Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Ang bersyon sa browser nga imong gigamit adunay limitado nga suporta sa CSS. Para sa pinakamaayong kasinatian, among girekomendar nga mogamit ka og updated nga browser (o i-disable ang Compatibility Mode sa Internet Explorer). Samtang, aron masiguro ang padayon nga suporta, among i-render ang site nga walay mga style ug JavaScript.
Ang mga actuator gigamit bisan asa ug nagmugna og kontroladong paglihok pinaagi sa pag-apply sa saktong excitation force o torque aron paghimo sa lain-laing mga operasyon sa manufacturing ug industrial automation. Ang panginahanglan alang sa mas paspas, mas gagmay ug mas episyente nga mga drive mao ang nagduso sa kabag-ohan sa drive design. Ang Shape Memory Alloy (SMA) drives nagtanyag og daghang mga bentaha kaysa sa conventional drives, lakip ang taas nga power-to-weight ratio. Niini nga disertasyon, usa ka two-feathered SMA-based actuator ang naugmad nga naghiusa sa mga bentaha sa feathery muscles sa biological systems ug sa talagsaon nga mga kabtangan sa mga SMA. Kini nga pagtuon nagsuhid ug nagpalapad sa nangaging mga SMA actuator pinaagi sa pagpalambo sa usa ka mathematical model sa bag-ong actuator base sa bimodal SMA wire arrangement ug pagsulay niini sa eksperimento. Kung itandi sa nahibal-an nga mga drive base sa SMA, ang actuation force sa bag-ong drive labing menos 5 ka pilo nga mas taas (hangtod sa 150 N). Ang katugbang nga pagkawala sa timbang mga 67%. Ang mga resulta sa sensitivity analysis sa mga mathematical model mapuslanon alang sa pag-tune sa mga parameter sa disenyo ug pagsabot sa mga importanteng parameter. Kini nga pagtuon dugang nga nagpresentar sa usa ka multi-level Nth stage drive nga magamit aron mapalambo pa ang dynamics. Ang mga SMA-based dipvalerate muscle actuator adunay daghang gamit, gikan sa automation sa pagtukod hangtod sa mga precision drug delivery system.
Ang mga sistemang biyolohikal, sama sa mga istruktura sa kaunuran sa mga mammal, mahimong mo-aktibo sa daghang mga maliputon nga actuator1. Ang mga mammal adunay lainlaing mga istruktura sa kaunuran, nga ang matag usa nagsilbi sa usa ka piho nga katuyoan. Bisan pa, kadaghanan sa istruktura sa tisyu sa kaunuran sa mammal mahimong bahinon sa duha ka halapad nga kategorya. Parallel ug pennate. Sa mga hamstring ug uban pang mga flexor, sama sa gisugyot sa ngalan, ang parallel nga kaunuran adunay mga lanot sa kaunuran nga parallel sa sentral nga tendon. Ang kadena sa mga lanot sa kaunuran gilinya ug konektado sa function pinaagi sa connective tissue sa ilang palibot. Bisan kung kini nga mga kaunuran giingon nga adunay daghang excursion (porsyento nga pagmubo), ang ilang kinatibuk-ang kusog sa kaunuran limitado kaayo. Sa kasukwahi, sa triceps calf muscle2 (lateral gastrocnemius (GL)3, medial gastrocnemius (GM)4 ug soleus (SOL)) ug extensor femoris (quadriceps)5,6 ang pennate muscle tissue makita sa matag kaunuran7. Sa usa ka pinnate nga istruktura, ang mga lanot sa kaunuran sa bipennate nga kaunuran anaa sa duha ka kilid sa sentral nga tendon sa oblique angles (pinnate angles). Ang pennate gikan sa Latin nga pulong nga "penna", nga nagpasabut nga "pen", ug, sama sa gipakita sa fig. 1 adunay hitsura nga sama sa balhibo. Ang mga lanot sa mga kaunuran sa pennate mas mubo ug anggulo sa longitudinal axis sa kaunuran. Tungod sa pinnate nga istruktura, ang kinatibuk-ang paglihok niini nga mga kaunuran mikunhod, nga mosangpot sa transverse ug longitudinal nga mga sangkap sa proseso sa pagpamubo. Sa laing bahin, ang pagpaaktibo niini nga mga kaunuran mosangpot sa mas taas nga kinatibuk-ang kusog sa kaunuran tungod sa paagi sa pagsukod sa physiological cross-sectional area. Busa, alang sa usa ka gihatag nga cross-sectional area, ang mga kaunuran sa pennate mas lig-on ug makamugna og mas taas nga pwersa kaysa mga kaunuran nga adunay parallel fibers. Ang mga pwersa nga namugna sa indibidwal nga mga lanot makamugna og mga pwersa sa kaunuran sa usa ka macroscopic nga lebel sa kana nga tisyu sa kaunuran. Dugang pa, kini adunay talagsaon nga mga kabtangan sama sa paspas nga pagkunhod, proteksyon batok sa tensile damage, cushioning. Gibag-o niini ang relasyon tali sa input sa fiber ug output sa kusog sa kaunuran pinaagi sa pagpahimulos sa talagsaon nga mga bahin ug geometric complexity sa paghan-ay sa fiber nga nalangkit sa mga linya sa aksyon sa kaunuran.
Gipakita ang mga eskematiko nga diagram sa kasamtangang mga disenyo sa actuator nga nakabase sa SMA nga may kalabotan sa usa ka bimodal muscular architecture, pananglitan (a), nga nagrepresentar sa interaksyon sa tactile force diin ang usa ka hand-shaped device nga gi-actuate sa mga SMA wire gi-mount sa usa ka two-wheeled autonomous mobile robot9,10., (b) Robotic orbital prosthesis nga adunay antagonistically placed SMA spring-loaded orbital prosthesis. Ang posisyon sa prosthetic eye gikontrol sa usa ka signal gikan sa ocular muscle sa mata11, (c) Ang mga SMA actuator sulundon alang sa mga aplikasyon sa ilawom sa tubig tungod sa ilang taas nga frequency response ug ubos nga bandwidth. Niini nga configuration, ang mga SMA actuator gigamit aron makahimo og wave motion pinaagi sa pag-simulate sa paglihok sa mga isda, (d) Ang mga SMA actuator gigamit aron makahimo og micro pipe inspection robot nga makagamit sa inch worm motion principle, nga gikontrol sa paglihok sa mga SMA wire sulod sa channel 10, (e) nagpakita sa direksyon sa contraction muscle fibers ug pagmugna og contractile force sa gastrocnemius tissue, (f) nagpakita sa mga SMA wire nga gihan-ay sa porma sa mga muscle fibers sa pennate muscle structure.
