Nature.com saytına daxil olduğunuz üçün təşəkkür edirik. İstifadə etdiyiniz brauzer versiyasında məhdud CSS dəstəyi var. Ən yaxşı təcrübə üçün yenilənmiş brauzerdən istifadə etməyinizi (və ya Internet Explorer-də Uyğunluq Rejimini deaktiv etməyinizi) tövsiyə edirik. Bu vaxt ərzində davamlı dəstəyi təmin etmək üçün saytı stillər və JavaScript olmadan render edəcəyik.
Aktuatorlar hər yerdə istifadə olunur və istehsal və sənaye avtomatlaşdırmasında müxtəlif əməliyyatları yerinə yetirmək üçün düzgün həyəcan qüvvəsi və ya fırlanma momenti tətbiq etməklə idarə olunan hərəkət yaradır. Daha sürətli, daha kiçik və daha səmərəli sürücülərə ehtiyac sürücü dizaynında innovasiyanı irəli aparır. Forma Yaddaş Ərintisi (SMA) sürücüləri yüksək güc-çəki nisbəti də daxil olmaqla, ənənəvi sürücülərə nisbətən bir sıra üstünlüklər təklif edir. Bu dissertasiya işində bioloji sistemlərin lələkli əzələlərinin üstünlüklərini və SMA-ların unikal xüsusiyyətlərini birləşdirən iki tüklü SMA əsaslı aktuator hazırlanmışdır. Bu tədqiqat bimodal SMA tel düzülüşünə əsaslanan yeni aktuatorun riyazi modelini hazırlayaraq və eksperimental olaraq sınaqdan keçirərək əvvəlki SMA aktuatorlarını araşdırır və genişləndirir. SMA əsaslı məlum sürücülərlə müqayisədə yeni sürücünün hərəkət qüvvəsi ən azı 5 dəfə yüksəkdir (150 N-ə qədər). Müvafiq çəki itkisi təxminən 67% -dir. Riyazi modellərin həssaslıq təhlilinin nəticələri dizayn parametrlərini tənzimləmək və əsas parametrləri anlamaq üçün faydalıdır. Bu tədqiqat dinamikanı daha da artırmaq üçün istifadə edilə bilən çoxsəviyyəli N-ci mərhələli sürücünü təqdim edir. SMA əsaslı dipvalerat əzələ aktuatorları bina avtomatlaşdırmasından tutmuş dəqiq dərman çatdırılma sistemlərinə qədər geniş tətbiq sahəsinə malikdir.
Məməlilərin əzələ strukturları kimi bioloji sistemlər bir çox incə aktuatorları aktivləşdirə bilər1. Məməlilərin hər biri müəyyən bir məqsədə xidmət edən fərqli əzələ strukturları var. Lakin, məməlilərin əzələ toxumasının strukturunun böyük bir hissəsini iki geniş kateqoriyaya bölmək olar: Paralel və dayaqvari. Bud əzələlərində və digər fleksorlarda, adından da göründüyü kimi, paralel əzələlərdə mərkəzi vətərə paralel əzələ lifləri var. Əzələ lifləri zənciri ətrafındakı birləşdirici toxuma ilə düzülmüş və funksional olaraq bir-birinə bağlıdır. Bu əzələlərin böyük bir ekskursiyaya (faiz qısalmasına) malik olduğu deyilsə də, onların ümumi əzələ gücü çox məhduddur. Bunun əksinə olaraq, üçbaşlı baldır əzələsində2 (lateral qastroknemius (GL)3, medial qastroknemius (GM)4 və soleus (SOL)) və ekstensor bud əzələsində (quadriceps)5,6 dayaqvari əzələ toxuması hər əzələdə7 tapılır. Sancaqvari quruluşda, iki ayaqvari əzələdəki əzələ lifləri mərkəzi vətərin hər iki tərəfində əyri bucaqlarda (sancaqvari bucaqlar) mövcuddur. Pennate latınca "penna" sözündən gəlir və "qələm" mənasını verir və Şəkil 1-də göstərildiyi kimi, lələk kimi görünüşə malikdir. Pennate əzələlərinin lifləri daha qısadır və əzələnin uzununa oxuna bucaq altındadır. Pinnate quruluşuna görə bu əzələlərin ümumi hərəkətliliyi azalır ki, bu da qısalma prosesinin eninə və uzununa komponentlərinə səbəb olur. Digər tərəfdən, bu əzələlərin aktivləşməsi fizioloji kəsişmə sahəsinin ölçülməsi üsuluna görə daha yüksək ümumi əzələ gücünə səbəb olur. Buna görə də, müəyyən bir kəsişmə sahəsi üçün pennate əzələləri daha güclü olacaq və paralel lifləri olan əzələlərə nisbətən daha yüksək qüvvələr yaradacaq. Fərdi liflər tərəfindən yaradılan qüvvələr həmin əzələ toxumasında makroskopik səviyyədə əzələ qüvvələri yaradır. Bundan əlavə, sürətli büzülmə, dartılma zədələnməsindən qorunma, yumşalma kimi unikal xüsusiyyətlərə malikdir. Əzələ hərəkət xətləri ilə əlaqəli lif düzülüşünün unikal xüsusiyyətlərindən və həndəsi mürəkkəbliyindən istifadə edərək lif girişi ilə əzələ gücü çıxışı arasındakı əlaqəni dəyişdirir.
Mövcud SMA əsaslı aktuator dizaynlarının bimodal əzələ arxitekturası ilə əlaqəli sxematik diaqramları göstərilir, məsələn (a), SMA telləri ilə hərəkətə gətirilən əl formalı cihazın iki təkərli muxtar mobil robota quraşdırıldığı toxunma qüvvəsinin qarşılıqlı təsirini təmsil edir9,10. , (b) Antaqonist şəkildə yerləşdirilmiş SMA yaylı orbital protezli robot orbital protez. Protez gözün mövqeyi gözün göz əzələsindən gələn siqnalla idarə olunur11, (c) SMA aktuatorları yüksək tezlikli reaksiya və aşağı bant genişliyinə görə sualtı tətbiqlər üçün idealdır. Bu konfiqurasiyada SMA aktuatorları balıqların hərəkətini simulyasiya etməklə dalğa hərəkəti yaratmaq üçün istifadə olunur, (d) SMA aktuatorları 10-cu kanalın içərisində SMA tellərinin hərəkəti ilə idarə olunan düym qurd hərəkəti prinsipindən istifadə edə bilən mikro boru yoxlama robotu yaratmaq üçün istifadə olunur, (e) əzələ liflərinin daralma istiqamətini və damaq toxumasında daralma qüvvəsi yaradan əzələ lifləri istiqamətini göstərir, (f) pennate əzələ strukturunda əzələ lifləri şəklində düzülmüş SMA tellərini göstərir.
Aktuatorlar geniş tətbiq sahələrinə görə mexaniki sistemlərin vacib bir hissəsinə çevrilib. Buna görə də, daha kiçik, daha sürətli və daha səmərəli sürücülərə ehtiyac kritik hala gəlir. Üstünlüklərinə baxmayaraq, ənənəvi sürücülərin texniki xidməti bahalı və vaxt aparan olduğunu sübut etmişdir. Hidravlik və pnevmatik aktuatorlar mürəkkəb və bahalıdır və aşınma, yağlama problemləri və komponentlərin sıradan çıxmasına məruz qalır. Tələbata cavab olaraq, diqqət ağıllı materiallara əsaslanan səmərəli, ölçü optimallaşdırılmış və qabaqcıl aktuatorların hazırlanmasına yönəlib. Davam edən tədqiqatlar bu ehtiyacı ödəmək üçün forma yaddaşlı ərintisi (SMA) laylı aktuatorlara baxır. İyerarxik aktuatorlar, artan və genişləndirilmiş funksionallıq təmin etmək üçün bir çox diskret aktuatorları həndəsi cəhətdən mürəkkəb makro miqyaslı alt sistemlərə birləşdirmələri ilə unikaldır. Bu baxımdan, yuxarıda təsvir edilən insan əzələ toxuması bu cür çoxqatlı aktuasiyanın əla çoxqatlı nümunəsini təqdim edir. Hazırkı tədqiqat, ümumi sürücü performansını yaxşılaşdıran, bimodal əzələlərdə mövcud olan lif istiqamətlərinə uyğunlaşdırılmış bir neçə fərdi sürücü elementi (SMA naqilləri) olan çoxsəviyyəli SMA sürücüsünü təsvir edir.
