Faleminderit që vizituat Nature.com. Versioni i shfletuesit që po përdorni ka mbështetje të kufizuar CSS. Për përvojën më të mirë, ne ju rekomandojmë të përdorni një shfletues të përditësuar (ose të çaktivizoni Modalitetin e Përputhshmërisë në Internet Explorer). Ndërkohë, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, ne do ta paraqesim faqen pa stile dhe JavaScript.
Aktuatorët përdoren kudo dhe krijojnë lëvizje të kontrolluar duke aplikuar forcën ose çift rrotulluesin e saktë të ngacmimit për të kryer operacione të ndryshme në automatizimin e prodhimit dhe industrisë. Nevoja për motorë më të shpejtë, më të vegjël dhe më efikasë po nxit inovacionin në projektimin e motorëve. Motorët me Alloy Memory (SMA) ofrojnë një numër avantazhesh ndaj motorëve konvencionalë, duke përfshirë një raport të lartë fuqie-peshe. Në këtë disertacion, u zhvillua një aktivizues i bazuar në SMA me dy pendë që kombinon avantazhet e muskujve pendë të sistemeve biologjike dhe vetitë unike të SMA-ve. Ky studim eksploron dhe zgjeron aktivizuesit e mëparshëm SMA duke zhvilluar një model matematik të aktivizuesit të ri bazuar në rregullimin bimodal të telit SMA dhe duke e testuar atë eksperimentalisht. Krahasuar me motorët e njohur të bazuar në SMA, forca e aktivizimit të motorit të ri është të paktën 5 herë më e lartë (deri në 150 N). Humbja përkatëse e peshës është rreth 67%. Rezultatet e analizës së ndjeshmërisë së modeleve matematikore janë të dobishme për akordimin e parametrave të projektimit dhe kuptimin e parametrave kryesorë. Ky studim paraqet më tej një motor shumënivelësh të fazës N që mund të përdoret për të përmirësuar më tej dinamikën. Aktuatorët muskulorë dipvaleratë të bazuar në SMA kanë një gamë të gjerë aplikimesh, nga automatizimi i ndërtesave deri te sistemet precize të administrimit të barnave.
Sistemet biologjike, të tilla si strukturat muskulore të gjitarëve, mund të aktivizojnë shumë aktivizues delikatë1. Gjitarët kanë struktura të ndryshme muskulore, secila prej të cilave shërben për një qëllim specifik. Megjithatë, pjesa më e madhe e strukturës së indeve muskulore të gjitarëve mund të ndahet në dy kategori të gjera. Paralele dhe pennate. Në muskujt e kofshës së pasme dhe fleksorët e tjerë, siç sugjeron edhe emri, muskulatura paralele ka fibra muskulore paralele me tendinin qendror. Zinxhiri i fibrave muskulore është i rreshtuar dhe i lidhur funksionalisht nga indi lidhës përreth tyre. Megjithëse thuhet se këta muskuj kanë një zhvendosje të madhe (shkurtim përqindjeje), forca e tyre e përgjithshme muskulore është shumë e kufizuar. Në të kundërt, në muskulin triceps të pulpës2 (gastrocnemius lateral (GL)3, gastrocnemius medial (GM)4 dhe soleus (SOL)) dhe ekstensor femoris (kuadriceps)5,6 ind muskulor pennate gjendet në secilin muskul7. Në një strukturë pennate, fibrat muskulore në muskulaturën bipennate janë të pranishme në të dy anët e tendinit qendror në kënde të pjerrëta (kënde pennate). Pennate vjen nga fjala latine "penna", që do të thotë "stilolaps", dhe, siç tregohet në fig. 1, ka një pamje si pendë. Fibrat e muskujve pennate janë më të shkurtra dhe të vendosura në kënd me boshtin gjatësor të muskulit. Për shkak të strukturës pennate, lëvizshmëria e përgjithshme e këtyre muskujve zvogëlohet, gjë që çon në komponentët tërthor dhe gjatësor të procesit të shkurtimit. Nga ana tjetër, aktivizimi i këtyre muskujve çon në forcë më të lartë të përgjithshme të muskujve për shkak të mënyrës se si matet sipërfaqja fiziologjike e prerjes tërthore. Prandaj, për një sipërfaqe të caktuar të prerjes tërthore, muskujt pennate do të jenë më të fortë dhe do të gjenerojnë forca më të larta se muskujt me fibra paralele. Forcat e gjeneruara nga fibrat individuale gjenerojnë forca muskulore në një nivel makroskopik në atë ind muskulor. Përveç kësaj, ai ka veti të tilla unike si tkurrja e shpejtë, mbrojtja nga dëmtimi në tërheqje, amortizimi. Ai transformon marrëdhënien midis hyrjes së fibrave dhe daljes së fuqisë muskulore duke shfrytëzuar tiparet unike dhe kompleksitetin gjeometrik të rregullimit të fibrave të shoqëruara me linjat e veprimit të muskujve.
Tregohen diagrame skematike të modeleve ekzistuese të aktuatorëve të bazuar në SMA në lidhje me një arkitekturë muskulore bimodale, për shembull (a), që përfaqëson bashkëveprimin e forcës prekëse në të cilën një pajisje në formë dore e aktivizuar nga telat SMA është montuar në një robot autonom celular me dy rrota9,10., (b) Protezë orbitale robotike me protezë orbitale të ngarkuar me sustë SMA të vendosur në mënyrë antagoniste. Pozicioni i syrit protetik kontrollohet nga një sinjal nga muskuli okular i syrit11, (c) Aktuatorët SMA janë idealë për aplikime nënujore për shkak të përgjigjes së tyre me frekuencë të lartë dhe gjerësisë së ulët të brezit. Në këtë konfigurim, aktuatorët SMA përdoren për të krijuar lëvizje valore duke simuluar lëvizjen e peshqve, (d) Aktuatorët SMA përdoren për të krijuar një robot inspektimi mikro tubash që mund të përdorë parimin e lëvizjes së krimbit inç, të kontrolluar nga lëvizja e telave SMA brenda kanalit 10, (e) tregon drejtimin e tkurrjes së fibrave muskulore dhe gjenerimin e forcës kontraktile në indin gastrocnemius, (f) tregon telat SMA të rregulluar në formën e fibrave muskulore në strukturën e muskujve pennate.
