Täname teid Nature.com-i külastamise eest. Teie kasutataval brauseriversioonil on piiratud CSS-i tugi. Parima kogemuse saamiseks soovitame teil kasutada värskendatud brauserit (või keelata Internet Exploreris ühilduvusrežiim). Seni aga renderdame saiti jätkuva toe tagamiseks ilma stiilide ja JavaScriptita.
Täiturmehhanisme kasutatakse kõikjal ja need loovad kontrollitud liikumise, rakendades õiget ergastusjõudu või pöördemomenti mitmesuguste toimingute teostamiseks tootmises ja tööstusautomaatikas. Vajadus kiiremate, väiksemate ja tõhusamate ajamite järele on ajamite disaini innovatsiooni ergutaja. Mälu sulamist (SMA) ajamid pakuvad tavapäraste ajamite ees mitmeid eeliseid, sealhulgas kõrge võimsuse ja kaalu suhe. Selles dissertatsioonis töötati välja kahe sulega SMA-põhine ajam, mis ühendab bioloogiliste süsteemide suleliste lihaste eelised ja SMA-de ainulaadsed omadused. See uuring uurib ja laiendab varasemaid SMA ajameid, töötades välja uue ajami matemaatilise mudeli, mis põhineb bimodaalsel SMA juhtmete paigutusel, ja testides seda eksperimentaalselt. Võrreldes teadaolevate SMA-l põhinevate ajamitega on uue ajami käivitusjõud vähemalt 5 korda suurem (kuni 150 N). Vastav kaalukaotus on umbes 67%. Matemaatiliste mudelite tundlikkusanalüüsi tulemused on kasulikud disainiparameetrite häälestamiseks ja võtmeparameetrite mõistmiseks. See uuring tutvustab lisaks mitmetasandilist N-astme ajamit, mida saab kasutada dünaamika edasiseks parandamiseks. SMA-põhistel dipvaleraatsete lihaste ajamidel on lai valik rakendusi, alates hoonete automatiseerimisest kuni täppisravimite manustamissüsteemideni.
Bioloogilised süsteemid, näiteks imetajate lihasstruktuurid, suudavad aktiveerida paljusid peeneid ajamid1. Imetajatel on erinevad lihasstruktuurid, millest igaühel on kindel eesmärk. Suure osa imetajate lihaskoe struktuurist saab aga jagada kahte laia kategooriasse. Paralleel- ja pennaalne lihaskond. Nagu nimigi ütleb, on reie tagalihaste ja teiste painutajate paralleellihaskonnas lihaskiud paralleelsed keskkõõlusega. Lihaskiudude ahel on joondatud ja funktsionaalselt ühendatud neid ümbritseva sidekoe abil. Kuigi neil lihastel on väidetavalt suur liikumine (lühenemise protsent), on nende üldine lihasjõud väga piiratud. Seevastu kolmepealise säärelihase2 (lateraalne gastrocnemius (GL)3, mediaalne gastrocnemius (GM)4 ja soleus (SOL)) ja reieluu sirutajalihase (nelipealihas)5,6 pennaalset lihaskude leidub igas lihases7. Sulgjas struktuuris paiknevad kahepealise lihaskonna lihaskiud keskkõõluse mõlemal küljel kaldus nurga all (sulgjad nurgad). Sõna „pennate“ tuleb ladinakeelsest sõnast „penna“, mis tähendab „pliiatsit“ ja nagu joonisel 1 näidatud, on sellel sulgede moodi välimus. Pennate lihaste kiud on lühemad ja lihase pikitelje suhtes nurga all. Sulgjate lihaste struktuuri tõttu on nende lihaste üldine liikuvus vähenenud, mis viib lühenemisprotsessi põiki- ja pikisuunalise komponendini. Teisest küljest viib nende lihaste aktiveerimine suurema üldise lihasjõuni tänu füsioloogilise ristlõikepindala mõõtmise viisile. Seega on antud ristlõikepindala korral pennate lihased tugevamad ja genereerivad suuremaid jõude kui paralleelsete kiududega lihased. Üksikute kiudude tekitatud jõud genereerivad makroskoopilisel tasandil lihasjõude selles lihaskoes. Lisaks on sellel sellised ainulaadsed omadused nagu kiire kahanemine, kaitse tõmbekahjustuste eest ja pehmendus. See muudab kiudude sisendi ja lihaste jõu väljundi vahelist suhet, kasutades ära lihaste toimeliinidega seotud kiudude paigutuse ainulaadseid omadusi ja geomeetrilist keerukust.
Näidatud on olemasolevate SMA-põhiste täiturmehhanismide konstruktsioonide skemaatilised diagrammid seoses bimodaalse lihasarhitektuuriga, näiteks (a), mis kujutab taktiilse jõu interaktsiooni, kus SMA-juhtmete abil käivitatav käekujuline seade on paigaldatud kaherattalisele autonoomsele mobiilrobotile9,10., (b) Robotne orbitaalprotees antagonistlikult paigutatud SMA vedruga koormatud orbitaalproteesiga. Proteesilma asendit juhitakse silma silmalihase signaali abil11, (c) SMA-ajamid sobivad ideaalselt veealusteks rakendusteks tänu oma kõrgele sageduskarakteristikule ja madalale ribalaiusele. Selles konfiguratsioonis kasutatakse SMA-ajameid laine liikumise loomiseks kalade liikumise simuleerimise teel, (d) SMA-ajameid kasutatakse mikrotorude kontrollroboti loomiseks, mis saab kasutada tollise ussi liikumise põhimõtet, mida juhitakse SMA-juhtmete liikumisega kanalis 10, (e) näitab lihaskiudude kokkutõmbumissuunda ja kokkutõmbumisjõu tekitamist gastrocnemius-lihase koes, (f) näitab SMA-juhtmeid, mis on paigutatud lihaskiudude kujul pennate-lihase struktuuris.
