Tack för att du besöker Nature.com.Webbläsarversionen du använder har begränsat CSS-stöd.För bästa upplevelse rekommenderar vi att du använder en uppdaterad webbläsare (eller inaktiverar kompatibilitetsläge i Internet Explorer).Under tiden, för att säkerställa fortsatt support, kommer vi att rendera webbplatsen utan stilar och JavaScript.
Ställdon används överallt och skapar kontrollerad rörelse genom att applicera rätt magnetiseringskraft eller vridmoment för att utföra olika operationer inom tillverkning och industriell automation.Behovet av snabbare, mindre och effektivare frekvensomriktare driver innovation inom frekvensomriktardesign.SMA-enheter (Shape Memory Alloy) erbjuder ett antal fördelar jämfört med konventionella enheter, inklusive ett högt effekt-till-vikt-förhållande.I denna avhandling utvecklades ett tvåfjädrat SMA-baserat ställdon som kombinerar fördelarna med de fjädrande musklerna i biologiska system och de unika egenskaperna hos SMA.Denna studie utforskar och utökar tidigare SMA-ställdon genom att utveckla en matematisk modell av det nya ställdonet baserad på det bimodala SMA-trådarrangemanget och testa det experimentellt.Jämfört med kända frekvensomriktare baserade på SMA är manöverkraften för den nya frekvensomriktaren minst 5 gånger högre (upp till 150 N).Motsvarande viktminskning är cirka 67%.Resultaten av känslighetsanalys av matematiska modeller är användbara för att ställa in designparametrar och förstå nyckelparametrar.Den här studien presenterar vidare en N:te stegsdrift på flera nivåer som kan användas för att ytterligare förbättra dynamiken.SMA-baserade dipvalerat-muskelaktuatorer har ett brett spektrum av applikationer, från byggnadsautomation till precisionssystem för läkemedelstillförsel.
Biologiska system, såsom muskelstrukturer hos däggdjur, kan aktivera många subtila ställdon1.Däggdjur har olika muskelstrukturer som var och en har ett specifikt syfte.Men mycket av strukturen hos däggdjursmuskelvävnad kan delas in i två breda kategorier.Parallell och pennate.I hamstrings och andra flexorer, som namnet antyder, har den parallella muskulaturen muskelfibrer parallella med den centrala senan.Kedjan av muskelfibrer är uppradade och funktionellt sammankopplade av bindväven runt dem.Även om dessa muskler sägs ha en stor exkursion (procentuell förkortning), är deras totala muskelstyrka mycket begränsad.I motsats till detta, i triceps vadmuskel2 (lateral gastrocnemius (GL)3, mediala gastrocnemius (GM)4 och soleus (SOL)) och extensor femoris (quadriceps) finns 5,6 pennate muskelvävnad i varje muskel7.I en pinnat struktur finns muskelfibrerna i den bipennate muskulaturen på båda sidor om den centrala senan i sneda vinklar (finnate angles).Pennate kommer från det latinska ordet "penna", som betyder "penna", och, som visas i fig.1 har ett fjäderliknande utseende.Pennatmusklernas fibrer är kortare och vinklade mot muskelns längdaxel.På grund av den pinnate strukturen reduceras den totala rörligheten hos dessa muskler, vilket leder till de tvärgående och längsgående komponenterna i förkortningsprocessen.Å andra sidan leder aktivering av dessa muskler till högre total muskelstyrka på grund av hur fysiologisk tvärsnittsarea mäts.Därför, för en given tvärsnittsarea, kommer pennatmusklerna att vara starkare och generera högre krafter än muskler med parallella fibrer.Krafter som genereras av individuella fibrer genererar muskelkrafter på en makroskopisk nivå i den muskelvävnaden.Dessutom har den så unika egenskaper som snabb krympning, skydd mot dragskador, dämpning.Det förvandlar förhållandet mellan fiberinmatning och muskelkraft genom att utnyttja de unika egenskaperna och geometriska komplexiteten hos fiberarrangemanget som är förknippat med muskelrörelser.
Visade är schematiska diagram av befintliga SMA-baserade ställdonkonstruktioner i relation till en bimodal muskulär arkitektur, till exempel (a), som representerar interaktionen av taktil kraft i vilken en handformad enhet som påverkas av SMA-trådar är monterad på en tvåhjulig autonom mobil robot9,10., (b) Robotisk orbitalprotes med antagonistiskt placerad SMA-fjäderbelastad orbitalprotes.Det protetiska ögats position styrs av en signal från ögonmuskeln i ögat11, (c) SMA-ställdon är idealiska för undervattenstillämpningar på grund av deras höga frekvenssvar och låga bandbredd.I den här konfigurationen används SMA-ställdon för att skapa vågrörelse genom att simulera fiskens rörelse, (d) SMA-ställdon används för att skapa en mikrorörsinspektionsrobot som kan använda principen om tummaskrörelse, styrd av rörelsen av SMA-trådar inuti kanal 10, (e) visar riktningen för kontraktionsmuskelfibrerna och genererar sammandragningskraften i SMA-vävnaden, (tråden) pennate muskelstruktur.
Ställdon har blivit en viktig del av mekaniska system på grund av deras breda användningsområde.Därför blir behovet av mindre, snabbare och mer effektiva enheter kritiskt.Trots sina fördelar har traditionella enheter visat sig vara dyra och tidskrävande att underhålla.Hydrauliska och pneumatiska ställdon är komplexa och dyra och är föremål för slitage, smörjproblem och komponentfel.Som svar på efterfrågan ligger fokus på att utveckla kostnadseffektiva, dimensioneringsoptimerade och avancerade ställdon baserade på smarta material.Pågående forskning tittar på formminneslegering (SMA) lagerställdon för att möta detta behov.Hierarkiska ställdon är unika genom att de kombinerar många diskreta ställdon till geometriskt komplexa undersystem i makroskala för att ge ökad och utökad funktionalitet.I detta avseende tillhandahåller den mänskliga muskelvävnaden som beskrivs ovan ett utmärkt flerskiktsexempel på sådan flerskiktsaktivering.Den aktuella studien beskriver en multi-level SMA-drivenhet med flera individuella drivelement (SMA-trådar) anpassade till fiberorienteringarna som finns i bimodala muskler, vilket förbättrar den övergripande drivprestandan.