Ang mga actuator nahimong importante nga bahin sa mga mekanikal nga sistema tungod sa ilang halapad nga mga aplikasyon. Busa, ang panginahanglan alang sa mas gagmay, mas paspas ug mas episyente nga mga drive nahimong kritikal. Bisan pa sa ilang mga bentaha, ang tradisyonal nga mga drive napamatud-an nga mahal ug dugay nga pagmentinar. Ang mga hydraulic ug pneumatic actuator komplikado ug mahal ug dali nga madaot, mga problema sa lubrication ug pagkapakyas sa component. Agig tubag sa panginahanglan, ang pokus anaa sa pagpalambo sa cost-effective, sizing-optimized ug advanced actuators nga gibase sa smart materials. Ang nagpadayon nga panukiduki nagtan-aw sa shape memory alloy (SMA) layered actuators aron matubag kini nga panginahanglan. Ang mga hierarchical actuator talagsaon tungod kay ilang gihiusa ang daghang discrete actuator ngadto sa geometrically complex macro scale subsystems aron makahatag og dugang ug gipalapdan nga functionality. Niining bahina, ang tisyu sa kaunuran sa tawo nga gihulagway sa ibabaw naghatag og maayo kaayo nga multilayered nga ehemplo sa ingon nga multilayered actuation. Ang kasamtangang pagtuon naghulagway sa usa ka multi-level SMA drive nga adunay daghang indibidwal nga mga elemento sa drive (SMA wires) nga nahiuyon sa mga orientasyon sa fiber nga anaa sa mga bimodal muscles, nga nagpauswag sa kinatibuk-ang performance sa drive.
Ang pangunang katuyoan sa usa ka actuator mao ang pagmugna og mekanikal nga output sa kuryente sama sa puwersa ug pagbalhin pinaagi sa pag-convert sa enerhiya sa kuryente. Ang mga shape memory alloy usa ka klase sa "smart" nga mga materyales nga makapahiuli sa ilang porma sa taas nga temperatura. Ubos sa taas nga mga karga, ang pagtaas sa temperatura sa SMA wire mosangpot sa pagkaayo sa porma, nga moresulta sa mas taas nga actuation energy density kon itandi sa lainlaing direktang naka-bond nga smart nga mga materyales. Sa parehas nga oras, ubos sa mekanikal nga mga karga, ang mga SMA mahimong brittle. Ubos sa piho nga mga kondisyon, ang usa ka cyclic load mahimong mosuhop ug mopagawas sa mekanikal nga enerhiya, nga magpakita sa mabaliktad nga hysteretic nga mga pagbag-o sa porma. Kini nga talagsaon nga mga kabtangan naghimo sa SMA nga sulundon alang sa mga sensor, vibration damping ug labi na ang mga actuator12. Uban niini sa hunahuna, adunay daghang panukiduki sa mga SMA-based drive. Kinahanglan nga matikdan nga ang mga SMA-based actuator gidisenyo aron maghatag og translational ug rotary motion alang sa lainlaing mga aplikasyon13,14,15. Bisan kung adunay pipila ka rotary actuator nga naugmad, ang mga tigdukiduki labi nga interesado sa mga linear actuator. Kini nga mga linear actuator mahimong bahinon sa tulo ka mga klase sa actuator: one-dimensional, displacement ug differential actuator 16. Sa sinugdanan, ang mga hybrid drive gihimo inubanan sa SMA ug uban pang conventional drives. Usa ka ehemplo sa SMA-based hybrid linear actuator mao ang paggamit sa SMA wire nga adunay DC motor aron makahatag og output force nga mga 100 N ug dakong displacement17.
Usa sa mga unang kalamboan sa mga drive nga hingpit nga gibase sa SMA mao ang SMA parallel drive. Gamit ang daghang SMA wires, ang SMA-based parallel drive gidisenyo aron madugangan ang kapasidad sa gahum sa drive pinaagi sa pagbutang sa tanan nga SMA18 wires nga parallel. Ang parallel connection sa mga actuator dili lamang nanginahanglan dugang nga gahum, apan naglimite usab sa output power sa usa ka wire. Laing disbentaha sa mga SMA-based actuator mao ang limitado nga pagbiyahe nga ilang makab-ot. Aron masulbad kini nga problema, usa ka SMA cable beam ang gihimo nga adunay sulud nga deflected flexible beam aron madugangan ang displacement ug makab-ot ang linear motion, apan wala makamugna og mas taas nga pwersa19. Ang humok nga deformable nga mga istruktura ug tela para sa mga robot nga gibase sa shape memory alloys gipalambo labi na alang sa impact amplification20,21,22. Alang sa mga aplikasyon diin gikinahanglan ang taas nga tulin, ang mga compact driven pump gitaho nga naggamit og thin film SMAs para sa mga aplikasyon nga micropump driven23. Ang drive frequency sa thin film SMA membrane usa ka hinungdanon nga hinungdan sa pagkontrol sa tulin sa driver. Busa, ang SMA linear motors adunay mas maayo nga dynamic response kaysa SMA spring o rod motors. Ang humok nga robotics ug gripping technology duha pa ka aplikasyon nga naggamit og SMA-based actuators. Pananglitan, aron ilisan ang standard actuator nga gigamit sa 25 N space clamp, usa ka shape memory alloy parallel actuator 24 ang gihimo. Sa laing kaso, usa ka SMA soft actuator ang gihimo base sa usa ka alambre nga adunay embedded matrix nga makahimo og maximum pulling force nga 30 N. Tungod sa ilang mechanical properties, ang mga SMA gigamit usab sa paghimo og mga actuator nga nagsundog sa biological phenomena. Usa sa maong kalamboan naglakip sa usa ka 12-cell robot nga usa ka biomimetic sa usa ka organismo nga sama sa ulod nga adunay SMA aron makamugna og sinusoidal motion aron mopabuto26,27.
Sama sa nahisgotan na, adunay limitasyon sa pinakataas nga puwersa nga makuha gikan sa kasamtangang mga SMA-based actuators. Aron matubag kini nga isyu, kini nga pagtuon nagpresentar og biomimetic bimodal muscle structure. Gipadagan sa shape memory alloy wire. Naghatag kini og sistema sa klasipikasyon nga naglakip sa daghang shape memory alloy wires. Hangtod karon, wala pay SMA-based actuators nga adunay susamang arkitektura ang gitaho sa literatura. Kini nga talagsaon ug nobela nga sistema nga gibase sa SMA gihimo aron tun-an ang pamatasan sa SMA atol sa bimodal muscle alignment. Kung itandi sa kasamtangang SMA-based actuators, ang tumong niini nga pagtuon mao ang paghimo og biomimetic dipvalerate actuator aron makamugna og mas taas nga pwersa sa gamay nga volume. Kung itandi sa naandan nga stepper motor driven drives nga gigamit sa HVAC building automation ug control systems, ang gisugyot nga SMA-based bimodal drive design nagpamenos sa gibug-aton sa drive mechanism og 67%. Sa mosunod, ang mga termino nga "muscle" ug "drive" gigamit nga baylobaylo. Kini nga pagtuon nagsusi sa multiphysics simulation sa ingon nga drive. Ang mekanikal nga pamatasan sa ingon nga mga sistema gitun-an pinaagi sa eksperimental ug analitikal nga mga pamaagi. Ang mga distribusyon sa puwersa ug temperatura dugang nga gisusi sa input voltage nga 7 V. Sunod, usa ka parametric analysis ang gihimo aron mas masabtan ang relasyon tali sa mga importanteng parameter ug sa output force. Sa katapusan, ang mga hierarchical actuator gilantaw ug ang mga hierarchical level effects gisugyot isip usa ka potensyal nga umaabot nga lugar alang sa mga non-magnetic actuator alang sa mga prosthetic application. Sumala sa mga resulta sa nahisgutang mga pagtuon, ang paggamit sa single-stage architecture nagpatunghag mga pwersa nga labing menos upat ngadto sa lima ka pilo nga mas taas kaysa sa gitaho nga mga SMA-based actuator. Dugang pa, ang parehas nga drive force nga namugna sa usa ka multi-level multi-level drive gipakita nga labaw pa sa napulo ka pilo kaysa sa naandan nga mga SMA-based drive. Ang pagtuon dayon nagtaho sa mga importanteng parameter gamit ang sensitivity analysis tali sa lainlaing mga disenyo ug mga input variable. Ang inisyal nga gitas-on sa SMA wire (\(l_0\)), ang pinnate angle (\(\alpha\)) ug ang gidaghanon sa single strands (n) sa matag indibidwal nga strand adunay kusog nga negatibo nga epekto sa gidak-on sa driving force. kusog, samtang ang input voltage (enerhiya) nahimo nga positibo nga may kalabutan.
