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एक्ट्यूएटर्स का उपयोग हर जगह किया जाता है और विनिर्माण और औद्योगिक स्वचालन में विभिन्न संचालन करने के लिए सही उत्तेजना बल या टॉर्क लगाकर नियंत्रित गति बनाते हैं। तेज, छोटे और अधिक कुशल ड्राइव की आवश्यकता ड्राइव डिजाइन में नवाचार को बढ़ावा दे रही है। शेप मेमोरी अलॉय (SMA) ड्राइव पारंपरिक ड्राइव की तुलना में कई लाभ प्रदान करते हैं, जिसमें उच्च शक्ति-से-वजन अनुपात शामिल है। इस शोध प्रबंध में, एक दो-पंख वाला SMA-आधारित एक्ट्यूएटर विकसित किया गया था जो जैविक प्रणालियों की पंखदार मांसपेशियों के लाभों और SMA के अद्वितीय गुणों को जोड़ता है। यह अध्ययन द्विविध SMA तार व्यवस्था के आधार पर नए एक्ट्यूएटर का गणितीय मॉडल विकसित करके और प्रयोगात्मक रूप से इसका परीक्षण करके पिछले SMA एक्ट्यूएटर्स की खोज और विस्तार करता है। SMA पर आधारित ज्ञात ड्राइव की तुलना में, नए ड्राइव का एक्ट्यूएशन बल कम से कम 5 गुना अधिक (150 N तक) है। संबंधित वजन में कमी लगभग 67% है। गणितीय मॉडल के संवेदनशीलता विश्लेषण के परिणाम डिजाइन मापदंडों को ट्यून करने और प्रमुख मापदंडों को समझने के लिए उपयोगी हैं। यह अध्ययन आगे एक बहु-स्तरीय Nth स्टेज ड्राइव प्रस्तुत करता है जिसका उपयोग गतिशीलता को और बढ़ाने के लिए किया जा सकता है। एसएमए-आधारित डिपवैलरेट मांसपेशी एक्ट्यूएटर्स के अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला है, भवन स्वचालन से लेकर सटीक दवा वितरण प्रणालियों तक।
जैविक प्रणालियाँ, जैसे स्तनधारियों की पेशी संरचनाएँ, कई सूक्ष्म प्रेरकों को सक्रिय कर सकती हैं1. स्तनधारियों में अलग-अलग पेशी संरचनाएँ होती हैं, जिनमें से प्रत्येक एक विशिष्ट उद्देश्य की पूर्ति करती है। हालाँकि, स्तनधारी पेशी ऊतक की अधिकांश संरचना को दो व्यापक श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है। समानांतर और पेनेट। हैमस्ट्रिंग और अन्य फ्लेक्सर्स में, जैसा कि नाम से पता चलता है, समानांतर मांसलता में केंद्रीय कण्डरा के समानांतर मांसपेशी फाइबर होते हैं। मांसपेशी फाइबर की श्रृंखला पंक्तिबद्ध होती है और उनके चारों ओर संयोजी ऊतक द्वारा कार्यात्मक रूप से जुड़ी होती है। हालाँकि इन मांसपेशियों के बारे में कहा जाता है कि उनमें बहुत अधिक भ्रमण (प्रतिशत छोटा होना) होता है, लेकिन उनकी समग्र मांसपेशी शक्ति बहुत सीमित होती है। इसके विपरीत, ट्राइसेप्स काफ मांसपेशी2 (लेटरल गैस्ट्रोक्नेमिअस (जीएल)3, मेडियल गैस्ट्रोक्नेमिअस (जीएम)4 और सोलस (एसओएल)) और एक्सटेंसर फेमोरिस (क्वाड्रिसेप्स)5,6 में प्रत्येक मांसपेशी7 में पेनेट मांसपेशी ऊतक पाया जाता है। पिननेट संरचना में, द्विपेंनेट मांसलता में मांसपेशी फाइबर केंद्रीय कण्डरा के दोनों ओर तिरछे कोणों (पिननेट कोण) पर मौजूद होते हैं। पेनेट लैटिन शब्द "पेना" से आया है, जिसका अर्थ है "कलम", और, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, इसमें पंख जैसा रूप है। पेनेट मांसपेशियों के तंतु छोटे होते हैं और मांसपेशियों के अनुदैर्ध्य अक्ष पर कोण बनाते हैं। पिननेट संरचना के कारण, इन मांसपेशियों की समग्र गतिशीलता कम हो जाती है, जो छोटी होने की प्रक्रिया के अनुप्रस्थ और अनुदैर्ध्य घटकों की ओर ले जाती है। दूसरी ओर, इन मांसपेशियों की सक्रियता शारीरिक क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र को मापने के तरीके के कारण समग्र मांसपेशियों की ताकत को बढ़ाती है। इसलिए, किसी दिए गए क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र के लिए, पेनेट मांसपेशियां अधिक मजबूत होंगी और समानांतर तंतुओं वाली मांसपेशियों की तुलना में अधिक बल उत्पन्न करेंगी। व्यक्तिगत तंतुओं द्वारा उत्पन्न बल उस मांसपेशी ऊतक में मैक्रोस्कोपिक स्तर पर मांसपेशी बल उत्पन्न करते हैं। इसके अलावा, इसमें तेजी से सिकुड़न, तन्य क्षति से सुरक्षा, कुशनिंग जैसे अनोखे गुण हैं। यह मांसपेशी क्रिया रेखाओं से जुड़ी फाइबर व्यवस्था की अनूठी विशेषताओं और ज्यामितीय जटिलता का उपयोग करके फाइबर इनपुट और मांसपेशी शक्ति आउटपुट के बीच के संबंध को बदल देता है।