Huvudsyftet med ett ställdon är att generera mekanisk effekt såsom kraft och förskjutning genom att omvandla elektrisk energi.Formminneslegeringar är en klass av "smarta" material som kan återställa sin form vid höga temperaturer.Under hög belastning leder en ökning av temperaturen på SMA-tråden till formåtervinning, vilket resulterar i en högre aktiveringsenergitäthet jämfört med olika direktbundna smarta material.Samtidigt, under mekanisk belastning, blir SMA:er spröda.Under vissa förhållanden kan en cyklisk belastning absorbera och frigöra mekanisk energi, vilket uppvisar reversibla hysteretiska formförändringar.Dessa unika egenskaper gör SMA idealisk för sensorer, vibrationsdämpning och speciellt ställdon12.Med detta i åtanke har det gjorts mycket forskning kring SMA-baserade enheter.Det bör noteras att SMA-baserade ställdon är designade för att ge translations- och rotationsrörelse för en mängd olika applikationer13,14,15.Även om vissa roterande ställdon har utvecklats, är forskare särskilt intresserade av linjära ställdon.Dessa linjära ställdon kan delas in i tre typer av ställdon: endimensionella, förskjutna och differentiella ställdon 16 .Initialt skapades hybridenheter i kombination med SMA och andra konventionella enheter.Ett sådant exempel på ett SMA-baserat linjärt hybridställdon är användningen av en SMA-tråd med en likströmsmotor för att ge en uteffekt på cirka 100 N och betydande förskjutning17.
En av de första utvecklingarna inom frekvensomriktare baserade helt på SMA var SMA parallelldrift.Genom att använda flera SMA-trådar är den SMA-baserade parallellfrekvensomriktaren utformad för att öka frekvensomriktarens strömkapacitet genom att placera alla SMA18-ledningar parallellt.Parallell anslutning av ställdon kräver inte bara mer effekt, utan begränsar också uteffekten från en enda tråd.En annan nackdel med SMA-baserade ställdon är den begränsade rörelsen de kan uppnå.För att lösa detta problem skapades en SMA-kabelbalk innehållande en avböjd flexibel balk för att öka förskjutningen och uppnå linjär rörelse, men genererade inte högre krafter19.Mjuka deformerbara strukturer och tyger för robotar baserade på formminneslegeringar har utvecklats främst för slagförstärkning20,21,22.För applikationer där höga hastigheter krävs har kompaktdrivna pumpar rapporterats som använder tunnfilms-SMA för mikropumpdrivna applikationer23.Körfrekvensen för det tunnfilms SMA-membranet är en nyckelfaktor för att kontrollera förarens hastighet.Därför har SMA linjärmotorer en bättre dynamisk respons än SMA fjäder- eller stavmotorer.Mjuk robotik och gripteknik är två andra applikationer som använder SMA-baserade ställdon.Till exempel, för att ersätta standardmanöverdonet som används i 25 N utrymmesklämman, utvecklades ett parallellställdon 24 av formminneslegering.I ett annat fall tillverkades ett mjukt SMA-ställdon baserat på en tråd med en inbäddad matris som kan producera en maximal dragkraft på 30 N. På grund av deras mekaniska egenskaper används SMA:er också för att tillverka ställdon som efterliknar biologiska fenomen.En sådan utveckling inkluderar en 12-cellsrobot som är en biomimetik av en daggmaskliknande organism med SMA för att generera en sinusformad rörelse för att elda26,27.
Som tidigare nämnts finns det en gräns för den maximala kraft som kan erhållas från befintliga SMA-baserade ställdon.För att lösa detta problem presenterar denna studie en biomimetisk bimodal muskelstruktur.Drivs av formminneslegeringstråd.Den tillhandahåller ett klassificeringssystem som inkluderar flera trådar av formminneslegering.Hittills har inga SMA-baserade ställdon med liknande arkitektur rapporterats i litteraturen.Detta unika och nya system baserat på SMA utvecklades för att studera beteendet hos SMA under bimodal muskeluppriktning.Jämfört med befintliga SMA-baserade ställdon var målet med denna studie att skapa ett biomimetiskt dipvalerat ställdon för att generera betydligt högre krafter i en liten volym.Jämfört med konventionella stegmotordrivna frekvensomriktare som används i HVAC-byggnadsautomation och styrsystem, minskar den föreslagna SMA-baserade bimodala drivmekanismens vikt med 67 %.I det följande används termerna "muskel" och "drift" omväxlande.Denna studie undersöker multifysisk simulering av en sådan enhet.Det mekaniska beteendet hos sådana system har studerats med experimentella och analytiska metoder.Kraft- och temperaturfördelningar undersöktes ytterligare vid en inspänning på 7 V. Därefter genomfördes en parametrisk analys för att bättre förstå sambandet mellan nyckelparametrar och uteffekten.Slutligen har hierarkiska manöverdon föreställts och hierarkiska nivåeffekter har föreslagits som ett potentiellt framtida område för icke-magnetiska manöverdon för protesapplikationer.Enligt resultaten från de ovan nämnda studierna producerar användningen av en enstegsarkitektur krafter som är minst fyra till fem gånger högre än rapporterade SMA-baserade ställdon.Dessutom har samma drivkraft som genereras av en multi-level multi-level drive visat sig vara mer än tio gånger så stor som för konventionella SMA-baserade enheter.Studien redovisar sedan nyckelparametrar med hjälp av känslighetsanalys mellan olika konstruktioner och indatavariabler.Den initiala längden på SMA-tråden (\(l_0\)), den pinnate vinkeln (\(\alpha\)) och antalet enkelsträngar (n) i varje enskild tråd har en stark negativ effekt på storleken på drivkraften.styrka, medan ingångsspänningen (energin) visade sig vara positivt korrelerad.