Täiturmehhanismidest on saanud mehaaniliste süsteemide oluline osa tänu oma laiale rakendusalale. Seetõttu on kriitilise tähtsusega vajadus väiksemate, kiiremate ja tõhusamate ajamite järele. Vaatamata oma eelistele on traditsioonilised ajamite hooldus osutunud kalliks ja aeganõudvaks. Hüdraulilised ja pneumaatilised ajamid on keerulised ja kallid ning neil esineb kulumisprobleeme, määrimisprobleeme ja komponentide rikkeid. Nõudlusele reageerides keskendutakse nutikatel materjalidel põhinevate kulutõhusate, suuruse poolest optimeeritud ja täiustatud ajamite väljatöötamisele. Käimasolevad uuringud uurivad kuju mäluga sulamist (SMA) kihilisi ajameid selle vajaduse rahuldamiseks. Hierarhilised ajamid on ainulaadsed selle poolest, et need ühendavad paljusid diskreetseid ajameid geomeetriliselt keerukateks makrotasandi alamsüsteemideks, et pakkuda suuremat ja laiendatud funktsionaalsust. Sellega seoses pakub eespool kirjeldatud inimese lihaskude suurepärase mitmekihilise näite sellisest mitmekihilisest ajamist. Käesolev uuring kirjeldab mitmetasandilist SMA ajamit, millel on mitu individuaalset ajamielementi (SMA juhtmed), mis on joondatud bimodaalsetes lihastes esinevate kiudude orientatsioonidega, mis parandab ajami üldist jõudlust.
Täiturmehhanismi peamine eesmärk on genereerida mehaanilist väljundvõimsust, näiteks jõudu ja nihet, elektrienergia muundamise teel. Kujumälusulamid on "nutikate" materjalide klass, mis suudavad oma kuju taastada kõrgetel temperatuuridel. Suure koormuse korral viib SMA-traadi temperatuuri tõus kuju taastumiseni, mille tulemuseks on suurem ajami energiatihedus võrreldes erinevate otse ühendatud nutikate materjalidega. Samal ajal muutuvad SMA-d mehaanilise koormuse all hapraks. Teatud tingimustel võib tsükliline koormus mehaanilist energiat neelata ja vabastada, näidates üles pöörduvaid hüstereetilisi kuju muutusi. Need ainulaadsed omadused muudavad SMA ideaalseks andurite, vibratsiooni summutamise ja eriti ajamite jaoks12. Seda silmas pidades on SMA-põhiste ajamite kohta tehtud palju uuringuid. Tuleb märkida, et SMA-põhised ajamid on loodud translatsioonilise ja pöördliikumise tagamiseks mitmesugustes rakendustes13,14,15. Kuigi on välja töötatud mõned pöördajamid, on teadlased eriti huvitatud lineaarajamitest. Need lineaarajamid saab jagada kolme tüüpi ajamiteks: ühemõõtmelised, nihke- ja diferentsiaalajamiteks16. Algselt loodi hübriidajamid kombinatsioonis SMA ja teiste tavapäraste ajamitega. Üks selline SMA-põhise hübriidse lineaarajami näide on SMA-juhtme kasutamine alalisvoolumootoriga, et tagada umbes 100 N väljundjõud ja märkimisväärne nihe17.
Üks esimesi täielikult SMA-l põhinevate ajamite arendusi oli SMA paralleelajam. Mitme SMA-juhtme abil on SMA-põhine paralleelajam loodud suurendama ajami võimsust, paigutades kõik SMA18 juhtmed paralleelselt. Täiturmehhanismide paralleelühendus mitte ainult ei vaja suuremat võimsust, vaid piirab ka ühe juhtme väljundvõimsust. SMA-põhiste ajamite teine puudus on piiratud liikumine, mida nad suudavad saavutada. Selle probleemi lahendamiseks loodi SMA-kaabeltala, mis sisaldab painduvat ja kõrvalekallet omavat tala nihke suurendamiseks ja lineaarse liikumise saavutamiseks, kuid see ei genereerinud suuremaid jõude19. Pehmeid deformeeritavaid struktuure ja kangaid robotitele, mis põhinevad kuju mäluga sulamitel, on välja töötatud peamiselt löögi võimendamiseks20,21,22. Rakenduste jaoks, kus on vaja suuri kiirusi, on teatatud kompaktsetest ajamist pumpadest, mis kasutavad õhukese kilega SMA-sid mikropumpadega käitatavate rakenduste jaoks23. Õhukese kilega SMA membraani ajami sagedus on ajami kiiruse juhtimisel võtmetegur. Seetõttu on SMA lineaarmootoritel parem dünaamiline reaktsioon kui SMA vedru- või varrasmootoritel. Pehme robootika ja haardetehnoloogia on kaks muud rakendust, mis kasutavad SMA-põhiseid ajameid. Näiteks 25 N ruumiklambris kasutatava standardse ajami asendamiseks töötati välja kujumäluga sulamist paralleelne ajam 24. Teisel juhul valmistati SMA-st pehme ajam, mis põhineb traadil, millesse on sisse ehitatud maatriks, mis on võimeline tekitama maksimaalset tõmbejõudu 30 N. Oma mehaaniliste omaduste tõttu kasutatakse SMA-sid ka selliste ajamite tootmiseks, mis jäljendavad bioloogilisi nähtusi. Üks selline arendus hõlmab 12-rakulist robotit, mis on vihmaussilaadse organismi biomimeetikum, kus SMA tekitab sinusoidaalse liikumise tule tegemiseks 26,27.
Nagu varem mainitud, on olemasolevate SMA-põhiste ajamite abil saavutataval maksimaalsel jõul piir. Selle probleemi lahendamiseks esitletakse selles uuringus biomimeetilist bimodaalset lihasstruktuuri. Ajamiks on kuju mäluga sulamist traat. See pakub klassifikatsioonisüsteemi, mis hõlmab mitut kuju mäluga sulamist traati. Praeguseks pole kirjanduses avaldatud sarnase arhitektuuriga SMA-põhiseid ajameid. See ainulaadne ja uudne SMA-l põhinev süsteem töötati välja SMA käitumise uurimiseks bimodaalse lihase joondamisel. Võrreldes olemasolevate SMA-põhiste ajamitega oli selle uuringu eesmärk luua biomimeetiline dipvaleraatne ajam, mis genereeriks väikeses mahus oluliselt suuremaid jõude. Võrreldes tavapäraste astmelise mootoriga ajamitega, mida kasutatakse HVAC hoonete automatiseerimis- ja juhtimissüsteemides, vähendab pakutud SMA-põhine bimodaalne ajami disain ajami mehhanismi kaalu 67%. Edaspidi kasutatakse termineid "lihas" ja "ajam" vaheldumisi. See uuring uurib sellise ajami multifüüsikalist simulatsiooni. Selliste süsteemide mehaanilist käitumist on uuritud eksperimentaalsete ja analüütiliste meetoditega. Jõu ja temperatuuri jaotusi uuriti edasi sisendpingel 7 V. Seejärel viidi läbi parameetriline analüüs, et paremini mõista peamiste parameetrite ja väljundjõu vahelist seost. Lõpuks on ette nähtud hierarhilised ajamid ja pakutud välja hierarhiliste tasemete efektid kui potentsiaalne tulevikuvaldkond mittemagnetiliste ajamite jaoks proteesirakendustes. Eelnevalt mainitud uuringute tulemuste kohaselt tekitab üheastmelise arhitektuuri kasutamine jõude, mis on vähemalt neli kuni viis korda suuremad kui teatatud SMA-põhiste ajamite puhul. Lisaks on näidatud, et sama ajamijõud, mida tekitab mitmetasandiline mitmetasandiline ajami, on enam kui kümme korda suurem kui tavapäraste SMA-põhiste ajamite puhul. Seejärel esitatakse uuringus peamised parameetrid, kasutades tundlikkusanalüüsi erinevate konstruktsioonide ja sisendmuutujate vahel. SMA-traadi algpikkus (\(l_0\)), sulgnurk (\(alpha\)) ja üksikute kiudude arv (n) igas üksikus ahelas avaldavad tugevat negatiivset mõju ajamijõu suurusele, samas kui sisendpinge (energia) osutus positiivselt korreleeruvaks.
