شكرًا لزيارتكم موقع Nature.com. إصدار المتصفح الذي تستخدمونه يدعم CSS بشكل محدود. للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح مُحدّث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer). في هذه الأثناء، ولضمان استمرار الدعم، سنُقدّم الموقع بدون أنماط أو JavaScript.
تُستخدم المحركات في كل مكان، وتُنشئ حركة مُتحكَّم بها بتطبيق قوة الإثارة أو عزم الدوران المناسبين لأداء عمليات مُختلفة في التصنيع والأتمتة الصناعية. تُحفِّز الحاجة إلى محركات أسرع وأصغر وأكثر كفاءة الابتكار في تصميم المحركات. تُوفِّر محركات سبائك الذاكرة الشكلية (SMA) عددًا من المزايا مقارنةً بالمحركات التقليدية، بما في ذلك نسبة عالية من القدرة إلى الوزن. في هذه الأطروحة، طُوِّر مُشغِّل ثنائي الريش قائم على سبائك الذاكرة الشكلية، يجمع بين مزايا العضلات الريشية للأنظمة البيولوجية والخصائص الفريدة لسبائك الذاكرة الشكلية. تستكشف هذه الدراسة وتُوسِّع نطاق مُشغِّلات سبائك الذاكرة الشكلية السابقة من خلال تطوير نموذج رياضي للمُشغِّل الجديد قائم على ترتيب أسلاك سبائك الذاكرة الشكلية ثنائي الوضع واختباره تجريبيًا. بالمقارنة مع المحركات المعروفة القائمة على سبائك الذاكرة الشكلية، فإن قوة تشغيل المحرك الجديد أعلى بخمس مرات على الأقل (حتى 150 نيوتن). ويبلغ فقدان الوزن المُقابل حوالي 67%. تُفيد نتائج تحليل حساسية النماذج الرياضية في ضبط مُعاملات التصميم وفهم المُعاملات الرئيسية. تقدم هذه الدراسة أيضًا محركًا متعدد المستويات من المرحلة N، يمكن استخدامه لتحسين الديناميكيات بشكل أكبر. تتميز محركات العضلات ثنائية الفالرات القائمة على SMA بمجموعة واسعة من التطبيقات، بدءًا من أتمتة المباني ووصولًا إلى أنظمة توصيل الأدوية الدقيقة.
يمكن للأنظمة البيولوجية، مثل البنى العضلية للثدييات، تنشيط العديد من المحركات الدقيقة1. تمتلك الثدييات بنى عضلية مختلفة، كل منها يخدم غرضًا محددًا. ومع ذلك، يمكن تقسيم معظم بنية أنسجة العضلات الثديية إلى فئتين عريضتين: متوازية وريشية. في أوتار الركبة والعضلات المثنية الأخرى، كما يوحي الاسم، تحتوي العضلات المتوازية على ألياف عضلية موازية للوتر المركزي. تصطف سلسلة ألياف العضلات وتتصل وظيفيًا بواسطة النسيج الضام المحيط بها. على الرغم من أن هذه العضلات يُقال إنها تتمتع برحلة كبيرة (نسبة تقصير)، إلا أن قوتها العضلية الإجمالية محدودة للغاية. على النقيض من ذلك، في عضلة الساق ثلاثية الرؤوس2 (عضلة الساق الجانبية (GL)3، وعضلة الساق الإنسية (GM)4 وعضلة باطن القدم (SOL)) وعضلة الفخذ الباسطة (رباعية الرؤوس)5،6، يوجد نسيج عضلي ريشي في كل عضلة7. في البنية الريشية، توجد ألياف العضلات في الجهاز العضلي ثنائي الريش على جانبي الوتر المركزي بزوايا مائلة (زوايا ريشية). كلمة "ريشة" مشتقة من الكلمة اللاتينية "penna" وتعني "قلم"، وكما هو موضح في الشكل 1، لها مظهر يشبه الريشة. ألياف العضلات الريشية أقصر وتميل بزاوية مع المحور الطولي للعضلة. وبسبب البنية الريشية، تقل الحركة الكلية لهذه العضلات، مما يؤدي إلى تقصيرها بشكل عرضي وطولي. من ناحية أخرى، يؤدي تنشيط هذه العضلات إلى زيادة القوة الكلية للعضلات بفضل طريقة قياس مساحة المقطع العرضي الفسيولوجية. لذلك، بالنسبة لمساحة مقطع عرضي معينة، تكون العضلات الريشية أقوى وتولد قوى أعلى من العضلات ذات الألياف المتوازية. تولد القوى الناتجة عن الألياف الفردية قوى عضلية على المستوى العياني في تلك الأنسجة العضلية. بالإضافة إلى ذلك، تتميز بخصائص فريدة مثل الانكماش السريع، والحماية من التلف الناتج عن الشد، والتبطين. يقوم بتحويل العلاقة بين مدخلات الألياف ومخرجات قوة العضلات من خلال استغلال الميزات الفريدة والتعقيد الهندسي لترتيب الألياف المرتبط بخطوط عمل العضلات.
تظهر هنا مخططات تخطيطية لتصاميم مشغلات قائمة على SMA، وذلك فيما يتعلق ببنية عضلية ثنائية النمط، على سبيل المثال (أ)، الذي يُمثل تفاعل القوة اللمسية حيث يُركّب جهاز على شكل يد، يُشغّل بأسلاك SMA، على روبوت متحرك ذاتي الحركة بعجلتين9،10. (ب) طرف اصطناعي مداري روبوتي مع طرف اصطناعي مداري محمل بنابض SMA موضوع بشكل معاكس. يتم التحكم في موضع العين الاصطناعية بواسطة إشارة من عضلة العين11. (ج) تُعد مشغلات SMA مثالية للتطبيقات تحت الماء نظرًا لاستجابتها عالية التردد ونطاقها الترددي المنخفض. في هذا التكوين، يتم استخدام محركات SMA لإنشاء حركة موجية من خلال محاكاة حركة الأسماك، (د) يتم استخدام محركات SMA لإنشاء روبوت فحص الأنابيب الدقيقة الذي يمكنه استخدام مبدأ حركة الدودة البوصة، والذي يتم التحكم فيه من خلال حركة أسلاك SMA داخل القناة 10، (هـ) يوضح اتجاه ألياف العضلات الانقباضية وتوليد القوة الانقباضية في أنسجة عضلة الساق، (و) يوضح أسلاك SMA مرتبة على شكل ألياف عضلية في بنية العضلة الريشية.
أصبحت المحركات جزءًا مهمًا من الأنظمة الميكانيكية نظرًا لتطبيقاتها الواسعة. لذلك، أصبحت الحاجة إلى محركات أصغر وأسرع وأكثر كفاءة أمرًا بالغ الأهمية. على الرغم من مزاياها، فقد أثبتت المحركات التقليدية أنها مكلفة وتستغرق وقتًا طويلاً في صيانتها. المحركات الهيدروليكية والهوائية معقدة ومكلفة، وعرضة للتآكل ومشاكل التزييت وتعطل المكونات. واستجابةً للطلب، ينصب التركيز على تطوير محركات فعالة من حيث التكلفة ومُحسّنة الحجم ومتطورة، قائمة على مواد ذكية. وتبحث الأبحاث الجارية في محركات سبائك الذاكرة الشكلية (SMA) الطبقية لتلبية هذه الحاجة. تتميز المحركات الهرمية بدمجها العديد من المحركات المنفصلة في أنظمة فرعية هندسية معقدة على نطاق واسع، لتوفير وظائف متزايدة وموسعة. وفي هذا الصدد، تُقدم أنسجة العضلات البشرية الموصوفة أعلاه مثالًا ممتازًا متعدد الطبقات لهذا النوع من التشغيل متعدد الطبقات. تصف الدراسة الحالية محرك سبائك الذاكرة الشكلية متعدد المستويات مع عدة عناصر تشغيل فردية (أسلاك SMA) مُحاذاة لاتجاهات الألياف الموجودة في العضلات ثنائية الوضع، مما يُحسّن الأداء العام للمحرك.