SMA-tråd uppvisar formminneseffekten (SME) som ses i nickel-titan (Ni-Ti) familjen av legeringar.Typiskt uppvisar SMA två temperaturberoende faser: en lågtemperaturfas och en högtemperaturfas.Båda faserna har unika egenskaper på grund av närvaron av olika kristallstrukturer.I austenitfasen (högtemperaturfasen) som existerar över omvandlingstemperaturen uppvisar materialet hög hållfasthet och deformeras dåligt under belastning.Legeringen beter sig som rostfritt stål, så den klarar högre manövertryck.Genom att dra fördel av denna egenskap hos Ni-Ti-legeringar är SMA-trådarna lutade för att bilda ett ställdon.Lämpliga analytiska modeller utvecklas för att förstå den grundläggande mekaniken i det termiska beteendet hos SMA under påverkan av olika parametrar och olika geometrier.God överensstämmelse erhölls mellan de experimentella och analytiska resultaten.
En experimentell studie utfördes på prototypen som visas i Fig. 9a för att utvärdera prestandan hos en bimodal enhet baserad på SMA.Två av dessa egenskaper, kraften som genereras av drivningen (muskelkraft) och temperaturen på SMA-tråden (SMA-temperatur), mättes experimentellt.När spänningsskillnaden ökar längs hela ledningens längd i frekvensomriktaren, ökar temperaturen på ledningen på grund av Joule-värmeeffekten.Inspänningen applicerades i två 10-s cykler (visade som röda prickar i fig. 2a, b) med en 15-s kylperiod mellan varje cykel.Blockeringskraften mättes med hjälp av en piezoelektrisk töjningsmätare, och temperaturfördelningen av SMA-tråden övervakades i realtid med hjälp av en högupplöst LWIR-kamera av vetenskaplig kvalitet (se egenskaperna hos utrustningen som används i tabell 2).visar att under högspänningsfasen ökar temperaturen på tråden monotont, men när ingen ström flyter fortsätter temperaturen på tråden att sjunka.I den nuvarande experimentuppställningen sjönk temperaturen på SMA-tråden under avkylningsfasen, men den var fortfarande över den omgivande temperaturen.På fig.2e visar en ögonblicksbild av temperaturen på SMA-kabeln tagen från LWIR-kameran.Å andra sidan, i fig.2a visar blockeringskraften som genereras av drivsystemet.När muskelkraften överstiger fjäderns återställningskraft börjar den rörliga armen, som visas i figur 9a, att röra sig.Så snart aktiveringen börjar kommer den rörliga armen i kontakt med sensorn, vilket skapar en kroppskraft, som visas i fig.2c, d.När den maximala temperaturen är nära \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), är den maximala observerade kraften 105 N.
Grafen visar de experimentella resultaten av temperaturen på SMA-tråden och kraften som genereras av det SMA-baserade bimodala ställdonet under två cykler.Ingångsspänningen appliceras i två cykler på 10 sekunder (visas som röda punkter) med en 15 sekunders nedkylningsperiod mellan varje cykel.SMA-tråden som användes för experimenten var en Flexinol-tråd med diametern 0,51 mm från Dynalloy, Inc. (a) Grafen visar den experimentella kraften som erhållits under två cykler, (c, d) visar två oberoende exempel på verkan av manöverdon med rörliga armar på en PACEline CFT/5kN piezoelektrisk kraftgivare, (b) den maximala temperaturen för kabeln, (b) den maximala temperaturen för kabeln, (b) ögonblicksbild tagen från SMA-kabeln med FLIR ResearchIR-programvaran LWIR-kamera.De geometriska parametrarna som beaktats i experimenten ges i tabell.ett.
Simuleringsresultaten för den matematiska modellen och de experimentella resultaten jämförs under villkoret av en inspänning på 7V, som visas i Fig.5.Enligt resultaten av parametrisk analys och för att undvika risken för överhettning av SMA-tråden, tillfördes en effekt på 11,2 W till ställdonet.En programmerbar likströmskälla användes för att mata 7V som inspänning, och en ström på 1,6A mättes över ledningen.Kraften som genereras av frekvensomriktaren och temperaturen på SDR ökar när ström appliceras.Med en inspänning på 7V är den maximala utgångskraften som erhålls från simuleringsresultaten och experimentella resultat från den första cykeln 78 N respektive 96 N.I den andra cykeln var den maximala uteffekten från simulerings- och experimentresultaten 150 N respektive 105 N.Avvikelsen mellan mätningar av ocklusionskraft och experimentella data kan bero på metoden som används för att mäta ocklusionskraft.De experimentella resultaten som visas i fig.5a motsvarar mätningen av låskraften, som i sin tur mättes när drivaxeln var i kontakt med PACEline CFT/5kN piezoelektriska kraftgivare, som visas i fig. 5a.2s.Därför, när drivaxeln inte är i kontakt med kraftsensorn i början av kylzonen, blir kraften omedelbart noll, såsom visas i fig. 2d.Dessutom är andra parametrar som påverkar kraftbildningen i efterföljande cykler värdena på kylningstiden och koefficienten för konvektiv värmeöverföring i föregående cykel.Från fig.2b kan man se att efter en 15 sekunders nedkylningsperiod nådde inte SMA-tråden rumstemperatur och hade därför en högre initial temperatur (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) i den andra körcykeln jämfört med den första cykeln (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Jämfört med den första cykeln når temperaturen på SMA-tråden under den andra uppvärmningscykeln den initiala austenittemperaturen (\(A_s\)) tidigare och stannar i övergångsperioden längre, vilket resulterar i stress och kraft.Å andra sidan har temperaturfördelningar under uppvärmnings- och kylningscykler erhållna från experiment och simuleringar en hög kvalitativ likhet med exempel från termografisk analys.Jämförande analys av SMA-tråds termiska data från experiment och simuleringar visade konsistens under uppvärmnings- och kylcykler och inom acceptabla toleranser för experimentella data.Den maximala temperaturen för SMA-tråden, erhållen från resultaten av simulering och experiment av den första cykeln, är \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) respektive \(75\,^{\circ }\hbox { C }\), och i den andra cykeln är maxtemperaturen för SMA-tråden \(94}\,\circ-tråden \(94}\,\circl 3,\circ-tråden \(94}\,\cirkel) \(94}\,\) }\ hbox {C}\).Den fundamentalt utvecklade modellen bekräftar effekten av formminneseffekten.Rollen av trötthet och överhettning beaktades inte i denna recension.I framtiden kommer modellen att förbättras för att inkludera spänningshistoriken för SMA-tråden, vilket gör den mer lämpad för tekniska tillämpningar.Frekvensomriktarens utgångskraft och SMA-temperaturdiagram erhållna från Simulink-blocket ligger inom de tillåtna toleranserna för experimentdata under villkoret av en inspänningspuls på 7 V. Detta bekräftar riktigheten och tillförlitligheten hos den utvecklade matematiska modellen.
