Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz.Kullanmakta olduğunuz tarayıcı sürümü sınırlı CSS desteğine sahiptir.En iyi deneyim için güncellenmiş bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz.Bu arada, sürekli destek sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan yapacağız.
Aktüatörler her yerde kullanılır ve imalat ve endüstriyel otomasyonda çeşitli işlemleri gerçekleştirmek için doğru uyarma kuvveti veya torku uygulayarak kontrollü hareket oluşturur.Daha hızlı, daha küçük ve daha verimli sürücülere duyulan ihtiyaç, sürücü tasarımında yeniliği yönlendiriyor.Şekil Hafızalı Alaşımlı (SMA) diskler, yüksek güç-ağırlık oranı da dahil olmak üzere geleneksel disklere göre bir dizi avantaj sunar.Bu tezde, biyolojik sistemlerin tüylü kaslarının avantajlarını ve SMA'ların benzersiz özelliklerini birleştiren iki tüylü bir SMA tabanlı aktüatör geliştirildi.Bu çalışma, çift modlu SMA kablo düzenlemesine dayalı yeni aktüatörün matematiksel bir modelini geliştirerek ve deneysel olarak test ederek önceki SMA aktüatörlerini araştırıyor ve genişletiyor.SMA tabanlı bilinen sürücülerle karşılaştırıldığında, yeni sürücünün çalıştırma kuvveti en az 5 kat daha fazladır (150 N'ye kadar).Karşılık gelen kilo kaybı yaklaşık %67'dir.Matematiksel modellerin duyarlılık analizinin sonuçları, tasarım parametrelerini ayarlamak ve anahtar parametreleri anlamak için yararlıdır.Bu çalışma ayrıca, dinamikleri daha da geliştirmek için kullanılabilecek çok seviyeli bir N'inci aşama sürücü sunar.SMA tabanlı dipvalate kas aktüatörleri, bina otomasyonundan hassas ilaç dağıtım sistemlerine kadar geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir.
Memelilerin kas yapıları gibi biyolojik sistemler pek çok ince aktüatörü aktive edebilir1.Memeliler, her biri belirli bir amaca hizmet eden farklı kas yapılarına sahiptir.Bununla birlikte, memeli kas dokusunun yapısının çoğu iki geniş kategoriye ayrılabilir.Paralel ve flamalı.Hamstringlerde ve diğer fleksörlerde, adından da anlaşılacağı gibi, paralel kas sistemi, merkezi tendona paralel kas liflerine sahiptir.Kas liflerinin zinciri, etraflarındaki bağ dokusu tarafından sıralanır ve işlevsel olarak bağlanır.Bu kasların büyük bir gezinimi (kısalma yüzdesi) olduğu söylense de, genel kas güçleri çok sınırlıdır.Buna karşılık, triseps baldır kasında2 (lateral gastroknemius (GL)3, medial gastroknemius (GM)4 ve soleus (SOL)) ve ekstansör femoris (kuadriseps)5,6 her kasta pennat kas dokusu bulunur7.Bir pinnate yapısında, bipennate kas sistemindeki kas lifleri, merkezi tendonun her iki yanında eğik açılarda (pinnate açılar) bulunur.Pennate, "kalem" anlamına gelen ve Şekil l'de gösterildiği gibi Latince "penna" kelimesinden gelir.1 tüy benzeri bir görünüme sahiptir.Flamalı kasların lifleri daha kısadır ve kasın uzunlamasına eksenine açılıdır.Pinnate yapısı nedeniyle, bu kasların genel hareketliliği azalır, bu da kısalma sürecinin enine ve boyuna bileşenlerine yol açar.Öte yandan, bu kasların aktivasyonu, fizyolojik enine kesit alanının ölçülme şekli nedeniyle daha yüksek genel kas gücüne yol açar.Bu nedenle, belirli bir enine kesit alanı için, flama kasları daha güçlü olacak ve paralel liflere sahip kaslardan daha yüksek kuvvetler üretecektir.Bireysel lifler tarafından üretilen kuvvetler, o kas dokusunda makroskopik düzeyde kas kuvvetleri oluşturur.Ayrıca hızlı büzülme, çekme hasarlarına karşı koruma, yastıklama gibi benzersiz özelliklere sahiptir.Kas hareket hatlarıyla ilişkili lif düzeninin benzersiz özelliklerinden ve geometrik karmaşıklığından yararlanarak lif girişi ile kas gücü çıkışı arasındaki ilişkiyi dönüştürür.
Gösterilenler, çift modlu bir kas mimarisine ilişkin mevcut SMA tabanlı aktüatör tasarımlarının şematik diyagramlarıdır, örneğin (a), SMA telleri tarafından çalıştırılan el şeklindeki bir cihazın iki tekerlekli bir otonom mobil robot9,10 üzerine monte edildiği dokunma kuvvetinin etkileşimini temsil eder., (b) Antagonistik olarak yerleştirilmiş SMA yaylı yörünge protezi ile robotik yörünge protezi.Protez gözün konumu, gözün oküler kasından gelen bir sinyalle kontrol edilir11, (c) SMA aktüatörleri, yüksek frekans yanıtları ve düşük bant genişlikleri nedeniyle su altı uygulamaları için idealdir.Bu konfigürasyonda, SMA aktüatörleri balığın hareketini simüle ederek dalga hareketi oluşturmak için kullanılır, (d) SMA aktüatörleri, kanal 10 içindeki SMA tellerinin hareketiyle kontrol edilen inç solucan hareketi ilkesini kullanabilen bir mikro boru inceleme robotu oluşturmak için kullanılır, (e) kasılma kas liflerinin yönünü ve gastroknemius dokusunda kasılma kuvveti üretme yönünü gösterir, (f) flama kas yapısında kas lifleri şeklinde düzenlenmiş SMA tellerini gösterir.
Aktüatörler, geniş uygulama alanları nedeniyle mekanik sistemlerin önemli bir parçası haline gelmiştir.Bu nedenle, daha küçük, daha hızlı ve daha verimli sürücülere olan ihtiyaç kritik hale gelir.Avantajlarına rağmen, geleneksel sürücülerin bakımının pahalı ve zaman alıcı olduğu kanıtlanmıştır.Hidrolik ve pnömatik aktüatörler karmaşık ve pahalıdır ve aşınmaya, yağlama sorunlarına ve parça arızalarına tabidir.Talebe yanıt olarak, akıllı malzemelere dayalı olarak uygun maliyetli, boyutlandırma açısından optimize edilmiş ve gelişmiş aktüatörler geliştirmeye odaklanılıyor.Devam eden araştırmalar, bu ihtiyacı karşılamak için şekil hafızalı alaşım (SMA) katmanlı aktüatörlere bakıyor.Hiyerarşik aktüatörler, artan ve genişletilmiş işlevsellik sağlamak için birçok ayrı aktüatörü geometrik olarak karmaşık makro ölçekli alt sistemlerde birleştirmeleri bakımından benzersizdir.Bu bağlamda, yukarıda açıklanan insan kas dokusu, bu tür çok katmanlı çalıştırmanın mükemmel bir çok katmanlı örneğini sağlar.Mevcut çalışma, çift modlu kaslarda bulunan ve genel sürücü performansını iyileştiren fiber yönelimlerine hizalanmış birkaç ayrı sürücü elemanına (SMA kablosu) sahip çok seviyeli bir SMA sürücüsünü açıklamaktadır.