الغرض الرئيسي من المُشغِّل هو توليد طاقة ميكانيكية، كالقوة والإزاحة، عن طريق تحويل الطاقة الكهربائية. تُعدّ سبائك الذاكرة الشكلية فئة من المواد "الذكية" التي يمكنها استعادة شكلها عند درجات حرارة عالية. تحت الأحمال العالية، تؤدي زيادة درجة حرارة سلك الذاكرة الشكلية إلى استعادة شكله، مما ينتج عنه كثافة طاقة تشغيل أعلى مقارنةً بمختلف المواد الذكية المُرتبطة مباشرةً. في الوقت نفسه، تُصبح سبائك الذاكرة الشكلية هشة تحت الأحمال الميكانيكية. في ظل ظروف معينة، يمكن للحمل الدوري أن يمتص ويُطلق الطاقة الميكانيكية، مُظهرًا تغيرات شكلية هستيرية عكسية. هذه الخصائص الفريدة تجعل سبائك الذاكرة الشكلية مثاليةً لأجهزة الاستشعار، وتخميد الاهتزازات، وخاصةً للمُشغِّلات. مع وضع ذلك في الاعتبار، أُجريت العديد من الأبحاث حول المحركات القائمة على سبائك الذاكرة الشكلية. تجدر الإشارة إلى أن المُشغِّلات القائمة على سبائك الذاكرة الشكلية مُصممة لتوفير حركة انتقالية ودورانية لمجموعة متنوعة من التطبيقات. على الرغم من تطوير بعض المُشغِّلات الدوارة، إلا أن الباحثين يُولون اهتمامًا خاصًا للمُشغِّلات الخطية. يمكن تقسيم هذه المحركات الخطية إلى ثلاثة أنواع: أحادية البعد، ومحركات إزاحية، وتفاضلية 16. في البداية، صُممت المحركات الهجينة بالاشتراك مع محركات SMA ومحركات تقليدية أخرى. ومن الأمثلة على المحركات الخطية الهجينة القائمة على SMA استخدام سلك SMA مع محرك تيار مستمر لتوفير قوة خرج تبلغ حوالي 100 نيوتن وإزاحة كبيرة 17.
كان محرك SMA المتوازي من أوائل التطورات في مجال المحركات المعتمدة كليًا على SMA. باستخدام أسلاك SMA متعددة، صُمم محرك SMA المتوازي لزيادة قدرة المحرك عن طريق توصيل جميع أسلاك SMA18 بالتوازي. لا يتطلب التوصيل المتوازي للمشغلات طاقة أكبر فحسب، بل يحد أيضًا من طاقة خرج السلك الواحد. ومن عيوب محركات SMA الأخرى محدودية قدرتها على الحركة. لحل هذه المشكلة، تم إنشاء شعاع كابل SMA يحتوي على شعاع مرن منحرف لزيادة الإزاحة وتحقيق حركة خطية، ولكنه لم يُولّد قوى أعلى.19 طُوّرت هياكل وأقمشة مرنة قابلة للتشوه للروبوتات، قائمة على سبائك ذاكرة الشكل، بشكل أساسي لتضخيم الصدمات.20،21،22. للتطبيقات التي تتطلب سرعات عالية، تم الإبلاغ عن مضخات مدمجة تعمل باستخدام SMAs بغشاء رقيق لتطبيقات المضخات الدقيقة.23 يُعد تردد تشغيل غشاء SMA الرقيق عاملاً رئيسيًا في التحكم في سرعة المحرك. لذلك، تتميز محركات SMA الخطية باستجابة ديناميكية أفضل من محركات SMA النابضية أو القضيبية. الروبوتات اللينة وتكنولوجيا الإمساك تطبيقان آخران يستخدمان مشغلات تعتمد على SMA. على سبيل المثال، لاستبدال المشغل القياسي المستخدم في مشبك الفراغ 25 نيوتن، طُوّر مشغل موازٍ من سبيكة ذاكرة الشكل 24. في حالة أخرى، صُنع مشغل مرن من SMA باستخدام سلك مزود بمصفوفة مدمجة قادرة على توليد قوة سحب قصوى تبلغ 30 نيوتن. بفضل خصائصها الميكانيكية، تُستخدم SMA أيضًا لإنتاج مشغلات تحاكي الظواهر البيولوجية. ومن بين هذه التطورات روبوت مكون من 12 خلية يُحاكي كائنًا حيًا يشبه دودة الأرض، مزودًا بـ SMA لتوليد حركة جيبية لإطلاق النار26،27.
كما ذُكر سابقًا، هناك حدٌّ للقوة القصوى التي يُمكن الحصول عليها من المُشغلات القائمة على SMA الحالية. ولمعالجة هذه المُشكلة، تُقدّم هذه الدراسة بنيةً عضليةً ثنائية النمط مُحاكيةً للطبيعة. تُدار بواسطة سلك سبيكة ذاكرة الشكل. تُوفّر هذه الدراسة نظام تصنيف يتضمن العديد من أسلاك سبيكة ذاكرة الشكل. حتى الآن، لم تُبلّغ الدراسات عن مُشغلات قائمة على SMA ببنية مُماثلة. طُوّر هذا النظام الفريد والمُبتكر القائم على SMA لدراسة سلوك SMA أثناء محاذاة العضلات ثنائية النمط. وبالمقارنة مع المُشغلات القائمة على SMA الحالية، كان هدف هذه الدراسة هو إنشاء مُشغل ثنائي فاليرات مُحاكي للطبيعة لتوليد قوى أعلى بكثير في حجم صغير. وبالمقارنة مع مُحركات الدفع التقليدية المُدارة بمحركات السائر المُستخدمة في أنظمة أتمتة وتحكم مُباني التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، يُقلّل تصميم المُحرك ثنائي النمط المُقترح القائم على SMA من وزن آلية الدفع بنسبة 67%. فيما يلي، يُستخدم مصطلحا "العضلة" و"المحرك" بالتبادل. تبحث هذه الدراسة في المحاكاة الفيزيائية المُتعددة لمثل هذا المحرك. تمت دراسة السلوك الميكانيكي لمثل هذه الأنظمة بالطرق التجريبية والتحليلية. تم إجراء مزيد من التحقيق في توزيعات القوة ودرجة الحرارة عند جهد دخل يبلغ 7 فولت. بعد ذلك، تم إجراء تحليل بارامتري لفهم العلاقة بين المعلمات الرئيسية وقوة الخرج بشكل أفضل. وأخيرًا، تم تصور المحركات الهرمية واقتراح تأثيرات المستوى الهرمي كمجال مستقبلي محتمل للمحركات غير المغناطيسية لتطبيقات الأطراف الاصطناعية. وفقًا لنتائج الدراسات المذكورة أعلاه، فإن استخدام بنية أحادية المرحلة ينتج قوى أعلى بما لا يقل عن أربع إلى خمس مرات من المحركات القائمة على SMA المبلغ عنها. بالإضافة إلى ذلك، فقد ثبت أن نفس قوة الدفع الناتجة عن محرك متعدد المستويات متعدد المستويات تزيد عن عشرة أضعاف قوة المحركات التقليدية القائمة على SMA. ثم تبلغ الدراسة عن المعلمات الرئيسية باستخدام تحليل الحساسية بين التصميمات المختلفة ومتغيرات الإدخال. كان للطول الأولي لسلك SMA (\(l_0\)) والزاوية الريشية (\(\alpha\)) وعدد الخيوط المفردة (n) في كل خيط فردي تأثير سلبي قوي على حجم القوة الدافعة. القوة، في حين تبين أن جهد الدخل (الطاقة) مرتبط بشكل إيجابي.