Ang SMA wire nagpakita sa shape memory effect (SME) nga makita sa nickel-titanium (Ni-Ti) nga pamilya sa mga haluang metal. Kasagaran, ang mga SMA nagpakita sa duha ka hugna nga nagdepende sa temperatura: usa ka hugna nga ubos ang temperatura ug usa ka hugna nga taas ang temperatura. Ang duha ka hugna adunay talagsaon nga mga kabtangan tungod sa presensya sa lainlaing mga istruktura sa kristal. Sa hugna nga austenite (hugna nga taas ang temperatura) nga anaa sa ibabaw sa temperatura sa pagbag-o, ang materyal nagpakita sa taas nga kusog ug dili maayo nga mabag-o ubos sa karga. Ang haluang metal molihok sama sa stainless steel, mao nga kini makasugakod sa mas taas nga presyur sa pag-akto. Gamit kini nga kabtangan sa mga haluang metal nga Ni-Ti, ang mga alambre sa SMA gihilig aron maporma ang usa ka actuator. Ang angay nga mga modelo sa pag-analisa gihimo aron masabtan ang sukaranan nga mga mekaniko sa thermal nga pamatasan sa SMA ubos sa impluwensya sa lainlaing mga parameter ug lainlaing mga geometriya. Maayo nga kasabutan ang nakuha tali sa mga resulta sa eksperimento ug pag-analisa.
Usa ka eksperimental nga pagtuon ang gihimo sa prototype nga gipakita sa Fig. 9a aron masusi ang performance sa usa ka bimodal drive base sa SMA. Duha niini nga mga kabtangan, ang puwersa nga namugna sa drive (puwersa sa kaunuran) ug ang temperatura sa SMA wire (temperatura sa SMA), gisukod pinaagi sa eksperimento. Samtang ang kalainan sa boltahe motaas sa tibuok gitas-on sa wire sa drive, ang temperatura sa wire motaas tungod sa epekto sa pagpainit sa Joule. Ang input voltage gigamit sa duha ka 10-s nga siklo (gipakita isip pula nga mga tuldok sa Fig. 2a, b) nga adunay 15-s nga panahon sa pagpabugnaw tali sa matag siklo. Ang blocking force gisukod gamit ang piezoelectric strain gauge, ug ang pag-apod-apod sa temperatura sa SMA wire gimonitor sa tinuod nga oras gamit ang usa ka scientific-grade high-resolution LWIR camera (tan-awa ang mga kinaiya sa kagamitan nga gigamit sa Table 2). nagpakita nga atol sa high voltage phase, ang temperatura sa wire motaas nga monotonically, apan kung walay kuryente nga nagaagay, ang temperatura sa wire padayon nga moubos. Sa kasamtangang eksperimental nga setup, ang temperatura sa SMA wire miubos atol sa cooling phase, apan kini labaw gihapon sa ambient temperature. Sa fig. 2e, makita ang snapshot sa temperatura sa SMA wire nga gikuha gikan sa LWIR camera. Sa laing bahin, sa fig. 2a, makita ang blocking force nga namugna sa drive system. Kung ang muscle force molapas sa restoring force sa spring, ang movable arm, sama sa gipakita sa Figure 9a, magsugod sa paglihok. Sa diha nga magsugod na ang pag-actuation, ang movable arm mokontak sa sensor, nga makamugna og body force, sama sa gipakita sa fig. 2c, d. Kung ang maximum nga temperatura duol sa \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), ang maximum nga naobserbahan nga force kay 105 N.
Ang graph nagpakita sa mga resulta sa eksperimento sa temperatura sa SMA wire ug sa puwersa nga namugna sa SMA-based bimodal actuator sulod sa duha ka siklo. Ang input voltage gigamit sa duha ka 10 segundos nga siklo (gipakita isip pula nga mga tuldok) nga adunay 15 segundos nga cool down period tali sa matag siklo. Ang SMA wire nga gigamit para sa mga eksperimento usa ka 0.51 mm nga diametro nga Flexinol wire gikan sa Dynalloy, Inc. (a) Ang graph nagpakita sa eksperimental nga puwersa nga nakuha sulod sa duha ka siklo, (c, d) nagpakita sa duha ka independente nga mga ehemplo sa aksyon sa naglihok nga mga arm actuator sa usa ka PACEline CFT/5kN piezoelectric force transducer, (b) ang graph nagpakita sa pinakataas nga temperatura sa tibuok SMA wire sulod sa duha ka siklo, (e) nagpakita sa usa ka temperature snapshot nga gikuha gikan sa SMA wire gamit ang FLIR ResearchIR software LWIR camera. Ang mga geometric parameter nga gikonsiderar sa mga eksperimento gihatag sa Table. uno.
