellen for de valgte fysiske parameterne, og parametrene ble rangert i henhold til deres påvirkning.Først ble prøvetakingen av modellparametere gjort ved bruk av eksperimentelle designprinsipper som fulgte en enhetlig fordeling (se tilleggsseksjon om sensitivitetsanalyse).I dette tilfellet inkluderer modellparametrene inngangsspenning (\(V_{in}\)), initial SMA-trådlengde (\(l_0\)), trekantvinkel (\(\alpha\)), forspenningsfjærkonstant (\( K_x\ )), den konvektive varmeoverføringskoeffisienten (\(h_T\)) og antall unimodale grener (n).I neste trinn ble topp muskelstyrke valgt som et studiedesignkrav og de parametriske effektene av hvert sett med variabler på styrke ble oppnådd.Tornadoplottene for sensitivitetsanalysen ble utledet fra korrelasjonskoeffisientene for hver parameter, som vist i fig. 6a.
(a) Korrelasjonskoeffisientverdiene til modellparametrene og deres effekt på den maksimale utgangskraften til 2500 unike grupper av modellparametrene ovenfor er vist i tornado-plottet.Grafen viser rangkorrelasjonen til flere indikatorer.Det er tydelig at \(V_{in}\) er den eneste parameteren med positiv korrelasjon, og \(l_0\) er parameteren med høyest negative korrelasjon.Effekten av ulike parametere i ulike kombinasjoner på topp muskelstyrke er vist i (b, c).\(K_x\) ranges from 400 to 800 N/m and n ranges from 4 to 24. Voltage (\(V_{in}\)) changed from 4V to 10V, wire length (\(l_{0 } \)) changed from 40 to 100 mm, and the tail angle (\ (\alpha \)) varied from \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
På fig.Fig. 6a viser et tornadoplott av forskjellige korrelasjonskoeffisienter for hver parameter med maksimale drivkraftdesignkrav.Fra fig.6a kan det sees at spenningsparameteren (\(V_{in}\)) er direkte relatert til den maksimale utgangskraften, og den konvektive varmeoverføringskoeffisienten (\(h_T\)), flammevinkel (\ ( \alpha\)), forskyvningsfjærkonstant ( \(K_x\)) er negativt korrelert med utgangskraften til utgangskraften (l_0) av un,dales (l_0) og initiallengden til un,dales (l_0) n) viser en sterk invers korrelasjon Ved direkte korrelasjon Ved høyere verdi av spenningskorrelasjonskoeffisienten (\(V_ {in}\)) indikerer at denne parameteren har størst effekt på effektuttaket.En annen lignende analyse måler toppkraften ved å evaluere effekten av forskjellige parametere i forskjellige kombinasjoner av de to beregningsrommene, som vist i fig. 6b, ca.\(V_{in}\) og \(l_0\), \(\alpha\) og \(l_0\) har lignende mønstre, og grafen viser at \(V_{in}\) og \(\alpha\ ) og \(\alpha\) har lignende mønstre.Mindre verdier på \(l_0\) resulterer i høyere toppkrefter.De to andre plottene samsvarer med figur 6a, hvor n og \(K_x\) er negativt korrelert og \(V_{in}\) er positivt korrelert.Denne analysen hjelper til med å definere og justere de påvirkningsparametrene som gjør at utgangskraften, slaglengden og effektiviteten til drivsystemet kan tilpasses kravene og applikasjonen.