Aktuatorun əsas məqsədi elektrik enerjisini çevirməklə qüvvə və yerdəyişmə kimi mexaniki güc çıxışı yaratmaqdır. Forma yaddaşlı ərintilər yüksək temperaturda formasını bərpa edə bilən "ağıllı" materiallar sinfidir. Yüksək yüklər altında SMA telinin temperaturunun artması formanın bərpasına gətirib çıxarır və bu da müxtəlif birbaşa bağlanmış ağıllı materiallarla müqayisədə daha yüksək aktivləşdirmə enerjisi sıxlığına səbəb olur. Eyni zamanda, mexaniki yüklər altında SMA-lar kövrək olur. Müəyyən şərtlər altında tsiklik yük mexaniki enerjini uda və buraxa bilər və geri dönən isteretik forma dəyişiklikləri nümayiş etdirir. Bu unikal xüsusiyyətlər SMA-nı sensorlar, vibrasiya söndürmə və xüsusilə aktuatorlar üçün ideal edir12. Bunu nəzərə alaraq, SMA əsaslı sürücülər üzərində çoxlu tədqiqat aparılmışdır. Qeyd etmək lazımdır ki, SMA əsaslı aktuatorlar müxtəlif tətbiqlər üçün translyasiya və fırlanma hərəkəti təmin etmək üçün hazırlanmışdır13,14,15. Bəzi fırlanan aktuatorlar hazırlansa da, tədqiqatçılar xüsusilə xətti aktuatorlarla maraqlanırlar. Bu xətti aktuatorları üç növ aktuatora bölmək olar: birölçülü, yerdəyişmə və diferensial aktuatorlar16. Əvvəlcə hibrid sürücülər SMA və digər ənənəvi sürücülərlə birlikdə yaradılmışdır. SMA əsaslı hibrid xətti aktuatorun belə bir nümunəsi, təxminən 100 N çıxış qüvvəsi və əhəmiyyətli yerdəyişmə təmin etmək üçün DC mühərriki olan SMA telinin istifadəsidir17.
Tamamilə SMA-ya əsaslanan sürücülərdə ilk inkişaflardan biri SMA paralel sürücü idi. Birdən çox SMA naqilindən istifadə edərək, SMA əsaslı paralel sürücü, bütün SMA18 naqillərini paralel yerləşdirməklə sürücünün güc qabiliyyətini artırmaq üçün hazırlanmışdır. Aktuatorların paralel qoşulması yalnız daha çox güc tələb etmir, həm də tək bir telin çıxış gücünü məhdudlaşdırır. SMA əsaslı aktuatorların digər bir çatışmazlığı, əldə edə biləcəkləri məhdud hərəkətdir. Bu problemi həll etmək üçün yerdəyişməni artırmaq və xətti hərəkətə nail olmaq üçün əyilmiş çevik şüa ehtiva edən, lakin daha yüksək qüvvələr yaratmayan SMA kabel şüası yaradılmışdır19. Forma yaddaşlı ərintilərə əsaslanan robotlar üçün yumşaq deformasiyaya uğrayan strukturlar və parçalar əsasən zərbə gücləndirməsi üçün hazırlanmışdır20,21,22. Yüksək sürətlərin tələb olunduğu tətbiqlər üçün mikropompa idarə olunan tətbiqlər üçün nazik filmli SMA-lardan istifadə edən kompakt idarə olunan nasoslar bildirilmişdir23. Nazik filmli SMA membranının sürücü tezliyi sürücünün sürətini idarə etməkdə əsas amildir. Buna görə də, SMA xətti mühərrikləri SMA yay və ya çubuqlu mühərriklərə nisbətən daha yaxşı dinamik cavaba malikdir. Yumşaq robototexnika və tutuş texnologiyası SMA əsaslı aktuatorlardan istifadə edən iki digər tətbiqdir. Məsələn, 25 N boşluq sıxacında istifadə olunan standart aktuatoru əvəz etmək üçün forma yaddaşlı ərintisi paralel aktuator 24 hazırlanmışdır. Başqa bir halda, maksimum 30 N dartma qüvvəsi yarada bilən daxili matrisə malik bir telə əsaslanan SMA yumşaq aktuator hazırlanmışdır. Mexaniki xüsusiyyətlərinə görə SMA-lar həmçinin bioloji hadisələri təqlid edən aktuatorlar istehsal etmək üçün də istifadə olunur. Belə inkişaflardan biri, atəş açmaq üçün sinusoidal hərəkət yaratmaq üçün SMA ilə yer qurduna bənzər bir orqanizmin biomimetikası olan 12 hüceyrəli robotu əhatə edir26,27.
Daha əvvəl qeyd edildiyi kimi, mövcud SMA əsaslı aktuatorlardan əldə edilə bilən maksimum qüvvənin bir həddi var. Bu məsələni həll etmək üçün bu tədqiqat biomimetik bimodal əzələ quruluşunu təqdim edir. Forma yaddaşlı ərintili məftillə idarə olunur. Bir neçə forma yaddaşlı ərintili məftilləri əhatə edən təsnifat sistemi təqdim edir. Bu günə qədər ədəbiyyatda oxşar arxitekturaya malik heç bir SMA əsaslı aktuator bildirilməyib. SMA əsaslı bu unikal və yeni sistem bimodal əzələ uyğunlaşması zamanı SMA-nın davranışını öyrənmək üçün hazırlanmışdır. Mövcud SMA əsaslı aktuatorlarla müqayisədə bu tədqiqatın məqsədi kiçik həcmdə əhəmiyyətli dərəcədə daha yüksək qüvvələr yaratmaq üçün biomimetik dipvalerat aktuator yaratmaq idi. HVAC bina avtomatlaşdırması və idarəetmə sistemlərində istifadə olunan ənənəvi pilləli mühərriklə idarə olunan sürücülərlə müqayisədə təklif olunan SMA əsaslı bimodal sürücü dizaynı sürücü mexanizminin çəkisini 67% azaldır. Aşağıda "əzələ" və "sürücü" terminləri bir-birini əvəz edir. Bu tədqiqat belə bir sürücünün multifizik simulyasiyasını araşdırır. Belə sistemlərin mexaniki davranışı eksperimental və analitik metodlarla öyrənilmişdir. 7 V giriş gərginliyində qüvvə və temperatur paylanması daha da araşdırıldı. Daha sonra əsas parametrlər və çıxış qüvvəsi arasındakı əlaqəni daha yaxşı başa düşmək üçün parametrik analiz aparıldı. Nəhayət, iyerarxik aktuatorlar nəzərdə tutuldu və protez tətbiqləri üçün qeyri-maqnit aktuatorlar üçün potensial gələcək sahə kimi iyerarxik səviyyə effektləri təklif edildi. Yuxarıda qeyd olunan tədqiqatların nəticələrinə görə, tək mərhələli arxitekturanın istifadəsi bildirilən SMA əsaslı aktuatorlardan ən azı dörd-beş dəfə çox qüvvə yaradır. Bundan əlavə, çoxsəviyyəli çoxsəviyyəli sürücü tərəfindən yaradılan eyni hərəkətverici qüvvənin ənənəvi SMA əsaslı sürücülərdən on dəfədən çox olduğu göstərilmişdir. Daha sonra tədqiqat müxtəlif dizaynlar və giriş dəyişənləri arasında həssaslıq təhlili istifadə edərək əsas parametrləri bildirir. SMA telinin ilkin uzunluğu (\(l_0\)), sancaq bucağı (\(\alfa\)) və hər bir fərdi zəncirdəki tək zəncirlərin sayı (n) hərəkətverici qüvvənin gücünə güclü mənfi təsir göstərir, giriş gərginliyi (enerji) isə müsbət korrelyasiyaya malikdir.
