Благодарим ви, че посетихте Nature.com. Версията на браузъра, която използвате, има ограничена поддръжка на CSS. За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer). Междувременно, за да осигурим непрекъсната поддръжка, ще рендираме сайта без стилове и JavaScript.
Задвижващите механизми се използват навсякъде и създават контролирано движение чрез прилагане на правилната сила на възбуждане или въртящ момент за извършване на различни операции в производството и индустриалната автоматизация. Необходимостта от по-бързи, по-малки и по-ефективни задвижвания е движеща сила на иновациите в дизайна на задвижванията. Задвижванията от сплави с памет на формата (SMA) предлагат редица предимства пред конвенционалните задвижвания, включително високо съотношение мощност-тегло. В тази дисертация е разработен двуперен SMA-базиран задвижващ механизъм, който комбинира предимствата на пернатите мускули на биологичните системи и уникалните свойства на SMA. Това проучване изследва и разширява предишни SMA задвижващи механизми, като разработва математически модел на новия задвижващ механизъм, базиран на бимодалното SMA разположение на проводниците, и го тества експериментално. В сравнение с известните задвижвания, базирани на SMA, силата на задействане на новото задвижване е поне 5 пъти по-висока (до 150 N). Съответната загуба на тегло е около 67%. Резултатите от анализа на чувствителността на математическите модели са полезни за настройване на параметрите на проектиране и разбиране на ключови параметри. Това проучване представя допълнително многостепенно N-то стъпково задвижване, което може да се използва за допълнително подобряване на динамиката. Мускулните актуатори на дивалерат, базирани на SMA, имат широк спектър от приложения, от автоматизация на сгради до прецизни системи за доставяне на лекарства.
Биологичните системи, като мускулните структури на бозайниците, могат да активират много фини актуатори1. Бозайниците имат различни мускулни структури, всяка от които служи за специфична цел. Голяма част от структурата на мускулната тъкан на бозайниците обаче може да бъде разделена на две широки категории. Паралелни и перести. В задните бедрени мускули и другите флексори, както подсказва името, паралелната мускулатура има мускулни влакна, успоредни на централното сухожилие. Веригата от мускулни влакна е подредена и функционално свързана от съединителната тъкан около тях. Въпреки че се казва, че тези мускули имат голяма екскурзия (процентно скъсяване), общата им мускулна сила е много ограничена. За разлика от това, в трицепсния мускул на прасеца2 (латерален гастрокнемиус (GL)3, медиален гастрокнемиус (GM)4 и солеус (SOL)) и екстензорния бедрен мускул (квадрицепс)5,6 се намира переста мускулна тъкан във всеки мускул7. При переста структура мускулните влакна в биперестата мускулатура присъстват от двете страни на централното сухожилие под наклонени ъгли (перести ъгли). Думата „пернат“ произлиза от латинската дума „penna“, която означава „писалка“, и както е показано на фиг. 1, има вид, подобен на перо. Влакната на пернатите мускули са по-къси и под ъгъл спрямо надлъжната ос на мускула. Поради перестата структура, общата мобилност на тези мускули е намалена, което води до напречни и надлъжни компоненти на процеса на скъсяване. От друга страна, активирането на тези мускули води до по-висока обща мускулна сила поради начина, по който се измерва физиологичната площ на напречното сечение. Следователно, за дадена площ на напречното сечение, пернатите мускули ще бъдат по-силни и ще генерират по-големи сили от мускулите с успоредни влакна. Силите, генерирани от отделни влакна, генерират мускулни сили на макроскопско ниво в тази мускулна тъкан. Освен това, те имат уникални свойства като бързо свиване, защита срещу увреждане от опън, амортизация. Трансформират връзката между входа на влакната и изхода на мускулната мощност, като използват уникалните характеристики и геометричната сложност на разположението на влакната, свързани с мускулните линии на действие.
Показани са схематични диаграми на съществуващи SMA-базирани задвижващи механизми във връзка с бимодална мускулна архитектура, например (а), представляваща взаимодействието на тактилна сила, при която устройство с форма на ръка, задействано от SMA проводници, е монтирано върху двуколесен автономен мобилен робот9,10., (б) Роботизирана орбитална протеза с антагонистично разположена SMA пружинно натоварена орбитална протеза. Позицията на протезното око се контролира от сигнал от очния мускул на окото11, (в) SMA задвижващите механизми са идеални за подводни приложения поради високата си честотна характеристика и ниската честотна лента. В тази конфигурация SMA задвижващите механизми се използват за създаване на вълново движение чрез симулиране на движението на риба, (г) SMA задвижващите механизми се използват за създаване на робот за микроинспекция на тръби, който може да използва принципа на движение на инчов червей, контролиран от движението на SMA проводници вътре в канал 10, (д) показва посоката на свиване на мускулните влакна и генериране на контрактилна сила в тъканта на гастрокнемиуса, (е) показва SMA проводници, подредени под формата на мускулни влакна в структурата на перестия мускул.
Задвижващите механизми са се превърнали във важна част от механичните системи поради широкия им спектър от приложения. Следователно, необходимостта от по-малки, по-бързи и по-ефективни задвижвания става критична. Въпреки предимствата си, традиционните задвижвания се оказаха скъпи и отнемащи време за поддръжка. Хидравличните и пневматичните задвижващи механизми са сложни и скъпи и са подложени на износване, проблеми със смазването и повреда на компонентите. В отговор на търсенето, фокусът е върху разработването на рентабилни, оптимизирани по размер и усъвършенствани задвижващи механизми, базирани на интелигентни материали. Текущите изследвания разглеждат слоести задвижващи механизми от сплави с памет на формата (SMA), за да отговорят на тази нужда. Йерархичните задвижващи механизми са уникални с това, че комбинират много дискретни задвижващи механизми в геометрично сложни макромащабни подсистеми, за да осигурят повишена и разширена функционалност. В тази връзка, описаната по-горе човешка мускулна тъкан предоставя отличен многослоен пример за такова многослойно задействане. Настоящото изследване описва многостепенно SMA задвижване с няколко отделни задвижващи елемента (SMA проводници), подравнени с ориентациите на влакната, присъстващи в бимодалните мускули, което подобрява цялостната производителност на задвижването.