Nåværende forskningsarbeid introduserer og undersøker hierarkiske drifter med N nivåer.I et to-nivå hierarki, som vist i fig. 7a, hvor i stedet for hver SMA-tråd til førstenivåaktuatoren, oppnås et bimodalt arrangement, som vist i fig.9e.På fig.7c viser hvordan SMA-tråden er viklet rundt en bevegelig arm (hjelpearm) som kun beveger seg i lengderetningen.Den primære bevegelige armen fortsetter imidlertid å bevege seg på samme måte som den bevegelige armen til 1. trinns flertrinns aktuator.Vanligvis opprettes en N-trinns stasjon ved å erstatte \(N-1\)-trinns SMA-ledning med en første-trinns stasjon.Som et resultat imiterer hver gren det første trinnet, med unntak av grenen som holder selve ledningen.På denne måten kan det dannes nestede strukturer som skaper krefter som er flere ganger større enn kreftene til primærdriftene.I denne studien, for hvert nivå, ble det tatt hensyn til en total effektiv SMA-trådlengde på 1 m, som vist i tabellformat i fig. 7d.Strømmen gjennom hver ledning i hver unimodal design og den resulterende forspenningen og spenningen i hvert SMA ledningssegment er den samme på hvert nivå.I følge vår analytiske modell er utgangskraften positivt korrelert med nivået, mens forskyvningen er negativt korrelert.Samtidig var det en avveining mellom forskyvning og muskelstyrke.Som vist i fig.7b, mens maksimal kraft oppnås i det største antall lag, observeres den største forskyvningen i det laveste laget.Når hierarkinivået ble satt til \(N=5\), ble en topp muskelkraft på 2,58 kN funnet med 2 observerte slag \(\upmu\)m.På den annen side genererer det første trinns drivverket en kraft på 150 N ved et slag på 277 \(\upmu\)m.Multi-level aktuatorer er i stand til å etterligne ekte biologiske muskler, der kunstige muskler basert på formminnelegeringer er i stand til å generere betydelig høyere krefter med presise og finere bevegelser.Begrensningene for denne miniatyriserte designen er at etter hvert som hierarkiet øker, reduseres bevegelsen kraftig og kompleksiteten til produksjonsprosessen til stasjonen øker.
(a) Et to-trinns (\(N=2\)) lagdelt lineært aktuatorsystem av formminnelegering er vist i en bimodal konfigurasjon.Den foreslåtte modellen oppnås ved å erstatte SMA-tråden i den første trinns lagdelte aktuatoren med en annen enkelttrinns lagdelt aktuator.(c) Deformert konfigurasjon av andre trinns flerlagsaktuator.(b) Fordelingen av krefter og forskyvninger avhengig av antall nivåer er beskrevet.Det er funnet at toppkraften til aktuatoren er positivt korrelert med skalanivået på grafen, mens slaget er negativt korrelert med skalanivået.Strømmen og forspenningen i hver ledning forblir konstant på alle nivåer.(d) Tabellen viser antall uttak og lengden på SMA-tråden (fiber) på hvert nivå.Egenskapene til ledningene er indikert med indeks 1, og antall sekundære grener (en koblet til primærbenet) er indikert med det største tallet i subskriptet.For eksempel, på nivå 5, refererer \(n_1\) til antall SMA-ledninger som er tilstede i hver bimodal struktur, og \(n_5\) refererer til antall hjelpeben (en koblet til hovedbenet).
Ulike metoder har blitt foreslått av mange forskere for å modellere oppførselen til SMA-er med formminne, som avhenger av de termomekaniske egenskapene som følger med de makroskopiske endringene i krystallstrukturen assosiert med faseovergangen.Formuleringen av konstitutive metoder er iboende kompleks.Den mest brukte fenomenologiske modellen er foreslått av Tanaka28 og er mye brukt i ingeniørapplikasjoner.Den fenomenologiske modellen foreslått av Tanaka [28] antar at volumfraksjonen av martensitt er en eksponentiell funksjon av temperatur og stress.Senere foreslo Liang og Rogers29 og Brinson30 en modell der faseovergangsdynamikken ble antatt å være en cosinusfunksjon av spenning og temperatur, med små modifikasjoner av modellen.Becker og Brinson foreslo en fasediagrambasert kinetisk modell for å modellere oppførselen til SMA-materialer under vilkårlige belastningsforhold så vel som delvise overganger.Banerjee32 bruker Bekker og Brinson31 fasediagram dynamikkmetoden for å simulere en enkelt grad av frihetsmanipulator utviklet av Elahinia og Ahmadian33.Kinetiske metoder basert på fasediagrammer, som tar hensyn til den ikke-monotone endringen i spenning med temperatur, er vanskelig å implementere i ingeniørapplikasjoner.Elakhinia og Ahmadian trekker oppmerksomhet til disse manglene ved eksisterende fenomenologiske modeller og foreslår en utvidet fenomenologisk modell for å analysere og definere formminneatferd under alle komplekse belastningsforhold.
Den strukturelle modellen av SMA-tråd gir spenning (\(\sigma\)), tøyning (\(\epsilon\)), temperatur (T) og martensittvolumfraksjon (\(\xi\)) av SMA-tråd.Den fenomenologiske konstitutive modellen ble først foreslått av Tanaka28 og senere adoptert av Liang29 og Brinson30.Den deriverte av ligningen har formen:
hvor E er den faseavhengige SMA Youngs modul oppnådd ved bruk av \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) og \(E_A\) og \(E_M\) som representerer Youngs modul er henholdsvis austenittiske og martensittiske faser, og koeffisienten for termisk ekspansjon er representert med \_T\thetaen.Faseovergangsbidragsfaktoren er \(\Omega = -E \epsilon _L\) og \(\epsilon _L\) er den maksimale utvinnbare tøyningen i SMA-tråden.