उदाहरण के लिए, (ए), स्पर्श बल की परस्पर क्रिया को दर्शाता है जिसमें एसएमए तारों द्वारा संचालित एक हाथ के आकार का उपकरण दो-पहिया स्वायत्त मोबाइल रोबोट9,10 पर लगाया जाता है। , (बी) रोबोटिक ऑर्बिटल प्रोस्थेसिस जिसमें विरोधी रूप से रखे गए एसएमए स्प्रिंग-लोडेड ऑर्बिटल प्रोस्थेसिस होते हैं। कृत्रिम आंख की स्थिति को आंख की ओकुलर मांसपेशी से एक संकेत द्वारा नियंत्रित किया जाता है11, (सी) एसएमए एक्ट्यूएटर अपनी उच्च आवृत्ति प्रतिक्रिया और कम बैंडविड्थ के कारण पानी के नीचे के अनुप्रयोगों के लिए आदर्श हैं। इस विन्यास में, एसएमए एक्ट्यूएटर्स का उपयोग मछली की गति का अनुकरण करके तरंग गति बनाने के लिए किया जाता है, (डी) एसएमए एक्ट्यूएटर्स का उपयोग एक माइक्रो पाइप निरीक्षण रोबोट बनाने के लिए किया जाता है जो इंच वर्म गति सिद्धांत का उपयोग कर सकता है, जो चैनल 10 के अंदर एसएमए तारों की गति से नियंत्रित होता है, (ई) संकुचन मांसपेशी फाइबर की दिशा दिखाता है और गैस्ट्रोक्नेमिअस ऊतक में संकुचन बल उत्पन्न करता है, (एफ) पेनेट मांसपेशी संरचना में मांसपेशी फाइबर के रूप में व्यवस्थित एसएमए तारों को दिखाता है।
एक्ट्यूएटर अपने अनुप्रयोगों की विस्तृत श्रृंखला के कारण यांत्रिक प्रणालियों का एक महत्वपूर्ण हिस्सा बन गए हैं। इसलिए, छोटे, तेज़ और अधिक कुशल ड्राइव की आवश्यकता महत्वपूर्ण हो जाती है। अपने लाभों के बावजूद, पारंपरिक ड्राइव महंगी और रखरखाव में समय लेने वाली साबित हुई हैं। हाइड्रोलिक और वायवीय एक्ट्यूएटर जटिल और महंगे हैं और पहनने, स्नेहन समस्याओं और घटक विफलता के अधीन हैं। मांग के जवाब में, स्मार्ट सामग्रियों के आधार पर लागत प्रभावी, आकार-अनुकूलित और उन्नत एक्ट्यूएटर विकसित करने पर ध्यान केंद्रित किया जाता है। चल रहे शोध इस आवश्यकता को पूरा करने के लिए शेप मेमोरी एलॉय (SMA) स्तरित एक्ट्यूएटर पर विचार कर रहे हैं। पदानुक्रमित एक्ट्यूएटर इस मायने में अद्वितीय हैं कि वे बढ़ी हुई और विस्तारित कार्यक्षमता प्रदान करने के लिए ज्यामितीय रूप से जटिल मैक्रो स्केल सबसिस्टम में कई असतत एक्ट्यूएटर को जोड़ते हैं। इस संबंध में, ऊपर वर्णित मानव मांसपेशी ऊतक ऐसे बहुस्तरीय एक्ट्यूएशन का एक उत्कृष्ट बहुस्तरीय उदाहरण प्रदान करता है। वर्तमान अध्ययन में कई अलग-अलग ड्राइव तत्वों (SMA तारों) के साथ एक बहु-स्तरीय SMA ड्राइव का वर्णन किया गया है जो द्विध्रुवीय मांसपेशियों में मौजूद फाइबर अभिविन्यासों से जुड़े हैं, जो समग्र ड्राइव प्रदर्शन को बेहतर बनाता है।
एक एक्ट्यूएटर का मुख्य उद्देश्य विद्युत ऊर्जा को परिवर्तित करके बल और विस्थापन जैसे यांत्रिक शक्ति आउटपुट उत्पन्न करना है। आकार स्मृति मिश्र धातु "स्मार्ट" सामग्रियों का एक वर्ग है जो उच्च तापमान पर अपने आकार को बहाल कर सकते हैं। उच्च भार के तहत, SMA तार के तापमान में वृद्धि से आकार की वसूली होती है, जिसके परिणामस्वरूप विभिन्न सीधे बंधे हुए स्मार्ट सामग्रियों की तुलना में उच्च सक्रियण ऊर्जा घनत्व होता है। उसी समय, यांत्रिक भार के तहत, SMA भंगुर हो जाते हैं। कुछ स्थितियों के तहत, एक चक्रीय भार यांत्रिक ऊर्जा को अवशोषित और जारी कर सकता है, प्रतिवर्ती हिस्टेरेटिक आकार परिवर्तन प्रदर्शित करता है। ये अद्वितीय गुण SMA को सेंसर, कंपन भिगोना और विशेष रूप से एक्ट्यूएटर12 के लिए आदर्श बनाते हैं। इसे ध्यान में रखते हुए, SMA-आधारित ड्राइव में बहुत सारे शोध हुए हैं। