Salamat sa pagbisita sa Nature.com.Ang bersyon ng browser na iyong ginagamit ay may limitadong suporta sa CSS.Para sa pinakamagandang karanasan, inirerekomenda namin na gumamit ka ng na-update na browser (o huwag paganahin ang Compatibility Mode sa Internet Explorer).Pansamantala, upang matiyak ang patuloy na suporta, ire-render namin ang site nang walang mga istilo at JavaScript.
Ginagamit ang mga actuator sa lahat ng dako at lumilikha ng kinokontrol na paggalaw sa pamamagitan ng paglalapat ng tamang puwersa ng paggulo o metalikang kuwintas upang maisagawa ang iba't ibang operasyon sa pagmamanupaktura at automation ng industriya.Ang pangangailangan para sa mas mabilis, mas maliit at mas mahusay na mga drive ay nagtutulak ng pagbabago sa disenyo ng drive.Nag-aalok ang mga Shape Memory Alloy (SMA) drive ng ilang mga pakinabang kaysa sa mga conventional drive, kabilang ang mataas na ratio ng power-to-weight.Sa disertasyong ito, binuo ang isang two-feathered SMA-based actuator na pinagsasama ang mga pakinabang ng mabalahibong kalamnan ng mga biological system at ang mga natatanging katangian ng mga SMA.Ang pag-aaral na ito ay nagsasaliksik at nagpapalawak ng mga nakaraang SMA actuator sa pamamagitan ng pagbuo ng isang mathematical na modelo ng bagong actuator batay sa bimodal SMA wire arrangement at pagsubok ito sa eksperimentong paraan.Kung ikukumpara sa mga kilalang drive batay sa SMA, ang actuation force ng bagong drive ay hindi bababa sa 5 beses na mas mataas (hanggang sa 150 N).Ang kaukulang pagbaba ng timbang ay tungkol sa 67%.Ang mga resulta ng sensitivity analysis ng mga mathematical model ay kapaki-pakinabang para sa pag-tune ng mga parameter ng disenyo at pag-unawa sa mga pangunahing parameter.Ang pag-aaral na ito ay higit pang nagpapakita ng isang multi-level na Nth stage drive na maaaring magamit upang higit pang mapahusay ang dynamics.Ang SMA-based na dipvalerate na mga actuator ng kalamnan ay may malawak na hanay ng mga aplikasyon, mula sa pagbuo ng automation hanggang sa tumpak na mga sistema ng paghahatid ng gamot.
Ang mga sistemang biyolohikal, tulad ng mga muscular na istruktura ng mga mammal, ay maaaring mag-activate ng maraming banayad na actuator1.Ang mga mammal ay may iba't ibang mga istraktura ng kalamnan, bawat isa ay nagsisilbi sa isang tiyak na layunin.Gayunpaman, ang karamihan sa istraktura ng tissue ng kalamnan ng mammalian ay maaaring nahahati sa dalawang malawak na kategorya.Parallel at pennate.Sa hamstrings at iba pang flexors, gaya ng ipinahihiwatig ng pangalan, ang parallel musculature ay may mga fibers ng kalamnan na kahanay sa central tendon.Ang kadena ng mga fibers ng kalamnan ay may linya at gumaganang konektado sa pamamagitan ng connective tissue sa kanilang paligid.Bagama't ang mga kalamnan na ito ay sinasabing may malaking ekskursiyon (pagikli ng porsyento), ang kanilang kabuuang lakas ng kalamnan ay napakalimitado.Sa kaibahan, sa triceps calf muscle2 (lateral gastrocnemius (GL)3, medial gastrocnemius (GM)4 at soleus (SOL)) at extensor femoris (quadriceps)5,6 pennate muscle tissue ay matatagpuan sa bawat muscle7.Sa isang pinnate na istraktura, ang mga fibers ng kalamnan sa bipennate musculature ay naroroon sa magkabilang panig ng gitnang litid sa mga pahilig na anggulo (pinnate angles).Ang Pennate ay nagmula sa salitang Latin na "penna", na nangangahulugang "panulat", at, tulad ng ipinapakita sa fig.1 ay may parang balahibo na anyo.Ang mga hibla ng mga kalamnan ng pennate ay mas maikli at anggulo sa longitudinal axis ng kalamnan.Dahil sa pinnate na istraktura, ang pangkalahatang kadaliang kumilos ng mga kalamnan na ito ay nabawasan, na humahantong sa mga transverse at longitudinal na bahagi ng proseso ng pagpapaikli.Sa kabilang banda, ang pag-activate ng mga kalamnan na ito ay humahantong sa mas mataas na pangkalahatang lakas ng kalamnan dahil sa paraan ng pagsukat ng physiological cross-sectional area.Samakatuwid, para sa isang partikular na cross-sectional area, ang mga pennate na kalamnan ay magiging mas malakas at bubuo ng mas mataas na puwersa kaysa sa mga kalamnan na may parallel fibers.Ang mga puwersang nabuo ng mga indibidwal na hibla ay bumubuo ng mga puwersa ng kalamnan sa isang macroscopic na antas sa tissue ng kalamnan na iyon.Bilang karagdagan, mayroon itong mga natatanging katangian tulad ng mabilis na pag-urong, proteksyon laban sa makunat na pinsala, cushioning.Binabago nito ang relasyon sa pagitan ng fiber input at muscle power output sa pamamagitan ng pagsasamantala sa mga natatanging tampok at geometric complex ng fiber arrangement na nauugnay sa muscle lines of action.
Ipinapakita ang mga schematic diagram ng umiiral na SMA-based na mga disenyo ng actuator na may kaugnayan sa isang bimodal muscular architecture, halimbawa (a), na kumakatawan sa interaksyon ng tactile force kung saan ang isang hand-shaped na device na pinaandar ng SMA wires ay naka-mount sa isang two-wheeled autonomous mobile robot9,10., (b) Robotic orbital prosthesis na may antagonistikong inilagay na SMA spring-loaded orbital prosthesis.Ang posisyon ng prosthetic na mata ay kinokontrol ng isang senyas mula sa ocular na kalamnan ng mata11, (c) Ang mga SMA actuator ay perpekto para sa mga aplikasyon sa ilalim ng tubig dahil sa kanilang mataas na frequency response at mababang bandwidth.Sa pagsasaayos na ito, ginagamit ang mga SMA actuators upang lumikha ng wave motion sa pamamagitan ng pagtulad sa paggalaw ng mga isda, (d) SMA actuators ay ginagamit upang lumikha ng micro pipe inspection robot na maaaring gumamit ng inch worm motion principle, na kinokontrol ng paggalaw ng SMA wires sa loob ng channel 10, (e) ay nagpapakita ng direksyon ng contraction ng mga fibers ng kalamnan at pagbuo ng contractile force sa gastrocnemius tissue na nagpapakita ng muscle fiber na anyo ng istraktura ng kalamnan na nakaayos sa SMA wire, (f) ng muscle fiber structure, (f).