SMA naqili, nikel-titan (Ni-Ti) ərintilər ailəsində müşahidə olunan forma yaddaş effektini (SME) nümayiş etdirir. Tipik olaraq, SMA-lar iki temperaturdan asılı faza nümayiş etdirir: aşağı temperatur fazası və yüksək temperatur fazası. Hər iki faza fərqli kristal strukturlarının olması səbəbindən unikal xüsusiyyətlərə malikdir. Transformasiya temperaturundan yuxarıda mövcud olan austenit fazasında (yüksək temperatur fazası) material yüksək möhkəmlik nümayiş etdirir və yük altında zəif deformasiyaya uğrayır. Ərinti paslanmayan polad kimi davranır, buna görə də daha yüksək işəsalma təzyiqlərinə davam gətirə bilir. Ni-Ti ərintilərinin bu xüsusiyyətindən istifadə edərək, SMA naqilləri aktuator yaratmaq üçün əyilir. Müxtəlif parametrlərin və müxtəlif həndəsələrin təsiri altında SMA-nın istilik davranışının fundamental mexanikasını anlamaq üçün müvafiq analitik modellər hazırlanmışdır. Təcrübi və analitik nəticələr arasında yaxşı uyğunluq əldə edilmişdir.
Şəkil 9a-da göstərilən prototip üzərində SMA-ya əsaslanan bimodal sürücünün işini qiymətləndirmək üçün eksperimental tədqiqat aparılmışdır. Bu xüsusiyyətlərdən ikisi, sürücünün yaratdığı qüvvə (əzələ qüvvəsi) və SMA telinin temperaturu (SMA temperaturu) eksperimental olaraq ölçülmüşdür. Sürücüdəki telin bütün uzunluğu boyunca gərginlik fərqi artdıqca, telin temperaturu Coul istilik effekti səbəbindən artır. Giriş gərginliyi hər dövr arasında 15 saniyəlik soyutma dövrü ilə iki 10 saniyəlik dövrdə (Şəkil 2a, b-də qırmızı nöqtələr kimi göstərilmişdir) tətbiq edilmişdir. Bloklama qüvvəsi pyezoelektrik gərginlik ölçən cihaz istifadə edilərək ölçülmüş və SMA telinin temperatur paylanması elmi dərəcəli yüksək qətnaməli LWIR kamerası istifadə edilərək real vaxt rejimində izlənilmişdir (Cədvəl 2-də istifadə olunan avadanlığın xüsusiyyətlərinə baxın). Göstərir ki, yüksək gərginlik fazasında telin temperaturu monoton şəkildə artır, lakin cərəyan axmadıqda telin temperaturu düşməyə davam edir. Hazırkı eksperimental qurğuda, SMA telinin temperaturu soyutma mərhələsində aşağı düşmüşdür, lakin yenə də ətraf mühitin temperaturundan yüksək idi. Şəkil 2e-də LWIR kamerasından götürülmüş SMA telindəki temperaturun anlıq görüntüsü göstərilir. Digər tərəfdən, şəkil 2a-da sürücü sistemi tərəfindən yaradılan bloklama qüvvəsi göstərilir. Əzələ qüvvəsi yayın bərpaedici qüvvəsini aşdıqda, Şəkil 9a-da göstərildiyi kimi, hərəkət edən qol hərəkət etməyə başlayır. İşəsalma başlayan kimi, hərəkət edən qol sensorla təmasa girir və şəkil 2c, d-də göstərildiyi kimi, gövdə qüvvəsi yaradır. Maksimum temperatur \(84\,^{\circ}\hbox {C}\-yə yaxın olduqda, müşahidə edilən maksimum qüvvə 105 N-dir.
Qrafik, SMA telinin temperaturunun və SMA əsaslı bimodal aktuator tərəfindən iki dövr ərzində yaradılan qüvvənin eksperimental nəticələrini göstərir. Giriş gərginliyi hər dövr arasında 15 saniyəlik soyutma dövrü ilə iki 10 saniyəlik dövrədə (qırmızı nöqtələr kimi göstərilir) tətbiq olunur. Təcrübələr üçün istifadə edilən SMA teli Dynalloy, Inc. şirkətinin 0,51 mm diametrli Flexinol teli idi. (a) Qrafik iki dövr ərzində əldə edilən eksperimental qüvvəni göstərir, (c, d) PACEline CFT/5kN pyezoelektrik qüvvə çeviricisində hərəkət edən qol aktuatorlarının təsirinin iki müstəqil nümunəsini göstərir, (b) qrafik iki dövr ərzində bütün SMA telinin maksimum temperaturunu göstərir, (e) FLIR ResearchIR proqram təminatı LWIR kamerasından istifadə edərək SMA telindən götürülmüş temperatur anlıq görüntüsünü göstərir. Təcrübələrdə nəzərə alınan həndəsi parametrlər Cədvəl 1-də verilmişdir.