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि SMA-आधारित एक्ट्यूएटर विभिन्न अनुप्रयोगों13,14,15 के लिए ट्रांसलेशनल और रोटरी गति प्रदान करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। हालाँकि कुछ रोटरी एक्ट्यूएटर विकसित किए गए हैं, लेकिन शोधकर्ता विशेष रूप से रैखिक एक्ट्यूएटर में रुचि रखते हैं। इन रैखिक एक्ट्यूएटर्स को तीन प्रकार के एक्ट्यूएटर्स में विभाजित किया जा सकता है: एक-आयामी, विस्थापन और अंतर एक्ट्यूएटर्स 16। प्रारंभ में, हाइब्रिड ड्राइव को SMA और अन्य पारंपरिक ड्राइव के संयोजन में बनाया गया था। SMA-आधारित हाइब्रिड रैखिक एक्ट्यूएटर का एक ऐसा उदाहरण लगभग 100 N का आउटपुट बल और महत्वपूर्ण विस्थापन17 प्रदान करने के लिए DC मोटर के साथ SMA तार का उपयोग है।
SMA पर आधारित ड्राइव में सबसे पहले विकास में से एक SMA समानांतर ड्राइव था। कई SMA तारों का उपयोग करते हुए, SMA-आधारित समानांतर ड्राइव को सभी SMA18 तारों को समानांतर में रखकर ड्राइव की शक्ति क्षमता बढ़ाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। एक्ट्यूएटर्स के समानांतर कनेक्शन के लिए न केवल अधिक शक्ति की आवश्यकता होती है, बल्कि यह एकल तार की आउटपुट शक्ति को भी सीमित करता है। SMA आधारित एक्ट्यूएटर्स का एक और नुकसान सीमित यात्रा है जिसे वे प्राप्त कर सकते हैं। इस समस्या को हल करने के लिए, विस्थापन को बढ़ाने और रैखिक गति प्राप्त करने के लिए एक विक्षेपित लचीली बीम युक्त एक SMA केबल बीम बनाया गया था, लेकिन इससे उच्च बल उत्पन्न नहीं हुए19. आकार स्मृति मिश्र धातुओं पर आधारित रोबोट के लिए नरम विकृत संरचनाएं और कपड़े मुख्य रूप से प्रभाव प्रवर्धन20,21,22 के लिए विकसित किए गए हैं। ऐसे अनुप्रयोगों के लिए जहां उच्च गति की आवश्यकता होती है, माइक्रोपंप संचालित अनुप्रयोगों के लिए पतली फिल्म SMA का उपयोग करके कॉम्पैक्ट संचालित पंपों की रिपोर्ट की गई है23। पतली फिल्म SMA झिल्ली की ड्राइव आवृत्ति ड्राइवर की गति को नियंत्रित करने में एक महत्वपूर्ण कारक है। इसलिए, SMA रैखिक मोटर्स में SMA स्प्रिंग या रॉड मोटर्स की तुलना में बेहतर गतिशील प्रतिक्रिया होती है। सॉफ्ट रोबोटिक्स और ग्रिपिंग तकनीक दो अन्य अनुप्रयोग हैं जो SMA-आधारित एक्ट्यूएटर्स का उपयोग करते हैं। उदाहरण के लिए, 25 N स्पेस क्लैंप में उपयोग किए जाने वाले मानक एक्ट्यूएटर को बदलने के लिए, एक शेप मेमोरी एलॉय पैरेलल एक्ट्यूएटर 24 विकसित किया गया था। दूसरे मामले में, एक SMA सॉफ्ट एक्ट्यूएटर को एक तार के आधार पर बनाया गया था जिसमें एक एम्बेडेड मैट्रिक्स था जो 30 N का अधिकतम खींचने वाला बल उत्पन्न करने में सक्षम था। उनके यांत्रिक गुणों के कारण, SMA का उपयोग ऐसे एक्ट्यूएटर्स बनाने के लिए भी किया जाता है जो जैविक घटनाओं की नकल करते हैं। ऐसे ही एक विकास में एक 12-कोशिका रोबोट शामिल है जो SMA के साथ केंचुआ जैसे जीव का बायोमिमेटिक है जो आग के लिए साइनसोइडल गति उत्पन्न करता है26,27।
जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, मौजूदा SMA-आधारित एक्ट्यूएटर्स से प्राप्त किए जा सकने वाले अधिकतम बल की एक सीमा है। इस मुद्दे को संबोधित करने के लिए, यह अध्ययन एक बायोमिमेटिक बाइमॉडल मांसपेशी संरचना प्रस्तुत करता है। आकार स्मृति मिश्र धातु तार द्वारा संचालित। यह एक वर्गीकरण प्रणाली प्रदान करता है जिसमें कई आकार स्मृति मिश्र धातु तार शामिल हैं। आज तक, साहित्य में समान वास्तुकला वाले किसी भी SMA-आधारित एक्ट्यूएटर की सूचना नहीं दी गई है। SMA पर आधारित इस अनूठी और उपन्यास प्रणाली को बाइमॉडल मांसपेशी संरेखण के दौरान SMA के व्यवहार का अध्ययन करने के लिए विकसित किया गया था। मौजूदा SMA-आधारित एक्ट्यूएटर्स की तुलना में, इस अध्ययन का लक्ष्य एक छोटे आयतन में काफी अधिक बल उत्पन्न करने के लिए एक बायोमिमेटिक डिपवेलरेट एक्ट्यूएटर बनाना था। इस तरह के सिस्टम के यांत्रिक व्यवहार का अध्ययन प्रयोगात्मक और विश्लेषणात्मक तरीकों से किया गया है। 