Kiitos käynnistäsi Nature.com-sivustolla. Käyttämäsi selainversio tukee CSS:ää rajoitetusti. Parhaan käyttökokemuksen saavuttamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan yhteensopivuustilan käytöstä Internet Explorerissa). Sillä välin tuen jatkuvuuden varmistamiseksi renderöimme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä.
Toimilaitteita käytetään kaikkialla, ja ne luovat hallittua liikettä käyttämällä oikeaa herätevoimaa tai vääntömomenttia erilaisten valmistus- ja teollisuusautomaatiotoimintojen suorittamiseksi. Tarve nopeammille, pienemmille ja tehokkaammille käyttölaitteille on vauhdittanut innovaatioita käyttöjen suunnittelussa. Muotomuistimetalliseos (SMA) -käyttölaitteet tarjoavat useita etuja perinteisiin käyttöihin verrattuna, mukaan lukien korkean teho-painosuhteen. Tässä väitöskirjassa kehitettiin kaksihöyheninen SMA-pohjainen toimilaite, joka yhdistää biologisten järjestelmien höyhenmäisten lihasten edut ja SMA:iden ainutlaatuiset ominaisuudet. Tämä tutkimus tutkii ja laajentaa aiempia SMA-toimilaitteita kehittämällä matemaattisen mallin uudesta toimilaitteesta, joka perustuu bimodaaliseen SMA-johdinjärjestelyyn, ja testaamalla sitä kokeellisesti. Verrattuna tunnettuihin SMA-pohjaisiin käyttölaitteisiin, uuden käytön käyttövoima on vähintään viisi kertaa suurempi (jopa 150 N). Vastaava painonpudotus on noin 67 %. Matemaattisten mallien herkkyysanalyysin tulokset ovat hyödyllisiä suunnitteluparametrien virittämisessä ja keskeisten parametrien ymmärtämisessä. Tämä tutkimus esittelee lisäksi monitasoisen N:nnen vaiheen käyttölaitteen, jota voidaan käyttää dynamiikan parantamiseen entisestään. SMA-pohjaisilla dipvaleraattilihasaktuaattoreilla on laaja valikoima sovelluksia rakennusautomaatiosta tarkkuuslääkkeiden annostelujärjestelmiin.
Biologiset järjestelmät, kuten nisäkkäiden lihasrakenteet, voivat aktivoida monia hienovaraisia toimilaitteita1. Nisäkkäillä on erilaisia lihasrakenteita, joilla kullakin on tietty tarkoitus. Suuri osa nisäkkäiden lihaskudoksen rakenteesta voidaan kuitenkin jakaa kahteen pääluokkaan. Yhdensuuntainen ja pennaattinen lihaskunta. Takareisissä ja muissa koukistajissa, kuten nimestä voi päätellä, yhdensuuntaisessa lihaskunnassa on lihassyyt, jotka ovat yhdensuuntaisia keskusjänteen kanssa. Lihassyiden ketju on linjassa ja toiminnallisesti yhdistetty niitä ympäröivän sidekudoksen avulla. Vaikka näiden lihasten sanotaan liikkuvan paljon (lyhentyneen prosentuaalisesti), niiden kokonaisvoima on hyvin rajallinen. Sitä vastoin kolmipäisessä pohjelihaksessa2 (lateraalinen gastrocnemius (GL)3, mediaalinen gastrocnemius (GM)4 ja soleus (SOL)) ja ojentajalihaksessa (quadriceps)5,6 pennaattista lihaskudosta löytyy jokaisesta lihaksesta7. Pariliuskaisessa rakenteessa kaksipäisen lihaskunnan lihassyyt sijaitsevat keskusjänteen molemmilla puolilla vinossa kulmassa (pariliuskakulmat). Sana pennaatti tulee latinan sanasta "penna", joka tarkoittaa "kynää", ja kuten kuvassa 1 on esitetty, sillä on höyhenenmäinen ulkonäkö. Pennaattilihasten kuidut ovat lyhyempiä ja kulmassa lihaksen pituusakseliin nähden. Parilehdykkäisen rakenteen vuoksi näiden lihasten yleinen liikkuvuus on heikentynyt, mikä johtaa lyhenemisprosessin poikittais- ja pitkittäiskomponentteihin. Toisaalta näiden lihasten aktivoituminen johtaa suurempaan lihasvoimaan fysiologisen poikkileikkauspinta-alan mittaustavan ansiosta. Siksi tietyllä poikkileikkausalalla pennaattilihakset ovat vahvempia ja tuottavat suurempia voimia kuin yhdensuuntaisilla kuiduilla varustetut lihakset. Yksittäisten kuitujen tuottamat voimat tuottavat lihasvoimia makroskooppisella tasolla kyseisessä lihaskudoksessa. Lisäksi sillä on ainutlaatuisia ominaisuuksia, kuten nopea kutistuminen, suojaus vetolujuusvaurioita vastaan ja iskunvaimennus. Se muuttaa kuitupanoksen ja lihasvoiman välistä suhdetta hyödyntämällä lihasten toimintalinjoihin liittyvän kuitujärjestelyn ainutlaatuisia piirteitä ja geometrista monimutkaisuutta.
Kuvassa on kaaviokuvia olemassa olevista SMA-pohjaisista toimilaitemalleista suhteessa bimodaaliseen lihasarkkitehtuuriin, esimerkiksi (a), joka esittää tuntovoiman vuorovaikutusta, jossa kädenmuotoinen, SMA-langoilla toimiva laite on asennettu kaksipyöräiseen autonomiseen liikkuvaan robottiin9,10. , (b) Robottipohjainen silmäkuopanproteesi, jossa on antagonistisesti sijoitettu SMA-jousikuormitettu silmäkuopanproteesi. Proteesin asentoa ohjataan silmän silmälihaksesta tulevalla signaalilla11, (c) SMA-toimilaitteet sopivat ihanteellisesti vedenalaisiin sovelluksiin korkean taajuusvasteensa ja pienen kaistanleveytensä ansiosta. Tässä kokoonpanossa SMA-toimilaitteita käytetään aaltoliikkeen luomiseen simuloimalla kalojen liikettä, (d) SMA-toimilaitteita käytetään mikroputkitarkastusrobotin luomiseen, joka voi käyttää tuuman matoliikeperiaatetta, jota ohjataan SMA-lankojen liikkeellä kanavassa 10, (e) esittää lihaskuitujen supistumissuuntaa ja supistuvavoiman syntymistä gastrocnemius-kudoksessa, (f) esittää SMA-johtoja, jotka on järjestetty lihaskuitujen muodossa pennate-lihasrakenteessa.