Riyazi modelin simulyasiya nəticələri və eksperimental nəticələr Şəkil 5-də göstərildiyi kimi, 7V giriş gərginliyi şərti ilə müqayisə edilir. Parametrik analizin nəticələrinə əsasən və SMA naqilinin həddindən artıq istiləşmə ehtimalının qarşısını almaq üçün aktuatora 11,2 Vt güc verildi. Giriş gərginliyi kimi 7V təmin etmək üçün proqramlaşdırıla bilən DC enerji mənbəyindən istifadə edildi və naqil boyunca 1,6A cərəyan ölçüldü. Cərəyan tətbiq edildikdə sürücü tərəfindən yaradılan qüvvə və SDR-in temperaturu artır. 7V giriş gərginliyi ilə birinci dövrənin simulyasiya nəticələrindən və eksperimental nəticələrindən əldə edilən maksimum çıxış qüvvəsi müvafiq olaraq 78 N və 96 N-dir. İkinci dövrdə simulyasiya və eksperimental nəticələrin maksimum çıxış qüvvəsi müvafiq olaraq 150 N və 105 N idi. Okklyuziya qüvvəsi ölçmələri ilə eksperimental məlumatlar arasındakı uyğunsuzluq okklyuziya qüvvəsini ölçmək üçün istifadə edilən metodla bağlı ola bilər. Şəkildə göstərilən eksperimental nəticələr. 5a, Şəkil 2s-də göstərildiyi kimi, sürücü valı PACEline CFT/5kN pyezoelektrik qüvvə çeviricisi ilə təmasda olduqda ölçülən kilidləmə qüvvəsinin ölçülməsinə uyğundur. Buna görə də, sürücü valı soyutma zonasının əvvəlində qüvvə sensoru ilə təmasda olmadıqda, Şəkil 2d-də göstərildiyi kimi, qüvvə dərhal sıfıra bərabər olur. Bundan əlavə, sonrakı dövrlərdə qüvvənin əmələ gəlməsinə təsir edən digər parametrlər soyutma vaxtının dəyərləri və əvvəlki dövrdə konvektiv istilik ötürülməsi əmsalıdır. Şəkil 2b-dən görünür ki, 15 saniyəlik soyutma dövründən sonra SMA naqili otaq temperaturuna çatmayıb və buna görə də ikinci sürücülük dövründə birinci dövrə (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)) nisbətən daha yüksək başlanğıc temperatura (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) malik olub. Beləliklə, birinci dövrlə müqayisədə, ikinci qızdırma dövrü ərzində SMA telinin temperaturu ilkin austenit temperaturuna (\(A_s\)) daha tez çatır və keçid dövründə daha uzun müddət qalır ki, bu da gərginlik və qüvvəyə səbəb olur. Digər tərəfdən, təcrübələrdən və simulyasiyalardan əldə edilən isitmə və soyutma dövrləri zamanı temperatur paylanmaları termoqrafik analiz nümunələri ilə yüksək keyfiyyət oxşarlığına malikdir. Təcrübələrdən və simulyasiyalardan əldə edilən SMA telinin istilik məlumatlarının müqayisəli təhlili isitmə və soyutma dövrləri zamanı və eksperimental məlumatlar üçün məqbul toleranslar daxilində ardıcıllıq göstərdi. Birinci dövrün simulyasiya və təcrübələrinin nəticələrindən əldə edilən SMA telinin maksimum temperaturu müvafiq olaraq \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) və \(75\,^{\circ }\hbox {C }\)-dir, ikinci dövrdə isə SMA telinin maksimum temperaturu \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) və \(83\,^{\circ }\hbox {C}\)-dir. Əsasən hazırlanmış model forma yaddaşı effektinin təsirini təsdiqləyir. Bu icmalda yorğunluq və həddindən artıq istiləşmənin rolu nəzərə alınmayıb. Gələcəkdə model SMA naqilinin gərginlik tarixçəsini daxil etmək üçün təkmilləşdiriləcək və bu da onu mühəndislik tətbiqləri üçün daha uyğun hala gətirəcək. Simulink blokundan əldə edilən çıxış qüvvəsi və SMA temperatur qrafikləri, giriş gərginliyi impulsu 7 V şərti ilə eksperimental məlumatların icazə verilən toleransları daxilindədir. Bu, hazırlanmış riyazi modelin düzgünlüyünü və etibarlılığını təsdiqləyir.
Riyazi model, Metodlar bölməsində təsvir edilən əsas tənliklərdən istifadə edərək MathWorks Simulink R2020b mühitində hazırlanmışdır. Şəkil 3b-də Simulink riyazi modelinin blok diaqramı göstərilir. Model Şəkil 2a, b-də göstərildiyi kimi 7V giriş gərginliyi impulsu üçün simulyasiya edilmişdir. Simulyasiyada istifadə olunan parametrlərin dəyərləri Cədvəl 1-də verilmişdir. Keçid proseslərinin simulyasiyasının nəticələri Şəkil 1 və 1-də təqdim edilmişdir. Şəkil 3a və 4-də. Şəkil 4a, b-də SMA naqilindəki induksiya gərginliyi və aktuator tərəfindən zamandan asılı olaraq yaradılan qüvvə göstərilir. Tərs çevrilmə (qızdırma) zamanı, SMA naqilinin temperaturu, \(T < A_s^{\prime}\) (gərginliklə modifikasiya olunmuş austenit fazasının başlanğıc temperaturu), martensit həcm hissəsinin dəyişmə sürəti (\(\dot{\xi }\)) sıfır olacaq. Tərs çevrilmə (qızdırma) zamanı, SMA naqilinin temperaturu, \(T < A_s^{\prime}\) (gərginliklə modifikasiya olunmuş austenit fazasının başlanğıc temperaturu), martensit həcm hissəsinin dəyişmə sürəti (\(\dot{\ xi }\)) sıfır olacaq. Bu müddət ərzində temperaturun yüksəldilməsi (naqreva), temperaturun yüksəldilməsi SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura naçala austenitnoy fazy, modificrovannaya napryajeniem), skorost ravemya obratngo prevraщeniya (naгрева), скорость разменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\) no. Tərs çevrilmə (qızdırma) zamanı, SMA telinin temperaturu, \(T < A_s^{\prime}\) (gərginliklə modifikasiya olunmuş austenitin başlanğıc temperaturu), martensit həcm hissəsinin dəyişmə sürəti (\(\dot{\ xi }\)) sıfır olacaq.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率（)(\)将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) SMA əsaslı ikiqatlı aktuatorda temperatur paylanmasını və gərginliklə induksiya olunmuş qovşaq temperaturunu göstərən simulyasiya nəticəsi. Qızdırma mərhələsində naqil temperaturu austenitin keçid temperaturunu keçdikdə, dəyişdirilmiş austenitin keçid temperaturu artmağa başlayır və oxşar şəkildə, naqil çubuğunun temperaturu soyutma mərhələsində martensit keçid temperaturunu keçdikdə, martensit keçid temperaturu azalır. Aktuasiya prosesinin analitik modelləşdirilməsi üçün SMA. (Simulink modelinin hər bir alt sisteminin ətraflı görünüşü üçün əlavə faylın əlavə bölməsinə baxın.)
Müxtəlif parametr paylanmaları üçün təhlilin nəticələri 7V giriş gərginliyinin iki dövrü üçün göstərilir (10 saniyəlik istiləşmə dövrü və 15 saniyəlik soyuma dövrü). Digər tərəfdən, (ac) və (e) zamanla paylanmanı təsvir edərkən, (d) və (f) temperaturla paylanmanı göstərir. Müvafiq giriş şərtləri üçün müşahidə edilən maksimum gərginlik 106 MPa (345 MPa-dan az, naqillərin axıcılıq möhkəmliyi), qüvvə 150 N, maksimum yerdəyişmə 270 µm və minimum martensit həcm fraksiyası 0,91-dir. Digər tərəfdən, gərginliyin dəyişməsi və martensitin həcm fraksiyasının temperaturla dəyişməsi histerezis xüsusiyyətlərinə bənzəyir.
Eyni izahat, SMA telinin temperaturunun (T) və gərginliklə modifikasiya olunmuş martensit fazasının (\(M_f^{\prime}\ )) son temperaturunun əla olduğu austenit fazasından martensit fazasına birbaşa transformasiyaya (soyutmaya) da aiddir. Şəkil 4d,f-də SMA telində induksiya gərginliyinin (\(\sigma\)) və martensitin həcm hissəsindəki (\(\xi\)) dəyişikliyi hər iki idarəetmə dövrü üçün SMA telinin temperaturunun (T) dəyişikliyinin funksiyası kimi göstərilir. Şəkil 3a-da giriş gərginliyi impulsundan asılı olaraq SMA telinin temperaturunun zamanla dəyişməsi göstərilir. Şəkildən göründüyü kimi, sıfır gərginlikdə istilik mənbəyi təmin etməklə və sonrakı konvektiv soyutma ilə telin temperaturu artmağa davam edir. Qızdırma zamanı martensitin austenit fazasına retransformasiyası SMA telinin temperaturu (T) gərginliklə korreksiya olunmuş austenit nüvələşmə temperaturunu (\(A_s^{\prime}\)) keçdikdə başlayır. Bu fazada SMA tel sıxılır və aktuator qüvvə yaradır. Həmçinin soyutma zamanı SMA telinin (T) temperaturu gərginliklə modifikasiya olunmuş martensit fazasının (\(M_s^{\prime}\)) nüvələşmə temperaturunu keçdikdə austenit fazasından martensit fazasına müsbət keçid baş verir. Hərəkət qüvvəsi azalır.