7 V के इनपुट वोल्टेज पर बल और तापमान वितरण की आगे जांच की गई। इसके बाद, प्रमुख मापदंडों और आउटपुट बल के बीच के संबंध को बेहतर ढंग से समझने के लिए एक पैरामीट्रिक विश्लेषण किया गया। अंत में, पदानुक्रमित एक्ट्यूएटर्स की कल्पना की गई है और कृत्रिम अनुप्रयोगों के लिए गैर-चुंबकीय एक्ट्यूएटर्स के लिए संभावित भविष्य के क्षेत्र के रूप में पदानुक्रमित स्तर के प्रभावों का प्रस्ताव दिया गया है। उपर्युक्त अध्ययनों के परिणामों के अनुसार, एकल-चरण वास्तुकला का उपयोग रिपोर्ट किए गए SMA-आधारित एक्ट्यूएटर्स की तुलना में कम से कम चार से पांच गुना अधिक बल उत्पन्न करता है। इसके अलावा, एक बहु-स्तरीय बहु-स्तरीय ड्राइव द्वारा उत्पन्न समान ड्राइव बल पारंपरिक SMA-आधारित ड्राइव के दस गुना से अधिक दिखाया गया है। फिर अध्ययन विभिन्न डिज़ाइनों और इनपुट चर के बीच संवेदनशीलता विश्लेषण का उपयोग करके प्रमुख मापदंडों की रिपोर्ट करता है। एसएमए तार की प्रारंभिक लंबाई (\(l_0\)), पिननेट कोण (\(\alpha\)) और प्रत्येक व्यक्तिगत स्ट्रैंड में एकल स्ट्रैंड (n) की संख्या का ड्राइविंग बल के परिमाण पर एक मजबूत नकारात्मक प्रभाव पड़ता है। ताकत, जबकि इनपुट वोल्टेज (ऊर्जा) सकारात्मक रूप से सहसंबंधित हो गई।
एसएमए तार निकेल-टाइटेनियम (नी-टीआई) मिश्रधातु परिवार में देखी जाने वाली आकृति स्मृति प्रभाव (एसएमई) प्रदर्शित करता है। आम तौर पर, एसएमए दो तापमान पर निर्भर चरणों को प्रदर्शित करता है: एक कम तापमान चरण और एक उच्च तापमान चरण। दोनों चरणों में अलग-अलग क्रिस्टल संरचनाओं की उपस्थिति के कारण अद्वितीय गुण होते हैं। परिवर्तन तापमान से ऊपर मौजूद ऑस्टेनाइट चरण (उच्च तापमान चरण) में, सामग्री उच्च शक्ति प्रदर्शित करती है और लोड के तहत खराब रूप से विकृत होती है। मिश्रधातु स्टेनलेस स्टील की तरह व्यवहार करती है, इसलिए यह उच्च सक्रियण दबावों का सामना करने में सक्षम है। नी-टीआई मिश्रधातुओं की इस संपत्ति का लाभ उठाते हुए, एसएमए तारों को एक सक्रियक बनाने के लिए तिरछा किया जाता है। विभिन्न मापदंडों और विभिन्न ज्यामिति के प्रभाव में एसएमए के थर्मल व्यवहार के मौलिक यांत्रिकी को समझने के लिए उपयुक्त विश्लेषणात्मक मॉडल विकसित किए गए हैं। प्रयोगात्मक और विश्लेषणात्मक परिणामों के बीच अच्छा समझौता प्राप्त किया गया।
एसएमए पर आधारित एक द्विविध ड्राइव के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए चित्र 9ए में दिखाए गए प्रोटोटाइप पर एक प्रायोगिक अध्ययन किया गया था। इनमें से दो गुण, ड्राइव द्वारा उत्पन्न बल (मांसपेशी बल) और एसएमए तार का तापमान (एसएमए तापमान), प्रयोगात्मक रूप से मापा गया था। जैसे-जैसे ड्राइव में तार की पूरी लंबाई के साथ वोल्टेज का अंतर बढ़ता है, जूल हीटिंग प्रभाव के कारण तार का तापमान बढ़ता है। इनपुट वोल्टेज को दो 10-सेकंड चक्रों (चित्र 2ए, बी में लाल बिंदुओं के रूप में दिखाया गया है) में लागू किया गया था, जिसमें प्रत्येक चक्र के बीच 15-सेकंड की शीतलन अवधि थी। अवरोधक बल को पीजोइलेक्ट्रिक स्ट्रेन गेज का उपयोग करके मापा गया था, और एसएमए तार के तापमान वितरण को वैज्ञानिक-ग्रेड उच्च-रिज़ॉल्यूशन LWIR कैमरा (तालिका 2 में उपयोग किए गए उपकरणों की विशेषताओं को देखें) का