Aktuatorët janë bërë një pjesë e rëndësishme e sistemeve mekanike për shkak të gamës së gjerë të aplikimeve të tyre. Prandaj, nevoja për transmisione më të vogla, më të shpejta dhe më efikase bëhet kritike. Pavarësisht avantazheve të tyre, transmisionet tradicionale kanë provuar të jenë të shtrenjta dhe kërkojnë kohë për t'u mirëmbajtur. Aktuatorët hidraulikë dhe pneumatikë janë kompleksë dhe të kushtueshëm dhe janë të ndjeshëm ndaj konsumimit, problemeve të lubrifikimit dhe dështimit të komponentëve. Në përgjigje të kërkesës, fokusi është në zhvillimin e aktuatorëve me kosto efektive, të optimizuar për madhësinë dhe të avancuar bazuar në materiale inteligjente. Hulumtimi i vazhdueshëm po shqyrton aktuatorët me shtresa të lidhjeve të memories së formës (SMA) për të përmbushur këtë nevojë. Aktuatorët hierarkikë janë unikë në atë që kombinojnë shumë aktuatorë diskretë në nënsisteme gjeometrikisht komplekse në shkallë makro për të siguruar funksionalitet të rritur dhe të zgjeruar. Në këtë drejtim, indi muskulor i njeriut i përshkruar më sipër ofron një shembull të shkëlqyer shumështresor të një aktivizimi të tillë shumështresor. Studimi aktual përshkruan një transmision SMA me shumë nivele me disa elementë individualë transmisioni (tela SMA) të rreshtuar me orientimet e fibrave të pranishme në muskujt bimodalë, gjë që përmirëson performancën e përgjithshme të transmisionit.
Qëllimi kryesor i një aktuatori është të gjenerojë fuqi mekanike të prodhuar, siç është forca dhe zhvendosja, duke shndërruar energjinë elektrike. Aliazhet me memorie forme janë një klasë materialesh "inteligjente" që mund të rivendosin formën e tyre në temperatura të larta. Nën ngarkesa të larta, një rritje e temperaturës së telit SMA çon në rikuperimin e formës, duke rezultuar në një dendësi më të lartë të energjisë së aktivizimit krahasuar me materiale të ndryshme inteligjente të lidhura drejtpërdrejt. Në të njëjtën kohë, nën ngarkesa mekanike, SMA-të bëhen të brishta. Nën kushte të caktuara, një ngarkesë ciklike mund të thithë dhe lëshojë energji mekanike, duke shfaqur ndryshime histeretike të kthyeshme në formë. Këto veti unike e bëjnë SMA-në ideale për sensorë, amortizim të dridhjeve dhe veçanërisht aktuatorë12. Duke pasur parasysh këtë, ka pasur shumë kërkime mbi disqet e bazuara në SMA. Duhet të theksohet se aktuatorët e bazuar në SMA janë projektuar për të siguruar lëvizje përkthimore dhe rrotulluese për një sërë aplikimesh13,14,15. Megjithëse janë zhvilluar disa aktuatorë rrotullues, studiuesit janë veçanërisht të interesuar në aktuatorët linearë. Këta aktuatorë linearë mund të ndahen në tre lloje aktuatorësh: aktuatorë njëdimensionalë, me zhvendosje dhe diferencialë16. Fillimisht, transmisionet hibride u krijuan në kombinim me SMA dhe transmisione të tjera konvencionale. Një shembull i tillë i një aktuatori linear hibrid të bazuar në SMA është përdorimi i një teli SMA me një motor DC për të siguruar një forcë dalëse prej rreth 100 N dhe zhvendosje të konsiderueshme17.
Një nga zhvillimet e para në motorët e transmetimit të bazuar tërësisht në SMA ishte motori paralel i transmetimit SMA. Duke përdorur tela të shumtë SMA, motori paralel i bazuar në SMA është projektuar për të rritur aftësinë e fuqisë së motorit duke vendosur të gjithë telat SMA18 paralelisht. Lidhja paralele e aktuatorëve jo vetëm që kërkon më shumë fuqi, por gjithashtu kufizon fuqinë e daljes së një teli të vetëm. Një tjetër disavantazh i aktuatorëve të bazuar në SMA është udhëtimi i kufizuar që ata mund të arrijnë. Për të zgjidhur këtë problem, u krijua një tra kablli SMA që përmbante një tra fleksibël të devijuar për të rritur zhvendosjen dhe për të arritur lëvizje lineare, por nuk gjeneroi forca më të larta19. Struktura dhe pëlhura të buta të deformueshme për robotët e bazuara në lidhjet e memories së formës janë zhvilluar kryesisht për amplifikimin e impaktit20,21,22. Për aplikimet ku kërkohen shpejtësi të larta, pompat kompakte të drejtuara janë raportuar duke përdorur SMA me film të hollë për aplikimet e drejtuara nga mikropompa23. Frekuenca e drejtimit të membranës SMA me film të hollë është një faktor kyç në kontrollin e shpejtësisë së motorit. Prandaj, motorët linearë SMA kanë një përgjigje dinamike më të mirë sesa motorët me sustë ose shufra SMA. Robotika e butë dhe teknologjia e kapjes janë dy aplikime të tjera që përdorin aktivizues të bazuar në SMA. Për shembull, për të zëvendësuar aktivizuesin standard të përdorur në kapësen hapësinore 25 N, u zhvillua një aktivizues paralel 24 nga një aliazh me memorie forme. Në një rast tjetër, një aktivizues i butë SMA u prodhua bazuar në një tel me një matricë të ngulitur të aftë për të prodhuar një forcë maksimale tërheqëse prej 30 N. Për shkak të vetive të tyre mekanike, SMA-të përdoren gjithashtu për të prodhuar aktivizues që imitojnë fenomene biologjike. Një zhvillim i tillë përfshin një robot me 12 qeliza që është një biomimetik i një organizmi të ngjashëm me krimbin e tokës me SMA për të gjeneruar një lëvizje sinusoidale për t'u ndezur26,27.
Siç u përmend më parë, ekziston një kufi për forcën maksimale që mund të merret nga aktuatorët ekzistues të bazuar në SMA. Për të adresuar këtë çështje, ky studim paraqet një strukturë muskulore bimodale biomimetike. E drejtuar nga tela aliazhi me memorie forme. Ai ofron një sistem klasifikimi që përfshin disa tela aliazhi me memorie forme. Deri më sot, në literaturë nuk janë raportuar aktuatorë të bazuar në SMA me një arkitekturë të ngjashme. Ky sistem unik dhe i ri i bazuar në SMA u zhvillua për të studiuar sjelljen e SMA gjatë shtrirjes bimodale të muskujve. Krahasuar me aktuatorët ekzistues të bazuar në SMA, qëllimi i këtij studimi ishte të krijonte një aktuator dipvalerati biomimetik për të gjeneruar forca dukshëm më të larta në një vëllim të vogël. Krahasuar me motorët konvencionalë të drejtuar nga motori hap pas hapi të përdorur në sistemet e automatizimit dhe kontrollit të ndërtesave HVAC, dizajni i propozuar i motorit bimodal të bazuar në SMA zvogëlon peshën e mekanizmit të drejtimit me 67%. Më poshtë, termat "muskul" dhe "drejtues" përdoren në mënyrë të ndërsjellë. Ky studim heton simulimin multifizik të një drejtimi të tillë. Sjellja mekanike e sistemeve të tilla është studiuar me metoda eksperimentale dhe analitike. Shpërndarjet e forcës dhe temperaturës u hetuan më tej në një tension hyrës prej 7 V. Më pas, u krye një analizë parametrike për të kuptuar më mirë marrëdhënien midis parametrave kryesorë dhe forcës dalëse. Së fundmi, janë parashikuar aktivizues hierarkikë dhe janë propozuar efekte të nivelit hierarkik si një fushë e mundshme në të ardhmen për aktivizuesit jo-magnetikë për aplikimet protetike. Sipas rezultateve të studimeve të lartpërmendura, përdorimi i një arkitekture me një fazë prodhon forca të paktën katër deri në pesë herë më të larta se aktivizuesit e raportuar të bazuar në SMA. Përveç kësaj, e njëjta forcë shtytëse e gjeneruar nga një makinë shumënivelëshe shumënivelëshe është treguar të jetë më shumë se dhjetë herë më e lartë se ajo e makinave konvencionale të bazuara në SMA. Studimi më pas raporton parametrat kryesorë duke përdorur analizën e ndjeshmërisë midis dizenjove të ndryshme dhe variablave hyrëse. Gjatësia fillestare e telit SMA (\(l_0\)), këndi pennat (\(\alpha\)) dhe numri i fijeve të vetme (n) në secilën fije individuale kanë një efekt të fortë negativ në madhësinë e forcës shtytëse.