Основната цел на задвижващия механизъм е да генерира механична мощност, като сила и изместване, чрез преобразуване на електрическа енергия. Сплавите с памет на формата са клас „интелигентни“ материали, които могат да възстановяват формата си при високи температури. При високи натоварвания, повишаването на температурата на SMA проводника води до възстановяване на формата, което води до по-висока плътност на енергията на задействане в сравнение с различни директно свързани интелигентни материали. В същото време, при механични натоварвания, SMA стават крехки. При определени условия, циклично натоварване може да абсорбира и освобождава механична енергия, показвайки обратими хистерезисни промени във формата. Тези уникални свойства правят SMA идеален за сензори, амортизация на вибрации и особено за задвижващи механизми12. Имайки това предвид, са проведени много изследвания на задвижвания, базирани на SMA. Трябва да се отбележи, че задвижващите механизми, базирани на SMA, са проектирани да осигуряват транслационно и въртеливо движение за различни приложения13,14,15. Въпреки че са разработени някои ротационни задвижващи механизми, изследователите са особено заинтересовани от линейните задвижващи механизми. Тези линейни задвижващи механизми могат да бъдат разделени на три вида задвижващи механизми: едномерни, задвижващи механизми на изместване и диференциални задвижващи механизми16. Първоначално хибридните задвижвания са създадени в комбинация със SMA и други конвенционални задвижвания. Един такъв пример за хибриден линеен задвижващ механизъм, базиран на SMA, е използването на SMA проводник с DC двигател, за да се осигури изходна сила от около 100 N и значително изместване17.
Едно от първите разработки в задвижванията, базирани изцяло на SMA, беше паралелното SMA задвижване. Използвайки множество SMA проводници, паралелното SMA-базирано задвижване е проектирано да увеличи мощността на задвижването чрез поставяне на всички SMA18 проводници паралелно. Паралелното свързване на задвижващите механизми не само изисква повече мощност, но и ограничава изходната мощност на един проводник. Друг недостатък на SMA-базираните задвижващи механизми е ограниченото движение, което могат да постигнат. За да се реши този проблем, е създадена SMA кабелна греда, съдържаща отклонена гъвкава греда, за да се увеличи изместването и да се постигне линейно движение, но не генерира по-големи сили19. Разработени са меки деформируеми структури и тъкани за роботи, базирани на сплави с памет на формата, предимно за усилване на удара20,21,22. За приложения, където се изискват високи скорости, са съобщени компактни задвижвани помпи, използващи тънкослойни SMA за приложения, задвижвани от микропомпи23. Честотата на задвижване на тънкослойната SMA мембрана е ключов фактор за контрол на скоростта на задвижването. Следователно, SMA линейните двигатели имат по-добър динамичен отговор от SMA пружинните или прътовите двигатели. Меката роботика и технологията за захващане са две други приложения, които използват SMA-базирани задвижващи механизми. Например, за да се замени стандартният задвижващ механизъм, използван в 25 N пространствената скоба, е разработен паралелен задвижващ механизъм 24 от сплав с памет на формата. В друг случай е изработен мек задвижващ механизъм от сплав с памет на формата (SMA) на базата на тел с вградена матрица, способна да произведе максимална сила на опън от 30 N. Поради механичните си свойства, SMA се използват и за производство на задвижващи механизми, които имитират биологични явления. Една такава разработка включва 12-клетъчен робот, който е биомиметик на организъм, подобен на земен червей, със SMA, за да генерира синусоидално движение за стрелба26,27.
Както бе споменато по-рано, има ограничение за максималната сила, която може да бъде получена от съществуващи SMA-базирани задвижващи механизми. За да се справи с този проблем, това проучване представя биомиметична бимодална мускулна структура. Задвижвана от тел от сплав с памет на формата. То предоставя система за класификация, която включва няколко проводника от сплав с памет на формата. Досега в литературата не са докладвани SMA-базирани задвижващи механизми с подобна архитектура. Тази уникална и нова система, базирана на SMA, е разработена за изследване на поведението на SMA по време на бимодално мускулно подравняване. В сравнение със съществуващите SMA-базирани задвижващи механизми, целта на това проучване е да се създаде биомиметичен дивалератен задвижващ механизъм, който да генерира значително по-високи сили в малък обем. В сравнение с конвенционалните задвижвания, задвижвани от стъпков двигател, използвани в системите за автоматизация и управление на сгради, предложеният SMA-базиран бимодален дизайн на задвижването намалява теглото на задвижващия механизъм с 67%. По-долу термините „мускул“ и „задвижване“ се използват взаимозаменяемо. Това проучване изследва мултифизичната симулация на такова задвижване. Механичното поведение на такива системи е изследвано чрез експериментални и аналитични методи. Разпределенията на силата и температурата бяха допълнително изследвани при входно напрежение от 7 V. Впоследствие беше извършен параметричен анализ, за да се разбере по-добре връзката между ключовите параметри и изходната сила. Накрая бяха предвидени йерархични задвижващи механизми и бяха предложени йерархични ефекти на нивата като потенциална бъдеща област за немагнитни задвижващи механизми за протезни приложения. Според резултатите от гореспоменатите проучвания, използването на едностепенна архитектура произвежда сили поне четири до пет пъти по-високи от докладваните задвижващи механизми, базирани на SMA. Освен това, същата задвижваща сила, генерирана от многостепенно многостепенно задвижване, е доказано, че е повече от десет пъти по-голяма от тази на конвенционалните задвижвания, базирани на SMA. След това проучването представя ключови параметри, използвайки анализ на чувствителността между различни конструкции и входни променливи. Началната дължина на SMA проводника (\(l_0\)\), ъгълът на перестите (\(\alpha\)\) и броят на единичните нишки (n) във всяка отделна нишка имат силен отрицателен ефект върху величината на задвижващата сила, докато входното напрежение (енергия) се оказа положително корелирано.