يُظهر سلك SMA تأثير ذاكرة الشكل (SME) الموجود في عائلة سبائك النيكل-التيتانيوم (Ni-Ti). عادةً ما يُظهر SMAs مرحلتين تعتمدان على درجة الحرارة: مرحلة منخفضة الحرارة ومرحلة عالية الحرارة. يتمتع كلا المرحلتين بخصائص فريدة بسبب وجود هياكل بلورية مختلفة. في مرحلة الأوستينيت (مرحلة درجة الحرارة العالية) الموجودة فوق درجة حرارة التحول، تُظهر المادة قوة عالية وتكون ضعيفة التشوه تحت الحمل. يتصرف السبيكة مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، لذا فهي قادرة على تحمل ضغوط تشغيل أعلى. بالاستفادة من هذه الخاصية لسبائك Ni-Ti، تكون أسلاك SMA مائلة لتشكيل مشغل. تم تطوير نماذج تحليلية مناسبة لفهم الميكانيكا الأساسية للسلوك الحراري لـ SMA تحت تأثير معلمات مختلفة وهندسة مختلفة. تم الحصول على توافق جيد بين النتائج التجريبية والتحليلية.
أُجريت دراسة تجريبية على النموذج الأولي الموضح في الشكل 9أ لتقييم أداء محرك ثنائي النمط قائم على SMA. وتم قياس اثنتين من هذه الخصائص، وهما القوة الناتجة عن المحرك (قوة العضلات) ودرجة حرارة سلك SMA (درجة حرارة SMA)، تجريبيًا. ومع زيادة فرق الجهد على طول السلك بالكامل في المحرك، تزداد درجة حرارة السلك بسبب تأثير تسخين جول. وتم تطبيق جهد الدخل في دورتين مدة كل منهما 10 ثوانٍ (كما هو موضح بنقط حمراء في الشكل 2أ، ب) مع فترة تبريد مدتها 15 ثانية بين كل دورة. وتم قياس قوة الحجب باستخدام مقياس إجهاد كهرضغطي، وتمت مراقبة توزيع درجة حرارة سلك SMA في الوقت الفعلي باستخدام كاميرا LWIR عالية الدقة وذات جودة علمية (انظر خصائص المعدات المستخدمة في الجدول 2). ويُظهر أنه خلال مرحلة الجهد العالي، تزداد درجة حرارة السلك بشكل رتيب، ولكن عندما لا يتدفق أي تيار، تستمر درجة حرارة السلك في الانخفاض. في الإعداد التجريبي الحالي، انخفضت درجة حرارة سلك SMA أثناء مرحلة التبريد، لكنها ظلت أعلى من درجة الحرارة المحيطة. يوضح الشكل 2e لقطة سريعة لدرجة الحرارة على سلك SMA مأخوذة من كاميرا LWIR. من ناحية أخرى، يوضح الشكل 2a قوة الحجب الناتجة عن نظام الدفع. عندما تتجاوز قوة العضلات قوة استعادة الزنبرك، يبدأ الذراع المتحرك، كما هو موضح في الشكل 9a، في الحركة. بمجرد بدء التشغيل، يلامس الذراع المتحرك المستشعر، مما يُنشئ قوة جسمية، كما هو موضح في الشكل 2c، d. عندما تكون أقصى درجة حرارة قريبة من \(84\,^{\circ}\hbox {C}\)، تكون أقصى قوة ملحوظة 105 نيوتن.
يوضح الرسم البياني النتائج التجريبية لدرجة حرارة سلك SMA والقوة التي يولدها المحرك ثنائي النمط القائم على SMA خلال دورتين. يتم تطبيق جهد الدخل في دورتين مدة كل منهما 10 ثوانٍ (كما هو موضح بنقط حمراء) مع فترة تبريد مدتها 15 ثانية بين كل دورة. كان سلك SMA المستخدم في التجارب عبارة عن سلك Flexinol بقطر 0.51 مم من Dynalloy، Inc. (أ) يوضح الرسم البياني القوة التجريبية التي تم الحصول عليها على مدار دورتين، (ج، د) يوضح مثالين مستقلين لعمل مشغلات الذراع المتحركة على محول قوة كهرضغطية PACEline CFT/5kN، (ب) يوضح الرسم البياني أقصى درجة حرارة لسلك SMA بالكامل خلال دورتين، (هـ) يوضح لقطة درجة حرارة مأخوذة من سلك SMA باستخدام كاميرا LWIR ببرنامج FLIR ResearchIR. ترد المعلمات الهندسية التي تم أخذها في الاعتبار في التجارب في الجدول الأول.
