Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız 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 desteği sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan sunacağız.
Aktüatörler her yerde kullanılır ve üretim ve endüstriyel otomasyonda çeşitli işlemleri gerçekleştirmek için doğru uyarım kuvvetini veya torkunu uygulayarak kontrollü hareket yaratır. Daha hızlı, daha küçük ve daha verimli tahriklere duyulan ihtiyaç, tahrik tasarımında yeniliği teşvik etmektedir. Şekil Hafızalı Alaşımlı (SMA) tahrikler, yüksek güç-ağırlık oranı da dahil olmak üzere geleneksel tahriklere göre bir dizi avantaj sunar. Bu tezde, biyolojik sistemlerin tüylü kaslarının avantajlarını ve SMA'ların benzersiz özelliklerini birleştiren iki tüylü SMA tabanlı bir aktüatör geliştirilmiştir. Bu çalışma, yeni aktüatörün bimodal SMA tel düzenlemesine dayalı bir matematiksel modelini geliştirerek ve deneysel olarak test ederek önceki SMA aktüatörlerini inceler ve genişletir. SMA tabanlı bilinen tahriklerle karşılaştırıldığında, yeni tahrikin tahrik kuvveti en az 5 kat daha yüksektir (150 N'a kadar). Buna karşılık gelen ağırlık kaybı yaklaşık %67'dir. Matematiksel modellerin hassasiyet analizinin sonuçları, tasarım parametrelerini ayarlamak ve temel parametreleri anlamak için yararlıdır. Bu çalışma ayrıca dinamikleri daha da geliştirmek için kullanılabilecek çok seviyeli N'inci kademeli bir tahrik sunmaktadır. SMA tabanlı dipvalerat kas aktüatörleri, bina otomasyonundan hassas ilaç dağıtım sistemlerine kadar geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir.
Memelilerin kas yapıları gibi biyolojik sistemler birçok ince aktüatörü harekete geçirebilir1. Memelilerin farklı kas yapıları vardır ve her biri belirli bir amaca hizmet eder. Bununla birlikte, memeli kas dokusunun yapısının çoğu iki geniş kategoriye ayrılabilir. Paralel ve pennat. Adından da anlaşılacağı gibi, hamstringlerde ve diğer fleksörlerde, paralel kas yapısı, merkezi tendona paralel kas liflerine sahiptir. Kas lifleri zinciri, etraflarındaki bağ dokusu tarafından sıralanır ve işlevsel olarak bağlanır. Bu kasların büyük bir ekskürsiyona (kısalma yüzdesi) sahip olduğu söylenmesine rağmen, genel kas kuvvetleri çok sınırlıdır. Buna karşılık, triseps baldır kasında2 (lateral gastroknemius (GL)3, medial gastroknemius (GM)4 ve soleus (SOL)) ve ekstansör femoriste (kuadriseps)5,6 pennat kas dokusu her kasta bulunur7. Pinnate yapıda, bipennate kas sistemindeki kas lifleri, merkezi tendonun her iki tarafında eğik açılarda (pinnate açıları) bulunur. Pennate, Latincede "kalem" anlamına gelen "penna" kelimesinden gelir ve Şekil 1'de gösterildiği gibi tüy benzeri bir görünüme sahiptir. Pennate kaslarının lifleri daha kısadır ve kasın uzunlamasına eksenine açılıdır. Pinnate yapı nedeniyle, bu kasların genel hareketliliği azalır, bu da kısalma sürecinin enine ve uzunlamasına bileşenlerine yol açar. Öte yandan, bu kasların aktivasyonu, fizyolojik kesit alanının ölçülme şekli nedeniyle daha yüksek genel kas gücüne yol açar. Bu nedenle, belirli bir kesit alanı için, pennate kasları daha güçlü olacak ve paralel liflere sahip kaslardan daha yüksek kuvvetler üretecektir. Tek tek lifler tarafından üretilen kuvvetler, o kas dokusunda makroskobik düzeyde kas kuvvetleri üretir. Ayrıca, hızlı büzülme, çekme hasarına karşı koruma, yastıklama gibi benzersiz özelliklere sahiptir. Kas hareket hatlarıyla ilişkili lif düzenlemesinin benzersiz özelliklerini ve geometrik karmaşıklığını kullanarak lif girişi ile kas gücü çıkışı arasındaki ilişkiyi dönüştürür.
Örneğin, (a) SMA telleri tarafından çalıştırılan el şeklindeki bir cihazın iki tekerlekli otonom mobil bir robota monte edildiği dokunsal kuvvetin etkileşimini temsil eden, bimodal kas mimarisine ilişkin mevcut SMA tabanlı aktüatör tasarımlarının şematik diyagramları gösterilmektedir9,10. , (b) Antagonist olarak yerleştirilmiş SMA yaylı orbital protezi olan robotik orbital protez. Protez gözün konumu, gözün oküler kasından gelen bir sinyalle kontrol edilir11, (c) SMA aktüatörleri, yüksek frekans tepkisi ve düşük bant genişliği nedeniyle su altı uygulamaları için idealdir. Bu konfigürasyonda, balık hareketini simüle ederek dalga hareketi oluşturmak için SMA aktüatörleri kullanılır, (d) SMA aktüatörleri, kanal 10 içindeki SMA tellerinin hareketiyle kontrol edilen inç solucanı hareket prensibini kullanabilen bir mikro boru muayene robotu oluşturmak için kullanılır, (e) gastroknemius dokusunda kas liflerinin kasılma yönünü ve kasılma kuvvetini gösterir, (f) pennat 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 tahriklere duyulan ihtiyaç kritik hale gelmektedir. Avantajlarına rağmen, geleneksel tahriklerin bakımı pahalı ve zaman alıcı olduğu kanıtlanmıştır. Hidrolik ve pnömatik aktüatörler karmaşık ve pahalıdır ve aşınmaya, yağlama sorunlarına ve bileşen arızalarına maruz kalırlar. Talebe yanıt olarak, akıllı malzemelere dayalı, maliyet açısından uygun, boyutlandırma açısından optimize edilmiş ve gelişmiş aktüatörler geliştirmeye odaklanılmaktadır. Devam eden araştırmalar, bu ihtiyacı karşılamak için şekil hafızalı alaşımlı (SMA) katmanlı aktüatörlere bakmaktadır. Hiyerarşik aktüatörler, artırılmış ve genişletilmiş işlevsellik sağlamak için birçok ayrı aktüatörü geometrik olarak karmaşık makro ölçekli alt sistemlere birleştirmeleri bakımından benzersizdir. Bu bağlamda, yukarıda açıklanan insan kas dokusu, bu tür çok katmanlı aktüasyonun mükemmel bir çok katmanlı örneğini sağlar. Mevcut çalışma, bimodal kaslarda bulunan fiber yönelimlerine hizalanmış birkaç ayrı tahrik elemanına (SMA telleri) sahip çok seviyeli bir SMA tahrikini açıklamaktadır; bu da genel tahrik performansını iyileştirir.
