Nature.com saytiga tashrif buyurganingiz uchun tashakkur.Siz foydalanayotgan brauzer versiyasi cheklangan CSS-ni qo'llab-quvvatlaydi.Eng yaxshi tajriba uchun yangilangan brauzerdan foydalanishni tavsiya qilamiz (yoki Internet Explorer-da Moslik rejimini o'chirib qo'ying).Shu bilan birga, doimiy qo'llab-quvvatlashni ta'minlash uchun biz saytni uslublarsiz va JavaScript-ni ishlatmasdan taqdim etamiz.
Aktuatorlar hamma joyda qo'llaniladi va ishlab chiqarish va sanoat avtomatizatsiyasida turli operatsiyalarni bajarish uchun to'g'ri qo'zg'atuvchi kuch yoki momentni qo'llash orqali boshqariladigan harakatni yaratadi.Tezroq, kichikroq va samaraliroq drayverlarga bo'lgan ehtiyoj haydovchi dizaynidagi innovatsiyalarga turtki bo'lmoqda.Shakl xotirasi qotishmasi (SMA) drayvlari an'anaviy drayvlarga nisbatan bir qator afzalliklarga ega, jumladan, yuqori quvvat va vazn nisbati.Ushbu dissertatsiyada biologik tizimlarning patli mushaklarining afzalliklari va SMAlarning o'ziga xos xususiyatlarini birlashtirgan ikki patli SMA asosidagi aktuator ishlab chiqilgan.Ushbu tadqiqot bimodal SMA simi tartibiga asoslangan yangi aktuatorning matematik modelini ishlab chiqish va uni eksperimental tarzda sinab ko'rish orqali oldingi SMA aktuatorlarini o'rganadi va kengaytiradi.SMA asosidagi ma'lum bo'lgan drayvlar bilan solishtirganda, yangi haydovchining ishga tushirish kuchi kamida 5 baravar yuqori (150 N gacha).Tegishli vazn yo'qotish taxminan 67% ni tashkil qiladi.Matematik modellarning sezgirligini tahlil qilish natijalari dizayn parametrlarini sozlash va asosiy parametrlarni tushunish uchun foydalidir.Ushbu tadqiqot dinamikani yanada yaxshilash uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan ko'p darajali N-bosqich drayverini taqdim etadi.SMA asosidagi dipvalerat mushak aktuatorlari binolarni avtomatlashtirishdan tortib, aniq dori vositalarini etkazib berish tizimlarigacha bo'lgan keng doiradagi ilovalarga ega.
Sutemizuvchilarning mushak tuzilmalari kabi biologik tizimlar ko'plab nozik aktuatorlarni faollashtirishi mumkin1.Sutemizuvchilarning mushak tuzilmalari har xil bo'lib, ularning har biri ma'lum bir maqsadga xizmat qiladi.Biroq, sutemizuvchilar mushak to'qimalarining ko'p tuzilishini ikkita keng toifaga bo'lish mumkin.Parallel va pennat.Hamstrings va boshqa fleksorlarda, nomidan ko'rinib turibdiki, parallel mushaklar markaziy tendonga parallel ravishda mushak tolalariga ega.Mushak tolalari zanjiri bir qatorda joylashgan va ular atrofidagi biriktiruvchi to'qima bilan funktsional ravishda bog'langan.Garchi bu mushaklar katta ekskursiyaga (foizda qisqarish) ega bo'lsa-da, ularning umumiy mushak kuchi juda cheklangan.Bundan farqli o'laroq, uch boshli boldir mushaklarida2 (lateral gastroknemius (GL)3, medial gastroknemius (GM)4 va soleus (SOL)) va ekstansor femoris (quadriseps) 5,6 pennat mushak to'qimalari har bir mushakda topiladi7.Pinnate tuzilmasida ikki tomonlama mushaklardagi mushak tolalari markaziy tendonning ikkala tomonida qiya burchaklarda (pinnate burchaklar) mavjud.Pennate lotincha "penna" so'zidan kelib chiqqan bo'lib, "qalam" degan ma'noni anglatadi va rasmda ko'rsatilganidek.1 tuklarga o'xshash ko'rinishga ega.Pennat mushaklarining tolalari qisqaroq va mushakning bo'ylama o'qiga burchak ostida joylashgan.Pinnate tuzilishi tufayli bu mushaklarning umumiy harakatchanligi kamayadi, bu esa qisqarish jarayonining ko'ndalang va uzunlamasına tarkibiy qismlariga olib keladi.Boshqa tomondan, bu mushaklarning faollashishi fiziologik tasavvurlar maydonini o'lchash usuli tufayli mushaklarning umumiy kuchining oshishiga olib keladi.Shuning uchun, ma'lum bir kesma maydoni uchun pennat mushaklari kuchliroq bo'ladi va parallel tolali mushaklarga qaraganda yuqori kuchlarni hosil qiladi.Alohida tolalar tomonidan hosil qilingan kuchlar ushbu mushak to'qimasida makroskopik darajada mushak kuchlarini hosil qiladi.Bundan tashqari, u tez qisqarish, valentlik shikastlanishidan himoya qilish, tamponlama kabi noyob xususiyatlarga ega.Bu mushak ta'sir chiziqlari bilan bog'liq bo'lgan tolalar joylashuvining o'ziga xos xususiyatlari va geometrik murakkabligidan foydalangan holda tolaning kirishi va mushaklarning chiqishi o'rtasidagi munosabatni o'zgartiradi.
Bimodal mushak arxitekturasiga nisbatan mavjud SMA asosidagi aktuator konstruksiyalarining sxematik diagrammalari ko'rsatilgan, masalan (a), SMA simlari bilan harakatga keltiriladigan qo'l shaklidagi qurilma ikki g'ildirakli avtonom mobil robotga o'rnatilgan taktil kuchning o'zaro ta'sirini ifodalaydi9,10., (b) Antagonistik joylashtirilgan SMA prujinali orbital protezli robotli orbital protez.Protez ko'zning holati ko'zning ko'z mushaklaridan keladigan signal bilan boshqariladi11, (c) SMA aktuatorlari yuqori chastotali javob va past tarmoqli kengligi tufayli suv ostidagi ilovalar uchun idealdir.Ushbu konfiguratsiyada SMA aktuatorlari baliq harakatini taqlid qilish orqali to'lqin harakatini yaratish uchun ishlatiladi, (d) SMA aktuatorlari 10-kanal ichidagi SMA simlarining harakati bilan boshqariladigan dyuymli qurtlarni harakatlantirish printsipidan foydalanishi mumkin bo'lgan mikro quvurlarni tekshirish robotini yaratish uchun ishlatiladi, (e) mushak tolalarining qisqarish yo'nalishini ko'rsatadi va mushak tolalarining qisqarish yo'nalishini ko'rsatadi, SMA to'qimalarida qisqarish kuchini ko'rsatadi. s pennat mushak tuzilishida.
