Tankewol foar it besykjen fan Nature.com.De browserferzje dy't jo brûke hat beheinde CSS-stipe.Foar de bêste ûnderfining riede wy oan dat jo in bywurke browser brûke (of kompatibiliteitsmodus útskeakelje yn Internet Explorer).Yn 'e tuskentiid, om trochgeande stipe te garandearjen, sille wy de side werjaan sûnder stilen en JavaScript.
Aktuators wurde oeral brûkt en meitsje kontroleare beweging troch it tapassen fan de juste opwekkingskrêft as koppel om ferskate operaasjes út te fieren yn fabrikaazje en yndustriële automatisearring.De needsaak foar rappere, lytsere en effisjinter oandriuwen driuwt ynnovaasje yn oandriuwûntwerp.Shape Memory Alloy (SMA) driuwfearren biede in oantal foardielen boppe konvinsjonele driuwfearren, ynklusyf in hege macht-to-gewicht ratio.Yn dit proefskrift, in twa-feathered SMA-basearre actuator waard ûntwikkele dy't kombinearret de foardielen fan 'e fearren spieren fan biologyske systemen en de unike eigenskippen fan SMAs.Dizze stúdzje ûndersiket en wreidet eardere SMA-aktuators út troch in wiskundich model fan 'e nije actuator te ûntwikkeljen basearre op' e bimodale SMA-draadarrangement en it eksperiminteel te testen.Yn ferliking mei bekende driuwfearren basearre op SMA, de oandriuwing krêft fan de nije driuwfear is op syn minst 5 kear heger (oant 150 N).It oerienkommende gewichtsverlies is sawat 67%.De resultaten fan gefoelichheidsanalyse fan wiskundige modellen binne nuttich foar it ôfstimmen fan ûntwerpparameters en it begripen fan wichtige parameters.Dizze stúdzje presintearret fierder in multi-level Nth-poadium drive dy't kin wurde brûkt om dynamyk fierder te ferbetterjen.SMA-basearre dipvalerate spieren actuators hawwe in breed skala oan tapassings, fan bou automatisearring oan presys drug levering systemen.
Biologyske systemen, lykas de spierstruktuer fan sûchdieren, kinne in protte subtile actuators aktivearje1.Sûchdieren hawwe ferskillende spierstruktueren, elk tsjinnet in spesifyk doel.In protte fan 'e struktuer fan sûchdier spierweefsel kin lykwols wurde ferdield yn twa brede kategoryen.Parallel en pennate.Yn 'e hamstrings en oare flexors, sa't de namme al fermoeden docht, hat de parallelle musculature spierfezels parallel oan' e sintrale tendon.De keatling fan spierfezels is opsteld en funksjoneel ferbûn troch it bindeweefsel om har hinne.Hoewol't dizze spieren wurde sein te hawwen in grutte ekskurzje (persintaazje ferkoarting), harren totale spieren sterkte is tige beheind.Yn tsjinstelling, yn 'e triceps keal muscle2 (laterale gastrocnemius (GL) 3, mediale gastrocnemius (GM) 4 en soleus (SOL)) en extensor femoris (quadriceps) wurdt 5,6 pennate spierweefsel fûn yn elke muscle7.Yn in pinnate struktuer binne de spierfezels yn 'e bipennate musculature oanwêzich oan beide kanten fan' e sintrale tendon by skuorre hoeken (pinnate hoeken).Pennate komt fan it Latynske wurd "penna", dat betsjut "pen", en, lykas werjûn yn fig.1 hat in feather-like uterlik.De fezels fan 'e pennate spieren binne koarter en hoeke nei de longitudinale as fan' e spier.Troch de pinnate struktuer wurdt de totale mobiliteit fan dizze spieren fermindere, wat liedt ta de transversale en longitudinale komponinten fan it ferkoartingsproses.Oan 'e oare kant liedt aktivearring fan dizze spieren ta hegere totale spierkrêft troch de manier wêrop fysiologysk dwerstrochsneedgebiet wurdt mjitten.Dêrom, foar in opjûne dwerstrochsneed gebiet sil pennate spieren wêze sterker en sil generearje hegere krêften as spieren mei parallelle fezels.Krachten generearre troch yndividuele fezels generearje spierkrêften op in makroskopysk nivo yn dat spierweefsel.Derneist hat it sokke unike eigenskippen as snelle krimp, beskerming tsjin trekskea, cushioning.It transformeart de relaasje tusken fiberynput en spierkrêftútfier troch it brûken fan de unike skaaimerken en geometryske kompleksiteit fan 'e fiberarrangement ferbûn mei spierlinen fan aksje.
Oanjûn binne skematyske diagrammen fan besteande SMA-basearre actuator ûntwerpen yn relaasje ta in bimodal spieren arsjitektuer, bygelyks (in), fertsjintwurdiget de ynteraksje fan tactile krêft dêr't in hân-foarmige apparaat actuated troch SMA triedden wurdt fêstmakke op in twa-wheel autonome mobile robot9,10., (b) Robotic orbital prosthesis mei antagonistically pleatst SMA spring-loaded orbital prosthesis.De posysje fan de prosthetic each wurdt regele troch in sinjaal út de okulêre spier fan it each11, (c) SMA actuators binne ideaal foar underwater applikaasjes fanwege harren hege frekwinsje antwurd en lege bânbreedte.Yn dizze konfiguraasje wurde SMA-aktuators brûkt om golfbeweging te meitsjen troch de beweging fan fisk te simulearjen, (d) SMA-aktuators wurde brûkt om in mikro-pipe-ynspeksjerobot te meitsjen dy't it prinsipe fan inch-wjirmbeweging brûke kin, regele troch de beweging fan SMA-draden binnen kanaal 10, (e) toant de rjochting fan kontraktile spierfezels en it generearjen fan kontraktile krêft yn 'e SMA-fizels, pennate spier struktuer.
Aktuators binne in wichtich ûnderdiel wurden fan meganyske systemen fanwege har breed oanbod fan tapassingen.Dêrom wurdt de needsaak foar lytsere, rapper en effisjinter driuwfearren kritysk.Nettsjinsteande har foardielen hawwe tradisjonele driuwfearren bewiisd djoer en tiidslinend te ûnderhâlden.Hydraulic en pneumatyske actuators binne kompleks en djoer en binne ûnderwurpen oan wear, lubrication problemen en komponint falen.As antwurd op fraach is de fokus op it ûntwikkeljen fan kosten-effektive, maat-optimisearre en avansearre actuators basearre op tûke materialen.Oanhâldend ûndersyk wurdt sjoen nei foarm ûnthâld alloy (SMA) layered actuators om te foldwaan oan dizze need.Hierarchyske actuators binne unyk yn dat se in protte diskrete actuators kombinearje yn geometrysk komplekse makro-skaal subsystemen om ferhege en útwreide funksjonaliteit te leverjen.Yn dit ferbân leveret it hjirboppe beskreaune minsklike spierweefsel in poerbêste mearlagige foarbyld fan sa'n mearlagige oandriuwing.De hjoeddeiske stúdzje beskriuwt in multi-level SMA drive mei ferskate yndividuele oandriuwing eleminten (SMA triedden) ôfstimd op de fiber oriïntaasjes oanwêzich yn bimodale spieren, dy't ferbettert de totale drive prestaasjes.