SMA телта проявява ефекта на паметта на формата (SME), наблюдаван в семейството никел-титанови (Ni-Ti) сплави. Обикновено SMA телта показват две температурно зависими фази: нискотемпературна фаза и високотемпературна фаза. И двете фази имат уникални свойства поради наличието на различни кристални структури. В аустенитната фаза (високотемпературна фаза), съществуваща над температурата на трансформация, материалът проявява висока якост и се деформира слабо под натоварване. Сплавта се държи като неръждаема стомана, така че е способна да издържи на по-високи налягания на задействане. Възползвайки се от това свойство на Ni-Ti сплавите, SMA телта са наклонени, за да образуват задвижващ механизъм. Разработени са подходящи аналитични модели, за да се разбере фундаменталната механика на термичното поведение на SMA под влияние на различни параметри и различни геометрии. Постигнато е добро съответствие между експерименталните и аналитичните резултати.
Експериментално проучване е проведено върху прототипа, показан на Фиг. 9а, за да се оцени производителността на бимодално задвижване, базирано на SMA. Две от тези свойства, силата, генерирана от задвижването (мускулна сила), и температурата на SMA проводника (SMA температура), са измерени експериментално. С увеличаване на разликата в напрежението по цялата дължина на проводника в задвижването, температурата на проводника се увеличава поради ефекта на Джаулево нагряване. Входното напрежение е приложено в два цикъла от по 10 секунди (показани като червени точки на Фиг. 2а, б) с период на охлаждане от 15 секунди между всеки цикъл. Блокиращата сила е измерена с помощта на пиезоелектричен тензодатчик, а разпределението на температурата на SMA проводника е наблюдавано в реално време с помощта на научна LWIR камера с висока резолюция (вижте характеристиките на използваното оборудване в Таблица 2). Това показва, че по време на фазата на високо напрежение температурата на проводника се увеличава монотонно, но когато не тече ток, температурата на проводника продължава да пада. В настоящата експериментална установка температурата на SMA проводника спадна по време на фазата на охлаждане, но все още беше над околната температура. На фиг. 2д е показана моментна снимка на температурата на SMA проводника, направена от LWIR камерата. От друга страна, на фиг. 2а е показана блокиращата сила, генерирана от задвижващата система. Когато мускулната сила надвиши възстановяващата сила на пружината, подвижното рамо, както е показано на фиг. 9а, започва да се движи. Веднага щом започне задействането, подвижното рамо влиза в контакт със сензора, създавайки сила на тялото, както е показано на фиг. 2в, г. Когато максималната температура е близка до \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), максималната наблюдавана сила е 105 N.
Графиката показва експерименталните резултати за температурата на SMA проводника и силата, генерирана от бимодалния задвижващ механизъм, базиран на SMA, по време на два цикъла. Входното напрежение се прилага в два 10-секундни цикъла (показани като червени точки) с 15-секунден период на охлаждане между всеки цикъл. SMA проводникът, използван за експериментите, е Flexinol проводник с диаметър 0,51 mm от Dynalloy, Inc. (a) Графиката показва експерименталната сила, получена в продължение на два цикъла, (c, d) показва два независими примера за действието на задвижващи механизми с движещо се рамо върху пиезоелектричен преобразувател на сила PACEline CFT/5kN, (b) графиката показва максималната температура на целия SMA проводник по време на два цикъла, (e) показва моментна снимка на температурата, направена от SMA проводника, използвайки LWIR камерата на софтуера FLIR ResearchIR. Геометричните параметри, взети предвид в експериментите, са дадени в Таблица 1.
Резултатите от симулацията на математическия модел и експерименталните резултати са сравнени при условие на входно напрежение 7V, както е показано на Фиг. 5. Според резултатите от параметричния анализ и за да се избегне възможността от прегряване на SMA проводника, към задвижването е подадена мощност от 11,2 W. За подаване на входно напрежение 7V е използвано програмируемо постояннотоково захранване, а през проводника е измерен ток от 1,6A. Силата, генерирана от задвижването, и температурата на SDR се увеличават при прилагане на ток. При входно напрежение 7V, максималната изходна сила, получена от резултатите от симулацията и експерименталните резултати на първия цикъл, е съответно 78 N и 96 N. Във втория цикъл максималната изходна сила на симулацията и експерименталните резултати е съответно 150 N и 105 N. Разминаването между измерванията на силата на оклузия и експерименталните данни може да се дължи на използвания метод за измерване на силата на оклузия. Експерименталните резултати, показани на Фиг. 5а съответстват на измерването на заключващата сила, която от своя страна е измерена, когато задвижващият вал е бил в контакт с пиезоелектрическия преобразувател на сила PACEline CFT/5kN, както е показано на фиг. 2s. Следователно, когато задвижващият вал не е в контакт със сензора за сила в началото на зоната на охлаждане, силата веднага става нула, както е показано на фиг. 2d. Освен това, други параметри, които влияят върху формирането на сила в следващите цикли, са стойностите на времето за охлаждане и коефициента на конвективен топлопренос в предишния цикъл. От фиг. 2b може да се види, че след 15-секунден период на охлаждане, SMA проводникът не е достигнал стайна температура и следователно е имал по-висока начална температура (\(40\,^{\circ}\hbox {C}\)) във втория цикъл на задвижване в сравнение с първия цикъл (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). По този начин, в сравнение с първия цикъл, температурата на SMA жицата по време на втория цикъл на нагряване достига началната температура на аустенита (\(A_s\)) по-рано и остава в преходния период по-дълго, което води до напрежение и сила. От друга страна, температурните разпределения по време на цикли на нагряване и охлаждане, получени от експерименти и симулации, имат високо качествено сходство с примери от термографски анализ. Сравнителният анализ на термичните данни за SMA жицата от експерименти и симулации показа последователност по време на цикли на нагряване и охлаждане и в рамките на приемливите толеранси за експерименталните данни. Максималната температура на SMA жицата, получена от резултатите от симулацията и експериментите на първия цикъл, е \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) и \(75\,^{\circ }\hbox {C}\), съответно, а във втория цикъл максималната температура на SMA жицата е \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) и \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Фундаментално разработеният модел потвърждава ефекта на паметта на формата. Ролята на умората и прегряването не е разгледана в този преглед. В бъдеще моделът ще бъде подобрен, за да включва историята на напрежението на SMA проводника, което ще го направи по-подходящ за инженерни приложения. Графиките на изходната сила на задвижването и температурата на SMA, получени от блока Simulink, са в рамките на допустимите толеранси на експерименталните данни при условие на входен импулс на напрежение от 7 V. Това потвърждава коректността и надеждността на разработения математически модел.