Aktuatorlar keng qo'llanilishi tufayli mexanik tizimlarning muhim qismiga aylandi.Shu sababli, kichikroq, tezroq va samaraliroq drayverlarga bo'lgan ehtiyoj juda muhim bo'lib qoladi.Afzalliklariga qaramay, an'anaviy drayvlar qimmat va ko'p vaqt talab etadi.Gidravlik va pnevmatik aktuatorlar murakkab va qimmat bo'lib, ular eskirish, moylash muammolari va komponentlarning ishdan chiqishiga duchor bo'ladi.Talabga javoban, asosiy e'tibor aqlli materiallarga asoslangan tejamkor, o'lchamlari optimallashtirilgan va ilg'or aktuatorlarni ishlab chiqishga qaratilgan.Davom etilayotgan tadqiqotlar ushbu ehtiyojni qondirish uchun shaklli xotira qotishmasi (SMA) qatlamli aktuatorlarni ko'rib chiqmoqda.Ierarxik aktuatorlarning o'ziga xos xususiyati shundaki, ular ko'p diskret aktuatorlarni geometrik jihatdan murakkab so'l miqyosdagi quyi tizimlarga birlashtiradi va kengaytirilgan va kengaytirilgan funksionallikni ta'minlaydi.Shu munosabat bilan, yuqorida tavsiflangan inson mushak to'qimasi bunday ko'p qatlamli harakatlanishning ajoyib ko'p qatlamli namunasini beradi.Joriy tadqiqot bimodal mushaklarda mavjud bo'lgan tola yo'nalishlariga moslashtirilgan bir nechta individual qo'zg'alish elementlariga (SMA simlari) ega bo'lgan ko'p darajali SMA drayverini tasvirlaydi, bu esa umumiy haydovchi ish faoliyatini yaxshilaydi.
Aktuatorning asosiy maqsadi elektr energiyasini aylantirish orqali kuch va joy almashish kabi mexanik quvvat ishlab chiqarishdir.Shakl xotirasi qotishmalari yuqori haroratlarda o'z shakllarini tiklay oladigan "aqlli" materiallar sinfidir.Yuqori yuklar ostida SMA simining haroratining oshishi shaklni tiklashga olib keladi, buning natijasida turli xil to'g'ridan-to'g'ri bog'langan aqlli materiallarga nisbatan yuqori harakatlanish energiya zichligi bo'ladi.Shu bilan birga, mexanik yuklar ostida SMA mo'rt bo'ladi.Muayyan sharoitlarda tsiklik yuk mexanik energiyani o'zlashtirishi va chiqarishi mumkin, bu esa teskari histeretik shakl o'zgarishlarini ko'rsatadi.Bu noyob xususiyatlar SMA ni sensorlar, tebranishlarni pasaytirish va ayniqsa aktuatorlar uchun ideal qiladi12.Buni hisobga olgan holda, SMA-ga asoslangan drayvlar bo'yicha ko'plab tadqiqotlar o'tkazildi.Shuni ta'kidlash kerakki, SMA-ga asoslangan aktuatorlar turli xil ilovalar uchun tarjima va aylanish harakatini ta'minlash uchun mo'ljallangan13,14,15.Ba'zi aylanma aktuatorlar ishlab chiqilgan bo'lsa-da, tadqiqotchilar, ayniqsa, chiziqli aktuatorlarga qiziqishadi.Bu chiziqli aktuatorlarni uch turdagi aktuatorlarga bo'lish mumkin: bir o'lchovli, siljishli va differentsial aktuatorlar 16 .Dastlab, gibrid drayvlar SMA va boshqa an'anaviy drayvlar bilan birgalikda yaratilgan.SMA asosidagi gibrid chiziqli aktuatorning bunday misollaridan biri 100 N atrofida chiqish quvvati va sezilarli joy almashishni ta'minlash uchun doimiy to'g'ridan-to'g'ri dvigatelli SMA simidan foydalanishdir17.
To'liq SMA-ga asoslangan drayvlardagi birinchi ishlanmalardan biri SMA parallel diskidir.Bir nechta SMA simlaridan foydalangan holda, SMA-ga asoslangan parallel haydovchi barcha SMA18 simlarini parallel joylashtirish orqali haydovchining quvvat qobiliyatini oshirish uchun mo'ljallangan.Aktuatorlarning parallel ulanishi nafaqat ko'proq quvvat talab qiladi, balki bitta simning chiqish quvvatini ham cheklaydi.SMA asosidagi aktuatorlarning yana bir kamchiligi ular erishishi mumkin bo'lgan cheklangan sayohatdir.Ushbu muammoni hal qilish uchun, siljishni oshirish va chiziqli harakatga erishish uchun egiluvchan egiluvchan nurni o'z ichiga olgan SMA kabel nuri yaratildi, lekin yuqori kuchlarni yaratmadi19.Shakl xotirasi qotishmalariga asoslangan robotlar uchun yumshoq deformatsiyalanadigan tuzilmalar va matolar, birinchi navbatda, zarbani kuchaytirish uchun ishlab chiqilgan20,21,22.Yuqori tezlik talab qilinadigan ilovalar uchun ixcham boshqariladigan nasoslar mikronasos bilan boshqariladigan ilovalar uchun yupqa plyonkali SMAlardan foydalanganligi haqida xabar berilgan23.Yupqa plyonkali SMA membranasining harakatlanish chastotasi haydovchi tezligini nazorat qilishda asosiy omil hisoblanadi.Shuning uchun, SMA chiziqli motorlar SMA kamon yoki rod motorlariga qaraganda yaxshiroq dinamik javobga ega.Yumshoq robototexnika va tutqich texnologiyasi SMA asosidagi aktuatorlardan foydalanadigan yana ikkita dasturdir.Misol uchun, 25 N kosmik qisqichda ishlatiladigan standart aktuatorni almashtirish uchun shakl xotirasi qotishma parallel aktuator 24 ishlab chiqildi.Boshqa holatda, SMA yumshoq aktuator 30 N maksimal tortish kuchini ishlab chiqarishga qodir bo'lgan o'rnatilgan matritsaga ega simga asoslangan holda ishlab chiqarilgan. Mexanik xususiyatlari tufayli SMA biologik hodisalarni taqlid qiluvchi aktuatorlarni ishlab chiqarish uchun ham qo'llaniladi.Bunday ishlanmalardan biri 12 hujayrali robotni o'z ichiga oladi, u yong'inga sinusoidal harakat hosil qilish uchun SMA bilan chuvalchangga o'xshash organizmning biomimetikasi hisoblanadi26,27.
Yuqorida aytib o'tilganidek, mavjud SMA-ga asoslangan aktuatorlardan olinishi mumkin bo'lgan maksimal quvvat chegarasi mavjud.Ushbu muammoni hal qilish uchun ushbu tadqiqot biomimetik bimodal mushak tuzilishini taqdim etadi.Shakl xotirasi qotishma sim bilan boshqariladi.U bir nechta shaklli xotira qotishma simlarini o'z ichiga olgan tasnif tizimini taqdim etadi.Bugungi kunga qadar adabiyotda shunga o'xshash arxitekturaga ega SMA asosidagi aktuatorlar haqida xabar berilmagan.SMA-ga asoslangan ushbu noyob va yangi tizim mushaklarning bimodal moslashuvi paytida SMA xatti-harakatlarini o'rganish uchun ishlab chiqilgan.Mavjud SMA-ga asoslangan aktuatorlar bilan taqqoslaganda, ushbu tadqiqotning maqsadi kichik hajmda sezilarli darajada yuqori kuchlarni yaratish uchun biomimetik dipvalerat aktuatorini yaratish edi.HVAC binolarini avtomatlashtirish va boshqarish tizimlarida qo'llaniladigan an'anaviy step motorli drayvlar bilan taqqoslaganda, taklif qilingan SMA-ga asoslangan bimodal qo'zg'aysan dizayni haydovchi mexanizmining og'irligini 67% ga kamaytiradi.Quyida "mushak" va "haydovchi" atamalari bir-birining o'rnida ishlatiladi.Ushbu tadqiqot bunday haydovchining multifizik simulyatsiyasini o'rganadi.Bunday tizimlarning mexanik harakati eksperimental va analitik usullar bilan o'rganilgan.Quvvat va harorat taqsimoti 7 V kirish kuchlanishida qo'shimcha tekshirildi. Keyinchalik asosiy parametrlar va chiqish kuchi o'rtasidagi munosabatlarni yaxshiroq tushunish uchun parametrik tahlil o'tkazildi.Nihoyat, ierarxik aktuatorlar ko'zda tutilgan va ierarxik darajadagi effektlar protez ilovalari uchun magnit bo'lmagan aktuatorlar uchun kelajakdagi potentsial maydon sifatida taklif qilingan.Yuqorida aytib o'tilgan tadqiqotlar natijalariga ko'ra, bir bosqichli arxitekturadan foydalanish SMA-ga asoslangan aktuatorlarga qaraganda kamida to'rt-besh baravar yuqori kuchlarni ishlab chiqaradi.Bundan tashqari, ko'p darajali ko'p darajali haydovchi tomonidan yaratilgan bir xil qo'zg'alish kuchi an'anaviy SMA-ga asoslangan drayvlardan o'n barobar ko'proq ekanligini ko'rsatdi.Keyinchalik tadqiqot turli dizaynlar va kirish o'zgaruvchilari o'rtasidagi sezgirlik tahlilidan foydalangan holda asosiy parametrlarni hisobot qiladi.SMA simining dastlabki uzunligi (\(l_0\)), pinnate burchagi (\(\alfa\)) va har bir alohida ipdagi bitta iplar soni (n) harakatlantiruvchi kuchning kattaligiga kuchli salbiy ta'sir ko'rsatadi.quvvat, kirish kuchlanishi (energiya) esa ijobiy bog'liq bo'lib chiqdi.