SMA-traadil on nikkel-titaan (Ni-Ti) sulamite perekonnas täheldatud kuju mäluefekt (SME). Tavaliselt on SMA-del kaks temperatuurist sõltuvat faasi: madalatemperatuuriline faas ja kõrgetemperatuuriline faas. Mõlemal faasil on unikaalsed omadused tänu erinevatele kristallstruktuuridele. Austeniidi faasis (kõrgtemperatuuriline faas), mis eksisteerib üle transformatsioonitemperatuuri, on materjalil suur tugevus ja see deformeerub koormuse all halvasti. Sulam käitub nagu roostevaba teras, seega on see võimeline taluma suuremaid käivitusrõhke. Kasutades ära seda Ni-Ti sulamite omadust, on SMA-traadid kaldu, et moodustada ajam. SMA termilise käitumise põhimehhanismi mõistmiseks erinevate parameetrite ja geomeetria mõjul töötatakse välja sobivad analüütilised mudelid. Eksperimentaalsete ja analüütiliste tulemuste vahel saavutati hea kooskõla.
Joonisel 9a kujutatud prototüübiga viidi läbi eksperimentaalne uuring, et hinnata SMA-l põhineva bimodaalse ajami jõudlust. Eksperimentaalselt mõõdeti kahte neist omadustest: ajami tekitatud jõudu (lihasjõud) ja SMA-traadi temperatuuri (SMA temperatuur). Kui pinge erinevus ajamis oleva juhtme kogu pikkuses suureneb, tõuseb juhtme temperatuur Joule'i kuumenemisefekti tõttu. Sisendpinget rakendati kahes 10-sekundilises tsüklis (joonisel 2a, b näidatud punaste punktidena), iga tsükli vahel 15-sekundilise jahutusperioodiga. Blokeerimisjõudu mõõdeti piesoelektrilise tõmbeanduri abil ja SMA-traadi temperatuurijaotust jälgiti reaalajas teadusliku kõrgresolutsiooniga LWIR-kaamera abil (vt kasutatud seadmete omadusi tabelis 2). Joonis näitab, et kõrgepinge faasis tõuseb juhtme temperatuur monotoonselt, kuid kui voolu ei voola, jätkab juhtme temperatuur langemist. Praeguses eksperimentaalses seadistuses langes SMA-traadi temperatuur jahtumisfaasi ajal, kuid see oli ikkagi ümbritseva õhu temperatuurist kõrgem. Joonisel 2e on näidatud LWIR-kaamerast saadud SMA-traadi temperatuuri hetktõmmis. Joonisel 2a on aga näidatud ajamisüsteemi tekitatud blokeerimisjõud. Kui lihasjõud ületab vedru taastamisjõu, hakkab liikuv käsi, nagu on näidatud joonisel 9a, liikuma. Niipea kui käivitus algab, puutub liikuv käsi kokku anduriga, tekitades kehajõu, nagu on näidatud joonisel 2c, d. Kui maksimaalne temperatuur on lähedal \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), on maksimaalne vaadeldav jõud 105 N.
Graafik näitab SMA-traadi temperatuuri ja SMA-põhise bimodaalse ajami poolt kahe tsükli jooksul tekitatud jõu eksperimentaalseid tulemusi. Sisendpinget rakendatakse kahes 10-sekundilises tsüklis (näidatud punaste punktidena) 15-sekundilise jahtumisperioodiga iga tsükli vahel. Katsetes kasutatud SMA-traat oli 0,51 mm läbimõõduga Flexinol-traat firmalt Dynalloy, Inc. (a) Graafik näitab kahe tsükli jooksul saadud eksperimentaalset jõudu, (c, d) näitab kahte sõltumatut näidet liikuvate õlaajamite toimest PACEline CFT/5kN piesoelektrilisele jõuandurile, (b) graafik näitab kogu SMA-traadi maksimaalset temperatuuri kahe tsükli jooksul, (e) näitab SMA-traadist FLIR ResearchIR tarkvara LWIR-kaamera abil tehtud temperatuuri hetktõmmist. Katsetes arvesse võetud geomeetrilised parameetrid on esitatud tabelis 1.