Математическият модел е разработен в среда MathWorks Simulink R2020b, използвайки основните уравнения, описани в раздела Методи. На фиг. 3б е показана блокова схема на математическия модел Simulink. Моделът е симулиран за импулс на входно напрежение 7V, както е показано на фиг. 2а, б. Стойностите на параметрите, използвани в симулацията, са изброени в Таблица 1. Резултатите от симулацията на преходни процеси са представени на фиг. 1 и 1. Фиг. 3а и 4. На фиг. 4а, б е показано индуцираното напрежение в SMA проводника и силата, генерирана от задвижващия механизъм, като функция на времето. По време на обратна трансформация (нагряване), когато температурата на SMA проводника, \(T < A_s^{\prime}\) (начална температура на фазата на модифициран аустенит под напрежение), скоростта на промяна на обемната фракция на мартензита (\(\dot{\xi }\)) ще бъде нула. По време на обратна трансформация (нагряване), когато температурата на SMA проводника, \(T < A_s^{\prime}\) (начална температура на фазата на модифициран аустенит под напрежение), скоростта на промяна на обемната фракция на мартензита (\(\dot{\xi }\)) ще бъде нула. По време на обратното превръщане (нагряване), когато температурата на проволоките SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура на началната аустенитна фаза, модифицирано напрежение), скоростта на изменение на обемната дола на мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) ще бъде равно на нула. По време на обратната трансформация (нагряване), когато температурата на SMA проводника, \(T < A_s^{\prime}\) (температура на начало на модифицирания под напрежение аустенит), скоростта на промяна на обемната фракция на мартензита (\(\dot{\xi }\)) ще бъде нула.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\))将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Резултат от симулация, показващ разпределението на температурата и температурата на индуцирания от напрежение преход в SMA-базиран дивалерантен задвижващ механизъм. Когато температурата на телта премине температурата на аустенитен преход в етапа на нагряване, температурата на модифициран аустенитен преход започва да се увеличава и по подобен начин, когато температурата на валцдрата премине температурата на мартензитен преход в етапа на охлаждане, температурата на мартензитен преход намалява. SMA за аналитично моделиране на процеса на задействане. (За подробен преглед на всяка подсистема на Simulink модел вижте раздела с приложението на допълнителния файл.)
Резултатите от анализа за различни разпределения на параметрите са показани за два цикъла на входното напрежение 7V (10-секундни цикли на загряване и 15-секундни цикли на охлаждане). Докато (ac) и (e) изобразяват разпределението във времето, от друга страна, (d) и (f) илюстрират разпределението с температура. За съответните входни условия, максималното наблюдавано напрежение е 106 MPa (по-малко от 345 MPa, граница на провлачване на телта), силата е 150 N, максималното изместване е 270 µm, а минималната обемна фракция на мартензита е 0,91. От друга страна, промяната в напрежението и промяната в обемната фракция на мартензита с температурата са подобни на хистерезисните характеристики.
Същото обяснение важи и за директното преобразуване (охлаждане) от аустенитна фаза към мартензитна фаза, където температурата на SMA проводника (T) и крайната температура на модифицираната от напрежение мартензитна фаза (\(M_f^{\prime}\ )) са отлични. На фиг. 4d,f е показана промяната в индуцираното напрежение (\(\sigma\)) и обемната фракция на мартензита (\(\xi\)) в SMA проводника като функция от промяната в температурата на SMA проводника (T), за двата цикъла на задвижване. На фиг. Фигура 3a е показана промяната в температурата на SMA проводника с времето в зависимост от импулса на входното напрежение. Както може да се види от фигурата, температурата на проводника продължава да се увеличава чрез осигуряване на източник на топлина при нулево напрежение и последващо конвективно охлаждане. По време на нагряване, ретрансформацията на мартензит в аустенитна фаза започва, когато температурата на SMA жицата (T) пресече коригираната за напрежение температура на зародишообразуване на аустенит (\(A_s^{\prime}\)). По време на тази фаза SMA жицата се компресира и задвижващият механизъм генерира сила. Също така по време на охлаждане, когато температурата на SMA жицата (T) пресече температурата на зародишообразуване на модифицираната за напрежение мартензитна фаза (\(M_s^{\prime}\)), има положителен преход от аустенитна фаза към мартензитна фаза. Задвижващата сила намалява.
