شكرًا لك على زيارة Nature.com.إصدار المتصفح الذي تستخدمه لديه دعم محدود لـ CSS.للحصول على أفضل تجربة ، نوصي باستخدام مستعرض محدث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer).في غضون ذلك ، لضمان استمرار الدعم ، سنعرض الموقع بدون أنماط وجافا سكريبت.
تُستخدم المحركات في كل مكان وتُنشئ حركة متحكم بها من خلال تطبيق قوة الإثارة أو عزم الدوران الصحيحين لأداء عمليات مختلفة في التصنيع والأتمتة الصناعية.تدفع الحاجة إلى محركات أقراص أسرع وأصغر وأكثر كفاءة إلى الابتكار في تصميم محركات الأقراص.توفر محركات أقراص Shape Memory Alloy (SMA) عددًا من المزايا مقارنة بمحركات الأقراص التقليدية ، بما في ذلك نسبة الطاقة إلى الوزن العالية.في هذه الرسالة ، تم تطوير مشغل قائم على SMA ثنائي الريش والذي يجمع بين مزايا عضلات الريش للأنظمة البيولوجية والخصائص الفريدة لـ SMA.تستكشف هذه الدراسة وتوسع مشغلات SMA السابقة من خلال تطوير نموذج رياضي للمشغل الجديد بناءً على ترتيب سلك SMA ثنائي النسق واختباره تجريبياً.مقارنة بمحركات الأقراص المعروفة القائمة على SMA ، فإن قوة التشغيل لمحرك الأقراص الجديد أعلى بخمس مرات على الأقل (حتى 150 نيوتن).ويبلغ فقدان الوزن المقابل حوالي 67٪.نتائج تحليل الحساسية للنماذج الرياضية مفيدة لضبط معلمات التصميم وفهم المعلمات الرئيسية.تقدم هذه الدراسة أيضًا محركًا متعدد المستويات من المرحلة N يمكن استخدامه لزيادة تحسين الديناميكيات.تمتلك مشغلات العضلات ثنائية التباين القائمة على SMA مجموعة واسعة من التطبيقات ، من أتمتة البناء إلى أنظمة توصيل الأدوية الدقيقة.
يمكن للأنظمة البيولوجية ، مثل الهياكل العضلية للثدييات ، تنشيط العديد من المحركات الدقيقة 1.للثدييات هياكل عضلية مختلفة ، كل منها يخدم غرضًا محددًا.ومع ذلك ، يمكن تقسيم الكثير من بنية الأنسجة العضلية للثدييات إلى فئتين عريضتين.متوازي وبيني.في أوتار الركبة والعضلات القابضة الأخرى ، كما يوحي الاسم ، تحتوي العضلات الموازية على ألياف عضلية موازية للوتر المركزي.تصطف سلسلة ألياف العضلات وتتصل وظيفيًا بالنسيج الضام المحيط بها.على الرغم من أنه يقال أن هذه العضلات لها نزهة كبيرة (نسبة تقصير) ، فإن قوتها العضلية الكلية محدودة للغاية.على النقيض من ذلك ، في العضلة ثلاثية الرؤوس ، عضلة الساق 2 (عضلة الساق الجانبية (GL) 3 ، عضلة الساق الإنسي (GM) 4 والنعلية (SOL)) والفخذية الباسطة (عضلات الفخذ) ، تم العثور على أنسجة عضلية بينات 5،6 في كل عضلة.في بنية ريشية ، توجد ألياف العضلات في عضلات البينيت على جانبي الوتر المركزي بزوايا مائلة (زوايا ريشية).تأتي كلمة Pennate من الكلمة اللاتينية "penna" ، والتي تعني "القلم" ، وكما هو موضح في الشكل.1 له مظهر يشبه الريش.تكون ألياف عضلات البينات أقصر وتميل بزاوية إلى المحور الطولي للعضلة.بسبب الهيكل الريشي ، تقل الحركة الكلية لهذه العضلات ، مما يؤدي إلى المكونات العرضية والطولية لعملية التقصير.من ناحية أخرى ، يؤدي تنشيط هذه العضلات إلى زيادة قوة العضلات الكلية بسبب طريقة قياس مساحة المقطع العرضي الفسيولوجي.لذلك ، في منطقة مقطعية معينة ، ستكون عضلات البينات أقوى وستولد قوى أعلى من العضلات ذات الألياف المتوازية.تولد القوى التي تولدها الألياف الفردية قوى عضلية على مستوى مجهري في ذلك النسيج العضلي.بالإضافة إلى ذلك ، لها خصائص فريدة مثل الانكماش السريع ، والحماية من أضرار الشد ، والتوسيد.إنه يحول العلاقة بين مدخلات الألياف ومخرجات طاقة العضلات من خلال استغلال الميزات الفريدة والتعقيد الهندسي لترتيب الألياف المرتبط بخطوط الحركة العضلية.
تظهر المخططات التخطيطية لتصميمات المشغل القائمة على SMA القائمة فيما يتعلق بهيكل عضلي ثنائي النسق ، على سبيل المثال (أ) ، يمثل تفاعل القوة اللمسية التي يتم فيها تثبيت جهاز على شكل يدوي يتم تشغيله بواسطة أسلاك SMA على روبوت متحرك مستقل بعجلتين.، (ب) الطرف الاصطناعي المداري الروبوتي مع طرف اصطناعي مداري محمل بنابض SMA موضوع بشكل مضاد.يتم التحكم في موضع العين الاصطناعية من خلال إشارة من عضلة العين للعين ، (ج) تعد مشغلات SMA مثالية للتطبيقات تحت الماء نظرًا لاستجابتها عالية التردد وعرض النطاق الترددي المنخفض.في هذا التكوين ، تُستخدم مشغلات SMA لإنشاء حركة موجية عن طريق محاكاة حركة الأسماك ، (د) تُستخدم مشغلات SMA لإنشاء روبوت لفحص الأنبوب الصغير يمكنه استخدام مبدأ حركة الدودة بالبوصة ، والذي يتم التحكم فيه بواسطة حركة أسلاك SMA داخل القناة 10 ، (هـ) يوضح اتجاه تقلص ألياف العضلات وتوليد قوة الانقباض في نسيج عضلي الشكل ، وتظهر الألياف العضلية في النسيج العضلي.
أصبحت المحركات جزءًا مهمًا من الأنظمة الميكانيكية نظرًا لتعدد تطبيقاتها.لذلك ، تصبح الحاجة إلى محركات أقراص أصغر حجمًا وأسرع وأكثر كفاءة أمرًا بالغ الأهمية.على الرغم من مزاياها ، فقد ثبت أن محركات الأقراص التقليدية باهظة الثمن وتستغرق وقتًا طويلاً في الصيانة.المشغلات الهيدروليكية والهوائية معقدة ومكلفة وهي عرضة للتآكل ومشاكل التزييت وفشل المكونات.استجابة للطلب ، ينصب التركيز على تطوير مشغلات فعالة من حيث التكلفة ومُحسَّنة الحجم ومتقدمة تعتمد على المواد الذكية.تبحث الأبحاث الجارية في مشغلات ذات طبقات من سبيكة ذاكرة الشكل (SMA) لتلبية هذه الحاجة.تعتبر المحركات الهرمية فريدة من نوعها من حيث أنها تجمع بين العديد من المشغلات المنفصلة في أنظمة فرعية ذات مقياس ماكرو معقدة هندسيًا لتوفير وظائف متزايدة وموسعة.في هذا الصدد ، يوفر النسيج العضلي البشري الموصوف أعلاه مثالًا ممتازًا متعدد الطبقات لمثل هذا التشغيل متعدد الطبقات.تصف الدراسة الحالية محرك SMA متعدد المستويات مع العديد من عناصر القيادة الفردية (أسلاك SMA) المحاذاة لتوجيهات الألياف الموجودة في العضلات ثنائية الوضع ، مما يحسن أداء المحرك الكلي.