Bir aktüatörün temel amacı, elektrik enerjisini dönüştürerek kuvvet ve yer değiştirme gibi mekanik güç çıktıları üretmektir.Şekil hafızalı alaşımlar, yüksek sıcaklıklarda şeklini eski haline getirebilen bir "akıllı" malzeme sınıfıdır.Yüksek yükler altında, SMA telinin sıcaklığındaki bir artış, çeşitli doğrudan bağlı akıllı malzemelerle karşılaştırıldığında daha yüksek çalıştırma enerji yoğunluğu ile sonuçlanan şeklin geri kazanılmasına yol açar.Aynı zamanda mekanik yükler altında SMA'lar kırılgan hale gelir.Belirli koşullar altında, döngüsel bir yük, mekanik enerjiyi emebilir ve serbest bırakabilir, tersine çevrilebilir histeretik şekil değişiklikleri sergileyebilir.Bu benzersiz özellikler, SMA'yı sensörler, titreşim sönümleme ve özellikle aktüatörler12 için ideal hale getirir.Bunu göz önünde bulundurarak, SMA tabanlı sürücülerle ilgili çok sayıda araştırma yapılmıştır.SMA tabanlı aktüatörlerin çeşitli uygulamalar13,14,15için öteleme ve döner hareket sağlamak üzere tasarlandığını belirtmek gerekir.Bazı döner aktüatörler geliştirilmiş olmasına rağmen, araştırmacılar özellikle lineer aktüatörlerle ilgilenmektedir.Bu doğrusal aktüatörler üç tip aktüatöre ayrılabilir: tek boyutlu, yer değiştirme ve diferansiyel aktüatörler 16 .Başlangıçta hibrit sürücüler, SMA ve diğer geleneksel sürücülerle birlikte oluşturuldu.SMA tabanlı hibrit lineer aktüatörün böyle bir örneği, yaklaşık 100 N'lik bir çıkış kuvveti ve önemli yer değiştirme17 sağlamak için DC motorlu bir SMA kablosunun kullanılmasıdır.
Tamamen SMA'ya dayalı tahriklerdeki ilk gelişmelerden biri SMA paralel tahrikti.Birden fazla SMA kablosu kullanan SMA tabanlı paralel sürücü, tüm SMA18 kablolarını paralel olarak yerleştirerek sürücünün güç kapasitesini artırmak için tasarlanmıştır.Aktüatörlerin paralel bağlantısı yalnızca daha fazla güç gerektirmez, aynı zamanda tek bir kablonun çıkış gücünü de sınırlar.SMA tabanlı aktüatörlerin diğer bir dezavantajı, elde edebildikleri sınırlı harekettir.Bu sorunu çözmek için, yer değiştirmeyi artırmak ve doğrusal hareket elde etmek için saptırılmış esnek bir kiriş içeren, ancak daha yüksek kuvvetler19üretmeyen bir SMA kablo kirişi oluşturuldu.Şekil hafızalı alaşımlara dayalı robotlar için yumuşak deforme olabilen yapılar ve kumaşlar, öncelikle darbe güçlendirme20,21,22 için geliştirilmiştir.Yüksek hızların gerekli olduğu uygulamalar için, mikro pompayla çalışan uygulamalar23 için ince film SMA'ları kullanan kompakt tahrikli pompalar bildirilmiştir.İnce film SMA membranının tahrik frekansı, sürücünün hızını kontrol etmede önemli bir faktördür.Bu nedenle, SMA doğrusal motorları, SMA yaylı veya çubuklu motorlardan daha iyi bir dinamik tepkiye sahiptir.Yumuşak robotik ve kavrama teknolojisi, SMA tabanlı aktüatörleri kullanan diğer iki uygulamadır.Örneğin, 25 N uzay kelepçesinde kullanılan standart aktüatörü değiştirmek için şekil hafızalı bir alaşım paralel aktüatör 24 geliştirildi.Başka bir durumda, bir SMA yumuşak aktüatörü, maksimum 30 N çekme kuvveti üretebilen gömülü bir matrise sahip bir tel temel alınarak imal edilmiştir. SMA'lar, mekanik özelliklerinden dolayı biyolojik olayları taklit eden aktüatörler üretmek için de kullanılır.Böyle bir gelişme, ateş etmek için sinüzoidal bir hareket oluşturmak üzere SMA'lı solucan benzeri bir organizmanın biyomimetiği olan 12 hücreli bir robot içerir26,27.
Daha önce belirtildiği gibi, mevcut SMA tabanlı aktüatörlerden elde edilebilecek maksimum kuvvetin bir sınırı vardır.Bu konuyu ele almak için, bu çalışma biyomimetik iki modlu bir kas yapısı sunmaktadır.Şekil hafızalı alaşımlı tel ile tahrik edilir.Birkaç şekil hafızalı alaşım teli içeren bir sınıflandırma sistemi sağlar.Bugüne kadar literatürde benzer mimariye sahip hiçbir SMA tabanlı aktüatör bildirilmemiştir.SMA'ya dayalı bu benzersiz ve yeni sistem, çift modlu kas hizalaması sırasında SMA'nın davranışını incelemek için geliştirildi.Mevcut SMA tabanlı aktüatörlerle karşılaştırıldığında, bu çalışmanın amacı, küçük bir hacimde önemli ölçüde daha yüksek kuvvetler üretmek için biyomimetik bir dipvalerate aktüatör oluşturmaktı.HVAC bina otomasyonu ve kontrol sistemlerinde kullanılan geleneksel kademeli motor tahrikli sürücülerle karşılaştırıldığında, önerilen SMA tabanlı çift modlu sürücü tasarımı, sürücü mekanizmasının ağırlığını %67 oranında azaltır.Aşağıda, "kas" ve "hareket" terimleri birbirinin yerine kullanılmaktadır.Bu çalışma, böyle bir sürücünün çoklu fizik simülasyonunu araştırıyor.Bu tür sistemlerin mekanik davranışı deneysel ve analitik yöntemlerle incelenmiştir.Kuvvet ve sıcaklık dağılımları, 7 V'luk bir giriş voltajında ayrıca incelenmiştir. Ardından, temel parametreler ile çıkış kuvveti arasındaki ilişkiyi daha iyi anlamak için bir parametrik analiz gerçekleştirilmiştir.Son olarak, hiyerarşik aktüatörler tasavvur edilmiş ve protez uygulamaları için manyetik olmayan aktüatörler için potansiyel bir gelecek alanı olarak hiyerarşik seviye etkileri önerilmiştir.Yukarıda bahsedilen çalışmaların sonuçlarına göre, tek aşamalı bir mimarinin kullanılması, bildirilen SMA tabanlı aktüatörlerden en az dört ila beş kat daha fazla kuvvet üretir.Ayrıca, çok seviyeli çok seviyeli bir sürücü tarafından üretilen aynı tahrik kuvvetinin, geleneksel SMA tabanlı sürücülerden on kat daha fazla olduğu gösterilmiştir.Çalışma daha sonra farklı tasarımlar ve girdi değişkenleri arasındaki duyarlılık analizini kullanarak temel parametreleri rapor eder.SMA telinin başlangıç uzunluğu (\(l_0\)), pinnate açısı (\(\alpha\)) ve her bir teldeki tekli tel sayısı (n), tahrik kuvvetinin büyüklüğü üzerinde güçlü bir olumsuz etkiye sahiptir.güç, giriş voltajının (enerji) ise pozitif olarak ilişkili olduğu ortaya çıktı.