Основните качествени аспекти на бимодалното задвижване, базирано на SMA, могат да бъдат получени от резултатите от симулацията. В случай на входен импулс на напрежение, температурата на SMA проводника се увеличава поради ефекта на Джаулево нагряване. Началната стойност на обемната фракция на мартензита (\(\xi\)) е зададена на 1, тъй като материалът първоначално е в напълно мартензитна фаза. С продължаващото нагряване на проводника, температурата на SMA проводника надвишава коригираната за напрежение температура на зародишообразуване на аустенит \(A_s^{\prime}\), което води до намаляване на обемната фракция на мартензита, както е показано на Фигура 4c. Освен това, на Фиг. 4e е показано разпределението на ходовете на задвижващия механизъм във времето, а на Фиг. 5 - движещата сила като функция на времето. Свързана система от уравнения включва температура, обемна фракция на мартензита и напрежение, което се развива в проводника, което води до свиване на SMA проводника и силата, генерирана от задвижващия механизъм. Както е показано на Фиг. 4d,f, изменението на напрежението с температурата и изменението на обемната фракция на мартензита с температурата съответстват на хистерезисните характеристики на SMA в симулирания случай при 7 V.
Сравнението на параметрите на задвижване е получено чрез експерименти и аналитични изчисления. Проводниците са подложени на импулсно входно напрежение от 7 V за 10 секунди, след което са охладени за 15 секунди (фаза на охлаждане) в рамките на два цикъла. Ъгълът на перестите е зададен на \(40^{\circ}\), а началната дължина на SMA проводника във всеки единичен пин е зададена на 83 мм. (а) Измерване на задвижващата сила с тензодатчик (б) Мониторинг на температурата на проводника с термоинфрачервена камера.
За да се разбере влиянието на физическите параметри върху силата, произведена от задвижването, беше извършен анализ на чувствителността на математическия модел към избраните физически параметри и параметрите бяха класирани според тяхното влияние. Първо, извадката от параметрите на модела беше извършена с помощта на експериментални принципи на проектиране, които следваха равномерно разпределение (вижте Допълнителния раздел за анализ на чувствителността). В този случай параметрите на модела включват входно напрежение (V_{in})), начална дължина на SMA проводника (l_0)), ъгъл на триъгълника (alpha)), константа на пружината на отклонение (K_x)), коефициент на конвективен топлопреминаване (h_T) и броя на унимодалните разклонения (n). В следващата стъпка, пиковата мускулна сила беше избрана като изискване за дизайн на изследването и бяха получени параметричните ефекти на всеки набор от променливи върху силата. Диаграмите на торнадо за анализа на чувствителността бяха получени от коефициентите на корелация за всеки параметър, както е показано на Фиг. 6а.
(a) Стойностите на коефициентите на корелация на параметрите на модела и техният ефект върху максималната изходна сила на 2500 уникални групи от горните параметри на модела са показани на графиката на торнадото. Графиката показва ранговата корелация на няколко индикатора. Ясно е, че \(V_{in}\) е единственият параметър с положителна корелация, а \(l_0\) е параметърът с най-висока отрицателна корелация. Влиянието на различни параметри в различни комбинации върху пиковата мускулна сила е показано в (b, c). \(K_x\) варира от 400 до 800 N/m, а n варира от 4 до 24. Напрежението (\(V_{in}\)) се променя от 4V до 10V, дължината на проводника (\(l_{0 } \)) се променя от 40 до 100 mm, а ъгълът на опашката (\(\alpha \)) варира от \(20 – 60 \, ^ {\circ }\).
На фиг. 6а е показана торнадо графика на различни коефициенти на корелация за всеки параметър с изисквания за проектиране на пикова задвижваща сила. От фиг. 6а може да се види, че параметърът на напрежението (V_{in}\) е пряко свързан с максималната изходна сила, а коефициентът на конвективен топлопренос (h_T\)), ъгълът на пламъка (α) и константата на пружината на изместване (K_x\) са отрицателно корелирани с изходната сила и началната дължина (l_0\) на SMA проводника, а броят на унимодалните разклонения (n) показва силна обратна корелация. В случай на пряка корелация, в случай на по-висока стойност на коефициента на корелация на напрежението (V_{in}\)) се вижда, че този параметър има най-голямо влияние върху изходната мощност. Друг подобен анализ измерва пиковата сила, като оценява ефекта на различни параметри в различни комбинации от двете изчислителни пространства, както е показано на фиг. 6б, в. V_{in}\) и l_0\), алфа\) и l_0\) имат сходни модели, а графиката показва, че V_{in}\) и алфа\) и алфа\) имат сходни модели. По-малките стойности на l_0\) водят до по-високи пикови сили. Другите две графики са в съответствие с Фигура 6а, където n и K_x\) са отрицателно корелирани, а V_{in}\) са положително корелирани. Този анализ помага да се дефинират и регулират влияещите параметри, чрез които изходната сила, ходът и ефективността на задвижващата система могат да бъдат адаптирани към изискванията и приложението.