Teli SMA shfaq efektin e memories së formës (SME) që shihet në familjen e lidhjeve nikel-titanium (Ni-Ti). Në mënyrë tipike, SMA-të shfaqin dy faza të varura nga temperatura: një fazë me temperaturë të ulët dhe një fazë me temperaturë të lartë. Të dyja fazat kanë veti unike për shkak të pranisë së strukturave të ndryshme kristalore. Në fazën e austenitit (faza me temperaturë të lartë) që ekziston mbi temperaturën e transformimit, materiali shfaq rezistencë të lartë dhe deformohet dobët nën ngarkesë. Lidhja sillet si çelik inox, kështu që është në gjendje t'i rezistojë presioneve më të larta të aktivizimit. Duke përfituar nga kjo veti e lidhjeve Ni-Ti, telat SMA janë të pjerrët për të formuar një aktivizues. Janë zhvilluar modele të përshtatshme analitike për të kuptuar mekanikën themelore të sjelljes termike të SMA-së nën ndikimin e parametrave të ndryshëm dhe gjeometrive të ndryshme. U arrit një përputhje e mirë midis rezultateve eksperimentale dhe analitike.
Një studim eksperimental u krye mbi prototipin e treguar në Fig. 9a për të vlerësuar performancën e një sistemi bimodal të transmisionit bazuar në SMA. Dy nga këto veti, forca e gjeneruar nga sistemi i transmisionit (forca muskulore) dhe temperatura e telit SMA (temperatura SMA), u matën eksperimentalisht. Ndërsa ndryshimi i tensionit rritet përgjatë gjithë gjatësisë së telit në sistem, temperatura e telit rritet për shkak të efektit të ngrohjes së Xhaulit. Tensioni i hyrjes u aplikua në dy cikle 10-s (të paraqitura si pika të kuqe në Fig. 2a, b) me një periudhë ftohjeje prej 15-s midis çdo cikli. Forca bllokuese u mat duke përdorur një matës të tendosjes piezoelektrik, dhe shpërndarja e temperaturës së telit SMA u monitorua në kohë reale duke përdorur një kamerë LWIR me rezolucion të lartë të nivelit shkencor (shih karakteristikat e pajisjeve të përdorura në Tabelën 2). tregon se gjatë fazës së tensionit të lartë, temperatura e telit rritet në mënyrë monotone, por kur nuk rrjedh rrymë, temperatura e telit vazhdon të bjerë. Në konfigurimin aktual eksperimental, temperatura e telit SMA ra gjatë fazës së ftohjes, por ajo ishte ende mbi temperaturën e ambientit. Në fig. 2e tregohet një pamje e temperaturës në telin SMA të marrë nga kamera LWIR. Nga ana tjetër, në fig. 2a tregohet forca bllokuese e gjeneruar nga sistemi i drejtimit. Kur forca muskulore tejkalon forcën rikthyese të sustës, krahu i lëvizshëm, siç tregohet në Figurën 9a, fillon të lëvizë. Sapo fillon aktivizimi, krahu i lëvizshëm bie në kontakt me sensorin, duke krijuar një forcë trupore, siç tregohet në fig. 2c, d. Kur temperatura maksimale është afër \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), forca maksimale e vëzhguar është 105 N.
Grafiku tregon rezultatet eksperimentale të temperaturës së telit SMA dhe forcës së gjeneruar nga aktivizuesi bimodal i bazuar në SMA gjatë dy cikleve. Tensioni i hyrjes aplikohet në dy cikle 10-sekondëshe (të paraqitura si pika të kuqe) me një periudhë ftohjeje prej 15 sekondash midis secilit cikël. Teli SMA i përdorur për eksperimentet ishte një tel Flexinol me diametër 0.51 mm nga Dynalloy, Inc. (a) Grafiku tregon forcën eksperimentale të marrë gjatë dy cikleve, (c, d) tregon dy shembuj të pavarur të veprimit të aktivizuesve të krahëve lëvizës në një transduktor force piezoelektrike PACEline CFT/5kN, (b) grafiku tregon temperaturën maksimale të të gjithë telit SMA gjatë kohës së dy cikleve, (e) tregon një pamje të temperaturës të marrë nga teli SMA duke përdorur kamerën LWIR të softuerit FLIR ResearchIR. Parametrat gjeometrikë të marrë në konsideratë në eksperimente janë dhënë në Tabelën një.
