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Les actionneurs sont utilisés partout et créent un mouvement contrôlé en appliquant la force ou le couple d'excitation adéquat pour effectuer diverses opérations dans les domaines de la fabrication et de l'automatisation industrielle. Le besoin d'entraînements plus rapides, plus compacts et plus efficaces stimule l'innovation dans la conception des entraînements. Les entraînements en alliage à mémoire de forme (AMF) offrent de nombreux avantages par rapport aux entraînements conventionnels, notamment un rapport puissance/poids élevé. Dans cette thèse, un actionneur à deux brins basé sur l'AMF a été développé, combinant les avantages des muscles plumeux des systèmes biologiques et les propriétés uniques des AMF. Cette étude explore et étend les actionneurs AMF précédents en développant un modèle mathématique du nouvel actionneur basé sur la disposition bimodale des fils en AMF et en le testant expérimentalement. Comparée aux entraînements connus basés sur l'AMF, la force d'actionnement du nouvel entraînement est au moins cinq fois supérieure (jusqu'à 150 N). La perte de poids correspondante est d'environ 67 %. Les résultats de l'analyse de sensibilité des modèles mathématiques sont utiles pour ajuster les paramètres de conception et comprendre les paramètres clés. Cette étude présente également un entraînement multi-niveaux à N étages qui peut être utilisé pour améliorer encore la dynamique. Les actionneurs musculaires dipvalérate à base de SMA ont une large gamme d'applications, de l'automatisation des bâtiments aux systèmes d'administration de médicaments de précision.
Les systèmes biologiques, tels que les structures musculaires des mammifères, peuvent activer de nombreux actionneurs subtils1. Les mammifères possèdent différentes structures musculaires, chacune ayant une fonction spécifique. Cependant, une grande partie de la structure du tissu musculaire des mammifères peut être divisée en deux grandes catégories : parallèles et pennées. Dans les ischio-jambiers et autres fléchisseurs, comme son nom l'indique, la musculature parallèle possède des fibres musculaires parallèles au tendon central. La chaîne de fibres musculaires est alignée et fonctionnellement reliée par le tissu conjonctif qui les entoure. Bien que ces muscles soient réputés avoir une grande excursion (pourcentage de raccourcissement), leur force musculaire globale est très limitée. En revanche, dans le muscle triceps du mollet2 (gastrocnémien latéral (GL)3, gastrocnémien médial (GM)4 et soléaire (SOL)) et l'extenseur fémoral (quadriceps)5,6, on trouve du tissu musculaire penné dans chaque muscle7. Dans une structure pennée, les fibres musculaires de la musculature bipennée sont présentes de part et d'autre du tendon central, à des angles obliques (angles pennés). « Penné » vient du latin « penna », qui signifie « plume », et, comme le montre la figure 1, a l'apparence d'une plume. Les fibres des muscles pennés sont plus courtes et inclinées par rapport à l'axe longitudinal du muscle. En raison de cette structure pennée, la mobilité globale de ces muscles est réduite, ce qui entraîne les composantes transversale et longitudinale du raccourcissement. En revanche, l'activation de ces muscles entraîne une augmentation de la force musculaire globale grâce à la mesure de la section transversale physiologique. Par conséquent, pour une section transversale donnée, les muscles pennés seront plus forts et généreront des forces plus importantes que les muscles à fibres parallèles. Les forces générées par chaque fibre génèrent des forces musculaires à l'échelle macroscopique dans le tissu musculaire. De plus, ils possèdent des propriétés uniques telles qu'une rétraction rapide, une protection contre les dommages dus à la traction et un amortissement. Il transforme la relation entre l’apport de fibres et la puissance musculaire produite en exploitant les caractéristiques uniques et la complexité géométrique de la disposition des fibres associée aux lignes d’action musculaires.
Sont présentés des schémas de conceptions d'actionneurs à base d'AMF existants en relation avec une architecture musculaire bimodale, par exemple (a), représentant l'interaction de la force tactile dans laquelle un dispositif en forme de main actionné par des fils SMA est monté sur un robot mobile autonome à deux roues9,10. , (b) Prothèse orbitale robotisée avec prothèse orbitale à ressort SMA placée de manière antagoniste. La position de l'œil prothétique est contrôlée par un signal provenant du muscle oculaire de l'œil11, (c) Les actionneurs SMA sont idéaux pour les applications sous-marines en raison de leur réponse en fréquence élevée et de leur faible bande passante. Dans cette configuration, les actionneurs SMA sont utilisés pour créer un mouvement de vague en simulant le mouvement des poissons, (d) les actionneurs SMA sont utilisés pour créer un robot d'inspection de micro-tuyaux qui peut utiliser le principe de mouvement du ver en pouces, contrôlé par le mouvement des fils SMA à l'intérieur du canal 10, (e) montre la direction des fibres musculaires de contraction et génère une force contractile dans le tissu gastrocnémien, (f) montre les fils SMA disposés sous la forme de fibres musculaires dans la structure musculaire pennée.
Les actionneurs sont devenus un élément essentiel des systèmes mécaniques en raison de leur large gamme d'applications. Par conséquent, le besoin d'entraînements plus compacts, plus rapides et plus efficaces devient crucial. Malgré leurs avantages, les entraînements traditionnels se sont avérés coûteux et leur maintenance est longue. Les actionneurs hydrauliques et pneumatiques sont complexes et coûteux, et sujets à l'usure, aux problèmes de lubrification et aux défaillances de composants. Pour répondre à la demande, l'accent est mis sur le développement d'actionneurs économiques, optimisés en termes de taille et avancés, basés sur des matériaux intelligents. Des recherches en cours portent sur les actionneurs multicouches en alliage à mémoire de forme (AMF) pour répondre à ce besoin. Les actionneurs hiérarchiques sont uniques car ils combinent de nombreux actionneurs discrets en sous-systèmes géométriquement complexes à l'échelle macroscopique pour offrir des fonctionnalités accrues et étendues. À cet égard, le tissu musculaire humain décrit ci-dessus offre un excellent exemple multicouche d'un tel actionnement. L'étude actuelle décrit un entraînement AMF multi-niveaux avec plusieurs éléments d'entraînement individuels (fils AMF) alignés selon l'orientation des fibres présentes dans les muscles bimodaux, ce qui améliore les performances globales de l'entraînement.