SMA teli, nikel-titanyum (Ni-Ti) alaşım ailesinde görülen şekil hafıza etkisini (SME) sergiler.Tipik olarak, SMA'lar sıcaklığa bağlı iki faz sergiler: düşük sıcaklık fazı ve yüksek sıcaklık fazı.Her iki faz da farklı kristal yapılarının varlığı nedeniyle benzersiz özelliklere sahiptir.Dönüşüm sıcaklığının üzerinde bulunan östenit fazında (yüksek sıcaklık fazı), malzeme yüksek mukavemet sergiler ve yük altında zayıf bir şekilde deforme olur.Alaşım paslanmaz çelik gibi davranır, bu nedenle daha yüksek çalıştırma basınçlarına dayanabilir.Ni-Ti alaşımlarının bu özelliğinden yararlanarak, SMA telleri bir aktüatör oluşturmak üzere eğimlidir.SMA'nın çeşitli parametrelerin ve çeşitli geometrilerin etkisi altındaki termal davranışının temel mekaniğini anlamak için uygun analitik modeller geliştirilir.Deneysel ve analitik sonuçlar arasında iyi bir uyum elde edildi.
SMA'ya dayalı çift modlu bir sürücünün performansını değerlendirmek için Şekil 9a'da gösterilen prototip üzerinde deneysel bir çalışma yapılmıştır.Bu özelliklerden ikisi, tahrik tarafından üretilen kuvvet (kas kuvveti) ve SMA telinin sıcaklığı (SMA sıcaklığı) deneysel olarak ölçülmüştür.Sürücüdeki telin tüm uzunluğu boyunca voltaj farkı arttıkça, Joule ısıtma etkisi nedeniyle telin sıcaklığı artar.Giriş voltajı, her döngü arasında 15 saniyelik bir soğutma periyodu ile iki adet 10 saniyelik döngüde (Şekil 2a, b'de kırmızı noktalar olarak gösterilmiştir) uygulandı.Engelleme kuvveti, bir piezoelektrik gerinim ölçer kullanılarak ölçüldü ve SMA telinin sıcaklık dağılımı, bilimsel düzeyde yüksek çözünürlüklü bir LWIR kamera kullanılarak gerçek zamanlı olarak izlendi (Tablo 2'de kullanılan ekipmanın özelliklerine bakın).yüksek voltaj fazı sırasında telin sıcaklığının monoton bir şekilde arttığını, ancak akım geçmediğinde telin sıcaklığının düşmeye devam ettiğini gösterir.Mevcut deney düzeneğinde, SMA telinin sıcaklığı soğutma aşamasında düştü, ancak yine de ortam sıcaklığının üzerindeydi.Şek.Şekil 2e, LWIR kameradan alınan SMA kablosundaki sıcaklığın anlık görüntüsünü gösterir.Öte yandan, şek.Şekil 2a, tahrik sistemi tarafından üretilen engelleme kuvvetini göstermektedir.Kas kuvveti yayın geri getirme kuvvetini aştığında hareketli kol Şekil 9a'da gösterildiği gibi hareket etmeye başlar.Çalıştırma başlar başlamaz, hareket edebilen kol sensörle temas ederek şekil 1'de gösterildiği gibi bir vücut kuvveti oluşturur.2c, d.Maksimum sıcaklık \(84\,^{\circ}\hbox {C}\'ye yakın olduğunda), gözlemlenen maksimum kuvvet 105 N'dir.
Grafik, SMA telinin sıcaklığının deneysel sonuçlarını ve SMA tabanlı iki modlu aktüatörün iki döngü boyunca ürettiği kuvveti gösterir.Giriş voltajı, her bir döngü arasında 15 saniyelik bir soğuma periyodu ile iki adet 10 saniyelik döngüde (kırmızı noktalarla gösterilir) uygulanır.Deneyler için kullanılan SMA teli, Dynalloy, Inc.'den 0,51 mm çapında bir Flexinol telidir. (a) Grafik, iki döngü boyunca elde edilen deneysel kuvveti gösterir, (c, d) bir PACEline CFT/5kN piezoelektrik kuvvet transdüseri üzerindeki hareketli kol aktüatörlerinin hareketinin iki bağımsız örneğini gösterir, (b) grafik, iki döngü boyunca tüm SMA telinin maksimum sıcaklığını gösterir, (e) FLIR ResearchIR yazılımı kullanılarak SMA telinden alınan bir sıcaklık anlık görüntüsünü gösterir LWIR kamera.Deneylerde dikkate alınan geometrik parametreler Tablo'da verilmiştir.bir.
