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Os atuadores são usados em todos os lugares e criam movimento controlado aplicando a força de excitação ou torque correto para executar várias operações na fabricação e automação industrial.A necessidade de acionamentos mais rápidos, menores e mais eficientes está impulsionando a inovação no projeto de acionamentos.As unidades de liga com memória de forma (SMA) oferecem várias vantagens sobre as unidades convencionais, incluindo uma alta relação potência/peso.Nesta dissertação, foi desenvolvido um atuador baseado em SMA de duas penas que combina as vantagens dos músculos de penas de sistemas biológicos e as propriedades únicas dos SMAs.Este estudo explora e estende os atuadores SMA anteriores desenvolvendo um modelo matemático do novo atuador baseado no arranjo de fio SMA bimodal e testando-o experimentalmente.Em comparação com acionamentos conhecidos baseados em SMA, a força de atuação do novo acionamento é pelo menos 5 vezes maior (até 150 N).A perda de peso correspondente é de cerca de 67%.Os resultados da análise de sensibilidade dos modelos matemáticos são úteis para ajustar os parâmetros de projeto e entender os principais parâmetros.Este estudo apresenta ainda uma unidade de estágio Nth de vários níveis que pode ser usada para aprimorar ainda mais a dinâmica.Os atuadores musculares dipvalerados baseados em SMA têm uma ampla gama de aplicações, desde automação predial até sistemas de administração de medicamentos de precisão.
Os sistemas biológicos, como as estruturas musculares dos mamíferos, podem ativar muitos atuadores sutis1.Os mamíferos têm diferentes estruturas musculares, cada uma servindo a um propósito específico.No entanto, grande parte da estrutura do tecido muscular dos mamíferos pode ser dividida em duas grandes categorias.Paralela e penada.Nos isquiotibiais e outros flexores, como o nome sugere, a musculatura paralela possui fibras musculares paralelas ao tendão central.A cadeia de fibras musculares é alinhada e conectada funcionalmente pelo tecido conjuntivo ao seu redor.Embora se diga que esses músculos têm uma grande excursão (percentual de encurtamento), sua força muscular geral é muito limitada.Em contraste, no músculo tríceps da panturrilha2 (gastrocnêmio lateral (GL)3, gastrocnêmio medial (GM)4 e sóleo (SOL)) e extensor femoral (quadríceps)5,6 o tecido muscular penado é encontrado em cada músculo7.Em uma estrutura pinada, as fibras musculares na musculatura bipenada estão presentes em ambos os lados do tendão central em ângulos oblíquos (ângulos pinados).Pennate vem da palavra latina “penna”, que significa “caneta” e, como mostrado na fig.1 tem uma aparência semelhante a uma pena.As fibras dos músculos peniformes são mais curtas e anguladas em relação ao eixo longitudinal do músculo.Devido à estrutura pinada, a mobilidade geral desses músculos é reduzida, o que leva aos componentes transversal e longitudinal do processo de encurtamento.Por outro lado, a ativação desses músculos leva a uma maior força muscular geral devido à forma como a área de seção transversal fisiológica é medida.Portanto, para uma determinada área de seção transversal, os músculos penados serão mais fortes e gerarão forças maiores do que os músculos com fibras paralelas.As forças geradas por fibras individuais geram forças musculares em um nível macroscópico naquele tecido muscular.Além disso, possui propriedades únicas como encolhimento rápido, proteção contra danos por tração e amortecimento.Ele transforma a relação entre a entrada de fibras e a produção de potência muscular, explorando as características únicas e a complexidade geométrica do arranjo de fibras associado às linhas de ação muscular.
São mostrados diagramas esquemáticos de projetos de atuadores baseados em SMA existentes em relação a uma arquitetura muscular bimodal, por exemplo (a), representando a interação da força tátil na qual um dispositivo em forma de mão acionado por fios SMA é montado em um robô móvel autônomo de duas rodas9,10., (b) Prótese orbitária robótica com prótese orbital acionada por mola SMA posicionada de forma antagônica.A posição do olho protético é controlada por um sinal do músculo ocular do olho11, (c) Os atuadores SMA são ideais para aplicações subaquáticas devido à sua resposta de alta frequência e baixa largura de banda.Nesta configuração, os atuadores SMA são usados para criar movimento de onda simulando o movimento de peixes, (d) os atuadores SMA são usados para criar um robô de inspeção de microtubos que pode usar o princípio de movimento de polegada sem fim, controlado pelo movimento dos fios SMA dentro do canal 10, (e) mostra a direção das fibras musculares de contração e geração de força contrátil no tecido gastrocnêmio, (f) mostra os fios SMA dispostos na forma de fibras musculares na estrutura do músculo penado.
Os atuadores tornaram-se uma parte importante dos sistemas mecânicos devido à sua ampla gama de aplicações.Portanto, a necessidade de acionamentos menores, mais rápidos e mais eficientes torna-se crítica.Apesar de suas vantagens, os drives tradicionais provaram ser caros e demorados para manter.Atuadores hidráulicos e pneumáticos são complexos e caros e estão sujeitos a desgaste, problemas de lubrificação e falha de componentes.Em resposta à demanda, o foco está no desenvolvimento de atuadores avançados, de tamanho otimizado e econômicos, baseados em materiais inteligentes.Pesquisas em andamento estão analisando atuadores em camadas de liga com memória de forma (SMA) para atender a essa necessidade.Os atuadores hierárquicos são únicos porque combinam muitos atuadores discretos em subsistemas de escala macro geometricamente complexos para fornecer funcionalidade aumentada e expandida.A este respeito, o tecido muscular humano descrito acima fornece um excelente exemplo de múltiplas camadas de tal atuação de múltiplas camadas.O estudo atual descreve um drive SMA multinível com vários elementos de drive individuais (fios SMA) alinhados às orientações das fibras presentes nos músculos bimodais, o que melhora o desempenho geral do drive.