Toimilaitteista on tullut tärkeä osa mekaanisia järjestelmiä laajan sovellusvalikoimansa ansiosta. Siksi pienempien, nopeampien ja tehokkaampien käyttölaitteiden tarve on kriittinen. Eduistaan huolimatta perinteiset käyttölaitteet ovat osoittautuneet kalliiksi ja niiden ylläpito on aikaa vievää. Hydrauliset ja pneumaattiset toimilaitteet ovat monimutkaisia ja kalliita, ja ne ovat alttiita kulumiselle, voiteluongelmille ja komponenttien rikkoutumiselle. Kysynnän vuoksi keskitytään kehittämään kustannustehokkaita, mitoitusoptimoituja ja edistyneitä toimilaitteita, jotka perustuvat älykkäisiin materiaaleihin. Käynnissä oleva tutkimus tarkastelee muistimetalliseoksesta (SMA) valmistettuja kerrostettuja toimilaitteita tämän tarpeen täyttämiseksi. Hierarkkiset toimilaitteet ovat ainutlaatuisia siinä, että ne yhdistävät useita erillisiä toimilaitteita geometrisesti monimutkaisiksi makrotason alijärjestelmiksi tarjotakseen lisää ja laajennettuja toiminnallisuuksia. Tässä suhteessa edellä kuvattu ihmisen lihaskudos tarjoaa erinomaisen monikerroksisen esimerkin tällaisesta monikerroksisesta toimilaitteesta. Tämä tutkimus kuvaa monitasoisen SMA-käytön, jossa on useita yksittäisiä käyttöelementtejä (SMA-johtimia), jotka on kohdistettu bimodaalisten lihasten kuitujen orientaatioihin, mikä parantaa käytön kokonaissuorituskykyä.
Toimilaitteen päätarkoitus on tuottaa mekaanista tehoa, kuten voimaa ja siirtymää, muuntamalla sähköenergiaa. Muistimetalliseokset ovat "älykkäiden" materiaalien luokka, jotka voivat palauttaa muotonsa korkeissa lämpötiloissa. Suurissa kuormissa SMA-langan lämpötilan nousu johtaa muodon palautumiseen, mikä johtaa suurempaan aktivointienergiatiheyteen verrattuna erilaisiin suoraan sidottuihin älymateriaaleihin. Samalla mekaanisissa kuormissa SMA-metallit haurastuvat. Tietyissä olosuhteissa syklinen kuormitus voi absorboida ja vapauttaa mekaanista energiaa, jolloin tapahtuu palautuvia hystereettisiä muodonmuutoksia. Nämä ainutlaatuiset ominaisuudet tekevät SMA:sta ihanteellisen vaihtoehdon antureille, tärinänvaimennukselle ja erityisesti toimilaitteille12. Tämän vuoksi SMA-pohjaisia käyttölaitteita on tutkittu paljon. On huomattava, että SMA-pohjaiset toimilaitteet on suunniteltu tarjoamaan etenevää ja pyörivää liikettä useissa eri sovelluksissa13,14,15. Vaikka joitakin pyöriviä toimilaitteita on kehitetty, tutkijat ovat erityisen kiinnostuneita lineaaritoimilaitteista. Nämä lineaaritoimilaitteet voidaan jakaa kolmeen erityyppiseen toimilaitteeseen: yksiulotteiset, siirtymä- ja differentiaalitoimilaitteet16. Aluksi hybridikäyttöjä luotiin yhdessä SMA- ja muiden perinteisten käyttöjen kanssa. Yksi esimerkki SMA-pohjaisesta hybridi lineaarikäyttölaitteesta on SMA-johtimen käyttö tasavirtamoottorin kanssa, jolloin saadaan aikaan noin 100 N:n lähtövoima ja merkittävä siirtymä17.
Yksi ensimmäisistä kokonaan SMA-pohjaisten käyttöjen kehitysaskeleista oli SMA-rinnakkaiskäyttö. Useita SMA-johtimia käyttävä SMA-pohjainen rinnakkaiskäyttö on suunniteltu lisäämään käyttölaitteen tehoa asettamalla kaikki SMA18-johtimet rinnan. Toimilaitteiden rinnakkaiskytkentä ei ainoastaan vaadi enemmän tehoa, vaan myös rajoittaa yksittäisen johtimen lähtötehoa. Toinen SMA-pohjaisten toimilaitteiden haittapuoli on niiden rajallinen liike. Tämän ongelman ratkaisemiseksi luotiin SMA-kaapelipalkki, joka sisälsi taipuisan palkin siirtymän lisäämiseksi ja lineaarisen liikkeen saavuttamiseksi, mutta se ei tuottanut suurempia voimia19. Pehmeitä, muotoaan muuttavia rakenteita ja kankaita roboteille, jotka perustuvat muistiseoksiin, on kehitetty ensisijaisesti iskunvahvistusta varten20,21,22. Sovelluksiin, joissa vaaditaan suuria nopeuksia, on raportoitu kompakteista käyttöpumpuista, joissa käytetään ohutkalvo-SMA-kalvoja mikropumppukäyttöisissä sovelluksissa23. Ohutkalvo-SMA-kalvon käyttötaajuus on keskeinen tekijä käyttölaitteen nopeuden säätelyssä. Siksi SMA-lineaarimoottoreilla on parempi dynaaminen vaste kuin SMA-jousi- tai tankomoottoreilla. Pehmeä robotiikka ja tartuntatekniikka ovat kaksi muuta sovellusta, jotka käyttävät SMA-pohjaisia toimilaitteita. Esimerkiksi 25 N:n avaruuspuristimessa käytetyn vakiotoimilaitteen korvaamiseksi kehitettiin muistimetallista valmistettu rinnakkaistoimilaite 24. Toisessa tapauksessa valmistettiin pehmeästä SMA-toimilaite, joka perustui lankaan, johon oli upotettu matriisi, joka kykeni tuottamaan enintään 30 N:n vetovoiman. Mekaanisten ominaisuuksiensa vuoksi SMA-muoveja käytetään myös biologisia ilmiöitä jäljittelevien toimilaitteiden valmistukseen. Yksi tällainen kehitystyö sisältää 12-soluisen robotin, joka on lieron kaltaisen organismin biomimeetti ja jossa SMA tuottaa sinimuotoisen liikkeen ampumista varten26,27.