La fonction principale d'un actionneur est de générer une puissance mécanique, telle qu'une force et un déplacement, en convertissant l'énergie électrique. Les alliages à mémoire de forme (AMF) sont une classe de matériaux « intelligents » capables de retrouver leur forme à haute température. Sous de fortes charges, une augmentation de la température du fil AMF entraîne une reprise de forme, ce qui se traduit par une densité d'énergie d'actionnement supérieure à celle de divers matériaux intelligents liés directement. Parallèlement, sous des charges mécaniques, les AMF deviennent cassants. Dans certaines conditions, une charge cyclique peut absorber et libérer de l'énergie mécanique, présentant des changements de forme hystérétiques réversibles. Ces propriétés uniques font de l'AMF un matériau idéal pour les capteurs, l'amortissement des vibrations et, plus particulièrement, les actionneurs12. Dans cette optique, de nombreuses recherches ont été menées sur les entraînements à base d'AMF. Il convient de noter que les actionneurs à base d'AMF sont conçus pour fournir des mouvements de translation et de rotation pour diverses applications13,14,15. Bien que certains actionneurs rotatifs aient été développés, les chercheurs s'intéressent particulièrement aux actionneurs linéaires. Ces actionneurs linéaires peuvent être divisés en trois types : unidimensionnels, à déplacement et différentiels 16. Initialement, les entraînements hybrides ont été créés en combinaison avec l'AMF et d'autres entraînements conventionnels. Un exemple d'actionneur linéaire hybride basé sur l'AMF est l'utilisation d'un fil AMF avec un moteur à courant continu pour fournir une force de sortie d'environ 100 N et un déplacement important 17.
L'un des premiers développements en matière d'entraînements entièrement basés sur l'alliage à mémoire de forme (SMA) a été l'entraînement parallèle SMA. Utilisant plusieurs fils SMA, cet entraînement parallèle est conçu pour augmenter la puissance du moteur en plaçant tous les fils SMA18 en parallèle. La connexion en parallèle des actionneurs non seulement nécessite plus de puissance, mais limite également la puissance de sortie d'un seul fil. Un autre inconvénient des actionneurs SMA est leur course limitée. Pour résoudre ce problème, un faisceau de câbles SMA a été créé, contenant une poutre flexible déviée, afin d'augmenter le déplacement et d'obtenir un mouvement linéaire, sans générer de forces plus importantes19. Des structures et des tissus souples déformables pour robots, basés sur des alliages à mémoire de forme, ont été développés principalement pour l'amplification des chocs20,21,22. Pour les applications nécessitant des vitesses élevées, des pompes compactes à entraînement par micropompes utilisant des SMA à couches minces ont été décrites23. La fréquence d'entraînement de la membrane SMA à couches minces est un facteur clé dans le contrôle de la vitesse du moteur. Par conséquent, les moteurs linéaires SMA offrent une meilleure réponse dynamique que les moteurs à ressort ou à tige SMA. La robotique souple et la technologie de préhension sont deux autres applications utilisant des actionneurs à base d'AMF. Par exemple, pour remplacer l'actionneur standard utilisé dans la pince spatiale de 25 N, un actionneur parallèle en alliage à mémoire de forme 24 a été développé. Dans un autre cas, un actionneur souple en AMF a été fabriqué à partir d'un fil avec une matrice intégrée, capable de produire une force de traction maximale de 30 N. Grâce à leurs propriétés mécaniques, les AMF sont également utilisés pour produire des actionneurs imitant des phénomènes biologiques. L'un de ces développements comprend un robot à 12 cellules, biomimétique d'un organisme semblable à un ver de terre, utilisant de l'AMF pour générer un mouvement sinusoïdal pour déclencher un incendie26,27.
Comme mentionné précédemment, la force maximale pouvant être obtenue avec les actionneurs à base d'AMF existants est limitée. Pour répondre à ce problème, cette étude présente une structure musculaire bimodale biomimétique, entraînée par un fil en alliage à mémoire de forme. Elle fournit un système de classification incluant plusieurs fils en alliage à mémoire de forme. À ce jour, aucun actionneur à base d'AMF présentant une architecture similaire n'a été décrit dans la littérature. Ce système unique et innovant basé sur l'AMF a été développé pour étudier le comportement de l'AMF lors de l'alignement musculaire bimodal. Comparé aux actionneurs à base d'AMF existants, l'objectif de cette étude était de créer un actionneur dipvalérate biomimétique capable de générer des forces significativement plus élevées dans un volume réduit. Comparé aux entraînements conventionnels à moteur pas à pas utilisés dans les systèmes d'automatisation et de contrôle des bâtiments CVC, le système d'entraînement bimodal à base d'AMF proposé réduit le poids du mécanisme d'entraînement de 67 %. Dans ce qui suit, les termes « muscle » et « entraînement » sont utilisés indifféremment. Cette étude examine la simulation multiphysique d'un tel entraînement. Le comportement mécanique de tels systèmes a été étudié par des méthodes expérimentales et analytiques. Français Les distributions de force et de température ont été étudiées plus en détail à une tension d'entrée de 7 V. Par la suite, une analyse paramétrique a été réalisée pour mieux comprendre la relation entre les paramètres clés et la force de sortie. Enfin, des actionneurs hiérarchiques ont été envisagés et les effets de niveau hiérarchique ont été proposés comme un domaine potentiel futur pour les actionneurs non magnétiques pour les applications prothétiques. Selon les résultats des études susmentionnées, l'utilisation d'une architecture à un seul étage produit des forces au moins quatre à cinq fois supérieures à celles des actionneurs à base d'AMF. De plus, la même force d'entraînement générée par un entraînement multi-niveaux s'est avérée plus de dix fois supérieure à celle des entraînements à base d'AMF conventionnels. L'étude présente ensuite les paramètres clés à l'aide d'une analyse de sensibilité entre différentes conceptions et variables d'entrée. La longueur initiale du fil SMA (\(l_0\)), l'angle penné (\(\alpha\)) et le nombre de brins simples (n) dans chaque brin individuel ont un fort effet négatif sur l'amplitude de la force motrice, tandis que la tension d'entrée (énergie) s'est avérée positivement corrélée.