SMA-ya əsaslanan bimodal sürücünün əsas keyfiyyət aspektləri simulyasiya nəticələrindən əldə edilə bilər. Gərginlik impulsu girişi halında, Joule istilik effekti səbəbindən SMA telinin temperaturu artır. Martensit həcm fraksiyasının (\(\xi\)) ilkin dəyəri 1-ə təyin edilmişdir, çünki material əvvəlcə tam martensit fazasındadır. Tel qızmağa davam etdikcə, SMA telinin temperaturu gərginliklə düzəldilmiş austenitin nüvələşmə temperaturunu (\(A_s^{\prime}\) aşır və nəticədə martensit həcm fraksiyasında azalma olur, Şəkil 4c-də göstərildiyi kimi. Bundan əlavə, Şəkil 4e-də aktuatorun vuruşlarının zamana görə paylanması, Şəkil 5-də isə hərəkətverici qüvvənin zamana görə funksiyası göstərilir. Əlaqəli tənliklər sisteminə temperatur, martensit həcm fraksiyası və teldə inkişaf edən gərginlik daxildir ki, bu da SMA telinin büzülməsinə və aktuator tərəfindən yaradılan qüvvəyə səbəb olur. Şəkil 5-də göstərildiyi kimi 4d,f, temperaturla bağlı gərginlik dəyişməsi və martensit həcm fraksiyasının temperaturla bağlı dəyişməsi 7 V-da simulyasiya edilmiş halda SMA-nın histerezis xüsusiyyətlərinə uyğun gəlir.
Sürücülük parametrlərinin müqayisəsi təcrübələr və analitik hesablamalar vasitəsilə əldə edilmişdir. Naqillər 10 saniyə ərzində 7 V impulslu giriş gərginliyinə məruz qalmış, sonra iki dövr ərzində 15 saniyə (soyutma fazası) soyudulmuşdur. Sancaq bucağı \(40^{\circ}\) olaraq təyin edilmiş və hər bir sancaq ayağında SMA telinin ilkin uzunluğu 83 mm olaraq təyin edilmişdir. (a) Yük kamerası ilə hərəkətverici qüvvənin ölçülməsi (b) Termal infraqırmızı kamera ilə tel temperaturunun monitorinqi.
Fiziki parametrlərin sürücünün yaratdığı qüvvəyə təsirini anlamaq üçün riyazi modelin seçilmiş fiziki parametrlərə həssaslığının təhlili aparılmış və parametrlər təsirlərinə görə sıralanmışdır. Əvvəlcə model parametrlərinin nümunə götürülməsi vahid paylanmaya əməl edən eksperimental dizayn prinsiplərindən istifadə etməklə aparılmışdır (Həssaslıq Təhlili üzrə Əlavə Bölməyə baxın). Bu halda, model parametrlərinə giriş gərginliyi (\(V_{in}\)), ilkin SMA naqil uzunluğu (\(l_0\)), üçbucaq bucağı (\(\alpha\)), əyilmə yay sabiti (\(K_x\)), konvektiv istilik ötürmə əmsalı (\(h_T\)) və unimodal budaqların sayı (n) daxildir. Növbəti addımda, tədqiqat dizayn tələbi olaraq pik əzələ gücü seçildi və hər bir dəyişən dəstinin gücə parametrik təsirləri əldə edildi. Həssaslıq təhlili üçün tornado qrafikləri Şəkil 6a-da göstərildiyi kimi, hər bir parametr üçün korrelyasiya əmsallarından əldə edilmişdir.
(a) Model parametrlərinin korrelyasiya əmsalının dəyərləri və yuxarıdakı model parametrlərinin 2500 unikal qrupunun maksimum çıxış qüvvəsinə təsiri tornado qrafikində göstərilmişdir. Qrafik bir neçə göstəricinin ranq korrelyasiyasını göstərir. Aydındır ki, müsbət korrelyasiyaya malik yeganə parametr \(V_{in}\), ən yüksək mənfi korrelyasiyaya malik parametr isə \(l_0\)-dir. Müxtəlif kombinasiyalarda müxtəlif parametrlərin pik əzələ gücünə təsiri (b, c)-də göstərilmişdir. \(K_x\) 400 ilə 800 N/m arasında, n isə 4 ilə 24 arasında dəyişir. Gərginlik (\(V_{in}\) 4V-dan 10V-a, naqil uzunluğu (\(l_{0} \)) 40-dan 100 mm-ə, quyruq bucağı (\ (\alfa \)) isə \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\) arasında dəyişmişdir.
Şəkil 6a-da pik hərəkətverici qüvvənin dizayn tələbləri ilə hər bir parametr üçün müxtəlif korrelyasiya əmsallarının tornado qrafiki göstərilir. Şəkil 6a-dan görünür ki, gərginlik parametri (\(V_{in}\)) birbaşa maksimum çıxış qüvvəsi ilə əlaqəlidir və konvektiv istilik ötürmə əmsalı (\(h_T\)), alov bucağı (\(alpha\)), yerdəyişmə yay sabiti (\(K_x\)) çıxış qüvvəsi və SMA telinin ilkin uzunluğu (\(l_0\)) ilə mənfi korrelyasiya olunur və unimodal budaqların sayı (n) güclü tərs korrelyasiya göstərir. Birbaşa korrelyasiya halında gərginlik korrelyasiya əmsalının (\(V_{in}\)) daha yüksək dəyəri halında bu parametrin güc çıxışına ən böyük təsir göstərdiyini göstərir. Digər oxşar təhlil, Şəkil 6b, c-də göstərildiyi kimi, iki hesablama fəzasının müxtəlif kombinasiyalarında fərqli parametrlərin təsirini qiymətləndirməklə pik qüvvəsini ölçür. \(V_{in}\) və \(l_0\), \(\alpha\) və \(l_0\) oxşar nümunələrə malikdir və qrafik göstərir ki, \(V_{in}\) və \(\alpha\) və \(\alpha\) oxşar nümunələrə malikdir. \(l_0\)-nin daha kiçik dəyərləri daha yüksək pik qüvvələrinə səbəb olur. Digər iki qrafik Şəkil 6a ilə uyğundur, burada n və \(K_x\) mənfi, \(V_{in}\) isə müsbət korrelyasiya olunur. Bu təhlil, sürücü sisteminin çıxış qüvvəsinin, vuruşunun və səmərəliliyinin tələblərə və tətbiqə uyğunlaşdırıla biləcəyi təsir parametrlərini müəyyən etməyə və tənzimləməyə kömək edir.