تمت مقارنة نتائج محاكاة النموذج الرياضي بالنتائج التجريبية عند جهد دخل 7 فولت، كما هو موضح في الشكل 5. ووفقًا لنتائج التحليل البارامتري، ولتجنب احتمالية ارتفاع درجة حرارة سلك SMA، تم تزويد المُشغل بقدرة 11.2 واط. واستُخدم مصدر طاقة تيار مستمر قابل للبرمجة لتوفير 7 فولت كجهد دخل، وقُيس تيار 1.6 أمبير عبر السلك. تزداد القوة الناتجة عن المحرك ودرجة حرارة SDR عند تطبيق التيار. عند جهد دخل 7 فولت، تكون أقصى قوة خرج مُستقاة من نتائج المحاكاة والنتائج التجريبية للدورة الأولى 78 نيوتن و96 نيوتن على التوالي. وفي الدورة الثانية، كانت أقصى قوة خرج لنتائج المحاكاة والنتائج التجريبية 150 نيوتن و105 نيوتن على التوالي. وقد يُعزى التباين بين قياسات قوة الانسداد والبيانات التجريبية إلى الطريقة المُستخدمة لقياس قوة الانسداد. النتائج التجريبية الموضحة في الشكل 1. يتوافق الشكل 5أ مع قياس قوة القفل، والتي تم قياسها بدورها عندما كان عمود الدفع على اتصال بمحول القوة الكهرضغطية PACEline CFT/5kN، كما هو موضح في الشكل 2س. لذلك، عندما لا يكون عمود الدفع على اتصال بمستشعر القوة في بداية منطقة التبريد، تصبح القوة صفرًا على الفور، كما هو موضح في الشكل 2د. بالإضافة إلى ذلك، فإن المعلمات الأخرى التي تؤثر على تكوين القوة في الدورات اللاحقة هي قيم زمن التبريد ومعامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري في الدورة السابقة. من الشكل 2ب، يمكن ملاحظة أنه بعد فترة تبريد مدتها 15 ثانية، يمكن ملاحظة أن سلك SMA لم يصل إلى درجة حرارة الغرفة، وبالتالي كانت درجة حرارته الابتدائية أعلى (40 درجة مئوية) في دورة القيادة الثانية مقارنةً بالدورة الأولى (25 درجة مئوية). وهكذا، مقارنةً بالدورة الأولى، تصل درجة حرارة سلك SMA خلال دورة التسخين الثانية إلى درجة حرارة الأوستينيت الأولية (A_s) أبكر، وتبقى في فترة الانتقال لفترة أطول، مما يُنتج إجهادًا وقوة. من ناحية أخرى، تُشير توزيعات درجات الحرارة خلال دورات التسخين والتبريد، المُستقاة من التجارب والمحاكاة، إلى تشابه نوعي كبير مع أمثلة التحليل الحراري. أظهر التحليل المقارن للبيانات الحرارية لسلك SMA من التجارب والمحاكاة اتساقًا خلال دورات التسخين والتبريد، وضمن الحدود المقبولة للبيانات التجريبية. الحد الأقصى لدرجة حرارة سلك SMA، الذي تم الحصول عليه من نتائج المحاكاة والتجارب الخاصة بالدورة الأولى، هو \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) و\(\,^{\circ }\hbox {C}\, على التوالي)، وفي الدورة الثانية تكون الحد الأقصى لدرجة حرارة سلك SMA هو \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) و\(\,^{\circ }\hbox {C}\). يؤكد النموذج المتطور بشكل أساسي تأثير تأثير ذاكرة الشكل. لم يتم النظر في دور التعب والسخونة الزائدة في هذه المراجعة. في المستقبل، سيتم تحسين النموذج ليشمل تاريخ الإجهاد لسلك SMA، مما يجعله أكثر ملاءمة للتطبيقات الهندسية. تقع قوة خرج المحرك ومخططات درجة حرارة سلك SMA التي تم الحصول عليها من كتلة Simulink ضمن التسامح المسموح به للبيانات التجريبية في حالة نبضة جهد دخل تبلغ 7 فولت. وهذا يؤكد صحة وموثوقية النموذج الرياضي المتطور.
طُوِّر النموذج الرياضي في بيئة MathWorks Simulink R2020b باستخدام المعادلات الأساسية الموضحة في قسم "الطرق". يوضح الشكل 3ب مخططًا كتليًا لنموذج Simulink الرياضي. تمت محاكاة النموذج لنبضة جهد دخل 7 فولت كما هو موضح في الشكلين 2أ، ب. ترد قيم المعاملات المستخدمة في المحاكاة في الجدول 1. تُعرض نتائج محاكاة العمليات العابرة في الشكلين 1 و1. الشكلان 3أ و4. يوضح الشكل 4أ، ب الجهد المستحث في سلك SMA والقوة التي يولدها المحرك كدالة للزمن. أثناء التحويل العكسي (التسخين)، عندما تكون درجة حرارة سلك SMA، \(T < A_s^{\prime}\) (درجة حرارة بداية الطور الأوستينيتي المعدل بالإجهاد)، فإن معدل تغير جزء حجم المارتنسيت (\(\dot{\xi }\)) سيكون صفرًا. أثناء التحويل العكسي (التسخين)، عندما تكون درجة حرارة سلك SMA، \(T < A_s^{\prime}\) (درجة حرارة بداية الطور الأوستينيتي المعدل بالإجهاد)، فإن معدل تغير جزء حجم المارتنسيت (\(\dot{\xi }\)) سيكون صفرًا. خلال فترة التحسين الشامل (الزيادة)، عند ضبط درجة الحرارة SMA، \(T < A_s^{\prime}\) (درجة الحرارة القصوى للطرق الأوستينية، تعديل التخفيض)، مما يجعل التحسين ممتازًا للمارتنسيتا (\(\dot{\ xi }\)) سيكون صحيحًا تمامًا. أثناء التحويل العكسي (التسخين)، عندما تكون درجة حرارة سلك SMA، \(T < A_s^{\prime}\) (درجة حرارة بداية الأوستينيت المعدلة بالإجهاد)، فإن معدل تغير جزء حجم المارتنسيت (\(\dot{\ xi }\)) سيكون صفرًا.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، 将为零.在 反向 转变 (加热) 中، 当 当 当 线 温度 \ (ر
(أ) نتيجة محاكاة تُظهر توزيع درجة الحرارة ودرجة حرارة الوصلة المُستحثة بالإجهاد في مُشغِّل ثنائي التكافؤ قائم على SMA. عندما تتجاوز درجة حرارة السلك درجة حرارة انتقال الأوستينيت في مرحلة التسخين، تبدأ درجة حرارة انتقال الأوستينيت المُعدّلة بالارتفاع، وبالمثل، عندما تتجاوز درجة حرارة قضيب السلك درجة حرارة انتقال المارتنسيت في مرحلة التبريد، تنخفض درجة حرارة انتقال المارتنسيت. SMA للنمذجة التحليلية لعملية التشغيل. (للاطلاع على عرض مُفصّل لكل نظام فرعي من نموذج Simulink، انظر قسم الملحق في الملف التكميلي.)
تظهر نتائج تحليل توزيعات المعاملات المختلفة لدورتين لجهد دخل 7 فولت (دورات إحماء مدتها 10 ثوانٍ ودورات تبريد مدتها 15 ثانية). بينما يوضح الشكلان (ac) و(e) التوزيع بمرور الوقت، يوضح الشكلان (d) و(f) التوزيع مع درجة الحرارة. بالنسبة لظروف الإدخال ذات الصلة، يبلغ أقصى إجهاد مُلاحظ 106 ميجا باسكال (أقل من 345 ميجا باسكال، مقاومة خضوع السلك)، والقوة 150 نيوتن، وأقصى إزاحة 270 ميكرومتر، والحد الأدنى لكسر حجم المارتنسيت 0.91. من ناحية أخرى، يتشابه التغير في الإجهاد والتغير في كسر حجم المارتنسيت مع درجة الحرارة مع خصائص الهستيريسيس.
ينطبق التفسير نفسه على التحويل المباشر (التبريد) من طور الأوستينيت إلى طور المارتنسيت، حيث تكون درجة حرارة سلك SMA (T) ودرجة الحرارة النهائية لطور المارتنسيت المعدل بالإجهاد (Mfprime) ممتازة. في الشكل 4د، يوضح الشكل f التغير في الإجهاد المستحث (sigma) والكسر الحجمي للمارتنسايت (xi) في سلك SMA كدالة للتغير في درجة حرارة سلك SMA (T)، لكلا دورتي القيادة. في الشكل 3أ، يوضح التغير في درجة حرارة سلك SMA مع مرور الوقت اعتمادًا على نبضة جهد الدخل. وكما يتضح من الشكل، تستمر درجة حرارة السلك في الارتفاع من خلال توفير مصدر حرارة عند جهد صفري والتبريد الحراري اللاحق. أثناء التسخين، تبدأ عملية إعادة تحويل المارتنسيت إلى طور الأوستينيت عندما تتجاوز درجة حرارة سلك SMA (T) درجة حرارة نواة الأوستينيت المصححة للإجهاد (A_s^{\prime}\)). خلال هذه المرحلة، ينضغط سلك SMA ويولد المُشغل قوة. أثناء التبريد أيضًا، عندما تتجاوز درجة حرارة سلك SMA (T) درجة حرارة نواة طور المارتنسيت المصحح للإجهاد (M_s^{\prime}\))، يحدث انتقال إيجابي من طور الأوستينيت إلى طور المارتنسيت. تنخفض قوة الدفع.