Ang mga resulta sa simulation sa mathematical model ug ang mga resulta sa eksperimento gitandi ubos sa kondisyon sa input voltage nga 7V, sama sa gipakita sa Fig.5. Sumala sa mga resulta sa parametric analysis ug aron malikayan ang posibilidad sa sobrang kainit sa SMA wire, usa ka power nga 11.2 W ang gihatag sa actuator. Usa ka programmable DC power supply ang gigamit aron mag-supply og 7V isip input voltage, ug usa ka current nga 1.6A ang gisukod sa wire. Ang pwersa nga namugna sa drive ug ang temperatura sa SDR motaas kung ang current i-apply. Uban sa input voltage nga 7V, ang maximum output force nga nakuha gikan sa mga resulta sa simulation ug mga resulta sa eksperimento sa unang cycle kay 78 N ug 96 N, matag usa. Sa ikaduhang cycle, ang maximum output force sa simulation ug mga resulta sa eksperimento kay 150 N ug 105 N, matag usa. Ang kalainan tali sa mga sukod sa occlusion force ug sa experimental data mahimong tungod sa pamaagi nga gigamit sa pagsukod sa occlusion force. Ang mga resulta sa eksperimento nga gipakita sa fig. Ang 5a katumbas sa pagsukod sa locking force, nga gisukod usab sa dihang ang drive shaft nakontak sa PACEline CFT/5kN piezoelectric force transducer, sama sa gipakita sa fig. 2s. Busa, kung ang drive shaft wala nakontak sa force sensor sa sinugdanan sa cooling zone, ang puwersa dayon nga mahimong zero, sama sa gipakita sa Fig. 2d. Dugang pa, ang ubang mga parameter nga makaapekto sa pagporma sa puwersa sa sunod nga mga siklo mao ang mga kantidad sa oras sa pagpabugnaw ug ang coefficient sa convective heat transfer sa miaging siklo. Gikan sa fig. 2b, makita nga pagkahuman sa 15 segundos nga panahon sa pagpabugnaw, ang SMA wire wala makaabot sa temperatura sa kwarto ug busa adunay mas taas nga inisyal nga temperatura (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) sa ikaduhang driving cycle kon itandi sa unang siklo (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Busa, kon itandi sa unang siklo, ang temperatura sa SMA wire atol sa ikaduhang siklo sa pagpainit mas sayo nga makaabot sa inisyal nga temperatura sa austenite (\(A_s\)) ug mas dugay nga magpabilin sa panahon sa transisyon, nga moresulta sa stress ug puwersa. Sa laing bahin, ang mga distribusyon sa temperatura atol sa mga siklo sa pagpainit ug pagpabugnaw nga nakuha gikan sa mga eksperimento ug simulation adunay taas nga kwalitatibo nga pagkaparehas sa mga pananglitan gikan sa thermographic analysis. Ang comparative analysis sa SMA wire thermal data gikan sa mga eksperimento ug simulation nagpakita og pagkamakanunayon atol sa mga siklo sa pagpainit ug pagpabugnaw ug sulod sa madawat nga mga tolerance para sa experimental data. Ang pinakataas nga temperatura sa SMA wire, nga nakuha gikan sa mga resulta sa simulation ug mga eksperimento sa unang siklo, kay \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) ug \(75\,^{\circ }\hbox { C }\, matag usa ), ug sa ikaduhang siklo ang pinakataas nga temperatura sa SMA wire kay \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) ug \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\). Ang sukaranan nga naugmad nga modelo nagpamatuod sa epekto sa shape memory effect. Ang papel sa kakapoy ug sobrang kainit wala gikonsiderar niini nga pagrepaso. Sa umaabot, ang modelo pauswagon aron ilakip ang kasaysayan sa stress sa SMA wire, nga himuon kini nga mas angay alang sa mga aplikasyon sa inhenyeriya. Ang drive output force ug SMA temperature plots nga nakuha gikan sa Simulink block naa sa sulod sa gitugot nga mga tolerance sa eksperimento nga datos ubos sa kondisyon sa usa ka input voltage pulse nga 7 V. Kini nagpamatuod sa katukma ug kasaligan sa naugmad nga modelo sa matematika.
Ang modelo sa matematika gihimo sa palibot sa MathWorks Simulink R2020b gamit ang mga batakang ekwasyon nga gihulagway sa seksyon sa Mga Pamaagi. Sa fig. 3b gipakita ang usa ka block diagram sa modelo sa matematika sa Simulink. Ang modelo gisimulate alang sa usa ka 7V input voltage pulse sama sa gipakita sa Fig. 2a, b. Ang mga kantidad sa mga parameter nga gigamit sa simulation gilista sa Table 1. Ang mga resulta sa simulation sa mga transient nga proseso gipakita sa mga Fig. 1 ug 1. Ang mga Fig. 3a ug 4. Sa fig. 4a, b gipakita ang induced voltage sa SMA wire ug ang puwersa nga namugna sa actuator isip function sa oras. Atol sa reverse transformation (pagpainit), kung ang temperatura sa SMA wire, \(T < A_s^{\prime}\) (stress-modified austenite phase start temperature), ang rate sa pagbag-o sa martensite volume fraction (\(\dot{\xi }\)) mahimong sero. Atol sa reverse transformation (pagpainit), kung ang temperatura sa SMA wire, \(T < A_s^{\prime}\) (stress-modified austenite phase start temperature), ang rate sa pagbag-o sa martensite volume fraction (\(\dot{\ xi }\)) mahimong sero. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустеанидино, ценфинотно напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Atol sa reverse transformation (pagpainit), kung ang temperatura sa SMA wire, \(T < A_s^{\prime}\) (stress-modified austenite onset temperature), ang rate sa pagbag-o sa martensite volume fraction (\(\dot{\ xi }\ )) mahimong sero.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（\(小dot{\))在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Resulta sa simulation nga nagpakita sa distribusyon sa temperatura ug stress-induced junction temperature sa usa ka SMA-based divalerate actuator. Kung ang temperatura sa wire motabok sa temperatura sa austenite transition sa heating stage, ang giusab nga temperatura sa austenite transition magsugod sa pagsaka, ug sa susama, kung ang temperatura sa wire rod motabok sa temperatura sa martensitic transition sa cooling stage, ang temperatura sa martensitic transition mokunhod. SMA para sa analytical modeling sa proseso sa actuation. (Para sa detalyadong pagtan-aw sa matag subsystem sa usa ka Simulink model, tan-awa ang appendix section sa supplementary file.)
Ang mga resulta sa pag-analisa alang sa lain-laing mga distribusyon sa parameter gipakita alang sa duha ka siklo sa 7V input voltage (10 segundos nga warm up cycles ug 15 segundos nga cool down cycles). Samtang ang (ac) ug (e) naghulagway sa distribusyon sa paglabay sa panahon, sa laing bahin, ang (d) ug (f) nag-ilustrar sa distribusyon nga adunay temperatura. Alang sa tagsa-tagsa ka mga kondisyon sa input, ang pinakataas nga naobserbahan nga stress kay 106 MPa (ubos sa 345 MPa, wire yield strength), ang puwersa kay 150 N, ang pinakataas nga displacement kay 270 µm, ug ang minimum martensitic volume fraction kay 0.91. Sa laing bahin, ang pagbag-o sa stress ug ang pagbag-o sa volume fraction sa martensite nga adunay temperatura susama sa mga kinaiya sa hysteresis.
Ang parehas nga pagpasabut magamit sa direktang pagbag-o (pagpabugnaw) gikan sa austenite phase ngadto sa martensite phase, diin ang temperatura sa SMA wire (T) ug ang katapusan nga temperatura sa stress-modified martensite phase (\(M_f^{\prime}\ )) maayo kaayo. Sa fig. 4d, ang f nagpakita sa pagbag-o sa induced stress (\(\sigma\)) ug ang volume fraction sa martensite (\(\xi\)) sa SMA wire isip function sa pagbag-o sa temperatura sa SMA wire (T), alang sa duha ka driving cycle. Sa fig. Ang Figure 3a nagpakita sa pagbag-o sa temperatura sa SMA wire sa paglabay sa panahon depende sa input voltage pulse. Sama sa makita sa figure, ang temperatura sa wire nagpadayon sa pagtaas pinaagi sa paghatag og tinubdan sa kainit sa zero voltage ug sunod nga convective cooling. Atol sa pagpainit, ang pagbag-o sa martensite ngadto sa austenite phase magsugod kung ang temperatura sa SMA wire (T) motabok sa stress-corrected austenite nucleation temperature (\(A_s^{\prime}\)). Atol niini nga phase, ang SMA wire ma-compress ug ang actuator makamugna og puwersa. Atol usab sa pagpabugnaw, kung ang temperatura sa SMA wire (T) motabok sa nucleation temperature sa stress-modified martensite phase (\(M_s^{\prime}\)) adunay positibo nga transisyon gikan sa austenite phase ngadto sa martensite phase. ang drive force mokunhod.