Kuten aiemmin mainittiin, olemassa olevilla SMA-pohjaisilla toimilaitteilla saavutettavalle maksimivoimalle on raja. Tämän ongelman ratkaisemiseksi tässä tutkimuksessa esitetään biomimeettinen bimodaalinen lihasrakenne. Muotomuistimetallilangalla ohjattu. Se tarjoaa luokittelujärjestelmän, joka sisältää useita muistimetallilankoja. Tähän mennessä kirjallisuudessa ei ole raportoitu samanlaisen arkkitehtuurin omaavia SMA-pohjaisia toimilaitteita. Tämä ainutlaatuinen ja uudenlainen SMA-pohjainen järjestelmä kehitettiin tutkimaan SMA:n käyttäytymistä bimodaalisen lihaslinjauksen aikana. Verrattuna olemassa oleviin SMA-pohjaisiin toimilaitteisiin tämän tutkimuksen tavoitteena oli luoda biomimeettinen dipvaleraattitoimilaite, joka tuottaa merkittävästi suurempia voimia pienessä tilavuudessa. Verrattuna perinteisiin askelmoottorikäyttöisiin käyttöihin, joita käytetään LVI-rakennusten automaatio- ja ohjausjärjestelmissä, ehdotettu SMA-pohjainen bimodaalinen käyttörakenne vähentää käyttömekanismin painoa 67 %. Seuraavassa termejä "lihas" ja "käyttö" käytetään keskenään. Tämä tutkimus tutkii tällaisen käytön monifysikaalista simulointia. Tällaisten järjestelmien mekaanista käyttäytymistä on tutkittu kokeellisilla ja analyyttisillä menetelmillä. Voima- ja lämpötilajakaumia tutkittiin edelleen 7 V:n tulojännitteellä. Seuraavaksi suoritettiin parametrinen analyysi, jotta ymmärrettäisiin paremmin keskeisten parametrien ja lähtövoiman välistä suhdetta. Lopuksi on visioitu hierarkkisia toimilaitteita ja ehdotettu hierarkkisia tasovaikutuksia potentiaaliseksi tulevaisuuden alueeksi ei-magneettisille toimilaitteille proteesisovelluksissa. Edellä mainittujen tutkimusten tulosten mukaan yksivaiheisen arkkitehtuurin käyttö tuottaa voimia, jotka ovat vähintään neljä tai viisi kertaa suurempia kuin raportoidut SMA-pohjaiset toimilaitteet. Lisäksi monitasoisen monitasoisen käytön tuottaman käyttövoiman on osoitettu olevan yli kymmenen kertaa suurempi kuin perinteisten SMA-pohjaisten käyttölaitteiden. Tutkimuksessa raportoidaan sitten keskeiset parametrit käyttämällä herkkyysanalyysiä eri mallien ja syöttömuuttujien välillä. SMA-langan alkupituus (\(l_0\)), pariliuskakulma (\(alpha\)) ja yksittäisten säikeiden lukumäärä (n) kussakin yksittäisessä säikeessä vaikuttavat voimakkaasti negatiivisesti käyttövoiman suuruuteen, kun taas tulojännite (energia) osoittautui positiivisesti korreloivaksi.
SMA-langalla on nikkeli-titaani (Ni-Ti) -seosten perheessä havaittu muistimuotovaikutus (SME). Tyypillisesti SMA-langoilla on kaksi lämpötilasta riippuvaa faasia: matalan lämpötilan faasi ja korkean lämpötilan faasi. Molemmilla faaseilla on ainutlaatuisia ominaisuuksia johtuen erilaisista kiderakenteista. Muutoslämpötilan yläpuolella olevassa austeniittifaasissa (korkean lämpötilan faasi) materiaalilla on korkea lujuus ja se muovautuu huonosti kuormituksen alaisena. Seos käyttäytyy kuten ruostumaton teräs, joten se kestää suurempia käyttöpaineita. Tätä Ni-Ti-seosten ominaisuutta hyödyntämällä SMA-langat kallistetaan toimilaitteen muodostamiseksi. Sopivia analyyttisiä malleja kehitetään SMA:n lämpökäyttäytymisen perusmekaniikan ymmärtämiseksi eri parametrien ja erilaisten geometrioiden vaikutuksen alaisena. Kokeellisten ja analyyttisten tulosten välillä saatiin hyvä yhteensopivuus.
Kuvassa 9a esitetylle prototyypille tehtiin kokeellinen tutkimus SMA-pohjaisen bimodaalisen käytön suorituskyvyn arvioimiseksi. Kaksi näistä ominaisuuksista, käytön tuottama voima (lihasvoima) ja SMA-johtimen lämpötila (SMA-lämpötila), mitattiin kokeellisesti. Kun jännite-ero kasvaa johtimen koko pituudelta käytössä, johtimen lämpötila nousee Joule-lämmitysvaikutuksen vuoksi. Tulojännite syötettiin kahtena 10 sekunnin syklinä (esitetty punaisina pisteinä kuvassa 2a, b), ja kunkin syklin välillä oli 15 sekunnin jäähdytysjakso. Estovoima mitattiin pietsosähköisellä venymäanturilla, ja SMA-johtimen lämpötilajakaumaa seurattiin reaaliajassa tieteellisen tason korkean resoluution LWIR-kameralla (katso käytettyjen laitteiden ominaisuudet taulukosta 2). osoittaa, että korkeajännitevaiheen aikana johtimen lämpötila nousee monotonisesti, mutta kun virtaa ei kulje, johtimen lämpötila jatkaa laskuaan. Nykyisessä kokeellisessa järjestelyssä SMA-langan lämpötila laski jäähdytysvaiheen aikana, mutta se oli silti ympäristön lämpötilaa korkeampi. Kuvassa 2e on LWIR-kamerasta otettu tilannekuva SMA-langan lämpötilasta. Toisaalta kuvassa 2a on esitetty käyttöjärjestelmän tuottama estovoima. Kun lihasvoima ylittää jousen palautusvoiman, liikkuva varsi, kuten kuvassa 9a on esitetty, alkaa liikkua. Heti kun aktivointi alkaa, liikkuva varsi tulee kosketuksiin anturin kanssa, mikä luo kehovoiman, kuten kuvassa 2c, d on esitetty. Kun maksimilämpötila on lähellä \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), havaittu suurin voima on 105 N.
Kaavio näyttää SMA-johtimen lämpötilan ja SMA-pohjaisen bimodaalisen toimilaitteen tuottaman voiman kokeelliset tulokset kahden syklin aikana. Tulojännite syötetään kahdessa 10 sekunnin syklissä (esitetty punaisina pisteinä) 15 sekunnin jäähdytysjakson avulla kunkin syklin välillä. Kokeissa käytetty SMA-lanka oli Dynalloy, Inc:n halkaisijaltaan 0,51 mm:n Flexinoil-lanka. (a) Kaavio näyttää kahden syklin aikana saadun kokeellisen voiman, (c, d) näyttää kaksi riippumatonta esimerkkiä liikkuvien varsien toimilaitteiden toiminnasta PACEline CFT/5kN pietsosähköiseen voima-anturiin, (b) Kaavio näyttää koko SMA-johtimen maksimilämpötilan kahden syklin aikana, (e) näyttää SMA-johtimesta FLIR ResearchIR -ohjelmiston LWIR-kameralla otetun lämpötilakuvan. Kokeissa huomioon otetut geometriset parametrit on esitetty taulukossa 1.