يمكن استخلاص الجوانب النوعية الرئيسية للمحرك ثنائي النمط القائم على SMA من نتائج المحاكاة. في حالة إدخال نبضة جهد، ترتفع درجة حرارة سلك SMA بسبب تأثير تسخين جول. تُضبط القيمة الأولية لكسر حجم المارتنسيت (xi) على 1، لأن المادة تكون في البداية في طور مارتنسيتي كامل. مع استمرار تسخين السلك، تتجاوز درجة حرارة سلك SMA درجة حرارة نواة الأوستينيت المصححة للإجهاد Asprime، مما يؤدي إلى انخفاض في كسر حجم المارتنسيت، كما هو موضح في الشكل 4ج. بالإضافة إلى ذلك، يوضح الشكل 4هـ توزيع أشواط المشغل مع مرور الوقت، ويوضح الشكل 5 القوة الدافعة كدالة للزمن. يتضمن نظام المعادلات ذي الصلة درجة الحرارة، وكسر حجم المارتنسيت، والإجهاد الذي يتطور في السلك، مما يؤدي إلى انكماش سلك SMA والقوة التي يولدها المشغل. كما هو موضح في الشكل. 4د، و، يتوافق تغير الجهد مع درجة الحرارة وتغير جزء حجم المارتنسيت مع درجة الحرارة مع خصائص الهستيريسيس للـ SMA في الحالة المحاكاة عند 7 فولت.
تمت مقارنة معاملات الدفع من خلال التجارب والحسابات التحليلية. عُرضت الأسلاك لجهد دخل نبضي قدره 7 فولت لمدة 10 ثوانٍ، ثم بُرِّدت لمدة 15 ثانية (مرحلة التبريد) على مدار دورتين. حُدِّدت زاوية الريش عند 40 درجة مئوية، وحُدِّد الطول الابتدائي لسلك SMA في كل ساق دبوس واحد عند 83 مم. (أ) قياس قوة الدفع باستخدام خلية حمل (ب) مراقبة درجة حرارة السلك باستخدام كاميرا حرارية تعمل بالأشعة تحت الحمراء.
لفهم تأثير المعلمات الفيزيائية على القوة الناتجة عن المحرك، تم إجراء تحليل لحساسية النموذج الرياضي للمعلمات الفيزيائية المختارة، وتم ترتيب المعلمات وفقًا لتأثيرها. أولاً، تم أخذ عينات من معلمات النموذج باستخدام مبادئ التصميم التجريبي التي اتبعت توزيعًا موحدًا (انظر القسم التكميلي حول تحليل الحساسية). في هذه الحالة، تتضمن معلمات النموذج جهد الدخل (Vin)، وطول سلك SMA الأولي (L0)، وزاوية المثلث (Alpha)، وثابت زنبرك التحيز (Kx)، ومعامل انتقال الحرارة الحملي (HtT)، وعدد الفروع أحادية النمط (N). في الخطوة التالية، تم اختيار قوة العضلة القصوى كمتطلب لتصميم الدراسة وتم الحصول على التأثيرات البارامترية لكل مجموعة من المتغيرات على القوة. تم اشتقاق مخططات الإعصار لتحليل الحساسية من معاملات الارتباط لكل معلمة، كما هو موضح في الشكل 6أ.
(أ) تظهر قيم معامل الارتباط لمعلمات النموذج وتأثيرها على أقصى قوة خرج لـ 2500 مجموعة فريدة من معلمات النموذج أعلاه في مخطط الإعصار. يوضح الرسم البياني ارتباط الرتبة لعدة مؤشرات. من الواضح أن \(V_{in}\) هو المعلم الوحيد ذو الارتباط الإيجابي، و\(l_{0\) هو المعلم ذو أعلى ارتباط سلبي. يظهر تأثير المعلمات المختلفة في مجموعات مختلفة على ذروة قوة العضلات في (ب، ج). يتراوح \(K_x\) من 400 إلى 800 نيوتن/متر ويتراوح n من 4 إلى 24. تغير الجهد (\(V_{in}\)) من 4 فولت إلى 10 فولت، وتغير طول السلك (\(l_{0 } \)) من 40 إلى 100 مم، وتغيرت زاوية الذيل (\(alpha \)) من \(20 – 60 \, ^ {\circ }\).
يوضح الشكل 6أ رسمًا إعصاريًا لمعاملات ارتباط مختلفة لكل معلمة مع متطلبات تصميم قوة الدفع القصوى. ومن الشكل 6أ، يمكن ملاحظة أن معلمة الجهد (\(V_{in}\)) ترتبط ارتباطًا مباشرًا بقوة الخرج القصوى، وأن معامل انتقال الحرارة الحملية (\(h_T\)) وزاوية اللهب (\( \alpha\)) وثابت زنبرك الإزاحة (\(K_x\)) يرتبط ارتباطًا سلبيًا بقوة الخرج والطول الأولي (\(l_0\)) لسلك SMA، ويظهر عدد الفروع أحادية النمط (n) ارتباطًا عكسيًا قويًا في حالة الارتباط المباشر في حالة القيمة الأعلى لمعامل ارتباط الجهد (\(V_{in}\)) يشير إلى أن هذه المعلمة لها التأثير الأكبر على خرج الطاقة. يقيس تحليل مماثل آخر قوة الذروة من خلال تقييم تأثير المعلمات المختلفة في مجموعات مختلفة من المساحتين الحسابيتين، كما هو موضح في الشكل 6ب، ج. تتشابه أنماط قيمتي \(V_{in}\) و\(l_0\)، و\(alpha\) و\(l_0\)، ويُظهر الرسم البياني أن قيم \(V_{in}\) و\(alpha\) و\(alpha\) تتشابه أيضًا. تؤدي القيم الأصغر لـ \(l_0\) إلى قوى ذروة أعلى. يتوافق الرسمان البيانيان الآخران مع الشكل 6أ، حيث يرتبط كلٌ من n و\(K_x\) سلبًا، ويرتبط \(V_{in}\) إيجابًا. يساعد هذا التحليل على تحديد وتعديل المعلمات المؤثرة التي يمكن من خلالها تكييف قوة الخرج، وشوط، وكفاءة نظام الدفع مع المتطلبات والتطبيقات.
