Tankewol foar jo besite oan Nature.com. De browserferzje dy't jo brûke hat beheinde CSS-stipe. Foar de bêste ûnderfining riede wy jo oan om in bywurke browser te brûken (of kompatibiliteitsmodus yn Internet Explorer út te skeakeljen). Yn 'e tuskentiid, om trochgeande stipe te garandearjen, sille wy de side sûnder stilen en JavaScript werjaan.
Aktuators wurde oeral brûkt en meitsje kontroleare beweging troch de juste eksitaasjekrêft of koppel ta te passen om ferskate operaasjes út te fieren yn produksje en yndustriële automatisearring. De needsaak foar rapper, lytsere en effisjintere oandriuwingen driuwt ynnovaasje yn oandriuwûntwerp. Shape Memory Alloy (SMA) oandriuwingen biede in oantal foardielen boppe konvinsjonele oandriuwingen, ynklusyf in hege krêft-gewichtferhâlding. Yn dizze dissertaasje waard in twa-fearrige SMA-basearre aktuator ûntwikkele dy't de foardielen fan 'e fearige spieren fan biologyske systemen en de unike eigenskippen fan SMA's kombinearret. Dizze stúdzje ûndersiket en wreidet eardere SMA-aktuators út troch in wiskundich model fan 'e nije aktuator te ûntwikkeljen basearre op' e bimodale SMA-triedarranzjemint en it eksperiminteel te testen. Yn ferliking mei bekende oandriuwingen basearre op SMA is de oandriuwingskrêft fan 'e nije oandriuwing teminsten 5 kear heger (oant 150 N). It oerienkommende gewichtsferlies 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 N-de stadium oandriuwing dy't brûkt wurde kin om de dynamyk fierder te ferbetterjen. SMA-basearre dipvalerate spieraktuators hawwe in breed skala oan tapassingen, fan gebouautomatisearring oant presyzje-medisynleveringssystemen.
Biologyske systemen, lykas de spierstrukturen fan sûchdieren, kinne in protte subtile aktuators aktivearje1. Sûchdieren hawwe ferskillende spierstrukturen, dy't elk in spesifyk doel tsjinje. In grut part fan 'e struktuer fan sûchdierspierweefsel kin lykwols wurde ferdield yn twa brede kategoryen. Parallel en pennate. Yn 'e hamstrings en oare fleksors, lykas de namme al seit, hat de parallelle muskulatuer spiervezels parallel oan 'e sintrale pees. De keatling fan spiervezels is opsteld en funksjoneel ferbûn troch it bindweefsel deromhinne. Hoewol dizze spieren in grutte ekskurzje hawwe (persintaazjeferkoarting), is har totale spierkrêft tige beheind. Yn tsjinstelling, yn 'e triceps kealspier2 (laterale gastrocnemius (GL)3, mediale gastrocnemius (GM)4 en soleus (SOL)) en extensor femoris (quadriceps)5,6 wurdt pennate spierweefsel fûn yn elke spier7. Yn in pinnate struktuer binne de spiervezels yn 'e bipennate muskulatuer oanwêzich oan beide kanten fan 'e sintrale pees ûnder skeane hoeken (pinnate hoeken). Pennate komt fan it Latynske wurd "penna", dat "pinne" betsjut, en, lykas te sjen is yn fig. 1, hat it in fear-eftige útsjoch. De fezels fan 'e pennate spieren binne koarter en steane yn in hoeke mei de longitudinale as fan 'e spier. Troch de pinnate struktuer wurdt de algemiene 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 in hegere algemiene spierkrêft troch de manier wêrop fysiologyske dwerssnitgebiet wurdt metten. Dêrom sille pennate spieren foar in bepaald dwerssnitgebiet sterker wêze en hegere krêften generearje as spieren mei parallelle fezels. Krêften generearre troch yndividuele fezels generearje spierkrêften op in makroskopysk nivo yn dat spierweefsel. Derneist hat it unike eigenskippen lykas rappe krimp, beskerming tsjin trekskea, demping. It transformearret de relaasje tusken fezelynfier en spierkrêftútfier troch gebrûk te meitsjen fan 'e unike skaaimerken en geometryske kompleksiteit fan 'e fezelarranzjemint dy't ferbûn is mei spieraksjelinen.
Skematyske diagrammen fan besteande SMA-basearre aktuatorûntwerpen yn relaasje ta in bimodale spierarsjitektuer wurde werjûn, bygelyks (a), dy't de ynteraksje fan taktile krêft fertsjintwurdigje wêrby't in hânfoarmich apparaat, oandreaun troch SMA-triedden, monteard is op in twawielige autonome mobile robot9,10. , (b) Robotyske orbitale prothese mei antagonistysk pleatste SMA-fearbelaste orbitale prothese. De posysje fan it prostetyske each wurdt regele troch in sinjaal fan 'e eachspier fan it each11, (c) SMA-aktuators binne ideaal foar ûnderwettertapassingen fanwegen har hege frekwinsjerespons en lege bânbreedte. Yn dizze konfiguraasje wurde SMA-aktuators brûkt om weachbeweging te meitsjen troch de beweging fan fisken te simulearjen, (d) SMA-aktuators wurde brûkt om in mikropiipynspeksjerobot te meitsjen dy't it inch-wjirmbewegingsprinsipe kin brûke, regele troch de beweging fan SMA-triedden yn kanaal 10, (e) toant de rjochting fan kontraksjespiervezels en it generearjen fan kontraktile krêft yn gastrocnemiusweefsel, (f) toant SMA-triedden yn 'e foarm fan spiervezels yn' e pennate spierstruktuer.
Aktuators binne in wichtich ûnderdiel wurden fan meganyske systemen fanwegen har brede skala oan tapassingen. Dêrom wurdt de needsaak foar lytsere, rapper en effisjintere oandriuwingen kritysk. Nettsjinsteande har foardielen hawwe tradisjonele oandriuwingen bliken dien djoer en tiidslinend te wêzen om te ûnderhâlden. Hydraulyske en pneumatyske aktuators binne kompleks en djoer en binne ûnderwurpen oan slijtage, smeerproblemen en komponintfalen. Yn reaksje op 'e fraach leit de fokus op it ûntwikkeljen fan kosten-effektive, optimalisearre foar grutte en avansearre aktuators basearre op tûke materialen. Oanhâldend ûndersyk sjocht nei laachaktuators fan foarmgeheugenlegering (SMA) om oan dizze needsaak te foldwaan. Hiërargyske aktuators binne unyk om't se in protte aparte aktuators kombinearje yn geometrysk komplekse makroskaalsubsystemen om ferhege en útwreide funksjonaliteit te leverjen. Yn dit ferbân biedt it hjirboppe beskreaune minsklike spierweefsel in poerbêst mearlaachich foarbyld fan sokke mearlaachige oandriuwing. De hjoeddeiske stúdzje beskriuwt in SMA-oandriuwing op meardere nivo's mei ferskate yndividuele oandriuweleminten (SMA-triedden) ôfstimd op 'e glêstriedoriïntaasjes oanwêzich yn bimodale spieren, wat de algemiene oandriuwprestaasjes ferbetteret.