الغرض الرئيسي من المشغل هو توليد طاقة ميكانيكية مثل القوة والإزاحة عن طريق تحويل الطاقة الكهربائية.سبائك ذاكرة الشكل هي فئة من المواد "الذكية" التي يمكنها استعادة شكلها في درجات حرارة عالية.في ظل الأحمال العالية ، تؤدي الزيادة في درجة حرارة سلك SMA إلى استعادة الشكل ، مما ينتج عنه كثافة طاقة تشغيل أعلى مقارنة بالعديد من المواد الذكية المرتبطة مباشرة.في نفس الوقت ، تحت الأحمال الميكانيكية ، تصبح SMAs هشة.في ظل ظروف معينة ، يمكن للحمل الدوري أن يمتص الطاقة الميكانيكية ويطلقها ، مما يؤدي إلى تغيرات شكل هستيري قابلة للانعكاس.هذه الخصائص الفريدة تجعل SMA مثاليًا لأجهزة الاستشعار والتخميد الاهتزازي والمشغلات بشكل خاص.مع وضع هذا في الاعتبار ، كان هناك الكثير من الأبحاث حول محركات الأقراص المستندة إلى SMA.وتجدر الإشارة إلى أن المحركات القائمة على SMA مصممة لتوفير حركة انتقالية ودوارة لمجموعة متنوعة من التطبيقات.على الرغم من تطوير بعض المحركات الدوارة ، إلا أن الباحثين مهتمون بشكل خاص بالمشغلات الخطية.يمكن تقسيم هذه المشغلات الخطية إلى ثلاثة أنواع من المحركات: المشغلات أحادية البعد ، والإزاحة ، والمشغلات التفاضلية 16.في البداية ، تم إنشاء محركات الأقراص الهجينة بالاشتراك مع SMA ومحركات الأقراص التقليدية الأخرى.أحد الأمثلة على المشغل الخطي الهجين القائم على SMA هو استخدام سلك SMA بمحرك DC لتوفير قوة خرج تبلغ حوالي 100 نيوتن وإزاحة كبيرة.
كان محرك SMA المتوازي أحد التطورات الأولى في محركات الأقراص التي تعتمد بالكامل على SMA.باستخدام أسلاك SMA متعددة ، تم تصميم محرك الأقراص المتوازي المستند إلى SMA لزيادة قدرة محرك الأقراص عن طريق وضع جميع أسلاك SMA18 على التوازي.لا يتطلب الاتصال المتوازي للمشغلات مزيدًا من الطاقة فحسب ، بل يحد أيضًا من طاقة الخرج لسلك واحد.عيب آخر للمشغلات القائمة على SMA هو السفر المحدود الذي يمكنهم تحقيقه.لحل هذه المشكلة ، تم إنشاء حزمة كبل SMA تحتوي على شعاع مرن منحرف لزيادة الإزاحة وتحقيق حركة خطية ، ولكنها لم تولد قوى أعلى.تم تطوير الهياكل والأقمشة الناعمة القابلة للتشوه للروبوتات على أساس سبائك ذاكرة الشكل بشكل أساسي لتضخيم التأثير.بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب سرعات عالية ، تم الإبلاغ عن مضخات مدفوعة مضغوطة باستخدام SMAs ذات الأغشية الرقيقة للتطبيقات التي تعمل بالمضخات الصغيرة.يعد تردد محرك غشاء SMA الرقيق عاملاً رئيسيًا في التحكم في سرعة السائق.لذلك ، تتمتع المحركات الخطية SMA باستجابة ديناميكية أفضل من المحركات الزنبركية أو القضبان SMA.الروبوتات اللينة وتقنية الإمساك هما تطبيقان آخران يستخدمان مشغلات قائمة على SMA.على سبيل المثال ، لاستبدال المشغل القياسي المستخدم في المشبك الفضائي 25 N ، تم تطوير مشغل متوازي من سبيكة ذاكرة الشكل 24.في حالة أخرى ، تم تصنيع مشغل SMA الناعم بناءً على سلك به مصفوفة مدمجة قادرة على إنتاج قوة سحب قصوى تبلغ 30 N. نظرًا لخصائصها الميكانيكية ، تُستخدم SMAs أيضًا لإنتاج مشغلات تحاكي الظواهر البيولوجية.يتضمن أحد هذه التطورات روبوتًا مكونًا من 12 خلية وهو محاكاة حيوية لكائن حي يشبه دودة الأرض مع SMA لتوليد حركة جيبية لإطلاق النار.
كما ذكرنا سابقًا ، هناك حد للقوة القصوى التي يمكن الحصول عليها من المشغلات القائمة على SMA.لمعالجة هذه المشكلة ، تقدم هذه الدراسة بنية عضلية ثنائية النسق للمحاكاة الحيوية.مدفوعة بسلك سبيكة ذاكرة الشكل.يوفر نظام تصنيف يتضمن العديد من أسلاك سبائك الذاكرة ذات الأشكال.حتى الآن ، لم يتم الإبلاغ عن أي مشغلات قائمة على SMA مع بنية مماثلة في الأدبيات.تم تطوير هذا النظام الفريد والجديد القائم على SMA لدراسة سلوك SMA أثناء محاذاة العضلات ثنائية النسق.مقارنة بالمشغلات القائمة على SMA ، كان الهدف من هذه الدراسة هو إنشاء مشغل ثنائي المحاكاة الحيوية لتوليد قوى أعلى بشكل ملحوظ في حجم صغير.مقارنة بمحركات السائر التقليدية التي تعمل بمحرك متدرج والمستخدمة في أتمتة المباني وأنظمة التحكم في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) ، فإن تصميم محرك الأقراص ثنائي النسق المقترح المستند إلى SMA يقلل من وزن آلية القيادة بنسبة 67٪.في ما يلي ، يتم استخدام المصطلحين "العضلات" و "القيادة" بالتبادل.تبحث هذه الدراسة في محاكاة هذا المحرك متعدد الفيزياء.تمت دراسة السلوك الميكانيكي لهذه الأنظمة بالطرق التجريبية والتحليلية.تم إجراء مزيد من التحقيق في توزيعات القوة ودرجة الحرارة عند جهد دخل قدره 7 فولت. وبعد ذلك ، تم إجراء تحليل حدودي لفهم العلاقة بين المعلمات الرئيسية وقوة الخرج بشكل أفضل.أخيرًا ، تم تصور المحركات الهرمية وتم اقتراح تأثيرات المستوى الهرمي كمنطقة مستقبلية محتملة للمشغلات غير المغناطيسية لتطبيقات الأطراف الاصطناعية.وفقًا لنتائج الدراسات المذكورة أعلاه ، ينتج عن استخدام بنية أحادية المرحلة قوى على الأقل أربع إلى خمس مرات أعلى من المحركات القائمة على SMA.بالإضافة إلى ذلك ، فقد ثبت أن نفس القوة الدافعة الناتجة عن محرك متعدد المستويات متعدد المستويات تزيد عن عشرة أضعاف محركات الأقراص التقليدية المستندة إلى SMA.تقوم الدراسة بعد ذلك بتقرير المعلمات الرئيسية باستخدام تحليل الحساسية بين التصميمات المختلفة ومتغيرات الإدخال.الطول الأولي لسلك SMA (\ (l_0 \)) ، وزاوية الريش (\ (\ alpha \)) وعدد الخيوط الفردية (n) في كل خيط فردي له تأثير سلبي قوي على حجم القوة الدافعة.القوة ، بينما تبين أن جهد الدخل (الطاقة) مرتبط بشكل إيجابي.