Ang mga actuator ay naging isang mahalagang bahagi ng mga mekanikal na sistema dahil sa kanilang malawak na hanay ng mga aplikasyon.Samakatuwid, ang pangangailangan para sa mas maliit, mas mabilis at mas mahusay na mga drive ay nagiging kritikal.Sa kabila ng kanilang mga pakinabang, ang mga tradisyonal na drive ay napatunayang magastos at nakakaubos ng oras upang mapanatili.Ang mga hydraulic at pneumatic actuator ay kumplikado at mahal at napapailalim sa pagsusuot, mga problema sa pagpapadulas at pagkabigo ng bahagi.Bilang tugon sa demand, ang focus ay sa pagbuo ng cost-effective, sizing-optimized at advanced na mga actuator batay sa matalinong materyales.Ang patuloy na pananaliksik ay tumitingin sa shape memory alloy (SMA) layered actuator upang matugunan ang pangangailangang ito.Ang mga hierarchical actuator ay natatangi dahil pinagsasama-sama nila ang maraming discrete actuator sa geometrically complex na macro scale subsystem upang magbigay ng pinalaki at pinalawak na functionality.Kaugnay nito, ang tisyu ng kalamnan ng tao na inilarawan sa itaas ay nagbibigay ng isang mahusay na multilayered na halimbawa ng naturang multilayered actuation.Inilalarawan ng kasalukuyang pag-aaral ang isang multi-level na SMA drive na may ilang indibidwal na elemento ng drive (SMA wires) na nakahanay sa mga fiber orientation na nasa bimodal na kalamnan, na nagpapahusay sa pangkalahatang pagganap ng drive.
Ang pangunahing layunin ng isang actuator ay upang makabuo ng mekanikal na power output tulad ng puwersa at displacement sa pamamagitan ng pag-convert ng elektrikal na enerhiya.Ang mga haluang metal ng hugis ng memorya ay isang klase ng mga "matalinong" na materyales na maaaring ibalik ang kanilang hugis sa mataas na temperatura.Sa ilalim ng mataas na load, ang pagtaas sa temperatura ng SMA wire ay humahantong sa pagbawi ng hugis, na nagreresulta sa isang mas mataas na actuation density ng enerhiya kumpara sa iba't ibang direktang nakagapos na mga smart na materyales.Kasabay nito, sa ilalim ng mekanikal na pagkarga, nagiging malutong ang mga SMA.Sa ilalim ng ilang partikular na kundisyon, ang isang cyclic load ay maaaring sumipsip at maglabas ng mekanikal na enerhiya, na nagpapakita ng nababaligtad na hysteretic na mga pagbabago sa hugis.Ang mga natatanging katangian na ito ay ginagawang perpekto ang SMA para sa mga sensor, vibration damping at lalo na sa mga actuator12.Sa pag-iisip na ito, nagkaroon ng maraming pananaliksik sa mga drive na nakabase sa SMA.Dapat tandaan na ang mga actuator na nakabase sa SMA ay idinisenyo upang magbigay ng translational at rotary motion para sa iba't ibang mga application13,14,15.Kahit na ang ilang mga rotary actuator ay binuo, ang mga mananaliksik ay partikular na interesado sa mga linear actuator.Ang mga linear actuator na ito ay maaaring nahahati sa tatlong uri ng actuator: one-dimensional, displacement at differential actuator 16 .Sa una, ang mga hybrid na drive ay nilikha kasama ng SMA at iba pang mga maginoo na drive.Ang isang halimbawa ng SMA-based na hybrid linear actuator ay ang paggamit ng SMA wire na may DC motor upang magbigay ng output force na humigit-kumulang 100 N at makabuluhang displacement17.
Isa sa mga unang pag-unlad sa mga drive na ganap na nakabatay sa SMA ay ang SMA parallel drive.Gamit ang maramihang SMA wires, ang SMA-based na parallel drive ay idinisenyo upang pataasin ang power capability ng drive sa pamamagitan ng paglalagay ng lahat ng SMA18 wires nang magkatulad.Ang parallel na koneksyon ng mga actuator ay hindi lamang nangangailangan ng higit na kapangyarihan, ngunit nililimitahan din ang output power ng isang wire.Ang isa pang kawalan ng SMA based actuators ay ang limitadong paglalakbay na maaari nilang makamit.Upang malutas ang problemang ito, nilikha ang isang SMA cable beam na naglalaman ng isang pinalihis na flexible beam upang mapataas ang displacement at makamit ang linear na paggalaw, ngunit hindi nakabuo ng mas mataas na pwersa19.Ang malalambot na deformable na istruktura at tela para sa mga robot batay sa mga haluang metal ng memorya ng hugis ay pangunahing binuo para sa pagpapalakas ng epekto20,21,22.Para sa mga application kung saan kinakailangan ang mataas na bilis, ang mga compact driven pump ay naiulat na gumagamit ng thin film SMA para sa micropump driven na mga application23.Ang dalas ng pagmamaneho ng manipis na film SMA membrane ay isang mahalagang kadahilanan sa pagkontrol sa bilis ng driver.Samakatuwid, ang SMA linear motors ay may mas mahusay na dynamic na tugon kaysa sa SMA spring o rod motors.Ang malambot na robotics at gripping technology ay dalawa pang application na gumagamit ng SMA-based actuator.Halimbawa, upang palitan ang karaniwang actuator na ginamit sa 25 N space clamp, binuo ang isang hugis memory alloy parallel actuator 24.Sa isa pang kaso, ang isang SMA soft actuator ay ginawa batay sa isang wire na may naka-embed na matrix na may kakayahang gumawa ng maximum na puwersa ng paghila na 30 N. Dahil sa kanilang mga mekanikal na katangian, ang mga SMA ay ginagamit din upang makagawa ng mga actuator na gumagaya sa biological phenomena.Kabilang sa isang naturang pag-unlad ang isang 12-cell robot na isang biomimetic ng isang earthworm-like na organismo na may SMA upang makabuo ng sinusoidal motion sa fire26,27.
Tulad ng nabanggit kanina, mayroong limitasyon sa maximum na puwersa na maaaring makuha mula sa mga umiiral na actuator na nakabase sa SMA.Upang matugunan ang isyung ito, ang pag-aaral na ito ay nagpapakita ng biomimetic bimodal na istraktura ng kalamnan.Hinihimok ng hugis memory alloy wire.Nagbibigay ito ng sistema ng pag-uuri na kinabibilangan ng ilang mga wire ng haluang metal na hugis memory.Sa ngayon, walang SMA-based actuator na may katulad na arkitektura ang naiulat sa panitikan.Ang kakaiba at nobelang sistemang ito batay sa SMA ay binuo upang pag-aralan ang pag-uugali ng SMA sa panahon ng bimodal na pag-align ng kalamnan.Kung ikukumpara sa umiiral na mga actuator na nakabase sa SMA, ang layunin ng pag-aaral na ito ay lumikha ng isang biomimetic dipvalerate actuator upang makabuo ng mas mataas na puwersa sa isang maliit na volume.Kung ikukumpara sa conventional stepper motor driven drive na ginagamit sa HVAC building automation at control system, ang iminungkahing SMA-based na bimodal drive na disenyo ay binabawasan ang bigat ng drive mechanism ng 67%.Sa mga sumusunod, ang mga terminong "kalamnan" at "drive" ay ginagamit nang palitan.Sinisiyasat ng pag-aaral na ito ang multiphysics simulation ng naturang drive.Ang mekanikal na pag-uugali ng naturang mga sistema ay pinag-aralan ng mga eksperimental at analytical na pamamaraan.Ang mga pamamahagi ng puwersa at temperatura ay higit na sinisiyasat sa isang input na boltahe na 7 V. Kasunod nito, ang isang parametric analysis ay isinagawa upang mas maunawaan ang kaugnayan sa pagitan ng mga pangunahing parameter at ang lakas ng output.Sa wakas, ang mga hierarchical actuator ay naisip at ang hierarchical level effects ay iminungkahi bilang isang potensyal na lugar sa hinaharap para sa mga non-magnetic actuator para sa mga prosthetic na aplikasyon.Ayon sa mga resulta ng mga nabanggit na pag-aaral, ang paggamit ng isang solong yugto na arkitektura ay gumagawa ng mga puwersa ng hindi bababa sa apat hanggang limang beses na mas mataas kaysa sa iniulat na mga actuator na nakabase sa SMA.Bilang karagdagan, ang parehong puwersa ng drive na nabuo ng isang multi-level na multi-level na drive ay ipinakita na higit sa sampung beses kaysa sa mga maginoo na SMA-based na drive.Ang pag-aaral pagkatapos ay nag-uulat ng mga pangunahing parameter gamit ang sensitivity analysis sa pagitan ng iba't ibang disenyo at input variable.Ang inisyal na haba ng SMA wire (\(l_0\)), ang pinnate angle (\(\alpha\)) at ang bilang ng mga single strand (n) sa bawat indibidwal na strand ay may malakas na negatibong epekto sa magnitude ng driving force.lakas, habang ang input boltahe (enerhiya) ay naging positibong nakakaugnay.