It haaddoel fan in actuator is om meganyske krêftútfier te generearjen lykas krêft en ferpleatsing troch elektryske enerzjy te konvertearjen.Legeringen foar foarmûnthâld binne in klasse fan "tûke" materialen dy't har foarm by hege temperatueren kinne weromsette.Under hege loads liedt in ferheging fan 'e temperatuer fan' e SMA-draad ta foarmherstel, wat resulteart yn in hegere aktuaasje-enerzjystichtens yn ferliking mei ferskate direkt bondele smart materialen.Tagelyk, ûnder meganyske loads, wurde SMA's bros.Under bepaalde betingsten kin in syklyske lading meganyske enerzjy opnimme en loslitte, omkearbere hysteretyske foarmwizigingen te sjen.Dizze unike eigenskippen meitsje SMA ideaal foar sensoren, trillingsdemping en benammen actuators12.Mei dit yn gedachten is d'r in protte ûndersyk west nei SMA-basearre driuwfearren.It moat opmurken wurde dat SMA-basearre actuators binne ûntworpen om translaasje- en rotearjende beweging te leverjen foar in ferskaat oan applikaasjes13,14,15.Hoewol guon rotearjende actuators binne ûntwikkele, binne ûndersikers benammen ynteressearre yn lineêre actuators.Dizze lineêre actuators kinne wurde ferdield yn trije soarten actuators: iendiminsjonale, ferpleatse en differinsjaal actuators 16 .Yn it earstoan waarden hybride driuwfearren makke yn kombinaasje mei SMA en oare konvinsjonele driuwfearren.Ien sa'n foarbyld fan in SMA-basearre hybride lineêre actuator is it brûken fan in SMA-draad mei in DC-motor om in útfierkrêft fan sawat 100 N te leverjen en signifikante ferpleatsing17.
Ien fan 'e earste ûntjouwings yn driuwfearren folslein basearre op SMA wie de SMA parallelle driuwfear.Mei it brûken fan meardere SMA-draden is it SMA-basearre parallelle stasjon ûntworpen om de krêftmooglikheid fan it stasjon te fergrutsjen troch alle SMA18-draden parallel te pleatsen.Parallelle ferbining fan actuators fereasket net allinich mear krêft, mar beheint ek de útfierkrêft fan ien draad.In oar neidiel fan SMA-basearre actuators is de beheinde reis dy't se kinne berikke.Om dit probleem op te lossen, waard in SMA kabelbeam makke mei in ôfwikende fleksibele beam om ferpleatsing te fergrutsjen en lineêre beweging te berikken, mar genereare gjin hegere krêften19.Sêfte deformable struktueren en stoffen foar robots basearre op foarm ûnthâld alloys binne ûntwikkele benammen foar impact amplification20,21,22.Foar tapassingen wêr't hege snelheden nedich binne, binne kompakt oandreaune pompen rapportearre mei tinne film SMA's foar mikropompoandreaune applikaasjes23.De driuwfrekwinsje fan it tinne film SMA-membraan is in wichtige faktor by it kontrolearjen fan de snelheid fan 'e bestjoerder.Dêrom, SMA lineêre motors hawwe in bettere dynamyske reaksje as SMA spring of rod motors.Sêfte robotika en griptechnology binne twa oare applikaasjes dy't SMA-basearre actuators brûke.Bygelyks, te ferfangen de standert actuator brûkt yn de 25 N romte clamp, in foarm ûnthâld alloy parallel actuator 24 waard ûntwikkele.Yn in oar gefal waard in SMA sêfte actuator makke basearre op in tried mei in ynbêde matriks by steat fan in produsearje in maksimum pulling krêft pa 30 N. Troch harren meganyske eigenskippen, SMAs wurde ek brûkt om produsearje actuators dy't mimic biologyske ferskynsels.Ien sa'n ûntwikkeling omfettet in 12-selrobot dy't in biomimetika is fan in ierdworm-like organisme mei SMA om in sinusoïdale beweging te generearjen foar fjoer26,27.
Lykas earder neamd, is d'r in limyt foar de maksimale krêft dy't kin wurde krigen fan besteande SMA-basearre actuators.Om dit probleem oan te pakken, presintearret dizze stúdzje in biomimetyske bimodale spierstruktuer.Oandreaun troch foarm ûnthâld alloy tried.It leveret in klassifikaasjesysteem dat ferskate draden fan foarmûnthâldlegering omfettet.Oant no ta binne gjin SMA-basearre actuators mei in ferlykbere arsjitektuer rapportearre yn 'e literatuer.Dit unike en nije systeem basearre op SMA is ûntwikkele om it gedrach fan SMA te studearjen tidens bimodale spierôfstimming.Yn ferliking mei besteande SMA-basearre actuators wie it doel fan dizze stúdzje om in biomimetyske dipvalerate actuator te meitsjen om signifikant hegere krêften te generearjen yn in lyts folume.Yn ferliking mei konvinsjonele stepper motor oandreaune driuwfearren brûkt yn HVAC gebou automatisearring en kontrôle systemen, it foarstelde SMA-basearre bimodal drive design ferleget it gewicht fan de oandriuwing meganisme mei 67%.Yn it folgjende wurde de termen "spier" en "driuw" trochinoar brûkt.Dizze stúdzje ûndersiket de multifysika-simulaasje fan sa'n oandriuwing.It meganyske gedrach fan sokke systemen is studearre troch eksperimintele en analytyske metoaden.Krêft- en temperatuerferdielingen waarden fierder ûndersocht by in ynfierspanning fan 7 V. Ferfolgens waard in parametryske analyze útfierd om de relaasje tusken wichtige parameters en de útfierkrêft better te begripen.Uteinlik binne hiërargyske actuators foarsjoen en hiërargyske nivo-effekten binne foarsteld as in potinsjele takomstgebiet foar net-magnetyske actuators foar protheseapplikaasjes.Neffens de resultaten fan 'e neamde stúdzjes produsearret it brûken fan in ien-poadium arsjitektuer krêften op syn minst fjouwer oant fiif kear heger as rapportearre SMA-basearre actuators.Dêrneist is deselde driuwfear generearre troch in multi-level multi-level drive is oantoand mear as tsien kear dat fan konvinsjonele SMA-basearre driuwfearren.De stúdzje rapporteart dan wichtige parameters mei help fan gefoelichheidsanalyse tusken ferskate ûntwerpen en ynfierfariabelen.De earste lingte fan de SMA tried (\(l_0\)), de pinnate hoeke (\(\alpha\)) en it oantal inkele stringen (n) yn elke yndividuele strân hawwe in sterk negatyf effekt op de omfang fan de driuwende krêft.sterkte, wylst de ynfier spanning (enerzjy) bliken te wêzen posityf korrelearre.