It wichtichste doel fan in aktuator is it generearjen fan meganyske krêftútfier lykas krêft en ferpleatsing troch it omsetten fan elektryske enerzjy. Foarmûnthâldlegeringen binne in klasse fan "slimme" materialen dy't har foarm kinne weromhelje by hege temperatueren. Under hege lesten liedt in tanimming fan 'e temperatuer fan' e SMA-tried ta foarmherstel, wat resulteart yn in hegere aktuaasje-enerzjydichtheid yn ferliking mei ferskate direkt ferbûne tûke materialen. Tagelyk wurde SMA's ûnder meganyske lesten bros. Under bepaalde omstannichheden kin in sykliske lading meganyske enerzjy opnimme en frijlitte, wêrtroch omkearbere hysteretyske foarmferoarings ûntsteane. Dizze unike eigenskippen meitsje SMA ideaal foar sensoren, trillingsdemping en foaral aktuators12. Mei dit yn gedachten is der in soad ûndersyk dien nei SMA-basearre oandriuwingen. It moat opmurken wurde dat SMA-basearre aktuators ûntworpen binne om translaasje- en rotaasjebeweging te leverjen foar in ferskaat oan tapassingen13,14,15. Hoewol guon rotearjende aktuators ûntwikkele binne, binne ûndersikers benammen ynteressearre yn lineêre aktuators. Dizze lineêre aktuators kinne wurde ferdield yn trije soarten aktuators: iendiminsjonale, ferpleatsings- en differinsjaalaktuators16. Yn it earstoan waarden hybride oandriuwingen makke yn kombinaasje mei SMA en oare konvinsjonele oandriuwingen. Ien foarbyld fan in SMA-basearre hybride lineêre aktuator is it gebrûk fan in SMA-tried mei in DC-motor om in útfierkrêft fan sawat 100 N en in wichtige ferpleatsing te leverjen17.
Ien fan 'e earste ûntwikkelingen yn oandriuwingen dy't folslein basearre wiene op SMA wie de parallelle SMA-oandriuwing. Mei meardere SMA-triedden is de parallelle oandriuwing op basis fan SMA ûntworpen om de krêftkapasiteit fan 'e oandriuwing te fergrutsjen troch alle SMA18-triedden parallel te pleatsen. Parallelle ferbining fan aktuators fereasket net allinich mear krêft, mar beheint ek it útfierfermogen fan ien tried. In oar neidiel fan aktuators op basis fan SMA is de beheinde beweging dy't se berikke kinne. Om dit probleem op te lossen, waard in SMA-kabelbalke makke mei in ôfbûgde fleksibele balke om de ferpleatsing te fergrutsjen en lineêre beweging te berikken, mar generearre gjin hegere krêften19. Sêfte deformearbere struktueren en stoffen foar robots basearre op foarmgeheugenlegeringen binne primêr ûntwikkele foar ynfloedfersterking20,21,22. Foar tapassingen wêr't hege snelheden fereaske binne, binne kompakte oandreaune pompen rapportearre mei tinne-film SMA's foar mikropomp-oandreaune tapassingen23. De oandriuwfrekwinsje fan it tinne-film SMA-membraan is in wichtige faktor by it kontrolearjen fan 'e snelheid fan' e oandriuwer. Dêrom hawwe SMA-lineaire motors in bettere dynamyske respons dan SMA-fear- of stangmotors. Sêfte robotika en griptechnology binne twa oare tapassingen dy't aktuators op basis fan SMA brûke. Bygelyks, om de standert aktuator te ferfangen dy't brûkt wurdt yn 'e 25 N romteklem, waard in parallelle aktuator 24 fan foarmûnthâldlegering ûntwikkele. Yn in oar gefal waard in sêfte SMA-aktuator makke op basis fan in tried mei in ynbêde matrix dy't in maksimale trekkrêft fan 30 N kin produsearje. Fanwegen har meganyske eigenskippen wurde SMA's ek brûkt om aktuators te produsearjen dy't biologyske ferskynsels imitearje. Ien sokke ûntwikkeling omfettet in 12-sel robot dy't in biomimetyk is fan in ierdwjirm-eftich organisme mei SMA om in sinusfoarmige beweging te generearjen om te sjitten26,27.
Lykas earder neamd, is der in limyt oan 'e maksimale krêft dy't kin wurde krigen fan besteande SMA-basearre aktuators. Om dit probleem oan te pakken presintearret dizze stúdzje in biomimetyske bimodale spierstruktuer. Oandreaun troch tried fan foarmûnthâldlegering. It leveret in klassifikaasjesysteem dat ferskate triedden fan foarmûnthâldlegering omfettet. Oant no ta binne der gjin SMA-basearre aktuators mei in ferlykbere arsjitektuer rapportearre yn 'e literatuer. Dit unike en nije systeem basearre op SMA waard ûntwikkele om it gedrach fan SMA te bestudearjen tidens bimodale spierôfstimming. Yn ferliking mei besteande SMA-basearre aktuators wie it doel fan dizze stúdzje om in biomimetyske dipvaleraataktuator te meitsjen om signifikant hegere krêften te generearjen yn in lyts folume. Yn ferliking mei konvinsjonele stappenmotor-oandreaune oandriuwingen dy't brûkt wurde yn HVAC-gebouautomatisaasje- en kontrôlesystemen, ferminderet it foarstelde SMA-basearre bimodale oandriuwûntwerp it gewicht fan it oandriuwmeganisme mei 67%. Yn it folgjende wurde de termen "spier" en "oandriuwing" troch elkoar brûkt. Dizze stúdzje ûndersiket de multifysika-simulaasje fan sa'n oandriuwing. It meganyske gedrach fan sokke systemen is bestudearre troch eksperimintele en analytyske metoaden. Krêft- en temperatuerferdielingen waarden fierder ûndersocht by in ynfierspanning fan 7 V. Dêrnei waard in parametryske analyze útfierd om de relaasje tusken wichtige parameters en de útfierkrêft better te begripen. Uteinlik binne hiërargyske aktuators foarsteld en binne hiërargyske nivo-effekten foarsteld as in potinsjeel takomstich gebiet foar net-magnetyske aktuators foar prothetyske tapassingen. Neffens de resultaten fan 'e neamde stúdzjes produseart it gebrûk fan in ienfase-arsjitektuer krêften dy't teminsten fjouwer oant fiif kear heger binne as rapportearre SMA-basearre aktuators. Derneist is oantoand dat deselde oandriuwkrêft generearre troch in multi-level multi-level oandriuw mear as tsien kear sa grut is as dy fan konvinsjonele SMA-basearre oandriuwingen. De stúdzje rapportearret dan wichtige parameters mei help fan gefoelichheidsanalyze tusken ferskate ûntwerpen en ynfierfariabelen. De inisjele lingte fan 'e SMA-tried (\(l_0\)), de pinnate hoeke (\(\alpha\)) en it oantal ienkele triedden (n) yn elke yndividuele tried hawwe in sterk negatyf effekt op 'e grutte fan' e oandriuwkrêftsterkte, wylst de ynfierspanning (enerzjy) posityf korrelearre bliek te wêzen.