O principal objetivo de um atuador é gerar saída de energia mecânica, como força e deslocamento, convertendo energia elétrica.As ligas com memória de forma são uma classe de materiais “inteligentes” que podem restaurar sua forma em altas temperaturas.Sob altas cargas, um aumento na temperatura do fio SMA leva à recuperação da forma, resultando em uma maior densidade de energia de atuação em comparação com vários materiais inteligentes ligados diretamente.Ao mesmo tempo, sob cargas mecânicas, os SMAs tornam-se frágeis.Sob certas condições, uma carga cíclica pode absorver e liberar energia mecânica, exibindo mudanças reversíveis de forma histerética.Essas propriedades exclusivas tornam o SMA ideal para sensores, amortecimento de vibração e especialmente atuadores12.Com isso em mente, tem havido muita pesquisa sobre unidades baseadas em SMA.Deve-se notar que os atuadores baseados em SMA são projetados para fornecer movimento de translação e rotação para uma variedade de aplicações13,14,15.Embora alguns atuadores rotativos tenham sido desenvolvidos, os pesquisadores estão particularmente interessados em atuadores lineares.Esses atuadores lineares podem ser divididos em três tipos de atuadores: unidimensionais, de deslocamento e diferenciais 16 .Inicialmente, os acionamentos híbridos foram criados em combinação com SMA e outros acionamentos convencionais.Um desses exemplos de um atuador linear híbrido baseado em SMA é o uso de um fio SMA com um motor DC para fornecer uma força de saída de cerca de 100 N e um deslocamento significativo17.
Um dos primeiros desenvolvimentos em acionamentos inteiramente baseados em SMA foi o acionamento paralelo SMA.Usando vários fios SMA, a unidade paralela baseada em SMA foi projetada para aumentar a capacidade de alimentação da unidade colocando todos os fios SMA18 em paralelo.A conexão paralela de atuadores não apenas requer mais potência, mas também limita a potência de saída de um único fio.Outra desvantagem dos atuadores baseados em SMA é o curso limitado que eles podem alcançar.Para resolver esse problema, foi criada uma viga de cabo SMA contendo uma viga flexível defletida para aumentar o deslocamento e obter movimento linear, mas não gerou forças maiores19.Estruturas e tecidos deformáveis macios para robôs baseados em ligas com memória de forma foram desenvolvidos principalmente para amplificação de impacto20,21,22.Para aplicações em que são necessárias altas velocidades, bombas acionadas compactas foram relatadas usando SMAs de filme fino para aplicações acionadas por microbombas23.A frequência de acionamento da membrana SMA de filme fino é um fator chave no controle da velocidade do acionador.Portanto, os motores lineares SMA têm uma resposta dinâmica melhor do que os motores SMA de mola ou haste.A robótica macia e a tecnologia de preensão são outras duas aplicações que usam atuadores baseados em SMA.Por exemplo, para substituir o atuador padrão usado no grampo de espaço de 25 N, um atuador paralelo de liga com memória de forma 24 foi desenvolvido.Em outro caso, um atuador macio SMA foi fabricado com base em um fio com uma matriz embutida capaz de produzir uma força de tração máxima de 30 N. Devido às suas propriedades mecânicas, os SMAs também são usados para produzir atuadores que mimetizam fenômenos biológicos.Um desses desenvolvimentos inclui um robô de 12 células que é um biomimético de um organismo semelhante a uma minhoca com SMA para gerar um movimento senoidal para disparar26,27.
Conforme mencionado anteriormente, há um limite para a força máxima que pode ser obtida dos atuadores baseados em SMA existentes.Para abordar esta questão, este estudo apresenta uma estrutura muscular bimodal biomimética.Acionado por fio de liga com memória de forma.Ele fornece um sistema de classificação que inclui vários fios de liga com memória de forma.Até o momento, nenhum atuador baseado em SMA com uma arquitetura semelhante foi relatado na literatura.Este sistema único e inovador baseado no SMA foi desenvolvido para estudar o comportamento do SMA durante o alinhamento muscular bimodal.Comparado aos atuadores baseados em SMA existentes, o objetivo deste estudo foi criar um atuador de dipvalerato biomimético para gerar forças significativamente maiores em um pequeno volume.Comparado aos acionadores convencionais acionados por motor de passo usados em sistemas de controle e automação predial HVAC, o projeto de acionamento bimodal baseado em SMA proposto reduz o peso do mecanismo de acionamento em 67%.A seguir, os termos “músculo” e “drive” são usados de forma intercambiável.Este estudo investiga a simulação multifísica de tal drive.O comportamento mecânico de tais sistemas tem sido estudado por métodos experimentais e analíticos.As distribuições de força e temperatura foram investigadas em uma tensão de entrada de 7 V. Posteriormente, uma análise paramétrica foi realizada para entender melhor a relação entre os principais parâmetros e a força de saída.Finalmente, atuadores hierárquicos foram previstos e efeitos de nível hierárquico foram propostos como uma área futura potencial para atuadores não magnéticos para aplicações protéticas.De acordo com os resultados dos estudos mencionados acima, o uso de uma arquitetura de estágio único produz forças pelo menos quatro a cinco vezes maiores do que os atuadores baseados em SMA relatados.Além disso, a mesma força motriz gerada por uma unidade multinível multinível demonstrou ser mais de dez vezes maior do que as unidades convencionais baseadas em SMA.O estudo relata os principais parâmetros usando análise de sensibilidade entre diferentes projetos e variáveis de entrada.O comprimento inicial do fio SMA (\(l_0\)), o ângulo pinado (\(\alpha\)) e o número de fios simples (n) em cada fio individual têm um forte efeito negativo na magnitude da força motriz.força, enquanto a tensão de entrada (energia) acabou por ser positivamente correlacionada.