Matemaattisen mallin simulointituloksia ja kokeellisia tuloksia verrataan 7 V:n tulojännitteellä, kuten kuvassa 5 on esitetty. Parametrisen analyysin tulosten mukaisesti ja SMA-johtimen ylikuumenemisen välttämiseksi toimilaitteelle syötettiin 11,2 W:n teho. Ohjelmoitavaa tasavirtalähdettä käytettiin syöttämään 7 V:n tulojännite, ja johtimen yli mitattiin 1,6 A:n virta. Käyttölaitteen synnyttämä voima ja SDR:n lämpötila kasvavat, kun virta kytketään päälle. 7 V:n tulojännitteellä ensimmäisen syklin simulointituloksista ja kokeellisista tuloksista saatu suurin lähtövoima on vastaavasti 78 N ja 96 N. Toisessa syklissä simulointi- ja kokeellisten tulosten suurin lähtövoima oli vastaavasti 150 N ja 105 N. Puristusvoiman mittausten ja kokeellisten tietojen välinen ero voi johtua puristusvoiman mittausmenetelmästä. Kuvassa 5 on esitetty kokeelliset tulokset. 5a vastaavat lukitusvoiman mittausta, joka puolestaan mitattiin, kun käyttöakseli oli kosketuksissa PACEline CFT/5kN pietsosähköisen voima-anturin kanssa, kuten kuvassa 2s on esitetty. Näin ollen, kun käyttöakseli ei ole kosketuksissa voima-anturin kanssa jäähdytysvyöhykkeen alussa, voimasta tulee välittömästi nolla, kuten kuvassa 2d on esitetty. Lisäksi muita parametreja, jotka vaikuttavat voiman muodostumiseen seuraavissa sykleissä, ovat jäähdytysajan arvot ja konvektiivisen lämmönsiirtokerroin edellisessä syklissä. Kuvasta 2b voidaan nähdä, että 15 sekunnin jäähdytysjakson jälkeen SMA-lanka ei saavuttanut huoneenlämpöä ja siksi sen alkulämpötila (\(40\,^{\circ}\hbox {C}\)) toisessa käyttösyklissä verrattuna ensimmäiseen sykliin (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Näin ollen ensimmäiseen sykliin verrattuna SMA-langan lämpötila toisen lämmityssyklin aikana saavuttaa austeniitin alkuperäisen lämpötilan (\(A_s\)) aikaisemmin ja pysyy siirtymävaiheessa pidempään, mikä johtaa jännitykseen ja voimaan. Toisaalta kokeista ja simulaatioista saadut lämpötilajakaumat lämmitys- ja jäähdytyssyklien aikana ovat laadullisesti hyvin samankaltaisia termografisesta analyysistä saatujen esimerkkien kanssa. SMA-langan lämpötietojen vertaileva analyysi kokeista ja simulaatioista osoitti yhdenmukaisuutta lämmitys- ja jäähdytyssyklien aikana ja kokeellisten tietojen hyväksyttävien toleranssien sisällä. Ensimmäisen syklin simulaatio- ja kokeiden tuloksista saatu SMA-langan maksimilämpötila on \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) ja \(75\,^{\circ }\hbox {C }\), ja toisessa syklissä SMA-langan maksimilämpötila on \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) ja \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Perusteellisesti kehitetty malli vahvistaa muistimuodon vaikutuksen. Väsymisen ja ylikuumenemisen roolia ei käsitelty tässä katsauksessa. Tulevaisuudessa mallia parannetaan siten, että se sisältää SMA-johtimen jännityshistorian, mikä tekee siitä sopivamman suunnittelusovelluksiin. Simulink-lohkosta saadut käyttölaitteen lähtövoima- ja SMA-lämpötilakäyrät ovat kokeellisten tietojen sallittujen toleranssien rajoissa 7 V:n tulojännitepulssin olosuhteissa. Tämä vahvistaa kehitetyn matemaattisen mallin oikeellisuuden ja luotettavuuden.
Matemaattinen malli kehitettiin MathWorks Simulink R2020b -ympäristössä käyttäen Menetelmät-osiossa kuvattuja perusyhtälöitä. Kuvassa 3b on Simulink-matemaattisen mallin lohkokaavio. Malli simuloitiin 7 V:n tulojännitepulssille, kuten kuvissa 2a, b on esitetty. Simulaatiossa käytettyjen parametrien arvot on lueteltu taulukossa 1. Transienttiprosessien simulaation tulokset on esitetty kuvissa 1 ja 1. Kuvat 3a ja 4. Kuvassa 4a, b on esitetty SMA-johtimeen indusoitunut jännite ja toimilaitteen synnyttämä voima ajan funktiona. Käänteismuutoksen (lämmityksen) aikana, kun SMA-langan lämpötila \(T < A_s^{\prime}\) (jännitysmodifioidun austeniittifaasin aloituslämpötila), martensiitin tilavuusosuuden muutosnopeus (\(\dot{\xi}\)) on nolla. Käänteismuutoksen (lämmityksen) aikana, kun SMA-langan lämpötila \(T < A_s^{\prime}\) (jännitysmodifioidun austeniittifaasin aloituslämpötila), martensiitin tilavuusosuuden muutosnopeus (\(\dot{\xi}\)) on nolla. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начаниты ау, стефала ау, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю Käänteisen muutoksen (lämmityksen) aikana, kun SMA-langan lämpötila, \(T < A_s^{\prime}\) (jännitysmodifioitu austeniitin käynnistymislämpötila), martensiitin tilavuusosuuden muutosnopeus (\(\dot{\xi}\)) on nolla.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) Simulaatiotulos, joka näyttää lämpötilajakauman ja jännityksen aiheuttaman liitoslämpötilan SMA-pohjaisessa divaleraattiaktuaattorissa. Kun langan lämpötila ylittää austeniitin siirtymälämpötilan lämmitysvaiheessa, muunnettu austeniitin siirtymälämpötila alkaa nousta, ja vastaavasti, kun langan lämpötila ylittää martensiittisen siirtymälämpötilan jäähdytysvaiheessa, martensiittinen siirtymälämpötila laskee. SMA toimilaitteen analyyttiseen mallintamiseen. (Yksityiskohtainen näkymä Simulink-mallin jokaisesta osajärjestelmästä on lisätiedoston liiteosassa.)
Eri parametrijakaumien analyysin tulokset on esitetty kahdelle 7 V:n tulojännitteen syklille (10 sekunnin lämmityssyklit ja 15 sekunnin jäähdytyssyklit). (ac) ja (e) kuvaavat jakaumaa ajan funktiona, kun taas (d) ja (f) havainnollistavat jakaumaa lämpötilan funktiona. Kyseisissä syöttöolosuhteissa havaittu suurin jännitys on 106 MPa (alle 345 MPa, langan myötölujuus), voima on 150 N, suurin siirtymä on 270 µm ja pienin martensiittisen tilavuusosuus on 0,91. Toisaalta jännityksen muutos ja martensiitin tilavuusosuuden muutos lämpötilan funktiona ovat samankaltaisia kuin hystereesikäyrät.
Sama selitys pätee suoraan muutokseen (jäähdytykseen) austeniittifaasista martensiittifaasiin, jossa SMA-langan lämpötila (T) ja jännitysmodifioidun martensiittifaasin loppulämpötila (\(M_f^{\prime}\)) ovat erinomaiset. Kuvassa 4d, f on esitetty SMA-langan indusoidun jännityksen (\(\sigma\)) ja martensiitin tilavuusosuuden (\(\xi\)) muutos SMA-langassa SMA-langan lämpötilan muutoksen (T) funktiona molemmilla käyttöjaksoilla. Kuvassa 3a on esitetty SMA-langan lämpötilan muutos ajan funktiona tulojännitepulssin mukaan. Kuten kuvasta voidaan nähdä, langan lämpötila nousee edelleen, kun lämmönlähde on nollajännitteellä ja sitä seuraava konvektiivinen jäähdytys. Kuumennuksen aikana martensiitin palautuminen austeniittifaasiin alkaa, kun SMA-langan lämpötila (T) ylittää jännityskorjatun austeniitin ydintymislämpötilan (\(A_s^{\prime}\)). Tämän vaiheen aikana SMA-lanka puristuu kokoon ja toimilaite tuottaa voiman. Myös jäähdytyksen aikana, kun SMA-langan lämpötila (T) ylittää jännitysmodifioidun martensiittifaasin ydintymislämpötilan (\(M_s^{\prime}\)), tapahtuu positiivinen siirtymä austeniittifaasista martensiittifaasiin. Käyttövoima pienenee.