SMA simi nikel-titan (Ni-Ti) qotishmalari oilasida ko'rinadigan shakl xotira effektini (SME) namoyish etadi.Odatda, SMA haroratga bog'liq bo'lgan ikkita fazani namoyish etadi: past haroratli faza va yuqori haroratli faza.Har ikkala faza ham turli kristall tuzilmalar mavjudligi sababli o'ziga xos xususiyatlarga ega.Transformatsiya haroratidan yuqori bo'lgan ostenit fazasida (yuqori haroratli faza) material yuqori kuchga ega va yuk ostida yomon deformatsiyalanadi.Qotishma o'zini zanglamaydigan po'lat kabi tutadi, shuning uchun u yuqori harakat bosimiga bardosh bera oladi.Ni-Ti qotishmalarining bu xususiyatidan foydalangan holda, SMA simlari aktuatorni hosil qilish uchun egilgan.Turli parametrlar va turli geometriyalar ta'sirida SMA ning issiqlik harakatining asosiy mexanikasini tushunish uchun tegishli analitik modellar ishlab chiqilgan.Eksperimental va analitik natijalar o'rtasida yaxshi kelishuvga erishildi.
SMA asosidagi bimodal haydovchining ish faoliyatini baholash uchun 9a-rasmda ko'rsatilgan prototipda eksperimental tadqiqot o'tkazildi.Ushbu xususiyatlardan ikkitasi, haydovchi tomonidan ishlab chiqarilgan kuch (mushak kuchi) va SMA simining harorati (SMA harorati) eksperimental tarzda o'lchandi.Drayvdagi simning butun uzunligi bo'ylab kuchlanish farqi ortishi bilan simning harorati Joule isitish effekti tufayli ortadi.Kirish kuchlanishi 10 soniyali ikkita tsiklda (2a, b-rasmda qizil nuqta sifatida ko'rsatilgan) har bir davr o'rtasida 15 soniya sovutish davri bilan qo'llanilgan.Bloklash kuchi piezoelektrik deformatsiya o'lchagich yordamida o'lchandi va SMA simining harorat taqsimoti ilmiy darajadagi yuqori aniqlikdagi LWIR kamerasi yordamida real vaqt rejimida kuzatildi (2-jadvalda ishlatiladigan uskunaning xususiyatlarini ko'ring).yuqori kuchlanish bosqichida simning harorati monoton ravishda oshib borishini ko'rsatadi, lekin oqim o'tmaganda, simning harorati pasayishda davom etadi.Joriy eksperimental o'rnatishda SMA simining harorati sovutish bosqichida tushib ketdi, lekin u hali ham atrof-muhit haroratidan yuqori edi.Shaklda.2e LWIR kamerasidan olingan SMA simidagi haroratning suratini ko'rsatadi.Boshqa tomondan, rasmda.2a qo'zg'alish tizimi tomonidan yaratilgan blokirovka kuchini ko'rsatadi.Mushak kuchi prujinaning tiklovchi kuchidan oshib ketganda, 9a-rasmda ko'rsatilganidek, harakatlanuvchi qo'l harakatlana boshlaydi.Ishga tushirish boshlanishi bilan harakatlanuvchi qo'l datchik bilan aloqa qiladi va rasmda ko'rsatilganidek, tana kuchini hosil qiladi.2c, d.Maksimal harorat \(84\,^{\circ}\hbox {C}\ ga yaqin bo'lganda, maksimal kuzatilgan kuch 105 N ni tashkil qiladi.
Grafikda SMA simining harorati va ikki sikl davomida SMA asosidagi bimodal aktuator tomonidan yaratilgan quvvatning eksperimental natijalari ko'rsatilgan.Kirish kuchlanishi 10 soniyali ikkita tsiklda (qizil nuqta sifatida ko'rsatilgan) qo'llaniladi, har bir davr o'rtasida 15 soniya sovutish davri mavjud.Tajribalar uchun ishlatiladigan SMA simi Dynalloy, Inc. kompaniyasining 0,51 mm diametrli Flexinol simi edi (a) Grafikda ikki sikl davomida olingan eksperimental kuch ko'rsatilgan, (c, d) PACEline CFT/5kN piezoelektrik kuch o'tkazgichda harakatlanuvchi qo'l aktuatorlari ta'sirining ikkita mustaqil misolini ko'rsatadi, (b) SMA davomida maksimal haroratni ko'rsatadi (b) FLIR ResearchIR dasturi LWIR kamerasi yordamida SMA simidan olingan harorat surati.Tajribalarda hisobga olingan geometrik parametrlar Jadvalda keltirilgan.bitta.