O fio SMA exibe o efeito de memória de forma (SME) visto na família de ligas de níquel-titânio (Ni-Ti).Normalmente, os SMAs exibem duas fases dependentes da temperatura: uma fase de baixa temperatura e uma fase de alta temperatura.Ambas as fases têm propriedades únicas devido à presença de diferentes estruturas cristalinas.Na fase austenita (fase de alta temperatura) existente acima da temperatura de transformação, o material apresenta alta resistência e é pouco deformado sob carga.A liga se comporta como aço inoxidável, portanto, é capaz de suportar pressões de atuação mais altas.Aproveitando esta propriedade das ligas Ni-Ti, os fios SMA são inclinados para formar um atuador.Modelos analíticos apropriados são desenvolvidos para entender a mecânica fundamental do comportamento térmico do SMA sob a influência de vários parâmetros e várias geometrias.Boa concordância foi obtida entre os resultados experimentais e analíticos.
Um estudo experimental foi realizado no protótipo mostrado na Fig. 9a para avaliar o desempenho de um acionamento bimodal baseado em SMA.Duas dessas propriedades, a força gerada pelo acionamento (força muscular) e a temperatura do fio SMA (temperatura SMA), foram medidas experimentalmente.À medida que a diferença de tensão aumenta ao longo de todo o comprimento do fio no inversor, a temperatura do fio aumenta devido ao efeito de aquecimento Joule.A tensão de entrada foi aplicada em dois ciclos de 10 s (mostrados como pontos vermelhos na Fig. 2a, b) com um período de resfriamento de 15 s entre cada ciclo.A força de bloqueio foi medida com um strain gauge piezoelétrico e a distribuição de temperatura do fio SMA foi monitorada em tempo real por meio de uma câmera LWIR de alta resolução e grau científico (ver características do equipamento utilizado na Tabela 2).mostra que durante a fase de alta tensão, a temperatura do fio aumenta monotonicamente, mas quando não há corrente fluindo, a temperatura do fio continua a cair.Na configuração experimental atual, a temperatura do fio SMA caiu durante a fase de resfriamento, mas ainda estava acima da temperatura ambiente.Na fig.2e mostra um instantâneo da temperatura no fio SMA tirado da câmera LWIR.Por outro lado, na fig.2a mostra a força de bloqueio gerada pelo sistema de acionamento.Quando a força muscular excede a força restauradora da mola, o braço móvel, conforme mostrado na Figura 9a, começa a se mover.Assim que o acionamento é iniciado, o braço móvel entra em contato com o sensor, criando uma força corporal, conforme a fig.2c, D.Quando a temperatura máxima está próxima de \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), a força máxima observada é de 105 N.
O gráfico mostra os resultados experimentais da temperatura do fio SMA e da força gerada pelo atuador bimodal baseado em SMA durante dois ciclos.A tensão de entrada é aplicada em dois ciclos de 10 segundos (mostrado como pontos vermelhos) com um período de resfriamento de 15 segundos entre cada ciclo.O fio SMA usado para os experimentos foi um fio Flexinol de 0,51 mm de diâmetro da Dynalloy, Inc. (a) O gráfico mostra a força experimental obtida em dois ciclos, (c, d) mostra dois exemplos independentes da ação de atuadores de braço móvel em um transdutor de força piezoelétrica PACEline CFT/5kN, (b) o gráfico mostra a temperatura máxima de todo o fio SMA durante dois ciclos, (e) mostra um instantâneo de temperatura tirado do fio SMA usando o software FLIR ResearchIR LW câmera infravermelha.Os parâmetros geométricos levados em consideração nos experimentos são dados na Tabela.um.
Os resultados da simulação do modelo matemático e os resultados experimentais são comparados sob a condição de uma tensão de entrada de 7V, conforme mostrado na Fig.5.De acordo com os resultados da análise paramétrica e para evitar a possibilidade de superaquecimento do fio SMA, uma potência de 11,2 W foi fornecida ao atuador.Uma fonte de alimentação CC programável foi usada para fornecer 7V como tensão de entrada e uma corrente de 1,6A foi medida no fio.A força gerada pelo drive e a temperatura do SDR aumentam quando a corrente é aplicada.Com uma tensão de entrada de 7V, a força máxima de saída obtida a partir dos resultados da simulação e dos resultados experimentais do primeiro ciclo é de 78 N e 96 N, respectivamente.No segundo ciclo, a força máxima de saída da simulação e dos resultados experimentais foi de 150 N e 105 N, respectivamente.A discrepância entre as medições da força de oclusão e os dados experimentais pode ser devido ao método usado para medir a força de oclusão.Os resultados experimentais mostrados na fig.5a correspondem à medição da força de travamento, que por sua vez foi medida quando o eixo de acionamento estava em contato com o transdutor de força piezelétrico PACEline CFT/5kN, conforme mostrado na fig.2s.Portanto, quando o eixo de acionamento não está em contato com o sensor de força no início da zona de resfriamento, a força torna-se imediatamente zero, conforme mostrado na Fig. 2d.Além disso, outros parâmetros que afetam a formação de força nos ciclos subsequentes são os valores do tempo de resfriamento e o coeficiente de transferência de calor por convecção no ciclo anterior.Da fig.2b, pode-se observar que após um período de resfriamento de 15 segundos, o fio SMA não atingiu a temperatura ambiente e, portanto, apresentou uma temperatura inicial maior (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) no segundo ciclo de condução em comparação com o primeiro ciclo (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Assim, em comparação com o primeiro ciclo, a temperatura do fio SMA durante o segundo ciclo de aquecimento atinge a temperatura inicial da austenita (\(A_s\)) mais cedo e permanece no período de transição por mais tempo, resultando em tensão e força.Por outro lado, as distribuições de temperatura durante os ciclos de aquecimento e resfriamento obtidas a partir de experimentos e simulações apresentam alta similaridade qualitativa com exemplos de análises termográficas.A análise comparativa dos dados térmicos do fio SMA de experimentos e simulações mostrou consistência durante os ciclos de aquecimento e resfriamento e dentro das tolerâncias aceitáveis para dados experimentais.A temperatura máxima do fio SMA, obtida a partir dos resultados de simulação e experimentos do primeiro ciclo, é \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) e \(75\,^{\circ }\hbox { C }\, respectivamente ), e no segundo ciclo a temperatura máxima do fio SMA é \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) e \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\ ).O modelo fundamentalmente desenvolvido confirma o efeito do efeito de memória de forma.O papel da fadiga e do superaquecimento não foi considerado nesta revisão.No futuro, o modelo será aprimorado para incluir o histórico de tensão do fio SMA, tornando-o mais adequado para aplicações de engenharia.A força de saída do inversor e os gráficos de temperatura SMA obtidos do bloco Simulink estão dentro das tolerâncias permitidas dos dados experimentais sob a condição de um pulso de tensão de entrada de 7 V. Isso confirma a exatidão e confiabilidade do modelo matemático desenvolvido.