SMA-pohjaisen bimodaalisen käytön tärkeimmät laadulliset näkökohdat voidaan saada simulaatiotuloksista. Jännitepulssisyötteen tapauksessa SMA-langan lämpötila nousee Joule-lämpövaikutuksen vuoksi. Martensiitin tilavuusosuuden (\(\xi\)) alkuarvo on asetettu arvoon 1, koska materiaali on aluksi täysin martensiittisessa faasissa. Langan lämmetessä SMA-langan lämpötila ylittää jännityskorjatun austeniitin ydintymislämpötilan \(A_s^{\prime}\), mikä johtaa martensiitin tilavuusosuuden pienenemiseen, kuten kuvassa 4c on esitetty. Lisäksi kuvassa 4e on esitetty toimilaitteen iskujen jakauma ajan funktiona ja kuvassa 5 käyttövoima ajan funktiona. Tähän liittyvä yhtälöryhmä sisältää lämpötilan, martensiitin tilavuusosuuden ja langassa kehittyvän jännityksen, joka johtaa SMA-langan kutistumiseen ja toimilaitteen synnyttämään voimaan. Kuten kuvassa 4c on esitetty. 4d, f, jännitteen vaihtelu lämpötilan funktiona ja martensiitin tilavuusosuuden vaihtelu lämpötilan funktiona vastaavat SMA:n hystereesikäyrää simuloidussa tapauksessa 7 V:n jännitteellä.
Käyttöparametrien vertailu saatiin kokeilujen ja analyyttisten laskelmien avulla. Johdot altistettiin 7 V:n pulssijännitteelle 10 sekunnin ajan, minkä jälkeen niitä jäähdytettiin 15 sekuntia (jäähdytysvaihe) kahden syklin aikana. Parikulmaksi asetettiin \(40^{\circ}\) ja SMA-johtimen alkupituudeksi kussakin yksittäisessä tapin haarassa asetettiin 83 mm. (a) Käyttövoiman mittaus kuormitusanturilla (b) Johtimen lämpötilan seuranta lämpökameralla.
Jotta ymmärrettäisiin fysikaalisten parametrien vaikutusta käytön tuottamaan voimaan, analysoitiin matemaattisen mallin herkkyyttä valituille fysikaalisille parametreille ja parametrit asetettiin järjestykseen niiden vaikutuksen mukaan. Ensin malliparametrien näytteenotto tehtiin käyttämällä kokeellisia suunnitteluperiaatteita, jotka noudattivat tasaista jakaumaa (katso herkkyysanalyysiä käsittelevä lisäosio). Tässä tapauksessa malliparametreihin kuuluvat tulojännite (\(V_{in}\)), SMA-johtimen alkupituus (\(l_0\)), kolmiokulma (\(alpha\)), esijännitysjousivakio (\(K_x\)), konvektiivinen lämmönsiirtokerroin (\(h_T\)) ja unimodaalisten haarojen lukumäärä (n). Seuraavassa vaiheessa tutkimussuunnitteluvaatimukseksi valittiin lihasvoiman huippuarvo ja kunkin muuttujajoukon parametriset vaikutukset voimaan laskettiin. Herkkyysanalyysin tornado-kuvaajat johdettiin kunkin parametrin korrelaatiokertoimista, kuten kuvassa 6a on esitetty.
(a) Malliparametrien korrelaatiokertoimien arvot ja niiden vaikutus 2500 ainutlaatuisen yllä olevien malliparametriryhmien maksimituottovoimaan on esitetty tornado-kaaviossa. Kaavio näyttää useiden indikaattoreiden järjestyskorrelaation. On selvää, että \(V_{in}\) on ainoa parametri, jolla on positiivinen korrelaatio, ja \(l_0\) on parametri, jolla on suurin negatiivinen korrelaatio. Eri parametrien vaikutus huippulihasvoimaan eri yhdistelmissä on esitetty kohdissa (b, c). \(K_x\) vaihtelee välillä 400–800 N/m ja n vaihtelee välillä 4–24. Jännite (\(V_{in}\)) muuttui 4 V:sta 10 V:iin, johtimen pituus (\(l_{0 } \)) muuttui 40 mm:stä 100 mm:iin ja hännän kulma (\(alpha \)) vaihteli välillä \ (20–60 \, ^ {\circ }\).
Kuvassa 6a on esitetty tornado-kuvaaja, joka sisältää eri korrelaatiokertoimet kullekin parametrille huippuvoiman suunnitteluvaatimusten mukaisesti. Kuvasta 6a voidaan nähdä, että jänniteparametri (\(V_{in}\)) liittyy suoraan suurimpaan lähtövoimaan, ja konvektiivinen lämmönsiirtokerroin (\(h_T\)), liekkikulma (\(alpha\)), siirtymäjousivakio (\(K_x\)) korreloivat negatiivisesti lähtövoiman ja SMA-johtimen alkuperäisen pituuden (\(l_0\)) kanssa, ja unimodaalisten haarojen lukumäärä (n) osoittaa vahvaa käänteistä korrelaatiota. Suoran korrelaation tapauksessa jännitekorrelaatiokertoimen (\(V_{in}\)) suurempi arvo osoittaa, että tällä parametrilla on suurin vaikutus tehoon. Toinen samanlainen analyysi mittaa huippuvoimaa arvioimalla eri parametrien vaikutusta kahden laskenta-avaruuden eri yhdistelmissä, kuten kuvassa 6b, c on esitetty. \(V_{in}\) ja \(l_0\), \(\alpha\) ja \(l_0\) omaavat samankaltaisia kuvioita, ja kuvaaja osoittaa, että \(V_{in}\) ja \(\alpha\) ja \(\alpha\) omaavat samankaltaisia kuvioita. Pienemmät \(l_0\)-arvot johtavat suurempiin huippuvoimiin. Kaksi muuta kuvaajaa ovat yhdenmukaisia kuvan 6a kanssa, jossa n ja \(K_x\) korreloivat negatiivisesti ja \(V_{in}\) korreloivat positiivisesti. Tämä analyysi auttaa määrittelemään ja säätämään vaikuttavia parametreja, joiden avulla käyttöjärjestelmän lähtövoimaa, iskunpituutta ja hyötysuhdetta voidaan mukauttaa vaatimuksiin ja sovellukseen.