Den matematiska modellen utvecklades i MathWorks Simulink R2020b-miljön med hjälp av de grundläggande ekvationerna som beskrivs i avsnittet Metoder.På fig.3b visar ett blockschema över Simulink-matematikmodellen.Modellen simulerades för en 7V inspänningspuls som visas i Fig. 2a,b.Värdena för parametrarna som används i simuleringen är listade i tabell 1. Resultaten av simuleringen av transienta processer presenteras i figurerna 1 och 1. figurerna 3a och 4. I fig.Fig. 4a,b visar den inducerade spänningen i SMA-tråden och den kraft som genereras av ställdonet som en funktion av tiden. Under omvänd transformation (uppvärmning), när SMA-trådens temperatur, \(T < A_s^{\prime}\) (spänningsmodifierad austenitfasstarttemperatur), kommer förändringshastigheten för martensitvolymfraktionen (\(\dot{\xi }\)) att vara noll. Under omvänd transformation (uppvärmning), när SMA-trådens temperatur, \(T < A_s^{\prime}\) (spänningsmodifierad austenitfasstarttemperatur), kommer förändringshastigheten för martensitvolymfraktionen (\(\dot{\ xi }\)) att vara noll. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (темпуратура начай ированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Under den omvända transformationen (uppvärmning), när temperaturen på SMA-tråden, \(T < A_s^{\prime}\) (spänningsmodifierad austenitstarttemperatur), kommer förändringshastigheten för martensitvolymfraktionen (\(\dot{\ xi }\ )) att vara noll.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奶姶姶姶姩佷禬氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\)) 将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t При обратном превращении (нагреве) при температуре проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (температура зарождения й на напряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Under den omvända transformationen (uppvärmningen) vid temperaturen hos SMA-tråden \(T < A_s^{\prime}\) (temperaturen för kärnbildningen av austenitfasen, korrigerad för spänning), kommer förändringshastigheten i volymfraktionen av martensit (\( \dot{\ xi }\)) att vara lika med noll.Därför kommer hastigheten för spänningsändringen (\(\dot{\sigma}\)) att bero på töjningshastigheten (\(\dot{\epsilon}\)) och temperaturgradienten (\(\dot{T} \) ) endast med användning av ekvation (1).Men när SMA-tråden ökar i temperatur och korsar (\(A_s^{\prime}\)), börjar austenitfasen att bildas, och (\(\dot{\xi}\)) tas som det givna värdet för ekvationen ( 3).Därför styrs spänningsförändringshastigheten (\(\dot{\sigma}\)) gemensamt av \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) och \(\dot{\xi}\) är lika med givna i formel (1).Detta förklarar gradientförändringarna som observerats i de tidsvarierande spännings- och kraftkartorna under uppvärmningscykeln, som visas i fig. 4a, b.
(a) Simuleringsresultat som visar temperaturfördelning och spänningsinducerad övergångstemperatur i ett SMA-baserat divalerat ställdon.När trådtemperaturen passerar austenitövergångstemperaturen i uppvärmningssteget, börjar den modifierade austenitövergångstemperaturen att öka, och på liknande sätt, när valstrådstemperaturen korsar den martensitiska övergångstemperaturen i kylningssteget, minskar den martensitiska övergångstemperaturen.SMA för analytisk modellering av aktiveringsprocessen.(För en detaljerad vy av varje delsystem av en Simulink-modell, se bilagan i den kompletterande filen.)
Resultaten av analysen för olika parameterfördelningar visas för två cykler av 7V inspänningen (10 sekunders uppvärmningscykler och 15 sekunders nedkylningscykler).Medan (ac) och (e) visar fördelningen över tid, å andra sidan illustrerar (d) och (f) fördelningen med temperatur.För respektive ingångsförhållanden är den maximala observerade spänningen 106 MPa (mindre än 345 MPa, trådsträckgräns), kraften är 150 N, den maximala förskjutningen är 270 µm och den minsta martensitiska volymfraktionen är 0,91.Å andra sidan liknar förändringen i stress och förändringen i volymfraktionen av martensit med temperaturen hysteresegenskaper.
Samma förklaring gäller för den direkta transformationen (kylningen) från austenitfasen till martensitfasen, där SMA-trådtemperaturen (T) och sluttemperaturen för den spänningsmodifierade martensitfasen (\(M_f^{\prime}\ )) är utmärkt.På fig.4d,f visar förändringen i den inducerade spänningen (\(\sigma\)) och volymfraktionen av martensit (\(\xi\)) i SMA-tråden som en funktion av temperaturförändringen hos SMA-tråden (T), för båda körcyklerna.På fig.Figur 3a visar förändringen i SMA-trådens temperatur med tiden beroende på ingångsspänningspulsen.Som framgår av figuren fortsätter temperaturen på tråden att öka genom att tillhandahålla en värmekälla med nollspänning och efterföljande konvektiv kylning.Under upphettning börjar omvandlingen av martensit till austenitfasen när SMA-trådtemperaturen (T) passerar den spänningskorrigerade austenitkärnbildningstemperaturen (\(A_s^{\prime}\)).Under denna fas komprimeras SMA-tråden och ställdonet genererar kraft.Även under kylning, när temperaturen på SMA-tråden (T) passerar kärnbildningstemperaturen för den spänningsmodifierade martensitfasen (\(M_s^{\prime}\)), sker en positiv övergång från austenitfasen till martensitfasen.drivkraften minskar.