Ang SMA wire ay nagpapakita ng shape memory effect (SME) na nakikita sa nickel-titanium (Ni-Ti) na pamilya ng mga haluang metal.Karaniwan, ang mga SMA ay nagpapakita ng dalawang yugto na umaasa sa temperatura: isang mababang yugto ng temperatura at isang yugto ng mataas na temperatura.Ang parehong mga phase ay may natatanging katangian dahil sa pagkakaroon ng iba't ibang mga istruktura ng kristal.Sa austenite phase (high temperature phase) na umiiral sa itaas ng transformation temperature, ang materyal ay nagpapakita ng mataas na lakas at hindi maganda ang deformed sa ilalim ng pagkarga.Ang haluang metal ay kumikilos tulad ng hindi kinakalawang na asero, kaya nagagawa nitong makatiis ng mas mataas na mga presyon ng actuation.Sinasamantala ang pag-aari na ito ng mga haluang metal ng Ni-Ti, ang mga SMA wire ay nakahilig upang bumuo ng isang actuator.Ang mga naaangkop na analytical na modelo ay binuo upang maunawaan ang pangunahing mekanika ng thermal behavior ng SMA sa ilalim ng impluwensya ng iba't ibang mga parameter at iba't ibang geometries.Nakuha ang magandang kasunduan sa pagitan ng mga eksperimentong resulta at analytical.
Ang isang eksperimentong pag-aaral ay isinagawa sa prototype na ipinapakita sa Fig. 9a upang suriin ang pagganap ng isang bimodal drive batay sa SMA.Dalawa sa mga katangiang ito, ang puwersa na nabuo ng drive (puwersa ng kalamnan) at ang temperatura ng kawad ng SMA (temperatura ng SMA), ay sinusukat sa eksperimento.Habang tumataas ang pagkakaiba ng boltahe sa buong haba ng wire sa drive, tumataas ang temperatura ng wire dahil sa epekto ng pag-init ng Joule.Ang input boltahe ay inilapat sa dalawang 10-s cycle (ipinapakita bilang pulang tuldok sa Fig. 2a, b) na may 15-s cooling period sa pagitan ng bawat cycle.Ang puwersa ng pagharang ay sinusukat gamit ang isang piezoelectric strain gauge, at ang pamamahagi ng temperatura ng SMA wire ay sinusubaybayan sa real time gamit ang isang LWIR camera na may mataas na resolution na pang-agham (tingnan ang mga katangian ng kagamitan na ginamit sa Talahanayan 2).ay nagpapakita na sa panahon ng mataas na boltahe na bahagi, ang temperatura ng kawad ay tumataas nang monotonically, ngunit kapag walang kasalukuyang dumadaloy, ang temperatura ng kawad ay patuloy na bumabagsak.Sa kasalukuyang pang-eksperimentong setup, bumaba ang temperatura ng SMA wire sa panahon ng cooling phase, ngunit mas mataas pa rin ito sa ambient temperature.Sa fig.Ang 2e ay nagpapakita ng snapshot ng temperatura sa SMA wire na kinuha mula sa LWIR camera.Sa kabilang banda, sa fig.Ipinapakita ng 2a ang puwersa ng pagharang na nabuo ng drive system.Kapag ang lakas ng kalamnan ay lumampas sa puwersa ng pagpapanumbalik ng tagsibol, ang movable arm, tulad ng ipinapakita sa Figure 9a, ay nagsisimulang gumalaw.Sa sandaling magsimula ang actuation, ang movable arm ay nakikipag-ugnayan sa sensor, na lumilikha ng puwersa ng katawan, tulad ng ipinapakita sa fig.2c, d.Kapag ang pinakamataas na temperatura ay malapit sa \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), ang maximum na naobserbahang puwersa ay 105 N.
Ipinapakita ng graph ang mga pang-eksperimentong resulta ng temperatura ng SMA wire at ang puwersang nabuo ng bimodal actuator na nakabase sa SMA sa panahon ng dalawang cycle.Ang input boltahe ay inilalapat sa dalawang 10 segundong cycle (ipinapakita bilang mga pulang tuldok) na may 15 segundong cool down na panahon sa pagitan ng bawat cycle.Ang SMA wire na ginamit para sa mga eksperimento ay isang 0.51 mm diameter na Flexinol wire mula sa Dynalloy, Inc. (a) Ipinapakita ng graph ang puwersang pang-eksperimentong nakuha sa loob ng dalawang cycle, (c, d) ay nagpapakita ng dalawang independiyenteng halimbawa ng pagkilos ng mga gumagalaw na actuator ng braso sa isang PACEline CFT/5kN piezoelectric force transducer, (b) ipinapakita ng graph ang maximum na temperatura ng SMA sa panahon ng dalawang cycle, (b) ang temperatura ng buong cycle mula sa SMA) na kinuha ng SMA. gamit ang FLIR ResearchIR software LWIR camera.Ang mga geometric na parameter na isinasaalang-alang sa mga eksperimento ay ibinibigay sa Talahanayan.isa.