Настоящите изследвания въвеждат и изследват йерархични задвижвания с N нива. В двустепенна йерархия, както е показано на Фиг. 7а, където вместо всеки SMA проводник на задвижващия механизъм от първо ниво, се постига бимодална подредба, както е показано на Фиг. 9д. На Фиг. 7в е показано как SMA проводникът е навит около подвижно рамо (спомагателно рамо), което се движи само в надлъжна посока. Първичното подвижно рамо обаче продължава да се движи по същия начин като подвижното рамо на многостепенния задвижващ механизъм от 1-ви етап. Обикновено N-степенно задвижване се създава чрез замяна на SMA проводника от \(N-1\) етап със задвижване от първи етап. В резултат на това всеки клон имитира задвижването от първи етап, с изключение на клона, който държи самия проводник. По този начин могат да се образуват вложени структури, които създават сили, няколко пъти по-големи от силите на първичните задвижвания. В това проучване за всяко ниво е взета предвид обща ефективна дължина на SMA проводника от 1 м, както е показано в табличен формат на Фиг. 7г. Токът през всеки проводник във всеки унимодален дизайн и полученото предварително напрежение и напрежение във всеки сегмент от SMA проводник са еднакви на всяко ниво. Според нашия аналитичен модел, изходната сила е положително корелирана с нивото, докато изместването е отрицателно корелирано. В същото време имаше компромис между изместването и мускулната сила. Както се вижда на фиг. 7b, докато максималната сила се постига в най-голям брой слоеве, най-голямото изместване се наблюдава в най-ниския слой. Когато нивото на йерархията беше зададено на \(N=5\), беше установена пикова мускулна сила от 2,58 kN с 2 наблюдавани хода \(\upmu\)m. От друга страна, задвижването на първата степен генерира сила от 150 N при ход от 277 \(\upmu\)m. Многостепенните задвижващи механизми са способни да имитират реални биологични мускули, докато изкуствените мускули, базирани на сплави с памет на формата, са способни да генерират значително по-високи сили с прецизни и по-фини движения. Ограниченията на този миниатюрен дизайн са, че с увеличаването на йерархията движението се намалява значително и сложността на производствения процес на задвижването се увеличава.
(a) Показана е двустепенна (\(N=2\)) слоеста линейна задвижваща система от сплав с памет на формата в бимодална конфигурация. Предложеният модел е постигнат чрез замяна на SMA проводника в слоестия задвижващ механизъм на първия етап с друг едностепенен слоест задвижващ механизъм. (c) Деформирана конфигурация на многослойния задвижващ механизъм на втория етап. (b) Описано е разпределението на силите и преместванията в зависимост от броя на нивата. Установено е, че пиковата сила на задвижващия механизъм е положително корелирана с нивото на скалата на графиката, докато ходът е отрицателно корелиран с нивото на скалата. Токът и предварителното напрежение във всеки проводник остават постоянни на всички нива. (d) Таблицата показва броя на отклоненията и дължината на SMA проводника (оптиката) на всяко ниво. Характеристиките на проводниците са обозначени с индекс 1, а броят на вторичните клонове (едното, свързано с първичния клон) е обозначен с най-голямото число в индекса. Например, на ниво 5, \(n_1\) се отнася до броя на SMA проводниците, присъстващи във всяка бимодална структура, а \(n_5\) се отнася до броя на помощните крака (единият е свързан с основния крак).
Много изследователи са предложили различни методи за моделиране на поведението на SMA с памет на формата, които зависят от термомеханичните свойства, съпътстващи макроскопските промени в кристалната структура, свързани с фазовия преход. Формулирането на конститутивни методи е по своята същност сложно. Най-често използваният феноменологичен модел е предложен от Танака28 и е широко използван в инженерните приложения. Феноменологичният модел, предложен от Танака [28], приема, че обемната фракция на мартензита е експоненциална функция на температурата и напрежението. По-късно Лианг и Роджърс29 и Бринсън30 предлагат модел, в който динамиката на фазовия преход се приема за косинусоидална функция на напрежението и температурата, с леки модификации на модела. Бекер и Бринсън предлагат кинетичен модел, базиран на фазова диаграма, за да моделират поведението на SMA материали при произволни условия на натоварване, както и частични преходи. Банерджи32 използва метода на динамиката на фазовата диаграма на Бекер и Бринсън31, за да симулира манипулатор с една степен на свобода, разработен от Елахиния и Ахмадиан33. Кинетичните методи, базирани на фазови диаграми, които отчитат немонотонната промяна на напрежението с температурата, са трудни за прилагане в инженерни приложения. Елахиния и Ахмадиан обръщат внимание на тези недостатъци на съществуващите феноменологични модели и предлагат разширен феноменологичен модел за анализ и дефиниране на поведението на паметта на формата при всякакви сложни условия на натоварване.
Структурният модел на SMA тел дава напрежение (\(\sigma\)), деформация (\(\epsilon\)), температура (T) и обемна фракция на мартензита (\(\xi\)) на SMA тел. Феноменологичният конститутивен модел е предложен за първи път от Tanaka28 и по-късно е възприет от Liang29 и Brinson30. Производната на уравнението има вида:
където E е фазозависимият модул на Юнг на SMA, получен с помощта на \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\), а \(E_A\) и \(E_M\), представляващи модула на Юнг, са съответно аустенитна и мартензитна фаза, а коефициентът на термично разширение е представен от \(\theta _T\). Коефициентът на принос на фазовия преход е \(\Omega = -E \epsilon _L\) и \(\epsilon _L\) е максималното възстановимо напрежение в SMA проводника.
Уравнението на фазовата динамика съвпада с косинусовата функция, разработена от Liang29 и по-късно възприета от Brinson30, вместо експоненциалната функция, предложена от Tanaka28. Моделът на фазов преход е разширение на модела, предложен от Elakhinia и Ahmadian34 и модифициран въз основа на условията на фазов преход, дадени от Liang29 и Brinson30. Условията, използвани за този модел на фазов преход, са валидни при сложни термомеханични натоварвания. Във всеки момент от времето стойността на обемната фракция на мартензита се изчислява при моделиране на конститутивното уравнение.
Уравнението за ретрансформация, изразено чрез превръщането на мартензит в аустенит при условия на нагряване, е следното:
където \(\xi\) е обемната фракция на мартензита, \(\xi _M\) е обемната фракция на мартензита, получена преди нагряване, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) и \(C_A\) – параметри на апроксимация на кривата, T – температура на SMA проводника, \(A_s\) и \(A_f\) – съответно температура на началото и края на аустенитната фаза.