SMA wire eksposearret de foarm ûnthâld effekt (SME) sjoen yn de nikkel-titanium (Ni-Ti) famylje fan alloys.Typysk fertoant SMA's twa temperatuerôfhinklike fazen: in faze mei lege temperatuer en in faze mei hege temperatuer.Beide fazen hawwe unike eigenskippen troch de oanwêzigens fan ferskate kristalstruktueren.Yn de austenite faze (hege temperatuer faze) besteande boppe de transformaasje temperatuer, it materiaal eksposearret hege sterkte en is min ferfoarme ûnder lading.De legearing gedraacht as roestfrij stiel, sadat it hegere oandriuwingsdrukken kin wjerstean.Profitearje fan dit eigendom fan Ni-Ti-legeringen, wurde de SMA-draden skuorre om in aktuator te foarmjen.Passende analytyske modellen wurde ûntwikkele om de fûnemintele meganika fan it thermyske gedrach fan SMA te begripen ûnder ynfloed fan ferskate parameters en ferskate geometryen.Goede oerienkomst waard krigen tusken de eksperimintele en analytyske resultaten.
In eksperimintele stúdzje waard útfierd op it prototype werjûn yn Fig.. 9a foar in evaluearje de prestaasjes fan in bimodale driuwfear basearre op SMA.Twa fan dizze eigenskippen, de krêft generearre troch de oandriuwing (spierkrêft) en de temperatuer fan 'e SMA-draad (SMA-temperatuer), waarden eksperiminteel mjitten.As de spanning ferskil tanimt lâns de hiele lingte fan 'e tried yn' e driuwfear, de temperatuer fan 'e tried nimt ta troch de Joule ferwaarming effekt.De ynfier spanning waard tapast yn twa 10-s cycles (werjûn as reade stippen yn Fig. 2a, b) mei in 15-s cooling perioade tusken eltse syklus.De blokkearjende krêft waard mjitten mei in piëzoelektryske strain gauge, en de temperatuerferdieling fan 'e SMA-draad waard yn realtime kontrolearre mei in wittenskiplike hege resolúsje LWIR-kamera (sjoch de skaaimerken fan' e apparatuer brûkt yn Tabel 2).lit sjen dat yn 'e heechspanningsfaze de temperatuer fan' e draad monotoanysk ferheget, mar as der gjin stroom streamt, bliuwt de temperatuer fan 'e draad falle.Yn 'e hjoeddeiske eksperimintele opset sakke de temperatuer fan' e SMA-draad yn 'e kuolfaze, mar it wie noch hieltyd boppe de omjouwingstemperatuer.Op fig.2e toant in momintopname fan 'e temperatuer op' e SMA-draad nommen fan 'e LWIR-kamera.Oan 'e oare kant, yn fig.2a toant de blokkearjende krêft generearre troch it oandriuwsysteem.Wannear't de spieren krêft grutter is as de werstelkrêft fan 'e maitiid, begjint de beweechbere earm, lykas werjûn yn figuer 9a, te bewegen.Sa gau as actuation begjint, de beweechbere earm komt yn kontakt mei de sensor, it meitsjen fan in lichem krêft, lykas werjûn yn fig.2c,d.As de maksimum temperatuer tichtby \(84\,^{\circ}\hbox {C}\ is), is de maksimale waarnommen krêft 105 N.
De grafyk toant de eksperimintele resultaten fan 'e temperatuer fan' e SMA-draad en de krêft generearre troch de SMA-basearre bimodale actuator tidens twa syklusen.De ynfier spanning wurdt tapast yn twa 10 sekonden syklusen (oanjûn as reade stippen) mei in 15 sekonden cool down perioade tusken eltse syklus.De SMA tried brûkt foar de eksperiminten wie in 0,51 mm diameter Flexinol tried út Dynalloy, Inc. snapshot nommen fan 'e SMA-draad mei de FLIR ResearchIR-software LWIR-kamera.De geometryske parameters dy't rekken holden binne yn 'e eksperiminten wurde jûn yn tabel.ien.
De simulaasjeresultaten fan it wiskundige model en de eksperimintele resultaten wurde fergelike ûnder de betingst fan in ynfierspanning fan 7V, lykas werjûn yn Fig.Neffens de resultaten fan parametryske analyze en om de mooglikheid fan oververhitting fan 'e SMA-draad te foarkommen, waard in krêft fan 11,2 W oan' e actuator levere.In programmabele DC-voeding waard brûkt om 7V te leverjen as de ynfierspanning, en in stroom fan 1.6A waard mjitten oer de draad.De krêft opwekt troch de oandriuwing en de temperatuer fan 'e SDR ferheegje as stroom wurdt tapast.Mei in ynfierspanning fan 7V is de maksimale útfierkrêft krigen fan 'e simulaasjeresultaten en eksperimintele resultaten fan' e earste syklus respektivelik 78 N en 96 N.Yn 'e twadde syklus wie de maksimale útfierkrêft fan' e simulaasje en eksperimintele resultaten respektivelik 150 N en 105 N.De diskrepânsje tusken mjittingen fan occlusion-krêft en eksperimintele gegevens kin wêze fanwege de metoade dy't brûkt wurdt om occlusion-krêft te mjitten.De eksperimintele resultaten werjûn yn fig.Fig.2s.Dêrom, doe't de oandriuwing skacht is net yn kontakt mei de krêft sensor oan it begjin fan de cooling sône, wurdt de krêft fuortendaliks nul, lykas werjûn yn figuer 2d.Derneist binne oare parameters dy't ynfloed hawwe op de formaasje fan krêft yn 'e folgjende syklusen binne de wearden fan' e koeltiid en de koeffizient fan konvektive waarmte oerdracht yn 'e foarige syklus.Fan fig.2b, kin sjoen wurde dat nei in 15 sekonden cooling perioade, de SMA tried net berikte keamertemperatuer en dêrom hie in hegere begjintemperatuer (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) yn de twadde driuwende syklus yn ferliking mei de earste syklus (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Sa, yn ferliking mei de earste syklus, de temperatuer fan de SMA tried yn de twadde ferwaarming syklus berikt de earste austenite temperatuer (\ (A_s \)) earder en bliuwt yn de oergong perioade langer, resultearret yn stress en krêft.Oan 'e oare kant hawwe temperatuerferdielingen tidens ferwaarmings- en koelingssyklusen krigen fan eksperiminten en simulaasjes in hege kwalitative oerienkomst mei foarbylden út termografyske analyze.Fergelykjende analyze fan SMA wire termyske gegevens út eksperiminten en simulaasjes toande gearhing ûnder ferwaarming en cooling syklusen en binnen akseptabel tolerânsjes foar eksperimintele gegevens.De maksimale temperatuer fan 'e SMA-draad, krigen út de resultaten fan simulaasje en eksperiminten fan' e earste syklus, is respektivelik \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) en \(75\,^{\circ }\hbox {C}\), en yn 'e twadde syklus is de maksimale temperatuer fan 'e SMA-draad \(94}\,\circ 3,\circ 3,\circ 3,\circ 3,\circ }\ hbox {C}\).It fûneminteel ûntwikkele model befêstiget it effekt fan it foarmûnthâldeffekt.De rol fan wurgens en oververhitting waard net beskôge yn dizze resinsje.Yn 'e takomst sil it model wurde ferbettere om de stressskiednis fan' e SMA-draad op te nimmen, wêrtroch it mear geskikt is foar technyske tapassingen.De stasjonsútfierkrêft en SMA-temperatuerplots krigen fan it Simulink-blok binne binnen de tastiene tolerânsjes fan 'e eksperimintele gegevens ûnder de betingst fan in ynfierspanningspuls fan 7 V. Dit befêstiget de krektens en betrouberens fan it ûntwikkele wiskundige model.