Rezultatet e simulimit të modelit matematik dhe rezultatet eksperimentale krahasohen në kushtet e një tensioni hyrës prej 7V, siç tregohet në Fig. 5. Sipas rezultateve të analizës parametrike dhe për të shmangur mundësinë e mbinxehjes së telit SMA, një fuqi prej 11.2 W iu furnizua aktuatorit. Një furnizim me energji DC i programueshëm u përdor për të furnizuar 7V si tension hyrës, dhe një rrymë prej 1.6A u mat nëpër tel. Forca e gjeneruar nga transmisioni dhe temperatura e SDR rriten kur aplikohet rryma. Me një tension hyrës prej 7V, forca maksimale e daljes e marrë nga rezultatet e simulimit dhe rezultatet eksperimentale të ciklit të parë është përkatësisht 78 N dhe 96 N. Në ciklin e dytë, forca maksimale e daljes së rezultateve të simulimit dhe eksperimentale ishte përkatësisht 150 N dhe 105 N. Mospërputhja midis matjeve të forcës së bllokimit dhe të dhënave eksperimentale mund të jetë për shkak të metodës së përdorur për të matur forcën e bllokimit. Rezultatet eksperimentale të paraqitura në fig. 5a korrespondojnë me matjen e forcës së kyçjes, e cila nga ana tjetër u mat kur boshti i lëvizjes ishte në kontakt me transduktorin e forcës piezoelektrike PACEline CFT/5kN, siç tregohet në fig. 2s. Prandaj, kur boshti i lëvizjes nuk është në kontakt me sensorin e forcës në fillim të zonës së ftohjes, forca bëhet menjëherë zero, siç tregohet në Fig. 2d. Përveç kësaj, parametra të tjerë që ndikojnë në formimin e forcës në ciklet pasuese janë vlerat e kohës së ftohjes dhe koeficienti i transferimit konvektiv të nxehtësisë në ciklin e mëparshëm. Nga fig. 2b, mund të shihet se pas një periudhe ftohjeje prej 15 sekondash, teli SMA nuk arriti temperaturën e dhomës dhe për këtë arsye kishte një temperaturë fillestare më të lartë (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) në ciklin e dytë të lëvizjes krahasuar me ciklin e parë (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Kështu, krahasuar me ciklin e parë, temperatura e telit SMA gjatë ciklit të dytë të ngrohjes arrin temperaturën fillestare të austenitit (\(A_s\)) më herët dhe qëndron në periudhën e tranzicionit më gjatë, duke rezultuar në stres dhe forcë. Nga ana tjetër, shpërndarjet e temperaturës gjatë cikleve të ngrohjes dhe ftohjes të marra nga eksperimentet dhe simulimet kanë një ngjashmëri të lartë cilësore me shembujt nga analiza termografike. Analiza krahasuese e të dhënave termike të telit SMA nga eksperimentet dhe simulimet tregoi qëndrueshmëri gjatë cikleve të ngrohjes dhe ftohjes dhe brenda tolerancave të pranueshme për të dhënat eksperimentale. Temperatura maksimale e telit SMA, e marrë nga rezultatet e simulimit dhe eksperimenteve të ciklit të parë, është \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) dhe \(75\,^{\circ }\hbox {C}\, përkatësisht ), dhe në ciklin e dytë temperatura maksimale e telit SMA është \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) dhe \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Modeli i zhvilluar në mënyrë themelore konfirmon efektin e efektit të memories së formës. Roli i lodhjes dhe mbinxehjes nuk u konsiderua në këtë shqyrtim. Në të ardhmen, modeli do të përmirësohet për të përfshirë historinë e stresit të telit SMA, duke e bërë atë më të përshtatshëm për aplikimet inxhinierike. Grafikët e forcës dalëse të drejtimit dhe të temperaturës SMA të marra nga blloku Simulink janë brenda tolerancave të lejuara të të dhënave eksperimentale në kushtin e një pulsi tensioni hyrës prej 7 V. Kjo konfirmon saktësinë dhe besueshmërinë e modelit matematik të zhvilluar.
Modeli matematik u zhvillua në mjedisin MathWorks Simulink R2020b duke përdorur ekuacionet bazë të përshkruara në seksionin Metodat. Në fig. 3b tregohet një diagram bllok i modelit matematik Simulink. Modeli u simulua për një impuls tensioni hyrës 7V siç tregohet në Fig. 2a, b. Vlerat e parametrave të përdorur në simulim janë renditur në Tabelën 1. Rezultatet e simulimit të proceseve kalimtare janë paraqitur në Figurat 1 dhe 1. Figurat 3a dhe 4. Në fig. 4a, b tregohet tensioni i induktuar në telin SMA dhe forca e gjeneruar nga aktuatori si një funksion i kohës. Gjatë transformimit të kundërt (ngrohjes), kur temperatura e telit SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura e fillimit të fazës së austenitit të modifikuar nga stresi), shkalla e ndryshimit të fraksionit të vëllimit të martensitit (\(\dot{\xi }\)) do të jetë zero. Gjatë transformimit të kundërt (ngrohjes), kur temperatura e telit SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura e fillimit të fazës së austenitit të modifikuar nga stresi), shkalla e ndryshimit të fraksionit të vëllimit të martensitit (\(\dot{\xi }\)) do të jetë zero. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura начала аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объвной доли\xido}tta (\) nulю. Gjatë transformimit të kundërt (ngrohjes), kur temperatura e telit SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura e fillimit të austenitit të modifikuar nga stresi), shkalla e ndryshimit të fraksionit të vëllimit të martensitit (\(\dot{\xi}\ )) do të jetë 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（\)(将为零.在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Rezultati i simulimit që tregon shpërndarjen e temperaturës dhe temperaturën e kryqëzimit të shkaktuar nga stresi në një aktivizues divalerati të bazuar në SMA. Kur temperatura e telit kalon temperaturën e tranzicionit të austenitit në fazën e ngrohjes, temperatura e tranzicionit të austenitit të modifikuar fillon të rritet, dhe në mënyrë të ngjashme, kur temperatura e shufrës së telit kalon temperaturën e tranzicionit martensitik në fazën e ftohjes, temperatura e tranzicionit martensitik ulet. SMA për modelimin analitik të procesit të aktivizimit. (Për një pamje të detajuar të secilit nënsistem të një modeli Simulink, shihni seksionin e shtojcës së skedarit plotësues.)
Rezultatet e analizës për shpërndarje të ndryshme të parametrave tregohen për dy cikle të tensionit të hyrjes 7V (cikle ngrohjeje 10 sekondash dhe cikle ftohjeje 15 sekondash). Ndërsa (ac) dhe (e) përshkruajnë shpërndarjen me kalimin e kohës, nga ana tjetër, (d) dhe (f) ilustrojnë shpërndarjen me temperaturën. Për kushtet përkatëse të hyrjes, stresi maksimal i vëzhguar është 106 MPa (më pak se 345 MPa, rezistencë ndaj rrjedhjes së telit), forca është 150 N, zhvendosja maksimale është 270 µm, dhe fraksioni minimal i vëllimit martensitik është 0.91. Nga ana tjetër, ndryshimi në stres dhe ndryshimi në fraksionin e vëllimit të martensitit me temperaturën janë të ngjashme me karakteristikat e histerezës.
I njëjti shpjegim vlen edhe për transformimin (ftohjen) e drejtpërdrejtë nga faza e austenitit në fazën e martensitit, ku temperatura e telit SMA (T) dhe temperatura fundore e fazës së martensitit të modifikuar nga stresi (\(M_f^{\prime}\ )) është e shkëlqyer. Në fig. 4d, f tregon ndryshimin në stresin e induktuar (\(\sigma\)) dhe fraksionin vëllimor të martensitit (\(\xi\)) në telin SMA si një funksion i ndryshimit të temperaturës së telit SMA (T), për të dy ciklet e ngasjes. Në fig. Figura 3a tregon ndryshimin e temperaturës së telit SMA me kalimin e kohës në varësi të pulsit të tensionit të hyrjes. Siç mund të shihet nga figura, temperatura e telit vazhdon të rritet duke siguruar një burim nxehtësie me tension zero dhe ftohje konvektive pasuese. Gjatë ngrohjes, ritransformimi i martensitit në fazën austenite fillon kur temperatura e telit SMA (T) kalon temperaturën e formimit të bërthamës së austenitit të korrigjuar nga stresi (\(A_s^{\prime}\)). Gjatë kësaj faze, teli SMA kompresohet dhe aktuatori gjeneron forcë. Gjithashtu gjatë ftohjes, kur temperatura e telit SMA (T) kalon temperaturën e formimit të bërthamës së fazës së martensitit të modifikuar nga stresi (\(M_s^{\prime}\)), ka një tranzicion pozitiv nga faza e austenitit në fazën e martensitit. Forca lëvizëse zvogëlohet.