Matematiksel modelin simülasyon sonuçları ve deneysel sonuçlar, Şekil 5'te gösterildiği gibi, 7 V'luk bir giriş voltajı koşulu altında karşılaştırılır.Parametrik analiz sonuçlarına göre ve SMA telinin aşırı ısınma ihtimalini ortadan kaldırmak için aktüatöre 11,2 W güç verilmiştir.Giriş voltajı olarak 7V sağlamak için programlanabilir bir DC güç kaynağı kullanıldı ve kablo boyunca 1.6A'lık bir akım ölçüldü.Akım uygulandığında sürücü tarafından üretilen kuvvet ve SDR'nin sıcaklığı artar.7V'luk bir giriş voltajıyla, birinci çevrimin simülasyon sonuçlarından ve deneysel sonuçlarından elde edilen maksimum çıkış kuvveti sırasıyla 78 N ve 96 N'dir.İkinci döngüde, simülasyon ve deneysel sonuçların maksimum çıkış kuvveti sırasıyla 150 N ve 105 N idi.Oklüzyon kuvveti ölçümleri ile deneysel veriler arasındaki tutarsızlık, oklüzyon kuvvetini ölçmek için kullanılan yöntemden kaynaklanıyor olabilir.Şek.Şekil 5a, Şekil 1'de gösterildiği gibi tahrik mili PACEline CFT/5kN piezoelektrik kuvvet transdüseri ile temas halindeyken ölçülen kilitleme kuvvetinin ölçümüne karşılık gelir.2 saniyeBu nedenle, soğutma bölgesinin başlangıcında tahrik mili kuvvet sensörü ile temas halinde olmadığında, Şekil 2d'de gösterildiği gibi kuvvet hemen sıfır olur.Ayrıca sonraki çevrimlerde kuvvet oluşumunu etkileyen diğer parametreler soğuma süresi değerleri ve bir önceki çevrimdeki konvektif ısı transfer katsayısıdır.Şek.Şekil 2b'de, 15 saniyelik bir soğuma periyodundan sonra, SMA telinin oda sıcaklığına ulaşmadığı ve bu nedenle ikinci sürüş çevriminde birinci çevrime (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)) kıyasla daha yüksek bir başlangıç sıcaklığına (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) sahip olduğu görülebilir.Böylece, birinci döngü ile karşılaştırıldığında, ikinci ısıtma döngüsü sırasında SMA telinin sıcaklığı ilk östenit sıcaklığına (\(A_s\)) daha erken ulaşır ve geçiş periyodunda daha uzun süre kalarak stres ve kuvvete neden olur.Öte yandan, deneylerden ve simülasyonlardan elde edilen ısıtma ve soğutma çevrimleri sırasındaki sıcaklık dağılımları, termografik analizden elde edilen örneklerle yüksek niteliksel benzerliğe sahiptir.Deneylerden ve simülasyonlardan elde edilen SMA teli termal verilerinin karşılaştırmalı analizi, ısıtma ve soğutma döngüleri sırasında ve deneysel veriler için kabul edilebilir toleranslar dahilinde tutarlılık gösterdi.Birinci döngünün simülasyon ve deneylerinin sonuçlarından elde edilen SMA telinin maksimum sıcaklığı sırasıyla \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) ve \(75\,^{\circ }\hbox { C }\ ) ve ikinci döngüde SMA telinin maksimum sıcaklığı \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) ve \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\'dir. ).Temelde geliştirilen model, şekil hafızası etkisinin etkisini doğrular.Bu derlemede yorgunluk ve aşırı ısınmanın rolü dikkate alınmadı.Gelecekte model, SMA telinin gerilim geçmişini içerecek şekilde iyileştirilecek ve mühendislik uygulamaları için daha uygun hale getirilecektir.Simulink bloğundan elde edilen tahrik çıkış kuvveti ve SMA sıcaklık grafikleri, 7 V'luk bir giriş voltajı darbesi koşulu altında deneysel verilerin izin verilen toleransları içindedir. Bu, geliştirilen matematiksel modelin doğruluğunu ve güvenilirliğini teyit eder.
Matematiksel model, Yöntemler bölümünde açıklanan temel denklemler kullanılarak MathWorks Simulink R2020b ortamında geliştirilmiştir.Şek.Şekil 3b, Simulink matematik modelinin bir blok diyagramını göstermektedir.Model, Şekil 2a, b'de gösterildiği gibi 7V giriş voltajı darbesi için simüle edilmiştir.Simülasyonda kullanılan parametrelerin değerleri Tablo 1'de listelenmiştir. Geçici süreçlerin simülasyonunun sonuçları Şekil 1 ve 1'de sunulmuştur. Şekil 3a ve 4. Şekil.Şekil 4a,b, SMA kablosunda indüklenen voltajı ve aktüatör tarafından zamanın bir fonksiyonu olarak üretilen kuvveti gösterir. Ters dönüşüm (ısıtma) sırasında, SMA tel sıcaklığı \(T < A_s^{\prime}\) (gerilmeyle modifiye edilmiş östenit fazı başlangıç sıcaklığı), martenzit hacim fraksiyonunun (\(\dot{\xi }\)) değişim hızı sıfır olacaktır. Ters dönüşüm (ısıtma) sırasında, SMA tel sıcaklığı \(T < A_s^{\prime}\) (gerilmeyle modifiye edilmiş östenit faz başlangıç sıcaklığı), martenzit hacim fraksiyonunun (\(\dot{\ xi }\)) değişim hızı sıfır olacaktır. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитной фазы , модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Ters dönüşüm (ısıtma) sırasında, SMA telinin sıcaklığı \(T < A_s^{\prime}\) (gerilmeyle değiştirilmiş östenit başlangıç sıcaklığı) olduğunda, martensit hacim fraksiyonunun (\(\dot{\ xi }\ )) değişim hızı sıfır olacaktır.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时,马氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\)) 将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) SMA tabanlı bir iki değerlikli aktüatörde sıcaklık dağılımını ve stres kaynaklı bağlantı sıcaklığını gösteren simülasyon sonucu.Isıtma aşamasında tel sıcaklığı östenit geçiş sıcaklığını geçtiğinde modifiye östenit geçiş sıcaklığı artmaya başlar ve benzer şekilde filmaşin sıcaklığı soğutma aşamasında martensitik geçiş sıcaklığını geçtiğinde martensitik geçiş sıcaklığı düşer.Çalıştırma sürecinin analitik modellemesi için SMA.(Bir Simulink modelinin her bir alt sisteminin ayrıntılı görünümü için, ek dosyanın ek bölümüne bakın.)
Farklı parametre dağılımları için analiz sonuçları, 7V giriş voltajının iki döngüsü için gösterilmiştir (10 saniyelik ısınma döngüleri ve 15 saniyelik soğuma döngüleri).(ac) ve (e) zamana göre dağılımı gösterirken, (d) ve (f) sıcaklığa göre dağılımı göstermektedir.İlgili giriş koşulları için, gözlemlenen maksimum gerilim 106 MPa (345 MPa'dan az, tel akma mukavemeti), kuvvet 150 N, maksimum yer değiştirme 270 µm ve minimum martensitik hacim oranı 0,91'dir.Öte yandan, martensitin gerilmedeki değişimi ve sıcaklıkla hacim fraksiyonundaki değişim histerezis özelliklerine benzer.
Aynı açıklama, östenit fazından martensit fazına doğrudan dönüşüm (soğutma) için de geçerlidir; burada SMA tel sıcaklığı (T) ve gerilimle modifiye edilmiş martensit fazının (\(M_f^{\prime}\ )) uç sıcaklığı mükemmeldir.Şek.Şekil 4d,f, her iki sürüş çevrimi için SMA telinin (T) sıcaklığındaki değişimin bir fonksiyonu olarak SMA telindeki indüklenen gerilimdeki (\(\sigma\)) ve martenzitin (\(\xi\)) hacim fraksiyonundaki değişimi gösterir.Şek.Şekil 3a, giriş voltajı darbesine bağlı olarak SMA kablosunun sıcaklığındaki değişimi göstermektedir.Şekilden de görülebileceği gibi, sıfır voltajda bir ısı kaynağı ve ardından konvektif soğutma sağlayarak telin sıcaklığı artmaya devam eder.Isıtma sırasında, martenzitin östenit fazına yeniden dönüşümü, SMA tel sıcaklığı (T) gerilimi düzeltilmiş östenit çekirdeklenme sıcaklığını (\(A_s^{\prime}\)) geçtiğinde başlar.Bu aşamada, SMA kablosu sıkıştırılır ve aktüatör kuvvet üretir.Ayrıca soğutma sırasında, SMA telinin (T) sıcaklığı, gerilimle modifiye edilmiş martensit fazının (\(M_s^{\prime}\)) çekirdeklenme sıcaklığını geçtiğinde, östenit fazından martensit fazına pozitif bir geçiş olur.tahrik kuvveti azalır.