It wiskundige model waard ûntwikkele yn 'e MathWorks Simulink R2020b-omjouwing mei de basisfergelikingen beskreaun yn' e seksje Metoaden.Op fig.3b lit in blokdiagram fan it Simulink-wiskundige model sjen.It model waard simulearre foar in 7V input voltage puls lykas werjûn yn figuer 2a, b.De wearden fan 'e parameters dy't brûkt wurde yn' e simulaasje steane yn Tabel 1. De resultaten fan 'e simulaasje fan transiente prosessen wurde presintearre yn figueren 1 en 1. Figuren 3a en 4. Yn fig.4a, b toant de induced spanning yn de SMA tried en de krêft generearre troch de actuator as funksje fan tiid. Tidens omkearde transformaasje (ferwaarming), doe't de SMA wire temperatuer, \(T <A_s ^ {\ prime} \) (stress-feroare austenite faze start temperatuer), de snelheid fan feroaring fan martensite folume fraksje (\ (\ dot {\ xi }\)) sil wêze nul. Tidens omkearde transformaasje (ferwaarming), doe't de SMA wire temperatuer, \(T <A_s ^ {\ prime}\) (stress-feroare austenite faze start temperatuer), de snelheid fan feroaring fan martensite folume fraksje (\ (\ dot {\ xi }\)) sil wêze nul. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) ированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Tidens de omkearde transformaasje (ferwaarming), as de temperatuer fan 'e SMA-draad, \(T <A_s^{\prime}\) (stress-modifisearre austenite-begjintemperatuer), sil de snelheid fan feroaring fan' e martensite-folumfraksje (\(\dot{\xi}\)) nul wêze.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力忮正奥氼体禬正奥踩体禬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 При обратном превращении (naгреве) при температуре проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (температура зарождения й на напряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Tidens de omkearde transformaasje (ferwaarming) by de temperatuer fan 'e SMA-draad \(T <A_s^{\prime}\) (de temperatuer fan' e nukleaasje fan 'e austenite-faze, korrizjearre foar stress), sil de taryf fan feroaring yn' e folumefraksje fan martensite (\( \dot{\ xi }\)) gelyk wêze oan nul.Dêrom sil de snelheid fan spanningsferoaring (\(\dot{\sigma}\)) ôfhingje fan 'e strainfrekwinsje (\(\dot{\epsilon}\)) en de temperatuergradient (\(\dot{T} \)) allinich mei it brûken fan fergeliking (1).Lykwols, as de SMA tried nimt ta yn temperatuer en krúst (\(A_s ^ {\prime}\)), begjint de austenite faze te foarmjen, en (\(\dot {\xi}\)) wurdt nommen as de opjûne wearde fan 'e fergeliking (3).Dêrom wurdt de snelheid fan feroaring fan spanning (\(\dot{\sigma}\)) tegearre regele troch \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) en \(\dot{\xi}\) gelyk wêze oan jûn yn formule (1).Dit ferklearret de gradient feroarings waarnommen yn de tiid-fariearjende stress en krêft kaarten tidens de ferwaarming syklus, lykas werjûn yn figuer 4a, b.
(a) Simulaasjeresultaat dat temperatuerferdieling en stress-induzearre knooppunttemperatuer yn in SMA-basearre divalerate-aktuator sjen lit.Wannear't de tried temperatuer krúst de austenite oergong temperatuer yn de ferwaarming poadium, de wizige austenite oergong temperatuer begjint te ferheegjen, en likegoed, doe't de tried rod temperatuer krúst de martensitic oergong temperatuer yn de cooling poadium, de martensitic oergong temperatuer nimt ôf.SMA foar analytyske modellering fan it aktuaasjeproses.(Foar in detaillearre werjefte fan elk subsysteem fan in Simulink-model, sjoch de taheakke seksje fan it oanfoljende bestân.)
De resultaten fan 'e analyze foar ferskate parameterdistribúsjes wurde werjûn foar twa syklusen fan' e 7V ynfierspanning (10 sekonden opwaarmingssyklusen en 15 sekonden ôfkoelingssyklusen).Wylst (ac) en (e) de ferdieling oer de tiid ôfbyldzje, oan 'e oare kant yllustrearje (d) en (f) de ferdieling mei temperatuer.Foar de respektivelike ynfierbetingsten is de maksimale waarnommen spanning 106 MPa (minder dan 345 MPa, draadopbringststerkte), de krêft is 150 N, de maksimale ferpleatsing is 270 µm, en de minimale martensityske folumefraksje is 0,91.Oan 'e oare kant binne de feroaring yn stress en de feroaring yn' e folumefraksje fan martensite mei temperatuer fergelykber mei hysteresis skaaimerken.
Deselde ferklearring jildt foar de direkte transformaasje (kuolling) fan de austenite faze nei de martensite faze, dêr't de SMA tried temperatuer (T) en de ein temperatuer fan de stress-modifisearre martensite faze (\(M_f ^ {\ prime}\ )) is poerbêst.Op fig.4d,f toant de feroaring yn 'e feroarsake stress (\(\sigma\)) en de folumefraksje fan martensite (\(\xi\)) yn' e SMA-draad as funksje fan de feroaring yn temperatuer fan 'e SMA-draad (T), foar beide rydsyklusen.Op fig.Figure 3a toant de feroaring yn 'e temperatuer fan' e SMA tried mei tiid ôfhinklik fan de input voltage puls.Sa't kin sjoen wurde út de figuer, de temperatuer fan 'e tried bliuwt tanimme troch it jaan fan in waarmte boarne op nul spanning en folgjende convective cooling.Tidens ferwaarming begjint de retransformaasje fan martensite nei de austenite faze doe't de SMA wire temperatuer (T) krúst de stress-korrigearre austenite nucleation temperatuer (\(A_s ^ {\ prime}\)).Yn dizze faze wurdt de SMA-draad komprimearre en de actuator genereart krêft.Ek by it koeljen, as de temperatuer fan 'e SMA-draad (T) de nukleaasjetemperatuer fan' e stress-modifisearre martensitefaze (\(M_s^{\prime}\)) krúst, is der in positive oergong fan 'e austenite-faze nei de martensitefaze.de driuwkrêft nimt ôf.