De viktigaste kvalitativa aspekterna av den bimodala drivningen baserad på SMA kan erhållas från simuleringsresultaten.Vid en spänningspulsingång ökar temperaturen på SMA-tråden på grund av Joule-värmeeffekten.Initialvärdet för martensitvolymfraktionen (\(\xi\)) sätts till 1, eftersom materialet initialt är i en helt martensitisk fas.När tråden fortsätter att värmas upp överstiger SMA-trådens temperatur den spänningskorrigerade austenitkärnbildningstemperaturen \(A_s^{\prime}\), vilket resulterar i en minskning av martensitvolymfraktionen, som visas i figur 4c.Dessutom, i fig.4e visar fördelningen av ställdonets slag i tiden, och i fig. 4e.5 – drivkraft som funktion av tid.Ett relaterat ekvationssystem inkluderar temperatur, martensitvolymfraktion och spänningar som utvecklas i tråden, vilket resulterar i krympning av SMA-tråden och kraften som genereras av manöverdonet.Såsom visas i fig.4d,f, spänningsvariation med temperatur och martensitvolymfraktionsvariation med temperatur motsvarar hysteresegenskaperna hos SMA i det simulerade fallet vid 7 V.
Jämförelse av körparametrar erhölls genom experiment och analytiska beräkningar.Ledningarna utsattes för en pulsad inspänning på 7 V under 10 sekunder, kyldes sedan ned under 15 sekunder (kylfas) under två cykler.Den pinnate vinkeln är inställd på \(40^{\circ}\) och den initiala längden på SMA-tråden i varje enskilt stiftben är inställd på 83 mm.(a) Mätning av drivkraften med en lastcell (b) Övervakning av trådtemperaturen med en termisk infraröd kamera.
För att förstå påverkan av fysiska parametrar på kraften som produceras av drivenheten, genomfördes en analys av den matematiska modellens känslighet för de valda fysiska parametrarna, och parametrarna rangordnades efter deras inflytande.Först gjordes provtagningen av modellparametrar med hjälp av experimentella designprinciper som följde en enhetlig fördelning (se kompletterande avsnitt om känslighetsanalys).I det här fallet inkluderar modellparametrarna ingångsspänning (\(V_{in}\)), initial SMA-trådslängd (\(l_0\)), triangelvinkel (\(\alpha\)), förspänningsfjäderkonstant (\( K_x\ )), den konvektiva värmeöverföringskoefficienten (\(h_T\)) och antalet unimodala grenar (n).I nästa steg valdes maximal muskelstyrka som ett studiedesignkrav och de parametriska effekterna av varje uppsättning variabler på styrka erhölls.Tornadoplotterna för känslighetsanalysen härleddes från korrelationskoefficienterna för varje parameter, som visas i Fig. 6a.
(a) Korrelationskoefficientvärdena för modellparametrarna och deras effekt på den maximala uteffekten av 2500 unika grupper av ovanstående modellparametrar visas i tornadoplotten.Grafen visar rangkorrelationen för flera indikatorer.Det är tydligt att \(V_{in}\) är den enda parametern med positiv korrelation, och \(l_0\) är parametern med den högsta negativa korrelationen.Effekten av olika parametrar i olika kombinationer på maximal muskelstyrka visas i (b, c).\(K_x\) ranges from 400 to 800 N/m and n ranges from 4 to 24. Voltage (\(V_{in}\)) changed from 4V to 10V, wire length (\(l_{0 } \)) changed from 40 to 100 mm, and the tail angle (\ (\alpha \)) varied from \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
På fig.Fig. 6a visar en tornadoplot av olika korrelationskoefficienter för varje parameter med konstruktionskrav för toppdrivkraft.Från fig.6a kan man se att spänningsparametern (\(V_{in}\)) är direkt relaterad till den maximala utgångskraften, och den konvektiva värmeöverföringskoefficienten (\(h_T\)), flamvinkel (\ ( \alpha\)) , förskjutningsfjäderkonstant ( \(K_x\)) är negativt korrelerad med utgångskraften för utgångskraften (l_0) för utgångskraften (l_0) för un,dales (l_0) och initiallängden av un,dales (l_0) n) visar en stark invers korrelation Vid direkt korrelation Vid ett högre värde på spänningskorrelationskoefficienten (\(V_ {in}\)) indikerar att denna parameter har störst effekt på uteffekten.En annan liknande analys mäter toppkraften genom att utvärdera effekten av olika parametrar i olika kombinationer av de två beräkningsutrymmena, som visas i Fig. 6b, c.\(V_{in}\) och \(l_0\), \(\alpha\) och \(l_0\) har liknande mönster, och grafen visar att \(V_{in}\) och \(\alpha\ ) och \(\alpha\) har liknande mönster.Mindre värden på \(l_0\) resulterar i högre toppkrafter.De andra två kurvorna överensstämmer med figur 6a, där n och \(K_x\) är negativt korrelerade och \(V_{in}\) är positivt korrelerade.Denna analys hjälper till att definiera och justera de påverkande parametrarna med vilka drivsystemets utgående kraft, slaglängd och effektivitet kan anpassas till kraven och tillämpningen.