Le fil SMA présente l'effet mémoire de forme (EMF) observé dans la famille des alliages nickel-titane (Ni-Ti). Les SMA présentent généralement deux phases dépendantes de la température : une phase basse température et une phase haute température. Ces deux phases possèdent des propriétés uniques dues à la présence de structures cristallines différentes. Dans la phase austénite (phase haute température), présente au-dessus de la température de transformation, le matériau présente une résistance élevée et se déforme peu sous charge. L'alliage se comporte comme l'acier inoxydable et peut donc supporter des pressions d'actionnement plus élevées. Tirant parti de cette propriété des alliages Ni-Ti, les fils SMA sont inclinés pour former un actionneur. Des modèles analytiques appropriés sont développés pour comprendre la mécanique fondamentale du comportement thermique des SMA sous l'influence de divers paramètres et de diverses géométries. Une bonne concordance a été obtenue entre les résultats expérimentaux et analytiques.
Une étude expérimentale a été menée sur le prototype illustré à la figure 9a afin d'évaluer les performances d'un entraînement bimodal à base d'AMF. Deux de ces propriétés, la force générée par l'entraînement (force musculaire) et la température du fil AMF (température AMF), ont été mesurées expérimentalement. À mesure que la différence de tension augmente sur toute la longueur du fil dans l'entraînement, sa température augmente sous l'effet de l'échauffement Joule. La tension d'entrée a été appliquée en deux cycles de 10 s (représentés par des points rouges sur les figures 2a et b), avec une période de refroidissement de 15 s entre chaque cycle. La force de blocage a été mesurée à l'aide d'une jauge de contrainte piézoélectrique, et la distribution de température du fil AMF a été surveillée en temps réel à l'aide d'une caméra LWIR haute résolution de qualité scientifique (voir les caractéristiques de l'équipement utilisé dans le tableau 2). montre que pendant la phase de haute tension, la température du fil augmente de manière monotone, mais qu'en l'absence de courant, elle continue de baisser. Dans le dispositif expérimental actuel, la température du fil SMA a chuté pendant la phase de refroidissement, tout en restant supérieure à la température ambiante. La figure 2e présente un instantané de la température du fil SMA, pris par la caméra LWIR. La figure 2a, quant à elle, illustre la force de blocage générée par le système d'entraînement. Lorsque la force musculaire dépasse la force de rappel du ressort, le bras mobile, comme illustré à la figure 9a, se met en mouvement. Dès que l'actionnement commence, le bras mobile entre en contact avec le capteur, créant une force de corps, comme illustré aux figures 2c et d. Lorsque la température maximale est proche de 84 °C, la force maximale observée est de 105 N.
Le graphique montre les résultats expérimentaux de la température du fil SMA et de la force générée par l'actionneur bimodal à base d'AMF pendant deux cycles. La tension d'entrée est appliquée en deux cycles de 10 secondes (indiqués par des points rouges) avec une période de refroidissement de 15 secondes entre chaque cycle. Le fil SMA utilisé pour les expériences était un fil Flexinol de 0,51 mm de diamètre de Dynalloy, Inc. (a) Le graphique montre la force expérimentale obtenue sur deux cycles, (c, d) montrent deux exemples indépendants de l'action d'actionneurs à bras mobiles sur un transducteur de force piézoélectrique PACEline CFT/5 kN, (b) le graphique montre la température maximale de l'ensemble du fil SMA pendant deux cycles, (e) montre un instantané de la température du fil SMA pris à l'aide de la caméra LWIR du logiciel FLIR ResearchIR. Les paramètres géométriques pris en compte dans les expériences sont donnés dans le tableau. un.
Français Les résultats de simulation du modèle mathématique et les résultats expérimentaux sont comparés sous une tension d'entrée de 7 V, comme illustré à la figure 5. D'après les résultats de l'analyse paramétrique et afin d'éviter tout risque de surchauffe du fil AMF, une puissance de 11,2 W a été fournie à l'actionneur. Une alimentation CC programmable a été utilisée pour fournir une tension d'entrée de 7 V, et un courant de 1,6 A a été mesuré aux bornes du fil. La force générée par l'entraînement et la température du SDR augmentent avec l'application d'un courant. Avec une tension d'entrée de 7 V, la force de sortie maximale obtenue à partir des résultats de simulation et des résultats expérimentaux du premier cycle est respectivement de 78 N et 96 N. Au cours du deuxième cycle, la force de sortie maximale des résultats de simulation et expérimentaux était respectivement de 150 N et 105 N. L'écart entre les mesures de force d'occlusion et les données expérimentales peut être dû à la méthode utilisée pour mesurer la force d'occlusion. Les résultats expérimentaux illustrés à la figure 5. La figure 5a correspond à la mesure de la force de verrouillage, elle-même mesurée lorsque l'arbre d'entraînement était en contact avec le capteur de force piézoélectrique PACEline CFT/5 kN, comme illustré à la figure 2s. Par conséquent, lorsque l'arbre d'entraînement n'est pas en contact avec le capteur de force au début de la zone de refroidissement, la force devient immédiatement nulle, comme illustré à la figure 2d. De plus, d'autres paramètres influent sur la formation de la force lors des cycles suivants : le temps de refroidissement et le coefficient de transfert thermique par convection du cycle précédent. La figure 2b montre qu'après un refroidissement de 15 secondes, le fil AMF n'a pas atteint la température ambiante et présentait donc une température initiale plus élevée (40 °C) lors du deuxième cycle d'entraînement que lors du premier cycle (25 °C). Ainsi, par rapport au premier cycle, la température du fil AMF lors du second cycle de chauffage atteint plus tôt la température initiale de l'austénite (\(A_s\)) et reste plus longtemps dans la période de transition, ce qui entraîne des contraintes et des forces. D'autre part, les distributions de température pendant les cycles de chauffage et de refroidissement obtenues à partir d'expériences et de simulations présentent une grande similarité qualitative avec les exemples issus de l'analyse thermographique. L'analyse comparative des données thermiques du fil AMF issues d'expériences et de simulations a montré une cohérence pendant les cycles de chauffage et de refroidissement et dans les limites de tolérance acceptables pour les données expérimentales. La température maximale du fil AMF, obtenue à partir des résultats de simulation et d'expériences du premier cycle, est de \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) et \(75\,^{\circ }\hbox { C }\, respectivement), et dans le second cycle, la température maximale du fil AMF est de \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) et \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\). Le modèle développé confirme l'effet mémoire de forme. Le rôle de la fatigue et de la surchauffe n'a pas été pris en compte dans cette analyse. À l'avenir, le modèle sera amélioré pour inclure l'historique des contraintes du fil AMF, le rendant ainsi plus adapté aux applications techniques. Les courbes de force de sortie de l'entraînement et de température de l'AMF obtenues à partir du bloc Simulink se situent dans les limites de tolérance des données expérimentales sous une impulsion de tension d'entrée de 7 V. Ceci confirme l'exactitude et la fiabilité du modèle mathématique développé.