De wichtichste kwalitative aspekten fan de bimodale driuwfear basearre op SMA kinne wurde krigen út de simulaasje resultaten.Yn it gefal fan in spanning puls input, de temperatuer fan de SMA tried ferheget fanwege de Joule ferwaarming effekt.De begjinwearde fan 'e martensite-volumintfraksje (\(\xi\)) is ynsteld op 1, om't it materiaal yn earste ynstânsje yn in folslein martensityske faze is.As de tried bliuwt te ferwaarmjen, de temperatuer fan de SMA tried grutter as de stress-korrigearre austenite nucleation temperatuer \ (A_s ^ {\ prime} \), resultearret yn in fermindering fan de martensite folume fraksje, lykas werjûn yn figuer 4c.Dêrneist, yn fig.4e toant de ferdieling fan strokes fan de actuator yn 'e tiid, en yn fig.5 - driuwende krêft as funksje fan tiid.In besibbe systeem fan fergelikingen omfiemet temperatuer, martensite folume fraksje, en stress dy't ûntwikkelet yn 'e tried, resultearret yn krimp fan de SMA tried en de krêft generearre troch de actuator.As werjûn yn fig.4d, f, spanningsfariaasje mei temperatuer en fariaasje fan martensite-volumefraksje mei temperatuer oerienkomme mei de hysteresis-kenmerken fan 'e SMA yn it simulearre gefal by 7 V.
Fergeliking fan driuwende parameters waard krigen troch eksperiminten en analytyske berekkeningen.De triedden waarden ûnderwurpen oan in pulsearre ynfierspanning fan 7 V foar 10 sekonden, dan ôfkuolle foar 15 sekonden (koelfase) oer twa syklusen.De pinnate hoeke is ynsteld op \ (40 ^ {\ circ} \) en de earste lingte fan de SMA tried yn eltse inkele pin skonk is ynsteld op 83mm.(a) It mjitten fan de driuwende krêft mei in load sel (b) Monitoring wire temperatuer mei in termyske ynfraread kamera.
Om de ynfloed fan fysike parameters te begripen op 'e krêft produsearre troch it stasjon, waard in analyze fan' e gefoelichheid fan it wiskundige model foar de selektearre fysike parameters útfierd, en de parameters waarden rangearre neffens har ynfloed.Earst waard de sampling fan modelparameters dien mei eksperimintele ûntwerpprinsipes dy't folge in unifoarme ferdieling (sjoch Oanfoljende seksje oer gefoelichheidsanalyse).Yn dit gefal omfetsje de modelparameters ynfierspanning (\(V_{in}\)), initial SMA-draadlengte (\(l_0\)), trijehoekshoek (\(\alpha\)), bias-springkonstante (\(K_x\)), de konvektive waarmteferfierkoëffisjint (\(h_T\)) en it oantal unimodale tûken (n).Yn 'e folgjende stap waard peak-muskelkrêft keazen as eask foar stúdzjeûntwerp en de parametryske effekten fan elke set fan fariabelen op sterkte waarden krigen.De tornado-plots foar de gefoelichheidsanalyse waarden ôflaat fan 'e korrelaasjekoeffisienten foar elke parameter, lykas werjûn yn Fig. 6a.
(a) De wearden fan 'e korrelaasjekoëffisjint fan' e modelparameters en har effekt op 'e maksimale útfierkrêft fan 2500 unike groepen fan' e boppesteande modelparameters wurde werjûn yn 'e tornadoplot.De grafyk toant de rangkorrelaasje fan ferskate yndikatoaren.It is dúdlik dat \(V_{in}\) de ienige parameter is mei in positive korrelaasje, en \(l_0\) de parameter is mei de heechste negative korrelaasje.It effekt fan ferskate parameters yn ferskate kombinaasjes op peak spierkrêft wurdt werjûn yn (b, c).\ (K_x \) farieart fan 400 oant 800 n / m en n renes fan 4 oant 24. 00 (\)) feroare fan 40 oant 100 mm, en de sturthoeke (\ (/ alfa \)) ferskille fan \ (20 - 60 \, ^ {\ COV} \ "
Op fig.6a toant in tornado-plot fan ferskate korrelaasjekoeffisienten foar elke parameter mei peak drive force design easken.Fan fig.6a kin sjoen wurde dat de spanningsparameter (\(V_{in}\)) direkt relatearre is oan de maksimale útfierkrêft, en de konvektive waarmte-oerdrachtskoëffisjint (\(h_T\)), flammehoek (\ (\alpha\)), ferpleatsingsfjirdekonstante (\(K_x\)) is negatyf korrelearre mei de útfierkrêft fan 'e útgongskrêft (l_MA) en de earste lingte fan' e draad (un) imoes (l_0) n) lit in sterke omkearde korrelaasje sjen Yn it gefal fan direkte korrelaasje Yn it gefal fan in hegere wearde fan 'e spanningskorrelaasjekoëffisjint (\(V_ {in}\)) jout oan dat dizze parameter it grutste effekt hat op 'e machtútfier.In oare ferlykbere analyze mjit de pykkrêft troch it evaluearjen fan it effekt fan ferskate parameters yn ferskate kombinaasjes fan 'e twa komputaasjeromten, lykas werjûn yn figuer 6b, c.\(V_{in}\) en \(l_0\), \(\alpha\) en \(l_0\) hawwe ferlykbere patroanen, en de grafyk lit sjen dat \(V_{in}\) en \(\alpha\) en \(\alpha\) ferlykbere patroanen hawwe.Lytsere wearden fan \(l_0\) resultearje yn hegere pykkrêften.De oare twa plots binne yn oerienstimming mei figuer 6a, wêrby't n en \(K_x\) negatyf korrelearre binne en \(V_{in}\) posityf korrelearre binne.Dizze analyze helpt om de beynfloedzjende parameters te definiearjen en oan te passen wêrmei't de útfierkrêft, slag en effisjinsje fan it oandriuwsysteem kinne wurde oanpast oan 'e easken en tapassing.