Ang mga nag-unang kwalitatibong aspeto sa bimodal drive nga gibase sa SMA makuha gikan sa mga resulta sa simulation. Sa kaso sa usa ka voltage pulse input, ang temperatura sa SMA wire motaas tungod sa Joule heating effect. Ang inisyal nga kantidad sa martensite volume fraction (\(\xi\)) gibutang sa 1, tungod kay ang materyal sa sinugdanan anaa sa usa ka hingpit nga martensitic phase. Samtang ang wire nagpadayon sa pag-init, ang temperatura sa SMA wire molapas sa stress-corrected austenite nucleation temperature \(A_s^{\prime}\), nga moresulta sa pagkunhod sa martensite volume fraction, sama sa gipakita sa Figure 4c. Dugang pa, sa fig. 4e gipakita ang distribusyon sa mga stroke sa actuator sa oras, ug sa fig. 5 - driving force isip function sa oras. Ang usa ka may kalabutan nga sistema sa mga equation naglakip sa temperatura, martensite volume fraction, ug stress nga molambo sa wire, nga moresulta sa pagkunhod sa SMA wire ug sa puwersa nga namugna sa actuator. Sama sa gipakita sa fig. 4d,f, ang pagkalainlain sa boltahe uban sa temperatura ug ang pagkalainlain sa martensite volume fraction uban sa temperatura katumbas sa mga kinaiya sa hysteresis sa SMA sa simulated nga kaso sa 7 V.
Ang pagtandi sa mga parameter sa pagmaneho nakuha pinaagi sa mga eksperimento ug mga kalkulasyon sa pag-analisar. Ang mga alambre gipailalom sa pulsed input voltage nga 7 V sulod sa 10 segundos, dayon gipabugnaw sulod sa 15 segundos (cooling phase) sulod sa duha ka siklo. Ang pinnate angle gitakda sa \(40^{\circ}\) ug ang inisyal nga gitas-on sa SMA wire sa matag pin leg gitakda sa 83mm. (a) Pagsukod sa driving force gamit ang load cell (b) Pagmonitor sa temperatura sa alambre gamit ang thermal infrared camera.
Aron masabtan ang impluwensya sa pisikal nga mga parameter sa puwersa nga gihimo sa drive, gihimo ang usa ka pag-analisa sa pagkasensitibo sa modelo sa matematika ngadto sa pinili nga pisikal nga mga parameter, ug ang mga parameter gi-ranggo sumala sa ilang impluwensya. Una, ang sampling sa mga parameter sa modelo gihimo gamit ang mga prinsipyo sa eksperimento sa disenyo nga nagsunod sa usa ka uniporme nga distribusyon (tan-awa ang Supplementary Section on Sensitivity Analysis). Niini nga kaso, ang mga parameter sa modelo naglakip sa input voltage (\(V_{in}\)), inisyal nga gitas-on sa SMA wire (\(l_0\)), anggulo sa triangle (\(\alpha\)), bias spring constant (\( K_x\ )), ang convective heat transfer coefficient (\(h_T\)) ug ang gidaghanon sa unimodal nga mga sanga (n). Sa sunod nga lakang, ang peak muscle strength gipili isip usa ka kinahanglanon sa disenyo sa pagtuon ug ang mga parametric nga epekto sa matag hugpong sa mga variable sa kusog nakuha. Ang mga tornado plot alang sa sensitivity analysis nakuha gikan sa mga correlation coefficients alang sa matag parameter, sama sa gipakita sa Fig. 6a.
(a) Ang mga bili sa correlation coefficient sa mga parameter sa modelo ug ang ilang epekto sa maximum output force sa 2500 ka talagsaon nga mga grupo sa mga parameter sa modelo sa ibabaw gipakita sa tornado plot. Ang graph nagpakita sa rank correlation sa daghang mga indicator. Klaro nga ang \(V_{in}\) mao lamang ang parameter nga adunay positibo nga correlation, ug ang \(l_0\) mao ang parameter nga adunay pinakataas nga negatibo nga correlation. Ang epekto sa lain-laing mga parameter sa lain-laing mga kombinasyon sa peak muscle strength gipakita sa (b, c). Ang \(K_x\) gikan sa 400 hangtod 800 N/m ug ang n gikan sa 4 hangtod 24. Ang boltahe (\(V_{in}\)) nausab gikan sa 4V hangtod 10V, ang gitas-on sa wire (\(l_{0 } \)) nausab gikan sa 40 hangtod 100 mm, ug ang anggulo sa ikog (\ (\alpha \)) nagkalainlain gikan sa \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Sa fig. 6a, makita ang tornado plot sa lain-laing correlation coefficients para sa matag parameter nga adunay peak drive force design requirements. Gikan sa fig. 6a, makita nga ang voltage parameter (\(V_{in}\)) direktang may kalabutan sa maximum output force, ug ang convective heat transfer coefficient (\(h_T\)), flame angle (\( \alpha\)), displacement spring constant (\(K_x\)) negatibo nga may kalabutan sa output force ug sa inisyal nga gitas-on (\(l_0\)) sa SMA wire, ug ang gidaghanon sa unimodal branchs (n) nagpakita og kusog nga inverse correlation. Sa kaso sa direct correlation, sa kaso sa mas taas nga bili sa voltage correlation coefficient (\(V_ {in}\)) nagpakita nga kini nga parameter adunay pinakadako nga epekto sa power output. Laing susamang pag-analisa nagsukod sa peak force pinaagi sa pag-evaluate sa epekto sa lain-laing mga parameter sa lain-laing mga kombinasyon sa duha ka computational spaces, sama sa gipakita sa Fig. 6b, c. Ang \(V_{in}\) ug \(l_0\), \(\alpha\) ug \(l_0\) adunay managsama nga mga sumbanan, ug ang graph nagpakita nga ang \(V_{in}\) ug \(\alpha\ ) ug \(\alpha\) adunay managsama nga mga sumbanan. Ang gagmay nga mga kantidad sa \(l_0\) moresulta sa mas taas nga mga pwersa sa kinatas-ang puwersa. Ang laing duha ka mga laraw nahiuyon sa Figure 6a, diin ang n ug \(K_x\) negatibo nga may kalabutan ug ang \(V_{in}\) positibo nga may kalabutan. Kini nga pag-analisa makatabang sa pagtino ug pag-adjust sa mga parameter nga makaimpluwensya diin ang puwersa sa output, stroke ug kahusayan sa sistema sa pagmaneho mahimong ipahiangay sa mga kinahanglanon ug aplikasyon.