Bir aktüatörün temel amacı, elektrik enerjisini dönüştürerek kuvvet ve yer değiştirme gibi mekanik güç çıkışı üretmektir. Şekil hafızalı alaşımlar, yüksek sıcaklıklarda şekillerini geri kazanabilen bir "akıllı" malzeme sınıfıdır. Yüksek yükler altında, SMA telinin sıcaklığındaki bir artış, şekil geri kazanımına yol açar ve bu da çeşitli doğrudan bağlanmış akıllı malzemelere kıyasla daha yüksek bir aktüasyon enerjisi yoğunluğuyla sonuçlanır. Aynı zamanda, mekanik yükler altında, SMA'lar kırılgan hale gelir. Belirli koşullar altında, döngüsel bir yük mekanik enerjiyi emebilir ve serbest bırakabilir ve geri dönüşümlü histerik şekil değişiklikleri sergileyebilir. Bu benzersiz özellikler, SMA'yı sensörler, titreşim sönümleme ve özellikle aktüatörler için ideal hale getirir12. Bunu akılda tutarak, SMA tabanlı tahrikler hakkında çok fazla araştırma yapılmıştır. SMA tabanlı aktüatörlerin çeşitli uygulamalar için öteleme ve dönme hareketi sağlamak üzere tasarlandığı unutulmamalıdır13,14,15. Bazı döner aktüatörler geliştirilmiş olsa da, araştırmacılar özellikle doğrusal aktüatörlerle ilgilenmektedir. Bu doğrusal aktüatörler üç tip aktüatöre ayrılabilir: tek boyutlu, yer değiştirmeli ve diferansiyel aktüatörler 16. Başlangıçta, hibrit tahrikler SMA ve diğer geleneksel tahriklerle birlikte oluşturuldu. SMA tabanlı hibrit doğrusal aktüatörlerin böyle bir örneği, yaklaşık 100 N'luk bir çıkış kuvveti ve önemli yer değiştirme sağlamak için bir DC motorla bir SMA telinin kullanılmasıdır17.
Tamamen SMA tabanlı tahriklerdeki ilk gelişmelerden biri SMA paralel tahrikti. Birden fazla SMA teli kullanan SMA tabanlı paralel tahrik, tüm SMA18 tellerini paralel yerleştirerek tahrikin güç kapasitesini artırmak için tasarlanmıştır. Aktüatörlerin paralel bağlanması yalnızca daha fazla güç gerektirmez, aynı zamanda tek bir telin çıkış gücünü de sınırlar. SMA tabanlı aktüatörlerin bir diğer dezavantajı da ulaşabildikleri sınırlı harekettir. Bu sorunu çözmek için, yer değiştirmeyi artırmak ve doğrusal hareket elde etmek için saptırılmış esnek bir kiriş içeren bir SMA kablo kirişi oluşturuldu, ancak daha yüksek kuvvetler üretmedi19. Şekil hafızalı alaşımlara dayalı robotlar için yumuşak deforme edilebilir yapılar ve kumaşlar öncelikle darbe amplifikasyonu için geliştirilmiştir20,21,22. Yüksek hızların gerekli olduğu uygulamalar için, mikro pompa tahrikli uygulamalar için ince film SMA'ları kullanan kompakt tahrikli pompalar bildirilmiştir23. 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 alaşımlı paralel aktüatör 24 geliştirildi. Başka bir durumda, maksimum 30 N çekme kuvveti üretebilen gömülü bir matrise sahip bir tel temel alınarak bir SMA yumuşak aktüatörü üretildi. Mekanik özellikleri nedeniyle, SMA'lar biyolojik olayları taklit eden aktüatörler üretmek için de kullanılır. Bu tür bir geliştirme, ateş etmek için sinüzoidal bir hareket üretmek üzere SMA ile solucan benzeri bir organizmanın biyomimetiği olan 12 hücreli bir robotu içerir26,27.
Daha önce de belirtildiği gibi, mevcut SMA tabanlı aktüatörlerden elde edilebilecek maksimum kuvvetin bir sınırı vardır. Bu sorunu ele almak için, bu çalışma biyomimetik bimodal bir kas yapısı sunmaktadır. Şekil hafızalı alaşım tel ile tahrik edilir. Birkaç şekil hafızalı alaşım teli içeren bir sınıflandırma sistemi sağlar. Bugüne kadar, literatürde benzer bir mimariye sahip SMA tabanlı aktüatör bildirilmemiştir. SMA tabanlı bu benzersiz ve yeni sistem, bimodal kas hizalanması sırasında SMA'nın davranışını incelemek için geliştirilmiştir. Mevcut SMA tabanlı aktüatörlerle karşılaştırıldığında, bu çalışmanın amacı küçük bir hacimde önemli ölçüde daha yüksek kuvvetler üretmek için biyomimetik bir dipvalerat aktüatör yaratmaktı. HVAC bina otomasyonu ve kontrol sistemlerinde kullanılan geleneksel adım motoru tahrikli tahriklerle karşılaştırıldığında, önerilen SMA tabanlı bimodal tahrik tasarımı tahrik mekanizmasının ağırlığını %67 oranında azaltır. Aşağıda, "kas" ve "tahrik" terimleri birbirinin yerine kullanılır. Bu çalışma, böyle bir tahrikin çoklu fizik simülasyonunu araştırır. Bu tür sistemlerin mekanik davranışı deneysel ve analitik yöntemlerle incelenmiştir. Kuvvet ve sıcaklık dağılımları 7 V'luk bir giriş voltajında daha fazla araştırılmıştır. Daha sonra, temel parametreler ile çıkış kuvveti arasındaki ilişkiyi daha iyi anlamak için parametrik bir analiz gerçekleştirilmiştir. Son olarak, hiyerarşik aktüatörler öngörülmüş ve hiyerarşik seviye etkileri protez uygulamaları için manyetik olmayan aktüatörler için potansiyel bir gelecek alanı olarak önerilmiştir. Yukarıda belirtilen çalışmaların sonuçlarına göre, tek aşamalı bir mimarinin kullanımı bildirilen SMA tabanlı aktüatörlerden en az dört ila beş kat daha yüksek kuvvetler üretmektedir. Ek olarak, çok seviyeli çok seviyeli bir tahrik tarafından üretilen aynı tahrik kuvvetinin, geleneksel SMA tabanlı tahriklerin on katından fazla olduğu gösterilmiştir. Çalışma daha sonra farklı tasarımlar ve giriş değişkenleri arasındaki hassasiyet analizini kullanarak temel parametreleri bildirmektedir. SMA telinin başlangıç uzunluğu (\(l_0\)), pinnate açısı (\(\alpha\)) ve her bir bireysel teldeki tek tel sayısı (n), tahrik kuvvetinin büyüklüğü üzerinde güçlü bir negatif etkiye sahiptir. güç, giriş voltajı (enerji) ise pozitif korelasyonlu çıktı.