Aktuellt forskningsarbete introducerar och undersöker hierarkiska drifter med N-nivåer.I en hierarki på två nivåer, såsom visas i fig. 7a, där istället för varje SMA-tråd i det första nivåmanöverdonet, ett bimodalt arrangemang uppnås, såsom visas i fig.9e.På fig.7c visar hur SMA-tråden lindas runt en rörlig arm (hjälparm) som endast rör sig i längdriktningen.Den primära rörliga armen fortsätter emellertid att röra sig på samma sätt som den rörliga armen på det första stegets flerstegsmanöverdon.Vanligtvis skapas en N-stegs frekvensomriktare genom att byta ut \(N-1\)-stegs SMA-kabeln med en första-stegs frekvensomriktare.Som ett resultat härmar varje gren det första steget, med undantag för grenen som håller själva vajern.På så sätt kan kapslade strukturer bildas som skapar krafter som är flera gånger större än krafterna från de primära drivenheterna.I denna studie, för varje nivå, togs hänsyn till en total effektiv SMA-trådslängd på 1 m, som visas i tabellformat i fig. 7d.Strömmen genom varje tråd i varje unimodal design och den resulterande förspänningen och spänningen i varje SMA-trådssegment är samma på varje nivå.Enligt vår analytiska modell är utgångskraften positivt korrelerad med nivån, medan förskjutningen är negativt korrelerad.Samtidigt fanns en avvägning mellan förskjutning och muskelstyrka.Såsom framgår av fig.7b, medan den maximala kraften uppnås i det största antalet skikt, observeras den största förskjutningen i det lägsta skiktet.När hierarkinivån sattes till \(N=5\) hittades en maximal muskelkraft på 2,58 kN med 2 observerade slag \(\upmu\)m.Å andra sidan genererar förstastegsdrivningen en kraft på 150 N vid ett slag på 277 \(\upmu\)m.Multi-level ställdon kan efterlikna verkliga biologiska muskler, där konstgjorda muskler baserade på formminneslegeringar kan generera betydligt högre krafter med exakta och finare rörelser.Begränsningarna för denna miniatyriserade design är att när hierarkin ökar minskar rörelsen avsevärt och komplexiteten i tillverkningsprocessen för drivenheter ökar.
(a) Ett tvåstegs (\(N=2\)) skiktat linjärt manöversystem av formminneslegering visas i en bimodal konfiguration.Den föreslagna modellen uppnås genom att ersätta SMA-tråden i det första stegets skiktade ställdonet med ett annat enstegs skiktat ställdon.(c) Deformerad konfiguration av det andra stegets flerskiktsmanöverdon.(b) Fördelningen av krafter och förskjutningar beroende på antalet nivåer beskrivs.Det har visat sig att manöverdonets toppkraft är positivt korrelerad med skalnivån på grafen, medan slaglängden är negativt korrelerad med skalnivån.Strömmen och förspänningen i varje tråd förblir konstant på alla nivåer.(d) Tabellen visar antalet uttag och längden på SMA-tråden (fibern) på varje nivå.Trådarnas egenskaper indikeras av index 1, och antalet sekundära grenar (en ansluten till det primära benet) indikeras av det största antalet i subskriptet.Till exempel, på nivå 5, hänvisar \(n_1\) till antalet SMA-trådar som finns i varje bimodal struktur, och \(n_5\) hänvisar till antalet hjälpben (en ansluten till huvudbenet).
Olika metoder har föreslagits av många forskare för att modellera beteendet hos SMA med formminne, som beror på de termomekaniska egenskaperna som åtföljer de makroskopiska förändringarna i kristallstrukturen som är förknippade med fasövergången.Formuleringen av konstitutiva metoder är i sig komplex.Den mest använda fenomenologiska modellen föreslås av Tanaka28 och används ofta i ingenjörsapplikationer.Den fenomenologiska modellen som föreslås av Tanaka [28] antar att volymfraktionen av martensit är en exponentiell funktion av temperatur och stress.Senare föreslog Liang och Rogers29 och Brinson30 en modell där fasövergångsdynamiken antogs vara en cosinusfunktion av spänning och temperatur, med små modifieringar av modellen.Becker och Brinson föreslog en fasdiagrambaserad kinetisk modell för att modellera beteendet hos SMA-material under godtyckliga belastningsförhållanden såväl som partiella övergångar.Banerjee32 använder Bekker och Brinson31 fasdiagram dynamikmetoden för att simulera en enda frihetsgradsmanipulator utvecklad av Elahinia och Ahmadian33.Kinetiska metoder baserade på fasdiagram, som tar hänsyn till den icke-monotona förändringen i spänning med temperatur, är svåra att implementera i tekniska tillämpningar.Elakhinia och Ahmadian uppmärksammar dessa brister hos existerande fenomenologiska modeller och föreslår en utökad fenomenologisk modell för att analysera och definiera formminnesbeteende under alla komplexa belastningsförhållanden.
Den strukturella modellen av SMA-tråd ger spänning (\(\sigma\)), töjning (\(\epsilon\)), temperatur (T) och martensitvolymfraktion (\(\xi\)) av SMA-tråd.Den fenomenologiska konstitutiva modellen föreslogs först av Tanaka28 och antogs senare av Liang29 och Brinson30.Ekvationens derivata har formen:
där E är den fasberoende SMA Youngs modul erhållen med \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) och \(E_A\) och \(E_M\) som representerar Youngs modul är austenitiska respektive martensitiska faser, och termisk expansionskoefficient representeras av \_T\).Fasövergångsbidragsfaktorn är \(\Omega = -E \epsilon _L\) och \(\epsilon _L\) är den maximala återhämtningsbara töjningen i SMA-tråden.
Fasdynamikens ekvation sammanfaller med cosinusfunktionen utvecklad av Liang29 och senare antagen av Brinson30 istället för den exponentialfunktion som föreslagits av Tanaka28.Fasövergångsmodellen är en förlängning av modellen som föreslagits av Elakhinia och Ahmadian34 och modifierad utifrån de fasövergångsförhållanden som ges av Liang29 och Brinson30.Villkoren som används för denna fasövergångsmodell är giltiga under komplexa termomekaniska belastningar.Vid varje tidpunkt beräknas värdet av volymfraktionen av martensit vid modellering av den konstitutiva ekvationen.