Matematik modelning simulyatsiya natijalari va eksperimental natijalar 5-rasmda ko'rsatilganidek, 7V kirish kuchlanishi sharoitida taqqoslanadi.Parametrik tahlil natijalariga ko'ra va SMA simining haddan tashqari qizib ketishining oldini olish uchun aktuatorga 11,2 Vt quvvat berildi.Kirish kuchlanishi sifatida 7V ni ta'minlash uchun dasturlashtiriladigan shahar quvvat manbai ishlatilgan va sim bo'ylab 1,6A oqim o'lchangan.Drayv tomonidan ishlab chiqarilgan kuch va SDR ning harorati oqim qo'llanilganda ortadi.7V kirish kuchlanishi bilan simulyatsiya natijalari va birinchi tsiklning eksperimental natijalaridan olingan maksimal chiqish quvvati mos ravishda 78 N va 96 N ni tashkil qiladi.Ikkinchi tsiklda simulyatsiya va eksperimental natijalarning maksimal chiqish kuchi mos ravishda 150 N va 105 N edi.Okklyuziv kuch o'lchovlari va eksperimental ma'lumotlar o'rtasidagi nomuvofiqlik okklyuzion kuchni o'lchash uchun ishlatiladigan usul bilan bog'liq bo'lishi mumkin.Eksperimental natijalar shaklda ko'rsatilgan.5a qulflash kuchini o'lchashga to'g'ri keladi, bu esa o'z navbatida qo'zg'aysan mili PACEline CFT / 5kN piezoelektrik kuch o'tkazgich bilan aloqa qilganda o'lchanadi, rasmda ko'rsatilganidek.2s.Shuning uchun, qo'zg'aysan mili sovutish zonasining boshida kuch sensori bilan aloqa qilmasa, 2d-rasmda ko'rsatilganidek, kuch darhol nolga aylanadi.Bundan tashqari, keyingi davrlarda kuch hosil bo'lishiga ta'sir qiluvchi boshqa parametrlar sovutish vaqtining qiymatlari va oldingi tsikldagi konvektiv issiqlik uzatish koeffitsienti hisoblanadi.Anjirdan.2b, ko'rinib turibdiki, 15 soniyali sovutish davridan so'ng, SMA simi xona haroratiga etib bormagan va shuning uchun ikkinchi haydash siklida birinchi tsikl bilan solishtirganda yuqori boshlang'ich haroratga ega (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Shunday qilib, birinchi davr bilan solishtirganda, ikkinchi isitish davridagi SMA simining harorati dastlabki ostenit haroratiga (\(A_s\)) ertaroq etib boradi va o'tish davrida uzoqroq qoladi, natijada stress va kuch paydo bo'ladi.Boshqa tomondan, tajribalar va simulyatsiyalar natijasida olingan isitish va sovutish davrlaridagi harorat taqsimoti termografik tahlil misollari bilan yuqori sifatli o'xshashlikka ega.Tajribalar va simulyatsiyalardan olingan SMA simli termal ma'lumotlarning qiyosiy tahlili isitish va sovutish davrlarida va eksperimental ma'lumotlar uchun maqbul tolerantliklarda izchillikni ko'rsatdi.Birinchi sikldagi simulyatsiya va tajribalar natijalaridan olingan SMA simining maksimal harorati mos ravishda \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) va \(75\,^{\circ }\hbox { C }\), ikkinchi siklda esa SMA simining maksimal harorati \(94\box \{\}, {\box \\}, {^\}, {\rc \\}, {^\}, circ }\ hbox {C}\).Asosiy ishlab chiqilgan model shakl xotirasi effektining ta'sirini tasdiqlaydi.Ushbu sharhda charchoq va qizib ketishning roli hisobga olinmadi.Kelajakda model SMA simining stress tarixini o'z ichiga olgan holda takomillashtiriladi, bu uni muhandislik ilovalari uchun ko'proq moslashtiradi.Simulink blokidan olingan qo'zg'aluvchan chiqish kuchi va SMA harorat chizmalari 7 V kirish kuchlanish impulsi sharti ostida eksperimental ma'lumotlarning ruxsat etilgan toleranslari doirasida bo'ladi. Bu ishlab chiqilgan matematik modelning to'g'riligi va ishonchliligini tasdiqlaydi.
Matematik model MathWorks Simulink R2020b muhitida Metodlar bo'limida tasvirlangan asosiy tenglamalar yordamida ishlab chiqilgan.Shaklda.3b da Simulink matematik modelining blok diagrammasi ko'rsatilgan.Model 2a, b-rasmda ko'rsatilganidek, 7V kirish kuchlanish pulsi uchun simulyatsiya qilingan.Simulyatsiyada ishlatiladigan parametrlarning qiymatlari 1-jadvalda keltirilgan. Vaqtinchalik jarayonlarni simulyatsiya qilish natijalari 1 va 1-rasmlarda keltirilgan. 3a va 4-rasmlarda.4a, b SMA simidagi induksiyalangan kuchlanishni va aktuator tomonidan ishlab chiqarilgan kuchni vaqt funktsiyasi sifatida ko'rsatadi. Teskari transformatsiya (isitish) paytida, SMA simining harorati, \(T < A_s^{\prime}\) (stress-o'zgartirilgan ostenit fazasining boshlanishi harorati), martensit hajmining o'zgarish tezligi (\(\nuqta{\xi}\)) nolga teng bo'ladi. Teskari transformatsiya (isitish) paytida, SMA simining harorati, \(T < A_s^{\prime}\) (stress-o'zgartirilgan ostenit fazasining boshlanishi harorati), martensit hajmining o'zgarish tezligi (\(\nuqta{\xi}\)) nolga teng bo'ladi. Vo vremya obratnogo prevrashcheniya (nagreva), kogda harorat provoloki SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura nachala austenitnoy fazy, modifitsirovannaya napryajeniem), skorost ravemya ob'emnoy doli martensita (\(\dot{\) nuetno. Teskari transformatsiya (isitish) paytida, SMA simining harorati, \(T < A_s^{\prime}\) (stress bilan o'zgartirilgan ostenitning boshlang'ich harorati), martensit hajmining o'zgarish tezligi (\(\dot{\ xi }\ )) nolga teng bo'ladi.díngíngíngíníníníníníníníníníníníníníní, smíngíngí\(T < A_s^{\prime}\) língčičičičičičijín（\(\nuqta{\ xi }\)) shīngjīngchài chàng yàngín （yāngāī） yān ） ， chàn dàng yín yín línjín \ (t
(a) SMA asosidagi divalerat aktuatorida harorat taqsimoti va kuchlanishdan kelib chiqadigan ulanish haroratini ko'rsatadigan simulyatsiya natijasi.Tel harorati isitish bosqichida ostenit o'tish haroratini kesib o'tganda, o'zgartirilgan ostenit o'tish harorati ko'tarila boshlaydi va shunga o'xshab, simli novda harorati sovutish bosqichida martensit o'tish haroratini kesib o'tganda, martensit o'tish harorati pasayadi.Ishga tushirish jarayonini analitik modellashtirish uchun SMA.(Simulink modelining har bir quyi tizimining batafsil ko'rinishi uchun qo'shimcha faylning ilova bo'limiga qarang.)
Turli xil parametrlarni taqsimlash bo'yicha tahlil natijalari 7V kirish kuchlanishining ikki davri uchun ko'rsatilgan (10 soniyali isitish davri va 15 soniyali sovutish davri).(ac) va (e) vaqt bo'yicha taqsimotni tasvirlasa, boshqa tomondan, (d) va (f) harorat bilan taqsimlashni tasvirlaydi.Tegishli kirish sharoitlari uchun kuzatilgan maksimal kuchlanish 106 MPa (345 MPa dan kam, simning oquvchanligi), quvvat 150 N, maksimal siljish 270 mkm va martensitning minimal hajm ulushi 0,91 ni tashkil qiladi.Boshqa tomondan, stressning o'zgarishi va martensitning hajm ulushining harorat bilan o'zgarishi histerezis xususiyatlariga o'xshaydi.
Xuddi shu tushuntirish ostenit fazasidan martensit fazasiga to'g'ridan-to'g'ri transformatsiya (sovutish) uchun ham amal qiladi, bu erda SMA simining harorati (T) va stress bilan o'zgartirilgan martensit fazasining oxirgi harorati (\(M_f ^ {\ prime} \ )) juda yaxshi.Shaklda.4d,f har ikkala haydash tsikli uchun SMA simining (T) haroratining o'zgarishiga bog'liq holda SMA simidagi induksiyalangan stress (\(\sigma\)) va martensitning hajm ulushi (\(\xi\)) o'zgarishini ko'rsatadi.Shaklda.3a-rasmda SMA simining haroratining kirish kuchlanish pulsiga qarab vaqt o'tishi bilan o'zgarishi ko'rsatilgan.Rasmdan ko'rinib turibdiki, simning harorati nol kuchlanishda issiqlik manbasini ta'minlash va keyinchalik konvektiv sovutish orqali o'sishda davom etmoqda.Isitish vaqtida martensitning ostenit fazasiga qayta o'zgarishi SMA simining harorati (T) stress bilan to'g'rilangan ostenit yadrosi harorati (\(A_s ^ {\ prime} \)) dan o'tganda boshlanadi.Ushbu bosqichda SMA simi siqiladi va aktuator kuch hosil qiladi.Shuningdek, sovutish paytida, SMA simining harorati (T) stress bilan o'zgartirilgan martensit fazasining yadrolanish haroratini kesib o'tganda (\(M_s^{\prime}\)) ostenit fazasidan martensit fazasiga ijobiy o'tish sodir bo'ladi.harakatlantiruvchi kuch kamayadi.