Aspektet kryesore cilësore të ngasjes bimodale bazuar në SMA mund të merren nga rezultatet e simulimit. Në rastin e një hyrjeje me puls tensioni, temperatura e telit SMA rritet për shkak të efektit të ngrohjes së Xhaulit. Vlera fillestare e fraksionit të vëllimit të martensitit (\(\xi\)) është vendosur në 1, pasi materiali është fillimisht në një fazë plotësisht martensitike. Ndërsa teli vazhdon të nxehet, temperatura e telit SMA tejkalon temperaturën e bërthamëzimit të austenitit të korrigjuar nga stresi \(A_s^{\prime}\), duke rezultuar në një ulje të fraksionit të vëllimit të martensitit, siç tregohet në Figurën 4c. Përveç kësaj, në fig. 4e tregohet shpërndarja e goditjeve të aktuatorit në kohë, dhe në fig. 5 - forca lëvizëse si një funksion i kohës. Një sistem i lidhur ekuacionesh përfshin temperaturën, fraksionin e vëllimit të martensitit dhe stresin që zhvillohet në tel, duke rezultuar në tkurrjen e telit SMA dhe forcën e gjeneruar nga aktuatori. Siç tregohet në fig. 4d, f, ndryshimi i tensionit me temperaturën dhe ndryshimi i fraksionit të vëllimit të martensitit me temperaturën korrespondojnë me karakteristikat e histerezës së SMA-së në rastin e simuluar në 7 V.
Krahasimi i parametrave të drejtimit u arrit nëpërmjet eksperimenteve dhe llogaritjeve analitike. Telat iu nënshtruan një tensioni hyrës të pulsuar prej 7 V për 10 sekonda, pastaj u ftohën për 15 sekonda (faza e ftohjes) gjatë dy cikleve. Këndi pennor është vendosur në \(40^{\circ}\) dhe gjatësia fillestare e telit SMA në secilën këmbë të vetme me kunj është vendosur në 83 mm. (a) Matja e forcës lëvizëse me një qelizë ngarkese (b) Monitorimi i temperaturës së telit me një kamerë termike infra të kuqe.
Për të kuptuar ndikimin e parametrave fizikë në forcën e prodhuar nga motori, u krye një analizë e ndjeshmërisë së modelit matematikor ndaj parametrave fizikë të përzgjedhur dhe parametrat u renditën sipas ndikimit të tyre. Së pari, marrja e mostrave të parametrave të modelit u bë duke përdorur parimet e projektimit eksperimental që ndiqnin një shpërndarje uniforme (shih Seksionin Plotësues mbi Analizën e Ndjeshmërisë). Në këtë rast, parametrat e modelit përfshijnë tensionin e hyrjes (\(V_{in}\)), gjatësinë fillestare të telit SMA (\(l_0\)), këndin e trekëndëshit (\(\α\)), konstanten e sustës së polarizuar (\(K_x\)), koeficientin e transferimit konvektiv të nxehtësisë (\(h_T\)) dhe numrin e degëve unimodale (n). Në hapin tjetër, forca maksimale e muskujve u zgjodh si një kërkesë e projektimit të studimit dhe u morën efektet parametrike të secilit grup variablash në forcë. Grafikët e tornados për analizën e ndjeshmërisë u nxorën nga koeficientët e korrelacionit për secilin parametër, siç tregohet në Fig. 6a.
(a) Vlerat e koeficientit të korrelacionit të parametrave të modelit dhe efekti i tyre në forcën maksimale të daljes së 2500 grupeve unike të parametrave të modelit të mësipërm tregohen në grafikun e tornados. Grafiku tregon korrelacionin e rangut të disa treguesve. Është e qartë se \(V_{in}\) është i vetmi parametër me një korrelacion pozitiv, dhe \(l_0\) është parametri me korrelacionin më të lartë negativ. Efekti i parametrave të ndryshëm në kombinime të ndryshme në forcën maksimale të muskujve tregohet në (b, c). \(K_x\) varion nga 400 në 800 N/m dhe n varion nga 4 në 24. Tensioni (\(V_{in}\)) ndryshoi nga 4V në 10V, gjatësia e telit (\(l_{0} \)) ndryshoi nga 40 në 100 mm, dhe këndi i bishtit (\(\α \)) ndryshoi nga \(20 – 60 \, ^ {\circ}\).
Në fig. 6a tregohet një grafik tornadoje me koeficientë të ndryshëm korrelacioni për secilin parametër me kërkesat e projektimit të forcës shtytëse maksimale. Nga fig. 6a mund të shihet se parametri i tensionit (\(V_{in}\)) është i lidhur drejtpërdrejt me forcën maksimale të daljes, dhe koeficienti i transferimit të nxehtësisë konvektive (\(h_T\)), këndi i flakës (\(α\)), konstanta e zhvendosjes së sustës (\(K_x\)) është e lidhur negativisht me forcën e daljes dhe gjatësinë fillestare (\(l_0\)) të telit SMA, dhe numri i degëve unimodale (n) tregon një korrelacion të fortë invers. Në rastin e korrelacionit të drejtpërdrejtë, në rastin e një vlere më të lartë të koeficientit të korrelacionit të tensionit (\(V_ {in}\)) tregon se ky parametër ka efektin më të madh në daljen e fuqisë. Një analizë tjetër e ngjashme mat forcën maksimale duke vlerësuar efektin e parametrave të ndryshëm në kombinime të ndryshme të dy hapësirave llogaritëse, siç tregohet në Fig. 6b, c. \(V_{in}\) dhe \(l_0\), \(\alpha\) dhe \(l_0\) kanë modele të ngjashme, dhe grafiku tregon se \(V_{in}\) dhe \(\alpha\) dhe \(\alpha\) kanë modele të ngjashme. Vlerat më të vogla të \(l_0\) rezultojnë në forca maksimale më të larta. Dy grafikët e tjerë janë në përputhje me Figurën 6a, ku n dhe \(K_x\) janë të korreluara negativisht dhe \(V_{in}\) janë të korreluara pozitivisht. Kjo analizë ndihmon në përcaktimin dhe rregullimin e parametrave ndikues me anë të të cilëve forca dalëse, goditja dhe efikasiteti i sistemit të transmisionit mund të përshtaten me kërkesat dhe zbatimin.