O modelo matemático foi desenvolvido no ambiente MathWorks Simulink R2020b usando as equações básicas descritas na seção Métodos.Na fig.3b mostra um diagrama de blocos do modelo matemático Simulink.O modelo foi simulado para um pulso de tensão de entrada de 7V, conforme mostrado na Fig. 2a, b.Os valores dos parâmetros utilizados na simulação estão listados na Tabela 1. Os resultados da simulação dos processos transientes são apresentados nas Figuras 1 e 1. Figuras 3a e 4. Na fig.4a,b mostra a tensão induzida no fio SMA e a força gerada pelo atuador em função do tempo. Durante a transformação reversa (aquecimento), quando a temperatura do fio SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura de início da fase de austenita modificada por tensão), a taxa de variação da fração de volume de martensita (\(\dot{\xi }\)) será zero. Durante a transformação reversa (aquecimento), quando a temperatura do fio SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura de início da fase de austenita modificada por tensão), a taxa de variação da fração de volume de martensita (\(\dot{\ xi }\)) será zero. No caso de um problema de segurança (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала ауст енитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) буд ет равно нулю. Durante a transformação reversa (aquecimento), quando a temperatura do fio SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura de início de austenita modificada por tensão), a taxa de variação da fração de volume de martensita (\(\dot{\ xi }\ )) será zero.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\)) 将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Resultado da simulação mostrando distribuição de temperatura e temperatura de junção induzida por tensão em um atuador de divalerato baseado em SMA.Quando a temperatura do fio cruza a temperatura de transição da austenita no estágio de aquecimento, a temperatura de transição da austenita modificada começa a aumentar e, da mesma forma, quando a temperatura do fio-máquina cruza a temperatura de transição martensítica no estágio de resfriamento, a temperatura de transição martensítica diminui.SMA para modelagem analítica do processo de atuação.(Para obter uma visão detalhada de cada subsistema de um modelo Simulink, consulte a seção do apêndice do arquivo suplementar.)
Os resultados da análise para diferentes distribuições de parâmetros são mostrados para dois ciclos da tensão de entrada de 7 V (ciclos de aquecimento de 10 segundos e ciclos de resfriamento de 15 segundos).Enquanto (ac) e (e) representam a distribuição ao longo do tempo, por outro lado, (d) e (f) ilustram a distribuição com a temperatura.Para as respectivas condições de entrada, a tensão máxima observada é de 106 MPa (menos de 345 MPa, resistência ao escoamento do fio), a força é de 150 N, o deslocamento máximo é de 270 µm e a fração mínima de volume martensítico é de 0,91.Por outro lado, a mudança na tensão e a mudança na fração de volume da martensita com a temperatura são semelhantes às características de histerese.
A mesma explicação se aplica à transformação direta (resfriamento) da fase austenita para a fase martensita, onde a temperatura do fio SMA (T) e a temperatura final da fase martensita modificada por tensão (\(M_f^{\prime}\ )) é excelente.Na fig.4d,f mostra a mudança na tensão induzida (\(\sigma\)) e a fração volumétrica de martensita (\(\xi\)) no fio SMA em função da mudança de temperatura do fio SMA (T), para ambos os ciclos de condução.Na fig.A Figura 3a mostra a mudança na temperatura do fio SMA com o tempo, dependendo do pulso de tensão de entrada.Como pode ser visto na figura, a temperatura do fio continua a aumentar, fornecendo uma fonte de calor com tensão zero e subsequente resfriamento convectivo.Durante o aquecimento, a retransformação da martensita para a fase austenita começa quando a temperatura do fio SMA (T) cruza a temperatura de nucleação da austenita corrigida por tensão (\(A_s^{\prime}\)).Durante esta fase, o fio SMA é comprimido e o atuador gera força.Também durante o resfriamento, quando a temperatura do fio SMA (T) cruza a temperatura de nucleação da fase martensita modificada por tensão (\(M_s^{\prime}\)) ocorre uma transição positiva da fase austenita para a fase martensita.a força motriz diminui.