يعرض سلك SMA تأثير ذاكرة الشكل (SME) الذي يظهر في عائلة سبائك النيكل والتيتانيوم (Ni-Ti).عادة ، تظهر SMAs مرحلتين تعتمدان على درجة الحرارة: مرحلة درجة حرارة منخفضة ومرحلة درجة حرارة عالية.كلا المرحلتين لهما خصائص فريدة بسبب وجود تراكيب بلورية مختلفة.في مرحلة الأوستينيت (طور درجة الحرارة المرتفعة) الموجودة فوق درجة حرارة التحول ، تُظهر المادة قوة عالية وتكون مشوهة بشكل سيئ تحت الحمل.تتصرف السبيكة مثل الفولاذ المقاوم للصدأ ، لذا فهي قادرة على تحمل ضغوط التشغيل العالية.الاستفادة من هذه الخاصية لسبائك Ni-Ti ، فإن أسلاك SMA مائلة لتشكيل مشغل.تم تطوير نماذج تحليلية مناسبة لفهم الميكانيكا الأساسية للسلوك الحراري لـ SMA تحت تأثير العوامل المختلفة والهندسة المختلفة.تم الحصول على توافق جيد بين النتائج التجريبية والتحليلية.
تم إجراء دراسة تجريبية على النموذج الأولي الموضح في الشكل 9 أ لتقييم أداء محرك ثنائي الوسائط يعتمد على SMA.اثنان من هذه الخصائص ، القوة الناتجة عن المحرك (قوة العضلات) ودرجة حرارة سلك SMA (درجة حرارة SMA) ، تم قياسهما تجريبياً.مع زيادة فرق الجهد على طول السلك بالكامل في محرك الأقراص ، تزداد درجة حرارة السلك بسبب تأثير التسخين في جول.تم تطبيق جهد الدخل في دورتين من 10 ثوانٍ (موضحة كنقاط حمراء في الشكل 2 أ ، ب) مع فترة تبريد 15 ثانية بين كل دورة.تم قياس قوة الحجب باستخدام مقياس إجهاد كهرضغطية ، وتمت مراقبة توزيع درجة حرارة سلك SMA في الوقت الفعلي باستخدام كاميرا LWIR عالية الدقة من الدرجة العلمية (انظر خصائص المعدات المستخدمة في الجدول 2).يوضح أنه خلال مرحلة الجهد العالي ، تزداد درجة حرارة السلك بشكل رتيب ، ولكن عندما لا يتدفق تيار ، تستمر درجة حرارة السلك في الانخفاض.في الإعداد التجريبي الحالي ، انخفضت درجة حرارة سلك SMA أثناء مرحلة التبريد ، لكنها كانت لا تزال أعلى من درجة الحرارة المحيطة.على التين.يعرض 2e لقطة من درجة الحرارة على سلك SMA مأخوذة من كاميرا LWIR.من ناحية أخرى ، في الشكل.يوضح الشكل 2 أ قوة الحجب الناتجة عن نظام القيادة.عندما تتجاوز قوة العضلات قوة استعادة الزنبرك ، تبدأ الذراع المتحركة ، كما هو موضح في الشكل 9 أ ، في التحرك.بمجرد بدء التشغيل ، يتلامس الذراع المتحرك مع المستشعر ، مما يخلق قوة الجسم ، كما هو موضح في الشكل.2 ج ، د.عندما تقترب درجة الحرارة القصوى من \ (84 \، ^ {\ circ} \ hbox {C} \) ، فإن أقصى قوة ملحوظة هي 105 N.
يوضح الرسم البياني النتائج التجريبية لدرجة حرارة سلك SMA والقوة الناتجة عن المشغل الثنائي النسبي المستند إلى SMA خلال دورتين.يتم تطبيق جهد الدخل في دورتين مدتهما 10 ثوانٍ (تظهر كنقاط 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 شركة Dynalloy ، Inc. (أ) يوضح الرسم البياني القوة التجريبية التي تم الحصول عليها على مدى دورتين ، (ج ، د) يوضح مثالين مستقلين لعمل مشغلات الذراع المتحركة على محول قوة كهرضغطية PACEline CFT / 5kN ، (ب) يوضح الرسم البياني درجة الحرارة القصوى التي تم الحصول عليها من السلك SMA خلال دورتين كاملتين ، برنامج الأشعة تحت الحمراء كاميرا LWIR.ترد المعلمات الهندسية التي تم أخذها في الاعتبار في التجارب في الجدول.واحد.
تتم مقارنة نتائج المحاكاة للنموذج الرياضي والنتائج التجريبية بشرط جهد دخل 7 فولت ، كما هو موضح في الشكل 5.وفقًا لنتائج التحليل المعياري ولتجنب احتمال ارتفاع درجة حرارة سلك SMA ، تم توفير طاقة 11.2 واط للمشغل.تم استخدام مصدر طاقة تيار مستمر قابل للبرمجة لتزويد 7 فولت كجهد دخل ، وتم قياس تيار 1.6 أمبير عبر السلك.تزداد القوة الناتجة عن المحرك ودرجة حرارة SDR عند تطبيق التيار.مع جهد دخل 7V ، فإن أقصى قوة خرج تم الحصول عليها من نتائج المحاكاة والنتائج التجريبية للدورة الأولى هي 78 N و 96 N ، على التوالي.في الدورة الثانية ، كانت أقصى قوة خرج للمحاكاة والنتائج التجريبية 150 نيوتن و 105 نيوتن على التوالي.قد يكون التناقض بين قياسات قوة الانسداد والبيانات التجريبية بسبب الطريقة المستخدمة لقياس قوة الانسداد.النتائج التجريبية الموضحة في الشكل.يتوافق 5 أ مع قياس قوة القفل ، والتي تم قياسها بدورها عندما كان عمود القيادة على اتصال مع محول القوة الكهروضغطية PACEline CFT / 5kN ، كما هو موضح في الشكل.2 ثانية.لذلك ، عندما لا يكون عمود الإدارة على اتصال مع مستشعر القوة في بداية منطقة التبريد ، تصبح القوة على الفور صفراً ، كما هو موضح في الشكل 2 د.بالإضافة إلى ذلك ، فإن المعلمات الأخرى التي تؤثر على تكوين القوة في الدورات اللاحقة هي قيم وقت التبريد ومعامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري في الدورة السابقة.من التين.2 ب ، يمكن ملاحظة أنه بعد فترة تبريد مدتها 15 ثانية ، لم يصل سلك SMA إلى درجة حرارة الغرفة وبالتالي كانت درجة الحرارة الأولية أعلى (\ (40 \، ^ {\ circ} \ hbox {C} \)) في دورة القيادة الثانية مقارنة بالدورة الأولى (\ (25 \، ^ {\ circ} \ hbox {C} \)).وبالتالي ، مقارنة بالدورة الأولى ، تصل درجة حرارة سلك SMA أثناء دورة التسخين الثانية إلى درجة حرارة الأوستينيت الأولية (\ (A_s \)) في وقت مبكر وتبقى في الفترة الانتقالية لفترة أطول ، مما يؤدي إلى الإجهاد والقوة.من ناحية أخرى ، فإن توزيعات درجة الحرارة أثناء دورات التدفئة والتبريد التي تم الحصول عليها من التجارب والمحاكاة لها تشابه نوعي عالٍ مع أمثلة من التحليل الحراري.أظهر التحليل المقارن للبيانات الحرارية لسلك SMA من التجارب والمحاكاة الاتساق أثناء دورات التسخين والتبريد وضمن التفاوتات المقبولة للبيانات التجريبية.درجة الحرارة القصوى لسلك SMA ، التي تم الحصول عليها من نتائج المحاكاة والتجارب للدورة الأولى ، هي \ (89 \ ، ^ {\ circ} \ hbox {C} \) و \ (75 \ ، ^ {\ circ} \ hbox {C} \ ، على التوالي) ، وفي الدورة الثانية تكون درجة الحرارة القصوى لسلك SMA هي \ (94 \ ، ^ {\ circ} \ {\ {C}) ، \ {C}.يؤكد النموذج المطور بشكل أساسي تأثير تأثير ذاكرة الشكل.لم يتم النظر في دور التعب وارتفاع درجة الحرارة 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 SMA التي تم الحصول عليها من كتلة Simulink ضمن التفاوتات المسموح بها للبيانات التجريبية بشرط نبضة جهد دخل تبلغ 7 فولت. وهذا يؤكد صحة وموثوقية النموذج الرياضي المطور.