SMA asosidagi bimodal haydovchining asosiy sifat jihatlarini simulyatsiya natijalaridan olish mumkin.Kuchlanish impulsi kiritilganda, SMA simining harorati Joule isitish effekti tufayli ortadi.Martensit hajm ulushining boshlang'ich qiymati (\(\xi\)) 1 ga o'rnatiladi, chunki material dastlab to'liq martenzitik fazada.Simning qizishi davom etar ekan, SMA simining harorati stress bilan to'g'rilangan ostenit yadrosi harorati \(A_s^{\prime}\) dan oshib ketadi, natijada 4c-rasmda ko'rsatilganidek, martensit hajm ulushi kamayadi.Bundan tashqari, rasmda.4e da aktuatorning zarbalarining vaqt bo'yicha taqsimlanishi ko'rsatilgan va shakl.5 – vaqt funksiyasi sifatida harakatlantiruvchi kuch.Tenglamalar tizimi haroratni, martensit hajmining ulushini va simda paydo bo'ladigan kuchlanishni o'z ichiga oladi, bu esa SMA simining qisqarishiga va aktuator tomonidan ishlab chiqarilgan kuchga olib keladi.Shaklda ko'rsatilganidek.4d,f, harorat bilan kuchlanishning o'zgarishi va martensit hajmining ulushi harorat bilan o'zgarishi 7 V da simulyatsiya qilingan holatda SMA ning histerezis xususiyatlariga mos keladi.
Haydash parametrlarini taqqoslash tajribalar va analitik hisoblar orqali olingan.Simlar 10 soniya davomida 7 V impulsli kirish kuchlanishiga duchor bo'ldi, so'ngra ikki davr mobaynida 15 soniya davomida sovutildi (sovutish bosqichi).Pinnate burchagi \(40^{\circ}\) ga o'rnatiladi va har bir pin oyog'idagi SMA simining boshlang'ich uzunligi 83 mm ga o'rnatiladi.(a) Yuk xujayrasi bilan harakatlantiruvchi kuchni o'lchash (b) Termal infraqizil kamera bilan sim haroratini kuzatish.
Jismoniy parametrlarning haydovchi tomonidan ishlab chiqarilgan kuchga ta'sirini tushunish uchun matematik modelning tanlangan jismoniy parametrlarga sezgirligi tahlili o'tkazildi va parametrlar ularning ta'siriga qarab tartiblashtirildi.Birinchidan, model parametrlarining namunasi bir xil taqsimotga rioya qilgan holda eksperimental dizayn tamoyillari yordamida amalga oshirildi (Sezuvchanlik tahlili bo'yicha qo'shimcha bo'limga qarang).Bunday holda, model parametrlariga kirish kuchlanishi (\(V_{in}\)), boshlang'ich SMA sim uzunligi (\(l_0\)), uchburchak burchagi (\(\alfa\)), egilish kamon doimiysi (\( K_x\ )), konvektiv issiqlik uzatish koeffitsienti (\(h_T\)) va unimodal tarmoqlar soni (n).Keyingi bosqichda, eng yuqori mushak kuchi tadqiqot dizayni talabi sifatida tanlandi va har bir o'zgaruvchi to'plamining kuchga parametrik ta'siri olindi.Sezuvchanlikni tahlil qilish uchun tornado chizmalari 6a-rasmda ko'rsatilganidek, har bir parametr uchun korrelyatsiya koeffitsientlaridan olingan.
(a) Model parametrlarining korrelyatsiya koeffitsienti qiymatlari va ularning yuqoridagi model parametrlarining 2500 noyob guruhining maksimal chiqish kuchiga ta'siri tornado syujetida ko'rsatilgan.Grafikda bir nechta ko'rsatkichlarning darajali korrelyatsiyasi ko'rsatilgan.Ko'rinib turibdiki, \(V_{in}\) musbat korrelyatsiyaga ega bo'lgan yagona parametr, \(l_0\) esa eng yuqori salbiy korrelyatsiyaga ega parametrdir.Har xil kombinatsiyalardagi turli parametrlarning eng yuqori mushak kuchiga ta'siri (b, c) da ko'rsatilgan.\(K_x\) 400 dan 800 N/m gacha va n 4 dan 24 gacha. Kuchlanish (\(V_{in}\)) 4V dan 10V ga, sim uzunligi (\(l_{0 } \)) 40 dan 100 mm ga oʻzgartirildi va quyruq burchagi (\) (\alp \ 6 dan \) (\alp \ ci \ 6 dan \) \).
Shaklda.6a har bir parametr uchun eng yuqori qo'zg'alish kuchi dizayn talablari bilan turli korrelyatsiya koeffitsientlarining tornado syujetini ko'rsatadi.Anjirdan.6a dan ko'rinib turibdiki, kuchlanish parametri (\(V_{in}\)) to'g'ridan-to'g'ri maksimal chiqish kuchiga bog'liq va konvektiv issiqlik uzatish koeffitsienti (\(h_T\)), olov burchagi (\ ( \alpha\)), siljish kamon doimiysi ( \(K_x\)) chiqish kuchi bilan salbiy bog'liqdir va boshlang'ich uzunligi (\) MA ni ko'rsatadi (\) va simning boshlang'ich raqami (\) va uni ko'rsatadi. kuchli teskari korrelyatsiya To'g'ridan-to'g'ri korrelyatsiya holatida kuchlanish korrelyatsiya koeffitsientining yuqori qiymati (\(V_ {in}\)) bo'lsa, bu parametr quvvat chiqishiga eng katta ta'sir ko'rsatadi.Boshqa shunga o'xshash tahlil 6b, s-rasmda ko'rsatilganidek, ikkita hisoblash maydonining turli kombinatsiyalarida turli parametrlarning ta'sirini baholash orqali eng yuqori kuchni o'lchaydi.\(V_{in}\) va \(l_0\), \(\alpha\) va \(l_0\) oʻxshash naqshlarga ega va grafik \(V_{in}\) va \(\alpha\ ) va \(\alpha\) oʻxshash naqshlarga ega ekanligini koʻrsatadi.\(l_0\) ning kichikroq qiymatlari yuqori tepalik kuchlariga olib keladi.Boshqa ikkita chizma 6a-rasmga mos keladi, bu erda n va \(K_x\) manfiy korrelyatsiya va \(V_{in}\) musbat korrelyatsiya qilinadi.Ushbu tahlil qo'zg'aysan tizimining chiqish quvvati, zarbasi va samaradorligi talablarga va qo'llanilishiga moslashtirilishi mumkin bo'lgan ta'sir qiluvchi parametrlarni aniqlash va sozlashga yordam beradi.