Os principais aspectos qualitativos do acionamento bimodal baseado em SMA podem ser obtidos a partir dos resultados da simulação.No caso de uma entrada de pulso de tensão, a temperatura do fio SMA aumenta devido ao efeito de aquecimento Joule.O valor inicial da fração volumétrica de martensita (\(\xi\)) é definido como 1, pois o material está inicialmente em uma fase totalmente martensítica.À medida que o fio continua a aquecer, a temperatura do fio SMA excede a temperatura de nucleação da austenita corrigida por tensão \(A_s^{\prime}\), resultando em uma diminuição na fração de volume de martensita, conforme mostrado na Figura 4c.Além disso, na fig.4e mostra a distribuição dos cursos do atuador no tempo, e na fig.5 – força motriz em função do tempo.Um sistema relacionado de equações inclui temperatura, fração de volume de martensita e tensão que se desenvolve no fio, resultando no encolhimento do fio SMA e na força gerada pelo atuador.Como mostrado na fig.4d,f, variação de tensão com temperatura e variação da fração de volume de martensita com temperatura correspondem às características de histerese do SMA no caso simulado em 7 V.
A comparação dos parâmetros de condução foi obtida através de experimentos e cálculos analíticos.Os fios foram submetidos a uma tensão de entrada pulsada de 7 V por 10 segundos, depois resfriados por 15 segundos (fase de resfriamento) em dois ciclos.O ângulo pinado é definido como \(40^{\circ}\) e o comprimento inicial do fio SMA em cada perna do pino é definido como 83 mm.(a) Medindo a força motriz com uma célula de carga (b) Monitorando a temperatura do fio com uma câmera infravermelha térmica.
Para entender a influência dos parâmetros físicos na força produzida pelo drive, foi realizada uma análise da sensibilidade do modelo matemático aos parâmetros físicos selecionados, e os parâmetros foram classificados de acordo com sua influência.Primeiro, a amostragem dos parâmetros do modelo foi feita usando princípios de design experimental que seguiram uma distribuição uniforme (consulte a Seção Suplementar sobre Análise de Sensibilidade).Nesse caso, os parâmetros do modelo incluem tensão de entrada (\(V_{in}\)), comprimento inicial do fio SMA (\(l_0\)), ângulo do triângulo (\(\alpha\)), constante da mola de polarização (\( K_x\ )), coeficiente de transferência de calor por convecção (\(h_T\)) e número de ramificações unimodais (n).Na próxima etapa, o pico de força muscular foi escolhido como um requisito do desenho do estudo e os efeitos paramétricos de cada conjunto de variáveis na força foram obtidos.Os gráficos de tornado para a análise de sensibilidade foram derivados dos coeficientes de correlação para cada parâmetro, conforme mostrado na Fig. 6a.
(a) Os valores do coeficiente de correlação dos parâmetros do modelo e seu efeito na força de saída máxima de 2500 grupos únicos dos parâmetros do modelo acima são mostrados no gráfico do tornado.O gráfico mostra a correlação de classificação de vários indicadores.Fica claro que \(V_{in}\) é o único parâmetro com correlação positiva, e \(l_0\) é o parâmetro com maior correlação negativa.O efeito de vários parâmetros em várias combinações no pico de força muscular é mostrado em (b, c).\(K_x\) varia de 400 a 800 N/m e n varia de 4 a 24. A tensão (\(V_{in}\)) mudou de 4V para 10V, o comprimento do fio (\(l_{0 } \)) mudou de 40 para 100 mm e o ângulo da cauda (\ (\alpha \)) variou de \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Na fig.6a mostra um gráfico de tornado de vários coeficientes de correlação para cada parâmetro com requisitos de projeto de força de acionamento de pico.Da fig.6a pode ser visto que o parâmetro de tensão (\(V_{in}\)) está diretamente relacionado à força máxima de saída, e o coeficiente de transferência de calor por convecção (\(h_T\)), ângulo da chama (\ (\alpha\)) , constante da mola de deslocamento ( \(K_x\)) está negativamente correlacionado com a força de saída e o comprimento inicial (\(l_0\)) do fio SMA, e o número de ramos unimodais (n) mostra uma forte correlação inversa No caso de direta correlação No caso de um valor mais alto do coeficiente de correlação de tensão (\(V_ {in}\)) indica que este parâmetro tem o maior efeito na saída de energia.Outra análise semelhante mede a força de pico avaliando o efeito de diferentes parâmetros em diferentes combinações dos dois espaços computacionais, conforme mostrado na Fig. 6b, c.\(V_{in}\) e \(l_0\), \(\alpha\) e \(l_0\) têm padrões semelhantes, e o gráfico mostra que \(V_{in}\) e \(\alpha\ ) e \(\alpha\) têm padrões semelhantes.Valores menores de \(l_0\) resultam em forças de pico maiores.Os outros dois gráficos são consistentes com a Figura 6a, onde n e \(K_x\) são negativamente correlacionados e \(V_{in}\) são positivamente correlacionados.Essa análise ajuda a definir e ajustar os parâmetros de influência pelos quais a força de saída, o curso e a eficiência do sistema de acionamento podem ser adaptados aos requisitos e à aplicação.