SMA teli, nikel-titanyum (Ni-Ti) alaşım ailesinde görülen şekil hafızası etkisini (SME) gösterir. Tipik olarak, SMA'lar iki sıcaklığa bağlı faz gösterir: düşük sıcaklık fazı ve yüksek sıcaklık fazı. Her iki faz da farklı kristal yapıların varlığı nedeniyle benzersiz özelliklere sahiptir. Dönüşüm sıcaklığının üzerinde bulunan ostenit fazında (yüksek sıcaklık fazı), malzeme yüksek mukavemet gösterir 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 çalıştırıcı oluşturmak için eğilir. Çeşitli parametrelerin ve çeşitli geometrilerin etkisi altında SMA'nın termal davranışının temel mekaniğini anlamak için uygun analitik modeller geliştirilmiştir. Deneysel ve analitik sonuçlar arasında iyi bir uyum elde edilmiştir.
Şekil 9a'da gösterilen prototip üzerinde deneysel bir çalışma yürütülerek SMA'ya dayalı bir bimodal sürücünün performansı değerlendirildi. Bu özelliklerden ikisi, sürücü tarafından üretilen kuvvet (kas kuvveti) ve SMA telinin sıcaklığı (SMA sıcaklığı), deneysel olarak ölçüldü. Sürücüdeki telin tüm uzunluğu boyunca voltaj farkı arttıkça, Joule ısıtma etkisi nedeniyle telin sıcaklığı artar. Giriş voltajı, her bir döngü arasında 15 saniyelik bir soğutma periyodu ile iki 10 saniyelik döngüde (Şekil 2a, b'de kırmızı noktalarla gösterilmiştir) uygulandı. Blokaj 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 monotonik olarak arttığını, ancak akım akmadığında telin sıcaklığının düşmeye devam ettiğini göstermektedir. Mevcut deneysel kurulumda, SMA telinin sıcaklığı soğutma fazı sırasında düştü, ancak hala ortam sıcaklığının üzerindeydi. Şekil 2e'de LWIR kameradan alınan SMA telindeki sıcaklığın anlık görüntüsü gösterilmektedir. Öte yandan, şekil 2a'da tahrik sistemi tarafından üretilen blokaj kuvveti gösterilmektedir. Kas kuvveti yayın geri yükleme kuvvetini aştığında, Şekil 9a'da gösterildiği gibi hareketli kol hareket etmeye başlar. Hareket başlar başlamaz, hareketli kol sensörle temas ederek şekil 2c, d'de gösterildiği gibi bir gövde kuvveti oluşturur. Maksimum sıcaklık \(84\,^{\circ}\hbox {C}\'ye yakın olduğunda, gözlemlenen maksimum kuvvet 105 N'dur.
Grafik, SMA telinin sıcaklığının ve SMA tabanlı bimodal aktüatör tarafından iki döngü sırasında üretilen kuvvetin deneysel sonuçlarını göstermektedir. Giriş voltajı, her döngü arasında 15 saniyelik bir soğuma süresi ile iki 10 saniyelik döngüde (kırmızı noktalarla gösterilmiştir) uygulanmaktadır. Deneyler için kullanılan SMA teli, Dynalloy, Inc. firmasından 0,51 mm çapında bir Flexinol telidir. (a) Grafik, iki döngü boyunca elde edilen deneysel kuvveti göstermektedir, (c, d) PACEline CFT/5kN piezoelektrik kuvvet dönüştürücüsü üzerindeki hareketli kol aktüatörlerinin eyleminin iki bağımsız örneğini göstermektedir, (b) grafik, iki döngü sırasında tüm SMA telinin maksimum sıcaklığını göstermektedir, (e) FLIR ResearchIR yazılımı LWIR kamerası kullanılarak SMA telinden alınan bir sıcaklık anlık görüntüsünü göstermektedir. Deneylerde dikkate alınan geometrik parametreler Tablo 1'de verilmiştir.