Le modèle mathématique a été développé dans l'environnement MathWorks Simulink R2020b en utilisant les équations de base décrites dans la section Méthodes. La figure 3b présente un schéma fonctionnel du modèle mathématique Simulink. Le modèle a été simulé pour une impulsion de tension d'entrée de 7 V, comme illustré aux figures 2a et 2b. Les valeurs des paramètres utilisés dans la simulation sont répertoriées dans le tableau 1. Les résultats de la simulation des processus transitoires sont présentés aux figures 1 et 3a. Les figures 3a et 4. La figure 4a et 4b montre la tension induite dans le fil SMA et la force générée par l'actionneur en fonction du temps. Lors de la transformation inverse (chauffage), lorsque la température du fil SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (température de début de phase d'austénite modifiée par contrainte), le taux de variation de la fraction volumique de martensite (\(\dot{\xi }\)) sera nul. Lors de la transformation inverse (chauffage), lorsque la température du fil SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (température de début de phase d'austénite modifiée par contrainte), le taux de variation de la fraction volumique de martensite (\(\dot{\ xi }\)) sera nul. Lors de la dernière mise à jour (heure), il y a des températures de SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (la température est au niveau austitiel, (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Lors de la transformation inverse (chauffage), lorsque la température du fil SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (température de début d'austénite modifiée par contrainte), le taux de variation de la fraction volumique de martensite (\(\dot{\ xi }\ )) sera nul.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\)) 将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Résultat de simulation montrant la distribution de température et la température de jonction induite par les contraintes dans un actionneur divalérate à base d'AMF. Lorsque la température du fil franchit la température de transition austénite lors de la phase de chauffage, la température de transition austénite modifiée commence à augmenter, et de même, lorsque la température du fil machine franchit la température de transition martensitique lors de la phase de refroidissement, cette température diminue. L'AMF est utilisé pour la modélisation analytique du processus d'actionnement. (Pour une vue détaillée de chaque sous-système d'un modèle Simulink, voir l'annexe du fichier supplémentaire.)
Les résultats de l'analyse pour différentes distributions de paramètres sont présentés pour deux cycles de tension d'entrée de 7 V (cycles de préchauffage de 10 secondes et cycles de refroidissement de 15 secondes). Alors que (ac) et (e) décrivent la distribution dans le temps, (d) et (f) illustrent la distribution en fonction de la température. Pour les conditions d'entrée respectives, la contrainte maximale observée est de 106 MPa (inférieure à 345 MPa, limite d'élasticité du fil), la force est de 150 N, le déplacement maximal est de 270 µm et la fraction volumique martensitique minimale est de 0,91. En revanche, l'évolution de la contrainte et de la fraction volumique de martensite avec la température est similaire aux caractéristiques d'hystérésis.
Français La même explication s'applique à la transformation directe (refroidissement) de la phase austénite à la phase martensite, où la température du fil SMA (T) et la température finale de la phase martensite modifiée par contrainte (\(M_f^{\prime}\ )) sont excellentes. Sur la fig. 4d,f montre l'évolution de la contrainte induite (\(\sigma\)) et de la fraction volumique de martensite (\(\xi\)) dans le fil SMA en fonction de l'évolution de la température du fil SMA (T), pour les deux cycles de conduite. Sur la fig. La figure 3a montre l'évolution de la température du fil SMA au fil du temps en fonction de l'impulsion de tension d'entrée. Comme on peut le voir sur la figure, la température du fil continue d'augmenter en fournissant une source de chaleur à tension nulle et un refroidissement par convection ultérieur. Lors du chauffage, la retransformation de la martensite en austénite débute lorsque la température du fil SMA (T) franchit la température de nucléation de l'austénite corrigée en contrainte (\(A_s^{\prime}\)). Durant cette phase, le fil SMA est comprimé et l'actionneur génère une force. De même, lors du refroidissement, lorsque la température du fil SMA (T) franchit la température de nucléation de la martensite modifiée en contrainte (\(M_s^{\prime}\)), une transition positive de la phase austénite à la phase martensitique se produit. La force d'entraînement diminue.