SMA'ya dayalı iki modlu sürücünün ana niteliksel yönleri, simülasyon sonuçlarından elde edilebilir.Voltaj darbe girişi durumunda, Joule ısıtma etkisi nedeniyle SMA telinin sıcaklığı artar.Martensit hacim fraksiyonunun (\(\xi\)) başlangıç değeri, malzeme başlangıçta tamamen martensitik bir fazda olduğu için 1'e ayarlanır.Tel ısınmaya devam ettikçe, SMA telinin sıcaklığı gerilimi düzeltilmiş östenit çekirdeklenme sıcaklığını \(A_s^{\prime}\) aşar, bu da Şekil 4c'de gösterildiği gibi martensit hacim fraksiyonunda bir azalmaya neden olur.Ek olarak, Şek.Şekil 4e, aktüatörün stroklarının zaman içindeki dağılımını ve Şek.5 – zamanın fonksiyonu olarak itici güç.İlgili bir denklem sistemi sıcaklık, martenzit hacim fraksiyonu ve telde gelişen gerilimi içerir, bu da SMA telinin büzülmesine ve aktüatörün ürettiği kuvvete neden olur.Şek.Şekil 4d,f, sıcaklıkla voltaj değişimi ve sıcaklıkla martensit hacim fraksiyonu değişimi, 7 V'ta simüle edilmiş durumda SMA'nın histerezis özelliklerine karşılık gelir.
Sürüş parametrelerinin karşılaştırılması, deneyler ve analitik hesaplamalar yoluyla elde edildi.Teller, 10 saniye boyunca 7 V'luk darbeli bir giriş voltajına tabi tutuldu, ardından iki döngü boyunca 15 saniye (soğutma fazı) soğutuldu.Pinnate açısı \(40^{\circ}\) olarak ayarlanır ve her bir tek pin bacağındaki SMA telinin başlangıç uzunluğu 83 mm olarak ayarlanır.(a) Yük hücresi ile tahrik kuvvetinin ölçülmesi (b) Termal kızılötesi kamera ile tel sıcaklığının izlenmesi.
Fiziksel parametrelerin sürücü tarafından üretilen kuvvet üzerindeki etkisini anlamak için, matematiksel modelin seçilen fiziksel parametrelere duyarlılığının bir analizi yapıldı ve parametreler etkilerine göre sıralandı.İlk olarak, model parametrelerinin örneklemesi, tekdüze bir dağılımı izleyen deneysel tasarım ilkeleri kullanılarak yapıldı (bkz. Duyarlılık Analizi Ek Bölümü).Bu durumda, model parametreleri arasında giriş voltajı (\(V_{in}\)) ilk SMA kablo uzunluğu (\(l_0\)), üçgen açısı (\(\alpha\)), öngerilim yay sabiti (\( K_x\ )), konvektif ısı transfer katsayısı (\(h_T\)) ve tek modlu kol sayısı (n) yer alır.Bir sonraki adımda, bir çalışma tasarımı gereksinimi olarak tepe kas gücü seçildi ve her bir değişken setinin güç üzerindeki parametrik etkileri elde edildi.Duyarlılık analizi için kasırga grafikleri, Şekil 6a'da gösterildiği gibi her parametre için korelasyon katsayılarından türetilmiştir.
(a) Model parametrelerinin korelasyon katsayısı değerleri ve bunların yukarıdaki model parametrelerinin 2500 benzersiz grubunun maksimum çıkış kuvveti üzerindeki etkisi kasırga grafiğinde gösterilmiştir.Grafik, birkaç göstergenin sıra korelasyonunu gösterir.Pozitif korelasyona sahip tek parametrenin \(V_{in}\) olduğu ve en yüksek negatif korelasyona sahip parametrenin \(l_0\) olduğu açıktır.Çeşitli kombinasyonlardaki çeşitli parametrelerin doruk kas kuvveti üzerindeki etkisi (b, c)'de gösterilmiştir.\(K_x\) 400 ila 800 N/m ve n, 4 ila 24 arasındadır. Voltaj (\(V_{in}\)) 4V'den 10V'a, kablo uzunluğu (\(l_{0 } \)) 40'tan 100 mm'ye ve kuyruk açısı (\ (\alpha \)) \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\) arasında değişmiştir.
Şek.Şekil 6a, en yüksek tahrik kuvveti tasarım gerekliliklerine sahip her bir parametre için çeşitli korelasyon katsayılarının bir kasırga grafiğini göstermektedir.Şek.Şekil 6a'da voltaj parametresinin (\(V_{in}\)) maksimum çıkış kuvveti ile doğrudan ilişkili olduğu ve konvektif ısı transfer katsayısı (\(h_T\))), alev açısı (\ ( \alpha\)) , yer değiştirme yay sabiti ( \(K_x\)) SMA telinin çıkış kuvveti ve başlangıç uzunluğu (\(l_0\)) ile negatif korelasyon gösterdiği ve tek modlu dalların sayısının (n) güçlü bir ters korelasyon gösterdiği görülebilir. gerilim korelasyon katsayısının (\(V_ {in}\)) daha yüksek bir değerde olması, bu parametrenin güç çıkışı üzerinde en büyük etkiye sahip olduğunu gösterir.Başka bir benzer analiz, Şekil 6b, c'de gösterildiği gibi, iki hesaplama alanının farklı kombinasyonlarındaki farklı parametrelerin etkisini değerlendirerek tepe kuvvetini ölçer.\(V_{in}\) ve \(l_0\), \(\alpha\) ve \(l_0\) benzer kalıplara sahiptir ve grafik, \(V_{in}\) ve \(\alpha\ ) ve \(\alpha\)'nin benzer kalıplara sahip olduğunu gösterir.Daha küçük \(l_0\) değerleri, daha yüksek tepe kuvvetleriyle sonuçlanır.Diğer iki çizim, Şekil 6a ile tutarlıdır, burada n ve \(K_x\) negatif olarak ilişkilidir ve \(V_{in}\) pozitif olarak ilişkilidir.Bu analiz, tahrik sisteminin çıkış kuvvetinin, strokunun ve verimliliğinin gereksinimlere ve uygulamaya uyarlanabileceği etki parametrelerinin tanımlanmasına ve ayarlanmasına yardımcı olur.