Hozirgi tadqiqot ishlari N darajali ierarxik drayverlarni joriy qiladi va tekshiradi.Ikki darajali ierarxiyada, 7a-rasmda ko'rsatilganidek, birinchi darajali aktuatorning har bir SMA simi o'rniga, shaklda ko'rsatilganidek, bimodal tartibga erishiladi.9e.Shaklda.7c SMA simining faqat uzunlamasına yo'nalishda harakatlanadigan harakatlanuvchi qo'l (yordamchi qo'l) atrofida qanday o'ralganligini ko'rsatadi.Biroq, birlamchi harakatlanuvchi qo'l 1-bosqich ko'p bosqichli aktuatorning harakatlanuvchi qo'li bilan bir xil tarzda harakat qilishda davom etadi.Odatda, N-bosqichli haydovchi \(N-1\) bosqichli SMA simini birinchi bosqichli haydovchiga almashtirish orqali yaratiladi.Natijada, har bir filial simni o'zi ushlab turadigan filialdan tashqari, birinchi bosqichli haydovchiga taqlid qiladi.Shu tarzda, birlamchi qo'zg'alishlarning kuchlaridan bir necha barobar ko'p kuchlarni yaratadigan ichki o'rnatilgan tuzilmalar shakllanishi mumkin.Ushbu tadqiqotda, har bir daraja uchun, 7d-rasmda jadval shaklida ko'rsatilgandek, umumiy samarali SMA sim uzunligi 1 m hisobga olindi.Har bir unimodal dizayndagi har bir simdan o'tadigan oqim va har bir SMA sim segmentidagi oldingi kuchlanish va kuchlanish har bir darajada bir xil bo'ladi.Bizning analitik modelimizga ko'ra, chiqish quvvati daraja bilan ijobiy bog'liq, siljish esa salbiy bog'liqdir.Shu bilan birga, joy almashish va mushaklarning kuchi o'rtasida o'zaro kelishuv mavjud edi.Shaklda ko'rsatilganidek.7b, eng ko'p sonli qatlamlarda maksimal kuchga erishilganda, eng katta siljish eng pastki qatlamda kuzatiladi.Ierarxiya darajasi \(N=5\) ga o'rnatilganda, 2 ta kuzatilgan zarba \(\upmu\)m bilan 2,58 kN maksimal mushak kuchi topildi.Boshqa tomondan, birinchi bosqichli haydovchi 277 \(\upmu\) m zarbada 150 N kuch hosil qiladi.Ko'p darajali aktuatorlar haqiqiy biologik mushaklarni taqlid qilishga qodir, bu erda shakl xotirasi qotishmalariga asoslangan sun'iy mushaklar aniq va nozik harakatlar bilan sezilarli darajada yuqori kuchlarni yaratishga qodir.Ushbu miniatyuralashtirilgan dizaynning cheklovlari shundaki, ierarxiya oshgani sayin, harakat sezilarli darajada kamayadi va haydovchi ishlab chiqarish jarayonining murakkabligi ortadi.
(a) Ikki bosqichli (\(N=2\)) qatlamli shaklli xotira qotishma chiziqli aktuator tizimi bimodal konfiguratsiyada ko'rsatilgan.Taklif etilgan modelga birinchi bosqichli qatlamli aktuatordagi SMA simini boshqa bir bosqichli qatlamli aktuator bilan almashtirish orqali erishiladi.(c) Ikkinchi bosqichli ko'p qatlamli aktuatorning deformatsiyalangan konfiguratsiyasi.b) darajalar soniga qarab kuchlar va siljishlarning taqsimlanishi tasvirlangan.Ma'lum bo'lishicha, qo'zg'atuvchining eng yuqori kuchi grafikdagi shkala darajasi bilan ijobiy bog'liq, zarba esa shkala darajasi bilan salbiy bog'liqdir.Har bir simdagi oqim va oldingi kuchlanish barcha darajalarda doimiy bo'lib qoladi.(d) Jadvalda har bir darajadagi kranlar soni va SMA simining (tola) uzunligi ko'rsatilgan.Simlarning xarakteristikalari indeks 1 bilan ko'rsatilgan va ikkilamchi novdalar soni (birlamchi oyoqqa ulangan) pastki chiziqdagi eng katta raqam bilan ko'rsatilgan.Masalan, 5-darajada \(n_1\) har bir bimodal tuzilmada mavjud bo'lgan SMA simlari sonini, \(n_5\) esa yordamchi oyoqlar sonini bildiradi (biri asosiy oyoqqa ulangan).
Ko'pgina tadqiqotchilar tomonidan shakl xotirasi bilan SMA xatti-harakatlarini modellashtirish uchun turli xil usullar taklif qilingan, bu fazalar o'tishi bilan bog'liq bo'lgan kristal tuzilishidagi makroskopik o'zgarishlarga hamroh bo'lgan termomekanik xususiyatlarga bog'liq.Konstitutsiyaviy usullarni shakllantirish tabiatan murakkabdir.Eng ko'p ishlatiladigan fenomenologik model Tanaka28 tomonidan taklif qilingan va muhandislik dasturlarida keng qo'llaniladi.Tanaka [28] tomonidan taklif qilingan fenomenologik model martensitning hajm ulushini harorat va stressning eksponensial funksiyasi deb hisoblaydi.Keyinchalik, Liang va Rogers29 va Brinson30 modelni taklif qildilar, unda fazaga o'tish dinamikasi kuchlanish va haroratning kosinus funktsiyasi sifatida qabul qilingan va modelga ozgina o'zgartirishlar kiritilgan.Bekker va Brinson o'zboshimchalik bilan yuklash sharoitida va qisman o'tishlarda SMA materiallarining xatti-harakatlarini modellashtirish uchun fazaviy diagrammaga asoslangan kinetik modelni taklif qildilar.Banerjee32 Bekker va Brinson31 faza diagrammasi dinamikasi usulidan Elahinia va Ahmadian33 tomonidan ishlab chiqilgan erkinlik manipulyatorining yagona darajasiga taqlid qilish uchun foydalanadi.Harorat bilan kuchlanishning monoton bo'lmagan o'zgarishini hisobga oladigan fazali diagrammalarga asoslangan kinetik usullarni muhandislik dasturlarida qo'llash qiyin.Elaxinia va Ahmadian mavjud fenomenologik modellarning ushbu kamchiliklariga e'tibor qaratishadi va har qanday murakkab yuklash sharoitida shakl xotirasi xatti-harakatlarini tahlil qilish va aniqlash uchun kengaytirilgan fenomenologik modelni taklif qilishadi.
SMA simining strukturaviy modeli SMA simining kuchlanishini (\(\ sigma\)), deformatsiyani (\(\epsilon\)), haroratni (T) va martensit hajm ulushini (\(\xi\)) beradi.Fenomenologik konstitutsiyaviy model dastlab Tanaka28 tomonidan taklif qilingan va keyinchalik Liang29 va Brinson30 tomonidan qabul qilingan.Tenglamaning hosilasi quyidagi ko'rinishga ega:
Bu erda E - fazaga bog'liq bo'lgan SMA Young moduli \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) va \(E_A\) va \(E_M\) yordamida olingan Young moduli mos ravishda ostenitik va martenzitik fazalardir va koeffitsienti \_\T bilan ifodalanadi.Fazali o'tish hissasi koeffitsienti \(\Omega = -E \epsilon _L\) va \(\epsilon _L\) SMA simidagi maksimal tiklanadigan kuchlanishdir.
Faza dinamikasi tenglamasi Tanaka28 tomonidan taklif qilingan eksponensial funktsiya o'rniga Liang29 tomonidan ishlab chiqilgan va keyinchalik Brinson30 tomonidan qabul qilingan kosinus funktsiyasi bilan mos keladi.Fazali o'tish modeli Elaxinia va Ahmadian34 tomonidan taklif qilingan va Liang29 va Brinson30 tomonidan berilgan fazaga o'tish shartlari asosida o'zgartirilgan modelning kengaytmasidir.Ushbu fazali o'tish modeli uchun qo'llaniladigan shartlar murakkab termomexanik yuklarda amal qiladi.Vaqtning har bir momentida konstitutsiyaviy tenglamani modellashtirishda martensitning hajm ulushining qiymati hisoblanadi.
Isitish sharoitida martensitning ostenitga aylanishi bilan ifodalangan boshqaruvchi qayta transformatsiya tenglamasi quyidagicha:
Bu erda \(\xi\) - martensitning hajm ulushi, \(\xi _M\) - isitishdan oldin olingan martensitning hajm ulushi, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) va \(C_A_A/C_A\) va \(C_A\) - sim (C_A\) - sim (C_A\) - sim (C_A\) \As - isitishdan oldin olingan hajm ulushi. \(A_f\) - mos ravishda ostenit fazasining boshlanishi va oxiri, harorat.