Den styrande omvandlingsekvationen, uttryckt genom omvandlingen av martensit till austenit under uppvärmningsförhållanden, är som följer:
där \(\xi\) är volymfraktionen av martensit, \(\xi _M\) är volymfraktionen av martensit som erhålls före uppvärmning, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) och \(C_A\) – A-kurva, T –\) parametrar, T –\ (A) – början respektive slutet av austenitfasen, temperatur.
Den direkta transformationskontrollekvationen, representerad av fastransformationen av austenit till martensit under kylningsförhållanden, är:
där \(\xi _A\) är volymfraktionen av martensit som erhålls före kylning, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) och \ ( C_M \) – kurvanpassningsparametrar, T – SMA trådtemperatur, \(M_s\ slutlig temperatur, \(M_s\) resp.
Efter att ekvationerna (3) och (4) har differentierats, förenklas de inversa och direkta transformationsekvationerna till följande form:
Vid transformation framåt och bakåt antar \(\eta _{\sigma}\) och \(\eta _{T}\) olika värden.De grundläggande ekvationerna associerade med \(\eta _{\sigma}\) och \(\eta _{T}\) har härletts och diskuterats i detalj i ett ytterligare avsnitt.
Den termiska energin som krävs för att höja temperaturen på SMA-tråden kommer från Joule-värmeeffekten.Den termiska energin som absorberas eller frigörs av SMA-tråden representeras av den latenta omvandlingsvärmen.Värmeförlusten i SMA-tråden beror på påtvingad konvektion, och givet den försumbara effekten av strålning är värmeenergibalansekvationen som följer:
Där \(m_{tråd}\) är den totala massan av SMA-tråden, \(c_{p}\) är den specifika värmekapaciteten för SMA, \(V_{in}\) är spänningen som appliceras på ledningen, \(R_{ohm} \ ) – fasberoende motstånd SMA, definierad som;\(R_{ohm} = (l/A_{kors})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) där \(r_M\ ) och \(r_A\) är SMA-fasresistiviteten i martensit respektive austenit, \(A_{c}\) är ytarean av en tråd av \D-minnet, \D-minnet.Trådens latenta övergångsvärme, T och \(T_{\infty}\) är temperaturerna för SMA-tråden respektive miljön.
När en tråd av formminneslegering aktiveras, komprimeras tråden, vilket skapar en kraft i varje gren av den bimodala designen som kallas fiberkraft.Krafterna hos fibrerna i varje sträng av SMA-tråden skapar tillsammans muskelkraften att aktivera, som visas i fig. 9e.På grund av närvaron av en förspänningsfjäder är den totala muskelkraften hos det N:te flerskiktsställdonet:
Genom att ersätta \(N = 1\) i ekvation (7), kan muskelstyrkan hos prototypen för första stegets bimodala drivning erhållas enligt följande:
där n är antalet unimodala ben, \(F_m\) är muskelkraften som genereras av drivenheten, \​(F_f\) är fiberstyrkan i SMA-tråden, \(K_x\) är förspänningsstyvheten.fjäder, \(\alpha\) är triangelns vinkel, \(x_0\) är den initiala förskjutningen av förspänningsfjädern för att hålla SMA-kabeln i det förspända läget, och \(\Delta x\) är ställdonets rörelse.
Den totala förskjutningen eller rörelsen av frekvensomriktaren (\(\Delta x\)) beroende på spänningen (\(\sigma\)) och töjningen (\(\epsilon\)) på SMA-tråden i det N:e steget, ställs frekvensomriktaren in på (se fig. ytterligare del av utgången):
De kinematiska ekvationerna anger förhållandet mellan drivningsdeformation (\(\epsilon\)) och förskjutning eller förskjutning (\(\Delta x\)).Deformationen av Arb-tråden som en funktion av den initiala Arb-trådslängden (\(l_0\)) och trådlängden (l) vid varje tidpunkt t i en unimodal gren är som följer:
där \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) erhålls genom att applicera cosinusformeln i \(\Delta\)ABB ', som visas i figur 8. För första steget är drivningen (\)(N = 1 D)\elt (\)(N) (\)(N = 1) (\)\elt\elt (\)\elt\elt (\)\elt\elt\" och \(\alpha _1\) är \(\alpha \) som visas i Som visas i figur 8, genom att differentiera tiden från ekvation (11) och ersätta värdet på l, kan töjningshastigheten skrivas som:
där \(l_0\) är den initiala längden på SMA-tråden, l är längden på tråden vid varje tidpunkt t i en unimodal gren, \(\epsilon\) är deformationen som utvecklas i SMA-tråden, och \(\alpha \) är vinkeln på triangeln, \(\Delta x\) är drivförskjutningen (som visas i figur 8).
Alla n enkeltoppsstrukturer (\(n=6\) i denna figur) är seriekopplade med \(V_{in}\) som inspänning.Steg I: Schematiskt diagram av SMA-tråden i en bimodal konfiguration under nollspänningsförhållanden. Steg II: En kontrollerad struktur visas där SMA-tråden komprimeras på grund av omvänd omvandling, vilket visas med den röda linjen.
Som ett bevis på konceptet utvecklades en SMA-baserad bimodal enhet för att testa den simulerade härledningen av de underliggande ekvationerna med experimentella resultat.CAD-modellen av det bimodala linjära ställdonet visas i fig.9a.Å andra sidan, i fig.9c visar en ny design föreslagen för en rotationsprismatisk anslutning med användning av ett tvåplans SMA-baserat ställdon med en bimodal struktur.Drivkomponenterna tillverkades med hjälp av additiv tillverkning på en Ultimaker 3 Extended 3D-skrivare.Materialet som används för 3D-utskrift av komponenter är polykarbonat som är lämpligt för värmetåliga material då det är starkt, hållbart och har en hög glasövergångstemperatur (110-113 \(^{\circ }\) C).Dessutom användes Dynalloy, Inc. Flexinol formminneslegeringstråd i experimenten, och materialegenskaperna motsvarande Flexinol-tråden användes i simuleringarna.Flera SMA-trådar är arrangerade som fibrer närvarande i ett bimodalt arrangemang av muskler för att erhålla de höga krafterna som alstras av flerskiktsmanöverdon, som visas i Fig. 9b, d.