Mevcut araştırma çalışması, N seviyeli hiyerarşik sürücüleri tanıtıyor ve araştırıyor.Şekil 7a'da gösterildiği gibi iki seviyeli bir hiyerarşide, burada birinci seviye aktüatörün her bir SMA kablosu yerine, şekil 2'de gösterildiği gibi iki modlu bir düzenleme elde edilir.9e.Şek.Şekil 7c, SMA telinin sadece uzunlamasına yönde hareket eden hareketli bir kolun (yardımcı kol) etrafına nasıl sarıldığını gösterir.Ancak birincil hareketli kol, 1. aşama çok kademeli aktüatörün hareketli kolu ile aynı şekilde hareket etmeye devam eder.Tipik olarak, \(N-1\) aşamalı SMA kablosunun birinci aşama sürücüyle değiştirilmesiyle bir N-kademeli sürücü oluşturulur.Sonuç olarak, telin kendisini tutan dal haricinde, her dal birinci aşama tahrikini taklit eder.Bu şekilde, birincil tahriklerin kuvvetlerinden birkaç kat daha büyük kuvvetler yaratan iç içe geçmiş yapılar oluşturulabilir.Bu çalışmada, Şekil 7d'de tablo biçiminde gösterildiği gibi, her bir seviye için toplam etkin SMA tel uzunluğu 1 m dikkate alınmıştır.Her bir tek modlu tasarımdaki her bir telden geçen akım ve her bir SMA tel segmentinde ortaya çıkan ön gerilim ve gerilim, her seviyede aynıdır.Analitik modelimize göre, çıkış kuvveti seviye ile pozitif, yer değiştirme ise negatif korelasyonludur.Aynı zamanda, yer değiştirme ve kas gücü arasında bir değiş tokuş vardı.Şek.Şekil 7b'de görüldüğü gibi, maksimum kuvvet en çok sayıda katmanda elde edilirken, en büyük yer değiştirme en alt katmanda gözlenmektedir.Hiyerarşi seviyesi \(N=5\) olarak ayarlandığında, gözlemlenen 2 vuruş \(\upmu\)m ile 2,58 kN'lik bir tepe kas kuvveti bulundu.Öte yandan, birinci kademe sürücü 277 \(\upmu\)m vuruşta 150 N'luk bir kuvvet üretir.Çok seviyeli aktüatörler, şekil hafızalı alaşımlara dayanan yapay kasların hassas ve daha ince hareketlerle önemli ölçüde daha yüksek kuvvetler üretebildiği gerçek biyolojik kasları taklit edebilir.Bu minyatür tasarımın sınırlamaları, hiyerarşi arttıkça hareketin büyük ölçüde azalması ve tahrik üretim sürecinin karmaşıklığının artmasıdır.
(a) İki kademeli (\(N=2\)) katmanlı şekil hafızalı alaşım lineer aktüatör sistemi, iki modlu bir konfigürasyonda gösterilmektedir.Önerilen model, birinci kademe katmanlı aktüatördeki SMA telinin başka bir tek kademeli katmanlı aktüatör ile değiştirilmesiyle elde edilmiştir.(c) İkinci aşama çok katmanlı aktüatörün deforme olmuş konfigürasyonu.(b) Seviye sayısına bağlı olarak kuvvetlerin ve yer değiştirmelerin dağılımı açıklanır.Aktüatörün tepe kuvvetinin grafikteki ölçek düzeyi ile pozitif, strokun ölçek düzeyi ile negatif ilişkili olduğu bulunmuştur.Her bir teldeki akım ve ön voltaj, tüm seviyelerde sabit kalır.(d) Tablo, her seviyedeki SMA telinin (lif) kılavuz sayısını ve uzunluğunu gösterir.Tellerin özellikleri indeks 1 ile gösterilir ve ikincil dalların sayısı (birincil bacağa bağlı olan) alt simgedeki en büyük sayı ile gösterilir.Örneğin, 5. seviyede, \(n_1\) her iki modlu yapıda bulunan SMA tellerinin sayısını ve \(n_5\) yardımcı bacakların (biri ana bacağa bağlı) sayısını ifade eder.
Faz geçişi ile ilişkili kristal yapıdaki makroskobik değişikliklere eşlik eden termomekanik özelliklere bağlı olan şekil hafızalı SMA'ların davranışını modellemek için birçok araştırmacı tarafından çeşitli yöntemler önerilmiştir.Kurucu yöntemlerin formülasyonu doğası gereği karmaşıktır.En sık kullanılan fenomenolojik model Tanaka28 tarafından önerilmiştir ve mühendislik uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır.Tanaka [28] tarafından önerilen fenomenolojik model, martensitin hacim fraksiyonunun sıcaklık ve stresin üstel bir fonksiyonu olduğunu varsayar.Daha sonra, Liang ve Rogers29 ve Brinson30, modelde küçük değişikliklerle faz geçiş dinamiklerinin voltaj ve sıcaklığın kosinüs fonksiyonu olduğunun varsayıldığı bir model önerdiler.Becker ve Brinson, kısmi geçişlerin yanı sıra gelişigüzel yükleme koşulları altında SMA malzemelerinin davranışını modellemek için faz diyagramına dayalı bir kinetik model önerdiler.Banerjee32, Elahinia ve Ahmadian33 tarafından geliştirilen tek serbestlik dereceli bir manipülatörü simüle etmek için Bekker ve Brinson31 faz diyagramı dinamiği yöntemini kullanır.Gerilimin sıcaklıkla monoton olmayan değişimini hesaba katan faz diyagramlarına dayalı kinetik yöntemlerin mühendislik uygulamalarında uygulanması zordur.Elakhinia ve Ahmadian, mevcut fenomenolojik modellerin bu eksikliklerine dikkat çekiyor ve karmaşık yükleme koşulları altında şekil hafızası davranışını analiz etmek ve tanımlamak için genişletilmiş bir fenomenolojik model öneriyor.
SMA telinin yapısal modeli, SMA telinin gerilimini (\(\sigma\)), gerinimini (\(\epsilon\)), sıcaklığını (T) ve martensit hacim oranını (\(\xi\)) verir.Fenomenolojik kurucu model ilk olarak Tanaka28 tarafından önerilmiş ve daha sonra Liang29 ve Brinson30 tarafından benimsenmiştir.Denklemin türevi şu şekildedir:
burada E, \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) kullanılarak elde edilen faza bağlı SMA Young modülüdür ve Young modülünü temsil eden \(E_A\) ve \(E_M\) sırasıyla östenitik ve martensitik fazlardır ve termal genleşme katsayısı \(\teta _T\) ile temsil edilir.Faz geçişi katkı faktörü \(\Omega = -E \epsilon _L\)'dir ve \(\epsilon _L\), SMA telindeki geri kazanılabilir maksimum gerinimdir.
Faz dinamiği denklemi, Tanaka28 tarafından önerilen üstel fonksiyon yerine Liang29 tarafından geliştirilen ve daha sonra Brinson30 tarafından benimsenen kosinüs fonksiyonu ile örtüşmektedir.Faz geçiş modeli, Elakhinia ve Ahmadian34 tarafından önerilen modelin bir uzantısıdır ve Liang29 ve Brinson30 tarafından verilen faz geçiş koşullarına göre modifiye edilmiştir.Bu faz geçiş modeli için kullanılan koşullar, karmaşık termomekanik yükler altında geçerlidir.Yapı denklemi modellenirken, zamanın her anında, martensitin hacim fraksiyonunun değeri hesaplanır.
Martenzitin ısıtma koşulları altında östenite dönüşümü ile ifade edilen geçerli yeniden dönüşüm denklemi aşağıdaki gibidir:
\(\xi\) martenzitin hacim oranıdır, \(\xi _M\), martenzitin ısıtmadan önce elde edilen hacim oranıdır, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) ve \(C_A\) – eğri yaklaşım parametreleri, T – SMA tel sıcaklığı, \(A_s\) ve \(A_f\) – başlangıç ve bitiş sırasıyla östenit fazının sıcaklığı.