Hazırkı tədqiqat işi N səviyyəli iyerarxik sürücüləri təqdim edir və araşdırır. Şəkil 7a-da göstərildiyi kimi, birinci səviyyəli aktuatorun hər bir SMA telinin əvəzinə, şəkil 9e-də göstərildiyi kimi, bimodal düzülüş əldə edildiyi iki səviyyəli iyerarxiyada. Şəkil 7c-də SMA telinin yalnız uzununa istiqamətdə hərəkət edən hərəkətli bir qola (köməkçi qol) necə sarıldığı göstərilir. Lakin, əsas hərəkətli qol 1-ci mərhələli çoxmərhələli aktuatorun hərəkətli qoluna bənzər şəkildə hərəkət etməyə davam edir. Tipik olaraq, N-mərhələli sürücü \(N-1\) mərhələli SMA telini birinci mərhələli sürücü ilə əvəz etməklə yaradılır. Nəticədə, hər bir budaq, telin özünü saxlayan budaq istisna olmaqla, birinci mərhələli sürücünü təqlid edir. Bu şəkildə, əsas sürücülərin qüvvələrindən bir neçə dəfə çox olan qüvvələr yaradan iç-içə strukturlar yarana bilər. Bu tədqiqatda, Şəkil 7d-də cədvəl formatında göstərildiyi kimi, hər bir səviyyə üçün 1 m ümumi effektiv SMA tel uzunluğu nəzərə alınmışdır. Hər bir unimodal dizaynda hər bir naqildən keçən cərəyan və hər bir SMA naqil seqmentində yaranan ön gərginlik və gərginlik hər səviyyədə eynidir. Analitik modelimizə görə, çıxış qüvvəsi səviyyə ilə müsbət, yerdəyişmə isə mənfi korrelyasiya olunur. Eyni zamanda, yerdəyişmə və əzələ gücü arasında güzəşt var idi. Şəkil 7b-də göründüyü kimi, maksimum qüvvə ən çox sayda təbəqədə əldə edilsə də, ən böyük yerdəyişmə ən aşağı təbəqədə müşahidə olunur. İyerarxiya səviyyəsi \(N=5\) olaraq təyin edildikdə, müşahidə edilən 2 vuruş \(\upmu\)m ilə 2,58 kN pik əzələ qüvvəsi tapıldı. Digər tərəfdən, birinci mərhələli sürücü 277 \(\upmu\)m vuruşda 150 N qüvvə yaradır. Çoxsəviyyəli aktuatorlar real bioloji əzələləri təqlid edə bilir, burada forma yaddaş ərintilərinə əsaslanan süni əzələlər dəqiq və daha incə hərəkətlərlə əhəmiyyətli dərəcədə daha yüksək qüvvələr yarada bilir. Bu miniatürləşdirilmiş dizaynın məhdudiyyətləri ondan ibarətdir ki, iyerarxiya artdıqca hərəkət xeyli azalır və sürücü istehsal prosesinin mürəkkəbliyi artır.
(a) İki mərhələli (\(N=2\)) laylı forma yaddaşlı ərintisi xətti aktuator sistemi bimodal konfiqurasiyada göstərilir. Təklif olunan model birinci mərhələli laylı aktuatordakı SMA naqilini başqa bir tək mərhələli laylı aktuatorla əvəz etməklə əldə edilir. (c) İkinci mərhələli çoxqatlı aktuatorun deformasiya olunmuş konfiqurasiyası. (b) Səviyyələrin sayından asılı olaraq qüvvələrin və yerdəyişmələrin paylanması təsvir edilmişdir. Aktuatorun pik qüvvəsinin qrafikdəki miqyas səviyyəsi ilə müsbət, vuruşun isə miqyas səviyyəsi ilə mənfi korrelyasiya etdiyi aşkar edilmişdir. Hər bir naqildəki cərəyan və əvvəlcədən gərginlik bütün səviyyələrdə sabit qalır. (d) Cədvəldə hər səviyyədə kranların sayı və SMA naqilinin (lif) uzunluğu göstərilir. Naqillərin xüsusiyyətləri indeks 1 ilə, ikinci dərəcəli budaqların sayı (əsas ayağa qoşulmuş biri) isə alt indeksdəki ən böyük rəqəmlə göstərilir. Məsələn, 5-ci səviyyədə, \(n_1\) hər ikimodal strukturda mövcud olan SMA naqillərinin sayını, \(n_5\) isə köməkçi ayaqların (əsas ayağa bağlı olanlardan biri) sayını göstərir.
Bir çox tədqiqatçı tərəfindən forma yaddaşına malik SMA-ların davranışını modelləşdirmək üçün müxtəlif metodlar təklif edilmişdir ki, bu da faza keçidi ilə əlaqəli kristal strukturundakı makroskopik dəyişikliklərlə müşayiət olunan termomekanik xüsusiyyətlərdən asılıdır. Konstitutiv metodların formulu mahiyyətcə mürəkkəbdir. Ən çox istifadə edilən fenomenoloji model Tanaka28 tərəfindən təklif olunur və mühəndislik tətbiqlərində geniş istifadə olunur. Tanaka [28] tərəfindən təklif edilən fenomenoloji model martensitin həcm hissəsinin temperatur və gərginliyin eksponensial funksiyası olduğunu fərz edir. Daha sonra Liang, Rogers29 və Brinson30, modeldə kiçik dəyişikliklərlə faza keçid dinamikasının gərginlik və temperaturun kosinus funksiyası olduğu qəbul edilən bir model təklif etdilər. Becker və Brinson, SMA materiallarının ixtiyari yükləmə şəraitində, eləcə də qismən keçidlərdə davranışını modelləşdirmək üçün faza diaqramına əsaslanan kinetik model təklif etdilər. Banerjee32, Elahinia və Ahmadian33 tərəfindən hazırlanmış tək sərbəstlik dərəcəsi manipulyatorunu simulyasiya etmək üçün Bekker və Brinson31 faza diaqramı dinamikası metodundan istifadə edir. Temperaturla gərginliyin qeyri-monoton dəyişməsini nəzərə alan faz diaqramlarına əsaslanan kinetik metodların mühəndislik tətbiqlərində tətbiqi çətindir. Elakhinia və Ahmadian mövcud fenomenoloji modellərin bu çatışmazlıqlarına diqqət çəkir və istənilən mürəkkəb yükləmə şəraitində forma yaddaşı davranışını təhlil etmək və təyin etmək üçün genişləndirilmiş fenomenoloji model təklif edirlər.
SMA telinin struktur modeli SMA telinin gərginliyini (\(sigma\)), deformasiyasını (\(epsilon\)), temperaturunu (T) və martensit həcm hissəsini (\(xi\)) verir. Fenomenoloji konstitutiv model ilk dəfə Tanaka28 tərəfindən təklif edilmiş və daha sonra Liang29 və Brinson30 tərəfindən qəbul edilmişdir. Tənliyin törəməsi aşağıdakı formadadır:
burada E, \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) və \(E_A\) istifadə edilərək əldə edilən fazadan asılı SMA Yanq moduludur. Yanq modulunu təmsil edən \(E_A\) və \(E_M\) müvafiq olaraq austenitik və martensitik fazalardır və istilik genişlənmə əmsalı \(\theta_T\) ilə təmsil olunur. Faza keçidinin töhfə əmsalı \(\Omega = -E \epsilon_L\)-dir və \(\epsilon_L\) SMA telində bərpa edilə bilən maksimum gərginlikdir.
Faza dinamikası tənliyi, Tanaka28 tərəfindən təklif edilən eksponensial funksiya əvəzinə, Liang29 tərəfindən hazırlanmış və daha sonra Brinson30 tərəfindən qəbul edilmiş kosinus funksiyası ilə üst-üstə düşür. Faza keçid modeli, Elaxinia və Ahmadian34 tərəfindən təklif edilən və Liang29 və Brinson30 tərəfindən verilən faza keçid şərtlərinə əsasən dəyişdirilmiş modelin genişləndirilməsidir. Bu faza keçid modeli üçün istifadə olunan şərtlər mürəkkəb termomekanik yüklər altında keçərlidir. Hər bir zaman anında, təsis tənliyini modelləşdirərkən martensitin həcm hissəsinin dəyəri hesablanır.
İstilik şəraitində martensitin austenitə çevrilməsi ilə ifadə edilən idarəedici retransformasiya tənliyi aşağıdakı kimidir:
burada \(\xi\) martensitin həcm hissəsidir, \(\xi _M\) qızdırılmadan əvvəl əldə edilən martensitin həcm hissəsidir, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) və \(C_A\) – əyri yaxınlaşma parametrləri, T – SMA naqil temperaturu, \(A_s\) və \(A_f\) – müvafiq olaraq austenit fazasının başlanğıcı və sonu, temperatur.