تم تطوير النموذج الرياضي في بيئة MathWorks Simulink R2020b باستخدام المعادلات الأساسية الموضحة في قسم الطرق.على التين.يوضح الشكل 3 ب مخطط كتلة لنموذج Simulink الرياضي.تمت محاكاة النموذج لنبضة جهد دخل 7 فولت كما هو موضح في الشكل 2 أ ، ب.يتم سرد قيم المعلمات المستخدمة في المحاكاة في الجدول 1. يتم عرض نتائج محاكاة العمليات العابرة في الشكلين 1 و 1. الشكلين 3 أ و 4. في الشكل.يوضح الشكل 4 أ ، ب الجهد المستحث في سلك SMA والقوة الناتجة عن المشغل كدالة للوقت. أثناء التحويل العكسي (التسخين) ، عندما تكون درجة حرارة سلك SMA ، \ (T <A_s ^ {\ prime} \) (درجة حرارة بدء مرحلة الأوستينيت المعدلة بالإجهاد) ، فإن معدل تغير جزء حجم مارتينسيت (\ (\ نقطة {\ xi} \)) سيكون صفرًا. أثناء التحويل العكسي (التسخين) ، عندما تكون درجة حرارة سلك SMA ، \ (T <A_s ^ {\ prime} \) (درجة حرارة بدء مرحلة الأوستينيت المعدلة بالإجهاد) ، فإن معدل تغير جزء حجم مارتينسيت (\ (\ نقطة {\ xi} \)) سيكون صفرًا. Во время обратного превращения (нагрева) ، когда температура проволоки SMA ، \ (T <A_s ^ {\ prime} \) (тамперитурай) ، модифицированная напряжением)، скорость изменения объемной доли мартенсита (\ (\ dot {\ xi} \)) будео рания أثناء التحويل العكسي (التسخين) ، عندما تكون درجة حرارة سلك SMA ، \ (T <A_s ^ {\ prime} \) (درجة حرارة بداية الأوستينيت المعدلة بالإجهاد) ، فإن معدل التغير في كسر حجم مارتينسيت (\ (\ نقطة {\ xi} \)) سيكون صفرًا..在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (ر ри обратном превращении (нагреве) при температуре проволоки СПФ \ (T <A_s ^ {\ prime} \) . أثناء التحويل العكسي (التسخين) عند درجة حرارة سلك SMA \ (T <A_s ^ {\ prime} \) (درجة حرارة تنوي مرحلة الأوستينيت ، مصححة للإجهاد) ، فإن معدل التغيير في جزء الحجم من مارتينسيت (\ (\ نقطة {\ xi} \)) سيكون يساوي صفرًا.لذلك ، فإن معدل تغير الضغط (\ (\ dot {\ sigma} \)) سيعتمد على معدل الإجهاد (\ (\ dot {\ epsilon} \)) وتدرج درجة الحرارة (\ (\ dot {T} \)) فقط باستخدام المعادلة (1).ومع ذلك ، مع زيادة درجة حرارة سلك SMA وتقاطعاته (\ (A_s ^ {\ prime} \)) ، تبدأ مرحلة الأوستينيت في التكون ، ويتم أخذ (\ (\ dot {\ xi} \)) كقيمة معطاة للمعادلة (3).لذلك ، فإن معدل تغير الجهد (\ (\ dot {\ sigma} \)) يتم التحكم فيه بشكل مشترك بواسطة \ (\ dot {\ epsilon} ، \ (\ dot {T} \) و \ (\ dot {\ xi} \) يساوي المعطى في الصيغة (1).يفسر هذا تغييرات التدرج الملحوظة في خرائط الإجهاد والقوة المتغيرة بمرور الوقت أثناء دورة التسخين ، كما هو موضح في الشكل 4 أ ، ب.
(أ) نتيجة المحاكاة التي توضح توزيع درجة الحرارة ودرجة حرارة الوصلة الناتجة عن الإجهاد في مشغل ثنائي التكافؤ قائم على SMA.عندما تعبر درجة حرارة السلك درجة حرارة انتقال الأوستينيت في مرحلة التسخين ، تبدأ درجة حرارة انتقال الأوستينيت المعدلة في الزيادة ، وبالمثل ، عندما تعبر درجة حرارة قضيب السلك درجة حرارة انتقال المارتينسيت في مرحلة التبريد ، تنخفض درجة حرارة انتقال المارتنسيت.SMA للنمذجة التحليلية لعملية التشغيل.(للحصول على عرض تفصيلي لكل نظام فرعي لنموذج Simulink ، راجع قسم الملحق في الملف الإضافي.)
يتم عرض نتائج تحليل توزيعات المعلمات المختلفة لدورتين من جهد الدخل 7 فولت (دورات إحماء لمدة 10 ثوان ودورات تبريد لمدة 15 ثانية).بينما يصف (ac) و (e) التوزيع بمرور الوقت ، من ناحية أخرى ، يوضح (d) و (f) التوزيع مع درجة الحرارة.بالنسبة لظروف الإدخال المعنية ، يكون الحد الأقصى للإجهاد الملحوظ 106 ميجا باسكال (أقل من 345 ميجا باسكال ، قوة خضوع السلك) ، والقوة 150 نيوتن ، والحد الأقصى للإزاحة هو 270 ميكرومتر ، والحد الأدنى لكسر حجم مارتينسيت هو 0.91.من ناحية أخرى ، فإن التغير في الإجهاد والتغير في حجم جزء المارتينسيت مع درجة الحرارة يشبه خصائص التباطؤ.