يقدم البحث الحالي محركات هرمية ذات مستويات N ويبحث فيها. في تسلسل هرمي ثنائي المستوى، كما هو موضح في الشكل 7أ، حيث يتم تحقيق ترتيب ثنائي النمط بدلاً من كل سلك SMA لمشغل المستوى الأول، كما هو موضح في الشكل 9هـ. يوضح الشكل 7ج كيفية لف سلك SMA حول ذراع متحرك (ذراع مساعد) يتحرك فقط في الاتجاه الطولي. ومع ذلك، يستمر الذراع المتحرك الأساسي في الحركة بنفس طريقة الذراع المتحرك لمشغل المرحلة الأولى متعدد المراحل. عادةً، يتم إنشاء محرك من المرحلة N عن طريق استبدال سلك SMA في المرحلة \(N-1\) بمحرك من المرحلة الأولى. ونتيجة لذلك، يحاكي كل فرع محرك المرحلة الأولى، باستثناء الفرع الذي يحمل السلك نفسه. وبهذه الطريقة، يمكن تكوين هياكل متداخلة تولد قوى أكبر بعدة مرات من قوى المحركات الأساسية. في هذه الدراسة، تم أخذ طول سلك SMA فعال إجمالي قدره 1 متر في الاعتبار لكل مستوى، كما هو موضح في الشكل 7د على شكل جدول. يكون التيار المار عبر كل سلك في كل تصميم أحادي النمط والإجهاد المسبق والجهد الناتج في كل جزء من سلك SMA متساويين عند كل مستوى. ووفقًا لنموذجنا التحليلي، فإن قوة الخرج ترتبط ارتباطًا إيجابيًا بالمستوى، بينما ترتبط الإزاحة ارتباطًا سلبيًا. وفي الوقت نفسه، كان هناك توازن بين الإزاحة وقوة العضلات. كما هو موضح في الشكل 7ب، بينما يتم تحقيق أقصى قوة في أكبر عدد من الطبقات، يتم ملاحظة أكبر إزاحة في أدنى طبقة. عند ضبط مستوى التسلسل الهرمي على \(N=5\)، تم العثور على قوة عضلية قصوى تبلغ 2.58 كيلو نيوتن مع شوطين مرصودين \(\upmu\)m. من ناحية أخرى، يولد محرك المرحلة الأولى قوة قدرها 150 نيوتن عند شوط 277 \(\upmu\)m. تستطيع المحركات متعددة المستويات محاكاة العضلات البيولوجية الحقيقية، بينما تستطيع العضلات الاصطناعية القائمة على سبائك ذاكرة الشكل توليد قوى أعلى بكثير بحركات أكثر دقة ودقة. تكمن عيوب هذا التصميم المصغر في أنه مع ازدياد التسلسل الهرمي، تقل الحركة بشكل كبير ويزداد تعقيد عملية تصنيع المحرك.
(أ) يُعرض نظام مُشغل خطي من سبيكة ذاكرة شكلية طبقية ثنائية المرحلتين (\(N=2\)) في تكوين ثنائي النمط. يُنجز النموذج المقترح عن طريق استبدال سلك SMA في المُشغل الطبقي للمرحلة الأولى بمُشغل طبقي آخر أحادي المرحلة. (ج) تكوين مُشوه للمُشغل متعدد الطبقات للمرحلة الثانية. (ب) يُوصف توزيع القوى والإزاحات بناءً على عدد المستويات. وُجد أن قوة الذروة للمُشغل ترتبط ارتباطًا إيجابيًا بمستوى المقياس على الرسم البياني، بينما يرتبط الشوط ارتباطًا سلبيًا بمستوى المقياس. يبقى التيار والجهد المسبق في كل سلك ثابتين عند جميع المستويات. (د) يُوضح الجدول عدد الصنابير وطول سلك SMA (الألياف) عند كل مستوى. يُشار إلى خصائص الأسلاك بالرقم 1، ويُشار إلى عدد الفروع الثانوية (أحدها مُتصل بالساق الأساسية) بالرقم الأكبر في الرمز السفلي. على سبيل المثال، في المستوى 5، يشير \(n_1\) إلى عدد أسلاك SMA الموجودة في كل هيكل ثنائي النمط، ويشير \(n_5\) إلى عدد الأرجل المساعدة (واحدة متصلة بالرجل الرئيسية).
اقترح العديد من الباحثين طرقًا مختلفة لنمذجة سلوك SMAs مع ذاكرة الشكل، والتي تعتمد على الخصائص الحرارية الميكانيكية المصاحبة للتغيرات العيانية في البنية البلورية المرتبطة بانتقال الطور. إن صياغة الطرق التأسيسية معقدة بطبيعتها. النموذج الظاهراتي الأكثر استخدامًا هو الذي اقترحه تاناكا28 ويُستخدم على نطاق واسع في التطبيقات الهندسية. يفترض النموذج الظاهراتي الذي اقترحه تاناكا [28] أن الكسر الحجمي للمارتنسيت هو دالة أسية لدرجة الحرارة والإجهاد. في وقت لاحق، اقترح ليانغ وروجرز29 وبرينسون30 نموذجًا يُفترض فيه أن ديناميكيات انتقال الطور هي دالة جيب التمام للجهد ودرجة الحرارة، مع تعديلات طفيفة على النموذج. اقترح بيكر وبرينسون نموذجًا حركيًا قائمًا على مخطط الطور لنمذجة سلوك مواد SMA في ظل ظروف تحميل عشوائية بالإضافة إلى التحولات الجزئية. يستخدم بانيرجي32 طريقة بيكر وبرينسون31 لديناميكيات مخططات الطور لمحاكاة معالج ذي درجة حرية واحدة طوره إلاهينيا وأحمديان33. يصعب تطبيق الطرق الحركية القائمة على مخططات الطور، والتي تأخذ في الاعتبار التغير غير الرتيب في الجهد مع درجة الحرارة، في التطبيقات الهندسية. يلفت إلاهينيا وأحمديان الانتباه إلى هذه العيوب في النماذج الظاهراتية الحالية، ويقترحان نموذجًا ظاهريًا موسعًا لتحليل سلوك ذاكرة الشكل وتحديده في ظل أي ظروف تحميل معقدة.
يوضح النموذج الهيكلي لسلك SMA الإجهاد (سيغما)، والانفعال (إبسيلون)، ودرجة الحرارة (T)، ونسبة حجم المارتنسيت (xi) لسلك SMA. اقترح تاناكا النموذج التكويني الظاهراتي لأول مرة، ثم تبناه ليانغ وبرينسون لاحقًا. مشتقة المعادلة لها الشكل التالي:
حيث E هو معامل يونغ SMA المعتمد على الطور، والذي تم الحصول عليه باستخدام \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) و\(E_A\) و\(E_M\) اللذين يمثلان معامل يونغ، وهما طوران أوستنيتيان ومارتنسيتان على التوالي، ويُمثل معامل التمدد الحراري بـ \(\theta _T\). عامل مساهمة انتقال الطور هو \(\Omega = -E \epsilon _L\) و\(\epsilon _L\) هو أقصى إجهاد قابل للاسترداد في سلك SMA.
تتوافق معادلة ديناميكيات الطور مع دالة جيب التمام التي طورها ليانغ29، والتي تبناها برينسون30 لاحقًا، بدلًا من الدالة الأسية التي اقترحها تاناكا28. يُعد نموذج انتقال الطور امتدادًا للنموذج الذي اقترحه إيلاكينيا وأحمديان34، وقد عُدِّل بناءً على شروط انتقال الطور التي وضعها ليانغ29 وبرينسون30. الشروط المستخدمة في نموذج انتقال الطور هذا صالحة تحت أحمال حرارية ميكانيكية معقدة. في كل لحظة زمنية، تُحسب قيمة الكسر الحجمي للمارتنسيت عند نمذجة المعادلة التأسيسية.