SMA-tried fertoant it foarmûnthâldeffekt (SME) dat sjoen wurdt yn 'e nikkel-titanium (Ni-Ti) famylje fan legeringen. Typysk fertoane SMA's twa temperatuerôfhinklike fazen: in lege temperatuerfaze en in hege temperatuerfaze. Beide fazen hawwe unike eigenskippen fanwegen de oanwêzigens fan ferskillende kristalstrukturen. Yn 'e austenytfaze (hege temperatuerfaze) dy't boppe de transformaasjetemperatuer bestiet, fertoant it materiaal hege sterkte en wurdt it min deformearre ûnder lading. De legearing gedraacht him as roestfrij stiel, sadat it hegere aktuaasjedrukken kin wjerstean. Troch gebrûk te meitsjen fan dizze eigenskip fan Ni-Ti-legeringen, wurde de SMA-trieden skean makke om in aktuator te foarmjen. Passende analytyske modellen wurde ûntwikkele om de fûnemintele meganika fan it termyske 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 om de prestaasjes fan in bimodale oandriuwing basearre op SMA te evaluearjen. Twa fan dizze eigenskippen, de krêft generearre troch de oandriuwing (spierkrêft) en de temperatuer fan 'e SMA-tried (SMA-temperatuer), waarden eksperiminteel metten. As it spanningsferskil tanimt oer de hiele lingte fan 'e tried yn' e oandriuwing, nimt de temperatuer fan 'e tried ta troch it Joule-ferwaarmingseffekt. De ynfierspanning waard tapast yn twa syklusen fan 10 sekonden (werjûn as reade stippen yn Fig. 2a, b) mei in koelperioade fan 15 sekonden tusken elke syklus. De blokkearjende krêft waard metten mei in piëzoelektryske spanningsmeter, en de temperatuerferdieling fan 'e SMA-tried waard yn realtime kontroleare mei in wittenskiplike LWIR-kamera mei hege resolúsje (sjoch de skaaimerken fan 'e brûkte apparatuer yn Tabel 2). lit sjen dat tidens de hege spanningsfaze de temperatuer fan 'e tried monotoon tanimt, mar as der gjin stroom streamt, bliuwt de temperatuer fan 'e tried sakje. Yn 'e hjoeddeiske eksperimintele opset sakke de temperatuer fan 'e SMA-tried tidens de ôfkuollingsfaze, mar it wie noch altyd boppe de omjouwingstemperatuer. Fig. 2e toant in momintopname fan 'e temperatuer op 'e SMA-tried nommen fan 'e LWIR-kamera. Oan 'e oare kant toant Fig. 2a de blokkearjende krêft dy't generearre wurdt troch it oandriuwsysteem. As de spierkrêft de herstellende krêft fan 'e fear oertreft, begjint de beweechbere earm, lykas te sjen is yn Fig. 9a, te bewegen. Sadree't de aktivearring begjint, komt de beweechbere earm yn kontakt mei de sensor, wêrtroch in lichemskrêft ûntstiet, lykas te sjen is yn Fig. 2c, d. As de maksimale temperatuer tichtby \(84\,^{\circ}\hbox {C}\) is, is de maksimale waarnommen krêft 105 N.
De grafyk lit de eksperimintele resultaten sjen fan 'e temperatuer fan 'e SMA-tried en de krêft generearre troch de SMA-basearre bimodale aktuator tidens twa syklusen. De yngongsspanning wurdt tapast yn twa syklusen fan 10 sekonden (werjûn as reade stippen) mei in ôfkuolperioade fan 15 sekonden tusken elke syklus. De SMA-tried dy't brûkt waard foar de eksperiminten wie in Flexinol-tried mei in diameter fan 0,51 mm fan Dynalloy, Inc. (a) De grafyk lit de eksperimintele krêft sjen dy't oer twa syklusen krigen is, (c, d) lit twa ûnôfhinklike foarbylden sjen fan 'e aksje fan bewegende earmaktuators op in PACEline CFT/5kN piëzoelektryske krêfttransducer, (b) de grafyk lit de maksimale temperatuer fan 'e heule SMA-tried sjen tidens twa syklusen, (e) lit in temperatuermomintopname sjen nommen fan 'e SMA-tried mei de FLIR ResearchIR-software LWIR-kamera. De geometryske parameters dy't yn 'e eksperiminten yn rekken brocht binne, wurde jûn yn tabel ien.