Puna kërkimore aktuale prezanton dhe heton drejtimet hierarkike me N nivele. Në një hierarki me dy nivele, siç tregohet në Fig. 7a, ku në vend të çdo teli SMA të aktivizuesit të nivelit të parë, arrihet një rregullim bimodal, siç tregohet në fig. 9e. Në fig. 7c tregohet se si teli SMA është i mbështjellë rreth një krahu të lëvizshëm (krah ndihmës) që lëviz vetëm në drejtimin gjatësor. Megjithatë, krahu kryesor i lëvizshëm vazhdon të lëvizë në të njëjtën mënyrë si krahu i lëvizshëm i aktivizuesit shumëfazor të fazës së parë. Në mënyrë tipike, një drejtim N-fazë krijohet duke zëvendësuar telin SMA të fazës \(N-1\) me një drejtim të fazës së parë. Si rezultat, çdo degë imiton drejtimin e fazës së parë, me përjashtim të degës që mban vetë telin. Në këtë mënyrë, mund të formohen struktura të ndërthurura që krijojnë forca që janë disa herë më të mëdha se forcat e drejtimeve primare. Në këtë studim, për secilin nivel, u mor në konsideratë një gjatësi totale efektive e telit SMA prej 1 m, siç tregohet në format tabelar në Fig. 7d. Rryma që kalon nëpër secilin tel në secilin dizajn unimodal dhe para-stresi dhe tensioni që rezulton në secilin segment të telit SMA janë të njëjta në secilin nivel. Sipas modelit tonë analitik, forca e daljes është e korreluar pozitivisht me nivelin, ndërsa zhvendosja është e korreluar negativisht. Në të njëjtën kohë, kishte një kompromis midis zhvendosjes dhe forcës muskulore. Siç shihet në fig. 7b, ndërsa forca maksimale arrihet në numrin më të madh të shtresave, zhvendosja më e madhe vërehet në shtresën më të ulët. Kur niveli i hierarkisë u vendos në \(N=5\), u gjet një forcë maksimale muskulore prej 2.58 kN me 2 goditje të vëzhguara \(\upmu\)m. Nga ana tjetër, ngasja e fazës së parë gjeneron një forcë prej 150 N me një goditje prej 277 \(\upmu\)m. Aktuatorët me shumë nivele janë në gjendje të imitojnë muskujt e vërtetë biologjikë, ku muskujt artificialë të bazuar në lidhjet e memories së formës janë në gjendje të gjenerojnë forca dukshëm më të larta me lëvizje të sakta dhe më të imëta. Kufizimet e këtij dizajni të miniaturizuar janë se, ndërsa hierarkia rritet, lëvizja zvogëlohet shumë dhe kompleksiteti i procesit të prodhimit të transmisionit rritet.
(a) Një sistem aktuatori linear me dy faza (\(N=2\)) me shtresa prej aliazhi me memorie forme tregohet në një konfigurim bimodal. Modeli i propozuar arrihet duke zëvendësuar telin SMA në aktuatorin me shtresa të fazës së parë me një aktuator tjetër me shtresa të vetme. (c) Konfigurimi i deformuar i aktuatorit shumështresor të fazës së dytë. (b) Përshkruhet shpërndarja e forcave dhe zhvendosjeve në varësi të numrit të niveleve. Është zbuluar se forca maksimale e aktuatorit është e korreluar pozitivisht me nivelin e shkallës në grafik, ndërsa goditja është e korreluar negativisht me nivelin e shkallës. Rryma dhe para-voltazhi në secilin tel mbeten konstante në të gjitha nivelet. (d) Tabela tregon numrin e lidhjeve dhe gjatësinë e telit (fibrës) SMA në secilin nivel. Karakteristikat e telave tregohen nga indeksi 1, dhe numri i degëve sekondare (një e lidhur me këmbën primare) tregohet nga numri më i madh në nën-indeks. Për shembull, në nivelin 5, \(n_1\) i referohet numrit të telave SMA të pranishëm në secilën strukturë bimodale, dhe \(n_5\) i referohet numrit të këmbëve ndihmëse (njëra e lidhur me këmbën kryesore).
Shumë studiues kanë propozuar metoda të ndryshme për të modeluar sjelljen e SMA-ve me memorie forme, të cilat varen nga vetitë termomekanike që shoqërojnë ndryshimet makroskopike në strukturën kristalore të shoqëruara me tranzicionin fazor. Formulimi i metodave përbërëse është në thelb kompleks. Modeli fenomenologjik më i përdorur është propozuar nga Tanaka28 dhe përdoret gjerësisht në aplikimet inxhinierike. Modeli fenomenologjik i propozuar nga Tanaka [28] supozon se fraksioni i vëllimit të martensitit është një funksion eksponencial i temperaturës dhe stresit. Më vonë, Liang dhe Rogers29 dhe Brinson30 propozuan një model në të cilin dinamika e tranzicionit fazor supozohej të ishte një funksion kosinus i tensionit dhe temperaturës, me modifikime të vogla në model. Becker dhe Brinson propozuan një model kinetik të bazuar në diagramin fazor për të modeluar sjelljen e materialeve SMA në kushte arbitrare ngarkimi, si dhe tranzicione të pjesshme. Banerjee32 përdor metodën e dinamikës së diagramit fazor Bekker dhe Brinson31 për të simuluar një manipulues me një shkallë të vetme lirie të zhvilluar nga Elahinia dhe Ahmadian33. Metodat kinetike të bazuara në diagramet e fazave, të cilat marrin parasysh ndryshimin jo-monotonik të tensionit me temperaturën, janë të vështira për t'u zbatuar në aplikimet inxhinierike. Elakhinia dhe Ahmadian tërheqin vëmendjen ndaj këtyre mangësive të modeleve ekzistuese fenomenologjike dhe propozojnë një model fenomenologjik të zgjeruar për të analizuar dhe përcaktuar sjelljen e memories së formës në çdo kusht kompleks ngarkimi.
Modeli strukturor i telit SMA jep tensionin (\(\sigma\)), deformimin (\(\epsilon\)), temperaturën (T) dhe fraksionin vëllimor të martensitit (\(\xi\)) të telit SMA. Modeli konstituiv fenomenologjik u propozua për herë të parë nga Tanaka28 dhe më vonë u miratua nga Liang29 dhe Brinson30. Derivati i ekuacionit ka formën:
ku E është moduli i Young-ut SMA i varur nga faza, i marrë duke përdorur \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) dhe \(E_A\) dhe \(E_M\) që përfaqësojnë modulin e Young-ut janë përkatësisht fazat austenitike dhe martensitike, dhe koeficienti i zgjerimit termik përfaqësohet nga \(\theta _T\). Faktori i kontributit të tranzicionit të fazës është \(\Omega = -E \epsilon _L\) dhe \(\epsilon _L\) është deformimi maksimal i rikuperueshëm në telin SMA.
Ekuacioni i dinamikës së fazës përkon me funksionin kosinus të zhvilluar nga Liang29 dhe më vonë të miratuar nga Brinson30 në vend të funksionit eksponencial të propozuar nga Tanaka28. Modeli i tranzicionit të fazës është një zgjerim i modelit të propozuar nga Elakhinia dhe Ahmadian34 dhe i modifikuar bazuar në kushtet e tranzicionit të fazës të dhëna nga Liang29 dhe Brinson30. Kushtet e përdorura për këtë model të tranzicionit të fazës janë të vlefshme nën ngarkesa komplekse termomekanike. Në çdo moment të kohës, vlera e fraksionit të vëllimit të martensitit llogaritet kur modelohet ekuacioni përbërës.
Ekuacioni qeverisës i ritransformimit, i shprehur nga transformimi i martensitit në austenit në kushte ngrohjeje, është si më poshtë:
ku \(\xi\) është fraksioni vëllimor i martensitit, \(\xi _M\) është fraksioni vëllimor i martensitit i marrë para ngrohjes, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) dhe \(C_A\) – parametrat e përafrimit të kurbës, T – temperatura e telit SMA, \(A_s\) dhe \(A_f\) – fillimi dhe fundi i fazës së austenitit, përkatësisht, temperatura.