ينطبق نفس التفسير على التحول المباشر (التبريد) من مرحلة الأوستينيت إلى مرحلة مارتينسيت ، حيث تكون درجة حرارة سلك SMA (T) ودرجة حرارة النهاية لمرحلة مارتينسيت المعدلة بالإجهاد (\ (M_f ^ {\ Prime} \)) ممتازة.على التين.يوضح الشكل 4 د ، و التغير في الضغط المستحث (\ (\ سيجما \)) وجزء حجم المارتينسيت (\ (\ xi \)) في سلك SMA كدالة للتغير في درجة حرارة سلك SMA (T) ، لكل من دورات القيادة.على التين.يوضح الشكل 3 أ التغير في درجة حرارة سلك SMA بمرور الوقت اعتمادًا على نبضة جهد الدخل.كما يتضح من الشكل ، تستمر درجة حرارة السلك في الزيادة من خلال توفير مصدر حرارة بجهد صفري والتبريد الحراري اللاحق.أثناء التسخين ، تبدأ إعادة تحويل المارتينسيت إلى مرحلة الأوستينيت عندما تعبر درجة حرارة سلك SMA (T) درجة حرارة نواة الأوستينيت المصححة الإجهاد (\ (A_s ^ {\ Prime} \)).خلال هذه المرحلة ، يتم ضغط سلك SMA ويولد المشغل القوة.أيضًا أثناء التبريد ، عندما تعبر درجة حرارة سلك SMA (T) درجة حرارة النواة لمرحلة مارتينسيت المعدلة بالإجهاد (\ (M_s ^ {\ prime} \)) يكون هناك انتقال إيجابي من مرحلة الأوستينيت إلى مرحلة مارتينسيت.تقل قوة الدفع.
يمكن الحصول على الجوانب النوعية الرئيسية لمحرك ثنائي النسق يعتمد على SMA من نتائج المحاكاة.في حالة إدخال نبضة جهد ، تزداد درجة حرارة سلك SMA بسبب تأثير التسخين في جول.يتم تعيين القيمة الأولية لكسر حجم مارتينسيت (\ (\ xi \)) على 1 ، نظرًا لأن المادة في البداية في مرحلة مارتينسيت بالكامل.مع استمرار تسخين السلك ، تتجاوز درجة حرارة سلك SMA درجة حرارة تنوي الأوستينيت المصححة الإجهاد \ (A_s ^ {\ prime} \) ، مما يؤدي إلى انخفاض جزء حجم مارتينسيت ، كما هو موضح في الشكل 4 ج.بالإضافة إلى ذلك ، في الشكل.يوضح الشكل 4e توزيع ضربات المشغل في الوقت المناسب وفي الشكل.5- القوة الدافعة كدالة زمنية.يتضمن نظام المعادلات ذات الصلة درجة الحرارة وجزء حجم مارتينسيت والضغط الذي يتطور في السلك ، مما يؤدي إلى انكماش سلك SMA والقوة الناتجة عن المشغل.كما يظهر في الشكل.4d ، f ، اختلاف الجهد مع درجة الحرارة واختلاف حجم مارتينسيت مع درجة الحرارة تتوافق مع خصائص التباطؤ لـ SMA في الحالة المحاكاة عند 7 فولت.
تم الحصول على مقارنة بين متغيرات القيادة من خلال التجارب والحسابات التحليلية.تم تعريض الأسلاك لجهد دخل نبضي قدره 7 فولت لمدة 10 ثوانٍ ، ثم تم تبريدها لمدة 15 ثانية (مرحلة التبريد) على دورتين.يتم ضبط زاوية الريش على \ (40 ^ {\ circ} \) ويتم ضبط الطول الأولي لسلك SMA في كل رجل دبوس على 83 مم.(أ) قياس القوة الدافعة بخلية تحميل (ب) مراقبة درجة حرارة السلك بكاميرا حرارية تعمل بالأشعة تحت الحمراء.
من أجل فهم تأثير المعلمات الفيزيائية على القوة التي ينتجها محرك الأقراص ، 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 الإدخال (\ (V_ {in} \)) ، وطول سلك SMA الأولي (\ (l_0 \)) ، وزاوية المثلث (\ (\ alpha \)) ، وثابت زنبرك التحيز (\ (K_x \)) ، ومعامل نقل الحرارة بالحمل الحراري (\ (h_T \)) وعدد الفروع أحادية الوسيط (n).في الخطوة التالية ، تم اختيار ذروة قوة العضلات كمتطلب تصميم للدراسة 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 6 أ.
(أ) تظهر قيم معامل الارتباط لمعلمات النموذج وتأثيرها على أقصى قوة خرج تبلغ 2500 مجموعة فريدة من معلمات النموذج أعلاه في مخطط الإعصار.يوضح الرسم البياني ارتباط الرتبة لعدة مؤشرات.من الواضح أن \ (V_ {in} \) هي المعلمة الوحيدة ذات الارتباط الموجب ، و \ (l_0 \) هي المعلمة ذات الارتباط السلبي الأعلى.يظهر تأثير العوامل المختلفة في مجموعات مختلفة على ذروة قوة العضلات في (ب ، ج).\ (K_x \) يتراوح من 400 إلى 800 N / m و n يتراوح من 4 إلى 24. تغير الجهد (\ (V_ {in} \)) من 4V إلى 10V ، وطول السلك (\ (l_ {0} \)) تغير من 40 إلى 100 مم ، وزاوية الذيل (\ (\ alpha \)) اختلفت من \ (20-60 \، ^ {\ circ} \).
على التين.يوضح الشكل 6 أ مخطط الإعصار من معاملات الارتباط المختلفة لكل معلمة مع متطلبات تصميم قوة محرك الذروة.من التين.6 أ يمكن ملاحظة أن معلمة الجهد (\ (V_ {in} \)) ترتبط ارتباطًا مباشرًا بأقصى قوة خرج ، ومعامل نقل الحرارة الحراري (\ (h_T \)) ، زاوية اللهب (\ (\ alpha \)) ، ثابت زنبرك الإزاحة (\ (K_x \)) يرتبط سلبًا بقوة الإخراج ويظهر الطول الأولي (\ (رقم السلك العكسي \ n) ، والارتباط العكسي للسلك n في حالة الارتباط المباشر في حالة وجود قيمة أعلى لمعامل ارتباط الجهد (\ (V_ {in} \)) يشير إلى أن هذه المعلمة لها أكبر تأثير على خرج الطاقة.يقيس تحليل مشابه آخر قوة الذروة من خلال تقييم تأثير المعلمات المختلفة في مجموعات مختلفة من الفراغين الحسابيين ، كما هو موضح في الشكل 6 ب ، ج.\ (V_ {in} \) و \ (l_0 \) و \ (\ alpha \) و \ (l_0 \) لها أنماط متشابهة ، ويوضح الرسم البياني أن \ (V_ {in} \) و \ (\ alpha \) و \ (\ alpha \) لهما أنماط متشابهة.تؤدي القيم الأصغر لـ \ (l_0 \) إلى قوى ذروة أعلى.تتوافق المقطعتان الأخريان مع الشكل 6 أ ، حيث يرتبط n و \ (K_x \) ارتباطًا سلبيًا و \ (V_ {in} \) مرتبطان بشكل إيجابي.يساعد هذا التحليل في تحديد وضبط المعلمات المؤثرة التي يمكن من خلالها تكييف قوة الخرج والسكتة وكفاءة نظام القيادة مع المتطلبات والتطبيق.