उपयोग करके वास्तविक समय में मॉनिटर किया गया था। दिखाता है कि उच्च वोल्टेज चरण के दौरान, तार का तापमान एकरस रूप से बढ़ता है, लेकिन जब कोई करंट प्रवाहित नहीं होता है, तो तार का तापमान गिरना जारी रहता है। वर्तमान प्रायोगिक सेटअप में, शीतलन चरण के दौरान SMA तार का तापमान गिरा, लेकिन यह अभी भी परिवेश के तापमान से ऊपर था। चित्र 2e में LWIR कैमरे से लिए गए SMA तार पर तापमान का एक स्नैपशॉट दिखाया गया है। दूसरी ओर, चित्र 2a में ड्राइव सिस्टम द्वारा उत्पन्न अवरोधक बल दिखाया गया है। जब मांसपेशी बल स्प्रिंग के पुनर्स्थापना बल से अधिक हो जाता है, तो चल भुजा, जैसा कि चित्र 9a में दिखाया गया है, हिलना शुरू कर देती है। जैसे ही सक्रियण शुरू होता है, चल भुजा सेंसर के संपर्क में आती है, जिससे एक शारीरिक बल बनता है, जैसा कि चित्र 2c, d में दिखाया गया है। जब अधिकतम तापमान \(84\,^{\circ}\hbox {C}\) के करीब होता है, तो अधिकतम देखा गया बल 105 N होता है।
ग्राफ SMA तार के तापमान और दो चक्रों के दौरान SMA-आधारित द्विविधा प्रवर्तक द्वारा उत्पन्न बल के प्रयोगात्मक परिणामों को दर्शाता है। इनपुट वोल्टेज को दो 10 सेकंड चक्रों (लाल बिंदुओं के रूप में दिखाया गया है) में लागू किया जाता है, जिसमें प्रत्येक चक्र के बीच 15 सेकंड की कूल डाउन अवधि होती है। प्रयोगों के लिए इस्तेमाल किया गया SMA तार Dynalloy, Inc. का 0.51 मिमी व्यास वाला फ्लेक्सिनॉल तार था। (a) ग्राफ दो चक्रों में प्राप्त प्रयोगात्मक बल को दर्शाता है, (c, d) PACEline CFT/5kN पीजोइलेक्ट्रिक बल ट्रांसड्यूसर पर मूविंग आर्म एक्ट्यूएटर्स की क्रिया के दो स्वतंत्र उदाहरण दिखाता है, (b) ग्राफ दो चक्रों के दौरान पूरे SMA तार का अधिकतम तापमान दिखाता है, (e) FLIR ResearchIR सॉफ़्टवेयर LWIR कैमरा का उपयोग करके SMA तार से लिया गया तापमान स्नैपशॉट दिखाता है। प्रयोगों में ध्यान में रखे गए ज्यामितीय पैरामीटर तालिका एक में दिए गए हैं।
गणितीय मॉडल के सिमुलेशन परिणामों और प्रयोगात्मक परिणामों की तुलना 7V के इनपुट वोल्टेज की स्थिति के तहत की जाती है, जैसा कि चित्र 5 में दिखाया गया है। पैरामीट्रिक विश्लेषण के परिणामों के अनुसार और SMA तार के अधिक गर्म होने की संभावना से बचने के लिए, एक्ट्यूएटर को 11.2 W की शक्ति की आपूर्ति की गई थी। इनपुट वोल्टेज के रूप में 7V की आपूर्ति करने के लिए एक प्रोग्रामेबल DC बिजली की आपूर्ति का उपयोग किया गया था, और तार में 1.6A का करंट मापा गया था। करंट लगाने पर ड्राइव द्वारा उत्पन्न बल और SDR का तापमान बढ़ जाता है। 7V के इनपुट वोल्टेज के साथ, पहले चक्र के सिमुलेशन परिणामों और प्रयोगात्मक परिणामों से प्राप्त अधिकतम आउटपुट बल क्रमशः 78 N और 96 N है। दूसरे चक्र में, सिमुलेशन और प्रयोगात्मक परिणामों का अधिकतम आउटपुट बल क्रमशः 150 N और 105 N था। 5a लॉकिंग बल के माप के अनुरूप है, जिसे बदले में तब मापा गया था जब ड्राइव शाफ्ट PACEline CFT/5kN पीजोइलेक्ट्रिक बल ट्रांसड्यूसर के संपर्क में था, जैसा कि चित्र 2s में दिखाया गया है। इसलिए, जब ड्राइव शाफ्ट कूलिंग ज़ोन की शुरुआत में बल सेंसर के संपर्क में नहीं होता है, तो बल तुरंत शून्य हो जाता है, जैसा कि चित्र 2d में दिखाया गया है। इसके अलावा, अन्य पैरामीटर जो बाद के चक्रों में बल के गठन को प्रभावित करते हैं, वे हैं कूलिंग समय के मान और पिछले चक्र में संवहन ताप हस्तांतरण का गुणांक। चित्र 2b से, यह देखा जा सकता है कि 15 सेकंड की कूलिंग अवधि के बाद, SMA तार कमरे के तापमान तक नहीं पहुंचा और इसलिए पहले चक्र (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)) की तुलना में दूसरे ड्राइविंग चक्र में एक उच्च