Soyutma şəraitində austenitin martensitə fazalı çevrilməsi ilə təmsil olunan birbaşa çevrilmə nəzarət tənliyi aşağıdakı kimidir:
burada \(xi _A\) soyumadan əvvəl əldə edilən martensitin həcm hissəsidir, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) və \ (C_M \) – əyri uyğunlaşdırma parametrləri, T – SMA naqil temperaturu, \(M_s\) və \(M_f\) – müvafiq olaraq ilkin və son martensit temperaturlarıdır.
(3) və (4) tənlikləri fərqləndirildikdən sonra tərs və birbaşa çevrilmə tənlikləri aşağıdakı formaya sadələşdirilir:
İrəli və geri çevrilmə zamanı \(\eta _{\sigma}\) və \(\eta _{T}\) fərqli qiymətlər alır. \(\eta _{\sigma}\) və \(\eta _{T}\) ilə əlaqəli əsas tənliklər əlavə bölmədə çıxarılıb və ətraflı müzakirə olunub.
SMA telinin temperaturunu qaldırmaq üçün tələb olunan istilik enerjisi Coul istilik effektindən qaynaqlanır. SMA telinin udduğu və ya buraxdığı istilik enerjisi transformasiyanın gizli istiliyi ilə təmsil olunur. SMA telində istilik itkisi məcburi konveksiya səbəbindən baş verir və radiasiyanın əhəmiyyətsiz təsiri nəzərə alınmaqla istilik enerjisi balansının tənliyi aşağıdakı kimidir:
Burada \(m_{tel}\) SMA telinin ümumi kütləsi, \(c_{p}\) SMA-nın xüsusi istilik tutumu, \(V_{in}\) telə tətbiq olunan gərginlik, \(R_{ohm} \ ) – fazadan asılı müqavimət SMA, aşağıdakı kimi təyin olunur: \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-xi )r_A]\ ) burada \(r_M\) və \(r_A\) müvafiq olaraq martensit və austenitdə SMA faza müqavimətidir, \(A_{c}\) SMA telinin səth sahəsidir, \(\Delta H\) forma yaddaşlı ərintidir. Telin gizli keçid istiliyi T və \(T_{\infty}\) müvafiq olaraq SMA telinin və ətraf mühitin temperaturudur.
Forma yaddaşlı ərintisi olan naqil işə salındıqda, naqil sıxılır və bimodal dizaynın hər bir qolunda lif qüvvəsi adlanan bir qüvvə yaradır. SMA naqilinin hər bir telindəki liflərin qüvvələri birlikdə hərəkətə keçmək üçün əzələ qüvvəsi yaradır, Şəkil 9e-də göstərildiyi kimi. Əyilmə yayının olması səbəbindən N-ci çoxqatlı aktuatorun ümumi əzələ qüvvəsi aşağıdakı kimidir:
\(N = 1\)-ni (7) tənliyinə yerləşdirərək, birinci mərhələli bimodal sürücü prototipinin əzələ gücü aşağıdakı kimi əldə edilə bilər:
burada n unimodal ayaqların sayıdır, \(F_m\) ötürücü tərəfindən yaradılan əzələ qüvvəsidir, \(F_f\) SMA telindəki lif möhkəmliyidir, \(K_x\) yayın əyilmə sərtliyidir, \(\alpha\) üçbucağın bucağıdır, \(x_0\) SMA kabelini əvvəlcədən gərginləşdirilmiş vəziyyətdə saxlamaq üçün əyilmə yayının ilkin yerdəyişməsidir və \(\Delta x\) aktuatorun hərəkətidir.
N-ci mərhələnin SMA naqilindəki gərginlikdən (\(\sigma\)) və gərginlikdən (\(\epsilon\)) asılı olaraq sürücünün ümumi yerdəyişməsi və ya hərəkəti (\(\Delta x\)) aşağıdakı kimi təyin olunur (Şəkil 1-ə baxın).
Kinematik tənliklər ötürücü deformasiya (\(\epsilon\)) ilə yerdəyişmə və ya yerdəyişmə (\(\Delta x\)) arasındakı əlaqəni verir. Bir unimodal budaqda istənilən t anda Arb telinin ilkin Arb telinin uzunluğunun (\(l_0\)) və tel uzunluğunun (l) funksiyası kimi deformasiyası aşağıdakı kimidir:
burada \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\), Şəkil 8-də göstərildiyi kimi, \(\Delta\)ABB '-də kosinus düsturunun tətbiqi ilə əldə edilir. Birinci mərhələli sürücü üçün (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) \(\Delta x\), \(\alpha _1\) isə \(\alpha \)-dir. Şəkil 8-də göstərildiyi kimi, (11) tənliyindən vaxtı diferensiallaşdırmaqla və l-in qiymətini yerinə qoymaqla, gərginlik sürəti aşağıdakı kimi yazıla bilər:
burada \(l_0\) SMA telinin ilkin uzunluğu, l bir unimodal budaqda istənilən t anında telin uzunluğu, \(\epsilon\) SMA telində inkişaf etmiş deformasiya və \(\alpha\) üçbucağın bucağı, \(\Delta x\) isə sürücünün yerdəyişməsidir (Şəkil 8-də göstərildiyi kimi).
Bütün n tək zirvəli strukturlar (bu şəkildə \(n=6\) giriş gərginliyi olaraq \(V_{in}\) olmaqla ardıcıl olaraq qoşulub. Mərhələ I: Sıfır gərginlik şəraitində bimodal konfiqurasiyadakı SMA telinin sxematik diaqramı Mərhələ II: Qırmızı xətt ilə göstərildiyi kimi, SMA telinin tərs çevrilmə səbəbindən sıxıldığı idarə olunan struktur göstərilir.
Konsepsiyanın sübutu olaraq, əsas tənliklərin simulyasiya edilmiş törəməsini eksperimental nəticələrlə sınaqdan keçirmək üçün SMA əsaslı bimodal sürücü hazırlanmışdır. Bimodal xətti aktuatorun CAD modeli şəkil 9a-da göstərilmişdir. Digər tərəfdən, şəkil 9c-də bimodal quruluşa malik iki müstəvili SMA əsaslı aktuatordan istifadə edərək fırlanma prizmatik bağlantısı üçün təklif olunan yeni dizayn göstərilir. Sürücü komponentləri Ultimaker 3 Extended 3D printerində əlavə istehsal üsulu ilə hazırlanmışdır. Komponentlərin 3D çapı üçün istifadə olunan material polikarbonatdır, bu material güclü, davamlı və yüksək şüşə keçid temperaturuna (110-113 C) malik olduğu üçün istiliyədavamlı materiallar üçün uyğundur. Bundan əlavə, təcrübələrdə Dynalloy, Inc. Flexinol formalı yaddaşlı ərintisi məftili istifadə edilmişdir və simulyasiyalarda Flexinol məftilinə uyğun material xüsusiyyətləri istifadə edilmişdir. Şəkil 9b, d-də göstərildiyi kimi, çoxqatlı aktuatorlar tərəfindən istehsal olunan yüksək qüvvələri əldə etmək üçün birdən çox SMA məftili əzələlərin bimodal düzülüşündə mövcud olan liflər kimi düzülmüşdür.