Ekuacioni i kontrollit të transformimit të drejtpërdrejtë, i përfaqësuar nga transformimi fazor i austenitit në martensit në kushte ftohjeje, është:
ku \(\xi _A\) është fraksioni vëllimor i martensitit të marrë para ftohjes, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) dhe \(C_M\) – parametrat e përshtatjes së kurbës, T – temperatura e telit SMA, \(M_s\) dhe \(M_f\) – temperaturat fillestare dhe përfundimtare të martensitit, përkatësisht.
Pasi diferencohen ekuacionet (3) dhe (4), ekuacionet e transformimit invers dhe të drejtpërdrejtë thjeshtohen në formën e mëposhtme:
Gjatë transformimit përpara dhe prapa, \(\eta _{\sigma}\) dhe \(\eta _{T}\) marrin vlera të ndryshme. Ekuacionet bazë të shoqëruara me \(\eta _{\sigma}\) dhe \(\eta _{T}\) janë nxjerrë dhe diskutuar në detaje në një seksion shtesë.
Energjia termike e nevojshme për të rritur temperaturën e telit SMA vjen nga efekti i ngrohjes së Xhaulit. Energjia termike e absorbuar ose e çliruar nga teli SMA përfaqësohet nga nxehtësia latente e transformimit. Humbja e nxehtësisë në telin SMA është për shkak të konvekcionit të detyruar, dhe duke pasur parasysh efektin e papërfillshëm të rrezatimit, ekuacioni i bilancit të energjisë së nxehtësisë është si më poshtë:
Ku \(m_{wire}\) është masa totale e telit SMA, \(c_{p}\) është kapaciteti specifik i nxehtësisë së SMA-së, \(V_{in}\) është tensioni i aplikuar në tel, \(R_{ohm}\) – rezistenca SMA e varur nga faza, e përcaktuar si; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) ku \(r_M\) dhe \(r_A\) janë rezistenca e fazës SMA në martensit dhe austenit, përkatësisht, \(A_{c}\) është sipërfaqja e telit SMA, \(Delta H\) është një aliazh me memorie forme. Nxehtësia latente e tranzicionit të telit, T dhe \(T_{infty}\) janë temperaturat e telit SMA dhe të mjedisit, përkatësisht.
Kur aktivizohet një tel aliazh me memorie forme, teli ngjeshet, duke krijuar një forcë në secilën degë të dizajnit bimodal të quajtur forcë fibre. Forcat e fibrave në secilën fije të telit SMA së bashku krijojnë forcën muskulore për të aktivizuar, siç tregohet në Fig. 9e. Për shkak të pranisë së një sustë polarizuese, forca totale muskulore e aktivizuesit shumështresor të N-të është:
Duke zëvendësuar \(N = 1\) në ekuacionin (7), forca muskulore e prototipit të fazës së parë të ngasjes bimodale mund të merret si më poshtë:
ku n është numri i këmbëve unimodale, \(F_m\) është forca muskulore e gjeneruar nga transmisioni, \(F_f\) është forca e fibrës në telin SMA, \(K_x\) është ngurtësia e polarizimit të sustës, \(\alpha\) është këndi i trekëndëshit, \(x_0\) është zhvendosja fillestare e sustës së polarizimit për të mbajtur kabllon SMA në pozicionin e paratensionuar, dhe \(\Delta x\) është lëvizja e aktuatorit.
Zhvendosja ose lëvizja totale e transmisionit (\(\Delta x\)) në varësi të tensionit (\(\sigma\)) dhe tendosjes (\(\epsilon\)) në telin SMA të fazës së N-të, transmisioni është vendosur në (shih Fig. pjesë shtesë e daljes):
Ekuacionet kinematike japin marrëdhënien midis deformimit të drejtimit (\(\epsilon\)) dhe zhvendosjes ose zhvendosjes (\(\Delta x\)). Deformimi i telit Arb si funksion i gjatësisë fillestare të telit Arb (\(l_0\)) dhe gjatësisë së telit (l) në çdo kohë t në një degë unimodale është si më poshtë:
ku \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \α_1}\) merret duke zbatuar formulën e kosinusit në \(\Delta\)ABB', siç tregohet në Figurën 8. Për fazën e parë të transmisionit (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) është \(\Delta x\), dhe \(\α_1\) është \(\α\) siç tregohet në Siç tregohet në Figurën 8, duke diferencuar kohën nga Ekuacioni (11) dhe duke zëvendësuar vlerën e l, shkalla e deformimit mund të shkruhet si:
ku \(l_0\) është gjatësia fillestare e telit SMA, l është gjatësia e telit në çdo kohë t në një degë unimodale, \(\epsilon\) është deformimi i zhvilluar në telin SMA, dhe \(\alpha\) është këndi i trekëndëshit, \(\Delta x\) është zhvendosja e drejtimit (siç tregohet në Figurën 8).
Të gjitha n strukturat me një kulm të vetëm (\(n=6\) në këtë figurë) janë të lidhura në seri me \(V_{in}\) si tension hyrës. Faza I: Diagrama skematike e telit SMA në një konfigurim bimodal në kushte tensioni zero. Faza II: Tregohet një strukturë e kontrolluar ku teli SMA është i kompresuar për shkak të konvertimit invers, siç tregohet nga vija e kuqe.
Si provë e konceptit, u zhvillua një sistem drejtimi bimodal i bazuar në SMA për të testuar derivimin e simuluar të ekuacioneve themelore me rezultate eksperimentale. Modeli CAD i aktivizuesit linear bimodal është treguar në fig. 9a. Nga ana tjetër, në fig. 9c tregohet një dizajn i ri i propozuar për një lidhje prizmatike rrotulluese duke përdorur një aktivizues dyplanësh të bazuar në SMA me një strukturë bimodale. Komponentët e sistemit të drejtimit u prodhuan duke përdorur prodhim aditiv në një printer 3D Ultimaker 3 Extended. Materiali i përdorur për printimin 3D të komponentëve është polikarbonati i cili është i përshtatshëm për materiale rezistente ndaj nxehtësisë pasi është i fortë, i qëndrueshëm dhe ka një temperaturë të lartë të tranzicionit të qelqit (110-113 \(^{\circ }\)C). Përveç kësaj, në eksperimente u përdor teli i lidhjes me memorie forme Flexinol i Dynalloy, Inc., dhe vetitë e materialit që korrespondojnë me telin Flexinol u përdorën në simulime. Tela të shumëfishta SMA janë rregulluar si fibra të pranishme në një rregullim bimodal të muskujve për të marrë forcat e larta të prodhuara nga aktivizuesit shumështresorë, siç tregohet në Fig. 9b, d.