Aktueel ûndersykswurk yntrodusearret en ûndersiket hiërargyske driuwfearren mei N-nivo's.Yn in twa-nivo hiërargy, lykas werjûn yn figuer 7a, dêr't ynstee fan eltse SMA tried fan de earste nivo actuator, in bimodal regeling berikt, lykas werjûn yn fig.9e.Op fig.7c lit sjen hoe't de SMA tried wurdt wûn om in beweechbere earm (auxiliary earm) dy't allinnich beweecht yn de longitudinale rjochting.De primêre beweechbere earm bliuwt lykwols op deselde manier bewege as de beweechbere earm fan 'e 1e etappe multi-stage actuator.Typysk, in N-poadium drive wurdt makke troch it ferfangen fan de \(N-1\) stage SMA tried mei in earste-etappe drive.As gefolch, elke tûke imitearret de earste etappe drive, mei útsûndering fan 'e tûke dy't hâldt de tried sels.Op dizze manier kinne nestele struktueren wurde foarme dy't krêften meitsje dy't ferskate kearen grutter binne as de krêften fan 'e primêre driuwfearren.Yn dizze stúdzje, foar elk nivo waard rekken holden mei in totale effektive SMA wire lingte fan 1 m, lykas werjûn yn tabelfoarm yn figuer 7d.De stroom troch elke draad yn elke unimodale ûntwerp en de resultearjende foarspanning en spanning yn elke SMA-draadsegment binne itselde op elk nivo.Neffens ús analytysk model is de útfierkrêft posityf korrelearre mei it nivo, wylst de ferpleatsing negatyf korrelearre is.Tagelyk wie der in ôfwikseling tusken ferpleatsing en spierkrêft.As sjoen yn fig.7b, wylst de maksimale krêft wurdt berikt yn it grutste oantal lagen, de grutste ferpleatsing wurdt waarnommen yn de leechste laach.Doe't it hiërargynivo ynsteld waard op \(N=5\), waard in peak spierkrêft fan 2,58 kN fûn mei 2 waarnommen stroke \(\upmu\)m.Oan 'e oare kant genereart de earste etappe-drive in krêft fan 150 N by in slach fan 277 \(\upmu\)m.Multi-level actuators binne by steat om te imitearjen echte biologyske spieren, dêr't keunstmjittige spieren basearre op foarm ûnthâld alloys kinne generearje signifikant hegere krêften mei sekuere en fynere bewegingen.De beheiningen fan dit miniaturisearre ûntwerp binne dat as de hiërargy tanimt, de beweging gâns fermindere wurdt en de kompleksiteit fan it oandriuwfabrykproses nimt ta.
(a) In twa-poadium (\(N = 2\)) layered foarm ûnthâld alloy lineêre actuator systeem wurdt werjûn yn in bimodale konfiguraasje.It foarstelde model wurdt berikt troch it ferfangen fan de SMA tried yn de earste etappe layered actuator mei in oare single-poadium layered actuator.(c) Misfoarme konfiguraasje fan de twadde etappe multilayer actuator.(b) De ferdieling fan krêften en ferpleatsing ôfhinklik fan it oantal nivo's wurdt beskreaun.It is fûn dat de pykkrêft fan 'e actuator posityf korrelearre is mei it skaalnivo op' e grafyk, wylst de beroerte negatyf korrelearre is mei it skaalnivo.De hjoeddeistige en foarspanning yn elke draad bliuwe konstant op alle nivo's.(d) De tabel toant it oantal kranen en de lingte fan de SMA tried (fiber) op elk nivo.De skaaimerken fan 'e triedden wurde oanjûn troch yndeks 1, en it oantal sekundêre tûken (ien ferbûn oan' e primêre skonk) wurdt oanjûn troch it grutste nûmer yn 'e subskript.Bygelyks, op it nivo 5 ferwiist \(n_1\) nei it oantal SMA triedden oanwêzich yn elke bimodale struktuer, en \(n_5\) ferwiist nei it oantal auxiliary skonken (ien ferbûn mei de wichtichste skonk).
Ferskate metoaden binne foarsteld troch in protte ûndersikers foar in model fan it gedrach fan SMAs mei foarm ûnthâld, dy't ôfhinklik binne fan de thermomechanical eigenskippen begeliede de makroskopyske feroarings yn de kristal struktuer ferbûn mei de faze oergong.De formulearring fan konstitutive metoaden is ynherent kompleks.It meast brûkte fenomenologyske model wurdt foarsteld troch Tanaka28 en wurdt in protte brûkt yn technyske tapassingen.It fenomenologyske model foarsteld troch Tanaka [28] giet derfan út dat de folumefraksje fan martensite in eksponinsjele funksje is fan temperatuer en stress.Letter, Liang en Rogers29 en Brinson30 foarstelden in model wêryn de faze oergong dynamyk waard oannommen te wêzen in cosinus funksje fan spanning en temperatuer, mei lichte oanpassings oan it model.Becker en Brinson stelden in kinetysk model op basis fan fazediagram foar om it gedrach fan SMA-materialen te modellearjen ûnder willekeurige laden betingsten en ek parsjele transysjes.Banerjee32 brûkt de Bekker en Brinson31 fazediagramdynamykmetoade om in inkele frijheidsmanipulator te simulearjen ûntwikkele troch Elahinia en Ahmadian33.Kinetyske metoaden basearre op fazediagrammen, dy't rekken hâlde mei de net-monotone feroaring yn spanning mei temperatuer, binne lestich te ymplementearjen yn technyske tapassingen.Elakhinia en Ahmadian tekenje omtinken foar dizze tekoarten fan besteande fenomenologyske modellen en stelle in útwreide fenomenologysk model foar om it gedrach fan foarmûnthâld te analysearjen en te definiearjen ûnder alle komplekse laden betingsten.
De strukturele model fan SMA wire jout stress (\(\sigma\)), strain (\(\epsilon\)), temperatuer (T), en martensite folume fraksje (\(\xi\)) fan SMA wire.It fenomenologyske konstitutyf model waard earst foarsteld troch Tanaka28 en letter oannommen troch Liang29 en Brinson30.De derivative fan 'e fergeliking hat de foarm:
dêr't E is de faze ôfhinklike SMA Young syn modulus krigen mei \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi)E_A\) en \(E_A\) en \(E_M\) dy't Young's modulus fertsjintwurdigje, binne respektivelik austenityske en martensityske fazen, en de koëffisjint fan termyske útwreiding wurdt fertsjintwurdige troch _(\).De faze oergong bydrage faktor is \ (\ Omega = -E \ epsilon _L \) en \ (\ epsilon _L \) is de maksimale herstelbere strain yn de SMA tried.
De fazedynamykfergeliking komt oerien mei de cosinusfunksje ûntwikkele troch Liang29 en letter oannommen troch Brinson30 ynstee fan de eksponinsjele funksje foarsteld troch Tanaka28.It faze-oergongsmodel is in útwreiding fan it model foarsteld troch Elakhinia en Ahmadian34 en feroare basearre op de faze-oergongsbetingsten jûn troch Liang29 en Brinson30.De betingsten brûkt foar dit faze-oergongsmodel binne jildich ûnder komplekse thermomechanyske lesten.Op elk momint fan 'e tiid wurdt de wearde fan' e folumefraksje fan martensyt berekkene by it modellerjen fan 'e konstitutive fergeliking.