Matematiksel modelin simülasyon sonuçları ve deneysel sonuçlar, Şekil 5'te gösterildiği gibi 7 V'luk bir giriş voltajı koşulu altında karşılaştırılmıştır. Parametresel analiz sonuçlarına göre ve SMA telinin aşırı ısınma olasılığını önlemek için aktüatöre 11,2 W'lık bir güç verilmiştir. Giriş voltajı olarak 7 V sağlamak için programlanabilir bir DC güç kaynağı kullanılmış ve tel boyunca 1,6 A'lık bir akım ölçülmüştür. Akım uygulandığında sürücü tarafından üretilen kuvvet ve SDR'nin sıcaklığı artmaktadır. 7 V'luk bir giriş voltajıyla, birinci çevrimin simülasyon sonuçlarından ve deneysel sonuçlarından elde edilen maksimum çıkış kuvveti sırasıyla 78 N ve 96 N'dur. İkinci çevrimde, simülasyon ve deneysel sonuçların maksimum çıkış kuvveti sırasıyla 150 N ve 105 N'dur. Oklüzyon kuvveti ölçümleri ile deneysel veriler arasındaki tutarsızlık, oklüzyon kuvvetini ölçmek için kullanılan yöntemden kaynaklanıyor olabilir. Şekil'de gösterilen deneysel sonuçlar Şekil 5a, kilitleme kuvvetinin ölçümüne karşılık gelir; bu kuvvet, Şekil 2s'de gösterildiği gibi, tahrik mili PACEline CFT/5kN piezoelektrik kuvvet dönüştürücüsü ile temas halindeyken ölçülür. Bu nedenle, tahrik mili soğutma bölgesinin başlangıcında kuvvet sensörü ile temas halinde olmadığında, kuvvet, Şekil 2d'de gösterildiği gibi hemen sıfır olur. Ayrıca, sonraki çevrimlerde kuvvet oluşumunu etkileyen diğer parametreler, önceki çevrimdeki soğutma süresi ve taşınım ısı transferi katsayısı değerleridir. Şekil 2b'den, 15 saniyelik bir soğutma süresinden 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 çevrimle karşılaştırıldığında, ikinci ısıtma çevrimi sırasında SMA telinin sıcaklığı başlangıç ostenit sıcaklığına (\(A_s\)) daha erken ulaşmakta ve geçiş periyodunda daha uzun süre kalmakta, bunun sonucunda da gerilme ve kuvvet oluşmaktadır. Öte yandan, deney ve simülasyonlardan elde edilen ısıtma ve soğutma çevrimleri sırasındaki sıcaklık dağılımları, termografik analizden elde edilen örneklere yüksek oranda nitel benzerlik göstermektedir. Deney ve simülasyonlardan elde edilen SMA teli termal verilerinin karşılaştırmalı analizi, ısıtma ve soğutma çevrimleri sırasında tutarlılık olduğunu ve deneysel veriler için kabul edilebilir toleranslar içinde kaldığını göstermiştir. Birinci çevrimin simülasyon ve deney sonuçlarından elde edilen SMA telinin maksimum sıcaklığı sırasıyla \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) ve \(75\,^{\circ }\hbox {C }\)'dir ve ikinci çevrimde SMA telinin maksimum sıcaklığı \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) ve \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\)'dir. Temel olarak geliştirilen model, şekil hafızası etkisinin etkisini doğrulamaktadır. Bu incelemede yorulma ve aşırı ısınmanın rolü dikkate alınmamıştır. Gelecekte, model SMA telinin gerilim geçmişini içerecek şekilde iyileştirilecek ve bu da onu mühendislik uygulamaları için daha uygun hale getirecektir. 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 dahilindedir. Bu, geliştirilen matematiksel modelin doğruluğunu ve güvenilirliğini doğrulamaktadır.
Matematiksel model, Yöntemler bölümünde açıklanan temel denklemler kullanılarak MathWorks Simulink R2020b ortamında geliştirilmiştir. Şekil 3b'de Simulink matematik modelinin blok diyagramı gösterilmektedir. Model, Şekil 2a,b'de gösterildiği gibi 7V giriş voltajı darbesi için simüle edilmiştir. Simülasyonda kullanılan parametrelerin değerleri Tablo 1'de listelenmiştir. Geçici süreçlerin simülasyon sonuçları Şekil 1 ve 1'de sunulmuştur. Şekil 3a ve 4. Şekil 4a,b'de SMA telindeki indüklenen voltaj ve aktüatör tarafından zamana bağlı olarak üretilen kuvvet gösterilmektedir. Ters dönüşüm (ısıtma) sırasında, SMA tel sıcaklığı, \(T < A_s^{\prime}\) (gerilim modifiyeli ostenit faz başlangıç sıcaklığı) olduğunda, martensit hacim kesrinin (\(\dot{\xi }\)) değişim hızı sıfır olacaktır. Ters dönüşüm (ısıtma) sırasında, SMA tel sıcaklığı, \(T < A_s^{\prime}\) (gerilim modifiyeli ostenit faz başlangıç sıcaklığı), martensit hacim kesrinin değişim hızı (\(\dot{\ xi }\)) 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 hayır. Ters dönüşüm (ısıtma) sırasında, SMA telinin sıcaklığı, \(T < A_s^{\prime}\) (gerilim modifiyeli ostenit başlangıç sıcaklığı), martensit hacim kesrinin (\(\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（\(\dot{\ xi }\)) Evet.在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) SMA tabanlı divalerat aktüatörde sıcaklık dağılımını ve gerilim kaynaklı bağlantı sıcaklığını gösteren simülasyon sonucu. Tel sıcaklığı ısıtma aşamasında ostenit geçiş sıcaklığını geçtiğinde, modifiye edilmiş ostenit geçiş sıcaklığı artmaya başlar ve benzer şekilde, tel çubuk sıcaklığı soğutma aşamasında martensitik geçiş sıcaklığını geçtiğinde, martensitik geçiş sıcaklığı azalır. Aktüasyon 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 çevrimi için gösterilmiştir (10 saniyelik ısınma çevrimleri ve 15 saniyelik soğuma çevrimleri). (ac) ve (e) zaman içindeki dağılımı tasvir ederken, diğer yandan (d) ve (f) sıcaklıkla dağılımı tasvir eder. İlgili giriş koşulları için, gözlenen maksimum gerilim 106 MPa'dır (345 MPa'dan az, tel akma dayanımı), kuvvet 150 N'dur, maksimum yer değiştirme 270 µm'dir ve minimum martensitik hacim kesri 0,91'dir. Öte yandan, gerilimdeki değişim ve martensitin sıcaklıkla hacim kesrindeki değişim histerezis özelliklerine benzerdir.
Aynı açıklama, austenit fazından martensit fazına doğrudan dönüşüm (soğutma) için de geçerlidir; burada SMA tel sıcaklığı (T) ve gerilim modifiyeli martensit fazının son sıcaklığı (\(M_f^{\prime}\ )) mükemmeldir. Şekil 4d'de, f, her iki sürüş çevrimi için SMA telindeki indüklenen gerilimdeki (\(\sigma\)) ve martensitin hacim oranındaki (\(\xi\)) değişimi, SMA telinin sıcaklığındaki değişime (T) bağlı olarak gösterir. Şekil 3a'da, giriş voltaj darbesine bağlı olarak SMA telinin sıcaklığındaki değişim zamanla gösterilir. Şekilden görülebileceği gibi, telin sıcaklığı sıfır voltajda bir ısı kaynağı sağlanarak ve ardından konvektif soğutma yapılarak artmaya devam eder. Isıtma sırasında, martensitin ostenit fazına yeniden dönüşümü, SMA tel sıcaklığı (T) gerilim düzeltilmiş ostenit çekirdeklenme sıcaklığını (\(A_s^{\prime}\)) geçtiğinde başlar. Bu faz sırasında, SMA teli sıkıştırılır ve aktüatör kuvvet üretir. Ayrıca, soğutma sırasında, SMA telinin sıcaklığı (T) gerilim değiştirilmiş martensit fazının çekirdeklenme sıcaklığını (\(M_s^{\prime}\)) geçtiğinde, ostenit fazından martensit fazına pozitif bir geçiş olur. tahrik kuvveti azalır.