प्रारंभिक तापमान (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) था। इस प्रकार, पहले चक्र की तुलना में, दूसरे हीटिंग चक्र के दौरान एसएमए तार का तापमान प्रारंभिक ऑस्टेनाइट तापमान (\(A_s\)) तक पहले पहुँच जाता है और संक्रमण काल में लंबे समय तक रहता है, जिसके परिणामस्वरूप तनाव और बल उत्पन्न होता है। दूसरी ओर, प्रयोगों और सिमुलेशन से प्राप्त हीटिंग और कूलिंग चक्रों के दौरान तापमान वितरण में थर्मोग्राफिक विश्लेषण के उदाहरणों के साथ उच्च गुणात्मक समानता है। प्रयोगों और सिमुलेशन से एसएमए तार थर्मल डेटा के तुलनात्मक विश्लेषण ने हीटिंग और कूलिंग चक्रों के दौरान और प्रयोगात्मक डेटा के लिए स्वीकार्य सहनशीलता के भीतर स्थिरता दिखाई। पहले चक्र के सिमुलेशन और प्रयोगों के परिणामों से प्राप्त एसएमए तार का अधिकतम तापमान क्रमशः \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) और \(75\,^{\circ }\hbox { C }\, है), और दूसरे चक्र में एसएमए तार का अधिकतम तापमान \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) और \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\) है। मौलिक रूप से विकसित मॉडल आकार स्मृति प्रभाव के प्रभाव की पुष्टि करता है। इस समीक्षा में थकान और अधिक गर्मी की भूमिका पर विचार नहीं किया गया। भविष्य में, मॉडल को SMA तार के तनाव इतिहास को शामिल करने के लिए सुधारा जाएगा, जिससे यह इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों के लिए अधिक उपयुक्त हो जाएगा। सिमुलिंक ब्लॉक से प्राप्त ड्राइव आउटपुट बल और SMA तापमान प्लॉट 7 V के इनपुट वोल्टेज पल्स की स्थिति के तहत प्रायोगिक डेटा की स्वीकार्य सहनशीलता के भीतर हैं। यह विकसित गणितीय मॉडल की शुद्धता और विश्वसनीयता की पुष्टि करता है।
गणितीय मॉडल को मैथवर्क्स सिमुलिंक R2020b वातावरण में विधि अनुभाग में वर्णित मूल समीकरणों का उपयोग करके विकसित किया गया था। चित्र 3b में सिमुलिंक गणित मॉडल का एक ब्लॉक आरेख दिखाया गया है। मॉडल को 7V इनपुट वोल्टेज पल्स के लिए सिम्युलेट किया गया था जैसा कि चित्र 2a, b में दिखाया गया है। सिमुलेशन में उपयोग किए गए मापदंडों के मान तालिका 1 में सूचीबद्ध हैं। क्षणिक प्रक्रियाओं के सिमुलेशन के परिणाम चित्र 1 और 1 में प्रस्तुत किए गए हैं। चित्र 3a और 4। चित्र 4a, b में SMA तार में प्रेरित वोल्टेज और समय के एक फ़ंक्शन के रूप में एक्ट्यूएटर द्वारा उत्पन्न बल दिखाया गया है। रिवर्स ट्रांसफॉर्मेशन (हीटिंग) के दौरान, जब एसएमए तार का तापमान, \(T < A_s^{\prime}\) (तनाव-संशोधित ऑस्टेनाइट चरण प्रारंभ तापमान), मार्टेंसाइट वॉल्यूम अंश (\(\dot{\xi }\)) के परिवर्तन की दर शून्य होगी। रिवर्स ट्रांसफॉर्मेशन (हीटिंग) के दौरान, जब एसएमए तार का तापमान, \(T < A_s^{\prime}\) (तनाव-संशोधित ऑस्टेनाइट चरण प्रारंभ तापमान), मार्टेंसाइट वॉल्यूम अंश (\(\dot{\ xi }\)) के परिवर्तन की दर शून्य होगी। Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\ prime}\) (температура начала аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. रिवर्स ट्रांसफॉर्मेशन (हीटिंग) के दौरान, जब एसएमए तार का तापमान, \(T < A_s^{\prime}\) (तनाव-संशोधित ऑस्टेनाइट प्रारंभ तापमान), मार्टेंसाइट वॉल्यूम अंश (\(\dot{\ xi }\ )) के परिवर्तन की दर शून्य होगी।在反向转变（加热）过程中,当SMA 线温度\(T < A_s^{\प्राइम}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\))将为零.在 反向 转变 （加热） 中 , 当 当 当 线 温度 \ (t