يقدم العمل البحثي الحالي ويتحقق من محركات الأقراص الهرمية بمستويات N.في التسلسل الهرمي ذي المستويين ، كما هو موضح في الشكل 7 أ ، حيث بدلاً من كل سلك SMA لمشغل المستوى الأول ، يتم تحقيق ترتيب ثنائي النسق ، كما هو موضح في الشكل.9 هـ.على التين.يوضح الشكل 7 ج كيفية لف سلك SMA حول ذراع متحرك (ذراع إضافي) يتحرك فقط في الاتجاه الطولي.ومع ذلك ، يستمر الذراع المتحرك الأساسي في التحرك بنفس الطريقة التي يتحرك بها الذراع المتحرك للمشغل متعدد المراحل الأول.عادةً ما يتم إنشاء محرك N-stage عن طريق استبدال سلك SMA للمرحلة \ (N-1 \) بمحرك المرحلة الأولى.نتيجة لذلك ، يقلد كل فرع محرك المرحلة الأولى ، باستثناء الفرع الذي يحمل السلك نفسه.بهذه الطريقة ، يمكن تشكيل الهياكل المتداخلة التي تخلق قوى أكبر بعدة مرات من قوى المحركات الأولية.في هذه الدراسة ، لكل مستوى ، تم أخذ الطول الإجمالي الفعال لسلك SMA البالغ 1 متر في الاعتبار ، كما هو موضح في الشكل الجدولي في الشكل 7 د.التيار من خلال كل سلك في كل تصميم أحادي النمط والجهد المسبق الناتج والجهد في كل مقطع سلك SMA هو نفسه في كل مستوى.وفقًا لنموذجنا التحليلي ، ترتبط قوة الخرج ارتباطًا إيجابيًا بالمستوى ، بينما يرتبط الإزاحة ارتباطًا سلبيًا.في الوقت نفسه ، كانت هناك مفاضلة بين الإزاحة وقوة العضلات.كما رأينا في الشكل.7 ب ، بينما يتم تحقيق أقصى قوة في أكبر عدد من الطبقات ، لوحظ أكبر إزاحة في الطبقة الدنيا.عندما تم ضبط مستوى التسلسل الهرمي على \ (N = 5 \) ، تم العثور على قوة عضلية قصوى تبلغ 2.58 كيلو نيوتن مع سكتين ملاحظتين \ (\ upmu \) م.من ناحية أخرى ، يولد محرك المرحلة الأولى قوة مقدارها 150 نيوتن بضربة قدرها 277 \ (\ upmu \) م.المشغلات متعددة المستويات قادرة على محاكاة العضلات البيولوجية الحقيقية ، حيث تكون العضلات الاصطناعية القائمة على سبائك ذاكرة الشكل قادرة على توليد قوى أعلى بشكل ملحوظ بحركات دقيقة وأدق.تتمثل قيود هذا التصميم المصغر في أنه مع زيادة التسلسل الهرمي ، تقل الحركة بشكل كبير ويزداد تعقيد عملية تصنيع محرك الأقراص.
(أ) يتم عرض نظام المشغل الخطي ذي الشكل ذي الذاكرة المكونة من مرحلتين (\ (N = 2 \)) في تكوين ثنائي النسق.يتم تحقيق النموذج المقترح من خلال استبدال سلك SMA في المحرك ذي الطبقات في المرحلة الأولى بمشغل آخر ذو طبقة واحدة.(ج) التكوين المشوه لمشغل المرحلة الثانية متعدد الطبقات.(ب) يتم وصف توزيع القوات وحالات النزوح اعتمادًا على عدد المستويات.لقد وجد أن قوة الذروة للمشغل ترتبط ارتباطًا إيجابيًا بمستوى المقياس على الرسم البياني ، بينما ترتبط السكتة الدماغية سلبًا بمستوى المقياس.يظل الجهد الحالي والجهد المسبق في كل سلك ثابتًا على جميع المستويات.(د) يوضح الجدول عدد الصنابير وطول سلك SMA (الألياف) في كل مستوى.يشار إلى خصائص الأسلاك في الفهرس 1 ، ويشار إلى عدد الفروع الثانوية (واحد متصل بالساق الأساسي) بأكبر عدد في الخط السفلي.على سبيل المثال ، في المستوى 5 ، يشير \ (n_1 \) إلى عدد أسلاك SMA الموجودة في كل بنية ثنائية الوضع ، ويشير \ (n_5 \) إلى عدد الأرجل المساعدة (أحدها متصل بالساق الرئيسية).
تم اقتراح طرق مختلفة من قبل العديد من الباحثين لنمذجة سلوك SMAs بذاكرة الشكل ، والتي تعتمد على الخصائص الميكانيكية الحرارية المصاحبة للتغيرات العيانية في التركيب البلوري المرتبط بانتقال الطور.إن صياغة الطرق التأسيسية معقدة بطبيعتها.تم اقتراح نموذج الظواهر الأكثر استخدامًا بواسطة Tanaka ويستخدم على نطاق واسع في التطبيقات الهندسية.يفترض النموذج الظاهراتي الذي اقترحه تاناكا [28] أن الجزء الحجمي للمارتينسيت هو دالة أسية لدرجة الحرارة والضغط.في وقت لاحق ، اقترح Liang and Rogers و Brinson30 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 التحميل التعسفي وكذلك التحولات الجزئية.يستخدم Banerjee32 طريقة ديناميكيات مخطط الطور Bekker و Brinson31 لمحاكاة درجة واحدة من مناور الحرية الذي طوره Elahinia و Ahmadian.يصعب تنفيذ الطرق الحركية القائمة على مخططات الطور ، والتي تأخذ في الاعتبار التغير غير التوتر في الجهد مع درجة الحرارة ، في التطبيقات الهندسية.يلفت Elakhinia و Ahmadian الانتباه إلى أوجه القصور هذه في النماذج الظاهرية الحالية ويقترحان نموذجًا ظاهريًا موسعًا لتحليل وتحديد سلوك ذاكرة الشكل تحت أي ظروف تحميل معقدة.
يعطي النموذج الهيكلي لسلك SMA إجهادًا (\ (\ sigma \)) ، إجهاد (\ (\ epsilon \)) ، ودرجة حرارة (T) ، وجزء حجم مارتينسيت (\ (\ xi \)) لسلك SMA.تم اقتراح النموذج التأسيسي الظاهراتي لأول مرة بواسطة Tanaka وتم اعتماده لاحقًا بواسطة Liang29 و Brinson.مشتق المعادلة له الشكل:
حيث E هو معامل SMA Young المعتمد على الطور الذي تم الحصول عليه باستخدام \ (\ displaystyle E = \ xi E_M + (1- \ xi) E_A \) و \ (E_A \) و \ (E_M \) التي تمثل معامل يونغ هي مراحل أوستنيتيّة ومارتنسيتيّة ، على التوالي ، ويمثل معامل التمدد الحراري بـ (\ ثيتا _T \).عامل مساهمة المرحلة الانتقالية هو \ (\ Omega = -E \ epsilon _L \) و \ (\ epsilon _L \) هو أقصى إجهاد قابل للاسترداد في سلك SMA.
تتزامن معادلة ديناميكيات الطور مع دالة جيب التمام التي طورها Liang29 واعتمدتها لاحقًا Brinson30 بدلاً من الوظيفة الأسية التي اقترحها Tanaka.يعد نموذج انتقال الطور امتدادًا للنموذج الذي اقترحه Elakhinia و Ahmadian وتم تعديله بناءً على ظروف انتقال الطور التي قدمها Liang29 و Brinson.الشروط المستخدمة في نموذج انتقال الطور هذا صالحة في ظل الأحمال الميكانيكية الحرارية المعقدة.في كل لحظة من الزمن ، يتم حساب قيمة جزء الحجم من مارتينسيت عند نمذجة المعادلة التأسيسية.