Les principaux aspects qualitatifs de l'entraînement bimodal basé sur l'AMF peuvent être déduits des résultats de simulation. En cas d'impulsion de tension, la température du fil AMF augmente sous l'effet de l'échauffement Joule. La valeur initiale de la fraction volumique de martensite (\(\xi\)) est fixée à 1, car le matériau est initialement en phase entièrement martensitique. À mesure que le fil continue de chauffer, sa température dépasse la température de nucléation de l'austénite corrigée en contrainte \(A_s^{\prime}\), ce qui entraîne une diminution de la fraction volumique de martensite, comme illustré à la figure 4c. De plus, la figure 4e montre la distribution temporelle des courses de l'actionneur, et la figure 5 la force motrice en fonction du temps. Un système d'équations associé inclut la température, la fraction volumique de martensite et la contrainte qui se développe dans le fil, ce qui entraîne le retrait du fil AMF et la force générée par l'actionneur. Comme illustré à la figure 4c, 4d,f, la variation de tension avec la température et la variation de la fraction volumique de martensite avec la température correspondent aux caractéristiques d'hystérésis du SMA dans le cas simulé à 7 V.
La comparaison des paramètres d'entraînement a été obtenue par des expériences et des calculs analytiques. Les fils ont été soumis à une tension d'entrée pulsée de 7 V pendant 10 secondes, puis refroidis pendant 15 secondes (phase de refroidissement) sur deux cycles. L'angle penné est fixé à 40°C et la longueur initiale du fil SMA dans chaque branche est fixée à 83 mm. (a) Mesure de la force d'entraînement avec une cellule de charge (b) Surveillance de la température du fil avec une caméra infrarouge thermique.
Afin de comprendre l'influence des paramètres physiques sur la force produite par l'entraînement, une analyse de la sensibilité du modèle mathématique aux paramètres physiques sélectionnés a été réalisée, et les paramètres ont été classés en fonction de leur influence. Tout d'abord, l'échantillonnage des paramètres du modèle a été réalisé selon des principes de conception expérimentale suivant une distribution uniforme (voir la section supplémentaire sur l'analyse de sensibilité). Dans ce cas, les paramètres du modèle incluent la tension d'entrée (\(V_{in}\)), la longueur initiale du fil AMF (\(l_0\)), l'angle du triangle (\(\alpha\)), la constante du ressort de polarisation (\(K_x\ )), le coefficient de transfert de chaleur par convection (\(h_T\)) et le nombre de branches unimodales (n). Dans l'étape suivante, la force musculaire maximale a été choisie comme exigence de conception de l'étude et les effets paramétriques de chaque ensemble de variables sur la force ont été obtenus. Les courbes de tornade pour l'analyse de sensibilité ont été dérivées des coefficients de corrélation pour chaque paramètre, comme illustré à la figure 6a.
(a) Les valeurs du coefficient de corrélation des paramètres du modèle et leur effet sur la force de sortie maximale de 2 500 groupes uniques des paramètres du modèle ci-dessus sont présentés dans le diagramme en tornade. Le graphique montre la corrélation de rang de plusieurs indicateurs. Il est clair que \(V_{in}\) est le seul paramètre avec une corrélation positive, et \(l_{0\) est le paramètre avec la corrélation négative la plus élevée. L'effet de divers paramètres dans diverses combinaisons sur la force musculaire maximale est présenté dans (b, c). \(K_x\) varie de 400 à 800 N/m et n varie de 4 à 24. La tension (\(V_{in}\)) est passée de 4 V à 10 V, la longueur du fil (\(l_{0 } \)) est passée de 40 à 100 mm, et l'angle de queue (\ (\alpha \)) a varié de \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Français Sur la fig. 6a montre un diagramme de tornade de divers coefficients de corrélation pour chaque paramètre avec les exigences de conception de la force d'entraînement de pointe. D'après la fig. 6a, on peut voir que le paramètre de tension (\(V_{in}\)) est directement lié à la force de sortie maximale, et le coefficient de transfert de chaleur convectif (\(h_T\)), l'angle de flamme (\ ( \alpha\)) , la constante du ressort de déplacement ( \(K_x\)) sont négativement corrélés à la force de sortie et la longueur initiale (\(l_0\)) du fil SMA, et le nombre de branches unimodales (n) montre une forte corrélation inverse Dans le cas d'une corrélation directe Dans le cas d'une valeur plus élevée du coefficient de corrélation de tension (\(V_ {in}\)) indique que ce paramètre a le plus grand effet sur la puissance de sortie. Une autre analyse similaire mesure la force de pointe en évaluant l'effet de différents paramètres dans différentes combinaisons des deux espaces de calcul, comme le montre la Fig. 6b, c. \(V_{in}\) et \(l_0\), \(\alpha\) et \(l_0\) présentent des profils similaires, et le graphique montre que \(V_{in}\) et \(\alpha\ ) et \(\alpha\) présentent des profils similaires. Des valeurs plus faibles de \(l_0\) entraînent des forces de pointe plus élevées. Les deux autres tracés sont cohérents avec la figure 6a, où n et \(K_x\) sont négativement corrélés et \(V_{in}\) sont positivement corrélés. Cette analyse permet de définir et d'ajuster les paramètres d'influence par lesquels la force de sortie, la course et l'efficacité du système d'entraînement peuvent être adaptées aux exigences et à l'application.