De simulaasjeresultaten fan it wiskundige model en de eksperimintele resultaten wurde fergelike ûnder de betingst fan in yngongsspanning fan 7V, lykas werjûn yn Fig.5. Neffens de resultaten fan parametryske analyze en om de mooglikheid fan oerferhitting fan 'e SMA-tried te foarkommen, waard in fermogen fan 11,2 W levere oan 'e aktuator. In programmeerbere DC-stroomfoarsjenning waard brûkt om 7V as yngongsspanning te leverjen, en in stroom fan 1,6A waard oer de tried metten. De krêft generearre troch de oandriuwing en de temperatuer fan 'e SDR nimme ta as stroom wurdt tapast. Mei in yngongsspanning fan 7V is de maksimale útfierkrêft krigen út '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. It ferskil tusken okklusjekrêftmjittingen en eksperimintele gegevens kin te tankjen wêze oan 'e metoade dy't brûkt wurdt om okklusjekrêft te mjitten. De eksperimintele resultaten werjûn yn fig. 5a komme oerien mei de mjitting fan 'e fergrendelkrêft, dy't op syn beurt metten waard doe't de oandriuwas yn kontakt wie mei de PACEline CFT/5kN piëzoelektryske krêfttransducer, lykas te sjen is yn fig. 2s. Dêrom, as de oandriuwas gjin kontakt is mei de krêftsensor oan it begjin fan 'e koelsône, wurdt de krêft fuortendaliks nul, lykas te sjen is yn fig. 2d. Derneist binne oare parameters dy't ynfloed hawwe op 'e foarming fan krêft yn folgjende syklusen de wearden fan 'e koeltiid en de koëffisjint fan konvektive waarmte-oerdracht yn 'e foargeande syklus. Ut fig. 2b kin sjoen wurde dat nei in koelperioade fan 15 sekonden de SMA-tried gjin keamertemperatuer berikte en dêrom in hegere begjintemperatuer hie (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) yn 'e twadde oandriuwsyklus yn ferliking mei de earste syklus (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Sa berikt, yn ferliking mei de earste syklus, de temperatuer fan 'e SMA-tried tidens de twadde ferwaarmingssyklus de earste austenyttemperatuer (\(A_s\)) earder en bliuwt langer yn 'e oergongsperioade, wat resulteart yn spanning en krêft. Oan 'e oare kant hawwe temperatuerferdielingen tidens ferwaarmings- en koelsyklusen dy't krigen binne út eksperiminten en simulaasjes in hege kwalitative oerienkomst mei foarbylden út termografyske analyze. Ferlykjende analyze fan termyske gegevens fan SMA-tried út eksperiminten en simulaasjes liet konsistinsje sjen tidens ferwaarmings- en koelsyklusen en binnen akseptabele tolerânsjes foar eksperimintele gegevens. De maksimale temperatuer fan 'e SMA-tried, krigen út 'e resultaten fan simulaasje en eksperiminten fan 'e earste syklus, is \(89\,^{\circ }\hbox {{}\) en \(75\,^{\circ }\hbox {{}}\, respektivelik), en yn 'e twadde syklus is de maksimale temperatuer fan 'e SMA-tried \(94\,^{\circ }\hbox {{}}\) en \(83\,^{\circ }\hbox {{}}\). It fûneminteel ûntwikkele model befêstiget it effekt fan it foarmûnthâldeffekt. De rol fan wurgens en oerferhitting waard net beskôge yn dizze resinsje. Yn 'e takomst sil it model ferbettere wurde om de spanningshistoarje fan 'e SMA-tried op te nimmen, wêrtroch it geskikter wurdt foar technyske tapassingen. De útfierkrêft fan 'e oandriuwing en SMA-temperatuerplots dy't krigen binne 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 help fan 'e basisfergelikingen dy't beskreaun binne yn 'e seksje Metoaden. Op fig. 3b wurdt in blokdiagram fan it Simulink-wiskundige model werjûn. It model waard simulearre foar in 7V-ynfierspanningspuls lykas werjûn yn fig. 2a, b. De wearden fan 'e parameters dy't brûkt binne yn 'e simulaasje binne neamd yn tabel 1. De resultaten fan 'e simulaasje fan tydlike prosessen wurde presintearre yn figueren 1 en 1. Fig. 3a en 4. Yn fig. 4a, b wurdt de ynducearre spanning yn 'e SMA-tried en de krêft generearre troch de aktuator as funksje fan tiid werjûn. Tidens omkearde transformaasje (ferwaarming), as de temperatuer fan 'e SMA-tried, \(T < A_s^{\prime}\) (spanningsmodifisearre austenytfaze-begjintemperatuer), sil de feroaringssnelheid fan martensietfolumefraksje (\(\dot{\xi }\)) nul wêze. Tidens omkearde transformaasje (ferwaarming), as de temperatuer fan 'e SMA-tried, \(T < A_s^{\prime}\) (spanningsmodifisearre austenytfaze-begjintemperatuer), sil de feroaringssnelheid fan martensietfolumefraksje (\(\dot{\xi }\)) nul wêze. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начай модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Tidens de omkearde transformaasje (ferwaarming), as de temperatuer fan 'e SMA-tried, \(T < A_s^{\prime}\) (spanningsmodifisearre austenyt-oansettemperatuer), sil de feroaringssnelheid fan 'e martensiet-folumefraksje (\(\dot{\xi }\)) nul wêze.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率}（\(xi)\(xi)将为零.在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Simulaasjeresultaat dat temperatuerferdieling en spanning-induzearre junctiontemperatuer sjen lit yn in SMA-basearre divaleraataktuator. As de triedtemperatuer de austenyt-oergongstemperatuer yn 'e ferwaarmingsfaze krúst, begjint de oanpaste austenyt-oergongstemperatuer te tanimmen, en op deselde wize, as de triedstangtemperatuer de martensityske oergongstemperatuer yn 'e koelfaze krúst, nimt de martensityske oergongstemperatuer 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 parameterferdielingen wurde werjûn foar twa syklusen fan 'e 7V-ynfierspanning (opwaarmsyklusen fan 10 sekonden en ôfkuolsyklusen fan 15 sekonden). Wylst (ac) en (e) de ferdieling oer tiid werjaan, yllustrearje (d) en (f) oan 'e oare kant de ferdieling mei temperatuer. Foar de respektive ynfieromstannichheden is de maksimale waarnommen spanning 106 MPa (minder as 345 MPa, triedreksterkte), 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 spanning en de feroaring yn 'e folumefraksje fan martensiet mei temperatuer fergelykber mei hysterese-eigenskippen.
Deselde útlis jildt foar de direkte transformaasje (kuolling) fan 'e austenytfaze nei de martensietfaze, dêr't de SMA-triedtemperatuer (T) en de eintemperatuer fan 'e spanningsmodifisearre martensietfaze (\(M_f^{\prime}\ )) poerbêst binne. Op fig. 4d toant f de feroaring yn 'e ynducearre spanning (\(\sigma\)) en de folumefraksje fan martensiet (\(\xi\)) yn 'e SMA-tried as funksje fan 'e temperatuerferoaring fan 'e SMA-tried (T), foar beide oandriuwsyklussen. Op fig. 3a toant figuer 3a de feroaring yn 'e temperatuer fan 'e SMA-tried mei de tiid, ôfhinklik fan 'e ynfierspanningspuls. Lykas te sjen is yn 'e figuer, bliuwt de temperatuer fan 'e tried tanimme troch in waarmteboarne te leverjen by nulspanning en dêrnei konvektive kuolling. Tidens it ferwaarmjen begjint de retransformaasje fan martensiet nei de austenietfaze as de temperatuer fan 'e SMA-tried (T) de spanningskorrizjearre austenietkearntemperatuer (\(A_s^{\prime}\)) oerstekke sil. Tidens dizze faze wurdt de SMA-tried komprimearre en genereart de aktuator krêft. Ek tidens it ôfkuoljen, as de temperatuer fan 'e SMA-tried (T) de spanningskorrizjearre martensietfaze (\(M_s^{\prime}\)) oerstekke sil, is der in positive oergong fan 'e austenietfaze nei de martensietfaze. De oandriuwkrêft nimt ôf.