معادلة إعادة التحويل الحاكمة ، المعبر عنها بتحويل المارتينسيت إلى الأوستينيت تحت ظروف التدفئة ، هي كما يلي:
حيث \ (\ xi \) هو جزء الحجم من مارتينسيت ، (\ xi _M \) هو جزء الحجم من مارتينسيت الذي تم الحصول عليه قبل التسخين ، (\ displaystyle a_A = \ pi / (A_f - A_s) \) ، (\ displaystyle b_A = -a_A / C_A) و (C_A_fire \) المعلمات ، \) - بداية ونهاية مرحلة الأوستينيت ، على التوالي ، درجة الحرارة.
معادلة التحكم في التحول المباشر ، التي يتم تمثيلها بتحويل طور الأوستينيت إلى مارتينسيت تحت ظروف التبريد ، هي:
حيث \ (\ xi _A \) هو جزء الحجم من مارتينسيت 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 تركيب المنحنى ، T - درجة حرارة سلك SMA ، (M_s ، على التوالي ، و martensite)
بعد التفريق بين المعادلتين (3) و (4) ، يتم تبسيط معادلات التحويل العكسي والمباشر بالشكل التالي:
أثناء التحويل الأمامي والخلفي \ (\ eta _ {\ sigma} \) و \ (\ eta _ {T} \) يأخذان قيمًا مختلفة.تم اشتقاق المعادلات الأساسية المرتبطة بـ \ (\ eta _ {\ sigma} \) و \ (\ eta _ {T} \) ومناقشتها بالتفصيل في قسم إضافي.
الطاقة الحرارية المطلوبة لرفع درجة حرارة سلك SMA تأتي من تأثير التسخين Joule.يتم تمثيل الطاقة الحرارية الممتصة أو المنبعثة بواسطة سلك SMA بالحرارة الكامنة للتحول.يرجع فقدان الحرارة في سلك SMA إلى الحمل الحراري القسري ، ونظراً للتأثير الضئيل للإشعاع ، تكون معادلة توازن الطاقة الحرارية كما يلي:
حيث \ (m_ {wire} \) هي الكتلة الإجمالية لسلك SMA ، \ (c_ {p} \) هي السعة الحرارية المحددة لـ SMA ، \ (V_ {in} \) هو الجهد المطبق على السلك ، \ (R_ {أوم} \) - مقاومة تعتمد على الطور SMA ، كما هي محددة ؛\ (R_ {ohm} = (l / A_ {cross}) [\ xi r_M + (1- \ xi) r_A] \) حيث \ (r_M \) و \ (r_A \) هي مقاومة طور SMA في مارتينسيت والأوستينيت ، على التوالي ، \ (A_ {c} \) هي مساحة سطح سلك SMA \) \ (دلتا)الحرارة الكامنة لانتقال السلك ، T و \ (T _ {\ infty} \) هي درجات حرارة سلك SMA والبيئة ، على التوالي.
عندما يتم تشغيل سلك سبيكة ذاكرة الشكل ، يضغط السلك ، مما يخلق قوة في كل فرع من فروع التصميم ثنائي الوضع تسمى قوة الألياف.تخلق قوى الألياف الموجودة في كل خيط من سلك SMA معًا القوة العضلية للتفعيل ، كما هو موضح في الشكل 9 هـ.نظرًا لوجود زنبرك متحيز ، فإن القوة الكلية للعضلات للمشغل متعدد الطبقات N هي:
بالتعويض عن \ (N = 1 \) في المعادلة (7) ، يمكن الحصول على قوة العضلات في النموذج الأولي لمحرك ثنائي النسق للمرحلة الأولى على النحو التالي:
حيث n هو عدد الأرجل أحادية النمط ، \ (F_m \) هي القوة العضلية الناتجة عن محرك الأقراص ، \ (F_f \) هي قوة الألياف في سلك SMA ، \ (K_x \) هي صلابة التحيز.الربيع ، \ (\ alpha \) هو زاوية المثلث ، \ (x_0 \) هو الإزاحة الأولية للزنبرك المتحيز لتثبيت كابل SMA في موضع الشد المسبق ، و \ (\ Delta x \) هو تحرك المشغل.
الإزاحة الكلية أو حركة محرك الأقراص (\ (\ Delta x \)) اعتمادًا على الجهد (\ (\ sigma \)) والضغط (\ (\ epsilon \)) على سلك SMA في المرحلة N ، يتم ضبط محرك الأقراص على (انظر الشكل. الجزء الإضافي من الإخراج):
تعطي المعادلات الحركية العلاقة بين تشوه محرك الأقراص (\ (\ epsilon \)) والإزاحة أو الإزاحة (\ (\ Delta x \)).يكون تشوه سلك Arb كدالة لطول سلك Arb الأولي (\ (l_0 \)) وطول السلك (l) في أي وقت t في فرع أحادي الوسائط كما يلي:
حيث \ (l = \ sqrt {l_0 ^ 2 + (\ Delta x_1) ^ 2 - 2 l_0 (\ Delta x_1) \ cos \ alpha _1} \) يتم الحصول عليها من خلال تطبيق صيغة جيب التمام في \ (\ Delta \) ABB '، كما هو موضح في الشكل 8. بالنسبة لمحرك المرحلة الأولى (\ (N = 1 \)) ، \ (\ Delta x_1 \ alpha) هو \ (\ كما هو مبين في الشكل 8 ، من خلال التمييز بين الوقت من المعادلة (11) واستبدال قيمة l ، يمكن كتابة معدل الإجهاد على النحو التالي:
حيث \ (l_0 \) هو الطول الأولي لسلك SMA ، l هو طول السلك في أي وقت.
جميع الهياكل أحادية الذروة (\ (n = 6 \) في هذا الشكل) متصلة في سلسلة مع \ (V_ {in} \) كجهد دخل.المرحلة الأولى: رسم تخطيطي لسلك SMA في تكوين ثنائي النسق تحت ظروف الجهد الصفري المرحلة الثانية: يظهر هيكل محكوم حيث يتم ضغط سلك SMA بسبب التحويل العكسي ، كما هو موضح في الخط الأحمر.
كدليل على المفهوم ، تم تطوير محرك ثنائي النسق قائم على SMA لاختبار الاشتقاق المحاكي للمعادلات الأساسية مع النتائج التجريبية.يظهر نموذج CAD للمشغل الخطي ثنائي النسق في الشكل.9 أ.من ناحية أخرى ، في الشكل.يوضح الشكل 9 ج تصميمًا جديدًا مقترحًا للاتصال المنشور الدوراني باستخدام مشغل SMA ثنائي المستوى مع بنية ثنائية النسق.تم تصنيع مكونات محرك الأقراص باستخدام التصنيع الإضافي على طابعة Ultimaker 3 Extended 3D.المادة المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد للمكونات هي مادة البولي كربونات المناسبة للمواد المقاومة للحرارة لأنها قوية ومتينة ولها درجة حرارة انتقال زجاجية عالية (110-113 \ (^ {\ circ} \) C).بالإضافة إلى ذلك ، تم استخدام سلك سبيكة ذاكرة على شكل فلكسينول Dynalloy، Inc. في التجارب ، واستخدمت خصائص المواد المقابلة لسلك Flexinol في عمليات المحاكاة.يتم ترتيب أسلاك SMA المتعددة كألياف موجودة في ترتيب ثنائي النسق للعضلات للحصول على القوى العالية التي تنتجها المحركات متعددة الطبقات ، كما هو موضح في الشكل 9 ب ، د.