SMA'ya dayalı bimodal tahrikin temel nitel yönleri simülasyon sonuçlarından elde edilebilir. Bir voltaj darbesi girişi durumunda, SMA telinin sıcaklığı Joule ısıtma etkisi nedeniyle artar. Martensit hacim kesrinin başlangıç değeri (\(\xi\)), malzeme başlangıçta tamamen martensit fazda olduğundan 1 olarak ayarlanır. Tel ısınmaya devam ettikçe, SMA telinin sıcaklığı gerilim düzeltilmiş ostenit çekirdeklenme sıcaklığını aşar \(A_s^{\prime}\) ve Şekil 4c'de gösterildiği gibi martensit hacim kesrinde bir azalmaya neden olur. Ek olarak, Şekil 4e'de aktüatörün vuruşlarının zamana göre dağılımı ve Şekil 5'te - zamanın bir fonksiyonu olarak tahrik kuvveti gösterilmektedir. İlgili bir denklem sistemi, sıcaklığı, martensit hacim kesrini ve telde gelişen ve SMA telinin büzülmesine ve aktüatör tarafından üretilen kuvvete neden olan gerilimi içerir. Şekilde gösterildiği gibi 4d,f, sıcaklığa bağlı gerilim değişimi ve martensit hacim oranının sıcaklığa bağlı değişimi, 7 V'da simüle edilen durumda SMA'nın histeresis karakteristiğine karşılık gelmektedir.
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 soğutuldu (soğutma fazı). Pinnate açısı \(40^{\circ}\) olarak ayarlandı ve her bir pin bacağındaki SMA telinin başlangıç uzunluğu 83 mm olarak ayarlandı. (a) Bir yük hücresiyle sürüş kuvvetinin ölçülmesi (b) Bir termal kızılötesi kamerayla tel sıcaklığının izlenmesi.
Fiziksel parametrelerin tahrik tarafından üretilen kuvvet üzerindeki etkisini anlamak için, matematiksel modelin seçilen fiziksel parametrelere olan duyarlılığının analizi gerçekleştirildi ve parametreler etkilerine göre sıralandı. İlk olarak, model parametrelerinin örneklemesi, düzgün bir dağılımı izleyen deneysel tasarım prensipleri kullanılarak yapıldı (Duyarlılık Analizi ile ilgili Ek Bölüme bakın). Bu durumda, model parametreleri giriş voltajını (\(V_{in}\)), başlangıç SMA tel uzunluğunu (\(l_0\)), üçgen açısını (\(\alpha\)), önyargı yay sabitini (\(K_x\ )), konvektif ısı transfer katsayısını (\(h_T\)) ve tek modlu dalların sayısını (n) içerir. Bir sonraki adımda, pik kas gücü bir çalışma tasarımı gereksinimi olarak seçildi ve her değişken kümesinin güç üzerindeki parametrik etkileri elde edildi. Duyarlılık analizi için tornado grafikleri, Şekil 6a'da gösterildiği gibi, her parametrenin korelasyon katsayılarından türetildi.
(a) Model parametrelerinin korelasyon katsayısı değerleri ve yukarıdaki model parametrelerinin 2500 benzersiz grubunun maksimum çıkış kuvveti üzerindeki etkileri tornado grafiğinde gösterilmiştir. Grafik, çeşitli göstergelere ait sıra korelasyonunu göstermektedir. \(V_{in}\)'in pozitif korelasyona sahip tek parametre, \(l_0\)'ın ise en yüksek negatif korelasyona sahip parametre olduğu açıktır. Çeşitli parametrelerin çeşitli kombinasyonlardaki pik kas kuvveti üzerindeki etkisi (b, c)'de gösterilmiştir. \(K_x\) 400 ila 800 N/m arasında ve n 4 ila 24 arasında değişmektedir. Voltaj (\(V_{in}\)) 4V'tan 10V'a, tel uzunluğu (\(l_{0 } \)) 40 ila 100 mm arasında değişmiş ve kuyruk açısı (\ (\alpha \)) \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\) arasında değişmiştir.
Şekil 6a'da, her parametre için çeşitli korelasyon katsayılarının, tepe tahrik kuvveti tasarım gereksinimlerine sahip bir tornado grafiği gösterilmektedir. Şekil 6a'dan, voltaj parametresinin (\(V_{in}\)) doğrudan maksimum çıkış kuvvetiyle ilişkili olduğu ve konvektif ısı transfer katsayısının (\(h_T\)), alev açısının (\( \alpha\)), yer değiştirme yay sabitinin (\(K_x\)) çıkış kuvveti ve SMA telinin başlangıç uzunluğu (\(l_0\)) ile negatif korelasyonlu olduğu ve tek modlu dalların sayısının (n) güçlü bir ters korelasyon gösterdiği görülebilir. Doğrudan korelasyon durumunda, voltaj korelasyon katsayısının (\(V_ {in}\)) daha yüksek bir değeri, bu parametrenin güç çıkışı üzerinde en büyük etkiye sahip olduğunu gösterir. Benzer bir başka analiz, Şekil 6b'de gösterildiği gibi, iki hesaplama alanının farklı kombinasyonlarında farklı parametrelerin etkisini değerlendirerek tepe kuvvetini ölçer, c. \(V_{in}\) ve \(l_0\), \(\alpha\) ve \(l_0\) benzer desenlere sahiptir ve grafik, \(V_{in}\) ve \(\alpha\ ) ve \(\alpha\)'nın benzer desenlere sahip olduğunu göstermektedir. \(l_0\)'ın daha küçük değerleri daha yüksek tepe kuvvetleriyle sonuçlanır. Diğer iki grafik, n ve \(K_x\)'in negatif korelasyonlu ve \(V_{in}\)'in pozitif korelasyonlu olduğu Şekil 6a ile tutarlıdır. Bu analiz, tahrik sisteminin çıkış kuvvetinin, strokunun ve verimliliğinin gereksinimlere ve uygulamaya uyarlanabileceği etki eden parametreleri tanımlamaya ve ayarlamaya yardımcı olur.