Ang mga resulta ng simulation ng mathematical model at ang mga eksperimentong resulta ay inihambing sa ilalim ng kondisyon ng isang input voltage na 7V, tulad ng ipinapakita sa Fig.5.Ayon sa mga resulta ng parametric analysis at upang maiwasan ang posibilidad ng overheating ng SMA wire, isang kapangyarihan ng 11.2 W ang ibinigay sa actuator.Ginamit ang programmable DC power supply para mag-supply ng 7V bilang input voltage, at ang kasalukuyang 1.6A ay sinusukat sa wire.Ang puwersa na nabuo ng drive at ang temperatura ng pagtaas ng SDR kapag inilapat ang kasalukuyang.Sa boltahe ng input na 7V, ang pinakamataas na puwersa ng output na nakuha mula sa mga resulta ng simulation at mga eksperimentong resulta ng unang cycle ay 78 N at 96 N, ayon sa pagkakabanggit.Sa pangalawang cycle, ang maximum na lakas ng output ng simulation at mga eksperimentong resulta ay 150 N at 105 N, ayon sa pagkakabanggit.Ang pagkakaiba sa pagitan ng mga sukat ng occlusion force at pang-eksperimentong data ay maaaring dahil sa paraan na ginamit upang sukatin ang occlusion force.Ang mga eksperimentong resulta na ipinapakita sa fig.5a ay tumutugma sa pagsukat ng locking force, na kung saan ay sinusukat kapag ang drive shaft ay nakikipag-ugnayan sa PACEline CFT/5kN piezoelectric force transducer, tulad ng ipinapakita sa fig.2s.Samakatuwid, kapag ang drive shaft ay hindi nakikipag-ugnayan sa force sensor sa simula ng cooling zone, ang puwersa ay agad na nagiging zero, tulad ng ipinapakita sa Fig. 2d.Bilang karagdagan, ang iba pang mga parameter na nakakaapekto sa pagbuo ng puwersa sa mga kasunod na cycle ay ang mga halaga ng oras ng paglamig at ang koepisyent ng convective heat transfer sa nakaraang cycle.Mula sa fig.2b, makikita na pagkatapos ng 15 segundong panahon ng paglamig, ang SMA wire ay hindi umabot sa temperatura ng silid at samakatuwid ay nagkaroon ng mas mataas na paunang temperatura (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) sa ikalawang ikot ng pagmamaneho kumpara sa unang cycle (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Kaya, kumpara sa unang cycle, ang temperatura ng SMA wire sa panahon ng ikalawang heating cycle ay umabot sa paunang austenite na temperatura (\(A_s\)) nang mas maaga at nananatili sa panahon ng paglipat, na nagreresulta sa stress at puwersa.Sa kabilang banda, ang mga distribusyon ng temperatura sa panahon ng heating at cooling cycle na nakuha mula sa mga eksperimento at simulation ay may mataas na qualitative na pagkakatulad sa mga halimbawa mula sa thermographic analysis.Ang paghahambing na pagsusuri ng SMA wire thermal data mula sa mga eksperimento at simulation ay nagpakita ng pare-pareho sa panahon ng heating at cooling cycle at sa loob ng mga katanggap-tanggap na tolerance para sa pang-eksperimentong data.Ang maximum na temperatura ng SMA wire, na nakuha mula sa mga resulta ng simulation at mga eksperimento ng unang cycle, ay \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) at \(75\,^{\circ }\hbox { C }\, ayon sa pagkakabanggit ), at sa pangalawang cycle ang maximum na temperatura ng SMA wire ay \(94\,^) {\circ }3 at {\circ }3 {\ circ }3 {\circ } C}\).Kinukumpirma ng pangunahing binuo na modelo ang epekto ng epekto ng memorya ng hugis.Ang papel ng pagkapagod at sobrang pag-init ay hindi isinasaalang-alang sa pagsusuri na ito.Sa hinaharap, pagbutihin ang modelo upang isama ang kasaysayan ng stress ng SMA wire, na ginagawa itong mas angkop para sa mga aplikasyon sa engineering.Ang lakas ng output ng drive at mga plot ng temperatura ng SMA na nakuha mula sa bloke ng Simulink ay nasa loob ng mga pinapayagang tolerance ng data ng eksperimental sa ilalim ng kondisyon ng pulso ng boltahe ng input na 7 V. Kinukumpirma nito ang kawastuhan at pagiging maaasahan ng binuo na modelo ng matematika.
Ang modelo ng matematika ay binuo sa kapaligiran ng MathWorks Simulink R2020b gamit ang mga pangunahing equation na inilarawan sa seksyong Mga Paraan.Sa fig.Ang 3b ay nagpapakita ng block diagram ng Simulink math model.Ang modelo ay kunwa para sa isang 7V input boltahe pulse tulad ng ipinapakita sa Fig. 2a, b.Ang mga halaga ng mga parameter na ginamit sa simulation ay nakalista sa Talahanayan 1. Ang mga resulta ng simulation ng mga lumilipas na proseso ay ipinakita sa Mga Figure 1 at 1. Mga Figure 3a at 4. Sa fig.Ipinapakita ng 4a,b ang sapilitan na boltahe sa SMA wire at ang puwersa na nabuo ng actuator bilang isang function ng oras. Sa panahon ng reverse transformation (heating), kapag ang SMA wire temperature, \(T <A_s^{\prime}\) (stress-modified austenite phase start temperature), ang rate ng pagbabago ng martensite volume fraction (\(\dot{\xi }\)) ay magiging zero. Sa panahon ng reverse transformation (heating), kapag ang SMA wire temperature, \(T <A_s^{\prime}\) (stress-modified austenite phase start temperature), ang rate ng pagbabago ng martensite volume fraction (\(\dot{\ xi }\)) ay magiging zero. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенипидино, цинфиция проволоки жением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Sa panahon ng reverse transformation (pagpainit), kapag ang temperatura ng SMA wire, \(T <A_s^{\prime}\) (stress-modified austenite onset temperature), ang rate ng pagbabago ng martensite volume fraction (\(\dot{\ xi }\ )) ay magiging zero.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体度福体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\)) 将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Resulta ng simulation na nagpapakita ng pamamahagi ng temperatura at temperatura ng junction na dulot ng stress sa isang divalerate actuator na nakabase sa SMA.Kapag ang temperatura ng wire ay tumatawid sa austenite transition temperature sa heating stage, ang binagong austenite transition temperature ay nagsisimulang tumaas, at katulad din, kapag ang wire rod temperature ay tumatawid sa martensitic transition temperature sa cooling stage, bumababa ang martensitic transition temperature.SMA para sa analytical modelling ng proseso ng actuation.(Para sa isang detalyadong view ng bawat subsystem ng isang modelo ng Simulink, tingnan ang seksyon ng apendiks ng karagdagang file.)
Ang mga resulta ng pagsusuri para sa iba't ibang mga distribusyon ng parameter ay ipinapakita para sa dalawang cycle ng 7V input boltahe (10 segundo warm up cycle at 15 segundo cool down cycle).Habang ang (ac) at (e) ay naglalarawan ng distribusyon sa paglipas ng panahon, sa kabilang banda, (d) at (f) ay naglalarawan ng distribusyon na may temperatura.Para sa kani-kanilang mga kondisyon ng pag-input, ang maximum na naobserbahang stress ay 106 MPa (mas mababa sa 345 MPa, lakas ng ani ng wire), ang puwersa ay 150 N, ang maximum na displacement ay 270 µm, at ang pinakamababang martensitic volume fraction ay 0.91.Sa kabilang banda, ang pagbabago sa stress at ang pagbabago sa volume fraction ng martensite na may temperatura ay katulad ng mga katangian ng hysteresis.
Ang parehong paliwanag ay nalalapat sa direktang pagbabagong-anyo (paglamig) mula sa austenite phase hanggang sa martensite phase, kung saan ang SMA wire temperature (T) at ang end temperature ng stress-modified martensite phase (\(M_f^{\prime}\ )) ay napakahusay.Sa fig.Ipinapakita ng 4d,f ang pagbabago sa induced stress (\(\sigma\)) at ang volume fraction ng martensite (\(\xi\)) sa SMA wire bilang isang function ng pagbabago sa temperatura ng SMA wire (T), para sa parehong driving cycle.Sa fig.Ipinapakita ng Figure 3a ang pagbabago sa temperatura ng SMA wire sa oras depende sa input voltage pulse.Tulad ng makikita mula sa pigura, ang temperatura ng kawad ay patuloy na tumataas sa pamamagitan ng pagbibigay ng pinagmumulan ng init sa zero boltahe at kasunod na convective cooling.Sa panahon ng pag-init, ang retransformation ng martensite sa austenite phase ay magsisimula kapag ang SMA wire temperature (T) ay tumatawid sa stress-corrected austenite nucleation temperature (\(A_s^{\prime}\)).Sa yugtong ito, ang SMA wire ay naka-compress at ang actuator ay bumubuo ng puwersa.Sa panahon din ng paglamig, kapag ang temperatura ng SMA wire (T) ay tumatawid sa temperatura ng nucleation ng stress-modified martensite phase (\(M_s^{\prime}\)) ay may positibong paglipat mula sa austenite phase patungo sa martensite phase.bumababa ang drive force.