De regearjende fergeliking foar retransformaasje, útdrukt troch de transformaasje fan martensite nei austenite ûnder ferwaarmingsbetingsten, is as folget:
dêr't \(\xi\) de folumefraksje fan martensyt is, \(\xi _M\) de folumefraksje fan martensyt is krigen foar ferwaarming, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ (\displaystyle b_A = -a_A/C_A\) en \(C_A\) – wire curve approximation, \_(A) - begjin en ein fan 'e austenite faze, respektivelik, temperatuer.
De direkte transformaasjekontrôlefergeliking, fertsjintwurdige troch de fazetransformaasje fan austenite nei martensite ûnder koelingsomstannichheden, is:
dêr't \(\xi _A\) de folumefraksje fan martensite is krigen foar koeling, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s - M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) en \ (C_M \) - kromme-oanpassingsparameters, T - SMA-draadtemperatuer, \(M_s\) resp.
Nei't fergelikingen (3) en (4) differinsjearre binne, wurde de omkearde en direkte transformaasjefergelikingen ferienfâldige ta de folgjende foarm:
Tidens foarút en efterút transformaasje nimme \(\eta _{\sigma}\) en \(\eta _{T}\) ferskillende wearden.De basisfergelikingen ferbûn mei \(\eta _{\sigma}\) en \(\eta _{T}\) binne ôflaat en yn detail besprutsen yn in ekstra paragraaf.
De termyske enerzjy dy't nedich is om de temperatuer fan 'e SMA-draad te ferheegjen komt fan it Joule-ferwaarmingseffekt.De termyske enerzjy opnomd of frijlitten troch de SMA-draad wurdt fertsjintwurdige troch de latinte waarmte fan transformaasje.It waarmteferlies yn 'e SMA-draad is te tankjen oan twongen konveksje, en sjoen it ferwaarleaze effekt fan strieling, is de fergeliking foar waarmte-enerzjybalâns as folget:
Wêr \(m_{wire}\) is de totale massa fan de SMA tried, \(c_{p}\) is de spesifike waarmte kapasiteit fan de SMA, \(V_{in}\) is de spanning tapast oan de tried, \(R_{ohm} \) - faze-ôfhinklike wjerstân SMA, definiearre as;\(R_{ohm} = (l/A_{krús})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) wêrby't \(r_M\) en \(r_A\) de SMA-faseresistiviteit binne yn respektivelik martensyt en austenyt, \(A_{c}\) is it oerflakfoarm fan 'e \D-ûnthâld fan 'e SMA.De latinte waarmte fan oergong fan de tried, T en \(T_{\infty}\) binne respektivelik de temperatueren fan de SMA tried en it miljeu.
Wannear't in foarm ûnthâld alloy tried wurdt actuated, de tried compresses, it meitsjen fan in krêft yn elke tûke fan de bimodale ûntwerp neamd fiber krêft.De krêften fan 'e fezels yn elke strân fan' e SMA-draad meitsje tegearre de spierkrêft om te aktivearjen, lykas werjûn yn figuer 9e.Fanwege de oanwêzigens fan in foaroardielende maitiid is de totale spierkrêft fan 'e Nth multilayer actuator:
Troch \(N = 1\) te ferfangen yn fergeliking (7), kin de spierkrêft fan it prototype fan 'e earste faze bimodale oandriuwing as folget wurde krigen:
dêr't n it oantal unimodale skonken is, \(F_m\) de spierkrêft generearre troch de oandriuwing, \(F_f\) de fibersterkte yn 'e SMA-draad is, \(K_x\) de biasstivens.spring, \(\alpha\) is de hoeke fan 'e trijehoek, \(x_0\) is de inisjele offset fan' e bias maitiid te hâlden de SMA kabel yn 'e pre-tensioned posysje, en \(\Delta x\) is de actuator reis.
De totale ferpleatsing of beweging fan it stasjon (\(\Delta x\)) ôfhinklik fan de spanning (\(\sigma\)) en strain (\(\epsilon\)) op 'e SMA-draad fan' e N-poadium, it stasjon is ynsteld op (sjoch Fig. ekstra diel fan 'e útfier):
De kinematyske fergelikingen jouwe de relaasje tusken oandriuwdeformaasje (\(\epsilon\)) en ferpleatsing of ferpleatsing (\(\Delta x\)).De deformaasje fan 'e Arb-draad as funksje fan' e earste Arb-draadlange (\(l_0\)) en de draadlingte (l) op elk momint t yn ien unimodale tûke is as folget:
dêr't \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) wurdt krigen troch it tapassen fan de cosinusformule yn \(\Delta\)ABB ', lykas werjûn yn figuer 8. Foar de earste etappe drive (\)\elta (\)(N = a)\elta (\)(N = a) x),\elta (\)(N =) en \(\alpha _1\) is \(\alpha \) lykas werjûn yn Lykas werjûn yn figuer 8, troch de tiid te ûnderskieden fan fergeliking (11) en it ferfangen fan de wearde fan l, kin de strain rate skreaun wurde as:
dêr't \(l_0\) de earste lingte fan 'e SMA-draad is, l is de lingte fan' e draad op elk momint t yn ien unimodale tûke, \(\epsilon\) is de deformaasje ûntwikkele yn 'e SMA-draad, en \(\alpha \) is de hoeke fan 'e trijehoek, \(\Delta x\) is de offset fan 'e oandriuwing (lykas werjûn yn figuer 8).
Alle n single-peak struktueren (\(n=6\) yn dizze figuer) binne yn searje ferbûn mei \(V_{in}\) as de ynfierspanning.Stage I: Skematyske diagram fan de SMA tried yn in bimodale konfiguraasje ûnder nul voltage betingsten Stage II: In kontrolearre struktuer wurdt werjûn dêr't de SMA tried wurdt komprimearre fanwege inverse bekearing, lykas werjûn troch de reade line.
As bewiis fan konsept waard in SMA-basearre bimodale oandriuwing ûntwikkele om de simulearre ôflieding fan 'e ûnderlizzende fergelikingen te testen mei eksperimintele resultaten.It CAD-model fan 'e bimodale lineêre actuator wurdt werjûn yn fig.9a.Oan 'e oare kant, yn fig.9c toant in nij ûntwerp foarsteld foar in rotational prismatic ferbining mei help fan in twa-plane SMA-basearre actuator mei in bimodale struktuer.De oandriuwkomponinten waarden makke mei help fan additive fabrikaazje op in Ultimaker 3 Extended 3D-printer.It materiaal dat brûkt wurdt foar 3D-printsjen fan komponinten is polycarbonaat dat geskikt is foar waarmtebestindige materialen, om't it sterk, duorsum is en in hege glêstransysjetemperatuer hat (110-113 \(^{\circ }\) C).Dêrneist Dynalloy, Inc.. Flexinol foarm ûnthâld alloy tried waard brûkt yn de eksperiminten, en it materiaal eigenskippen oerienkommende mei de Flexinol tried waarden brûkt yn de simulaasjes.Meardere SMA triedden wurde regele as fezels oanwêzich yn in bimodale regeling fan spieren te krijen de hege krêften produsearre troch multilayer actuators, lykas werjûn yn figuer 9b, d.