Les travaux de recherche actuels introduisent et étudient les entraînements hiérarchiques à N niveaux. Dans une hiérarchie à deux niveaux, comme illustré à la figure 7a, où chaque fil AMF de l'actionneur de premier niveau est remplacé par un agencement bimodal, comme illustré à la figure 9e. La figure 7c montre comment le fil AMF est enroulé autour d'un bras mobile (bras auxiliaire) qui se déplace uniquement dans le sens longitudinal. Cependant, le bras mobile principal continue de se déplacer de la même manière que celui de l'actionneur multi-étages de premier étage. Généralement, un entraînement à N niveaux est créé en remplaçant le fil AMF de \(N-1\) étages par un entraînement de premier étage. Ainsi, chaque branche imite l'entraînement de premier étage, à l'exception de celle qui porte le fil lui-même. De cette manière, des structures imbriquées peuvent être formées, créant des forces plusieurs fois supérieures à celles des entraînements principaux. Dans cette étude, pour chaque niveau, une longueur totale effective de fil AMF de 1 m a été prise en compte, comme le montre le tableau de la figure 7d. Le courant traversant chaque fil dans chaque conception unimodale ainsi que la précontrainte et la tension résultantes dans chaque segment de fil AMF sont identiques à chaque niveau. Selon notre modèle analytique, la force de sortie est positivement corrélée au niveau, tandis que le déplacement est négativement corrélé. Parallèlement, un compromis a été trouvé entre le déplacement et la force musculaire. Comme le montre la figure 7b, alors que la force maximale est atteinte dans le plus grand nombre de couches, le déplacement le plus important est observé dans la couche la plus basse. Lorsque le niveau hiérarchique a été fixé à \(N=5\), une force musculaire maximale de 2,58 kN a été trouvée avec 2 courses observées \(\upmu\)m. D'autre part, l'entraînement du premier étage génère une force de 150 N pour une course de 277 \(\upmu\)m. Les actionneurs multiniveaux sont capables d'imiter de véritables muscles biologiques, tandis que les muscles artificiels à base d'alliages à mémoire de forme sont capables de générer des forces nettement supérieures avec des mouvements plus précis et plus fins. Les limites de cette conception miniaturisée sont que, plus la hiérarchie augmente, plus le mouvement est réduit et plus le processus de fabrication des entraînements est complexe.
(a) Un système d'actionneur linéaire en alliage à mémoire de forme à deux étages (\(N=2\)) couches est présenté dans une configuration bimodale. Le modèle proposé est obtenu en remplaçant le fil SMA de l'actionneur multicouche du premier étage par un autre actionneur multicouche à un seul étage. (c) Configuration déformée de l'actionneur multicouche du deuxième étage. (b) La distribution des forces et des déplacements en fonction du nombre de niveaux est décrite. Il a été constaté que la force maximale de l'actionneur est positivement corrélée au niveau d'échelle sur le graphique, tandis que la course est négativement corrélée au niveau d'échelle. Le courant et la prétension dans chaque fil restent constants à tous les niveaux. (d) Le tableau indique le nombre de prises et la longueur du fil SMA (fibre) à chaque niveau. Les caractéristiques des fils sont indiquées par l'indice 1, et le nombre de branches secondaires (une connectée à la branche primaire) est indiqué par le plus grand nombre en indice. Par exemple, au niveau 5, \(n_1\) fait référence au nombre de fils SMA présents dans chaque structure bimodale, et \(n_5\) fait référence au nombre de branches auxiliaires (une connectée à la branche principale).
Français Diverses méthodes ont été proposées par de nombreux chercheurs pour modéliser le comportement des AMF à mémoire de forme, qui dépendent des propriétés thermomécaniques accompagnant les changements macroscopiques de la structure cristalline associés à la transition de phase. La formulation des méthodes constitutives est intrinsèquement complexe. Le modèle phénoménologique le plus couramment utilisé est proposé par Tanaka28 et est largement utilisé dans les applications d'ingénierie. Le modèle phénoménologique proposé par Tanaka [28] suppose que la fraction volumique de martensite est une fonction exponentielle de la température et de la contrainte. Plus tard, Liang et Rogers29 et Brinson30 ont proposé un modèle dans lequel la dynamique de transition de phase était supposée être une fonction cosinus de la tension et de la température, avec de légères modifications du modèle. Becker et Brinson ont proposé un modèle cinétique basé sur un diagramme de phase pour modéliser le comportement des matériaux AMF dans des conditions de charge arbitraires ainsi que des transitions partielles. Banerjee32 utilise la méthode de dynamique du diagramme de phase de Bekker et Brinson31 pour simuler un manipulateur à un seul degré de liberté développé par Elahinia et Ahmadian33. Les méthodes cinétiques basées sur les diagrammes de phase, qui prennent en compte la variation non monotone de la tension avec la température, sont difficiles à mettre en œuvre dans les applications d'ingénierie. Elakhinia et Ahmadian attirent l'attention sur ces lacunes des modèles phénoménologiques existants et proposent un modèle phénoménologique étendu pour analyser et définir le comportement de la mémoire de forme dans des conditions de charge complexes.
Le modèle structural du fil AMF donne la contrainte (\(\sigma\)), la déformation (\(\epsilon\)), la température (T) et la fraction volumique de martensite (\(\xi\)). Le modèle constitutif phénoménologique a été initialement proposé par Tanaka28, puis adopté par Liang29 et Brinson30. La dérivée de l'équation est de la forme suivante :
où E est le module de Young SMA dépendant de la phase obtenu en utilisant \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) et \(E_A\) et \(E_M\) représentant le module de Young sont des phases austénitiques et martensitiques, respectivement, et le coefficient de dilatation thermique est représenté par \(\theta _T\). Le facteur de contribution à la transition de phase est \(\Omega = -E \epsilon _L\) et \(\epsilon _L\) est la déformation maximale récupérable dans le fil SMA.
L'équation de dynamique de phase coïncide avec la fonction cosinus développée par Liang29 et adoptée plus tard par Brinson30 au lieu de la fonction exponentielle proposée par Tanaka28. Le modèle de transition de phase est une extension du modèle proposé par Elakhinia et Ahmadian34 et modifié sur la base des conditions de transition de phase données par Liang29 et Brinson30. Les conditions utilisées pour ce modèle de transition de phase sont valables sous des charges thermomécaniques complexes. À chaque instant, la valeur de la fraction volumique de martensite est calculée lors de la modélisation de l'équation constitutive.
L'équation de retransformation qui régit, exprimée par la transformation de la martensite en austénite dans des conditions de chauffage, est la suivante :
où \(\xi\) est la fraction volumique de martensite, \(\xi _M\) est la fraction volumique de martensite obtenue avant chauffage, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) et \(C_A\) – paramètres d'approximation de la courbe, T – température du fil SMA, \(A_s\) et \(A_f\) – début et fin de la phase austénite, respectivement, température.