Fasedynamikkligningen faller sammen med cosinusfunksjonen utviklet av Liang29 og senere adoptert av Brinson30 i stedet for den eksponentielle funksjonen foreslått av Tanaka28.Faseovergangsmodellen er en utvidelse av modellen foreslått av Elakhinia og Ahmadian34 og modifisert basert på faseovergangsbetingelsene gitt av Liang29 og Brinson30.Betingelsene som brukes for denne faseovergangsmodellen er gyldige under komplekse termomekaniske belastninger.Ved hvert tidspunkt beregnes verdien av volumfraksjonen av martensitt ved modellering av den konstitutive ligningen.
Den styrende retransformasjonsligningen, uttrykt ved transformasjonen av martensitt til austenitt under oppvarmingsforhold, er som følger:
der \(\xi\) er volumfraksjonen av martensitt, \(\xi _M\) er volumfraksjonen av martensitt oppnådd før oppvarming, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) og \(C_A\) – A/_-kurvetilnærmingsparametere, \_(A)\s, T –(A)\) – henholdsvis begynnelse og slutt på austenittfasen, temperatur.
Den direkte transformasjonskontrollligningen, representert ved fasetransformasjonen av austenitt til martensitt under kjøleforhold, er:
hvor \(\xi _A\) er volumfraksjonen av martensitt oppnådd før avkjøling, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) og \ ( C_M \) – kurvetilpasningsparametere, T – SMA ledningstemperatur, respektivt \(M_s\), \(M_s\) resp.
Etter at ligningene (3) og (4) er differensiert, forenkles de inverse og direkte transformasjonsligningene til følgende form:
Under forover- og bakovertransformasjon har \(\eta _{\sigma}\) og \(\eta _{T}\) forskjellige verdier.De grunnleggende ligningene knyttet til \(\eta _{\sigma}\) og \(\eta _{T}\) er utledet og diskutert i detalj i et tilleggsavsnitt.
Den termiske energien som kreves for å heve temperaturen på SMA-tråden kommer fra Joule-varmeeffekten.Den termiske energien som absorberes eller frigjøres av SMA-tråden er representert av den latente transformasjonsvarmen.Varmetapet i SMA-tråden skyldes tvungen konveksjon, og gitt den ubetydelige effekten av stråling, er varmeenergibalanselikningen som følger:
Der \(m_{wire}\) er den totale massen til SMA-tråden, \(c_{p}\) er den spesifikke varmekapasiteten til SMA, \(V_{in}\) er spenningen som påføres ledningen, \(R_{ohm} \ ) – faseavhengig motstand SMA, definert som;\(R_{ohm} = (l/A_{kryss})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) der \(r_M\ ) og \(r_A\) er SMA-faseresistiviteten i henholdsvis martensitt og austenitt, \(A_{c}\) er overflatearealet til ledningen til \D-minnet, \()Den latente overgangsvarmen til ledningen, T og \(T_{\infty}\) er temperaturene til henholdsvis SMA-ledningen og miljøet.
Når en legeringstråd med formminne aktiveres, komprimeres tråden, og skaper en kraft i hver gren av den bimodale konstruksjonen kalt fiberkraft.Kraftene til fibrene i hver tråd av SMA-tråden skaper sammen muskelkraften som skal aktiveres, som vist i fig. 9e.På grunn av tilstedeværelsen av en forspennende fjær, er den totale muskelkraften til den N-te flerlagsaktuatoren:
Ved å erstatte \(N = 1\) i ligning (7), kan muskelstyrken til den første trinns bimodale drivprototypen oppnås som følger:
hvor n er antall unimodale ben, \(F_m\) er muskelkraften som genereres av drevet, \(F_f\) er fiberstyrken i SMA-tråden, \(K_x\) er forspenningsstivheten.fjær, \(\alpha\) er vinkelen til trekanten, \(x_0\) er startforskyvningen av forspenningsfjæren for å holde SMA-kabelen i forspent posisjon, og \(\Delta x\) er aktuatorvandringen.