Matemaatilise mudeli simulatsioonitulemusi ja eksperimentaalseid tulemusi võrreldakse 7 V sisendpinge korral, nagu on näidatud joonisel 5. Parameetrilise analüüsi tulemuste kohaselt ja SMA-juhtme ülekuumenemise vältimiseks anti täiturmehhanismile võimsust 11,2 W. Sisendpingeks kasutati programmeeritavat alalisvoolutoiteallikat 7 V ja juhtmel mõõdeti voolutugevust 1,6 A. Ajami tekitatud jõud ja SDR-i temperatuur suurenevad voolu rakendamisel. 7 V sisendpinge korral on esimese tsükli simulatsioonitulemustest ja eksperimentaalsetest tulemustest saadud maksimaalne väljundjõud vastavalt 78 N ja 96 N. Teises tsüklis oli simulatsiooni ja eksperimentaalsete tulemuste maksimaalne väljundjõud vastavalt 150 N ja 105 N. Sulgumisjõu mõõtmiste ja eksperimentaalsete andmete lahknevus võib olla tingitud sulgumisjõu mõõtmiseks kasutatud meetodist. Joonisel 5 on näidatud eksperimentaalsed tulemused. Joonisel 5a olevad väärtused vastavad lukustusjõu mõõtmisele, mis omakorda mõõdeti siis, kui veovõll oli kokkupuutes PACEline CFT/5kN piesoelektrilise jõuanduriga, nagu on näidatud joonisel 2s. Seega, kui veovõll ei ole jahutustsooni alguses jõuanduriga kokkupuutes, muutub jõud kohe nulliks, nagu on näidatud joonisel 2d. Lisaks on muudeks parameetriteks, mis mõjutavad jõu teket järgnevates tsüklites, jahutusaja väärtused ja konvektiivse soojusülekande koefitsient eelmises tsüklis. Jooniselt 2b on näha, et pärast 15-sekundilist jahutusperioodi ei saavutanud SMA-juhe toatemperatuuri ja seetõttu oli selle algtemperatuur teises sõidutsüklis kõrgem (\(40\,^{\circ}\hbox {C}\)) võrreldes esimese tsükliga (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Seega, võrreldes esimese tsükliga, saavutab SMA-traadi temperatuur teise kuumutustsükli jooksul austeniidi algtemperatuuri (\(A_s\)) varem ja püsib üleminekuperioodil kauem, mille tulemuseks on pinge ja jõud. Teisest küljest on katsetest ja simulatsioonidest saadud temperatuurijaotustel kuumutus- ja jahutustsüklite ajal kõrge kvalitatiivne sarnasus termograafilise analüüsi näidetega. Katsete ja simulatsioonide SMA-traadi termiliste andmete võrdlev analüüs näitas järjepidevust kuumutus- ja jahutustsüklite ajal ning katseandmete vastuvõetavate tolerantside piires. Esimese tsükli simulatsiooni ja katsete tulemustest saadud SMA-traadi maksimaalne temperatuur on vastavalt \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) ja \(75\,^{\circ }\hbox {C}\) ning teises tsüklis on SMA-traadi maksimaalne temperatuur \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) ja \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Põhimõtteliselt väljatöötatud mudel kinnitab kuju mälu efekti mõju. Väsimuse ja ülekuumenemise rolli selles ülevaates ei arvestatud. Tulevikus täiustatakse mudelit, et see hõlmaks SMA-traadi pingeajalugu, muutes selle sobivamaks insenerirakendusteks. Simulinki plokist saadud ajami väljundjõu ja SMA temperatuuri graafikud jäävad 7 V sisendpinge impulsi korral katseandmete lubatud tolerantside piiresse. See kinnitab väljatöötatud matemaatilise mudeli õigsust ja usaldusväärsust.
Matemaatiline mudel töötati välja MathWorks Simulink R2020b keskkonnas, kasutades meetodite osas kirjeldatud põhivõrrandeid. Joonisel 3b on näidatud Simulinki matemaatilise mudeli plokkskeem. Mudel simuleeriti 7V sisendpinge impulsi jaoks, nagu on näidatud joonisel 2a, b. Simulatsioonis kasutatud parameetrite väärtused on loetletud tabelis 1. Siirdeprotsesside simulatsiooni tulemused on esitatud joonistel 1 ja 1. Joonistel 3a ja 4. Joonisel 4a, b on näidatud SMA-juhtmes indutseeritud pinge ja täiturmehhanismi tekitatud jõud aja funktsioonina. Pöördmuundumise (kuumutamise) ajal, kui SMA-traadi temperatuur on \(T < A_s^{\prime}\) (pingestatud austeniidi faasi algtemperatuur), on martensiidi mahufraktsiooni muutuse kiirus (\(\dot{\xi}\)) null. Pöördmuundumise (kuumutamise) ajal, kui SMA-traadi temperatuur on \(T < A_s^{\prime}\) (pingestatud austeniidi faasi algtemperatuur), on martensiidi mahufraktsiooni muutuse kiirus (\(\dot{\xi}\)) null. V модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю Pöördmuundamise (kuumutamise) ajal, kui SMA-traadi temperatuur on \(T < A_s^{\prime}\) (pingest modifitseeritud austeniidi algustemperatuur), on martensiidi mahufraktsiooni muutuse kiirus (\(\dot{\xi}\)) null.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{)\xi\}\{)将为零.在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Simulatsiooni tulemus, mis näitab temperatuurijaotust ja pingest tingitud üleminekutemperatuuri SMA-põhises divaleraadilises ajamis. Kui traadi temperatuur ületab kuumutusetapis austeniidi üleminekutemperatuuri, hakkab modifitseeritud austeniidi üleminekutemperatuur tõusma ja sarnaselt, kui traadi varda temperatuur ületab jahutusetapis martensiitse üleminekutemperatuuri, langeb martensiitse üleminekutemperatuur. SMA ajamiprotsessi analüütiliseks modelleerimiseks. (Simulinki mudeli iga alamsüsteemi üksikasjaliku ülevaate leiate lisafaili lisaosast.)
Erinevate parameetrite jaotuste analüüsi tulemused on näidatud 7 V sisendpinge kahe tsükli kohta (10-sekundilised soojendustsüklid ja 15-sekundilised jahutustsüklid). Kui (ac) ja (e) kujutavad jaotust ajas, siis (d) ja (f) illustreerivad jaotust temperatuuriga. Vastavate sisendtingimuste korral on maksimaalne vaadeldav pinge 106 MPa (traadi voolavuspiir alla 345 MPa), jõud on 150 N, maksimaalne nihe on 270 µm ja minimaalne martensiidi mahuosa on 0,91. Teisest küljest on pinge muutus ja martensiidi mahuosa muutus temperatuuriga sarnane hüstereesi karakteristikutega.
Sama seletus kehtib ka austeniidi faasist martensiitfaasiks toimuva otsese muundumise (jahutamise) kohta, kus SMA-traadi temperatuur (T) ja pingega modifitseeritud martensiitfaasi lõpptemperatuur (\(M_f^{\prime}\)) on suurepärased. Joonisel 4d, f on näidatud indutseeritud pinge (\(\sigma\)) ja martensiidi mahuosa (\(\xi\)) muutus SMA-traadis SMA-traadi temperatuuri muutuse (T) funktsioonina mõlema töötsükli jooksul. Joonisel 3a on näidatud SMA-traadi temperatuuri muutus ajas sõltuvalt sisendpinge impulsist. Nagu jooniselt näha, jätkab traadi temperatuuri tõusu nullpingel soojusallika lisamise ja sellele järgneva konvektiivse jahutuse abil. Kuumutamise ajal algab martensiidi tagasimuutumine austeniidi faasiks siis, kui SMA-traadi temperatuur (T) ületab pingekorrigeeritud austeniidi tuumastumistemperatuuri (\(A_s^{\prime}\)). Selle faasi ajal surutakse SMA-traat kokku ja ajam tekitab jõu. Samuti jahutamise ajal, kui SMA-traadi temperatuur (T) ületab pingemodifitseeritud martensiidi faasi tuumastumistemperatuuri (\(M_s^{\prime}\)), toimub positiivne üleminek austeniidi faasist martensiidi faasi. Ajamijõud väheneb.