Ang pangunahing mga aspeto ng husay ng bimodal drive batay sa SMA ay maaaring makuha mula sa mga resulta ng simulation.Sa kaso ng isang boltahe pulse input, ang temperatura ng SMA wire ay tumataas dahil sa epekto ng pag-init ng Joule.Ang paunang halaga ng martensite volume fraction (\(\xi\)) ay nakatakda sa 1, dahil ang materyal ay nasa simula na ganap na martensitic phase.Habang patuloy na umiinit ang wire, lumalampas ang temperatura ng SMA wire sa stress-corrected austenite nucleation temperature \(A_s^{\prime}\), na nagreresulta sa pagbaba sa martensite volume fraction, tulad ng ipinapakita sa Figure 4c.Bilang karagdagan, sa fig.Ipinapakita ng 4e ang pamamahagi ng mga stroke ng actuator sa oras, at sa fig.5 – puwersang nagtutulak bilang isang function ng oras.Kasama sa kaugnay na sistema ng mga equation ang temperatura, martensite volume fraction, at stress na nabubuo sa wire, na nagreresulta sa pag-urong ng SMA wire at ang puwersang nabuo ng actuator.Gaya ng ipinapakita sa fig.4d,f, variation ng boltahe na may temperatura at variation ng martensite volume fraction na may temperatura ay tumutugma sa mga katangian ng hysteresis ng SMA sa kunwa na kaso sa 7 V.
Ang paghahambing ng mga parameter sa pagmamaneho ay nakuha sa pamamagitan ng mga eksperimento at analytical kalkulasyon.Ang mga wire ay sumailalim sa pulsed input voltage na 7 V sa loob ng 10 segundo, pagkatapos ay pinalamig ng 15 segundo (cooling phase) sa loob ng dalawang cycle.Ang pinnate angle ay nakatakda sa \(40^{\circ}\) at ang unang haba ng SMA wire sa bawat solong pin leg ay nakatakda sa 83mm.(a) Pagsukat ng puwersang nagtutulak gamit ang isang load cell (b) Pagsubaybay sa temperatura ng wire gamit ang isang thermal infrared camera.
Upang maunawaan ang impluwensya ng mga pisikal na parameter sa puwersa na ginawa ng drive, ang isang pagsusuri ng sensitivity ng modelo ng matematika sa mga napiling pisikal na parameter ay isinagawa, at ang mga parameter ay niraranggo ayon sa kanilang impluwensya.Una, ang pag-sample ng mga parameter ng modelo ay ginawa gamit ang mga eksperimentong prinsipyo ng disenyo na sumunod sa isang pare-parehong pamamahagi (tingnan ang Karagdagang Seksyon sa Pagsusuri ng Sensitivity).Sa kasong ito, kasama sa mga parameter ng modelo ang boltahe ng input (\(V_{in}\)), paunang haba ng wire ng SMA (\(l_0\)), anggulo ng tatsulok (\(\alpha\)), pare-pareho ang bias spring (\( K_x\ )), ang convective heat transfer coefficient (\(h_T\)) at ang bilang ng mga unimodal na sanga (n).Sa susunod na hakbang, ang pinakamataas na lakas ng kalamnan ay pinili bilang isang kinakailangan sa disenyo ng pag-aaral at ang mga parametric na epekto ng bawat hanay ng mga variable sa lakas ay nakuha.Ang mga plot ng buhawi para sa pagsusuri ng sensitivity ay nagmula sa mga coefficient ng ugnayan para sa bawat parameter, tulad ng ipinapakita sa Fig. 6a.
(a) Ang mga halaga ng koepisyent ng ugnayan ng mga parameter ng modelo at ang epekto nito sa maximum na puwersa ng output ng 2500 natatanging grupo ng mga parameter ng modelo sa itaas ay ipinapakita sa plot ng buhawi.Ang graph ay nagpapakita ng rank correlation ng ilang indicator.Malinaw na ang \(V_{in}\) ang tanging parameter na may positibong ugnayan, at ang \(l_0\) ay ang parameter na may pinakamataas na negatibong ugnayan.Ang epekto ng iba't ibang mga parameter sa iba't ibang mga kumbinasyon sa peak na lakas ng kalamnan ay ipinapakita sa (b, c).Ang \(K_x\) ay mula 400 hanggang 800 N/m at n saklaw mula 4 hanggang 24. Ang boltahe (\(V_{in}\)) ay binago mula 4V hanggang 10V, ang haba ng wire (\(l_{0 } \)) ay binago mula 40 hanggang 100 mm, at ang anggulo ng buntot (\) \\alpha (\) ay iba-iba mula sa tail (\) \\alpha.
Sa fig.Ang 6a ay nagpapakita ng isang plot ng buhawi ng iba't ibang coefficient ng ugnayan para sa bawat parameter na may mga kinakailangan sa disenyo ng peak drive force.Mula sa fig.6a makikita na ang parameter ng boltahe (\(V_{in}\)) ay direktang nauugnay sa pinakamataas na puwersa ng output, at ang convective heat transfer coefficient (\(h_T\)), anggulo ng apoy (\ ( \alpha\)), ang displacement spring constant ( \(K_x\)) ay negatibong nakakaugnay sa output force at ang unang numero ng kawad (\)(l) (l) ng lakas ng output (\)(l) ng unang wire ng SMA (\))(l) malakas na inverse correlation Sa kaso ng direct correlation Sa kaso ng mas mataas na halaga ng boltahe correlation coefficient (\(V_ {in}\)) ay nagpapahiwatig na ang parameter na ito ay may pinakamalaking epekto sa power output.Ang isa pang katulad na pagsusuri ay sumusukat sa peak force sa pamamagitan ng pagsusuri sa epekto ng iba't ibang mga parameter sa iba't ibang kumbinasyon ng dalawang computational space, tulad ng ipinapakita sa Fig. 6b, c.Ang \(V_{in}\) at \(l_0\), \(\alpha\) at \(l_0\) ay may magkatulad na pattern, at ipinapakita ng graph na ang \(V_{in}\) at \(\alpha\ ) at \(\alpha\) ay may magkatulad na pattern.Ang mas maliliit na halaga ng \(l_0\) ay nagreresulta sa mas mataas na peak forces.Ang iba pang dalawang plot ay pare-pareho sa Figure 6a, kung saan ang n at \(K_x\) ay negatibong magkakaugnay at \(V_{in}\) ay positibong nakakaugnay.Ang pagsusuri na ito ay tumutulong na tukuyin at ayusin ang mga nakakaimpluwensyang parameter kung saan ang lakas ng output, stroke at kahusayan ng drive system ay maaaring iakma sa mga kinakailangan at aplikasyon.