Güncel araştırma çalışmaları N seviyeli hiyerarşik tahrikleri tanıtmakta ve araştırmaktadır. Şekil 7a'da gösterildiği gibi iki seviyeli bir hiyerarşide, birinci seviye aktüatörün her bir SMA teli yerine, şekil 9e'de gösterildiği gibi bimodal bir düzenleme elde edilir. Şekil 7c'de SMA telinin yalnızca uzunlamasına yönde hareket eden hareketli bir kol (yardımcı kol) etrafına nasıl sarıldığı gösterilmektedir. Ancak, birincil hareketli kol, 1. kademe çok kademeli aktüatörün hareketli koluyla aynı şekilde hareket etmeye devam eder. Tipik olarak, N kademeli bir tahrik, \(N-1\) kademe SMA telinin birinci kademe tahrikle değiştirilmesiyle oluşturulur. Sonuç olarak, telin kendisini tutan dal hariç, her dal birinci kademe tahrikini taklit eder. Bu şekilde, birincil tahriklerin kuvvetlerinden birkaç kat daha büyük kuvvetler yaratan iç içe geçmiş yapılar oluşturulabilir. Bu çalışmada, her seviye için, Şekil 7d'de tablo biçiminde gösterildiği gibi, 1 m'lik toplam etkin SMA tel uzunluğu dikkate alındı. Her unimodal tasarımda her telden geçen akım ve her SMA tel parçasında ortaya çıkan ön gerilim ve voltaj her seviyede aynıdır. Analitik modelimize göre, çıkış kuvveti seviye ile pozitif korelasyonludur, yer değiştirme ise negatif korelasyonludur. Aynı zamanda, yer değiştirme ve kas gücü arasında bir takas vardı. Şekil 7b'de görüldüğü gibi, maksimum kuvvet en fazla katmanda elde edilirken, en büyük yer değiştirme en alt katmanda gözlendi. Hiyerarşi seviyesi \(N=5\) olarak ayarlandığında, 2 gözlemlenen \(\upmu\)m strokla 2,58 kN'lik bir pik kas kuvveti bulundu. Öte yandan, birinci kademe tahriki 277 \(\upmu\)m strokta 150 N'luk bir kuvvet üretir. Çok seviyeli aktüatörler gerçek biyolojik kasları taklit edebilirken, şekil hafızalı alaşımlara dayalı yapay kaslar hassas ve daha ince hareketlerle önemli ölçüde daha yüksek kuvvetler üretebilir. Bu minyatürleştirilmiş tasarımın sınırlamaları, hiyerarşi arttıkça hareketin büyük ölçüde azalması ve tahrik üretim sürecinin karmaşıklığının artmasıdır.
(a) İki aşamalı (\(N=2\)) katmanlı şekil hafızalı alaşımlı doğrusal aktüatör sistemi bimodal konfigürasyonda gösterilmiştir. Önerilen model, birinci aşama katmanlı aktüatördeki SMA telinin başka bir tek aşamalı katmanlı aktüatörle değiştirilmesiyle elde edilmiştir. (c) İkinci aşama çok katmanlı aktüatörün deforme edilmiş konfigürasyonu. (b) Seviye sayısına bağlı olarak kuvvetlerin ve yer değiştirmelerin dağılımı tanımlanmıştır. Aktüatörün tepe kuvvetinin grafikteki ölçek seviyesiyle pozitif korelasyonlu olduğu, strokun ise ölçek seviyesiyle negatif korelasyonlu olduğu bulunmuştur. Her bir teldeki akım ve ön gerilim tüm seviyelerde sabit kalır. (d) Tablo, her seviyedeki musluk sayısını ve SMA telinin (fiber) uzunluğunu göstermektedir. Tellerin özellikleri 1 indeksiyle, ikincil dalların sayısı (biri birincil bacağa bağlı) ise alt simgedeki en büyük sayıyla gösterilmiştir. Örneğin, 5. seviyede, \(n_1\) her bimodal yapıda bulunan SMA tellerinin sayısını, \(n_5\) ise yardımcı bacakların (biri ana bacağa bağlı) sayısını ifade eder.
Birçok araştırmacı tarafından, faz geçişiyle ilişkili kristal yapıdaki makroskobik değişikliklere eşlik eden termomekanik özelliklere bağlı olan şekil hafızalı SMA'ların davranışını modellemek için çeşitli yöntemler önerilmiştir. Oluşturucu yöntemlerin formülasyonu doğası gereği karmaşıktır. En yaygın kullanılan fenomenolojik model Tanaka28 tarafından önerilmiştir ve mühendislik uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Tanaka [28] tarafından önerilen fenomenolojik model, martensitin hacim kesrinin sıcaklık ve stresin üstel bir fonksiyonu olduğunu varsayar. Daha sonra, Liang ve Rogers29 ve Brinson30, faz geçiş dinamiklerinin voltaj ve sıcaklığın kosinüs fonksiyonu olduğu ve modelde küçük değişiklikler yapıldığı bir model önerdiler. Becker ve Brinson, SMA malzemelerinin keyfi yükleme koşulları ve kısmi geçişler altındaki 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 dinamikleri yöntemini kullanır. Sıcaklıkla voltajdaki monoton olmayan değişimi hesaba katan faz diyagramlarına dayalı kinetik yöntemlerin mühendislik uygulamalarında uygulanması zordur. Elakhinia ve Ahmadian, mevcut fenomenolojik modellerin bu eksikliklerine dikkat çekiyor ve herhangi bir karmaşık yükleme koşulu 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, \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) ve \(E_A\) kullanılarak elde edilen faz bağımlı SMA Young modülüdür ve Young modülünü temsil eden \(E_M\) sırasıyla ostenitik ve martensitik fazlardır ve termal genleşme katsayısı \(\theta _T\) ile temsil edilir. Faz geçiş katkı faktörü \(\Omega = -E \epsilon _L\)'dir ve \(\epsilon _L\) SMA telindeki maksimum geri kazanılabilir gerinimdir.
Faz dinamiği denklemi, Liang29 tarafından geliştirilen ve daha sonra Brinson30 tarafından benimsenen kosinüs fonksiyonuyla örtüşmektedir. Tanaka28 tarafından önerilen üstel fonksiyon yerine. Faz geçiş modeli, Elakhinia ve Ahmadian34 tarafından önerilen modelin bir uzantısıdır ve Liang29 ve Brinson30 tarafından verilen faz geçiş koşullarına göre değiştirilmiştir. Bu faz geçiş modeli için kullanılan koşullar karmaşık termomekanik yükler altında geçerlidir. Her bir zaman anında, kurucu denklem modellenirken martensitin hacim kesrinin değeri hesaplanır.
Martensitin ısıtma koşulları altında ostenite dönüşümü ile ifade edilen yönetici yeniden dönüşüm denklemi aşağıdaki gibidir:
Burada \(\xi\) martensitin hacim kesri, \(\xi _M\) ısıtmadan önce elde edilen martensitin hacim kesri, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) ve \(C_A\) – eğri yaklaşım parametreleri, T – SMA tel sıcaklığı, \(A_s\) ve \(A_f\) – sırasıyla ostenit fazının başlangıç ve bitiş sıcaklığı.