De wichtichste kwalitative aspekten fan 'e bimodale oandriuwing basearre op SMA kinne wurde krigen út 'e simulaasjeresultaten. Yn it gefal fan in spanningspulsynfier nimt de temperatuer fan 'e SMA-tried ta fanwegen it Joule-ferwaarmingseffekt. De begjinwearde fan 'e martensietfolumefraksje (\(\xi\)) is ynsteld op 1, om't it materiaal yn earste ynstânsje yn in folslein martensityske faze is. As de tried trochgiet mei opwaarmjen, giet de temperatuer fan 'e SMA-tried boppe de spanningskorrizjearre austenietnukleaasjetemperatuer \(A_s^{\prime}\), wat resulteart yn in ôfname fan 'e martensietfolumefraksje, lykas te sjen is yn figuer 4c. Derneist toant yn fig. 4e de ferdieling fan slagen fan 'e aktuator yn 'e tiid, en yn fig. 5 - driuwende krêft as funksje fan tiid. In besibbe systeem fan fergelikingen omfettet temperatuer, martensietfolumefraksje, en spanning dy't ûntstiet yn 'e tried, wat resulteart yn krimp fan 'e SMA-tried en de krêft generearre troch de aktuator. Lykas te sjen is yn fig. 4d,f, spanningsfariaasje mei temperatuer en martensietfolumefraksjefariaasje mei temperatuer komme oerien mei de hysteresiskarakteristiken fan 'e SMA yn it simulearre gefal by 7 V.
Ferliking fan driuwparameters waard krigen troch eksperiminten en analytyske berekkeningen. De triedden waarden ûnderwurpen oan in pulsearre ynfierspanning fan 7 V foar 10 sekonden, en doe ôfkuolle foar 15 sekonden (ôfkuollingsfaze) oer twa syklusen. De pinnate hoeke is ynsteld op \(40^{\circ}\) en de inisjele lingte fan 'e SMA-tried yn elke inkele pinpoat is ynsteld op 83 mm. (a) Mjitten fan 'e driuwkrêft mei in loadsel (b) Monitoaring fan triedtemperatuer mei in termyske ynfrareadkamera.
Om de ynfloed fan fysike parameters op 'e krêft produsearre troch de oandriuwing te begripen, waard in analyze útfierd fan 'e gefoelichheid fan it wiskundige model foar de selektearre fysike parameters, en de parameters waarden rangearre neffens har ynfloed. Earst waard de sampling fan modelparameters dien mei help fan eksperimintele ûntwerpprinsipes dy't in unifoarme ferdieling folgen (sjoch Oanfoljende Seksje oer Gefoelichheidsanalyse). Yn dit gefal omfetsje de modelparameters ynfierspanning (\(V_{in}\)), inisjele SMA-triedlingte (\(l_0\)), trijehoekhoek (\(\alpha\)), biasfearkonstante (\(K_x\)), de konvektive waarmte-oerdrachtkoëffisjint (\(h_T\)) en it oantal unimodale tûken (n). Yn 'e folgjende stap waard pykspierkrêft keazen as in stúdzjeûntwerpeasken en waarden de parametryske effekten fan elke set fariabelen op krêft krigen. De tornado-plots foar de gefoelichheidsanalyse waarden ôflaat fan 'e korrelaasjekoëffisiënten foar elke parameter, lykas werjûn yn Fig. 6a.
(a) De korrelaasjekoëffisjintwearden fan 'e modelparameters en harren effekt op 'e maksimale útfierkrêft fan 2500 unike groepen fan 'e boppesteande modelparameters wurde werjûn yn 'e tornado-plot. De grafyk lit de rangkorrelaasje fan ferskate yndikatoaren sjen. 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 farieart fan 4 oant 24. Spanning (\(V_{in}\)) feroare fan 4V nei 10V, triedlingte (\(l_{0 } \)) feroare fan 40 nei 100 mm, en de sturthoeke (\(\alpha \)) fariearre fan \(20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Op fig. 6a wurdt in tornado-plot fan ferskate korrelaasjekoëffisiënten foar elke parameter mei ûntwerpeasken foar peak-oandriuwkrêft toand. Ut fig. 6a kin sjoen wurde dat de spanningsparameter (\(V_{in}\)) direkt relatearre is oan de maksimale útfierkrêft, en de konvektive waarmte-oerdrachtkoëffisiënt (\(h_T\)), flamhoeke (\(\alpha\)), ferpleatsingsfearkonstante (\(K_x\)) is negatyf korrelearre mei de útfierkrêft en de inisjele lingte (\(l_0\)) fan 'e SMA-tried, en it oantal unimodale tûken (n) lit in sterke omkearde korrelaasje sjen. Yn it gefal fan direkte korrelaasje jout de spanningskorrelaasjekoëffisiënt (\(V_{in}\)) oan dat dizze parameter it grutste effekt hat op 'e krêftútfier. In oare ferlykbere analyze mjit de peakkrêft troch it effekt fan ferskate parameters te evaluearjen yn ferskate kombinaasjes fan 'e twa berekkeningsromten, lykas te sjen is yn fig. 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 korreleare binne en \(V_{in}\) posityf korreleare binne. Dizze analyze helpt by it definiearjen en oanpassen fan de ynfloedsparameters wêrmei't de útfierkrêft, slag en effisjinsje fan it oandriuwsysteem oanpast wurde kinne oan de easken en tapassing.
Hjoeddeistich ûndersykswurk yntrodusearret en ûndersiket hiërargyske oandriuwingen mei N nivo's. Yn in twa-nivo hiërargy, lykas werjûn yn Fig. 7a, wêr't ynstee fan elke SMA-tried fan 'e earste-nivo aktuator, in bimodale opset berikt wurdt, lykas werjûn yn Fig. 9e. Op Fig. 7c wurdt sjen litten hoe't de SMA-tried om in beweechbere earm (hulparm) wûn is dy't allinich yn 'e longitudinale rjochting beweecht. De primêre beweechbere earm bliuwt lykwols op deselde manier bewege as de beweechbere earm fan 'e 1e-traps meartraps aktuator. Typysk wurdt in N-traps oandriuwing makke troch de \(N-1\) traps SMA-tried te ferfangen troch in earste-traps oandriuwing. As resultaat imitearret elke tûke de earste-traps oandriuwing, mei útsûndering fan 'e tûke dy't de tried sels hâldt. Op dizze manier kinne nestele struktueren foarme wurde dy't krêften oanmeitsje dy't ferskate kearen grutter binne as de krêften fan 'e primêre oandriuwingen. Yn dizze stúdzje waard foar elk nivo in totale effektive SMA-triedlingte fan 1 m yn rekken brocht, lykas werjûn yn tabelfoarm yn Fig. 7d. De stroom troch elke tried yn elk unimodaal ûntwerp en de resultearjende foarspanning en spanning yn elk SMA-triedsegment 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 ôfwaging tusken ferpleatsing en spierkrêft. Lykas te sjen is yn fig. 7b, wylst de maksimale krêft berikt wurdt yn it grutste oantal lagen, wurdt de grutste ferpleatsing waarnommen yn 'e leechste laach. Doe't it hiërargynivo ynsteld waard op \(N=5\), waard in peak spierkrêft fan 2,58 kN fûn mei 2 waarnommen slagen \(\upmu\)m. Oan 'e oare kant genereart de oandriuwing fan 'e earste etappe in krêft fan 150 N by in slach fan 277 \(\upmu\)m. Multi-level aktuators binne yn steat om echte biologyske spieren te imitearjen, wêrby't keunstmjittige spieren basearre op foarmûnthâldlegeringen signifikant hegere krêften kinne generearje mei presys en finer bewegingen. De beheiningen fan dit miniaturisearre ûntwerp binne dat as de hiërargy tanimt, de beweging sterk fermindere wurdt en de kompleksiteit fan it produksjeproses fan 'e oandriuwing tanimt.