SMA-l põhineva bimodaalse ajami peamised kvalitatiivsed aspektid on saadud simulatsiooni tulemustest. Pingeimpulsi sisendi korral tõuseb SMA-traadi temperatuur Joule'i kuumutusefekti tõttu. Martensiidi mahufraktsiooni (\(\xi\)) algväärtus on seatud väärtusele 1, kuna materjal on algselt täielikult martensiitses faasis. Traadi edasisel soojenemisel ületab SMA-traadi temperatuur pingekorrigeeritud austeniidi tuumastumistemperatuuri \(A_s^{\prime}\), mille tulemuseks on martensiidi mahufraktsiooni vähenemine, nagu on näidatud joonisel 4c. Lisaks on joonisel 4e näidatud ajami käikude jaotus ajas ja joonisel 5 liikumapanev jõud aja funktsioonina. Seotud võrrandisüsteem hõlmab temperatuuri, martensiidi mahufraktsiooni ja traadis tekkivat pinget, mis põhjustab SMA-traadi kokkutõmbumist ja ajami tekitatud jõudu. Nagu on näidatud joonisel Joonistel 4d, f on näha, et pinge muutus temperatuurist sõltuvalt ja martensiidi mahufraktsiooni muutus temperatuurist sõltuvalt vastavad SMA hüstereesikarakteristikutele simuleeritud juhul 7 V juures.
Juhtparameetreid võrreldi katsete ja analüütiliste arvutuste abil. Juhtmeid töödeldi 10 sekundi jooksul 7 V impulss-sisendpingega ja seejärel jahutati neid kahe tsükli jooksul 15 sekundit (jahutusfaas). Tihvti nurk seati väärtusele \(40^{\circ}\) ja SMA-traadi algpikkus iga üksiku tihvti jalas seati väärtusele 83 mm. (a) Juhtme jõu mõõtmine koormusanduriga (b) Juhtme temperatuuri jälgimine termokaameraga.
Selleks, et mõista füüsikaliste parameetrite mõju ajami tekitatud jõule, viidi läbi matemaatilise mudeli tundlikkuse analüüs valitud füüsikaliste parameetrite suhtes ja parameetrid järjestati vastavalt nende mõjule. Esiteks tehti mudeli parameetrite valim, kasutades eksperimentaalse disaini põhimõtteid, mis järgisid ühtlast jaotust (vt lisaosa tundlikkusanalüüsi kohta). Sel juhul hõlmavad mudeli parameetrid sisendpinget (\(V_{in}\)), SMA juhtme algpikkust (\(l_0\)), kolmnurga nurka (\(alpha\)), eelpingevedru konstanti (\(K_x\)), konvektiivset soojusülekandetegurit (\(h_T\)) ja unimodaalsete harude arvu (n). Järgmises etapis valiti uuringu disaininõudeks tipplihasjõud ja saadi iga muutujate komplekti parameetriline mõju tugevusele. Tundlikkusanalüüsi tornaadograafikud tuletati iga parameetri korrelatsioonikordajate põhjal, nagu on näidatud joonisel 6a.
(a) Mudeli parameetrite korrelatsioonikordajate väärtused ja nende mõju ülaltoodud mudeli parameetrite 2500 unikaalse rühma maksimaalsele väljundjõule on näidatud tornaadograafikul. Graafik näitab mitme näitaja astakukorrelatsiooni. On selge, et \(V_{in}\) on ainus positiivse korrelatsiooniga parameeter ja \(l_0\) on kõrgeima negatiivse korrelatsiooniga parameeter. Erinevate parameetrite mõju tipplihasjõule erinevates kombinatsioonides on näidatud joonistel (b, c). \(K_x\) jääb vahemikku 400 kuni 800 N/m ja n jääb vahemikku 4 kuni 24. Pinge (\(V_{in}\)) muutus 4 V-lt 10 V-le, juhtme pikkus (\(l_{0 } \)) muutus 40 mm-lt 100 mm-le ja saba nurk (\(alpha \)) varieerus vahemikus \ (20–60 \, ^ {\circ }\).
Joonisel 6a on kujutatud iga parameetri erinevate korrelatsioonikordajate tornaadograafikut koos tippjõu projekteerimisnõuetega. Jooniselt 6a on näha, et pingeparameeter (\(V_{in}\)) on otseselt seotud maksimaalse väljundjõuga ning konvektiivne soojusülekandetegur (\(h_T\)), leegi nurk (\(α\)), nihkevedru konstant (\(K_x\)) on negatiivses korrelatsioonis väljundjõu ja SMA-traadi algpikkusega (\(l_0\)) ning unimodaalsete harude arv (n) näitab tugevat pöördkorrelatsiooni. Otsese korrelatsiooni korral näitab pinge korrelatsioonikordaja (\(V_{in}\)) suurem väärtus, et sellel parameetril on suurim mõju väljundvõimsusele. Teine sarnane analüüs mõõdab tippjõudu, hinnates erinevate parameetrite mõju kahe arvutusruumi erinevates kombinatsioonides, nagu on näidatud joonisel 6b, c. \(V_{in}\) ja \(l_0\), \(\alpha\) ja \(l_0\) omavad sarnaseid mustreid ning graafik näitab, et \(V_{in}\) ja \(\alpha\) ning \(\alpha\) omavad sarnaseid mustreid. Väiksemad \(l_0\) väärtused annavad suuremad tippjõud. Kaks ülejäänud graafikut on kooskõlas joonisega 6a, kus n ja \(K_x\) on negatiivses korrelatsioonis ning \(V_{in}\) on positiivses korrelatsioonis. See analüüs aitab määratleda ja reguleerida mõjutavaid parameetreid, mille abil saab ajamisüsteemi väljundjõudu, käiku ja efektiivsust vastavalt nõuetele ja rakendusele kohandada.