معادلة إعادة التحويل الحاكمة، والتي يتم التعبير عنها بتحويل المارتنسيت إلى أوستينيت في ظل ظروف التسخين، هي كما يلي:
حيث \(\xi\) هو الكسر الحجمي للمارتنسيت، \(\xi _M\) هو الكسر الحجمي للمارتنسيت الذي تم الحصول عليه قبل التسخين، \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\)، \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) و \(C_A\) - معلمات تقريب المنحنى، T - درجة حرارة سلك SMA، \(A_s\) و \(A_f\) - بداية ونهاية طور الأوستينيت، على التوالي، درجة الحرارة.
معادلة التحكم في التحويل المباشر، والتي يمثلها التحول الطوري للأوستنيت إلى مارتنسيت في ظل ظروف التبريد، هي:
حيث \(\xi _A\) هو الكسر الحجمي للمارتنسيت الذي تم الحصول عليه قبل التبريد، \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\)، \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) و \ ( C_M \) - معلمات ملاءمة المنحنى، T - درجة حرارة سلك SMA، \(M_s\) و \(M_f\) - درجات حرارة المارتنسيت الأولية والنهائية، على التوالي.
بعد التفاضل بين المعادلتين (3) و(4)، يتم تبسيط معادلات التحويل العكسي والمباشر إلى الشكل التالي:
خلال التحويل الأمامي والخلفي، تختلف قيمتا \(\eta _{\sigma}\) و\(\eta _{T}\). وقد تم استنباط المعادلات الأساسية المرتبطة بـ \(\eta _{\sigma}\) و\(\eta _{T}\) ومناقشتها بالتفصيل في قسم إضافي.
الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة سلك SMA ناتجة عن تأثير جول الحراري. تُمثَّل الطاقة الحرارية الممتصة أو المُطلقة من سلك SMA بحرارة التحول الكامنة. يعود فقدان الحرارة في سلك SMA إلى الحمل الحراري القسري، ونظرًا لإهمال تأثير الإشعاع، تكون معادلة موازنة الطاقة الحرارية كما يلي:
حيث m هي الكتلة الكلية لسلك SMA، وc هي السعة الحرارية النوعية له، وV هي الجهد المطبق عليه، وR أوم هي مقاومة SMA المعتمدة على الطور، وتُعرّف على النحو التالي: R أوم = (لتر/أمبير) [xi r M + (1-xi )r A] حيث r M وr A هما مقاومة طور SMA في المارتنسيت والأوستينيت على التوالي، وA c هي مساحة سطح سلك SMA، وDelta H سبيكة ذاكرة للشكل. الحرارة الكامنة لانتقال السلك، T وT infty، هما درجتا حرارة سلك SMA والبيئة على التوالي.
عند تحريك سلك سبيكة ذاكرة الشكل، ينضغط السلك، مما يُولّد قوة في كل فرع من فروع التصميم ثنائي النمط تُسمى قوة الألياف. تُشكّل قوى الألياف في كل خيط من سلك SMA معًا قوة العضلات اللازمة للتحريك، كما هو موضح في الشكل 9هـ. نظرًا لوجود زنبرك تحيز، فإن قوة العضلات الكلية للمشغل متعدد الطبقات N هي:
من خلال استبدال \(N = 1\) في المعادلة (7)، يمكن الحصول على قوة العضلات للنموذج الأولي للمحرك ثنائي النمط في المرحلة الأولى على النحو التالي:
حيث n هو عدد الأرجل أحادية النمط، و\(F_m\) هي قوة العضلات التي يولدها المحرك، و\(F_f\) هي قوة الألياف في سلك SMA، و\(K_x\) هي صلابة التحيز. الزنبرك، و\(\alpha\) هي زاوية المثلث، و\(x_0\) هو الإزاحة الأولية لزنبرك التحيز لتثبيت كابل SMA في الوضع المشدود مسبقًا، و\(\Delta x\) هي مسافة حركة المحرك.
الإزاحة الكلية أو حركة المحرك (\(\Delta x\)) اعتمادًا على الجهد (\(\sigma\)) والانفعال (\(\epsilon\)) على سلك SMA للمرحلة N، يتم ضبط المحرك على (انظر الشكل الجزء الإضافي من الإخراج):
تُعطي معادلات الحركة العلاقة بين تشوه الدفع (epsilon) والإزاحة (Delta x). يكون تشوه سلك Arb، كدالة لطول سلك Arb الابتدائي (l_0) وطول السلك (l) في أي زمن t في فرع أحادي النمط، كما يلي:
حيث يتم الحصول على \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) عن طريق تطبيق صيغة جيب التمام في \(\Delta\)ABB '، كما هو موضح في الشكل 8. بالنسبة لمرحلة الدفع الأولى (\(N = 1\))، \(\Delta x_1\) هي \(\Delta x\)، و\(\alpha _1\) هي \(\alpha \) كما هو موضح في الشكل 8، عن طريق التمييز بين الوقت والمعادلة (11) واستبدال قيمة l، يمكن كتابة معدل الانفعال على النحو التالي:
حيث \(l_0\) هو الطول الأولي لسلك SMA، وl هو طول السلك في أي وقت t في فرع أحادي النمط، و\(\epsilon\) هو التشوه الذي حدث في سلك SMA، و\(\alpha \) هي زاوية المثلث، و\(\Delta x\) هو إزاحة القيادة (كما هو موضح في الشكل 8).
جميع الهياكل ذات الذروة الواحدة (n=6) في هذا الشكل متصلة على التوالي بجهد دخل Vin. المرحلة الأولى: رسم تخطيطي لسلك SMA في وضع ثنائي النمط تحت ظروف جهد صفري. المرحلة الثانية: يظهر هيكل مُتحكم فيه حيث يُضغط سلك SMA نتيجة التحويل العكسي، كما هو موضح بالخط الأحمر.
كإثبات للمفهوم، تم تطوير محرك ثنائي النمط قائم على SMA لاختبار الاشتقاق المحاكى للمعادلات الأساسية مع النتائج التجريبية. يظهر نموذج CAD للمشغل الخطي ثنائي النمط في الشكل 9أ. من ناحية أخرى، يوضح الشكل 9ج تصميمًا جديدًا مقترحًا لاتصال منشوري دوار باستخدام مشغل قائم على SMA ثنائي المستوى بهيكل ثنائي النمط. تم تصنيع مكونات المحرك باستخدام التصنيع الإضافي على طابعة Ultimaker 3 Extended ثلاثية الأبعاد. المادة المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد للمكونات هي البولي كربونات وهي مناسبة للمواد المقاومة للحرارة لأنها قوية ومتينة ولها درجة حرارة انتقال زجاجية عالية (110-113 \(^{\circ }\) C). بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام سلك سبيكة Flexinol ذو الذاكرة الشكلية من Dynalloy, Inc. في التجارب، وتم استخدام خصائص المادة المقابلة لسلك Flexinol في عمليات المحاكاة. يتم ترتيب أسلاك SMA المتعددة كألياف موجودة في ترتيب ثنائي النمط للعضلات للحصول على القوى العالية التي تنتجها المحركات متعددة الطبقات، كما هو موضح في الشكل 9ب، د.