(a) In twa-traps (\(N=2\)) laachfoarmige lineêre aktuatorsysteem fan foarmûnthâldlegering wurdt werjûn yn in bimodale konfiguraasje. It foarstelde model wurdt berikt troch de SMA-tried yn 'e earste traap laachaktuator te ferfangen troch in oare ien-traap laachaktuator. (c) Misfoarme konfiguraasje fan 'e twadde traap mearlaachaktuator. (b) De ferdieling fan krêften en ferpleatsingen ôfhinklik fan it oantal nivo's wurdt beskreaun. It is fûn dat de pykkrêft fan 'e aktuator posityf korreleare is mei it skaalnivo op 'e grafyk, wylst de slach negatyf korreleare is mei it skaalnivo. De stroom en foarspanning yn elke tried bliuwe konstant op alle nivo's. (d) De tabel lit it oantal ôftakkingen en de lingte fan 'e SMA-tried (glêsvezel) op elk nivo sjen. De skaaimerken fan 'e triedden wurde oanjûn troch yndeks 1, en it oantal sekundêre tûken (ien ferbûn mei it primêre skonk) wurdt oanjûn troch it grutste getal yn it subskript. Bygelyks, op nivo 5, ferwiist \(n_1\) nei it oantal SMA-triedden oanwêzich yn elke bimodale struktuer, en \(n_5\) ferwiist nei it oantal helppoaten (ien ferbûn mei de haadpoat).
Ferskate metoaden binne troch in protte ûndersikers foarsteld om it gedrach fan SMA's mei foarmûnthâld te modellearjen, dy't ôfhingje fan 'e termomechanyske eigenskippen dy't gepaard geane mei de makroskopyske feroarings yn 'e kristalstruktuer dy't ferbûn binne mei de fazeoergong. De formulearring fan konstitutive metoaden is ynherint kompleks. It meast brûkte fenomenologyske model wurdt foarsteld troch Tanaka28 en wurdt breed brûkt yn technyske tapassingen. It fenomenologyske model foarsteld troch Tanaka [28] giet derfan út dat de folumefraksje fan martensiet in eksponensjele funksje is fan temperatuer en spanning. Letter hawwe Liang en Rogers29 en Brinson30 in model foarsteld wêryn't de fazeoergongdynamika oannommen waard as in kosinusfunksje fan spanning en temperatuer, mei lytse oanpassingen oan it model. Becker en Brinson hawwe in kinetysk model basearre op in fazediagram foarsteld om it gedrach fan SMA-materialen te modellearjen ûnder willekeurige ladingsomstannichheden, lykas ek partielle oergongen. Banerjee32 brûkt de Bekker en Brinson31 fazediagramdynamikametoade om in manipulator mei ien frijheidsgraad te simulearjen, ûntwikkele troch Elahinia en Ahmadian33. Kinetyske metoaden basearre op fazediagrammen, dy't rekken hâlde mei de net-monotonyske feroaring yn spanning mei temperatuer, binne lestich te ymplementearjen yn technyske tapassingen. Elakhinia en Ahmadian rjochtsje de oandacht op dizze tekoartkommingen fan besteande fenomenologyske modellen en stelle in útwreide fenomenologysk model foar om foarmûnthâldgedrach ûnder alle komplekse ladingsomstannichheden te analysearjen en te definiearjen.
It strukturele model fan SMA-tried jout spanning (\(\sigma\)), spanning (\(\epsilon\)), temperatuer (T), en martensietfolumefraksje (\(\xi\)) fan SMA-tried. It fenomenologyske konstitutive model waard earst foarsteld troch Tanaka28 en letter oannaam troch Liang29 en Brinson30. De ôflate fan 'e fergeliking hat de foarm:
wêrby't E de faze-ôfhinklike SMA Young's modulus is dy't krigen wurdt 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 \(\theta _T\). De bydragefaktor foar de faze-oergong is \(\Omega = -E \epsilon _L\) en \(\epsilon _L\) is de maksimale herstelbere spanning yn 'e SMA-tried.
De fazedynamika-fergeliking komt oerien mei de kosinusfunksje ûntwikkele troch Liang29 en letter oannaam troch Brinson30 ynstee fan de eksponensjele funksje foarsteld troch Tanaka28. It faze-oergongsmodel is in útwreiding fan it model foarsteld troch Elakhinia en Ahmadian34 en oanpast op basis fan 'e faze-oergongsbetingsten jûn troch Liang29 en Brinson30. De betingsten dy't brûkt wurde foar dit faze-oergongsmodel binne jildich ûnder komplekse termomechanyske lesten. Op elk momint fan 'e tiid wurdt de wearde fan 'e folumefraksje fan martensiet berekkene by it modellearjen fan 'e konstitutive fergeliking.
De bestjoerende retransformaasjefergeliking, útdrukt troch de transformaasje fan martensiet nei austeniet ûnder ferwaarmingsomstannichheden, is as folget:
wêrby't \(\xi\) de folumefraksje fan martensiet is, \(\xi _M\) de folumefraksje fan martensiet is dy't foar ferwaarming krigen is, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) en \(C_A\) – parameters fan 'e krommebenadering, T – SMA-triedtemperatuer, \(A_s\) en \(A_f\) – begjin en ein fan 'e austenytfaze, respektivelik, temperatuer.
De direkte transformaasjekontrôlefergeliking, fertsjintwurdige troch de fazetransformaasje fan austenyt nei martensiet ûnder koelomstannichheden, is:
wêrby't \(\xi_A\) de folumefraksje fan martensiet is dy't foar it koeljen krigen is, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) en \(C_M \) – parameters foar kromme-oanpassing, T – SMA-triedtemperatuer, \(M_s\) en \(M_f\) – respektivelik earste en definitive martensiettemperatueren.