O trabalho de pesquisa atual apresenta e investiga unidades hierárquicas com N níveis.Em uma hierarquia de dois níveis, conforme mostrado na Fig. 7a, onde em vez de cada fio SMA do atuador de primeiro nível, um arranjo bimodal é obtido, conforme mostrado na fig.9e.Na fig.7c mostra como o fio SMA é enrolado em torno de um braço móvel (braço auxiliar) que se move apenas na direção longitudinal.No entanto, o braço móvel primário continua a se mover da mesma maneira que o braço móvel do atuador multiestágio de 1º estágio.Normalmente, uma unidade de N-estágio é criada substituindo o fio SMA \(N-1\) do estágio por uma unidade de primeiro estágio.Como resultado, cada ramificação imita o acionamento do primeiro estágio, com exceção da ramificação que contém o próprio fio.Dessa forma, podem ser formadas estruturas aninhadas que criam forças várias vezes maiores que as forças dos acionamentos primários.Neste estudo, para cada nível, foi considerado um comprimento efetivo total do fio SMA de 1 m, conforme mostrado em formato tabular na Fig. 7d.A corrente através de cada fio em cada projeto unimodal e a pré-tensão e tensão resultantes em cada segmento de fio SMA são as mesmas em cada nível.De acordo com nosso modelo analítico, a força de saída está positivamente correlacionada com o nível, enquanto o deslocamento está negativamente correlacionado.Ao mesmo tempo, houve um trade-off entre deslocamento e força muscular.Como visto na fig.7b, enquanto a força máxima é alcançada no maior número de camadas, o maior deslocamento é observado na camada mais baixa.Quando o nível de hierarquia foi definido como \(N=5\), um pico de força muscular de 2,58 kN foi encontrado com 2 braçadas observadas \(\upmu\)m.Por outro lado, o acionamento do primeiro estágio gera uma força de 150 N em um curso de 277 \(\upmu\)m.Atuadores de vários níveis são capazes de imitar músculos biológicos reais, onde músculos artificiais baseados em ligas com memória de forma são capazes de gerar forças significativamente maiores com movimentos precisos e mais finos.As limitações desse projeto miniaturizado são que, à medida que a hierarquia aumenta, o movimento é bastante reduzido e a complexidade do processo de fabricação da unidade aumenta.
(a) Um sistema de atuador linear de liga com memória de forma de dois estágios (\(N=2\)) é mostrado em uma configuração bimodal.O modelo proposto é obtido substituindo o fio SMA no atuador em camadas de primeiro estágio por outro atuador em camadas de estágio único.(c) Configuração deformada do atuador multicamadas de segundo estágio.(b) A distribuição de forças e deslocamentos em função do número de níveis é descrita.Verificou-se que a força de pico do atuador está positivamente correlacionada com o nível da escala no gráfico, enquanto o curso está negativamente correlacionado com o nível da escala.A corrente e a pré-tensão em cada fio permanecem constantes em todos os níveis.(d) A tabela mostra o número de derivações e o comprimento do fio SMA (fibra) em cada nível.As características dos fios são indicadas pelo índice 1, e o número de ramos secundários (um conectado à perna primária) é indicado pelo maior número no subscrito.Por exemplo, no nível 5, \(n_1\) refere-se ao número de fios SMA presentes em cada estrutura bimodal e \(n_5\) refere-se ao número de pernas auxiliares (uma conectada à perna principal).
Vários métodos foram propostos por muitos pesquisadores para modelar o comportamento de SMAs com memória de forma, que dependem das propriedades termomecânicas que acompanham as mudanças macroscópicas na estrutura cristalina associadas à transição de fase.A formulação de métodos constitutivos é inerentemente complexa.O modelo fenomenológico mais utilizado é o proposto por Tanaka28 e é amplamente utilizado em aplicações de engenharia.O modelo fenomenológico proposto por Tanaka [28] assume que a fração volumétrica da martensita é uma função exponencial da temperatura e da tensão.Posteriormente, Liang e Rogers29 e Brinson30 propuseram um modelo no qual a dinâmica de transição de fase era assumida como uma função cosseno de tensão e temperatura, com pequenas modificações no modelo.Becker e Brinson propuseram um modelo cinético baseado em diagrama de fase para modelar o comportamento de materiais SMA sob condições de carga arbitrárias, bem como transições parciais.Banerjee32 usa o método de dinâmica do diagrama de fase de Bekker e Brinson31 para simular um manipulador de grau único de liberdade desenvolvido por Elahinia e Ahmadian33.Métodos cinéticos baseados em diagramas de fase, que levam em consideração a variação não monotônica da tensão com a temperatura, são difíceis de implementar em aplicações de engenharia.Elakhinia e Ahmadian chamam a atenção para essas deficiências dos modelos fenomenológicos existentes e propõem um modelo fenomenológico estendido para analisar e definir o comportamento da memória de forma sob quaisquer condições de carregamento complexas.
O modelo estrutural do fio SMA fornece tensão (\(\sigma\)), deformação (\(\epsilon\)), temperatura (T) e fração de volume de martensita (\(\xi\)) do fio SMA.O modelo constitutivo fenomenológico foi proposto pela primeira vez por Tanaka28 e posteriormente adotado por Liang29 e Brinson30.A derivada da equação tem a forma:
onde E é o módulo de SMA Young dependente de fase obtido usando \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) e \(E_A\) e \(E_M\) representando o módulo de Young são fases austeníticas e martensíticas, respectivamente, e o coeficiente de expansão térmica é representado por \(\theta _T\).O fator de contribuição da transição de fase é \(\Omega = -E \epsilon _L\) e \(\epsilon _L\) é a deformação máxima recuperável no fio SMA.
A equação da dinâmica de fase coincide com a função cosseno desenvolvida por Liang29 e posteriormente adotada por Brinson30 ao invés da função exponencial proposta por Tanaka28.O modelo de transição de fase é uma extensão do modelo proposto por Elakhinia e Ahmadian34 e modificado com base nas condições de transição de fase dadas por Liang29 e Brinson30.As condições usadas para este modelo de transição de fase são válidas sob cargas termomecânicas complexas.A cada momento, o valor da fração volumétrica da martensita é calculado ao modelar a equação constitutiva.
A equação governante da retransformação, expressa pela transformação da martensita em austenita sob condições de aquecimento, é a seguinte:
onde \(\xi\) é a fração volumétrica da martensita, \(\xi _M\) é a fração volumétrica da martensita obtida antes do aquecimento, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) e \(C_A\) – parâmetros de aproximação da curva, T – temperatura do fio SMA, \(A_s\) e \(A_f\) – início e fim da a fase austenítica, respectivamente, temperatura.