Soğutma koşulları altında ostenitin martensite faz dönüşümü ile temsil edilen doğrudan dönüşüm kontrol denklemi:
Burada \(\xi _A\) soğutmadan önce elde edilen martensit hacim kesridir, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) ve \ ( C_M \) – eğri uydurma parametreleridir, T – SMA tel sıcaklığıdır, \(M_s\) ve \(M_f\) – sırasıyla başlangıç ve bitiş martensit sıcaklıklarıdır.
(3) ve (4) denklemleri farklılaştırıldıktan 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 dönüşümün gizli ısısıyla temsil edilir. SMA telindeki ısı kaybı zorlanmış konveksiyondan kaynaklanır ve radyasyonun ihmal edilebilir etkisi göz önüne alındığında, ısı enerjisi denge denklemi aşağıdaki gibidir:
Burada \(m_{wire}\) SMA telinin toplam kütlesi, \(c_{p}\) SMA'nın özgül ısı kapasitesi, \(V_{in}\) tele uygulanan voltaj, \(R_{ohm}\ ) – faz bağımlı SMA direnci, aşağıdaki gibi tanımlanır; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) burada \(r_M\ ) ve \(r_A\) sırasıyla martensit ve ostenitteki SMA faz özdirenci, \(A_{c}\) SMA telinin yüzey alanı, \(\Delta H\) şekil hafızalı alaşımdır. Telin geçiş gizli ısısı, T ve \(T_{\infty}\) sırasıyla SMA telinin ve ortamın sıcaklıklarıdır.
Şekil hafızalı alaşımlı bir tel çalıştırıldığında, tel sıkışır ve bimodal tasarımın her bir dalında fiber kuvveti adı verilen bir kuvvet oluşturur. SMA telinin her bir telindeki fiberlerin kuvvetleri birlikte, Şekil 9e'de gösterildiği gibi, harekete geçmek için kas kuvvetini oluşturur. Bir önyargı yayının varlığı nedeniyle, N'inci çok katmanlı aktüatörün toplam kas kuvveti şudur:
Denklem (7)'ye \(N = 1\) ikame edildiğinde, birinci aşama bimodal tahrik prototipinin kas gücü aşağıdaki şekilde elde edilebilir:
Burada n, tek modlu bacak sayısı, \(F_m\) tahrik tarafından üretilen kas kuvveti, \(F_f\) SMA telindeki lif mukavemeti, \(K_x\) eğik yay sertliği, \(\alpha\) üçgenin açısı, \(x_0\) SMA kablosunu önceden gerilmiş konumda tutmak için eğik yayın başlangıç ofseti ve \(\Delta x\) aktüatör hareketidir.
Sürücünün toplam yer değiştirmesi veya hareketi (\(\Delta x\)), N'inci kademenin SMA telindeki gerilime (\(\sigma\)) ve gerilmeye (\(\epsilon\)) bağlı olarak, sürücü şu şekilde ayarlanır (bkz. Şekil, çıkışın ek kısmı):
Kinematik denklemler, tahrik deformasyonu (\(\epsilon\)) ile yer değiştirme veya yer değiştirme (\(\Delta x\)) arasındaki ilişkiyi verir. Arb telinin deformasyonu, tek modlu bir dalda herhangi bir t anında başlangıç Arb tel uzunluğu (\(l_0\)) ve tel uzunluğu (l) fonksiyonu olarak 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 formülünün uygulanmasıyla elde edilir. Birinci kademe sürücüsü için (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) \(\Delta x\)'dir ve \(\alpha _1\) \(\alpha \)'dir Şekil 8'de gösterildiği gibi, zamanı Denklem (11)'den türeterek ve l değerini ikame ederek, gerinim hızı şu şekilde yazılabilir:
Burada \(l_0\) SMA telinin başlangıç uzunluğu, l herhangi bir t anında tek modlu bir daldaki telin uzunluğu, \(\epsilon\) SMA telinde gelişen deformasyon ve \(\alpha\) üçgenin açısı, \(\Delta x\) tahrik ofsetidir (Şekil 8'de gösterildiği gibi).
Tüm n tek tepeli yapılar (bu şekilde n=6) giriş voltajı olarak _(V_{in}_) ile seri olarak bağlanmıştır. Aşama I: Sıfır voltaj koşulları altında bimodal konfigürasyondaki SMA telinin şematik diyagramı Aşama II: Kırmızı çizgi ile gösterildiği gibi, SMA telinin ters dönüşüm nedeniyle sıkıştırıldığı kontrollü bir yapı gösterilmiştir.
Kavram kanıtı olarak, deneysel sonuçlarla temel denklemlerin simüle edilmiş türetilmesini test etmek için SMA tabanlı bir bimodal tahrik geliştirildi. Bimodal doğrusal aktüatörün CAD modeli şekil 9a'da gösterilmiştir. Öte yandan, şekil 9c'de bimodal yapıya sahip iki düzlemli SMA tabanlı bir aktüatör kullanılarak döner prizmatik bağlantı için önerilen yeni bir tasarım gösterilmektedir. Tahrik bileşenleri, Ultimaker 3 Extended 3D yazıcıda katkısal üretim kullanılarak üretilmiştir. Bileşenlerin 3D baskısı için kullanılan malzeme, güçlü, dayanıklı ve yüksek cam geçiş sıcaklığına (110-113 \(^{\circ }\) C) sahip olduğu için ısıya dayanıklı malzemeler için uygun olan polikarbonattır. Ayrıca, deneylerde Dynalloy, Inc. Flexinol şekil hafızalı alaşım teli kullanılmış ve simülasyonlarda Flexinol tele karşılık gelen malzeme özellikleri kullanılmıştır. Şekil 9b, d'de görüldüğü gibi, çok katmanlı aktüatörler tarafından üretilen yüksek kuvvetleri elde etmek için kasların bimodal bir düzenlemesinde bulunan lifler olarak çoklu SMA telleri düzenlenmiştir.