Den totale forskyvningen eller bevegelsen til frekvensomformeren (\(\Delta x\)) avhengig av spenningen (\(\sigma\)) og tøyningen (\(\epsilon\)) på SMA-ledningen til det N. trinnet, er stasjonen satt til (se fig. tilleggsdel av utgangen):
De kinematiske ligningene gir forholdet mellom drivdeformasjon (\(\epsilon\)) og forskyvning eller forskyvning (\(\Delta x\)).Deformasjonen av Arb-tråden som en funksjon av den opprinnelige Arb-trådlengden (\(l_0\)) og trådlengden (l) til enhver tid t i en unimodal gren er som følger:
hvor \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) oppnås ved å bruke cosinusformelen i \(\Delta\)ABB ', som vist i figur 8. For det første trinnet er drivverket (\)(N =(D)\elta (\)(N) (\)(N)\elta (\)(N) og \(\alpha _1\) er \(\alpha \) som vist i Som vist i figur 8, ved å differensiere tiden fra ligning (11) og erstatte verdien av l, kan tøyningshastigheten skrives som:
hvor \(l_0\) er startlengden til SMA-tråden, l er lengden av ledningen til enhver tid t i en unimodal gren, \(\epsilon\) er deformasjonen utviklet i SMA-tråden, og \(\alpha \) er vinkelen til trekanten , \(\Delta x\) er drivforskyvningen (som vist i figur 8).
Alle n enkelttoppstrukturer (\(n=6\) i denne figuren) er koblet i serie med \(V_{in}\) som inngangsspenning.Trinn I: Skjematisk diagram av SMA-tråden i en bimodal konfigurasjon under nullspenningsforhold. Trinn II: En kontrollert struktur er vist hvor SMA-tråden er komprimert på grunn av invers konvertering, som vist med den røde linjen.
Som et bevis på konseptet ble en SMA-basert bimodal stasjon utviklet for å teste den simulerte utledningen av de underliggende ligningene med eksperimentelle resultater.CAD-modellen til den bimodale lineære aktuatoren er vist i fig.9a.På den annen side, i fig.9c viser en ny design foreslått for en rotasjonsprismatisk forbindelse ved bruk av en to-plans SMA-basert aktuator med en bimodal struktur.Drivekomponentene ble produsert ved bruk av additiv produksjon på en Ultimaker 3 Extended 3D-skriver.Materialet som brukes til 3D-printing av komponenter er polykarbonat som er egnet for varmebestandige materialer da det er sterkt, slitesterkt og har høy glassovergangstemperatur (110-113 \(^{\circ }\) C).I tillegg ble Dynalloy, Inc. Flexinol formminne legeringstråd brukt i forsøkene, og materialegenskapene tilsvarende Flexinol-tråden ble brukt i simuleringene.Flere SMA-ledninger er anordnet som fibre tilstede i et bimodalt arrangement av muskler for å oppnå de høye kreftene som produseres av flerlags aktuatorer, som vist i fig. 9b, d.
Som vist i figur 9a kalles den spisse vinkelen som dannes av den bevegelige armens SMA-tråd vinkelen (\(\alpha\)).Med klemmeklemmer festet til venstre og høyre klemmer, holdes SMA-ledningen i ønsket bimodal vinkel.Forspenningsfjæranordningen som holdes på fjærkontakten er designet for å justere de forskjellige forspenningsfjærforlengelsesgruppene i henhold til antall (n) SMA-fibre.I tillegg er plasseringen av de bevegelige delene utformet slik at SMA-tråden utsettes for det ytre miljø for tvungen konveksjonskjøling.Topp- og bunnplatene til den avtakbare enheten bidrar til å holde SMA-tråden kjølig med ekstruderte utskjæringer designet for å redusere vekten.I tillegg er begge ender av CMA-ledningen festet til henholdsvis venstre og høyre terminal ved hjelp av en krympe.Et stempel er festet til den ene enden av den bevegelige sammenstillingen for å opprettholde klaring mellom topp- og bunnplaten.Stempelet brukes også til å påføre en blokkeringskraft på sensoren via en kontakt for å måle blokkeringskraften når SMA-ledningen aktiveres.