(ए) एसएमए-आधारित डाइवेलरेट एक्ट्यूएटर में तापमान वितरण और तनाव-प्रेरित जंक्शन तापमान को दर्शाने वाला सिमुलेशन परिणाम। जब वायर तापमान हीटिंग चरण में ऑस्टेनाइट संक्रमण तापमान को पार कर जाता है, तो संशोधित ऑस्टेनाइट संक्रमण तापमान बढ़ना शुरू हो जाता है, और इसी तरह, जब वायर रॉड तापमान कूलिंग चरण में मार्टेंसिटिक संक्रमण तापमान को पार कर जाता है, तो मार्टेंसिटिक संक्रमण तापमान कम हो जाता है। एक्ट्यूएशन प्रक्रिया के विश्लेषणात्मक मॉडलिंग के लिए एसएमए। (सिमुलिंक मॉडल के प्रत्येक सबसिस्टम के विस्तृत दृश्य के लिए, पूरक फ़ाइल के परिशिष्ट अनुभाग को देखें।)
विभिन्न पैरामीटर वितरण के लिए विश्लेषण के परिणाम 7V इनपुट वोल्टेज (10 सेकंड वार्म अप चक्र और 15 सेकंड कूल डाउन चक्र) के दो चक्रों के लिए दिखाए गए हैं। जबकि (एसी) और (ई) समय के साथ वितरण को दर्शाते हैं, दूसरी ओर, (डी) और (एफ) तापमान के साथ वितरण को दर्शाते हैं। संबंधित इनपुट स्थितियों के लिए, अधिकतम देखा गया तनाव 106 एमपीए (345 एमपीए से कम, तार उपज शक्ति) है, बल 150 एन है, अधिकतम विस्थापन 270 µm है, और न्यूनतम मार्टेंसिटिक वॉल्यूम अंश 0.91 है। दूसरी ओर, तनाव में परिवर्तन और तापमान के साथ मार्टेंसाइट के वॉल्यूम अंश में परिवर्तन हिस्टैरिसीस विशेषताओं के समान हैं।
यही व्याख्या ऑस्टेनाइट चरण से मार्टेंसाइट चरण में सीधे परिवर्तन (शीतलन) पर भी लागू होती है, जहां एसएमए तार का तापमान (टी) और तनाव-संशोधित मार्टेंसाइट चरण का अंतिम तापमान (\(M_f^{\prime}\ )) उत्कृष्ट है। चित्र 4d,f में दोनों ड्राइविंग चक्रों के लिए एसएमए तार के तापमान में परिवर्तन (टी) के एक फंक्शन के रूप में एसएमए तार में प्रेरित तनाव (\(\sigma\)) और मार्टेंसाइट के आयतन अंश (\(\xi\)) में परिवर्तन दिखाया गया है। चित्र 3a में इनपुट वोल्टेज पल्स के आधार पर समय के साथ एसएमए तार के तापमान में परिवर्तन दिखाया गया है। जैसा कि चित्र से देखा जा सकता है, तार का तापमान शून्य वोल्टेज पर एक ताप स्रोत प्रदान करने और बाद में संवहनीय शीतलन द्वारा बढ़ना जारी रखता है। गर्म करने के दौरान, मार्टेंसाइट का ऑस्टेनाइट चरण में पुनः रूपांतरण तब शुरू होता है जब SMA तार का तापमान (T) तनाव-संशोधित ऑस्टेनाइट न्यूक्लिएशन तापमान (\(A_s^{\prime}\)) को पार कर जाता है। इस चरण के दौरान, SMA तार को संपीड़ित किया जाता है और एक्ट्यूएटर बल उत्पन्न करता है। ठंडा करने के दौरान भी, जब SMA तार (T) का तापमान तनाव-संशोधित मार्टेंसाइट चरण (\(M_s^{\prime}\)) के न्यूक्लिएशन तापमान को पार कर जाता है, तो ऑस्टेनाइट चरण से मार्टेंसाइट चरण में एक सकारात्मक संक्रमण होता है। ड्राइव बल कम हो जाता है।
एसएमए पर आधारित द्विविधा ड्राइव के मुख्य गुणात्मक पहलुओं को सिमुलेशन परिणामों से प्राप्त किया जा सकता है। वोल्टेज पल्स इनपुट के मामले में, जूल हीटिंग प्रभाव के कारण एसएमए तार का तापमान बढ़ जाता है। मार्टेंसाइट वॉल्यूम अंश (\(\xi\)) का प्रारंभिक मान 1 पर सेट किया जाता है, क्योंकि सामग्री शुरू में पूरी तरह से मार्टेंसाइटिक चरण में होती है। जैसे-जैसे तार गर्म होता जाता है, एसएमए तार का तापमान तनाव-सही ऑस्टेनाइट न्यूक्लिएशन तापमान \(A_s^{\prime}\) से अधिक हो जाता है, जिसके परिणामस्वरूप मार्टेंसाइट वॉल्यूम अंश में कमी आती है, जैसा कि चित्र 4c में दिखाया गया है। इसके अलावा, चित्र 4e समय में एक्ट्यूएटर के स्ट्रोक का वितरण दिखाता है, और चित्र 5 - समय के एक फ़ंक्शन के रूप में ड्राइविंग बल दिखाता है। समीकरणों की एक संबंधित प्रणाली में तापमान, मार्टेंसाइट वॉल्यूम अंश और तनाव शामिल होता है जो तार में विकसित होता है, जिसके परिणामस्वरूप एसएमए तार का संकोचन होता है और एक्ट्यूएटर द्वारा उत्पन्न बल होता है। जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। 4d,f, तापमान के साथ वोल्टेज परिवर्तन और तापमान के साथ मार्टेंसाइट आयतन अंश परिवर्तन, 7 V पर सिम्युलेटेड मामले में SMA की हिस्टैरिसीस विशेषताओं के अनुरूप है।