L'équation de contrôle de la transformation directe, représentée par la transformation de phase de l'austénite en martensite dans des conditions de refroidissement, est :
où \(\xi _A\) est la fraction volumique de martensite obtenue avant refroidissement, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) et \ ( C_M \) – paramètres d'ajustement de courbe, T – température du fil SMA, \(M_s\) et \(M_f\) – températures initiale et finale de la martensite, respectivement.
Une fois les équations (3) et (4) différenciées, les équations de transformation inverse et directe sont simplifiées sous la forme suivante :
Lors des transformations directes et inverses, \(\eta _{\sigma}\) et \(\eta _{T}\) prennent des valeurs différentes. Les équations de base associées à \(\eta _{\sigma}\) et \(\eta _{T}\) ont été dérivées et détaillées dans une section supplémentaire.
L'énergie thermique nécessaire à l'élévation de température du fil SMA provient de l'effet Joule. L'énergie thermique absorbée ou libérée par le fil SMA est représentée par la chaleur latente de transformation. La perte de chaleur dans le fil SMA est due à la convection forcée, et compte tenu de l'effet négligeable du rayonnement, l'équation du bilan énergétique thermique est la suivante :
Où \(m_{wire}\) est la masse totale du fil SMA, \(c_{p}\) est la capacité thermique spécifique du SMA, \(V_{in}\) est la tension appliquée au fil, \(R_{ohm} \ ) – résistance SMA dépendante de la phase, définie comme; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) où \(r_M\ ) et \(r_A\) sont la résistivité de phase SMA dans la martensite et l'austénite, respectivement, \(A_{c}\) est la surface du fil SMA, \(\Delta H \) est un alliage à mémoire de forme. La chaleur latente de transition du fil, T et \(T_{\infty}\) sont les températures du fil SMA et de l'environnement, respectivement.
Lorsqu'un fil en alliage à mémoire de forme est actionné, il se comprime, créant une force dans chaque branche du dispositif bimodal, appelée force des fibres. Les forces des fibres de chaque brin du fil AMF créent ensemble la force musculaire nécessaire à l'actionnement, comme illustré à la figure 9e. Grâce à la présence d'un ressort de rappel, la force musculaire totale du n-ième actionneur multicouche est :
En substituant \(N = 1\) dans l'équation (7), la force musculaire du prototype d'entraînement bimodal de première étape peut être obtenue comme suit :
où n est le nombre de branches unimodales, \(F_m\) est la force musculaire générée par l'entraînement, \(F_f\) est la résistance des fibres dans le fil SMA, \(K_x\) est la rigidité de polarisation du ressort, \(\alpha\) est l'angle du triangle, \(x_0\) est le décalage initial du ressort de polarisation pour maintenir le câble SMA dans la position pré-tendue, et \(\Delta x\) est la course de l'actionneur.
Le déplacement total ou le mouvement du variateur (\(\Delta x\)) en fonction de la tension (\(\sigma\)) et de la contrainte (\(\epsilon\)) sur le fil SMA du Nième étage, le variateur est réglé sur (voir Fig. partie supplémentaire de la sortie) :
Les équations cinématiques donnent la relation entre la déformation d'entraînement (\(\epsilon\)) et le déplacement (\(\Delta x\)). La déformation du fil Arb en fonction de sa longueur initiale (\(l_0\)) et de sa longueur (l) à tout instant t dans une branche unimodale est la suivante :
où \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) est obtenu en appliquant la formule du cosinus dans \(\Delta\)ABB ', comme illustré à la Figure 8. Pour le premier étage d'entraînement (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) est \(\Delta x\), et \(\alpha _1\) est \(\alpha \) comme illustré à la Comme illustré à la Figure 8, en différenciant le temps de l'équation (11) et en remplaçant la valeur de l, le taux de déformation peut être écrit comme suit :
où \(l_0\) est la longueur initiale du fil SMA, l est la longueur du fil à tout instant t dans une branche unimodale, \(\epsilon\) est la déformation développée dans le fil SMA, et \(\alpha \) est l'angle du triangle , \(\Delta x\) est le décalage d'entraînement (comme indiqué dans la figure 8).
Toutes les n structures à pic unique (\(n=6\) dans cette figure) sont connectées en série avec \(V_{in}\) comme tension d'entrée. Étape I : Schéma du fil SMA dans une configuration bimodale dans des conditions de tension nulle Étape II : Une structure contrôlée est représentée où le fil SMA est comprimé en raison d'une conversion inverse, comme indiqué par la ligne rouge.
À titre de preuve de concept, un entraînement bimodal à base d'AMF a été développé afin de tester la dérivation simulée des équations sous-jacentes avec des résultats expérimentaux. Le modèle CAO de l'actionneur linéaire bimodal est présenté à la figure 9a. La figure 9c présente une nouvelle conception proposée pour une connexion prismatique rotative utilisant un actionneur à deux plans à base d'AMF avec une structure bimodale. Les composants de l'entraînement ont été fabriqués par fabrication additive sur une imprimante 3D Ultimaker 3 Extended. Le matériau utilisé pour l'impression 3D des composants est le polycarbonate, un matériau résistant à la chaleur car il est solide, durable et présente une température de transition vitreuse élevée (110-113 °C). De plus, un fil en alliage à mémoire de forme Flexinol de Dynalloy, Inc. a été utilisé dans les expériences, et les propriétés du matériau correspondant au fil Flexinol ont été utilisées dans les simulations. Plusieurs fils SMA sont disposés sous forme de fibres présentes dans un agencement bimodal de muscles pour obtenir les forces élevées produites par les actionneurs multicouches, comme illustré dans la Fig. 9b, d.