Nykyinen tutkimus esittelee ja tutkii hierarkkisia käyttölaitteita, joissa on N tasoa. Kaksitasoisessa hierarkiassa, kuten kuvassa 7a on esitetty, jossa ensimmäisen tason toimilaitteen jokaisen SMA-johtimen sijaan saavutetaan bimodaalinen järjestely, kuten kuvassa 9e on esitetty. Kuvassa 7c on esitetty, kuinka SMA-johto on kierretty liikkuvan varren (apuvarren) ympärille, joka liikkuu vain pituussuunnassa. Ensisijainen liikkuva varsi jatkaa kuitenkin liikkumista samalla tavalla kuin ensimmäisen vaiheen monivaiheisen toimilaitteen liikkuva varsi. Tyypillisesti N-vaiheinen käyttölaite luodaan korvaamalla \(N-1\)-vaiheen SMA-johto ensimmäisen vaiheen käytöllä. Tämän seurauksena jokainen haara jäljittelee ensimmäisen vaiheen käyttöä, lukuun ottamatta haaraa, joka pitää itse johtoa paikallaan. Tällä tavoin voidaan muodostaa sisäkkäisiä rakenteita, jotka luovat voimia, jotka ovat useita kertoja suurempia kuin ensisijaisten käyttölaitteiden voimat. Tässä tutkimuksessa jokaiselle tasolle otettiin huomioon 1 metrin kokonaispituus SMA-johtimelle, kuten taulukkomuodossa kuvassa 7d on esitetty. Kunkin unimodaalisessa rakenteessa jokaisen johtimen läpi kulkeva virta ja siitä johtuva esijännitys ja jännite kussakin SMA-johdinsegmentissä ovat samat jokaisella tasolla. Analyyttisen mallimme mukaan lähtövoima korreloi positiivisesti tason kanssa, kun taas siirtymä korreloi negatiivisesti. Samaan aikaan siirtymän ja lihasvoiman välillä oli kompromissi. Kuten kuvasta 7b nähdään, vaikka suurin voima saavutetaan suurimmalla kerrosmäärällä, suurin siirtymä havaitaan alimmalla kerroksella. Kun hierarkiataso asetettiin arvoon \(N=5\), havaittiin 2,58 kN:n huippulihasvoima kahdella \(\upmu\)m:n iskulla. Toisaalta ensimmäisen vaiheen käyttölaite tuottaa 150 N:n voiman 277 \(\upmu\)m:n iskulla. Monitasoiset toimilaitteet pystyvät matkimaan oikeita biologisia lihaksia, kun taas muistimetalliseoksiin perustuvat keinotekoiset lihakset pystyvät tuottamaan huomattavasti suurempia voimia tarkoilla ja hienommilla liikkeillä. Tämän miniatyrisoidun rakenteen rajoituksena on, että hierarkian kasvaessa liike vähenee huomattavasti ja käyttölaitteen valmistusprosessin monimutkaisuus kasvaa.
(a) Taulukossa on esitetty kaksivaiheinen (\(N=2\)) kerrostettu muistimetalliseoksesta valmistettu lineaarinen aktuaattorijärjestelmä bimodaalisessa kokoonpanossa. Ehdotettu malli on saavutettu korvaamalla ensimmäisen vaiheen kerrostetun aktuaattorin SMA-johdin toisella yksivaiheisella kerrostetulla aktuaattorilla. (c) Toisen vaiheen monikerroksisen aktuaattorin deformoitu kokoonpano. (b) Taulukossa on kuvattu voimien ja siirtymien jakautuminen tasojen lukumäärästä riippuen. On havaittu, että aktuaattorin huippuvoima korreloi positiivisesti kaavion skaalaustason kanssa, kun taas iskunpituus korreloi negatiivisesti kaavioustason kanssa. Kunkin johtimen virta ja esijännite pysyvät vakioina kaikilla tasoilla. (d) Taulukko näyttää kytkentäpisteiden lukumäärän ja SMA-johtimen (kuidun) pituuden kullakin tasolla. Johtojen ominaisuudet on merkitty indeksillä 1, ja toissijaisten haarojen lukumäärä (yksi kytketty ensisijaiseen haaraan) on merkitty alaindeksin suurimmalla numerolla. Esimerkiksi tasolla 5 \(n_1\) viittaa kussakin bimodaalisessa rakenteessa olevien SMA-johtimien lukumäärään ja \(n_5\) viittaa apuhaarojen lukumäärään (yksi kytketty päähaaraan).
Monet tutkijat ovat ehdottaneet erilaisia menetelmiä muotomuistia omaavien liukuhiukkasten käyttäytymisen mallintamiseksi. Menetelmät riippuvat termomekaanisista ominaisuuksista, jotka liittyvät faasimuutokseen liittyvään kiderakenteen makroskooppiseen muutokseen. Konstitutiivisten menetelmien muotoilu on luonnostaan monimutkaista. Yleisimmin käytetty fenomenologinen malli on Tanakan28 ehdottama, ja sitä käytetään laajalti tekniikan sovelluksissa. Tanakan [28] ehdottama fenomenologinen malli olettaa, että martensiitin tilavuusosuus on lämpötilan ja jännityksen eksponentiaalinen funktio. Myöhemmin Liang ja Rogers29 sekä Brinson30 ehdottivat mallia, jossa faasimuutosdynamiikan oletettiin olevan jännitteen ja lämpötilan kosinifunktio, malliin pienin muutoksin. Becker ja Brinson ehdottivat faasidiagrammiin perustuvaa kineettistä mallia liukuhiukkasmateriaalien käyttäytymisen mallintamiseksi mielivaltaisissa kuormitusolosuhteissa sekä osittaissiirtymissä. Banerjee32 käyttää Bekkerin ja Brinsonin31 faasidiagrammidynamiikkamenetelmää simuloidakseen Elahinian ja Ahmadian33 kehittämää yhden vapausasteen manipulaattoria. Faasidiagrammeihin perustuvat kineettiset menetelmät, jotka ottavat huomioon jännitteen epämonotonisen muutoksen lämpötilan funktiona, ovat vaikeasti toteutettavissa tekniikan sovelluksissa. Elakhinia ja Ahmadian kiinnittävät huomiota näihin olemassa olevien fenomenologisten mallien puutteisiin ja ehdottavat laajennettua fenomenologista mallia muistimuotojen käyttäytymisen analysoimiseksi ja määrittelemiseksi kaikissa monimutkaisissa kuormitusolosuhteissa.
SMA-langan rakennemalli antaa SMA-langan jännityksen (\(\sigma\)), venymän (\(\epsilon\)), lämpötilan (T) ja martensiitin tilavuusosuuden (\(\xi\)). Fenomenologisen konstitutiivisen mallin ehdotti ensimmäisenä Tanaka28, ja Liang29 ja Brinson30 omaksuivat sen myöhemmin. Yhtälön derivaatta on muotoa:
jossa E on faasiriippuvainen SMA-langan Youngin moduuli, joka on saatu käyttämällä kaavaa \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) ja \(E_A\) ja \(E_M\), jotka edustavat Youngin moduulia, ovat austeniittisia ja martensiittisia faaseja, ja lämpölaajenemiskerrointa edustaa \(\theta _T\). Faasisiirtymän kontribuutiokerroin on \(\Omega = -E \epsilon _L\) ja \(\epsilon _L\) on SMA-langan suurin palautuva venymä.
Vaihedynamiikan yhtälö vastaa Liangin29 kehittämää ja Brinsonin30 myöhemmin omaksumaa kosinifunktiota Tanakan28 ehdottaman eksponentiaalifunktion sijaan. Vaiheenmuutosmalli on Elakhinian ja Ahmadianin34 ehdottaman mallin laajennus ja sitä on muokattu Liangin29 ja Brinsonin30 esittämien vaiheenmuutosehtojen perusteella. Tässä vaiheenmuutosmallissa käytetyt ehdot ovat voimassa monimutkaisten termomekaanisten kuormien alaisena. Jokaisella ajanhetkellä martensiitin tilavuusosuuden arvo lasketaan konstitutiivisen yhtälön mallintamisen yhteydessä.