Käimasolev uurimistöö tutvustab ja uurib N-tasemelisi hierarhilisi ajameid. Kahetasemelises hierarhias, nagu on näidatud joonisel 7a, saavutatakse esimese taseme ajami iga SMA-juhtme asemel bimodaalne paigutus, nagu on näidatud joonisel 9e. Joonisel 7c on näidatud, kuidas SMA-juhe on keritud ümber liikuva käe (abikäe), mis liigub ainult pikisuunas. Primaarne liikuv käsi liigub aga edasi samamoodi nagu esimese astme mitmeastmelise ajami liikuv käsi. Tavaliselt luuakse N-astmeline ajam, asendades \(N-1\) astme SMA-juhtme esimese astme ajamiga. Selle tulemusena jäljendab iga haru esimese astme ajamit, välja arvatud haru, mis hoiab juhet ennast. Sel viisil saab moodustada pesastatud struktuure, mis tekitavad jõude, mis on mitu korda suuremad kui primaarsete ajamite jõud. Selles uuringus võeti iga taseme jaoks arvesse 1 m efektiivset SMA-juhtme kogupikkust, nagu on näidatud tabeli kujul joonisel 7d. Iga unimodaalse disaini iga juhtme läbiv vool ja sellest tulenev eelpinge ja pinge igas SMA-juhtme segmendis on igal tasandil samad. Meie analüütilise mudeli kohaselt on väljundjõud positiivses korrelatsioonis tasemega, samas kui nihe on negatiivses korrelatsioonis. Samal ajal oli nihke ja lihasjõu vahel kompromiss. Nagu jooniselt 7b näha, saavutatakse maksimaalne jõud suurima arvu kihtide korral, kuid suurim nihe on täheldatud madalaimas kihis. Kui hierarhia tase seati väärtusele \(N=5\), leiti kahe \(\upmu\)m käiguga lihasjõu tippväärtus 2,58 kN. Teisest küljest genereerib esimese astme ajam 277 \(\upmu\)m käiguga 150 N jõu. Mitmetasandilised ajamid suudavad jäljendada päris bioloogilisi lihaseid, samas kui kuju mäluga sulamitel põhinevad tehislihased suudavad genereerida oluliselt suuremaid jõude täpsete ja peenemate liigutustega. Selle miniatuurse disaini piiranguteks on see, et hierarhia suurenedes väheneb liikumine oluliselt ja ajami tootmisprotsessi keerukus suureneb.
(a) Bimodaalses konfiguratsioonis on kujutatud kaheastmelist (\(N=2\)) kihilist kujumälusulamist lineaarset ajamisüsteemi. Kavandatud mudel saavutatakse esimese astme kihilise ajami SMA-juhtme asendamisega teise üheastmelise kihilise ajami vastu. (c) Teise astme mitmekihilise ajami deformeeritud konfiguratsioon. (b) Kirjeldatakse jõudude ja nihete jaotust sõltuvalt tasemete arvust. On leitud, et ajami tippjõud on graafikul positiivses korrelatsioonis skaala tasemega, samas kui käik on negatiivses korrelatsioonis skaala tasemega. Iga juhtme voolutugevus ja eelpinge jäävad kõigil tasemetel konstantseks. (d) Tabelis on näidatud harude arv ja SMA-juhtme (kiu) pikkus igal tasemel. Juhtmete omadusi tähistab indeks 1 ja sekundaarsete harude arvu (üks on ühendatud primaarse haruga) tähistab suurim number alaindeksis. Näiteks 5. tasemel viitab \(n_1\) igas bimodaalses struktuuris olevate SMA-juhtmete arvule ja \(n_5\) viitab abijalgade arvule (üks on ühendatud põhijalaga).
Paljud teadlased on pakkunud välja mitmesuguseid meetodeid kujumäluga sünteetiliste materjalide käitumise modelleerimiseks, mis sõltuvad faasisiirdega seotud kristallstruktuuri makroskoopiliste muutustega kaasnevatest termomehaanilistest omadustest. Konstitutiivsete meetodite formuleerimine on oma olemuselt keeruline. Kõige sagedamini kasutatava fenomenoloogilise mudeli pakkus välja Tanaka28 ja seda kasutatakse laialdaselt insenerirakendustes. Tanaka [28] pakutud fenomenoloogiline mudel eeldab, et martensiidi mahuosa on temperatuuri ja pinge eksponentsiaalne funktsioon. Hiljem pakkusid Liang ja Rogers29 ning Brinson30 välja mudeli, milles faasisiirde dünaamika eeldati olevat pinge ja temperatuuri koosinusfunktsioon, mudeli väikeste muudatustega. Becker ja Brinson pakkusid välja faasidiagrammil põhineva kineetilise mudeli, et modelleerida sünteetiliste materjalide käitumist nii suvalistes koormustingimustes kui ka osaliste üleminekute korral. Banerjee32 kasutab Bekkeri ja Brinsoni31 faasidiagrammi dünaamika meetodit, et simuleerida Elahinia ja Ahmadiani33 väljatöötatud ühe vabadusastmega manipulaatorit. Faasidiagrammidel põhinevaid kineetilisi meetodeid, mis võtavad arvesse pinge mittemonotoonset muutust temperatuuriga, on insenerirakendustes keeruline rakendada. Elakhinia ja Ahmadian juhivad tähelepanu olemasolevate fenomenoloogiliste mudelite neile puudustele ja pakuvad välja laiendatud fenomenoloogilise mudeli kuju mälu käitumise analüüsimiseks ja määratlemiseks mis tahes keerulistes koormustingimustes.
SMA-traadi struktuurimudel annab SMA-traadi pinge (\(\sigma\)), deformatsiooni (\(\epsilon\)), temperatuuri (T) ja martensiidi mahufraktsiooni (\(\xi\)). Fenomenoloogilise konstitutiivse mudeli pakkus esmakordselt välja Tanaka28 ja hiljem võtsid selle omaks Liang29 ja Brinson30. Võrrandi tuletis on järgmine:
kus E on faasist sõltuv SMA Youngi moodul, mis on saadud valemiga \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) ning Youngi moodulit esindavad \(E_A\) ja \(E_M\) on vastavalt austeniitsed ja martensiitsed faasid ning soojuspaisumistegurit esindab \(\theta _T\). Faasiülemineku panustegur on \(\Omega = -E \epsilon _L\) ja \(\epsilon _L\) on SMA-traadi maksimaalne taastuv deformatsioon.
Faasidünaamika võrrand langeb kokku Liangi29 väljatöötatud ja hiljem Brinsoni30 poolt Tanaka28 pakutud eksponentsiaalfunktsiooni asemel kasutusele võetud koosinusfunktsiooniga. Faasiüleminekute mudel on Elakhinia ja Ahmadiani34 pakutud mudeli laiendus ning seda on modifitseeritud Liangi29 ja Brinsoni30 antud faasiülemineku tingimuste põhjal. Selle faasiüleminekute mudeli tingimused kehtivad keeruliste termomehaaniliste koormuste korral. Igal ajahetkel arvutatakse konstitutiivse võrrandi modelleerimisel martensiidi mahufraktsiooni väärtus.