Siç tregohet në Figurën 9a, këndi akut i formuar nga teli SMA i krahut të lëvizshëm quhet këndi (\(\alpha\)). Me kapëse terminale të bashkangjitura në kapësen e majtë dhe të djathtë, teli SMA mbahet në këndin e dëshiruar bimodal. Pajisja e sustës së polarizuar e mbajtur në lidhësin e sustës është projektuar për të rregulluar grupet e ndryshme të zgjatjes së sustës së polarizuar sipas numrit (n) të fibrave SMA. Përveç kësaj, vendndodhja e pjesëve lëvizëse është projektuar në mënyrë që teli SMA të jetë i ekspozuar ndaj mjedisit të jashtëm për ftohje me konvekcion të detyruar. Pllakat e sipërme dhe të poshtme të montimit të shkëputshëm ndihmojnë në mbajtjen e telit SMA të ftohtë me prerje të nxjerra të projektuara për të zvogëluar peshën. Përveç kësaj, të dy skajet e telit CMA janë të fiksuara në terminalet e majtë dhe të djathtë, përkatësisht, me anë të një ngjitësi. Një piston është i bashkangjitur në njërën anë të montimit të lëvizshëm për të ruajtur hapësirën midis pllakave të sipërme dhe të poshtme. Piston përdoret gjithashtu për të aplikuar një forcë bllokimi në sensor nëpërmjet një kontakti për të matur forcën bllokuese kur aktivizohet teli SMA.
Struktura muskulore bimodale SMA është e lidhur elektrikisht në seri dhe furnizohet me energji nga një tension pulsi hyrës. Gjatë ciklit të pulsit të tensionit, kur aplikohet tension dhe teli SMA nxehet mbi temperaturën fillestare të austenitit, gjatësia e telit në secilën fije shkurtohet. Ky tërheqje aktivizon nën-montazhin e krahut të lëvizshëm. Kur tensioni u zerua në të njëjtin cikël, teli SMA i ngrohur u ftoh nën temperaturën e sipërfaqes së martensitit, duke u kthyer kështu në pozicionin e tij origjinal. Në kushte zero stresi, teli SMA së pari shtrihet në mënyrë pasive nga një sustë e polarizuar për të arritur gjendjen martensitike të ndarë. Vida, përmes së cilës kalon teli SMA, lëviz për shkak të kompresimit të krijuar duke aplikuar një puls tensioni në telin SMA (SPA arrin fazën e austenitit), gjë që çon në aktivizimin e levës së lëvizshme. Kur teli SMA tërhiqet, susta e polarizuar krijon një forcë kundërshtare duke e shtrirë më tej sustën. Kur stresi në tensionin impulsiv bëhet zero, teli SMA zgjatet dhe ndryshon formën e tij për shkak të ftohjes me konvekcion të detyruar, duke arritur një fazë të dyfishtë martensitike.
Sistemi i propozuar i aktuatorit linear të bazuar në SMA ka një konfigurim bimodal në të cilin telat SMA janë të vendosur në kënd. (a) përshkruan një model CAD të prototipit, i cili përmend disa nga komponentët dhe kuptimet e tyre për prototipin, (b, d) përfaqësojnë prototipin eksperimental të zhvilluar35. Ndërsa (b) tregon një pamje nga lart të prototipit me lidhje elektrike dhe sustat e polarizimit dhe matësat e tendosjes të përdorura, (d) tregon një pamje perspektive të konfigurimit. (e) Diagrama e një sistemi aktuator linear me tela SMA të vendosur në mënyrë bimodale në çdo kohë t, duke treguar drejtimin dhe rrjedhën e fibrave dhe forcën muskulore. (c) Një lidhje prizmatike rrotulluese 2-DOF është propozuar për vendosjen e një aktuatori të bazuar në SMA me dy plane. Siç tregohet, lidhja transmeton lëvizje lineare nga lëvizësi i poshtëm në krahun e sipërm, duke krijuar një lidhje rrotulluese. Nga ana tjetër, lëvizja e çiftit të prizmave është e njëjtë me lëvizjen e lëvizjes së fazës së parë shumështresore.
Një studim eksperimental u krye mbi prototipin e treguar në Fig. 9b për të vlerësuar performancën e një ngasjeje bimodale bazuar në SMA. Siç tregohet në Figurën 10a, konfigurimi eksperimental përbëhej nga një furnizim me energji DC i programueshëm për të furnizuar tensionin e hyrjes në telat SMA. Siç tregohet në fig. 10b, një matës i tendosjes piezoelektrik (PACEline CFT/5kN) u përdor për të matur forcën bllokuese duke përdorur një regjistrues të dhënash Graphtec GL-2000. Të dhënat regjistrohen nga pritësi për studime të mëtejshme. Matësit e tendosjes dhe amplifikatorët e ngarkesës kërkojnë një furnizim konstant me energji për të prodhuar një sinjal tensioni. Sinjalet përkatëse shndërrohen në dalje të fuqisë sipas ndjeshmërisë së sensorit të forcës piezoelektrike dhe parametrave të tjerë siç përshkruhet në Tabelën 2. Kur aplikohet një impuls tensioni, temperatura e telit SMA rritet, duke shkaktuar kompresimin e telit SMA, gjë që bën që aktivizuesi të gjenerojë forcë. Rezultatet eksperimentale të daljes së forcës muskulore nga një impuls tensioni hyrës prej 7 V tregohen në fig. 2a.
(a) Një sistem aktuatori linear i bazuar në SMA u krijua në eksperiment për të matur forcën e gjeneruar nga aktuatori. Qeliza e ngarkesës mat forcën bllokuese dhe furnizohet me energji nga një furnizim me energji DC 24 V. Një rënie tensioni prej 7 V u aplikua përgjatë gjithë gjatësisë së kabllit duke përdorur një furnizim me energji DC të programueshëm GW Instek. Teli SMA tkurret për shkak të nxehtësisë dhe krahu i lëvizshëm bie në kontakt me qelizën e ngarkesës dhe ushtron një forcë bllokuese. Qeliza e ngarkesës është e lidhur me regjistruesin e të dhënave GL-2000 dhe të dhënat ruhen në host për përpunim të mëtejshëm. (b) Diagrama që tregon zinxhirin e komponentëve të konfigurimit eksperimental për matjen e forcës muskulore.
Aliazhet me memorie forme ngacmohen nga energjia termike, kështu që temperatura bëhet një parametër i rëndësishëm për studimin e fenomenit të memories së formës. Eksperimentalisht, siç tregohet në Fig. 11a, matjet e imazhit termik dhe të temperaturës u kryen në një prototip aktivizuesi divalerati të bazuar në SMA. Një burim DC i programueshëm aplikoi tension hyrës në telat SMA në konfigurimin eksperimental, siç tregohet në Figurën 11b. Ndryshimi i temperaturës së telit SMA u mat në kohë reale duke përdorur një kamerë LWIR me rezolucion të lartë (FLIR A655sc). Pritësi përdor softuerin ResearchIR për të regjistruar të dhëna për përpunim të mëtejshëm pas përpunimit. Kur aplikohet një puls tensioni, temperatura e telit SMA rritet, duke shkaktuar tkurrjen e telit SMA. Në fig. Figura 2b tregon rezultatet eksperimentale të temperaturës së telit SMA kundrejt kohës për një puls tensioni hyrës 7V.
Koha e postimit: 28 shtator 2022