Sovutish sharoitida ostenitning martensitga fazali o'zgarishi bilan ifodalanadigan to'g'ridan-to'g'ri transformatsiyani boshqarish tenglamasi:
Bu erda \ (\ xi _A \) - sovutishdan oldin olingan martensitning hajm ulushi, \ (\ displaystyle a_M = \ pi / (M_s - M_f) \), \ (\ displaystyle b_M = -a_M/C_M\) va \ ( C_M \) - egri o'rnatish parametrlari, T - SMA simlarining dastlabki harorati va mart _ , \ (M) va ly.
(3) va (4) tenglamalar differentsiallangandan so'ng, teskari va to'g'ridan-to'g'ri o'zgartirish tenglamalari quyidagi ko'rinishga soddalashtiriladi:
Oldinga va orqaga o'tkazishda \(\eta _{\sigma}\) va \(\eta _{T}\) turli qiymatlarni oladi.\(\eta _{\sigma}\) va \(\eta _{T}\) bilan bogʻliq asosiy tenglamalar olingan va qoʻshimcha boʻlimda batafsil muhokama qilingan.
SMA simining haroratini oshirish uchun zarur bo'lgan issiqlik energiyasi Joule isitish effektidan kelib chiqadi.SMA simi tomonidan so'rilgan yoki chiqarilgan issiqlik energiyasi yashirin transformatsiya issiqligi bilan ifodalanadi.SMA simidagi issiqlik yo'qotilishi majburiy konvektsiya tufayli yuzaga keladi va nurlanishning ahamiyatsiz ta'sirini hisobga olgan holda, issiqlik energiyasi balansi tenglamasi quyidagicha:
Bu erda \(m_{sim}\) - SMA simining umumiy massasi, \(c_{p}\) - SMA ning solishtirma issiqlik sig'imi, \(V_{in}\) - simga qo'llaniladigan kuchlanish, \(R_{ohm} \ ) - fazaga bog'liq qarshilik SMA, quyidagicha aniqlanadi;\(R_{ohm} = (l/A_{xoch})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) bu yerda \(r_M\ ) va \(r_A\) mos ravishda martensit va ostenitdagi SMA faza qarshiligi, \(A_{c}\) simning sirt maydoni, xotirasi S. a barcha \\el S.Simning yashirin o'tish issiqligi, T va \(T_{\infty}\) mos ravishda SMA simi va atrof-muhit haroratidir.
Shakl xotirasi qotishma simi ishga tushirilganda, sim siqilib, bimodal dizaynning har bir tarmog'ida tola kuchi deb ataladigan kuch hosil qiladi.SMA simining har bir ipidagi tolalarning kuchlari birgalikda 9e-rasmda ko'rsatilganidek, harakatga keltirish uchun mushak kuchini yaratadi.Yo'naltiruvchi prujinaning mavjudligi tufayli N-ko'p qatlamli aktuatorning umumiy mushak kuchi:
(7) tenglamaga \(N = 1\) ni qo‘yib, birinchi bosqichli bimodal haydovchi prototipining mushaklar kuchini quyidagicha olish mumkin:
Bu erda n - unimodal oyoqlar soni, \(F_m\) haydovchi tomonidan hosil qilingan mushak kuchi, \(F_f\) - SMA simidagi tola kuchi, \(K_x\) - egilishning qattiqligi.bahor, \(\alfa\) - uchburchakning burchagi, \(x_0\) - SMA kabelini oldindan tortilgan holatda ushlab turish uchun egilish kamonining dastlabki ofseti va \(\Delta x\) - aktuator harakati.
N-bosqichning SMA simidagi kuchlanish (\(\sigma\)) va kuchlanish (\(\epsilon\)) ga qarab haydovchining (\(\Delta x\)) umumiy siljishi yoki harakati (\(\Delta x\)) ga o'rnatiladi (chiqishning qo'shimcha qismiga qarang):
Kinematik tenglamalar qo'zg'alish deformatsiyasi (\(\epsilon\)) va siljish yoki siljish (\(\Delta x\)) o'rtasidagi munosabatni beradi.Arb simining boshlang'ich Arb sim uzunligi (\(l_0\)) va sim uzunligi (l) ga bog'liq bo'lgan har qanday vaqtda t bitta unimodal tarmoqdagi deformatsiyasi quyidagicha:
Bu erda \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) 8-rasmda ko'rsatilganidek, \(\Delta\)ABB ' da kosinus formulasini qo'llash orqali olinadi. Birinchi bosqichli disk uchun (\)(N) x \(1\) _ ta x\el \(1\) _ bo'ladi. ), va \(\alpha _1\) 8-rasmda ko'rsatilganidek, vaqtni (11) tenglamadan farqlash va l qiymatini o'rniga qo'yish orqali deformatsiya tezligini quyidagicha yozish mumkin:
Bu erda \(l_0\) - SMA simining boshlang'ich uzunligi, l - bitta unimodal tarmoqdagi istalgan vaqtda t simning uzunligi, \(\epsilon\) - SMA simida ishlab chiqilgan deformatsiya va \(\alfa \) - uchburchakning burchagi , \(\Delta x\) - qo'zg'alish siljishi (8-rasmda ko'rsatilganidek).
Barcha n ta bitta tepalikli tuzilmalar (bu rasmda \(n=6\)) kirish kuchlanishi sifatida \(V_{in}\) bilan ketma-ket ulangan.I bosqich: nol kuchlanish sharoitida bimodal konfiguratsiyadagi SMA simining sxematik diagrammasi II bosqich: qizil chiziq bilan ko'rsatilganidek, SMA simining teskari konvertatsiya tufayli siqilganligi sababli boshqariladigan struktura ko'rsatilgan.
Kontseptsiyaning isboti sifatida eksperimental natijalar bilan asosiy tenglamalarning simulyatsiya qilingan hosilasini sinab ko'rish uchun SMA-ga asoslangan bimodal haydovchi ishlab chiqilgan.Bimodal chiziqli aktuatorning SAPR modeli rasmda ko'rsatilgan.9a.Boshqa tomondan, rasmda.9c bimodal tuzilishga ega ikki tekislikli SMA asosidagi aktuator yordamida aylanma prizmatik ulanish uchun taklif qilingan yangi dizaynni ko'rsatadi.Drayv komponentlari Ultimaker 3 Extended 3D printerida qo'shimcha ishlab chiqarish yordamida ishlab chiqarilgan.Komponentlarni 3D bosib chiqarish uchun ishlatiladigan material polikarbonat bo'lib, issiqlikka chidamli materiallarga mos keladi, chunki u kuchli, bardoshli va yuqori shisha o'tish haroratiga ega (110-113 \(^{\circ }\) C).Bundan tashqari, tajribalarda Dynalloy, Inc. Flexinol shakli xotirasi qotishma simidan foydalanilgan va simulyatsiyalarda Flexinol simiga mos keladigan moddiy xususiyatlar ishlatilgan.Bir nechta SMA simlari 9b, d-rasmda ko'rsatilganidek, ko'p qatlamli aktuatorlar tomonidan ishlab chiqarilgan yuqori kuchlarni olish uchun mushaklarning bimodal joylashuvida mavjud bo'lgan tolalar sifatida joylashtirilgan.