Valitsev taastransformatsiooni võrrand, mida väljendatakse martensiidi muutumisega austeniidiks kuumutamistingimustes, on järgmine:
kus \(\xi\) on martensiidi mahuosa, \(\xi _M\) on enne kuumutamist saadud martensiidi mahuosa, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) ja \(C_A\) – kõvera ligikaudsed parameetrid, T – SMA-traadi temperatuur, \(A_s\) ja \(A_f\) – vastavalt austeniidi faasi algus- ja lõpptemperatuur.
Otsese transformatsiooni juhtimise võrrand, mida esindab austeniidi faasimuundumine martensiidiks jahutamise tingimustes, on:
kus \(\xi _A\) on jahutamiseks saadud martensiidi mahuosa, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) ja \(C_M \) – kõvera sobitamise parameetrid, T – SMA-traadi temperatuur, \(M_s\) ja \(M_f\) – vastavalt martensiidi alg- ja lõpptemperatuur.
Pärast võrrandite (3) ja (4) diferentseerimist lihtsustatakse pöörd- ja otseteisendusvõrrandid järgmisele kujule:
Edasi- ja tagasisuunalise teisenduse ajal võtavad \(\eta _{\sigma}\) ja \(\eta _{T}\) erinevad väärtused. \(\eta _{\sigma}\) ja \(\eta _{T}\)-ga seotud põhivõrrandid on tuletatud ja üksikasjalikult käsitletud lisaosas.
SMA-traadi temperatuuri tõstmiseks vajalik soojusenergia tuleneb Joule'i kütteefektist. SMA-traadi poolt neeldunud või vabanevat soojusenergiat esindab latentne muundumissoojus. SMA-traadi soojuskadu tuleneb sundkonvektsioonist ja arvestades kiirguse tühist mõju, on soojusenergia tasakaalu võrrand järgmine:
Kus \(m_{wire}\) on SMA-traadi kogumass, \(c_{p}\) on SMA erisoojusmahtuvus, \(V_{in}\) on juhtmele rakendatav pinge, \(R_{ohm} \) – SMA faasist sõltuv takistus, mis on defineeritud järgmiselt: \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\), kus \(r_M\) ja \(r_A\) on vastavalt SMA faasitakistus martensiidis ja austeniidis, \(A_{c}\) on SMA-traadi pindala ja \(DeltaH \) on kujumäluga sulam. Traadi latentne üleminekusoojus, T ja \(T_{\infty}\) on vastavalt SMA-traadi ja keskkonna temperatuurid.
Kui mälusulamist traati aktiveeritakse, surutakse traat kokku, tekitades bimodaalse konstruktsiooni igas harus jõu, mida nimetatakse kiudjõuks. SMA-traadi iga keerme kiudude jõud loovad koos aktiveerimiseks vajaliku lihasjõu, nagu on näidatud joonisel 9e. Pingevedru olemasolu tõttu on N-nda mitmekihilise ajami kogujõud:
Asendades võrrandisse (7) \(N = 1\), saab esimese astme bimodaalse ajami prototüübi lihasjõu järgmiselt:
kus n on unimodaalsete jalgade arv, \(F_m\) on ajami tekitatud lihasjõud, \(F_f\) on SMA-traadi kiudude tugevus, \(K_x\) on eelpingestatud vedru, \(alpha\) on kolmnurga nurk, \(x_0\) on eelpingestatud vedru algnihe, mis hoiab SMA-kaablit eelpingestatud asendis, ja \(Delta x\) on ajami liikumine.
Ajami kogunihe või liikumine (\(Delta x\)) sõltuvalt N-nda astme SMA-juhtme pingest (\(sigma\)) ja deformatsioonist (\(epsilon\)), millele ajami seadistus vastab (vt joonist väljundi lisaosa):
Kinemaatilised võrrandid annavad seose ajami deformatsiooni (\(\epsilon\)) ja nihke või nihke (\(Delta x\)) vahel. Arb-traadi deformatsioon algse Arb-traadi pikkuse (\(l_0\)) ja traadi pikkuse (l) funktsioonina mis tahes ajahetkel t ühes unimodaalses harus on järgmine:
kus \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) saadakse koosinuse valemi \(\Delta\)ABB ' rakendamisel, nagu on näidatud joonisel 8. Esimese astme ajami (\(N = 1\)) puhul on \(\Delta x_1\) \(\Delta x\) ja \(\alpha _1\) on \(\alpha \), nagu on näidatud joonisel 8, diferentseerides aega võrrandist (11) ja asendades sinna väärtuse l, saab deformatsioonikiiruse kirjutada järgmiselt:
kus \(l_0\) on SMA-juhtme algpikkus, l on juhtme pikkus mis tahes ajahetkel t ühes unimodaalses harus, \(\epsilon\) on SMA-juhtmes tekkiv deformatsioon ja \(\alpha\) on kolmnurga nurk ning \(\Delta x\) on ajami nihe (nagu näidatud joonisel 8).
Kõik n ühetipulist struktuuri (käesoleval joonisel \(n=6\)) on ühendatud järjestikku sisendpingega \(V_{in}\). I etapp: SMA-juhtme skemaatiline diagramm bimodaalses konfiguratsioonis nullpinge tingimustes II etapp: Näidatud on kontrollitud struktuur, kus SMA-juhe on pöördmuundamise tõttu kokkusurutud, nagu on näidatud punase joonega.
Kontseptsiooni tõestuseks töötati välja SMA-põhine bimodaalne ajam, et testida alusvõrrandite simuleeritud tuletamist eksperimentaalsete tulemustega. Bimodaalse lineaarse ajami CAD-mudel on näidatud joonisel 9a. Teisest küljest näitab joonis 9c uut pöörleva prismaühenduse disaini, mis kasutab kahetasapinnalist SMA-põhist ajamit bimodaalse struktuuriga. Ajami komponendid valmistati lisandtootmise abil Ultimaker 3 Extended 3D-printeril. Komponentide 3D-printimiseks kasutatav materjal on polükarbonaat, mis sobib kuumakindlate materjalide jaoks, kuna see on tugev, vastupidav ja sellel on kõrge klaasistumistemperatuur (110–113 °C). Lisaks kasutati katsetes Dynalloy, Inc. Flexinol kujumäluga sulamist traati ja simulatsioonides kasutati Flexinol-traadile vastavaid materjali omadusi. Mitmed SMA-traatid on paigutatud kiududena, mis esinevad bimodaalses lihaste paigutuses, et saavutada mitmekihiliste ajamite tekitatud suured jõud, nagu on näidatud joonisel 9b, d.