Nei't fergelikingen (3) en (4) differinsjearre binne, wurde de inverse en direkte transformaasjefergelikingen ferienfâldige ta de folgjende foarm:
Tidens foarút- en efterúttransformaasje nimme \(\eta _{\sigma}\) en \(\eta _{T}\) ferskillende wearden oan. De basisfergelikingen dy't ferbûn binne mei \(\eta _{\sigma}\) en \(\eta _{T}\) binne ôflaat en yn detail besprutsen yn in ekstra seksje.
De termyske enerzjy dy't nedich is om de temperatuer fan 'e SMA-tried te ferheegjen komt fan it Joule-ferwaarmingseffekt. De termyske enerzjy dy't troch de SMA-tried opnommen of frijlitten wurdt, wurdt fertsjintwurdige troch de latente transformaasjewaarmte. It waarmteferlies yn 'e SMA-tried komt troch twongen konveksje, en sjoen it ferwaarloosbere effekt fan strieling, is de waarmte-enerzjybalânsfergeliking as folget:
Wêrby't \(m_{wire}\) de totale massa fan 'e SMA-tried is, \(c_{p}\) de spesifike waarmtekapasiteit fan 'e SMA is, \(V_{in}\) de spanning is dy't tapast wurdt op 'e tried, \(R_{ohm}\) – faze-ôfhinklike wjerstân SMA, definiearre as; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) wêrby't \(r_M\) en \(r_A\) de SMA-fazewjerstân yn martensiet en austeniet binne, respektivelik, \(A_{c}\) it oerflak fan 'e SMA-tried is, \(\Delta H \) in foarmûnthâldlegering is. De latente oergongswaarmte fan 'e tried, T en \(T_{\infty}\) binne de temperatueren fan 'e SMA-tried en de omjouwing, respektivelik.
As in tried fan in foarmûnthâldlegering aktivearre wurdt, komprimearret de tried, wêrtroch't in elke tûke fan it bimodale ûntwerp in krêft ûntstiet, dy't glêstriedkrêft neamd wurdt. De krêften fan 'e fezels yn elke tried fan 'e SMA-tried meitsje tegearre de spierkrêft om te aktivearjen, lykas te sjen is yn Fig. 9e. Troch de oanwêzigens fan in foarspanningsfear is de totale spierkrêft fan 'e N-de mearlaachsaktuator:
Troch \(N = 1\) yn fergeliking (7) yn te fieren, kin de spierkrêft fan it bimodale oandriuwprototype fan 'e earste faze as folget wurde krigen:
wêrby't n it oantal unimodale skonken is, \(F_m\) de spierkrêft is dy't troch de oandriuwing generearre wurdt, \(F_f\) de glêstriedsterkte yn 'e SMA-tried is, \(K_x\) de biasstyfheid is, \(\alpha\) de hoeke fan 'e trijehoek is, \(x_0\) de earste offset fan 'e biasfear is om de SMA-kabel yn 'e foarspannen posysje te hâlden, en \(\Deltax\) de beweging fan 'e aktuator is.
De totale ferpleatsing of beweging fan 'e oandriuwing (\(\Delta x\)) ôfhinklik fan 'e spanning (\(\sigma\)) en spanning (\(\epsilon\)) op 'e SMA-tried fan 'e N-de etappe, de oandriuwing is ynsteld op (sjoch ôfb. ekstra diel fan 'e útfier):
De kinematyske fergelikingen jouwe de relaasje tusken oandriuwingsdeformaasje (\(\epsilon\)) en ferpleatsing of ferpleatsing (\(\Deltax\)). De deformaasje fan 'e Arb-tried as funksje fan 'e earste Arb-triedlingte (\(l_0\)) en de triedlingte (l) op elk momint t yn ien unimodale tûke is as folget:
wêrby't \(l = \sqrt{l_0^2 +(Δx_1)^2 – 2 l_0 (Δx_1) \cos \alpha_1}\) krigen wurdt troch de kosinusformule yn \(Δ)ABB' ta te passen, lykas werjûn yn figuer 8. Foar de earste etappe-oandriuwing (\(N = 1\)), \(Δx_1\) is \(Δx\), en \(α_1\) is \(α \) lykas werjûn yn Lykas werjûn yn figuer 8, troch de tiid te differinsjearjen fan Fergeliking (11) en de wearde fan l te ferfangen, kin de spanningssnelheid skreaun wurde as:
wêrby't \(l_0\) de begjinlingte fan 'e SMA-tried is, l de lingte fan 'e tried op elk momint t yn ien unimodale tûke is, \(\epsilon\) de deformaasje is dy't ûntwikkele is yn 'e SMA-tried, en \(\alpha\) de hoeke fan 'e trijehoek is, \(\Dex\) de oandriuwingsoffset is (lykas werjûn yn figuer 8).
Alle n ien-piekstrukturen (\(n=6\) yn dizze figuer) binne yn searje ferbûn mei \(V_{in}\) as de yngongsspanning. Fase I: Skematysk diagram fan 'e SMA-tried yn in bimodale konfiguraasje ûnder nulspanningsomstannichheden Fase II: In kontroleare struktuer wurdt werjûn wêrby't de SMA-tried komprimearre wurdt troch inverse konverzje, lykas werjûn troch de reade line.
As bewiis fan it konsept waard in SMA-basearre bimodale oandriuwing ûntwikkele om de simulearre ôflieding fan 'e ûnderlizzende fergelikingen mei eksperimintele resultaten te testen. It CAD-model fan 'e bimodale lineêre aktuator wurdt werjûn yn fig. 9a. Oan 'e oare kant toant yn fig. 9c in nij ûntwerp foarsteld foar in rotaasjeprismatyske ferbining mei in twa-flak SMA-basearre aktuator mei in bimodale struktuer. De oandriuwkomponinten waarden makke mei additive manufacturing op in Ultimaker 3 Extended 3D-printer. It materiaal dat brûkt wurdt foar 3D-printsjen fan komponinten is polykarbonaat, dat geskikt is foar waarmtebestindige materialen, om't it sterk, duorsum is en in hege glêsoergongstemperatuer hat (110-113 °(^{\circ }\) C). Derneist waard Dynalloy, Inc. Flexinol foarmûnthâldlegeringtried brûkt yn 'e eksperiminten, en de materiaaleigenskippen dy't oerienkomme mei de Flexinol-tried waarden brûkt yn 'e simulaasjes. Meardere SMA-triedden binne arranzjearre as fezels oanwêzich yn in bimodale arranzjemint fan spieren om de hege krêften te krijen dy't produsearre wurde troch mearlaachse aktuators, lykas werjûn yn fig. 9b, d.