Hallitseva uudelleenmuutosyhtälö, joka ilmaistaan martensiitin muuttumisena austeniitiksi kuumennusolosuhteissa, on seuraava:
jossa \(\xi\) on martensiitin tilavuusosuus, \(\xi _M\) on martensiitin tilavuusosuus ennen kuumennusta, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) ja \(C_A\) – käyrän approksimaatioparametrit, T – SMA-langan lämpötila, \(A_s\) ja \(A_f\) – austeniittifaasin alku- ja loppulämpötilat.
Suoran muutoksen säätöyhtälö, jota edustaa austeniitin faasimuutos martensiitiksi jäähdytysolosuhteissa, on:
jossa \(\xi _A\) on ennen jäähdytystä saadun martensiitin tilavuusosuus, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) ja \(C_M \) – käyrän sovitusparametrit, T – SMA-langan lämpötila, \(M_s\) ja \(M_f\) – martensiitin alku- ja loppulämpötilat.
Kun yhtälöt (3) ja (4) on derivoitu, käänteis- ja suoramuunnosyhtälöt sievennetään seuraavaan muotoon:
Eteen- ja taaksepäin suuntautuvassa muunnoksessa \(\eta _{\sigma}\) ja \(\eta _{T}\) saavat eri arvot. \(\eta _{\sigma}\) ja \(\eta _{T}\) liittyvät perusyhtälöt on johdettu ja käsitelty yksityiskohtaisesti lisäosiossa.
SMA-langan lämpötilan nostamiseen tarvittava lämpöenergia tulee Joulen lämmitysvaikutuksesta. SMA-langan absorboimaa tai vapauttamaa lämpöenergiaa edustaa latentti muutoslämpö. SMA-langan lämpöhäviö johtuu pakotetusta konvektiosta, ja koska säteilyn vaikutus on merkityksetön, lämpöenergian tasapainoyhtälö on seuraava:
Missä \(m_{wire}\) on SMA-langan kokonaismassa, \(c_{p}\) on SMA:n ominaislämpökapasiteetti, \(V_{in}\) on johtimeen syötetty jännite ja \(R_{ohm} \) – vaiheesta riippuva SMA:n resistanssi, joka määritellään seuraavasti: \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\), missä \(r_M\) ja \(r_A\) ovat SMA:n vaiheresistiivisyydet martensiitissa ja austeniitissa, \(A_{c}\) on SMA-langan pinta-ala ja \(DeltaH \) on muistimetalliseos. Langan latentti siirtymälämpö, T ja \(T_{\infty}\), ovat SMA-langan ja ympäristön lämpötilat.
Kun muistimetalliseoslankaa käytetään, lanka puristuu kokoon, jolloin bimodaalisessa rakenteessa syntyy voima, jota kutsutaan kuituvoimaksi. SMA-langan kunkin säikeen kuitujen voimat yhdessä luovat aktivoivan lihasvoiman, kuten kuvassa 9e on esitetty. Esijännitysjousen läsnäolon vuoksi N:nnen monikerroksisen toimilaitteen kokonaislihasvoima on:
Sijoittamalla \(N = 1\) yhtälöön (7), ensimmäisen vaiheen bimodaalisen ajoprototyypin lihasvoima voidaan saada seuraavasti:
jossa n on unimodaalisten jalkojen lukumäärä, \(F_m\) on käytön tuottama lihasvoima, \(F_f\) on SMA-johtimen kuidun lujuus, \(K_x\) on esijännitysjousi, \(alpha\) on kolmion kulma, \(x_0\) on esijännitysjousen alkusiirtymä, jolla SMA-kaapeli pidetään esijännitetyssä asennossa, ja \(Delta x\) on toimilaitteen liike.
Käyttölaitteen kokonaissiirtymä tai liike (\(Delta x\)) riippuen N:nnen vaiheen SMA-johtimen jännitteestä (\(sigma\)) ja venymästä (\(epsilon\)), käyttölaite asetetaan (katso kuva, lisäosa lähdöstä):
Kinemaattiset yhtälöt kuvaavat voimansiirron muodonmuutoksen (\(\epsilon\)) ja siirtymän tai siirtymän (\(Delta x\)) välisen suhteen. Arb-langan muodonmuutos alkuperäisen Arb-langan pituuden (\(l_0\)) ja langan pituuden (l) funktiona millä tahansa hetkellä t yhdessä unimodaalisessa haarassa on seuraava:
jossa \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) saadaan soveltamalla kosinikaavaa \(\Delta\)ABB ', kuten kuvassa 8 on esitetty. Ensimmäisen vaiheen käytölle (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) on \(\Delta x\), ja \(\alpha _1\) on \(\alpha \), kuten kuvassa 8 on esitetty, derivoimalla aika yhtälöstä (11) ja sijoittamalla l:n arvo, venymänopeus voidaan kirjoittaa seuraavasti:
jossa \(l_0\) on SMA-johtimen alkuperäinen pituus, l on johtimen pituus millä tahansa hetkellä t yhdessä unimodaalisessa haarassa, \(\epsilon\) on SMA-johtimessa kehittynyt muodonmuutos ja \(\alpha \) on kolmion kulma ja \(\Delta x\) on käyttöoffset (kuten kuvassa 8 on esitetty).
Kaikki n yksihuippuista rakennetta (tässä kuvassa \(n=6\)) on kytketty sarjaan tulojännitteellä \(V_{in}\). Vaihe I: Kaaviokuva SMA-johtimesta bimodaalisessa konfiguraatiossa nollajänniteolosuhteissa Vaihe II: Kuvassa on esitetty ohjattu rakenne, jossa SMA-johdin on puristunut kokoon käänteismuunnoksen vuoksi, kuten punainen viiva osoittaa.
Konseptin toimivuuden todistamiseksi kehitettiin SMA-pohjainen bimodaalinen käyttölaite testaamaan taustalla olevien yhtälöiden simuloitua johtamista kokeellisilla tuloksilla. Bimodaalisen lineaaritoimilaitteen CAD-malli on esitetty kuvassa 9a. Toisaalta kuvassa 9c on esitetty uusi ehdotettu rotaatioprismaliitoksen rakenne, jossa käytetään kaksitasoista SMA-pohjaista toimilaitetta, jolla on bimodaalinen rakenne. Käyttökomponentit valmistettiin additiivisella valmistuksella Ultimaker 3 Extended 3D -tulostimella. Komponenttien 3D-tulostuksessa käytetty materiaali on polykarbonaatti, joka soveltuu lämmönkestäville materiaaleille, koska se on vahvaa, kestävää ja sillä on korkea lasittumislämpötila (110-113 °C). Lisäksi kokeissa käytettiin Dynalloy, Inc.:n Flexinol-muistiseoslankaa, ja simulaatioissa käytettiin Flexinol-lankaa vastaavia materiaaliominaisuuksia. Useita SMA-lankoja on järjestetty kuituina, jotka ovat läsnä bimodaalisessa lihasjärjestelyssä monikerroksisten toimilaitteiden tuottamien suurten voimien saavuttamiseksi, kuten kuvassa 9b, d on esitetty.