Östenitin soğutma koşulları altında martensite faz dönüşümü ile temsil edilen doğrudan dönüşüm kontrol denklemi şu şekildedir:
\(\xi _A\), soğutmadan önce elde edilen martenzitin hacim oranıdır, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) ve \ ( C_M \) – eğri uydurma parametreleri, T – SMA tel sıcaklığı, \(M_s\) ve \(M_f\) – sırasıyla ilk ve son martensit sıcaklıkları.
Denklemler (3) ve (4) türevlendikten sonra, ters ve doğrudan dönüşüm denklemleri aşağıdaki forma sadeleştirilir:
İleri ve geri dönüşüm sırasında \(\eta _{\sigma}\) ve \(\eta _{T}\) farklı değerler alır.\(\eta _{\sigma}\) ve \(\eta _{T}\) ile ilişkili temel denklemler türetilmiş ve ek bir bölümde ayrıntılı olarak tartışılmıştır.
SMA telinin sıcaklığını yükseltmek için gereken termal enerji, Joule ısıtma etkisinden gelir.SMA teli tarafından emilen veya salınan termal enerji, gizli dönüşüm ısısı ile temsil edilir.SMA telindeki ısı kaybı, zorlanmış konveksiyondan kaynaklanır ve radyasyonun ihmal edilebilir etkisi göz önüne alındığında, ısı enerjisi dengesi denklemi aşağıdaki gibidir:
\(m_{wire}\) SMA telinin toplam kütlesi, \(c_{p}\) SMA'nın özgül ısı kapasitesi, \(V_{in}\) tele uygulanan voltaj, \(R_{ohm} \ ) – faza bağlı direnç SMA, şu şekilde tanımlanır;\(R_{ohm} = (l/A_{çapraz})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) burada \(r_M\ ) ve \(r_A\) sırasıyla martensit ve östenitteki SMA faz özdirencidir, \(A_{c}\) SMA telinin yüzey alanıdır, \(\Delta H \) şekil hafızalı bir alaşımdır.Telin gizli geçiş ısısı, T ve \(T_{\infty}\), sırasıyla SMA telinin ve ortamın sıcaklıklarıdır.
Şekil hafızalı alaşımlı bir tel çalıştırıldığında, tel sıkışarak çift modlu tasarımın her dalında fiber kuvvet adı verilen bir kuvvet oluşturur.Şekil 9e'de gösterildiği gibi, SMA telinin her bir telindeki liflerin kuvvetleri birlikte harekete geçirilecek kas kuvvetini oluşturur.Yönlendirme yayının varlığı nedeniyle, N'inci çok katmanlı aktüatörün toplam kas kuvveti:
Denklem (7)'de \(N = 1\) yerine koyarak, birinci aşama bimodal sürücü prototipinin kas gücü aşağıdaki gibi elde edilebilir:
burada n, tek modlu bacakların sayısıdır, \(F_m\) sürücü tarafından üretilen kas kuvvetidir, \(F_f\) SMA telindeki lif kuvvetidir, \(K_x\) önyargı sertliğidir.yay, \(\alpha\) üçgenin açısıdır, \(x_0\), SMA kablosunu önceden gerilmiş konumda tutmak için ayar yayının ilk kaymasıdır ve \(\Delta x\) aktüatörün hareketidir.
Sürücünün (\(\Delta x\)) N'inci aşamanın SMA kablosundaki gerilime (\(\sigma\)) ve gerginliğe (\(\epsilon\)) bağlı olarak toplam yer değiştirmesi veya hareketi, sürücü şu şekilde ayarlanmıştır (bkz. Çıkışın ek parçası olan Şekil):
Kinematik denklemler tahrik deformasyonu (\(\epsilon\)) ile yer değiştirme veya yer değiştirme (\(\Delta x\)) arasındaki ilişkiyi verir.Arb telinin ilk Arb tel uzunluğunun (\(l_0\)) ve tel uzunluğunun (l) bir tek modlu kolda herhangi bir t anında bir fonksiyonu olarak deformasyonu aşağıdaki gibidir:
burada \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\), Şekil 8'de gösterildiği gibi \(\Delta\)ABB' 'deki kosinüs formülü uygulanarak elde edilir. alpha _1\) \(\alpha \)'de gösterildiği gibidir Şekil 8'de gösterildiği gibi, zamanın Denklem (11)'den farkı alınarak ve l değeri yerine koyularak gerinim hızı şu şekilde yazılabilir:
burada \(l_0\) SMA telinin başlangıç uzunluğudur, l tek modlu bir dalda herhangi bir t anında telin uzunluğudur, \(\epsilon\) SMA telinde gelişen deformasyondur ve \(\alfa \) üçgenin açısıdır, \(\Delta x\) sürücü ofsetidir (Şekil 8'de gösterildiği gibi).
Tüm n adet tek tepeli yapı (\(n=6\) bu şekilde), giriş voltajı olarak \(V_{in}\) ile seri bağlanır.Aşama I: SMA telinin sıfır voltaj koşulları altında iki modlu bir konfigürasyonda şematik diyagramı Aşama II: Kırmızı çizgi ile gösterildiği gibi, SMA kablosunun ters dönüşüm nedeniyle sıkıştırıldığı kontrollü bir yapı gösterilmektedir.
Konseptin bir kanıtı olarak, temel denklemlerin deneysel sonuçlarla simüle edilmiş türetilmesini test etmek için SMA tabanlı iki modlu bir sürücü geliştirildi.Bimodal lineer aktüatörün CAD modeli şekil 2'de gösterilmiştir.9a.Öte yandan, şek.Şekil 9c, çift modlu bir yapıya sahip iki düzlemli SMA tabanlı bir aktüatör kullanan bir döner prizmatik bağlantı için önerilen yeni bir tasarımı göstermektedir.Tahrik bileşenleri, bir Ultimaker 3 Extended 3D yazıcıda eklemeli üretim kullanılarak üretildi.Bileşenlerin 3 boyutlu baskısı için kullanılan malzeme, güçlü, dayanıklı ve yüksek bir cam geçiş sıcaklığına (110-113 \(^{\circ }\) C) sahip olduğu için ısıya dayanıklı malzemeler için uygun olan polikarbonattır.Ayrıca deneylerde Dynalloy, Inc. Flexinol şekil hafızalı alaşımlı tel kullanılmış ve simülasyonlarda Flexinol tele karşılık gelen malzeme özellikleri kullanılmıştır.Çoklu SMA telleri, Şekil 9b, d'de gösterildiği gibi, çok katmanlı aktüatörler tarafından üretilen yüksek kuvvetleri elde etmek için kasların iki modlu bir düzenlemesinde bulunan lifler olarak düzenlenir.