Lykas werjûn yn figuer 9a, hjit de skerpe hoeke foarme troch de beweechbere earm SMA tried de hoeke (\ (\ alpha \)).Mei terminal clamps hechte oan de linker en rjochter clamps, de SMA tried wurdt holden op de winske bimodal hoeke.De bias spring apparaat holden op 'e maitiid Connector is ûntwurpen foar in oanpasse de ferskillende bias spring extension groepen neffens it oantal (n) fan SMA fezels.Dêrneist is de lokaasje fan 'e bewegende dielen ûntwurpen sadat de SMA tried wurdt bleatsteld oan de eksterne omjouwing foar twongen convection cooling.De boppe- en ûnderste platen fan 'e útnimbere gearstalling helpt om de SMA-draad koel te hâlden mei extrudeare útsnijingen ûntwurpen om gewicht te ferminderjen.Derneist binne beide úteinen fan 'e CMA-draad oan' e lofter en rjochter terminals befestige, respektivelik, troch middel fan in krimp.In plunger is hechte oan ien ein fan 'e beweechbere gearstalling te behâlden klaring tusken de boppeste en ûnderste platen.De plunger wurdt ek brûkt om in blokkearjende krêft oan te passen oan 'e sensor fia in kontakt om de blokkearjende krêft te mjitten as de SMA-draad wurdt aktivearre.
De bimodale spierstruktuer SMA is elektrysk ferbûn yn searje en oandreaun troch in ynfier puls voltage.Tidens de spanning puls syklus, doe't spanning wurdt tapast en de SMA tried wurdt ferwaarme boppe de earste temperatuer fan de austenite, de lingte fan de tried yn eltse strân wurdt ynkoarte.Dit weromlûken aktivearret de beweechbere earm subassembly.Doe't de spanning waard nulearre yn deselde syklus, de ferwaarme SMA tried waard kuolle ûnder de temperatuer fan de martensite oerflak, dêrmei werom nei syn oarspronklike posysje.Under nul-stress-betingsten wurdt de SMA-draad earst passyf spand troch in biasspring om de ûntwinne martensityske steat te berikken.De skroef, dêr't de SMA-draad troch giet, beweecht troch de kompresje dy't ûntstien is troch it oanbringen fan in spanningspuls op 'e SMA-draad (SPA berikt de austenite faze), dy't liedt ta it aktivearjen fan' e beweechbere lever.Wannear't de SMA tried wurdt ynlutsen, de bias maitiid skept in tsjinoerstelde krêft troch fierder stretching de maitiid.Wannear't de spanning yn 'e ympulsspanning nul wurdt, wurdt de SMA-draad langer en feroaret har foarm troch twongen konveksjekoeling, en berikt in dûbele martensityske faze.
De foarstelde SMA-basearre lineêre actuator systeem hat in bimodale konfiguraasje wêryn de SMA triedden binne angled.(a) toant in CAD-model fan it prototype, dat guon fan 'e komponinten en har betsjuttingen foar it prototype neamt, (b, d) fertsjintwurdigje it ûntwikkele eksperimintele prototype35.Wylst (b) toant in top werjefte fan it prototype mei elektryske ferbinings en bias springs en strain gauges brûkt, (d) toant in perspektyf werjefte fan de opset.(e) Diagram fan in lineêre actuation systeem mei SMA triedden pleatst bimodally op elts momint t, showing de rjochting en rin fan de fiber en spieren krêft.(c) In 2-DOF rotational prismatic ferbining is foarsteld foar it ynsetten fan in twa-plane SMA-basearre actuator.Lykas werjûn, stjoert de keppeling lineêre beweging fan 'e ûnderste driuwfear nei de boppeste earm, wêrtroch in rotaasjeferbining ûntstiet.Oan 'e oare kant is de beweging fan it pear prisma's itselde as de beweging fan' e multilayer earste etappe drive.
In eksperimintele stúdzje waard útfierd op it prototype werjûn yn Fig.. 9b foar in evaluearje de prestaasjes fan in bimodal drive basearre op SMA.Lykas werjûn yn figuer 10a, bestie de eksperimintele opset út in programmabele DC Netzteil te leverjen ynfier spanning oan de SMA triedden.As werjûn yn fig.10b, in piezoelectric strain gauge (PACEline CFT / 5kN) waard brûkt om te mjitten de blokkearjende krêft mei help fan in Graphtec GL-2000 datalogger.De gegevens wurde opnommen troch de host foar fierdere stúdzje.Strain gauges en lading fersterkers fereaskje in konstante macht oanbod te produsearje in spanning sinjaal.De oerienkommende sinjalen wurde omboud ta macht útgongen neffens de gefoelichheid fan de piëzo-elektryske krêft sensor en oare parameters lykas beskreaun yn Tabel 2. As in spanning puls wurdt tapast, de temperatuer fan de SMA tried ferheget, wêrtroch't de SMA tried te compress, dat feroarsaket de actuator te generearjen krêft.De eksperimintele resultaten fan 'e útfier fan spierkrêft troch in ynfierspanningspuls fan 7 V wurde werjûn yn fig.2a.
(a) In SMA-basearre lineêre actuator systeem waard ynsteld yn it eksperimint te mjitten de krêft generearre troch de actuator.De loadsel mjit de blokkearjende krêft en wurdt oandreaun troch in 24 V DC-voeding.In spanningsdrip fan 7 V waard tapast oer de heule lingte fan 'e kabel mei in GW Instek programmeerbere DC-voeding.De SMA-draad krimpt troch waarmte, en de beweechbere earm komt yn kontakt mei de loadsel en oefenet in blokkearjende krêft út.De loadsel is ferbûn mei de GL-2000 datalogger en de gegevens wurde opslein op 'e host foar fierdere ferwurking.(b) Diagram dat de keatling fan komponinten fan 'e eksperimintele opset sjen lit foar it mjitten fan spierkrêft.
Legeringen foar foarmûnthâld wurde optein troch termyske enerzjy, sadat temperatuer in wichtige parameter wurdt foar it bestudearjen fan it ferskynsel fan foarmûnthâld.Eksperiminteel, lykas werjûn yn figuer 11a, termyske imaging en temperatuer mjittingen waarden útfierd op in prototype SMA-basearre divalerate actuator.In programmeerbere DC boarne tapast ynfier spanning oan de SMA triedden yn de eksperimintele opset, lykas werjûn yn figuer 11b.De temperatuerferoaring fan 'e SMA-draad waard yn realtime metten mei in hege resolúsje LWIR-kamera (FLIR A655sc).De host brûkt de ResearchIR-software om gegevens op te nimmen foar fierdere postferwurking.As in spanningspuls wurdt tapast, nimt de temperatuer fan 'e SMA-draad ta, wêrtroch't de SMA-draad krimpt.Op fig.Figure 2b toant de eksperimintele resultaten fan de SMA wire temperatuer tsjin tiid foar in 7V input voltage puls.