Lykas te sjen is yn figuer 9a, wurdt de skerpe hoeke foarme troch de beweechbere earm SMA-tried de hoeke (\(\alpha\)) neamd. Mei terminalklemmen befestige oan de linker- en rjochterklemmen, wurdt de SMA-tried hâlden ûnder de winske bimodale hoeke. It biasfearapparaat dat op 'e fearferbining hâlden wurdt, is ûntworpen om de ferskate biasfearútwreidingsgroepen oan te passen neffens it oantal (n) SMA-fezels. Derneist is de lokaasje fan 'e bewegende dielen ûntworpen sadat de SMA-tried bleatsteld wurdt oan 'e eksterne omjouwing foar twongen konveksjekoeling. De boppe- en ûnderplaten fan 'e losneembere gearstalling helpe de SMA-tried koel te hâlden mei ekstrudearre útsparrings ûntworpen om gewicht te ferminderjen. Derneist binne beide úteinen fan 'e CMA-tried fêstmakke oan' e linker- en rjochterterminals, respektivelik, troch middel fan in krimp. In plunjer is befestige oan ien ein fan 'e beweechbere gearstalling om romte tusken de boppe- en ûnderplaten te behâlden. De plunjer wurdt ek brûkt om in blokkearjende krêft út te oefenjen op 'e sensor fia in kontakt om de blokkearjende krêft te mjitten as de SMA-tried aktivearre wurdt.
De bimodale spierstruktuer SMA is elektrysk yn searje ferbûn en wurdt oandreaun troch in ynfierpulsspanning. Tidens de spanningspulssyklus, as spanning tapast wurdt en de SMA-tried ferwaarme wurdt boppe de begjintemperatuer fan it austenyt, wurdt de lingte fan 'e tried yn elke tried koarter. Dizze weromlûking aktivearret de beweechbere earm-subassemblage. Doe't de spanning yn deselde syklus op nul steld waard, waard de ferwaarme SMA-tried ôfkuolle ûnder de temperatuer fan it martensietoerflak, wêrtroch't er weromkaam nei syn oarspronklike posysje. Under nulspanningsomstannichheden wurdt de SMA-tried earst passyf útrekt troch in biasfear om de ûntwinne martensityske steat te berikken. De skroef, dêr't de SMA-tried trochhinne giet, beweecht troch de kompresje dy't ûntstiet troch it tapassen fan in spanningspuls op 'e SMA-tried (SPA berikt de austenytfaze), wat liedt ta de aktivearring fan 'e beweechbere hendel. As de SMA-tried ynlutsen wurdt, makket de biasfear in tsjinoerstelde krêft troch de fear fierder út te rekken. As de spanning yn 'e ympulsspanning nul wurdt, wurdt de SMA-tried langer en feroaret fan foarm troch twongen konveksjekoeling, wêrtroch't in dûbele martensityske faze berikt wurdt.
It foarstelde SMA-basearre lineêre aktuatorsysteem hat in bimodale konfiguraasje wêryn't de SMA-triedden hoekich binne. (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) in boppe-oansicht fan it prototype sjen lit mei elektryske ferbiningen en biasfearren en spanningsmeters dy't brûkt binne, toant (d) in perspektyfwerjefte fan 'e opset. (e) Diagram fan in lineêr aktuatorsysteem mei SMA-triedden dy't bimodaal pleatst binne op elk momint t, en de rjochting en it ferrin fan 'e fezels en spierkrêft sjen litte. (c) In 2-DOF rotaasjeprismatyske ferbining is foarsteld foar it ynsetten fan in twa-flak SMA-basearre aktuator. Lykas werjûn, stjoert de keppeling lineêre beweging oer fan 'e ûnderste oandriuwing 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 mearlaachse earste-faze oandriuwing.
In eksperimintele stúdzje waard útfierd op it prototype werjûn yn Fig. 9b om de prestaasjes fan in bimodale oandriuwing basearre op SMA te evaluearjen. Lykas werjûn yn Fig. 10a, bestie de eksperimintele opset út in programmeerbere DC-stroomfoarsjenning om ynfierspanning oan 'e SMA-triedden te leverjen. Lykas werjûn yn Fig. 10b, waard in piëzoelektryske spanningsmeter (PACEline CFT/5kN) brûkt om de blokkearjende krêft te mjitten mei in Graphtec GL-2000 datalogger. De gegevens wurde troch de host opnommen foar fierdere stúdzje. Rekstrookjes en ladingfersterkers hawwe in konstante stroomfoarsjenning nedich om in spanningssignaal te produsearjen. De oerienkommende sinjalen wurde omset yn krêftútfier neffens de gefoelichheid fan 'e piëzoelektryske krêftsensor en oare parameters lykas beskreaun yn Tabel 2. As in spanningspuls wurdt tapast, nimt de temperatuer fan 'e SMA-tried ta, wêrtroch't de SMA-tried komprimearret, wêrtroch't de aktuator krêft genereart. De eksperimintele resultaten fan 'e útfier fan spierkrêft troch in ynfierspanningspuls fan 7 V wurde werjûn yn Fig. 2a.
(a) In SMA-basearre lineêr aktuatorsysteem waard ynsteld yn it eksperimint om de krêft te mjitten dy't troch de aktuator generearre wurdt. De loadsel mjit de blokkearjende krêft en wurdt oandreaun troch in 24 V DC-stroomfoarsjenning. In spanningsfal fan 7 V waard oer de hiele lingte fan 'e kabel tapast mei in programmeerbere GW Instek DC-stroomfoarsjenning. De SMA-tried 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 foar it mjitten fan spierkrêft sjen lit.
Foarmûnthâldlegeringen wurde oanstutsen troch termyske enerzjy, sadat temperatuer in wichtige parameter wurdt foar it bestudearjen fan it foarmûnthâldferskynsel. Eksperiminteel, lykas te sjen is yn Fig. 11a, waarden termyske ôfbylding en temperatuermjittingen útfierd op in prototype SMA-basearre divalerate aktuator. In programmeerbere DC-boarne paste ynfierspanning ta op 'e SMA-triedden yn 'e eksperimintele opset, lykas te sjen is yn Figuer 11b. De temperatuerferoaring fan 'e SMA-tried waard yn realtime metten mei in LWIR-kamera mei hege resolúsje (FLIR A655sc). De host brûkt de ResearchIR-software om gegevens op te nimmen foar fierdere neiferwurking. As in spanningspuls wurdt tapast, nimt de temperatuer fan 'e SMA-tried ta, wêrtroch't de SMA-tried krimpt. Op fig. Figuer 2b toant de eksperimintele resultaten fan 'e SMA-triedtemperatuer versus tiid foar in 7V ynfierspanningspuls.
Pleatsingstiid: 28 septimber 2022