Ang kasamtangang panukiduki nagpaila ug nag-imbestiga sa mga hierarchical drive nga adunay N levels. Sa usa ka two-level hierarchy, sama sa gipakita sa Fig. 7a, diin imbes sa matag SMA wire sa first level actuator, usa ka bimodal arrangement ang nakab-ot, sama sa gipakita sa fig. 9e. Sa fig. 7c gipakita kung giunsa ang SMA wire gilibot sa usa ka movable arm (auxiliary arm) nga naglihok lamang sa longhitudinal nga direksyon. Bisan pa, ang primary movable arm nagpadayon sa paglihok sa parehas nga paagi sama sa movable arm sa 1st stage multi-stage actuator. Kasagaran, ang usa ka N-stage drive gihimo pinaagi sa pag-ilis sa \(N-1\) stage SMA wire og usa ka first-stage drive. Ingon usa ka resulta, ang matag sanga nagsundog sa first stage drive, gawas sa sanga nga nagkupot sa wire mismo. Niining paagiha, ang mga nested structure mahimong maporma nga makamugna og mga pwersa nga daghang beses nga mas dako kaysa sa mga pwersa sa primary drives. Niini nga pagtuon, alang sa matag lebel, usa ka total nga epektibo nga gitas-on sa SMA wire nga 1 m ang gikonsiderar, sama sa gipakita sa tabular format sa Fig. 7d. Ang kuryente nga moagi sa matag alambre sa matag unimodal nga disenyo ug ang resulta nga prestress ug boltahe sa matag SMA wire segment parehas sa matag lebel. Sumala sa among analytical model, ang output force positibo nga nakig-uban sa lebel, samtang ang displacement negatibo nga nakig-uban. Sa samang higayon, adunay trade-off tali sa displacement ug kusog sa kaunuran. Sama sa makita sa fig. 7b, samtang ang pinakataas nga puwersa nakab-ot sa pinakadaghang gidaghanon sa mga layer, ang pinakadako nga displacement naobserbahan sa pinakaubos nga layer. Sa dihang ang hierarchy level gibutang sa \(N=5\), usa ka peak muscle force nga 2.58 kN ang nakit-an nga adunay 2 ka naobserbahan nga stroke \(\upmu\)m. Sa laing bahin, ang first stage drive nakamugna og puwersa nga 150 N sa stroke nga 277 \(\upmu\)m. Ang mga multi-level actuator makahimo sa pagsundog sa tinuod nga biological muscles, diin ang artipisyal nga mga kaunuran nga gibase sa shape memory alloys makahimo sa pagmugna og mas taas nga pwersa nga adunay tukma ug mas pino nga mga paglihok. Ang mga limitasyon niining miniaturized nga disenyo mao nga samtang nagkataas ang hierarchy, ang paglihok mikunhod pag-ayo ug ang pagkakomplikado sa proseso sa paghimo sa drive nagkataas.
(a) Usa ka two-stage (\(N=2\)) layered shape memory alloy linear actuator system ang gipakita sa usa ka bimodal configuration. Ang gisugyot nga modelo nakab-ot pinaagi sa pag-ilis sa SMA wire sa first stage layered actuator og laing single stage layered actuator. (c) Deformed configuration sa second stage multilayer actuator. (b) Ang distribusyon sa mga pwersa ug mga displacement depende sa gidaghanon sa mga lebel gihulagway. Nakaplagan nga ang peak force sa actuator positibo nga nakig-uban sa scale level sa graph, samtang ang stroke negatibo nga nakig-uban sa scale level. Ang current ug pre-voltage sa matag wire nagpabilin nga makanunayon sa tanang lebel. (d) Ang lamesa nagpakita sa gidaghanon sa mga taps ug ang gitas-on sa SMA wire (fiber) sa matag lebel. Ang mga kinaiya sa mga wire gipakita sa index 1, ug ang gidaghanon sa secondary branchs (usa nga konektado sa primary leg) gipakita sa pinakadako nga numero sa subscript. Pananglitan, sa lebel 5, ang \(n_1\) nagtumong sa gidaghanon sa mga SMA wire nga anaa sa matag bimodal nga istruktura, ug ang \(n_5\) nagtumong sa gidaghanon sa mga auxiliary legs (usa nga konektado sa main leg).
Nagkalain-laing mga pamaagi ang gisugyot sa daghang mga tigdukiduki aron pagmodelo sa pamatasan sa mga SMA nga adunay shape memory, nga nagdepende sa mga thermomechanical properties nga nag-uban sa macroscopic nga mga pagbag-o sa istruktura sa kristal nga nalangkit sa phase transition. Ang pormulasyon sa constitutive methods kay komplikado. Ang labing kasagarang gigamit nga phenomenological model gisugyot ni Tanaka28 ug kaylap nga gigamit sa mga aplikasyon sa engineering. Ang phenomenological model nga gisugyot ni Tanaka [28] nagtuo nga ang volume fraction sa martensite usa ka exponential function sa temperatura ug stress. Sa ulahi, si Liang ug Rogers29 ug Brinson30 nagsugyot og usa ka modelo diin ang phase transition dynamics giisip nga usa ka cosine function sa boltahe ug temperatura, nga adunay gamay nga mga pagbag-o sa modelo. Si Becker ug Brinson nagsugyot og usa ka phase diagram based kinetic model aron pagmodelo sa pamatasan sa mga materyales sa SMA ubos sa arbitrary loading conditions ingon man partial transitions. Gigamit ni Banerjee32 ang Bekker ug Brinson31 phase diagram dynamics method aron pagsundog sa usa ka single degree of freedom manipulator nga gihimo ni Elahinia ug Ahmadian33. Ang mga kinetic nga pamaagi nga gibase sa mga phase diagram, nga nagkonsiderar sa dili monotonikong pagbag-o sa boltahe uban sa temperatura, lisod ipatuman sa mga aplikasyon sa inhenyeriya. Si Elakhinia ug Ahmadian naghatag og atensyon niining mga kakulangan sa kasamtangang mga phenomenological nga modelo ug nagsugyot og usa ka gipalapdan nga phenomenological nga modelo aron analisahon ug ipasabot ang pamatasan sa memorya sa porma ubos sa bisan unsang komplikado nga mga kondisyon sa pagkarga.
Ang structural model sa SMA wire naghatag og stress (\(\sigma\)), strain (\(\epsilon\)), temperature (T), ug martensite volume fraction (\(\xi\)) sa SMA wire. Ang phenomenological constitutive model unang gisugyot ni Tanaka28 ug sa ulahi gisagop ni Liang29 ug Brinson30. Ang derivative sa equation adunay porma nga:
diin ang E mao ang phase dependent SMA Young's modulus nga nakuha gamit ang \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) ug ang \(E_A\) ug \(E_M\) nga nagrepresentar sa Young's modulus kay austenitic ug martensitic phases, matag usa, ug ang coefficient sa thermal expansion girepresentahan sa \(\theta _T\). Ang phase transition contribution factor kay \(\Omega = -E \epsilon _L\) ug ang \(\epsilon _L\) kay ang maximum recoverable strain sa SMA wire.
Ang phase dynamics equation nahiuyon sa cosine function nga gihimo ni Liang29 ug sa ulahi gisagop ni Brinson30 imbes sa exponential function nga gisugyot ni Tanaka28. Ang phase transition model usa ka extension sa modelo nga gisugyot ni Elakhinia ug Ahmadian34 ug giusab base sa mga kondisyon sa phase transition nga gihatag ni Liang29 ug Brinson30. Ang mga kondisyon nga gigamit alang niini nga phase transition model balido ubos sa komplikado nga thermomechanical loads. Sa matag gutlo sa oras, ang bili sa volume fraction sa martensite gikalkulo sa pagmodelo sa constitutive equation.