Som visas i figur 9a kallas den spetsiga vinkeln som bildas av den rörliga armens SMA-tråd vinkeln (\(\alpha\)).Med terminalklämmor fästa på vänster och höger klämmor hålls SMA-tråden i önskad bimodal vinkel.Förspänningsfjäderanordningen som hålls på fjäderkontakten är utformad för att justera de olika förspänningsfjäderförlängningsgrupperna enligt antalet (n) SMA-fibrer.Dessutom är placeringen av de rörliga delarna utformad så att SMA-tråden exponeras för den yttre miljön för forcerad konvektionskylning.Den löstagbara enhetens övre och nedre plattor hjälper till att hålla SMA-tråden sval med extruderade utskärningar som är utformade för att minska vikten.Dessutom är båda ändarna av CMA-tråden fixerade till vänster respektive höger terminaler med hjälp av en crimp.En kolv är fäst vid ena änden av det rörliga aggregatet för att upprätthålla spel mellan topp- och bottenplåtarna.Kolven används också för att applicera en blockerande kraft på sensorn via en kontakt för att mäta blockeringskraften när SMA-tråden aktiveras.
Den bimodala muskelstrukturen SMA är elektriskt seriekopplad och drivs av en ingångspulsspänning.Under spänningspulscykeln, när spänning appliceras och SMA-tråden värms över austenitens initiala temperatur, förkortas längden på tråden i varje sträng.Denna indragning aktiverar den rörliga armdelen.När spänningen nollställdes i samma cykel kyldes den uppvärmda SMA-tråden under martensitytans temperatur och återgick därigenom till sitt ursprungliga läge.Under nollspänningsförhållanden sträcks SMA-tråden först passivt av en förspänningsfjäder för att nå det avtvinnade martensitiska tillståndet.Skruven, genom vilken SMA-tråden passerar, rör sig på grund av den kompression som skapas genom att applicera en spänningspuls på SMA-tråden (SPA når austenitfasen), vilket leder till aktivering av den rörliga spaken.När SMA-tråden dras tillbaka skapar förspänningsfjädern en motsatt kraft genom att ytterligare sträcka fjädern.När spänningen i impulsspänningen blir noll förlängs SMA-tråden och ändrar form på grund av påtvingad konvektionskylning, och når en dubbel martensitisk fas.
Det föreslagna SMA-baserade linjära ställdonsystemet har en bimodal konfiguration där SMA-trådarna är vinklade.(a) visar en CAD-modell av prototypen, som nämner några av komponenterna och deras betydelser för prototypen, (b, d) representerar den utvecklade experimentella prototypen35.Medan (b) visar en vy ovanifrån av prototypen med elektriska anslutningar och förspänningsfjädrar och töjningsgivare som används, (d) visar en perspektivvy av installationen.(e) Diagram över ett linjärt aktiveringssystem med SMA-trådar placerade bimodalt när som helst t, som visar fiberns riktning och förlopp och muskelstyrka.(c) En 2-DOF rotationsprismatisk anslutning har föreslagits för att installera ett tvåplans SMA-baserat ställdon.Som visas överför länken linjär rörelse från den nedre drivningen till den övre armen, vilket skapar en roterande anslutning.Å andra sidan är rörelsen hos prismorparet densamma som rörelsen hos flerskiktsförstastegsdrivningen.
En experimentell studie utfördes på prototypen som visas i fig. 9b för att utvärdera prestandan hos en bimodal enhet baserad på SMA.Som visas i figur 10a bestod experimentuppställningen av en programmerbar likströmskälla för att mata inspänning till SMA-ledningarna.Såsom visas i fig.10b användes en piezoelektrisk töjningsmätare (PACEline CFT/5kN) för att mäta blockeringskraften med användning av en Graphtec GL-2000 datalogger.Uppgifterna registreras av värden för vidare studier.Töjningsmätare och laddningsförstärkare kräver en konstant strömförsörjning för att producera en spänningssignal.Motsvarande signaler omvandlas till uteffekter enligt känsligheten hos den piezoelektriska kraftsensorn och andra parametrar som beskrivs i Tabell 2. När en spänningspuls appliceras ökar temperaturen på SMA-tråden, vilket gör att SMA-tråden komprimeras, vilket gör att manöverdonet genererar kraft.De experimentella resultaten av utmatningen av muskelstyrka genom en inspänningspuls på 7 V visas i fig.2a.
(a) Ett SMA-baserat linjärt ställdonssystem sattes upp i experimentet för att mäta kraften som genereras av ställdonet.Lastcellen mäter blockeringskraften och drivs av en 24 V DC strömförsörjning.Ett 7 V spänningsfall applicerades längs hela kabelns längd med hjälp av en GW Instek programmerbar DC-strömförsörjning.SMA-tråden krymper på grund av värme, och den rörliga armen kommer i kontakt med lastcellen och utövar en blockerande kraft.Lastcellen är ansluten till GL-2000 datalogger och data lagras på värden för vidare bearbetning.(b) Diagram som visar kedjan av komponenter i experimentuppställningen för att mäta muskelstyrka.
Formminneslegeringar exciteras av termisk energi, så temperaturen blir en viktig parameter för att studera formminnesfenomenet.Experimentellt, som visas i Fig. 11a, utfördes värmeavbildning och temperaturmätningar på en prototyp av SMA-baserad divalerat-ställdon.En programmerbar DC-källa applicerade inspänning på SMA-ledningarna i experimentuppställningen, som visas i figur 11b.Temperaturförändringen av SMA-tråden mättes i realtid med en högupplöst LWIR-kamera (FLIR A655sc).Värden använder ResearchIR-mjukvaran för att registrera data för vidare efterbearbetning.När en spänningspuls appliceras ökar temperaturen på SMA-tråden, vilket gör att SMA-tråden krymper.På fig.Figur 2b visar de experimentella resultaten av SMA-trådens temperatur mot tiden för en 7V inspänningspuls.