A equação de controle de transformação direta, representada pela transformação de fase de austenita em martensita sob condições de resfriamento, é:
onde \(\xi _A\) é a fração volumétrica da martensita obtida antes do resfriamento, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) e \ ( C_M \) – parâmetros de ajuste da curva, T – temperatura do fio SMA, \(M_s\) e \(M_f\) – temperaturas inicial e final da martensita, respectivamente.
Depois que as equações (3) e (4) são diferenciadas, as equações de transformação inversa e direta são simplificadas para a seguinte forma:
Durante a transformação para frente e para trás \(\eta _{\sigma}\) e \(\eta _{T}\) assumem valores diferentes.As equações básicas associadas com \(\eta _{\sigma}\) e \(\eta _{T}\) foram derivadas e discutidas em detalhes em uma seção adicional.
A energia térmica necessária para aumentar a temperatura do fio SMA vem do efeito de aquecimento Joule.A energia térmica absorvida ou liberada pelo fio SMA é representada pelo calor latente de transformação.A perda de calor no fio SMA é devida à convecção forçada e, dado o efeito desprezível da radiação, a equação do balanço de energia térmica é a seguinte:
Onde \(m_{fio}\) é a massa total do fio SMA, \(c_{p}\) é a capacidade de calor específico do SMA, \(V_{in}\) é a tensão aplicada ao fio, \(R_{ohm} \ ) – resistência dependente de fase SMA, definida como;\(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) onde \(r_M\ ) e \(r_A\) são a resistividade de fase SMA em martensita e austenita, respectivamente, \(A_{c}\) é a área da superfície do fio SMA, \(\Delta H \) é uma liga com memória de forma.O calor latente de transição do fio, T e \(T_{\infty}\) são as temperaturas do fio SMA e do ambiente, respectivamente.
Quando um fio de liga com memória de forma é acionado, o fio se comprime, criando uma força em cada ramificação do projeto bimodal chamada força de fibra.As forças das fibras em cada fio do fio SMA juntas criam a força muscular para atuar, conforme mostrado na Fig. 9e.Devido à presença de uma mola de polarização, a força muscular total do Nth atuador multicamada é:
Substituindo \(N = 1\) na equação (7), a força muscular do protótipo de acionamento bimodal do primeiro estágio pode ser obtida da seguinte forma:
onde n é o número de pernas unimodais, \(F_m\) é a força muscular gerada pelo acionamento, \(F_f\) é a resistência da fibra no fio SMA, \(K_x\) é a rigidez de polarização.mola, \(\alpha\) é o ângulo do triângulo, \(x_0\) é o deslocamento inicial da mola de polarização para manter o cabo SMA na posição pré-tensionada e \(\Delta x\) é o curso do atuador.
O deslocamento total ou movimento do inversor (\(\Delta x\)) dependendo da tensão (\(\sigma\)) e tensão (\(\epsilon\)) no fio SMA do estágio N, o inversor é definido como (consulte a Fig. parte adicional da saída):
As equações cinemáticas fornecem a relação entre a deformação da unidade (\(\epsilon\)) e o deslocamento ou deslocamento (\(\Delta x\)).A deformação do fio Arb em função do comprimento inicial do fio Arb (\(l_0\)) e do comprimento do fio (l) em qualquer instante t em um ramo unimodal é a seguinte:
onde \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) é obtido aplicando a fórmula do cosseno em \(\Delta\)ABB ', conforme mostrado na Figura 8. Para o primeiro estágio (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) é \(\Delta x\) e \(\al pha _1\) é \(\alpha \) conforme mostrado na Figura 8, diferenciando o tempo da Equação (11) e substituindo o valor de l, a taxa de deformação pode ser escrita como:
onde \(l_0\) é o comprimento inicial do fio SMA, l é o comprimento do fio em qualquer instante t em um ramo unimodal, \(\epsilon\) é a deformação desenvolvida no fio SMA e \(\alpha \) é o ângulo do triângulo , \(\Delta x\) é o deslocamento do acionamento (conforme mostrado na Figura 8).
Todas as n estruturas de pico único (\(n=6\) nesta figura) são conectadas em série com \(V_{in}\) como a tensão de entrada.Etapa I: Diagrama esquemático do fio SMA em configuração bimodal em condições de tensão zero. Etapa II: É mostrada uma estrutura controlada onde o fio SMA é comprimido devido à conversão inversa, conforme mostrado pela linha vermelha.
Como prova de conceito, um drive bimodal baseado em SMA foi desenvolvido para testar a derivação simulada das equações subjacentes com resultados experimentais.O modelo CAD do atuador linear bimodal é mostrado na fig.9a.Por outro lado, na fig.9c mostra um novo projeto proposto para uma conexão prismática rotacional usando um atuador baseado em SMA de dois planos com uma estrutura bimodal.Os componentes da unidade foram fabricados usando manufatura aditiva em uma impressora 3D Ultimaker 3 Extended.O material utilizado para a impressão 3D dos componentes é o policarbonato que é adequado para materiais resistentes ao calor, pois é forte, durável e possui alta temperatura de transição vítrea (110-113 \(^{\circ }\) C).Além disso, Dynalloy, Inc. Fio de liga com memória de forma Flexinol foi usado nos experimentos, e as propriedades do material correspondentes ao fio Flexinol foram usadas nas simulações.Múltiplos fios SMA são dispostos como fibras presentes em um arranjo bimodal de músculos para obter as altas forças produzidas por atuadores multicamadas, conforme mostrado na Fig. 9b, d.