Ang kasalukuyang gawaing pananaliksik ay nagpapakilala at nagsisiyasat ng mga hierarchical drive na may mga antas ng N.Sa isang dalawang antas na hierarchy, tulad ng ipinapakita sa Fig. 7a, kung saan sa halip na bawat SMA wire ng unang antas ng actuator, isang bimodal arrangement ay nakakamit, tulad ng ipinapakita sa fig.9e.Sa fig.Ipinapakita ng 7c kung paano ipinulupot ang SMA wire sa isang movable arm (auxiliary arm) na gumagalaw lamang sa longitudinal na direksyon.Gayunpaman, ang pangunahing movable arm ay patuloy na gumagalaw sa parehong paraan tulad ng movable arm ng 1st stage multi-stage actuator.Karaniwan, ang isang N-stage drive ay nilikha sa pamamagitan ng pagpapalit ng \(N-1\) stage SMA wire ng isang first-stage drive.Bilang resulta, ginagaya ng bawat sangay ang unang yugto ng pagmamaneho, maliban sa sangay na may hawak ng wire mismo.Sa ganitong paraan, maaaring mabuo ang mga nested na istruktura na lumilikha ng mga puwersa na ilang beses na mas malaki kaysa sa mga puwersa ng mga pangunahing drive.Sa pag-aaral na ito, para sa bawat antas, ang kabuuang epektibong SMA wire na haba na 1 m ay isinasaalang-alang, tulad ng ipinapakita sa tabular na format sa Fig. 7d.Ang kasalukuyang sa bawat wire sa bawat unimodal na disenyo at ang nagreresultang prestress at boltahe sa bawat segment ng SMA wire ay pareho sa bawat antas.Ayon sa aming analytical model, ang output force ay positibong nakakaugnay sa antas, habang ang displacement ay negatibong nakakaugnay.Kasabay nito, nagkaroon ng trade-off sa pagitan ng displacement at lakas ng kalamnan.Gaya ng nakikita sa fig.7b, habang ang maximum na puwersa ay nakakamit sa pinakamalaking bilang ng mga layer, ang pinakamalaking displacement ay sinusunod sa pinakamababang layer.Nang itakda ang antas ng hierarchy sa \(N=5\), ang pinakamataas na puwersa ng kalamnan na 2.58 kN ay natagpuan na may 2 naobserbahang mga stroke \(\upmu\)m.Sa kabilang banda, ang unang yugto ng drive ay bumubuo ng puwersa na 150 N sa isang stroke na 277 \(\upmu\)m.Nagagawa ng mga multi-level actuator na gayahin ang mga tunay na biological na kalamnan, kung saan ang mga artipisyal na kalamnan na nakabatay sa mga haluang metal ng hugis ng memorya ay nagagawang makabuo ng mas mataas na puwersa na may tumpak at mas pinong paggalaw.Ang mga limitasyon ng miniaturized na disenyo na ito ay na habang tumataas ang hierarchy, ang paggalaw ay lubhang nababawasan at ang pagiging kumplikado ng proseso ng pagmamanupaktura ng drive ay tumataas.
(a) Ang isang dalawang-yugto (\(N=2\)) na may layered na hugis ng memory alloy na linear actuator system ay ipinapakita sa isang bimodal na pagsasaayos.Ang iminungkahing modelo ay nakakamit sa pamamagitan ng pagpapalit ng SMA wire sa unang yugto ng layered actuator ng isa pang single stage layered actuator.(c) Deformed configuration ng second stage multilayer actuator.(b) Ang distribusyon ng mga puwersa at mga displacement depende sa bilang ng mga antas ay inilarawan.Napag-alaman na ang peak force ng actuator ay positibong nauugnay sa antas ng sukat sa graph, habang ang stroke ay negatibong nauugnay sa antas ng sukat.Ang kasalukuyang at pre-boltahe sa bawat wire ay nananatiling pare-pareho sa lahat ng antas.(d) Ipinapakita ng talahanayan ang bilang ng mga gripo at ang haba ng SMA wire (fiber) sa bawat antas.Ang mga katangian ng mga wire ay ipinahiwatig ng index 1, at ang bilang ng mga pangalawang sanga (isang konektado sa pangunahing binti) ay ipinahiwatig ng pinakamalaking bilang sa subscript.Halimbawa, sa antas 5, ang \(n_1\) ay tumutukoy sa bilang ng mga SMA wire na naroroon sa bawat bimodal na istraktura, at ang \(n_5\) ay tumutukoy sa bilang ng mga auxiliary na binti (isang konektado sa pangunahing binti).
Ang iba't ibang mga pamamaraan ay iminungkahi ng maraming mga mananaliksik upang i-modelo ang pag-uugali ng mga SMA na may memorya ng hugis, na nakasalalay sa mga thermomechanical na katangian na kasama ng mga macroscopic na pagbabago sa istraktura ng kristal na nauugnay sa phase transition.Ang pagbabalangkas ng mga constitutive na pamamaraan ay likas na kumplikado.Ang pinakakaraniwang ginagamit na phenomenological na modelo ay iminungkahi ng Tanaka28 at malawakang ginagamit sa mga aplikasyon ng engineering.Ipinapalagay ng phenomenological model na iminungkahi ni Tanaka [28] na ang volume fraction ng martensite ay isang exponential function ng temperatura at stress.Nang maglaon, iminungkahi nina Liang at Rogers29 at Brinson30 ang isang modelo kung saan ang phase transition dynamics ay ipinapalagay na isang cosine function ng boltahe at temperatura, na may kaunting pagbabago sa modelo.Iminungkahi nina Becker at Brinson ang isang phase diagram na nakabatay sa kinetic na modelo upang i-modelo ang pag-uugali ng mga materyales sa SMA sa ilalim ng arbitrary na mga kondisyon ng paglo-load pati na rin ang mga bahagyang transition.Ginagamit ng Banerjee32 ang Bekker at Brinson31 phase diagram dynamics method para gayahin ang isang antas ng freedom manipulator na binuo nina Elahinia at Ahmadian33.Ang mga kinetic na pamamaraan batay sa mga diagram ng phase, na isinasaalang-alang ang hindi monotonic na pagbabago sa boltahe na may temperatura, ay mahirap ipatupad sa mga aplikasyon ng engineering.Ang Elakhinia at Ahmadian ay binibigyang-pansin ang mga pagkukulang na ito ng mga kasalukuyang modelong phenomenological at nagmumungkahi ng pinahabang modelong phenomenological upang pag-aralan at tukuyin ang pag-uugali ng hugis ng memorya sa ilalim ng anumang kumplikadong mga kondisyon sa paglo-load.
Ang structural model ng SMA wire ay nagbibigay ng stress (\(\sigma\)), strain (\(\epsilon\)), temperature (T), at martensite volume fraction (\(\xi\)) ng SMA wire.Ang phenomenological constitutive model ay unang iminungkahi ni Tanaka28 at kalaunan ay pinagtibay nina Liang29 at Brinson30.Ang derivative ng equation ay may anyo:
kung saan ang E ay ang phase dependent SMA Young's modulus na nakuha gamit ang \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) at \(E_A\) at \(E_M\) na kumakatawan sa Young's modulus ay austenitic at martensitic phase, ayon sa pagkakabanggit, at ang coefficient ng thermal expansion ay kinakatawan ng \(\\theta ).Ang phase transition contribution factor ay \(\Omega = -E \epsilon _L\) at \(\epsilon _L\) ay ang maximum na mababawi na strain sa SMA wire.
Ang phase dynamics equation ay tumutugma sa cosine function na binuo ni Liang29 at kalaunan ay pinagtibay ni Brinson30 sa halip na ang exponential function na iminungkahi ng Tanaka28.Ang modelo ng phase transition ay isang extension ng modelong iminungkahi ng Elakhinia at Ahmadian34 at binago batay sa mga kundisyon ng phase transition na ibinigay nina Liang29 at Brinson30.Ang mga kundisyon na ginamit para sa phase transition model na ito ay may bisa sa ilalim ng mga kumplikadong thermomechanical load.Sa bawat sandali ng oras, ang halaga ng volume fraction ng martensite ay kinakalkula kapag nagmomodelo ng constitutive equation.