Şəkil 9a-da göstərildiyi kimi, hərəkətli qollu SMA telinin yaratdığı iti bucaq bucaq (\(\alfa\)) adlanır. Terminal sıxacları sol və sağ sıxaclara bərkidilmiş vəziyyətdə, SMA tel istənilən bimodal bucaqda saxlanılır. Yay konnektorunda saxlanılan əyilmə yay cihazı, SMA liflərinin sayına (n) uyğun olaraq müxtəlif əyilmə yay uzatma qruplarını tənzimləmək üçün nəzərdə tutulmuşdur. Bundan əlavə, hərəkətli hissələrin yeri SMA telinin məcburi konveksiya soyutması üçün xarici mühitə məruz qalması üçün nəzərdə tutulmuşdur. Çıxarıla bilən qurğunun yuxarı və aşağı lövhələri, çəkini azaltmaq üçün hazırlanmış ekstrüde kəsiklərlə SMA telinin sərin qalmasına kömək edir. Bundan əlavə, CMA telinin hər iki ucu müvafiq olaraq sol və sağ terminallara bir qıvrım vasitəsilə bərkidilir. Üst və alt lövhələr arasındakı boşluğu qorumaq üçün hərəkətli qurğunun bir ucuna bir porşen bərkidilir. Porşen həmçinin SMA telinin işə salınması zamanı bloklama qüvvəsini ölçmək üçün sensora kontakt vasitəsilə bloklama qüvvəsi tətbiq etmək üçün istifadə olunur.
Bimodal əzələ quruluşu SMA elektriklə ardıcıl olaraq birləşdirilir və giriş impuls gərginliyi ilə işləyir. Gərginlik impuls dövrü ərzində gərginlik tətbiq edildikdə və SMA teli austenitin ilkin temperaturundan yuxarı qızdırıldıqda, hər bir zəncirdəki telin uzunluğu qısalır. Bu geri çəkilmə hərəkətli qol alt dəstini aktivləşdirir. Eyni dövrdə gərginlik sıfırlandıqda, qızdırılan SMA teli martensit səthinin temperaturundan aşağı soyudulur və bununla da orijinal vəziyyətinə qayıdır. Sıfır gərginlik şəraitində SMA teli əvvəlcə passiv olaraq ayrılmış martensit vəziyyətinə çatmaq üçün qərəzli yayla dartılır. SMA telinin keçdiyi vint, SMA telinə gərginlik impulsu tətbiq etməklə yaranan sıxılma səbəbindən hərəkət edir (SPA austenitin fazasına çatır) və bu da hərəkətli qolu işə salır. SMA teli geri çəkildikdə, qərəzli yay yayı daha da dartmaqla əks qüvvə yaradır. İmpuls gərginliyindəki gərginlik sıfıra çatdıqda, SMA teli məcburi konveksiya soyutması səbəbindən uzanır və formasını dəyişir, ikiqat martensit fazasına çatır.
Təklif olunan SMA əsaslı xətti aktuator sistemi, SMA naqillərinin bucaq altında yerləşdiyi bimodal konfiqurasiyaya malikdir. (a) prototip üçün bəzi komponentləri və onların mənalarını qeyd edən prototipin CAD modelini təsvir edir, (b, d) hazırlanmış eksperimental prototipi təmsil edir35. (b) elektrik əlaqələri, əyilmə yayları və gərginlik ölçənləri istifadə edilən prototipin yuxarı görünüşünü göstərsə də, (d) qurğunun perspektiv görünüşünü göstərir. (e) Lifin istiqamətini və gedişatını və əzələ gücünü göstərən, istənilən t anında bimodal olaraq yerləşdirilmiş SMA naqilləri olan xətti aktuator sisteminin diaqramı. (c) İki müstəvili SMA əsaslı aktuatoru yerləşdirmək üçün 2-DOF fırlanma prizmatik bağlantısı təklif edilmişdir. Göstərildiyi kimi, əlaqə xətti hərəkəti aşağı ötürücüdən yuxarı qola ötürür və fırlanma bağlantısı yaradır. Digər tərəfdən, prizmalar cütünün hərəkəti çoxqatlı birinci mərhələli ötürücünün hərəkəti ilə eynidir.
Şəkil 9b-də göstərilən prototip üzərində SMA əsaslı bimodal sürücünün işini qiymətləndirmək üçün eksperimental tədqiqat aparılmışdır. Şəkil 10a-da göstərildiyi kimi, eksperimental qurğu SMA naqillərinə giriş gərginliyi təmin etmək üçün proqramlaşdırıla bilən DC enerji mənbəyindən ibarət idi. Şəkil 10b-də göstərildiyi kimi, Graphtec GL-2000 məlumat qeyd cihazından istifadə edərək bloklama qüvvəsini ölçmək üçün pyezoelektrik gərginlik ölçən cihaz (PACEline CFT/5kN) istifadə edilmişdir. Məlumatlar əlavə tədqiqat üçün ev sahibi tərəfindən qeyd olunur. Gərginlik ölçən cihazlar və yük gücləndiriciləri gərginlik siqnalı yaratmaq üçün sabit enerji mənbəyi tələb edir. Müvafiq siqnallar pyezoelektrik qüvvə sensorunun həssaslığına və Cədvəl 2-də təsvir olunduğu kimi digər parametrlərə uyğun olaraq güc çıxışlarına çevrilir. Gərginlik impulsu tətbiq edildikdə, SMA naqilinin temperaturu artır və bu da SMA naqilinin sıxılmasına səbəb olur ki, bu da aktuatorun güc yaratmasına səbəb olur. 7 V giriş gərginlik impulsu ilə əzələ gücünün çıxmasının eksperimental nəticələri şəkil 2a-da göstərilmişdir.
(a) Təcrübədə aktuator tərəfindən yaradılan qüvvəni ölçmək üçün SMA əsaslı xətti aktuator sistemi quruldu. Yük elementi bloklama qüvvəsini ölçür və 24 V DC enerji təchizatı ilə təchiz olunur. GW Instek proqramlaşdırıla bilən DC enerji təchizatı istifadə edərək kabelin bütün uzunluğu boyunca 7 V gərginlik düşməsi tətbiq edildi. SMA teli istilik səbəbindən büzülür və hərəkət edən qol yük elementi ilə təmasda olur və bloklama qüvvəsi yaradır. Yük elementi GL-2000 məlumat qeyd cihazına qoşulur və məlumatlar sonrakı emal üçün ana kompüterdə saxlanılır. (b) Əzələ gücünü ölçmək üçün eksperimental qurğunun komponentlər zəncirini göstərən diaqram.
Forma yaddaşı ərintiləri istilik enerjisi ilə həyəcanlanır, buna görə də temperatur forma yaddaşı fenomenini öyrənmək üçün vacib parametrə çevrilir. Təcrübə olaraq, Şəkil 11a-da göstərildiyi kimi, prototip SMA əsaslı ikiqat aktuatorda istilik görüntüləmə və temperatur ölçmələri aparılmışdır. Proqramlaşdırıla bilən DC mənbəyi, Şəkil 11b-də göstərildiyi kimi, eksperimental qurğuda SMA tellərinə giriş gərginliyi tətbiq etmişdir. SMA telinin temperatur dəyişikliyi yüksək qətnaməli LWIR kamerası (FLIR A655sc) istifadə edərək real vaxt rejimində ölçülmüşdür. Ev sahibi sonrakı emal üçün məlumatları qeyd etmək üçün ResearchIR proqram təminatından istifadə edir. Gərginlik impulsu tətbiq edildikdə, SMA telinin temperaturu artır və bu da SMA telinin kiçilməsinə səbəb olur. Şəkil 2b-də 7V giriş gərginlik impulsu üçün SMA telinin temperaturunun zamana qarşı eksperimental nəticələri göstərilir.
Yazı vaxtı: 28 sentyabr 2022