Den bimodale muskelstrukturen SMA er elektrisk koblet i serie og drevet av en inngangspulsspenning.Under spenningspulssyklusen, når spenning påføres og SMA-tråden varmes opp over den opprinnelige temperaturen til austenitten, forkortes lengden på ledningen i hver tråd.Denne tilbaketrekkingen aktiverer den bevegelige armunderenheten.Når spenningen ble nullstilt i samme syklus, ble den oppvarmede SMA-tråden avkjølt under temperaturen på martensittoverflaten, og returnerte derved til sin opprinnelige posisjon.Under null spenningsforhold blir SMA-tråden først strukket passivt av en forspenningsfjær for å nå den avvinnede martensittiske tilstanden.Skruen som SMA-tråden passerer gjennom, beveger seg på grunn av kompresjonen som skapes ved å påføre en spenningspuls til SMA-tråden (SPA når austenittfasen), noe som fører til aktivering av den bevegelige spaken.Når SMA-tråden trekkes tilbake, skaper forspenningsfjæren en motsatt kraft ved å strekke fjæren ytterligere.Når spenningen i impulsspenningen blir null, forlenges SMA-tråden og endrer form på grunn av tvungen konveksjonskjøling, og når en dobbel martensittisk fase.
Det foreslåtte SMA-baserte lineære aktuatorsystemet har en bimodal konfigurasjon der SMA-ledningene er vinklet.(a) viser en CAD-modell av prototypen, som nevner noen av komponentene og deres betydning for prototypen, (b, d) representerer den utviklede eksperimentelle prototypen35.Mens (b) viser et toppriss av prototypen med elektriske koblinger og forspenningsfjærer og strekkmålere som er brukt, viser (d) et perspektivbilde av oppsettet.(e) Diagram av et lineært aktiveringssystem med SMA-ledninger plassert bimodalt til enhver tid t, som viser retningen og forløpet til fiberen og muskelstyrken.(c) En 2-DOF rotasjonsprismatisk forbindelse er foreslått for utplassering av en to-plans SMA-basert aktuator.Som vist overfører lenken lineær bevegelse fra bunndrevet til topparmen, og skaper en rotasjonsforbindelse.På den annen side er bevegelsen til prismeparet den samme som bevegelsen til flerlags førstetrinnsdrift.
En eksperimentell studie ble utført på prototypen vist i fig. 9b for å evaluere ytelsen til en bimodal drift basert på SMA.Som vist i figur 10a, besto det eksperimentelle oppsettet av en programmerbar likestrømforsyning for å levere inngangsspenning til SMA-ledningene.Som vist i fig.10b ble en piezoelektrisk strekkmåler (PACEline CFT/5kN) brukt for å måle blokkeringskraften ved å bruke en Graphtec GL-2000 datalogger.Dataene registreres av verten for videre studier.Strekkmålere og ladeforsterkere krever konstant strømforsyning for å produsere et spenningssignal.De tilsvarende signalene konverteres til effektutganger i henhold til følsomheten til den piezoelektriske kraftsensoren og andre parametere som beskrevet i tabell 2. Når en spenningspuls påføres, øker temperaturen på SMA-ledningen, noe som får SMA-tråden til å komprimeres, noe som får aktuatoren til å generere kraft.De eksperimentelle resultatene av utgangen av muskelstyrke ved en inngangsspenningspuls på 7 V er vist i fig.2a.
(a) Et SMA-basert lineært aktuatorsystem ble satt opp i eksperimentet for å måle kraften generert av aktuatoren.Lastecellen måler blokkeringskraften og drives av en 24 V DC strømforsyning.Et spenningsfall på 7 V ble påført langs hele kabelens lengde ved å bruke en GW Instek programmerbar DC-strømforsyning.SMA-tråden krymper på grunn av varme, og den bevegelige armen kommer i kontakt med lastcellen og utøver en blokkeringskraft.Lastecellen kobles til GL-2000 dataloggeren og dataene lagres på verten for videre behandling.(b) Diagram som viser kjeden av komponenter i det eksperimentelle oppsettet for måling av muskelstyrke.
Formminnelegeringer begeistres av termisk energi, så temperatur blir en viktig parameter for å studere formminne-fenomenet.Eksperimentelt, som vist i fig. 11a, ble termisk avbildning og temperaturmålinger utført på en prototype SMA-basert divalerate-aktuator.En programmerbar DC-kilde påførte inngangsspenning til SMA-ledningene i det eksperimentelle oppsettet, som vist i figur 11b.Temperaturendringen til SMA-ledningen ble målt i sanntid ved hjelp av et høyoppløselig LWIR-kamera (FLIR A655sc).Verten bruker ResearchIR-programvaren til å registrere data for videre etterbehandling.Når en spenningspuls påføres, øker temperaturen på SMA-ledningen, noe som får SMA-ledningen til å krympe.På fig.Figur 2b viser de eksperimentelle resultatene av SMA-ledningstemperaturen kontra tid for en 7V inngangsspenningspuls.
Innleggstid: 28. september 2022