Şekil 9a'da gösterildiği gibi, hareketli kol SMA telinin oluşturduğu dar açıya açı (\(\alpha\)) denir. Sol ve sağ kelepçelere takılı terminal kelepçeleriyle, SMA teli istenen bimodal açıda tutulur. Yay konektöründe tutulan önyargı yayı cihazı, farklı önyargı yayı uzatma gruplarını SMA liflerinin sayısına (n) göre ayarlamak üzere tasarlanmıştır. Ayrıca, hareketli parçaların konumu, SMA telinin zorunlu konveksiyon soğutması için dış ortama maruz kalacak şekilde tasarlanmıştır. Çıkarılabilir tertibatın üst ve alt plakaları, ağırlığı azaltmak için tasarlanmış ekstrüde kesiklerle SMA telinin serin kalmasına yardımcı olur. Ayrıca, CMA telinin her iki ucu, bir kıvrım vasıtasıyla sırasıyla sol ve sağ terminallere sabitlenir. Üst ve alt plakalar arasında boşluk sağlamak için hareketli tertibatın bir ucuna bir piston takılır. Piston ayrıca, SMA teli çalıştırıldığında blokaj kuvvetini ölçmek için bir kontak aracılığıyla sensöre bir blokaj kuvveti uygulamak için kullanılır.
Bimodal kas yapısı SMA seri olarak elektriksel olarak bağlanmıştır ve bir giriş darbe voltajıyla çalıştırılır. Voltaj darbe döngüsü sırasında, voltaj uygulandığında ve SMA teli ostenitin başlangıç sıcaklığının üzerine ısıtıldığında, her bir teldeki telin uzunluğu kısalır. Bu geri çekilme, hareketli kol alt montajını etkinleştirir. Aynı döngüde voltaj sıfırlandığında, ısıtılmış SMA teli martensit yüzeyinin sıcaklığının altına soğutulur ve böylece orijinal konumuna geri döner. Sıfır gerilim koşulları altında, SMA teli önce pasif olarak bir önyargı yayı tarafından gerilir ve ikizlenmemiş martensit durumuna ulaşır. SMA telinin içinden geçtiği vida, SMA teline bir voltaj darbesi uygulanarak (SPA ostenit fazına ulaşır) oluşturulan sıkıştırma nedeniyle hareket eder ve bu da hareketli kolun harekete geçmesine yol açar. SMA teli geri çekildiğinde, önyargı yayı yayı daha fazla gererek karşıt bir kuvvet oluşturur. Darbe gerilimindeki gerilim sıfıra indiğinde SMA teli, zorlanmış konveksiyon soğuması nedeniyle uzar ve şeklini değiştirir ve çift martensitik faza ulaşır.
Önerilen SMA tabanlı doğrusal aktüatör sistemi, SMA tellerinin açılı olduğu iki modlu bir yapılandırmaya sahiptir. (a) prototipin bazı bileşenlerini ve prototip için anlamlarını belirten bir CAD modelini tasvir eder, (b, d) geliştirilen deneysel prototipi temsil eder35. (b) prototipin elektrik bağlantıları ve kullanılan önyargı yayları ve gerinim ölçerlerle üstten görünümünü gösterirken, (d) kurulumun perspektif görünümünü gösterir. (e) Herhangi bir t anında iki modlu olarak yerleştirilmiş SMA tellerine sahip doğrusal bir aktüasyon sisteminin diyagramı, lifin ve kas gücünün yönünü ve seyrini gösterir. (c) İki düzlemli bir SMA tabanlı aktüatörü yerleştirmek için 2 serbestlik dereceli döner prizmatik bir bağlantı önerilmiştir. Gösterildiği gibi, bağlantı doğrusal hareketi alt tahrikten üst kola ileterek döner bir bağlantı oluşturur. Öte yandan, prizma çiftinin hareketi çok katmanlı birinci aşama tahrikinin hareketiyle aynıdır.
Şekil 9b'de gösterilen prototip üzerinde deneysel bir çalışma yürütülerek SMA'ya dayalı bir bimodal sürücünün performansı değerlendirildi. Şekil 10a'da gösterildiği gibi, deneysel kurulum SMA tellerine giriş voltajı sağlamak için programlanabilir bir DC güç kaynağından oluşuyordu. Şekil 10b'de gösterildiği gibi, bir piezoelektrik gerinim ölçer (PACEline CFT/5kN), bir Graphtec GL-2000 veri kaydedicisi kullanılarak blokaj kuvvetini ölçmek için kullanıldı. Veriler, daha ileri çalışmalar için ana bilgisayar tarafından kaydedilir. Gerinim ölçerler ve şarj amplifikatörleri, bir voltaj sinyali üretmek için sabit bir güç kaynağı gerektirir. İlgili sinyaller, piezoelektrik kuvvet sensörünün hassasiyetine ve Tablo 2'de açıklandığı gibi diğer parametrelere göre güç çıkışlarına dönüştürülür. Bir voltaj darbesi uygulandığında, SMA telinin sıcaklığı artar ve SMA telinin sıkışmasına neden olur ve bu da aktüatörün kuvvet üretmesine neden olur. 7 V'luk bir giriş voltaj darbesiyle kas gücünün çıkışının deneysel sonuçları şekil 2a'da gösterilmiştir.
(a) Deneyde, aktüatör tarafından üretilen kuvveti ölçmek için SMA tabanlı doğrusal aktüatör sistemi kuruldu. Yük hücresi blokaj kuvvetini ölçer ve 24 V DC güç kaynağıyla çalıştırılır. 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 hücresiyle temas ederek bir blokaj kuvveti uygular. Yük hücresi GL-2000 veri kaydedicisine bağlanır ve veriler daha fazla işlenmek üzere ana bilgisayarda saklanır. (b) Kas gücünü ölçmek için deneysel kurulumun bileşen zincirini gösteren diyagram.
Şekil hafızalı alaşımlar termal enerji tarafından uyarılır, bu nedenle sıcaklık şekil hafızası olgusunu incelemek için önemli bir parametre haline gelir. Deneysel olarak, Şekil 11a'da gösterildiği gibi, termal görüntüleme ve sıcaklık ölçümleri bir prototip SMA tabanlı divalerat aktüatör üzerinde gerçekleştirildi. Programlanabilir bir DC kaynağı, Şekil 11b'de gösterildiği gibi, deney düzeneğindeki SMA tellerine giriş voltajı uyguladı. SMA telinin sıcaklık değişimi, yüksek çözünürlüklü bir LWIR kamera (FLIR A655sc) kullanılarak gerçek zamanlı olarak ölçüldü. Sunucu, daha fazla son işlem için verileri kaydetmek üzere ResearchIR yazılımını kullanır. Bir voltaj darbesi uygulandığında, SMA telinin sıcaklığı artar ve SMA telinin büzülmesine neden olur. Şekil 2b'de, 7V giriş voltaj darbesi için SMA teli sıcaklığının zamana göre deneysel sonuçları gösterilmektedir.
Gönderi zamanı: 28-Eyl-2022