Уравнението за директно управление на трансформацията, представено чрез фазова трансформация на аустенит в мартензит при условия на охлаждане, е:
където \(\xi _A\) е обемната фракция на мартензита, получен преди охлаждане, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) и \ ( C_M \) – параметри на апроксимация на кривата, T – температура на SMA проводника, \(M_s\) и \(M_f\) – съответно начална и крайна температура на мартензита.
След диференциране на уравнения (3) и (4), уравненията за обратна и директна трансформация се опростяват до следния вид:
По време на трансформация напред и назад, \(\eta_{\sigma}\) и \(\eta_{T}\) приемат различни стойности. Основните уравнения, свързани с \(\eta_{\sigma}\) и \(\eta_{T}\), са изведени и обсъдени подробно в допълнителен раздел.
Термичната енергия, необходима за повишаване на температурата на SMA проводника, идва от ефекта на Джаулево нагряване. Термичната енергия, абсорбирана или освободена от SMA проводника, се представя от латентната топлина на трансформация. Загубата на топлина в SMA проводника се дължи на принудителна конвекция и като се има предвид незначителният ефект на радиацията, уравнението на баланса на топлинната енергия е следното:
Където \(m_{wire}\) е общата маса на SMA проводника, \(c_{p}\) е специфичният топлинен капацитет на SMA проводника, \(V_{in}\) е напрежението, приложено към проводника, \(R_{ohm} \) – фазово зависимо съпротивление на SMA проводника, дефинирано като; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) където \(r_M\) и \(r_A\) са фазовото съпротивление на SMA проводника съответно в мартензит и аустенит, \(A_{c}\) е повърхностната площ на SMA проводника, \(\Delta H \) е сплав с памет на формата. Латентната топлина на преход на проводника, T и \(T_{\infty}\) са температурите на SMA проводника и околната среда, съответно.
Когато тел от сплав с памет на формата се задейства, тя се компресира, създавайки сила във всеки клон на бимодалния дизайн, наречена сила на влакната. Силите на влакната във всяка нишка от SMA телта заедно създават мускулната сила за задействане, както е показано на Фиг. 9д. Поради наличието на притискаща пружина, общата мускулна сила на N-тия многослоен задвижващ механизъм е:
Като заместим \(N = 1\) в уравнение (7), мускулната сила на прототипа на бимодалното задвижване от първия етап може да се получи, както следва:
където n е броят на унимодалните крака, \(F_m\) е мускулната сила, генерирана от задвижването, \(F_f\) е здравината на влакната в SMA проводника, \(K_x\) е твърдостта на пружината на отклонение, \(\alpha\) е ъгълът на триъгълника, \(x_0\) е началното отместване на пружината на отклонение, за да държи SMA кабела в предварително опънато положение, и \(\Delta x\) е ходът на задвижващия механизъм.
Общото изместване или движение на задвижването (Δx) в зависимост от напрежението (sigma) и деформацията (epsilon) на SMA проводника на N-тия етап, на което е настроено задвижването (вижте Фиг. 1 в допълнителната част на изхода):
Кинематичните уравнения дават връзката между деформацията на задвижването (ε) и изместването или изместването (Δx). Деформацията на Arb проводника като функция от началната дължина на Arb проводника (l_0) и дължината на проводника (l) във всеки момент t в един унимодален клон е следната:
където (l = Δx^2 + (Δx_1)^2 – 2l_0 (Δx_1)cosα_1) се получава чрез прилагане на формулата за косинус в ΔABB ', както е показано на Фигура 8. За първия етап на задвижване (N = 1)), Δx_1 е Δx, а α_1 е α, както е показано на Фигура 8. Както е показано на Фигура 8, чрез диференциране на времето от уравнение (11) и заместване на стойността на l, скоростта на деформация може да се запише като:
където l_0 е началната дължина на SMA проводника, l е дължината на проводника във всеки момент t в един унимодален клон, ε е деформацията, развита в SMA проводника, а алфа е ъгълът на триъгълника, а Δx е отместването на задвижването (както е показано на Фигура 8).
Всички n структури с един пик (n=6 на тази фигура) са свързани последователно с входно напрежение V_{in}. Етап I: Схематична диаграма на SMA проводника в бимодална конфигурация при условия на нулево напрежение. Етап II: Показана е контролирана структура, където SMA проводникът е компресиран поради обратно преобразуване, както е показано с червената линия.
Като доказателство на концепцията, беше разработено бимодално задвижване, базирано на SMA, за да се тества симулираното извеждане на основните уравнения с експериментални резултати. CAD моделът на бимодалния линеен задвижващ механизъм е показан на фиг. 9а. От друга страна, на фиг. 9в е показан нов дизайн, предложен за ротационна призматична връзка, използващ двуплоскостен SMA задвижващ механизъм с бимодална структура. Компонентите на задвижването са изработени чрез адитивно производство на 3D принтер Ultimaker 3 Extended. Материалът, използван за 3D печат на компоненти, е поликарбонат, който е подходящ за топлоустойчиви материали, тъй като е здрав, издръжлив и има висока температура на стъклен преход (110-113 °C). Освен това, в експериментите е използвана сплав с памет на формата Flexinol на Dynalloy, Inc., а свойствата на материала, съответстващи на Flexinol, са използвани в симулациите. Множество SMA жици са подредени като влакна, присъстващи в бимодална подредба на мускули, за да се получат високите сили, произведени от многослойни задвижващи механизми, както е показано на фиг. 9б, г.