Ang namamahala sa retransformation equation, na ipinahayag ng pagbabago ng martensite sa austenite sa ilalim ng mga kondisyon ng pag-init, ay ang mga sumusunod:
kung saan ang \(\xi\) ay ang volume fraction ng martensite, \(\xi _M\) ay ang volume fraction ng martensite na nakuha bago magpainit, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) at \(C_A\) (curve na mga parameter_, T_A\) (curve appro_, T_A\) (curve appro_, T_A\) (curve na mga parameter at SMA\) na mga parameter_, T_A\) at SMA\(C_A\) – curve appro_ at SMA ) - simula at pagtatapos ng austenite phase, ayon sa pagkakabanggit, temperatura.
Ang direktang transformation control equation, na kinakatawan ng phase transformation ng austenite hanggang martensite sa ilalim ng mga kondisyon ng paglamig, ay:
kung saan ang \(\xi _A\) ay ang volume fraction ng martensite na nakuha bago lumamig, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) at \ ( C_M \) – curve fitting parameters, T – SMA wire temperature, \(M_s\) at ayon sa pagkakasunod-sunod na temperatura ng kawad ng T – SMA, \(M_s\).
Pagkatapos pag-iba-ibahin ang mga equation (3) at (4), ang inverse at direct transformation equation ay pinasimple sa sumusunod na anyo:
Sa panahon ng pasulong at paatras na pagbabagong-anyo, ang \(\eta _{\sigma}\) at \(\eta _{T}\) ay kumukuha ng magkakaibang mga halaga.Ang mga pangunahing equation na nauugnay sa \(\eta _{\sigma}\) at \(\eta _{T}\) ay hinango at tinalakay nang detalyado sa isang karagdagang seksyon.
Ang thermal energy na kinakailangan upang itaas ang temperatura ng SMA wire ay nagmumula sa epekto ng pag-init ng Joule.Ang thermal energy na hinihigop o inilabas ng SMA wire ay kinakatawan ng latent heat ng transformation.Ang pagkawala ng init sa SMA wire ay dahil sa sapilitang convection, at dahil sa hindi gaanong epekto ng radiation, ang heat energy balance equation ay ang mga sumusunod:
Kung saan ang \(m_{wire}\) ay ang kabuuang masa ng SMA wire, \(c_{p}\) ay ang tiyak na kapasidad ng init ng SMA, \(V_{in}\) ay ang boltahe na inilapat sa wire, \(R_{ohm} \ ) - phase-dependent resistance SMA, tinukoy bilang;\(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) kung saan ang \(r_M\ ) at \(r_A\) ay ang SMA phase resistivity sa martensite at austenite, ayon sa pagkakabanggit, \(A_{c}\) ay ang surface area ng SMA wire, \(\Delta H alloy.Ang nakatagong init ng paglipat ng wire, T at \(T_{\infty}\) ay ang mga temperatura ng SMA wire at ng kapaligiran, ayon sa pagkakabanggit.
Kapag ang isang hugis memory alloy wire ay pinaandar, ang wire ay nag-compress, na lumilikha ng puwersa sa bawat sangay ng bimodal na disenyo na tinatawag na fiber force.Ang mga puwersa ng mga hibla sa bawat strand ng SMA wire na magkasama ay lumikha ng puwersa ng kalamnan upang kumilos, tulad ng ipinapakita sa Fig. 9e.Dahil sa pagkakaroon ng biasing spring, ang kabuuang puwersa ng kalamnan ng Nth multilayer actuator ay:
Ang pagpapalit ng \(N = 1\) sa equation (7), ang lakas ng kalamnan ng unang yugto ng bimodal drive prototype ay maaaring makuha tulad ng sumusunod:
kung saan ang n ay ang bilang ng unimodal legs, \(F_m\) ay ang muscle force na nabuo ng drive, \(F_f\) ay ang fiber strength sa SMA wire, \(K_x\) ay ang bias stiffness.spring, ang \(\alpha\) ay anggulo ng tatsulok, ang \(x_0\) ay ang paunang offset ng bias spring upang hawakan ang SMA cable sa pre-tensioned na posisyon, at ang \(\Delta x\) ay ang actuator travel.
Ang kabuuang displacement o paggalaw ng drive (\(\Delta x\)) depende sa boltahe (\(\sigma\)) at strain (\(\epsilon\)) sa SMA wire ng Nth stage, ang drive ay nakatakda sa (tingnan ang Fig. karagdagang bahagi ng output):
Ang kinematic equation ay nagbibigay ng kaugnayan sa pagitan ng drive deformation (\(\epsilon\)) at displacement o displacement (\(\Delta x\)).Ang deformation ng Arb wire bilang isang function ng unang Arb wire length (\(l_0\)) at ang wire length (l) sa anumang oras t sa isang unimodal branch ay ang mga sumusunod:
kung saan ang \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) ay nakukuha sa pamamagitan ng paglalapat ng formula ng cosine sa \(\Delta\)ABB ', tulad ng ipinapakita sa Figure 8. Para sa unang yugto ng drive (\)\\\D, \(N = 1) , \(N = 1) , \(N = 1) , \(N = 1) Ang \(\alpha _1\) ay \(\alpha \) tulad ng ipinapakita sa Tulad ng ipinapakita sa Figure 8, sa pamamagitan ng pag-iiba ng oras mula sa Equation (11) at pagpapalit ng halaga ng l, ang strain rate ay maaaring isulat bilang:
kung saan ang \(l_0\) ay ang unang haba ng SMA wire, l ang haba ng wire sa anumang oras t sa isang unimodal branch, \(\epsilon\) ay ang deformation na nabuo sa SMA wire, at ang \(\alpha \) ay ang anggulo ng triangle , \(\Delta x\) ay ang drive offset (tulad ng ipinapakita sa Figure 8).
Lahat ng n single-peak na istruktura (\(n=6\) sa figure na ito) ay konektado sa serye na may \(V_{in}\) bilang input boltahe.Stage I: Schematic diagram ng SMA wire sa isang bimodal configuration sa ilalim ng zero voltage na kundisyon Stage II: Ang isang kinokontrol na istraktura ay ipinapakita kung saan ang SMA wire ay na-compress dahil sa inverse conversion, tulad ng ipinapakita ng pulang linya.
Bilang patunay ng konsepto, binuo ang isang bimodal drive na nakabase sa SMA upang subukan ang simulate derivation ng mga pinagbabatayan na equation na may mga eksperimentong resulta.Ang modelo ng CAD ng bimodal linear actuator ay ipinapakita sa fig.9a.Sa kabilang banda, sa fig.Ang 9c ay nagpapakita ng isang bagong disenyo na iminungkahi para sa isang rotational prismatic na koneksyon gamit ang isang two-plane SMA-based actuator na may bimodal na istraktura.Ang mga bahagi ng drive ay gawa-gawa gamit ang additive manufacturing sa isang Ultimaker 3 Extended 3D printer.Ang materyal na ginamit para sa 3D printing ng mga bahagi ay polycarbonate na angkop para sa mga materyales na lumalaban sa init dahil ito ay matibay, matibay at may mataas na temperatura ng transition ng salamin (110-113 \(^{\circ }\) C).Bilang karagdagan, ginamit sa mga eksperimento ang Dynalloy, Inc. Flexinol shape memory alloy wire, at ang mga materyal na katangian na tumutugma sa Flexinol wire ay ginamit sa mga simulation.Ang maramihang mga wire ng SMA ay nakaayos bilang mga hibla na naroroon sa isang bimodal na pag-aayos ng mga kalamnan upang makuha ang mataas na puwersa na ginawa ng mga multilayer actuator, tulad ng ipinapakita sa Fig. 9b, d.