Ang nagdumala nga ekwasyon sa retransformation, nga gipahayag sa pagbag-o sa martensite ngadto sa austenite ubos sa mga kondisyon sa pagpainit, mao ang mosunod:
diin ang \(\xi\) mao ang volume fraction sa martensite, ang \(\xi _M\) mao ang volume fraction sa martensite nga nakuha sa wala pa gipainit, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) ug \(C_A\) – mga parametro sa pagbanabana sa kurba, T – Temperatura sa SMA wire, \(A_s\) ug \(A_f\) – sinugdanan ug katapusan sa austenite phase, matag usa, temperatura.
Ang ekwasyon sa pagkontrol sa direktang pagbag-o, nga girepresentahan sa pagbag-o sa hugna sa austenite ngadto sa martensite ubos sa mga kondisyon sa pagpabugnaw, mao ang:
diin ang \(\xi _A\) mao ang volume fraction sa martensite nga nakuha sa wala pa ang pagpabugnaw, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) ug \ ( C_M \) – mga parametro sa curve fitting, T – Temperatura sa SMA wire, \(M_s\) ug \(M_f\) – inisyal ug katapusang temperatura sa martensite, matag usa.
Human malainlain ang mga ekwasyon (3) ug (4), ang mga ekwasyon sa inverse ug direct transformation gipasimple ngadto sa mosunod nga porma:
Atol sa forward ug backward transformation, ang \(\eta _{\sigma}\) ug \(\eta _{T}\) mokuha og lain-laing mga bili. Ang mga batakang equation nga nalangkit sa \(\eta _{\sigma}\) ug \(\eta _{T}\) nakuha na ug gihisgutan sa detalye sa dugang nga seksyon.
Ang enerhiya sa kainit nga gikinahanglan aron mapataas ang temperatura sa SMA wire gikan sa epekto sa pagpainit sa Joule. Ang enerhiya sa kainit nga nasuhop o gipagawas sa SMA wire girepresentahan sa latent heat sa pagbag-o. Ang pagkawala sa kainit sa SMA wire tungod sa forced convection, ug tungod sa gamay nga epekto sa radiation, ang equation sa balanse sa enerhiya sa kainit mao ang mosunod:
Diin ang \(m_{wire}\) mao ang kinatibuk-ang masa sa SMA wire, ang \(c_{p}\) mao ang espesipikong kapasidad sa kainit sa SMA, ang \(V_{in}\) mao ang boltahe nga gigamit sa wire, ang \(R_{ohm} \ ) – phase-dependent resistance SMA, gihubit nga; ang \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) diin ang \(r_M\ ) ug \(r_A\) mao ang SMA phase resistivity sa martensite ug austenite, matag usa, ang \(A_{c}\) mao ang surface area sa SMA wire, ug ang \(\Delta H \) usa ka shape memory alloy. Ang latent heat of transition sa wire, ang T ug ang \(T_{\infty}\) mao ang temperatura sa SMA wire ug sa palibot, matag usa.
Kon ang usa ka shape memory alloy wire i-acturate, ang wire mo-compress, nga makamugna og puwersa sa matag sanga sa bimodal design nga gitawag og fiber force. Ang pwersa sa mga fiber sa matag strand sa SMA wire nga magkauban makamugna og muscle force aron mo-actuate, sama sa gipakita sa Fig. 9e. Tungod sa presensya sa biasing spring, ang total muscle force sa Nth multilayer actuator mao ang:
Ilisan ang \(N = 1\) sa equation (7), ang kusog sa kaunoran sa first stage bimodal drive prototype makuha sama sa mosunod:
diin ang n mao ang gidaghanon sa unimodal nga mga bitiis, ang \(F_m\) mao ang puwersa sa kaunuran nga namugna sa drive, ang \(F_f\) mao ang kusog sa fiber sa SMA wire, ang \(K_x\) mao ang bias stiffness. spring, ang \(\alpha\) mao ang anggulo sa triangle, ang \(x_0\) mao ang inisyal nga offset sa bias spring aron kuptan ang SMA cable sa pre-tensioned nga posisyon, ug ang \(\Delta x\) mao ang paglihok sa actuator.
Ang kinatibuk-ang pagbalhin o paglihok sa drive (\(\Delta x\)) depende sa boltahe (\(\sigma\)) ug strain (\(\epsilon\)) sa SMA wire sa Nth stage, ang drive gitakda sa (tan-awa ang Fig. dugang nga bahin sa output):
Ang mga kinematic equation naghatag sa relasyon tali sa drive deformation (\(\epsilon\)) ug displacement o displacement (\(\Delta x\)). Ang deformation sa Arb wire isip function sa inisyal nga gitas-on sa Arb wire (\(l_0\)) ug ang gitas-on sa wire (l) sa bisan unsang oras nga t sa usa ka unimodal branch mao ang mosunod:
diin ang \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) makuha pinaagi sa pag-apply sa cosine formula sa \(\Delta\)ABB ', sama sa gipakita sa Figure 8. Para sa first stage drive (\(N = 1\)), ang \(\Delta x_1\) kay \(\Delta x\), ug ang \(\alpha _1\) kay \(\alpha \) sama sa gipakita sa Sama sa gipakita sa Figure 8, pinaagi sa pag-differentiate sa time gikan sa Equation (11) ug pag-ilis sa value sa l, ang strain rate mahimong isulat sama sa:
diin ang \(l_0\) mao ang inisyal nga gitas-on sa SMA wire, ang l mao ang gitas-on sa wire sa bisan unsang oras nga t sa usa ka unimodal nga sanga, ang \(\epsilon\) mao ang deformation nga naugmad sa SMA wire, ug ang \(\alpha \) mao ang anggulo sa triangle, ang \(\Delta x\) mao ang drive offset (sama sa gipakita sa Figure 8).
Ang tanang n ka single-peak nga mga istruktura (\(n=6\) niini nga hulagway) konektado nga serye uban sa \(V_{in}\) isip input voltage. Yugto I: Eskematikong diagram sa SMA wire sa usa ka bimodal configuration ubos sa zero voltage nga mga kondisyon Yugto II: Usa ka kontroladong istruktura ang gipakita diin ang SMA wire gi-compress tungod sa inverse conversion, sama sa gipakita sa pula nga linya.
Isip pruweba sa konsepto, usa ka SMA-based bimodal drive ang gihimo aron sulayan ang simulated derivation sa nagpahiping mga equation nga adunay mga resulta sa eksperimento. Ang CAD model sa bimodal linear actuator gipakita sa fig. 9a. Sa laing bahin, sa fig. 9c nagpakita sa usa ka bag-ong disenyo nga gisugyot alang sa usa ka rotational prismatic connection gamit ang usa ka two-plane SMA-based actuator nga adunay bimodal structure. Ang mga drive component gihimo gamit ang additive manufacturing sa usa ka Ultimaker 3 Extended 3D printer. Ang materyal nga gigamit alang sa 3D printing sa mga component mao ang polycarbonate nga angay alang sa mga materyales nga dili masunog tungod kay kini lig-on, lig-on ug adunay taas nga temperatura sa transition sa bildo (110-113 \(^{\circ }\) C). Dugang pa, ang Dynalloy, Inc. Flexinol shape memory alloy wire gigamit sa mga eksperimento, ug ang mga kabtangan sa materyal nga katumbas sa Flexinol wire gigamit sa mga simulation. Ang daghang mga alambre sa SMA gihan-ay isip mga lanot nga anaa sa usa ka bimodal nga kahikayan sa mga kaunuran aron makuha ang taas nga pwersa nga gihimo sa mga multilayer actuator, sama sa gipakita sa Fig. 9b, d.