Kuten kuvassa 9a on esitetty, liikkuvan varren SMA-johtimen muodostamaa terävää kulmaa kutsutaan kulmaksi (\(\alpha\)). Kun vasempaan ja oikeaan johdinkiristimeen on kiinnitetty liitinpuristimet, SMA-johdin pidetään halutussa bimodaalisessa kulmassa. Jousiliittimeen kiinnitetty esijännitysjousi on suunniteltu säätämään eri esijännitysjousien jatkoryhmiä SMA-kuitujen lukumäärän (n) mukaan. Lisäksi liikkuvien osien sijainti on suunniteltu siten, että SMA-johdin on alttiina ulkoiselle ympäristölle pakotetun konvektiojäähdytyksen aikaansaamiseksi. Irrotettavan kokoonpanon ylä- ja alalevyt auttavat pitämään SMA-johtimen viileänä puristetuilla leikkauksilla, jotka on suunniteltu painon vähentämiseksi. Lisäksi CMA-johtimen molemmat päät on kiinnitetty vasempaan ja oikeaan liittimeen puristusliittimellä. Liikkuvan kokoonpanon toiseen päähän on kiinnitetty mäntä, joka ylläpitää rakoa ylä- ja alalevyjen välillä. Mäntää käytetään myös estovoiman kohdistamiseen anturiin koskettimen kautta estovoiman mittaamiseksi, kun SMA-johdinta käytetään.
Bimodaalinen lihasrakenne SMA on sähköisesti kytketty sarjaan ja sitä syötetään tulopulssijännitteellä. Jännitepulssisyklin aikana, kun jännitettä käytetään ja SMA-lankaa kuumennetaan austeniitin alkuperäisen lämpötilan yläpuolelle, kunkin säikeen langan pituus lyhenee. Tämä vetäytyminen aktivoi liikkuvan varren osakokoonpanon. Kun jännite nollattiin samassa syklissä, lämmitetty SMA-lanka jäähdytettiin martensiittipinnan lämpötilan alapuolelle, jolloin se palasi alkuperäiseen asentoonsa. Nollajännitysolosuhteissa SMA-lankaa venytetään ensin passiivisesti esijännitysjousella, jotta se saavuttaa detwinoidun martensiittisen tilan. Ruuvi, jonka läpi SMA-lanka kulkee, liikkuu SMA-lankaan kohdistetun jännitepulssin aiheuttaman puristuksen vuoksi (SPA saavuttaa austeniittifaasin), mikä johtaa liikkuvan vivun aktivoitumiseen. Kun SMA-lankaa vedetään sisään, esijännitysjousi luo vastakkaisen voiman venyttämällä jousta edelleen. Kun impulssijännitteen jännitys laskee nollaan, SMA-lanka pidentyy ja muuttaa muotoaan pakotetun konvektiojäähdytyksen vuoksi, saavuttaen kaksoismartensiittisen faasin.
Ehdotetulla SMA-pohjaisella lineaarisella aktuaattorijärjestelmällä on bimodaalinen kokoonpano, jossa SMA-langat ovat kulmassa. (a) esittää prototyypin CAD-mallia, jossa mainitaan joitakin komponentteja ja niiden merkityksiä prototyypille, (b, d) edustavat kehitettyä kokeellista prototyyppiä35. (b) esittää prototyypin yläkuvan sähköliitäntöineen, esijännitysjousineen ja venymäantureineen, ja (d) esittää kokoonpanon perspektiivikuvaa. (e) Kaavio lineaarisesta aktuaattorijärjestelmästä, jossa SMA-langat on sijoitettu bimodaalisesti milloin tahansa ajanhetkellä t, ja joka näyttää säikeen suunnan ja kulun sekä lihasvoiman. (c) Kaksitasoisen SMA-pohjaisen aktuaattorin käyttöönottoa varten on ehdotettu 2-vapausasteen pyörivää prismaliitosta. Kuten kuvassa näkyy, linkki välittää lineaarista liikettä alaosasta ylävarteen luoden pyörivän liitoksen. Toisaalta prismiparin liike on sama kuin monikerroksisen ensimmäisen vaiheen käytön liike.
Kuvassa 9b esitetylle prototyypille tehtiin kokeellinen tutkimus SMA-pohjaisen bimodaalisen käyttölaitteen suorituskyvyn arvioimiseksi. Kuten kuvassa 10a on esitetty, kokeellinen järjestely koostui ohjelmoitavasta tasavirtalähteestä, joka syötti tulojännitettä SMA-johtimille. Kuten kuvassa 10b on esitetty, pietsosähköistä venymäanturia (PACEline CFT/5kN) käytettiin estovoiman mittaamiseen Graphtec GL-2000 -dataloggerilla. Isäntä tallentaa tiedot jatkotutkimuksia varten. Venymäanturit ja varausvahvistimet tarvitsevat jatkuvan virtalähteen jännitesignaalin tuottamiseksi. Vastaavat signaalit muunnetaan teholähteiksi pietsosähköisen voima-anturin herkkyyden ja muiden taulukossa 2 kuvattujen parametrien mukaisesti. Kun jännitepulssi syötetään, SMA-johtimen lämpötila nousee, mikä aiheuttaa SMA-johtimen puristumisen ja siten toimilaitteen tuottavan voimaa. 7 V:n tulojännitepulssin lihasvoiman kokeelliset tulokset on esitetty kuvassa 2a.
(a) Kokeessa käytettiin SMA-pohjaista lineaarista aktuaattorijärjestelmää toimilaitteen tuottaman voiman mittaamiseksi. Punnituskenno mittaa estovoiman ja sitä käytetään 24 V:n tasavirtalähteellä. Kaapelin koko pituudelle kohdistettiin 7 V:n jännitehäviö käyttämällä GW Instekin ohjelmoitavaa tasavirtalähdettä. SMA-johdin kutistuu lämmön vaikutuksesta, ja liikkuva varsi koskettaa kuormituskennoa ja kohdistaa estovoiman. Kuormituskenno on kytketty GL-2000-dataloggeriin ja tiedot tallennetaan isäntätietokoneeseen jatkokäsittelyä varten. (b) Kaavio, joka näyttää lihasvoiman mittaamiseen tarkoitetun kokeellisen laitteiston komponenttiketjun.
Muistimetalliseokset virittyvät lämpöenergialla, joten lämpötilasta tulee tärkeä parametri muisti-ilmiön tutkimuksessa. Kokeellisesti, kuten kuvassa 11a on esitetty, lämpökuvaus ja lämpötilamittaukset tehtiin prototyyppisellä SMA-pohjaisella divaleraattiaktuaattorilla. Ohjelmoitava tasavirtalähde syötti tulojännitettä SMA-johtimiin kokeellisessa järjestelmässä, kuten kuvassa 11b on esitetty. SMA-johtimen lämpötilan muutos mitattiin reaaliajassa käyttämällä korkean resoluution LWIR-kameraa (FLIR A655sc). Isäntä käyttää ResearchIR-ohjelmistoa tietojen tallentamiseen jatkokäsittelyä varten. Kun jännitepulssi syötetään, SMA-johtimen lämpötila nousee, mikä aiheuttaa SMA-johtimen kutistumisen. Kuvassa 2b on esitetty kokeelliset tulokset SMA-johtimen lämpötilasta ajan funktiona 7 V:n tulojännitepulssilla.
Julkaisun aika: 28.9.2022