كما هو مبين في الشكل 9 أ ، تسمى الزاوية الحادة المكونة من سلك SMA للذراع المتحرك بالزاوية (\ (\ alpha \)).مع المشابك الطرفية المرفقة بالمشابك اليمنى واليسرى ، يتم تثبيت سلك SMA عند الزاوية الثنائية المرغوبة.تم تصميم جهاز الزنبرك المتحيز المثبت على الموصل الزنبركي لضبط مجموعات تمديد زنبرك التحيز المختلفة وفقًا لعدد (ن) ألياف SMA.بالإضافة إلى ذلك ، تم تصميم موقع الأجزاء المتحركة بحيث يتعرض سلك SMA للبيئة الخارجية للتبريد القسري بالحمل الحراري.تساعد الألواح العلوية والسفلية للتجميع القابل للفصل في الحفاظ على برودة سلك SMA مع قواطع مقذوفة مصممة لتقليل الوزن.بالإضافة إلى ذلك ، يتم تثبيت طرفي سلك CMA على المحطات اليمنى واليسرى ، على التوالي ، عن طريق التجعيد.يتم توصيل المكبس بأحد طرفي المجموعة المتحركة للحفاظ على الخلوص بين الألواح العلوية والسفلية.يستخدم المكبس أيضًا لتطبيق قوة حجب على المستشعر عبر جهة اتصال لقياس قوة الحجب عند تشغيل سلك SMA.
الهيكل العضلي ثنائي النسق SMA متصل كهربائيًا في سلسلة ويتم تشغيله بجهد 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 حبلا.ينشط هذا التراجع التجميع الفرعي للذراع المتحرك.عندما كان الجهد صفرًا في نفس الدورة ، تم تبريد سلك SMA المسخن تحت درجة حرارة سطح مارتينسيت ، وبالتالي عاد إلى موضعه الأصلي.تحت ظروف الضغط الصفري ، يتم شد سلك SMA بشكل سلبي أولاً بواسطة زنبرك متحيز للوصول إلى حالة martensitic.يتحرك المسمار ، الذي يمر من خلاله سلك SMA ، بسبب الضغط الناتج عن تطبيق نبضة جهد على سلك SMA (يصل SPA إلى مرحلة الأوستينيت) ، مما يؤدي إلى تشغيل الرافعة المتحركة.عندما يتم سحب سلك SMA ، فإن زنبرك التحيز يخلق قوة معاكسة عن طريق زيادة شد الزنبرك.عندما يصبح الضغط في جهد النبضة صفراً ، يستطيل سلك SMA ويغير شكله بسبب التبريد بالحمل القسري ، ليصل إلى طور مارتينسيتي مزدوج.
يحتوي نظام المشغل الخطي المقترح المستند إلى SMA على تكوين ثنائي النسق تكون فيه أسلاك SMA مائلة.(أ) يصور نموذج CAD للنموذج الأولي ، والذي يذكر بعض المكونات ومعانيها للنموذج الأولي ، (ب ، د) يمثل النموذج الأولي التجريبي المطور.بينما (ب) يُظهر منظرًا علويًا للنموذج الأولي مع التوصيلات الكهربائية ونوابض التحيز ومقاييس الإجهاد المستخدمة ، (د) يُظهر عرض منظور للإعداد.(هـ) رسم تخطيطي لنظام تشغيل خطي بأسلاك SMA موضوعة بشكل ثنائي في أي وقت t ، مما يوضح اتجاه ومسار الألياف وقوة العضلات.(ج) تم اقتراح وصلة موشورية دورانية 2-DOF لنشر مشغل ثنائي المستوى قائم على SMA.كما هو موضح ، ينقل الرابط حركة خطية من المحرك السفلي إلى الذراع العلوي ، مما يؤدي إلى إنشاء اتصال دوراني.من ناحية أخرى ، فإن حركة زوج المنشور هي نفس حركة محرك المرحلة الأولى متعدد الطبقات.
تم إجراء دراسة تجريبية على النموذج الأولي الموضح في الشكل 9 ب لتقييم أداء محرك ثنائي الوسائط يعتمد على SMA.كما هو مبين في الشكل 10 أ ، يتألف الإعداد التجريبي من مصدر طاقة تيار مستمر قابل للبرمجة لتوفير جهد الإدخال لأسلاك SMA.كما يظهر في الشكل.في الشكل 10 ب ، تم استخدام مقياس ضغط كهرضغطية (PACEline CFT / 5kN) لقياس قوة الحجب باستخدام مسجل بيانات Graphtec GL-2000.يتم تسجيل البيانات من قبل المضيف لمزيد من الدراسة.تتطلب مقاييس الإجهاد ومضخمات الشحن مصدر طاقة ثابتًا لإنتاج إشارة جهد.يتم تحويل الإشارات المقابلة إلى مخرجات طاقة وفقًا لحساسية مستشعر القوة الكهرضغطية والمعلمات الأخرى كما هو موضح في الجدول 2. عندما يتم تطبيق نبضة جهد ، تزداد درجة حرارة سلك SMA ، مما يتسبب في ضغط سلك SMA ، مما يؤدي إلى توليد قوة المشغل.النتائج التجريبية لمخرجات قوة العضلات بواسطة نبضة جهد دخل 7 فولت موضحة في الشكل.2 أ.
(أ) تم إنشاء نظام مشغل خطي قائم على SMA في التجربة لقياس القوة الناتجة عن المشغل.تقيس خلية الحمل قوة الحجب ويتم تشغيلها بواسطة مصدر طاقة بجهد 24 فولت.تم تطبيق انخفاض الجهد بمقدار 7 فولت على طول الكابل بالكامل باستخدام مصدر طاقة تيار مستمر قابل للبرمجة GW Instek.يتقلص سلك SMA بسبب الحرارة ، ويتلامس الذراع المتحرك مع خلية الحمل ويمارس قوة حجب.يتم توصيل خلية التحميل بمسجل البيانات GL-2000 ويتم تخزين البيانات على المضيف لمزيد من المعالجة.(ب) رسم تخطيطي يوضح سلسلة مكونات الإعداد التجريبي لقياس قوة العضلات.
يتم تحفيز سبائك ذاكرة الشكل بواسطة الطاقة الحرارية ، لذلك تصبح درجة الحرارة معلمة مهمة لدراسة ظاهرة ذاكرة الشكل.تجريبيًا ، كما هو موضح في الشكل 11 أ ، تم إجراء قياسات التصوير الحراري ودرجة الحرارة على نموذج أولي لمشغل ثنائي التكافؤ قائم على SMA.قام مصدر تيار مستمر قابل للبرمجة بتطبيق جهد الإدخال على أسلاك SMA في الإعداد التجريبي ، كما هو موضح في الشكل 11 ب.تم قياس تغير درجة حرارة سلك SMA في الوقت الفعلي باستخدام كاميرا LWIR عالية الدقة (FLIR A655sc).يستخدم المضيف برنامج ResearchIR لتسجيل البيانات لمزيد من المعالجة اللاحقة.عندما يتم تطبيق نبضة جهد ، تزداد درجة حرارة سلك SMA ، مما يتسبب في انكماش سلك SMA.على التين.يوضح الشكل 2 ب النتائج التجريبية لدرجة حرارة سلك SMA مقابل الوقت لنبضة جهد إدخال 7 فولت.