Както е показано на Фигура 9а, острият ъгъл, образуван от подвижното рамо на SMA проводника, се нарича ъгъл (\(\alpha\)). С клемни скоби, прикрепени към лявата и дясната скоба, SMA проводникът се държи под желания бимодален ъгъл. Устройството с пружина за притискане, закрепено към пружинния конектор, е проектирано да регулира различните групи удължения на пружините за притискане според броя (n) SMA влакна. Освен това, местоположението на подвижните части е проектирано така, че SMA проводникът да е изложен на външната среда за принудително конвекционно охлаждане. Горната и долната плоча на разглобяемия възел спомагат за поддържането на охлаждането на SMA проводника с екструдирани изрези, предназначени за намаляване на теглото. Освен това, двата края на CMA проводника са фиксирани съответно към левия и десния клем посредством кримпване. Към единия край на подвижния възел е прикрепено бутало, за да се поддържа хлабина между горната и долната плоча. Буталото се използва и за прилагане на блокираща сила към сензора чрез контакт, за да се измери блокиращата сила, когато SMA проводникът се задейства.
Бимодалната мускулна структура SMA е електрически свързана последователно и се захранва от входно импулсно напрежение. По време на цикъла на импулсите на напрежението, когато се приложи напрежение и SMA проводникът се нагрее над началната температура на аустенита, дължината на проводника във всяка нишка се скъсява. Това прибиране активира подвижния подмодел на рамо. Когато напрежението се нулира в същия цикъл, нагрятият SMA проводник се охлажда под температурата на мартензитната повърхност, като по този начин се връща в първоначалното си положение. При условия на нулево напрежение, SMA проводникът първо се разтяга пасивно от пружина, за да достигне раздвоено мартензитно състояние. Винтът, през който преминава SMA проводникът, се движи поради компресията, създадена чрез прилагане на импулс на напрежение към SMA проводника (SPA достига аустенитната фаза), което води до задействане на подвижния лост. Когато SMA проводникът се прибере, пружината, която се разтяга, създава противоположна сила чрез допълнително разтягане на пружината. Когато напрежението в импулсното напрежение стане нулево, SMA проводникът се удължава и променя формата си поради принудително конвекционно охлаждане, достигайки двойна мартензитна фаза.
Предложената линейна задвижваща система, базирана на SMA, има бимодална конфигурация, в която SMA проводниците са под ъгъл. (a) изобразява CAD модел на прототипа, който споменава някои от компонентите и техните значения за прототипа, (b, d) представляват разработения експериментален прототип35. Докато (b) показва изглед отгоре на прототипа с използвани електрически връзки и пружини за накланяне и тензодатчици, (d) показва перспективен изглед на настройката. (e) Диаграма на линейна задвижваща система с SMA проводници, разположени бимодално във всеки момент t, показваща посоката и хода на влакното и мускулната сила. (c) Предложена е ротационна призматична връзка с 2 степени на свобода за разгръщане на двуплоскостен SMA задвижващ механизъм. Както е показано, връзката предава линейно движение от долното задвижване към горното рамо, създавайки ротационна връзка. От друга страна, движението на двойката призми е същото като движението на многослойното задвижване на първия етап.
Проведено е експериментално проучване върху прототипа, показан на Фиг. 9b, за да се оцени производителността на бимодално задвижване, базирано на SMA. Както е показано на Фигура 10a, експерименталната установка се състои от програмируемо постояннотоково захранване за подаване на входно напрежение към SMA проводниците. Както е показано на Фиг. 10b, за измерване на блокиращата сила с помощта на Graphtec GL-2000 регистратор на данни е използван пиезоелектричен тензодатчик (PACEline CFT/5kN). Данните се записват от хоста за по-нататъшно изследване. Тензодатчиците и усилвателите на заряда изискват постоянно захранване, за да генерират сигнал за напрежение. Съответните сигнали се преобразуват в изходни мощности в зависимост от чувствителността на пиезоелектрическия сензор за сила и други параметри, както е описано в Таблица 2. Когато се приложи импулс на напрежение, температурата на SMA проводника се повишава, което води до компресия на SMA проводника, което кара задвижващия механизъм да генерира сила. Експерименталните резултати за изходната мускулна сила от импулс на входно напрежение от 7 V са показани на Фиг. 2a.
(a) В експеримента е използвана линейна задвижваща система, базирана на SMA, за измерване на силата, генерирана от задвижващия механизъм. Тензодатчикът измерва блокиращата сила и се захранва от 24 V DC захранване. По цялата дължина на кабела е приложен спад на напрежение от 7 V, използвайки програмируемо DC захранване GW Instek. SMA проводникът се свива поради топлината, а подвижното рамо е в контакт с тензодатчика и упражнява блокираща сила. Тензодатчикът е свързан към устройството за запис на данни GL-2000 и данните се съхраняват на хоста за по-нататъшна обработка. (b) Диаграма, показваща веригата от компоненти на експерименталната установка за измерване на мускулна сила.
Сплавите с памет на формата се възбуждат от топлинна енергия, така че температурата се превръща във важен параметър за изучаване на феномена памет на формата. Експериментално, както е показано на Фиг. 11а, термовизионни и температурни измервания са извършени върху прототип на SMA-базиран дивалератен задвижващ механизъм. Програмируем DC източник е приложил входно напрежение към SMA проводниците в експерименталната установка, както е показано на Фигура 11б. Промяната на температурата на SMA проводника е измерена в реално време с помощта на LWIR камера с висока резолюция (FLIR A655sc). Хостът използва софтуера ResearchIR за запис на данни за по-нататъшна последваща обработка. Когато се приложи импулс на напрежение, температурата на SMA проводника се увеличава, което води до свиването му. На Фиг. Фигура 2б показва експерименталните резултати от температурата на SMA проводника спрямо времето за импулс на входно напрежение от 7V.
Време на публикуване: 28 септември 2022 г.