Comme illustré à la figure 9a, l'angle aigu formé par le fil SMA du bras mobile est appelé angle (\(\alpha\)). Grâce aux pinces de connexion fixées aux pinces gauche et droite, le fil SMA est maintenu à l'angle bimodal souhaité. Le ressort de polarisation, fixé sur le connecteur à ressort, permet d'ajuster les différents groupes d'extension du ressort de polarisation en fonction du nombre (n) de fibres SMA. De plus, l'emplacement des pièces mobiles est conçu pour exposer le fil SMA à l'environnement extérieur et assurer un refroidissement par convection forcée. Les plaques supérieure et inférieure de l'ensemble amovible contribuent au refroidissement du fil SMA grâce à des découpes extrudées conçues pour réduire son poids. De plus, les deux extrémités du fil CMA sont fixées respectivement aux bornes gauche et droite par sertissage. Un piston est fixé à une extrémité de l'ensemble mobile afin de maintenir un espace libre entre les plaques supérieure et inférieure. Ce piston permet également d'appliquer une force de blocage au capteur via un contact afin de mesurer cette force lors de l'actionnement du fil SMA.
La structure musculaire bimodale en AMF est connectée électriquement en série et alimentée par une tension d'entrée pulsée. Pendant le cycle d'impulsion de tension, lorsque la tension est appliquée et que le fil AMF est chauffé au-dessus de la température initiale de l'austénite, la longueur du fil dans chaque brin est raccourcie. Cette rétraction active le sous-ensemble du bras mobile. Lors de la remise à zéro de la tension au cours du même cycle, le fil AMF chauffé est refroidi en dessous de la température de surface de la martensite, revenant ainsi à sa position initiale. En conditions de contrainte nulle, le fil AMF est d'abord étiré passivement par un ressort de contrainte pour atteindre l'état martensitique démaclé. La vis, traversée par le fil AMF, se déplace sous l'effet de la compression créée par l'application d'une tension au fil AMF (l'AMF atteint la phase austénite), ce qui entraîne l'actionnement du levier mobile. Lorsque le fil AMF est rétracté, le ressort de contrainte crée une force opposée en étirant davantage le ressort. Lorsque la contrainte dans la tension d'impulsion devient nulle, le fil SMA s'allonge et change de forme en raison du refroidissement par convection forcée, atteignant une double phase martensitique.
Le système d'actionneur linéaire à base d'AMF proposé présente une configuration bimodale dans laquelle les fils AMF sont inclinés. (a) représente un modèle CAO du prototype, qui mentionne certains des composants et leur signification pour le prototype, (b, d) représentent le prototype expérimental développé35. Tandis que (b) montre une vue de dessus du prototype avec les connexions électriques, les ressorts de polarisation et les jauges de contrainte utilisés, (d) montre une vue en perspective de la configuration. (e) Schéma d'un système d'actionnement linéaire avec des fils AMF placés de manière bimodale à tout instant t, montrant la direction et le parcours de la fibre et la force musculaire. (c) Une connexion prismatique rotative à 2 degrés de liberté a été proposée pour déployer un actionneur à base d'AMF à deux plans. Comme illustré, la liaison transmet le mouvement linéaire de l'entraînement inférieur au bras supérieur, créant une connexion rotative. D'autre part, le mouvement de la paire de prismes est le même que celui de l'entraînement multicouche du premier étage.
Une étude expérimentale a été menée sur le prototype présenté à la figure 9b afin d'évaluer les performances d'un entraînement bimodal basé sur l'AMF. Comme illustré à la figure 10a, le dispositif expérimental comprenait une alimentation CC programmable pour alimenter les fils SMA en tension d'entrée. Comme illustré à la figure 10b, une jauge de contrainte piézoélectrique (PACEline CFT/5 kN) a été utilisée pour mesurer la force de blocage à l'aide d'un enregistreur de données Graphtec GL-2000. Les données sont enregistrées par l'hôte pour une étude ultérieure. Les jauges de contrainte et les amplificateurs de charge nécessitent une alimentation constante pour produire un signal de tension. Les signaux correspondants sont convertis en puissance de sortie en fonction de la sensibilité du capteur de force piézoélectrique et d'autres paramètres, comme décrit dans le tableau 2. Lorsqu'une impulsion de tension est appliquée, la température du fil SMA augmente, ce qui entraîne sa compression et, par conséquent, la génération de force par l'actionneur. Les résultats expérimentaux de la force musculaire produite par une impulsion de tension d'entrée de 7 V sont présentés à la figure 2a.
(a) Un système d'actionneur linéaire à base d'AMF a été mis en place lors de l'expérience pour mesurer la force générée par l'actionneur. La cellule de charge mesure la force de blocage et est alimentée par une alimentation CC de 24 V. Une chute de tension de 7 V a été appliquée sur toute la longueur du câble à l'aide d'une alimentation CC programmable GW Instek. Le fil SMA se rétracte sous l'effet de la chaleur, et le bras mobile entre en contact avec la cellule de charge et exerce une force de blocage. La cellule de charge est connectée à l'enregistreur de données GL-2000 et les données sont stockées sur l'hôte pour traitement ultérieur. (b) Schéma illustrant la chaîne des composants du dispositif expérimental de mesure de la force musculaire.
Les alliages à mémoire de forme sont excités par l'énergie thermique ; la température devient donc un paramètre important pour l'étude du phénomène de mémoire de forme. Expérimentalement, comme le montre la figure 11a, des mesures d'imagerie thermique et de température ont été réalisées sur un prototype d'actionneur divalérate à base d'AMF. Une source CC programmable appliquait une tension d'entrée aux fils SMA dans le dispositif expérimental, comme le montre la figure 11b. La variation de température du fil SMA a été mesurée en temps réel à l'aide d'une caméra LWIR haute résolution (FLIR A655sc). L'hôte utilise le logiciel ResearchIR pour enregistrer les données en vue d'un post-traitement ultérieur. Lorsqu'une impulsion de tension est appliquée, la température du fil SMA augmente, provoquant son rétrécissement. La figure 2b montre les résultats expérimentaux de la température du fil SMA en fonction du temps pour une impulsion de tension d'entrée de 7 V.
Date de publication : 28 septembre 2022