9a-rasmda ko'rsatilganidek, harakatlanuvchi qo'l SMA simidan hosil bo'lgan o'tkir burchak burchak (\(\alfa\)) deb ataladi.Chap va o'ng qisqichlarga biriktirilgan terminal qisqichlari bilan SMA simi kerakli bimodal burchak ostida ushlab turiladi.Bahor konnektorida ushlab turiladigan kamonli kamon moslamasi SMA tolalari soniga (n) ko'ra turli burchakli kamon uzatma guruhlarini sozlash uchun mo'ljallangan.Bundan tashqari, harakatlanuvchi qismlarning joylashuvi SMA simini majburiy konveksiya sovutish uchun tashqi muhitga ta'sir qilish uchun mo'ljallangan.Olib olinadigan yig'ilishning yuqori va pastki plitalari SMA simini og'irlikni kamaytirish uchun mo'ljallangan ekstrudirovka qilingan kesiklar bilan salqin saqlashga yordam beradi.Bunga qo'shimcha ravishda, CMA simining ikkala uchi mos ravishda chap va o'ng terminallarga qisqich yordamida o'rnatiladi.Yuqori va pastki plitalar orasidagi bo'shliqni saqlash uchun harakatlanuvchi yig'ilishning bir uchiga piston biriktirilgan.Piston, shuningdek, SMA simi ishga tushirilganda blokirovka kuchini o'lchash uchun kontakt orqali sensorga blokirovkalash kuchini qo'llash uchun ham ishlatiladi.
Bimodal mushak strukturasi SMA elektr bilan ketma-ket ulangan va kirish impulsi kuchlanishidan quvvatlanadi.Kuchlanish impulsi davrida, kuchlanish qo'llanilganda va SMA simi ostenitning boshlang'ich haroratidan yuqori qizdirilganda, har bir ipdagi simning uzunligi qisqartiriladi.Ushbu orqaga tortish harakatlanuvchi qo'lning kichik moslamasini faollashtiradi.Xuddi shu tsiklda kuchlanish nolga tenglashtirilganda, qizdirilgan SMA simi martensit sirtining harorati ostida sovutildi va shu bilan asl holatiga qaytdi.Nolinchi kuchlanish sharoitida SMA simi aniqlangan martensitik holatga erishish uchun birinchi navbatda egilish prujinasi tomonidan passiv ravishda cho'ziladi.SMA simi o'tadigan vint, SMA simiga kuchlanish impulsini qo'llash natijasida hosil bo'lgan siqilish tufayli harakatlanadi (SPA ostenit fazasiga etadi), bu esa harakatlanuvchi tutqichni ishga tushirishga olib keladi.SMA simi tortilganda, egilgan kamon bahorni yanada cho'zish orqali qarama-qarshi kuch hosil qiladi.Impuls kuchlanishidagi kuchlanish nolga tenglashganda, SMA simi uzayadi va majburiy konveksiya sovutish tufayli shaklini o'zgartiradi va ikki marta martenzitik fazaga etadi.
Taklif etilayotgan SMA-ga asoslangan chiziqli aktuator tizimi bimodal konfiguratsiyaga ega, unda SMA simlari burchakli.(a) prototipning ba'zi komponentlari va ularning ma'nolari eslatib o'tilgan prototipning SAPR modeli tasvirlangan, (b, d) ishlab chiqilgan eksperimental prototipni ifodalaydi35.(b) prototipning yuqoridan ko'rinishini elektr ulanishlari va egilish buloqlari va ishlatilgan deformatsiya o'lchagichlari bilan ko'rsatsa, (d) o'rnatishning istiqbolli ko'rinishini ko'rsatadi.(e) Istalgan vaqtda t bimodal tarzda joylashtirilgan SMA simlari bilan chiziqli ishga tushirish tizimining diagrammasi, tolalar va mushaklarning kuchining yo'nalishi va yo'nalishini ko'rsatadi.(c) Ikki tekislikli SMA-ga asoslangan aktuatorni joylashtirish uchun 2-DOF aylanadigan prizmatik ulanish taklif qilingan.Ko'rsatilgandek, bog'lanish chiziqli harakatni pastki haydovchidan yuqori qo'lga o'tkazib, aylanish aloqasini yaratadi.Boshqa tomondan, juft prizmalarning harakati ko'p qatlamli birinchi bosqichli haydovchining harakati bilan bir xil.
SMA asosidagi bimodal haydovchining ishlashini baholash uchun 9b-rasmda ko'rsatilgan prototipda eksperimental tadqiqot o'tkazildi.10a-rasmda ko'rsatilganidek, eksperimental o'rnatish SMA simlariga kirish kuchlanishini ta'minlash uchun dasturlashtiriladigan doimiy quvvat manbaidan iborat edi.Shaklda ko'rsatilganidek.10b da, Graphtec GL-2000 ma'lumotlar jurnali yordamida blokirovka kuchini o'lchash uchun piezoelektrik shtammometr (PACEline CFT/5kN) ishlatilgan.Ma'lumotlar uy egasi tomonidan keyingi o'rganish uchun yozib olinadi.Deformatsiya o'lchagichlar va zaryad kuchaytirgichlari kuchlanish signalini ishlab chiqarish uchun doimiy quvvat manbaini talab qiladi.Tegishli signallar 2-jadvalda ko'rsatilganidek, piezoelektrik kuch sensori sezgirligi va boshqa parametrlarga muvofiq quvvat chiqishiga aylantiriladi. Voltaj impulsi qo'llanilganda, SMA simining harorati oshib, SMA simining siqilishiga olib keladi, bu esa aktuatorning kuch hosil bo'lishiga olib keladi.7 V kuchlanishli kirish impulsi bilan mushak kuchini chiqarishning eksperimental natijalari shaklda ko'rsatilgan.2a.
(a) Eksperimentda aktuator tomonidan ishlab chiqarilgan kuchni o'lchash uchun SMA asosidagi chiziqli aktuator tizimi o'rnatildi.Yuk xujayrasi blokirovka kuchini o'lchaydi va 24 V doimiy quvvat manbai bilan quvvatlanadi.GW Instek programlanadigan shahar quvvat manbai yordamida kabelning butun uzunligi bo'ylab 7 V kuchlanish pasayishi qo'llanildi.SMA simi issiqlik tufayli qisqaradi va harakatlanuvchi qo'l yuk xujayrasi bilan aloqa qiladi va blokirovka qiluvchi kuchni ta'minlaydi.Yuklash xujayrasi GL-2000 ma'lumotlar jurnaliga ulangan va ma'lumotlar keyingi qayta ishlash uchun xostda saqlanadi.(b) Mushak kuchini o'lchash uchun eksperimental qurilmaning tarkibiy qismlari zanjiri ko'rsatilgan diagramma.
Shakl xotirasi qotishmalari issiqlik energiyasidan hayajonlanadi, shuning uchun harorat shakl xotirasi fenomenini o'rganish uchun muhim parametrga aylanadi.Eksperimental tarzda, 11a-rasmda ko'rsatilganidek, SMA asosidagi divalerat aktuator prototipida termal tasvir va harorat o'lchovlari amalga oshirildi.11b-rasmda ko'rsatilganidek, dasturlashtiriladigan doimiy manba eksperimental o'rnatishda SMA simlariga kirish kuchlanishini qo'lladi.SMA simining harorat o'zgarishi yuqori aniqlikdagi LWIR kamerasi (FLIR A655sc) yordamida real vaqtda o'lchandi.Xost keyingi qayta ishlash uchun ma'lumotlarni yozib olish uchun ResearchIR dasturidan foydalanadi.Kuchlanish impulsi qo'llanilganda, SMA simining harorati ko'tarilib, SMA simining qisqarishiga olib keladi.Shaklda.2b-rasmda SMA simi haroratining 7V kirish kuchlanish pulsi uchun vaqtga nisbatan eksperimental natijalari ko'rsatilgan.
Yuborilgan vaqt: 28-sentabr-2022