Nagu joonisel 9a näidatud, nimetatakse liikuva haru SMA-juhtme moodustatud teravnurka nurgaks (\(\alpha\)). Kui vasaku ja parema klambri külge on kinnitatud klemmklambrid, hoitakse SMA-juhet soovitud bimodaalse nurga all. Vedruühendusel olev eelpingevedru seade on loodud erinevate eelpingevedrude pikendusgruppide reguleerimiseks vastavalt SMA-kiudude arvule (n). Lisaks on liikuvate osade asukoht konstrueeritud nii, et SMA-juhe on sundkonvektsiooniga jahutamiseks avatud väliskeskkonnale. Eemaldatava komplekti ülemine ja alumine plaat aitavad SMA-juhet jahedana hoida pressitud väljalõigetega, mis on loodud kaalu vähendamiseks. Lisaks on CMA-juhtme mõlemad otsad kinnitatud vastavalt vasaku ja parema klemmi külge pressi abil. Liikuva komplekti ühte otsa on kinnitatud kolb, et säilitada ülemise ja alumise plaadi vaheline kaugus. Kolbi kasutatakse ka blokeerimisjõu rakendamiseks andurile kontakti kaudu, et mõõta blokeerimisjõudu SMA-juhtme aktiveerimisel.
Bimodaalne lihasstruktuur SMA on elektriliselt ühendatud järjestikku ja seda toidab sisendimpulsspinge. Pingeimpulsstsükli ajal, kui SMA traati rakendatakse ja seda kuumutatakse üle austeniidi algtemperatuuri, lüheneb iga kiu traadi pikkus. See tagasitõmbumine aktiveerib liikuva õla alamkomplekti. Kui pinge samas tsüklis nulliti, jahutati kuumutatud SMA traat alla martensiidi pinna temperatuuri, naastes seeläbi oma algasendisse. Nullpinge tingimustes venitatakse SMA traati esmalt passiivselt eelpingevedru abil, et saavutada detwineeritud martensiitne olek. Kruvi, millest SMA traat läbib, liigub SMA traadile pingeimpulsi rakendamisel tekkiva kokkusurumise tõttu (SPA jõuab austeniidi faasi), mis viib liikuva hoova aktiveerimiseni. Kui SMA traat tagasi tõmmatakse, tekitab eelpingevedru vedru edasise venitamise teel vastasjõu. Kui impulsspinge pinge muutub nulliks, pikeneb SMA traat ja muudab oma kuju sundkonvektsiooni jahtumise tõttu, saavutades topeltmartensiitse faasi.
Kavandatud SMA-põhisel lineaarsel ajamsüsteemil on bimodaalne konfiguratsioon, milles SMA-juhtmed on nurga all. (a) kujutab prototüübi CAD-mudelit, mis mainib mõningaid komponente ja nende tähendusi prototüübi jaoks, (b, d) kujutavad väljatöötatud eksperimentaalset prototüüpi35. Kui (b) näitab prototüübi pealtvaadet koos elektriühenduste, eelpingevedrude ja pingeanduritega, siis (d) näitab seadistuse perspektiivvaadet. (e) Lineaarse ajamsüsteemi skeem, kus SMA-juhtmed on paigutatud bimodaalselt mis tahes ajahetkel t, mis näitab kiudude suunda ja kulgu ning lihasjõudu. (c) Kahe tasapinnalise SMA-põhise ajamiga paigaldamiseks on pakutud välja 2-vabadusastmeline pöörlev prismaühendus. Nagu näidatud, edastab lüli lineaarset liikumist alumisest ajamist ülemisse õlga, luues pöörleva ühenduse. Teisest küljest on prismapaari liikumine sama, mis mitmekihilise esimese astme ajami liikumine.
Joonisel 9b kujutatud prototüübiga viidi läbi eksperimentaalne uuring, et hinnata SMA-l põhineva bimodaalse ajami jõudlust. Nagu on näidatud joonisel 10a, koosnes eksperimentaalne seadistus programmeeritavast alalisvoolu toiteallikast, mis andis SMA-juhtmetele sisendpinget. Nagu on näidatud joonisel 10b, kasutati blokeerimisjõu mõõtmiseks piesoelektrilist pingeandurit (PACEline CFT/5kN), kasutades Graphtec GL-2000 andmelogerit. Andmed salvestab host edasiseks uurimiseks. Pingeandurid ja laenguvõimendid vajavad pingesignaali tekitamiseks pidevat toiteallikat. Vastavad signaalid teisendatakse väljundvõimsuseks vastavalt piesoelektrilise jõuanduri tundlikkusele ja muudele tabelis 2 kirjeldatud parameetritele. Pingeimpulsi rakendamisel tõuseb SMA-juhtme temperatuur, mis põhjustab SMA-juhtme kokkusurumise, mis omakorda põhjustab ajami jõu genereerimist. 7 V sisendpingeimpulsi lihasjõu väljundi eksperimentaalsed tulemused on näidatud joonisel 2a.
(a) Eksperimendis seadistati SMA-põhine lineaarne ajamsüsteem, et mõõta ajamiga tekitatud jõudu. Koormusandur mõõdab blokeerimisjõudu ja seda toidab 24 V alalisvoolu toiteallikas. GW Insteki programmeeritava alalisvoolu toiteallika abil rakendati kaabli kogu pikkuses 7 V pingelangust. SMA-juhe kahaneb kuumuse tõttu ja liikuv hark puutub kokku koormusanduriga ning avaldab blokeerimisjõudu. Koormusandur on ühendatud GL-2000 andmelogijaga ja andmed salvestatakse hostarvutisse edasiseks töötlemiseks. (b) Diagramm, mis näitab lihasjõu mõõtmise eksperimentaalse seadistuse komponentide ahelat.
Mäluga sulamid ergastuvad termilise energia abil, seega on temperatuur kuju mälu fenomeni uurimisel oluline parameeter. Eksperimentaalselt, nagu on näidatud joonisel 11a, viidi läbi termopildistamine ja temperatuuri mõõtmised SMA-põhise divaleraadi ajamiga prototüübil. Programmeeritav alalisvooluallikas rakendas eksperimentaalses seadistuses SMA-juhtmetele sisendpinget, nagu on näidatud joonisel 11b. SMA-juhtme temperatuuri muutust mõõdeti reaalajas, kasutades kõrgresolutsiooniga LWIR-kaamerat (FLIR A655sc). Peremees kasutab ResearchIR-tarkvara andmete salvestamiseks edasiseks järeltöötluseks. Pingeimpulsi rakendamisel tõuseb SMA-juhtme temperatuur, mis põhjustab SMA-juhtme kokkutõmbumist. Joonisel 2b on näidatud SMA-juhtme temperatuuri ja aja vahelise sõltuvuse eksperimentaalsed tulemused 7 V sisendpingeimpulsi korral.
Postituse aeg: 28. september 2022