Gaya ng ipinapakita sa Figure 9a, ang acute angle na nabuo ng movable arm SMA wire ay tinatawag na angle (\(\alpha\)).Sa pamamagitan ng mga terminal clamp na nakakabit sa kaliwa at kanang clamp, ang SMA wire ay nakahawak sa nais na anggulo ng bimodal.Ang bias spring device na hawak sa spring connector ay idinisenyo upang ayusin ang iba't ibang bias spring extension group ayon sa bilang (n) ng SMA fibers.Bilang karagdagan, ang lokasyon ng mga gumagalaw na bahagi ay idinisenyo upang ang SMA wire ay malantad sa panlabas na kapaligiran para sa sapilitang paglamig ng convection.Ang mga plato sa itaas at ibaba ng nababakas na assembly ay nakakatulong na panatilihing malamig ang SMA wire na may mga extruded cutout na idinisenyo upang mabawasan ang timbang.Bilang karagdagan, ang parehong mga dulo ng CMA wire ay naayos sa kaliwa at kanang mga terminal, ayon sa pagkakabanggit, sa pamamagitan ng isang crimp.Ang isang plunger ay nakakabit sa isang dulo ng movable assembly upang mapanatili ang clearance sa pagitan ng itaas at ilalim na mga plato.Ginagamit din ang plunger upang maglapat ng puwersa ng pagharang sa sensor sa pamamagitan ng isang contact upang sukatin ang puwersa ng pagharang kapag ang SMA wire ay pinaandar.
Ang bimodal muscle structure SMA ay konektado sa kuryente sa serye at pinapagana ng isang input pulse voltage.Sa panahon ng boltahe pulse cycle, kapag ang boltahe ay inilapat at ang SMA wire ay pinainit sa itaas ng paunang temperatura ng austenite, ang haba ng wire sa bawat strand ay pinaikli.Ang pagbawi na ito ay nagpapagana sa movable arm subassembly.Kapag ang boltahe ay na-zero sa parehong cycle, ang pinainit na SMA wire ay pinalamig sa ibaba ng temperatura ng martensite na ibabaw, sa gayon ay bumalik sa orihinal na posisyon nito.Sa ilalim ng zero na mga kondisyon ng stress, ang SMA wire ay unang pasibo na nakaunat ng isang bias spring upang maabot ang detwinned martensitic state.Ang tornilyo, kung saan dumadaan ang SMA wire, ay gumagalaw dahil sa compression na nilikha sa pamamagitan ng paglalapat ng boltahe na pulso sa SMA wire (ang SPA ay umabot sa austenite phase), na humahantong sa actuation ng movable lever.Kapag ang SMA wire ay binawi, ang bias spring ay lumilikha ng isang magkasalungat na puwersa sa pamamagitan ng karagdagang pag-inat ng spring.Kapag ang stress sa boltahe ng impulse ay naging zero, ang SMA wire ay nagpapahaba at nagbabago ng hugis nito dahil sa sapilitang paglamig ng convection, na umaabot sa double martensitic phase.
Ang iminungkahing SMA-based na linear actuator system ay may bimodal configuration kung saan ang mga SMA wire ay anggulo.(a) inilalarawan ang isang modelong CAD ng prototype, na nagbabanggit ng ilan sa mga bahagi at ang kanilang mga kahulugan para sa prototype, (b, d) ay kumakatawan sa binuo na eksperimentong prototype35.Habang ang (b) ay nagpapakita ng tuktok na view ng prototype na may mga de-koryenteng koneksyon at bias spring at strain gauge na ginamit, (d) ay nagpapakita ng pananaw na pananaw ng setup.(e) Diagram ng isang linear actuation system na may mga SMA wire na nakalagay sa bimodally sa anumang oras t, na nagpapakita ng direksyon at kurso ng fiber at lakas ng kalamnan.(c) Ang 2-DOF rotational prismatic connection ay iminungkahi para sa pag-deploy ng two-plane SMA-based actuator.Tulad ng ipinapakita, ang link ay nagpapadala ng linear na paggalaw mula sa ilalim na drive hanggang sa itaas na braso, na lumilikha ng isang rotational na koneksyon.Sa kabilang banda, ang paggalaw ng pares ng prisms ay kapareho ng paggalaw ng multilayer first stage drive.
Ang isang eksperimentong pag-aaral ay isinagawa sa prototype na ipinapakita sa Fig. 9b upang suriin ang pagganap ng isang bimodal drive batay sa SMA.Tulad ng ipinapakita sa Figure 10a, ang pang-eksperimentong setup ay binubuo ng isang programmable DC power supply upang magbigay ng input boltahe sa mga wire ng SMA.Gaya ng ipinapakita sa fig.10b, isang piezoelectric strain gauge (PACEline CFT/5kN) ang ginamit upang sukatin ang blocking force gamit ang isang Graphtec GL-2000 data logger.Ang data ay naitala ng host para sa karagdagang pag-aaral.Ang mga strain gauge at charge amplifier ay nangangailangan ng patuloy na supply ng kuryente upang makabuo ng signal ng boltahe.Ang kaukulang mga signal ay na-convert sa mga power output ayon sa sensitivity ng piezoelectric force sensor at iba pang mga parameter tulad ng inilarawan sa Table 2. Kapag ang isang boltahe pulse ay inilapat, ang temperatura ng SMA wire ay tumataas, na nagiging sanhi ng SMA wire upang i-compress, na nagiging sanhi ng actuator upang makabuo ng puwersa.Ang mga pang-eksperimentong resulta ng output ng lakas ng kalamnan sa pamamagitan ng isang input boltahe pulse ng 7 V ay ipinapakita sa fig.2a.
(a) Ang isang SMA-based na linear actuator system ay na-set up sa eksperimento upang sukatin ang puwersa na nabuo ng actuator.Sinusukat ng load cell ang puwersa ng pagharang at pinapagana ng 24 V DC power supply.Ang isang 7 V na pagbaba ng boltahe ay inilapat sa buong haba ng cable gamit ang isang GW Instek na programmable DC power supply.Ang SMA wire ay lumiliit dahil sa init, at ang palipat-lipat na braso ay kumokonekta sa load cell at nagsasagawa ng pagharang.Ang load cell ay konektado sa GL-2000 data logger at ang data ay nakaimbak sa host para sa karagdagang pagproseso.(b) Diagram na nagpapakita ng kadena ng mga bahagi ng eksperimentong setup para sa pagsukat ng lakas ng kalamnan.
Ang mga haluang metal ng hugis ng memorya ay nasasabik ng thermal energy, kaya ang temperatura ay nagiging isang mahalagang parameter para sa pag-aaral ng hindi pangkaraniwang bagay ng memorya ng hugis.Sa eksperimento, tulad ng ipinapakita sa Fig. 11a, ang thermal imaging at mga sukat ng temperatura ay isinagawa sa isang prototype na SMA-based na divalerate actuator.Ang isang programmable DC source ay naglapat ng input voltage sa mga SMA wire sa pang-eksperimentong setup, tulad ng ipinapakita sa Figure 11b.Ang pagbabago ng temperatura ng SMA wire ay sinusukat sa real time gamit ang isang high resolution na LWIR camera (FLIR A655sc).Ang host ay gumagamit ng ResearchIR software upang mag-record ng data para sa karagdagang post-processing.Kapag ang boltahe na pulso ay inilapat, ang temperatura ng SMA wire ay tumataas, na nagiging sanhi ng pag-urong ng SMA wire.Sa fig.Ipinapakita ng Figure 2b ang mga eksperimentong resulta ng temperatura ng wire ng SMA kumpara sa oras para sa isang 7V input voltage pulse.
Oras ng post: Set-28-2022