Sama sa gipakita sa Figure 9a, ang acute angle nga naporma sa movable arm SMA wire gitawag nga angle (\(\alpha\)). Uban sa mga terminal clamp nga gilakip sa wala ug tuo nga mga clamp, ang SMA wire gikuptan sa gitinguha nga bimodal angle. Ang bias spring device nga gikuptan sa spring connector gidisenyo aron i-adjust ang lain-laing bias spring extension groups sumala sa gidaghanon (n) sa mga SMA fiber. Dugang pa, ang lokasyon sa naglihok nga mga parte gidisenyo aron ang SMA wire maladlad sa gawas nga palibot alang sa forced convection cooling. Ang ibabaw ug ubos nga mga plato sa detachable assembly makatabang sa pagpabugnaw sa SMA wire nga adunay extruded cutouts nga gidisenyo aron makunhuran ang gibug-aton. Dugang pa, ang duha ka tumoy sa CMA wire gipahimutang sa wala ug tuo nga mga terminal, matag usa, pinaagi sa usa ka crimp. Usa ka plunger ang gilakip sa usa ka tumoy sa movable assembly aron mapadayon ang clearance tali sa ibabaw ug ubos nga mga plato. Ang plunger gigamit usab sa pag-apply sa blocking force sa sensor pinaagi sa usa ka contact aron masukod ang blocking force kung ang SMA wire gi-actuate.
Ang bimodal muscle structure nga SMA konektado sa kuryente nga serye ug gipadagan sa input pulse voltage. Atol sa voltage pulse cycle, kung ang boltahe ipadapat ug ang SMA wire gipainit labaw sa inisyal nga temperatura sa austenite, ang gitas-on sa wire sa matag strand gipamubo. Kini nga pag-atras mo-activate sa movable arm subassembly. Kung ang boltahe gi-zero sa parehas nga siklo, ang gipainit nga SMA wire gipabugnaw ubos sa temperatura sa martensite surface, sa ingon mibalik sa orihinal nga posisyon niini. Ubos sa zero stress conditions, ang SMA wire una nga passively nga giinat sa usa ka bias spring aron makaabot sa detwinned martensitic state. Ang screw, diin moagi ang SMA wire, molihok tungod sa compression nga gihimo pinaagi sa pag-apply sa voltage pulse sa SMA wire (ang SPA makaabot sa austenite phase), nga mosangpot sa pag-actuation sa movable lever. Kung ang SMA wire gi-retract, ang bias spring makamugna og opposing force pinaagi sa dugang nga pag-inat sa spring. Kung ang stress sa impulse voltage mahimong zero, ang SMA wire molugway ug mag-usab sa porma niini tungod sa forced convection cooling, nga makaabot sa double martensitic phase.
Ang gisugyot nga SMA-based linear actuator system adunay bimodal configuration diin ang mga SMA wire kay naka-anggulo. (a) nagpakita sa usa ka CAD model sa prototype, nga naghisgot sa pipila ka mga component ug sa ilang mga kahulugan para sa prototype, (b, d) nagrepresentar sa naugmad nga experimental prototype35. Samtang ang (b) nagpakita sa top view sa prototype nga adunay electrical connections ug bias springs ug strain gauges nga gigamit, (d) nagpakita sa perspective view sa setup. (e) Diagram sa usa ka linear actuation system nga adunay SMA wires nga gibutang nga bimodally sa bisan unsang oras nga t, nga nagpakita sa direksyon ug kurso sa fiber ug muscle strength. (c) Usa ka 2-DOF rotational prismatic connection ang gisugyot para sa pag-deploy sa usa ka two-plane SMA-based actuator. Sama sa gipakita, ang link nagpadala sa linear motion gikan sa bottom drive ngadto sa top arm, nga nagmugna og rotational connection. Sa laing bahin, ang paglihok sa pares sa mga prism parehas sa paglihok sa multilayer first stage drive.
Usa ka eksperimental nga pagtuon ang gihimo sa prototype nga gipakita sa Fig. 9b aron masusi ang performance sa usa ka bimodal drive nga gibase sa SMA. Sama sa gipakita sa Figure 10a, ang eksperimental nga setup gilangkoban sa usa ka programmable DC power supply aron mag-supply og input voltage sa mga SMA wire. Sama sa gipakita sa fig. 10b, usa ka piezoelectric strain gauge (PACEline CFT/5kN) ang gigamit aron masukod ang blocking force gamit ang Graphtec GL-2000 data logger. Ang datos girekord sa host alang sa dugang nga pagtuon. Ang mga strain gauge ug charge amplifier nanginahanglan og kanunay nga power supply aron makahimo og voltage signal. Ang katugbang nga mga signal gi-convert ngadto sa power output sumala sa sensitivity sa piezoelectric force sensor ug uban pang mga parameter sama sa gihulagway sa Table 2. Kung ang usa ka voltage pulse gigamit, ang temperatura sa SMA wire motaas, hinungdan nga ang SMA wire mo-compress, nga hinungdan nga ang actuator makamugna og puwersa. Ang mga resulta sa eksperimento sa output sa kusog sa kaunuran pinaagi sa usa ka input voltage pulse nga 7 V gipakita sa fig. 2a.
(a) Usa ka SMA-based linear actuator system ang gi-set up sa eksperimento aron masukod ang puwersa nga namugna sa actuator. Ang load cell nagsukod sa blocking force ug gipadagan sa 24 V DC power supply. Usa ka 7 V voltage drop ang gigamit sa tibuok gitas-on sa cable gamit ang GW Instek programmable DC power supply. Ang SMA wire mokunhod tungod sa kainit, ug ang movable arm mokontak sa load cell ug mohatag og blocking force. Ang load cell konektado sa GL-2000 data logger ug ang data gitipigan sa host para sa dugang nga pagproseso. (b) Diagram nga nagpakita sa kadena sa mga component sa experimental setup para sa pagsukod sa kusog sa kaunoran.
Ang mga shape memory alloys gi-excite sa thermal energy, busa ang temperatura nahimong importante nga parameter para sa pagtuon sa shape memory phenomenon. Sa eksperimento, sama sa gipakita sa Fig. 11a, ang thermal imaging ug mga pagsukod sa temperatura gihimo sa usa ka prototype nga SMA-based divalerate actuator. Usa ka programmable DC source ang nag-apply sa input voltage sa mga SMA wire sa experimental setup, sama sa gipakita sa Figure 11b. Ang pagbag-o sa temperatura sa SMA wire gisukod sa tinuod nga oras gamit ang usa ka high resolution LWIR camera (FLIR A655sc). Gigamit sa host ang ResearchIR software aron irekord ang datos para sa dugang nga post-processing. Kung ang usa ka voltage pulse ang gigamit, ang temperatura sa SMA wire motaas, hinungdan nga ang SMA wire mokunhod. Sa fig. Ang Figure 2b nagpakita sa mga resulta sa eksperimento sa temperatura sa SMA wire batok sa oras para sa usa ka 7V input voltage pulse.
Oras sa pag-post: Sep-28-2022