Conforme mostrado na Figura 9a, o ângulo agudo formado pelo fio SMA do braço móvel é chamado de ângulo (\(\alpha\)).Com grampos de terminal presos aos grampos esquerdo e direito, o fio SMA é mantido no ângulo bimodal desejado.O dispositivo de mola de polarização mantido no conector de mola é projetado para ajustar os diferentes grupos de extensão de mola de polarização de acordo com o número (n) de fibras SMA.Além disso, a localização das partes móveis é projetada para que o fio SMA fique exposto ao ambiente externo para resfriamento por convecção forçada.As placas superior e inferior do conjunto destacável ajudam a manter o fio SMA frio com recortes extrudados projetados para reduzir o peso.Além disso, ambas as extremidades do fio CMA são fixadas nos terminais esquerdo e direito, respectivamente, por meio de crimpagem.Um êmbolo é preso a uma extremidade do conjunto móvel para manter a folga entre as placas superior e inferior.O êmbolo também é usado para aplicar uma força de bloqueio ao sensor por meio de um contato para medir a força de bloqueio quando o fio SMA é acionado.
A estrutura muscular bimodal SMA é conectada eletricamente em série e alimentada por uma tensão de pulso de entrada.Durante o ciclo de pulso de tensão, quando a tensão é aplicada e o fio SMA é aquecido acima da temperatura inicial da austenita, o comprimento do fio em cada fio é encurtado.Essa retração ativa a submontagem do braço móvel.Quando a tensão foi zerada no mesmo ciclo, o fio SMA aquecido foi resfriado abaixo da temperatura da superfície da martensita, retornando assim à sua posição original.Sob condições de tensão zero, o fio SMA é primeiro estirado passivamente por uma mola de polarização para atingir o estado martensítico destwinned.O parafuso, por onde passa o fio SMA, se move devido à compressão criada pela aplicação de um pulso de tensão no fio SMA (SPA atinge a fase austenita), que leva ao acionamento da alavanca móvel.Quando o fio SMA é retraído, a mola de polarização cria uma força oposta esticando ainda mais a mola.Quando a tensão na tensão de impulso torna-se zero, o fio SMA se alonga e muda sua forma devido ao resfriamento por convecção forçada, atingindo uma fase martensítica dupla.
O sistema de atuador linear baseado em SMA proposto tem uma configuração bimodal na qual os fios SMA são angulados.(a) retrata um modelo CAD do protótipo, que menciona alguns dos componentes e seus significados para o protótipo, (b, d) representa o protótipo experimental desenvolvido35.Enquanto (b) mostra uma visão superior do protótipo com conexões elétricas e molas diagonais e extensômetros usados, (d) mostra uma visão em perspectiva da configuração.(e) Diagrama de um sistema de atuação linear com fios SMA colocados bimodalmente em qualquer instante t, mostrando a direção e curso da fibra e força muscular.(c) Uma conexão prismática rotacional de 2 DOF foi proposta para implantar um atuador baseado em SMA de dois planos.Conforme mostrado, o link transmite o movimento linear da unidade inferior para o braço superior, criando uma conexão rotacional.Por outro lado, o movimento do par de prismas é o mesmo que o movimento do acionamento multicamada do primeiro estágio.
Um estudo experimental foi realizado no protótipo mostrado na Fig. 9b para avaliar o desempenho de um acionamento bimodal baseado em SMA.Conforme mostrado na Figura 10a, a configuração experimental consistia em uma fonte de alimentação DC programável para fornecer tensão de entrada aos fios SMA.Como mostrado na fig.10b, um extensômetro piezoelétrico (PACEline CFT/5kN) foi usado para medir a força de bloqueio usando um registrador de dados Graphtec GL-2000.Os dados são registrados pelo host para estudo posterior.Strain gauges e amplificadores de carga requerem uma fonte de alimentação constante para produzir um sinal de tensão.Os sinais correspondentes são convertidos em saídas de energia de acordo com a sensibilidade do sensor de força piezelétrico e outros parâmetros conforme descrito na Tabela 2. Quando um pulso de tensão é aplicado, a temperatura do fio SMA aumenta, fazendo com que o fio SMA se comprima, o que faz com que o atuador gere força.Os resultados experimentais da saída da força muscular por um pulso de tensão de entrada de 7 V são mostrados na fig.2a.
(a) Um sistema de atuador linear baseado em SMA foi configurado no experimento para medir a força gerada pelo atuador.A célula de carga mede a força de bloqueio e é alimentada por uma fonte de alimentação de 24 V CC.Uma queda de tensão de 7 V foi aplicada ao longo de todo o comprimento do cabo usando uma fonte de alimentação CC programável GW Instek.O fio SMA encolhe devido ao calor e o braço móvel entra em contato com a célula de carga e exerce uma força de bloqueio.A célula de carga é conectada ao registrador de dados GL-2000 e os dados são armazenados no host para processamento posterior.(b) Diagrama mostrando a cadeia de componentes da montagem experimental para medir a força muscular.
As ligas com memória de forma são excitadas pela energia térmica, então a temperatura se torna um parâmetro importante para estudar o fenômeno da memória de forma.Experimentalmente, conforme mostrado na Fig. 11a, imagens térmicas e medições de temperatura foram realizadas em um protótipo de atuador de divalerato baseado em SMA.Uma fonte DC programável aplicou tensão de entrada aos fios SMA na configuração experimental, conforme mostrado na Figura 11b.A mudança de temperatura do fio SMA foi medida em tempo real usando uma câmera LWIR de alta resolução (FLIR A655sc).O host usa o software ResearchIR para registrar dados para posterior pós-processamento.Quando um pulso de tensão é aplicado, a temperatura do fio SMA aumenta, fazendo com que o fio SMA encolha.Na fig.A Figura 2b mostra os resultados experimentais da temperatura do fio SMA versus tempo para um pulso de tensão de entrada de 7V.
Horário da postagem: 28 de setembro de 2022