كما هو موضح في الشكل 9أ، تُسمى الزاوية الحادة التي يُشكلها سلك SMA ذو الذراع المتحرك بالزاوية (α). مع تثبيت مشابك طرفية على المشابك اليمنى واليسرى، يُثبّت سلك SMA عند الزاوية ثنائية النمط المطلوبة. صُمم جهاز زنبرك التحيز المُثبّت على موصل الزنبرك لضبط مجموعات تمديد زنبرك التحيز المختلفة وفقًا لعدد ألياف SMA (n). بالإضافة إلى ذلك، صُمم موقع الأجزاء المتحركة بحيث يكون سلك SMA مُعرّضًا للبيئة الخارجية لتبريد الحمل الحراري القسري. تُساعد الصفيحتان العلوية والسفلية للتجميع القابل للفصل في الحفاظ على برودة سلك SMA بفضل فتحاتهما المبثوقة المُصممة لتقليل الوزن. بالإضافة إلى ذلك، يُثبّت طرفا سلك CMA على الطرفين الأيسر والأيمن، على التوالي، بواسطة تجعيد. يُثبّت مكبس على أحد طرفي التجميع المتحرك للحفاظ على الخلوص بين الصفيحتين العلوية والسفلية. يُستخدم المكبس أيضًا لتطبيق قوة حجب على المستشعر عبر نقطة تلامس لقياس قوة الحجب عند تحريك سلك SMA.
يتم توصيل هيكل العضلة ثنائي النمط SMA كهربائيًا على التوالي ويتم تشغيله بواسطة جهد نبضي دخل. أثناء دورة نبض الجهد، عندما يتم تطبيق الجهد ويتم تسخين سلك SMA فوق درجة الحرارة الأولية للأوستينيت، يتم تقصير طول السلك في كل خصلة. ينشط هذا التراجع التجميع الفرعي للذراع المتحرك. عندما تم ضبط الجهد على الصفر في نفس الدورة، تم تبريد سلك SMA المسخن إلى ما دون درجة حرارة سطح المارتنسيت، وبالتالي عاد إلى موضعه الأصلي. في ظروف الإجهاد الصفري، يتم أولاً تمديد سلك SMA بشكل سلبي بواسطة زنبرك تحيز للوصول إلى حالة المارتنسيت المفككة. يتحرك المسمار، الذي يمر من خلاله سلك SMA، بسبب الضغط الناتج عن تطبيق نبضة جهد على سلك SMA (يصل SPA إلى طور الأوستينيت)، مما يؤدي إلى تشغيل الرافعة المتحركة. عندما يتم سحب سلك SMA، يخلق زنبرك التحيز قوة معاكسة عن طريق زيادة تمدد الزنبرك. عندما يصبح الضغط في جهد النبضة صفرًا، يستطيل سلك SMA ويتغير شكله بسبب التبريد بالحمل الحراري القسري، ليصل إلى مرحلة مارتنسيتية مزدوجة.
يتميز نظام المحرك الخطي المقترح القائم على SMA بتكوين ثنائي النمط تكون فيه أسلاك SMA مائلة. (أ) يصور نموذج CAD للنموذج الأولي، والذي يذكر بعض المكونات ومعانيها للنموذج الأولي، (ب، د) يمثل النموذج الأولي التجريبي المطوَّر35. بينما (ب) يوضح منظرًا علويًا للنموذج الأولي مع التوصيلات الكهربائية ونوابض التحيز ومقاييس الانفعال المستخدمة، (د) يوضح منظرًا منظوريًا للإعداد. (هـ) رسم تخطيطي لنظام تشغيل خطي مع أسلاك SMA موضوعة بشكل ثنائي النمط في أي وقت t، موضحًا اتجاه ومسار الألياف وقوة العضلات. (ج) تم اقتراح اتصال منشوري دوراني ثنائي الدرجات لنشر مشغل قائم على SMA ثنائي المستوى. كما هو موضح، ينقل الارتباط الحركة الخطية من المحرك السفلي إلى الذراع العلوي، مما يؤدي إلى إنشاء اتصال دوراني. من ناحية أخرى، فإن حركة زوج المنشورات هي نفسها حركة محرك المرحلة الأولى متعدد الطبقات.
أُجريت دراسة تجريبية على النموذج الأولي الموضح في الشكل 9ب لتقييم أداء محرك ثنائي النمط قائم على SMA. كما هو موضح في الشكل 10أ، تكوّنت التركيبة التجريبية من مصدر طاقة مستمر قابل للبرمجة لتزويد أسلاك SMA بجهد الدخل. كما هو موضح في الشكل 10ب، استُخدم مقياس إجهاد كهرضغطي (PACEline CFT/5kN) لقياس قوة الحجب باستخدام مسجل بيانات Graphtec GL-2000. يُسجّل الجهاز المضيف البيانات لمزيد من الدراسة. تتطلب مقاييس الإجهاد ومضخمات الشحنة مصدر طاقة ثابتًا لإنتاج إشارة جهد. تُحوّل الإشارات المقابلة إلى مخرجات طاقة وفقًا لحساسية مستشعر القوة الكهرضغطية ومعلمات أخرى كما هو موضح في الجدول 2. عند تطبيق نبضة جهد، ترتفع درجة حرارة سلك SMA، مما يؤدي إلى انضغاطه، مما يُحفّز المُشغّل على توليد قوة. تُظهر الشكل 2أ النتائج التجريبية لمخرجات قوة العضلات بواسطة نبضة جهد دخل قدرها 7 فولت.
(أ) تم تركيب نظام مشغل خطي قائم على SMA في التجربة لقياس القوة الناتجة عن المشغل. تقيس خلية الحمل قوة الحجب، وهي تعمل بمصدر طاقة مستمر ٢٤ فولت. تم تطبيق انخفاض جهد قدره ٧ فولت على طول الكابل بالكامل باستخدام مصدر طاقة مستمر قابل للبرمجة من GW Instek. ينكمش سلك SMA بسبب الحرارة، وتلامس الذراع المتحركة خلية الحمل وتُحدث قوة حجب. تتصل خلية الحمل بمسجل بيانات GL-2000، وتُخزن البيانات على الجهاز المضيف لمزيد من المعالجة. (ب) رسم تخطيطي يوضح سلسلة مكونات النظام التجريبي لقياس قوة العضلات.
تُثار سبائك الذاكرة الشكلية بالطاقة الحرارية، لذا تُصبح درجة الحرارة معيارًا مهمًا لدراسة ظاهرة الذاكرة الشكلية. تجريبيًا، كما هو موضح في الشكل 11أ، أُجريت قياسات التصوير الحراري ودرجة الحرارة على نموذج أولي لمشغل ثنائي التكافؤ قائم على SMA. طبّق مصدر تيار مستمر قابل للبرمجة جهد دخل على أسلاك SMA في الإعداد التجريبي، كما هو موضح في الشكل 11ب. قُيس التغير في درجة حرارة سلك SMA في الوقت الفعلي باستخدام كاميرا LWIR عالية الدقة (FLIR A655sc). يستخدم المضيف برنامج ResearchIR لتسجيل البيانات لمزيد من المعالجة اللاحقة. عند تطبيق نبضة جهد، ترتفع درجة حرارة سلك SMA، مما يتسبب في انكماشه. في الشكل 2ب، يُظهر النتائج التجريبية لدرجة حرارة سلك SMA مقابل الزمن لنبضة جهد دخل 7 فولت.
وقت النشر: ٢٨ سبتمبر ٢٠٢٢