Şekil 9a'da gösterildiği gibi, hareketli kol SMA telinin oluşturduğu dar açıya açı (\(\alpha\)) denir.Sol ve sağ kıskaçlara bağlı terminal kıskaçları ile SMA kablosu istenen bimodal açıda tutulur.Yay konnektörü üzerinde tutulan çapraz yay cihazı, farklı çapraz yay uzatma gruplarını SMA liflerinin sayısına (n) göre ayarlamak için tasarlanmıştır.Ek olarak, hareketli parçaların konumu, SMA telinin zorlamalı konveksiyon soğutması için dış ortama maruz kalacağı şekilde tasarlanmıştır.Sökülebilir düzeneğin üst ve alt plakaları, ağırlığı azaltmak için tasarlanmış ekstrüde kesiklerle SMA telinin soğuk kalmasına yardımcı olur.Ek olarak, CMA telinin her iki ucu da bir kıvrım vasıtasıyla sırasıyla sol ve sağ terminallere sabitlenir.Üst ve alt plakalar arasındaki boşluğu korumak için hareketli düzeneğin bir ucuna bir piston takılmıştır.Piston ayrıca, SMA kablosu çalıştırıldığında blokaj kuvvetini ölçmek için bir kontak yoluyla sensöre bir blokaj kuvveti uygulamak için de kullanılır.
Bimodal kas yapısı SMA, elektriksel olarak seri olarak bağlanır ve bir giriş darbe voltajı ile çalıştırılır.Gerilim darbe döngüsü sırasında, gerilim uygulandığında ve SMA teli östenitin başlangıç sıcaklığının üzerine ısıtıldığında, her teldeki telin uzunluğu kısalır.Bu geri çekme, hareketli kol alt tertibatını etkinleştirir.Aynı döngüde voltaj sıfırlandığında, ısınan SMA teli martensit yüzeyinin sıcaklığının altına soğutularak orijinal konumuna geri dönmüştür.Sıfır gerilim koşulları altında, SMA teli, ikizlenmemiş martensitik duruma ulaşmak için önce bir öngerilim yayı tarafından pasif olarak gerilir.SMA telinin içinden geçtiği vida, SMA teline bir voltaj darbesi uygulanarak oluşturulan sıkıştırma nedeniyle hareket eder (SPA östenit fazına ulaşır), bu da hareketli kolun harekete geçmesine neden olur.SMA teli geri çekildiğinde, öngerilim yayı, yayı daha fazla gererek karşıt bir kuvvet oluşturur.Darbe voltajındaki stres sıfır olduğunda, SMA teli uzar ve zorunlu konveksiyon soğuması nedeniyle şeklini değiştirerek çift martensitik faza ulaşır.
Önerilen SMA tabanlı lineer aktüatör sistemi, SMA tellerinin açılı olduğu iki modlu bir konfigürasyona sahiptir.(a) prototip için bazı bileşenlerden ve bunların anlamlarından bahseden prototipin bir CAD modelini gösterir, (b, d) geliştirilen deneysel prototipi temsil eder35.(b) kullanılan elektrik bağlantıları ve öngerilim yayları ve gerinim ölçerler ile prototipin üstten görünümünü gösterirken, (d) kurulumun perspektif bir görünümünü gösterir.(e) SMA tellerinin herhangi bir t anında çift modlu olarak yerleştirildiği, lifin yönünü ve seyrini ve kas gücünü gösteren bir doğrusal çalıştırma sisteminin diyagramı.(c) İki düzlemli bir SMA tabanlı aktüatörü yerleştirmek için 2 serbestlik dereceli bir döner prizmatik bağlantı önerilmiştir.Gösterildiği gibi, bağlantı, doğrusal hareketi alt sürücüden üst kola ileterek, bir dönüş bağlantısı oluşturur.Öte yandan, prizma çiftinin hareketi, çok katmanlı birinci aşama tahrikinin hareketi ile aynıdır.
SMA'ya dayalı çift modlu bir sürücünün performansını değerlendirmek için Şekil 9b'de gösterilen prototip üzerinde deneysel bir çalışma yapılmıştır.Şekil 10a'da gösterildiği gibi, deney düzeneği, SMA kablolarına giriş voltajı sağlamak için programlanabilir bir DC güç kaynağından oluşuyordu.Şek.Şekil 10b'de, bir Graphtec GL-2000 veri kaydedici kullanılarak engelleme kuvvetini ölçmek için bir piezoelektrik gerinim ölçer (PACEline CFT/5kN) kullanıldı.Veriler, daha fazla çalışma için ev sahibi tarafından kaydedilir.Gerinim ölçerler ve şarj amplifikatörleri, bir voltaj sinyali üretmek için sabit bir güç kaynağı gerektirir.Karşılık gelen sinyaller, piezoelektrik kuvvet sensörünün hassasiyetine ve Tablo 2'de açıklanan diğer parametrelere göre güç çıkışlarına dönüştürülür. Bir voltaj darbesi uygulandığında, SMA telinin sıcaklığı artarak SMA telinin sıkışmasına neden olarak aktüatörün kuvvet üretmesine neden olur.7 V'luk bir giriş voltajı darbesiyle kas kuvveti çıkışının deneysel sonuçları, şekil 2'de gösterilmektedir.2a.
(a) Aktüatörün ürettiği kuvveti ölçmek için deneyde SMA tabanlı bir lineer aktüatör sistemi kuruldu.Yük hücresi engelleme kuvvetini ölçer ve 24 V DC güç kaynağı ile çalışır.Bir GW Instek programlanabilir DC güç kaynağı kullanılarak kablonun tüm uzunluğu boyunca 7 V'luk bir voltaj düşüşü uygulandı.SMA teli ısı nedeniyle büzülür ve hareketli kol yük hücresine temas ederek bir engelleme kuvveti uygular.Yük hücresi, GL-2000 veri kaydediciye bağlanır ve veriler daha sonraki işlemler için ana bilgisayarda depolanır.(b) Kas gücünü ölçmek için deney düzeneğinin bileşen zincirini gösteren diyagram.
Şekil hafızalı alaşımlar, termal enerji ile heyecanlanır, bu nedenle sıcaklık, şekil hafıza fenomenini incelemek için önemli bir parametre haline gelir.Deneysel olarak, Şekil 11a'da gösterildiği gibi, termal görüntüleme ve sıcaklık ölçümleri, bir prototip SMA tabanlı iki değerlikli aktüatör üzerinde gerçekleştirilmiştir.Programlanabilir bir DC kaynağı, Şekil 11b'de gösterildiği gibi deney düzeneğindeki SMA kablolarına giriş voltajı uyguladı.SMA telinin sıcaklık değişimi, yüksek çözünürlüklü bir LWIR kamera (FLIR A655sc) kullanılarak gerçek zamanlı olarak ölçülmüştür.Ana bilgisayar, daha sonraki işlemler için verileri kaydetmek üzere ResearchIR yazılımını kullanır.Bir voltaj darbesi uygulandığında, SMA telinin sıcaklığı artarak SMA telinin büzülmesine neden olur.Şek.Şekil 2b, 7 V giriş voltajı darbesi için zamana karşı SMA kablo sıcaklığının deneysel sonuçlarını göstermektedir.
Gönderim zamanı: 28 Eylül 2022