ड्राइविंग मापदंडों की तुलना प्रयोगों और विश्लेषणात्मक गणनाओं के माध्यम से प्राप्त की गई थी। तारों को 10 सेकंड के लिए 7 V के स्पंदित इनपुट वोल्टेज के अधीन किया गया, फिर दो चक्रों में 15 सेकंड (शीतलन चरण) के लिए ठंडा किया गया। पिननेट कोण \(40^{\circ}\) पर सेट किया गया है और प्रत्येक एकल पिन पैर में SMA तार की प्रारंभिक लंबाई 83 मिमी पर सेट की गई है। (ए) लोड सेल के साथ ड्राइविंग बल को मापना (बी) थर्मल इंफ्रारेड कैमरे के साथ तार के तापमान की निगरानी करना।
ड्राइव द्वारा उत्पादित बल पर भौतिक मापदंडों के प्रभाव को समझने के लिए, चयनित भौतिक मापदंडों के लिए गणितीय मॉडल की संवेदनशीलता का विश्लेषण किया गया था, और मापदंडों को उनके प्रभाव के अनुसार रैंक किया गया था। सबसे पहले, मॉडल मापदंडों का नमूना प्रयोगात्मक डिजाइन सिद्धांतों का उपयोग करके किया गया था जो एक समान वितरण का पालन करते थे (संवेदनशीलता विश्लेषण पर पूरक अनुभाग देखें)। इस मामले में, मॉडल मापदंडों में इनपुट वोल्टेज (\(V_{in}\)), प्रारंभिक SMA तार की लंबाई (\(l_0\)), त्रिभुज कोण (\(\alpha\)), बायस स्प्रिंग स्थिरांक (\( K_x\ )), संवहन ताप स्थानांतरण गुणांक (\(h_T\)) और यूनिमोडल शाखाओं की संख्या (n) शामिल हैं। अगले चरण में, अध्ययन डिजाइन की आवश्यकता के रूप में शिखर मांसपेशी शक्ति को चुना गया और ताकत पर चर के प्रत्येक सेट के पैरामीट्रिक प्रभाव प्राप्त किए गए। संवेदनशीलता विश्लेषण के लिए बवंडर प्लॉट प्रत्येक पैरामीटर के लिए सहसंबंध गुणांक से प्राप्त किए गए थे, जैसा कि चित्र 6a में दिखाया गया है।
(ए) मॉडल मापदंडों के सहसंबंध गुणांक मान और उपरोक्त मॉडल मापदंडों के 2500 अद्वितीय समूहों के अधिकतम आउटपुट बल पर उनके प्रभाव को टोरनेडो प्लॉट में दिखाया गया है। ग्राफ कई संकेतकों के रैंक सहसंबंध को दर्शाता है। यह स्पष्ट है कि \(V_{in}\) सकारात्मक सहसंबंध वाला एकमात्र पैरामीटर है, और \(l_0\) सबसे अधिक नकारात्मक सहसंबंध वाला पैरामीटर है। चरम मांसपेशी शक्ति पर विभिन्न संयोजनों में विभिन्न मापदंडों का प्रभाव (बी, सी) में दिखाया गया है। \(K_x\) 400 से 800 N/m तक और n 4 से 24 तक होता है। वोल्टेज (\(V_{in}\)) 4V से 10V में बदल गया, तार की लंबाई (\(l_{0 } \)) 40 से 100 मिमी में बदल गई,
चित्र 6a में पीक ड्राइव बल डिजाइन आवश्यकताओं के साथ प्रत्येक पैरामीटर के लिए विभिन्न सहसंबंध गुणांकों का एक टोरनेडो प्लॉट दिखाया गया है। चित्र 6a से यह देखा जा सकता है कि वोल्टेज पैरामीटर (\(V_{in}\)) सीधे अधिकतम आउटपुट बल से संबंधित है, और संवहनीय ताप हस्तांतरण गुणांक (\(h_T\)), ज्वाला कोण (\ ( \alpha\)), विस्थापन स्प्रिंग स्थिरांक ( \(K_x\)) आउटपुट बल और SMA तार की प्रारंभिक लंबाई (\(l_0\)) के साथ नकारात्मक रूप से सहसंबंधित है, और यूनिमॉडल शाखाओं की संख्या (n) एक मजबूत व्युत्क्रम सहसंबंध दिखाती है प्रत्यक्ष सहसंबंध के मामले में वोल्टेज सहसंबंध गुणांक (\(V_ {in}\)) के उच्च मूल्य के मामले में यह इंगित करता है कि इस पैरामीटर का बिजली उत्पादन पर सबसे बड़ा प्रभाव पड़ता है। एक अन्य समान विश्लेषण दो कम्प्यूटेशनल रिक्त \(V_{in}\) और \(l_0\), \(\alpha\) और \(l_0\) के पैटर्न समान हैं, और ग्राफ दिखाता है कि \(V_{in}\) और \(\alpha\ ) और \(\alpha\) के पैटर्न समान हैं। \(l_0\) के छोटे मानों के परिणामस्वरूप उच्च शिखर बल होते हैं। अन्य दो प्लॉट चित्र 6a के अनुरूप हैं, जहाँ n और \(K_x\) नकारात्मक रूप से सहसंबद्ध हैं और \(V_{in}\) सकारात्मक रूप से सहसंबद्ध हैं। यह विश्लेषण प्रभावित करने वाले मापदंडों को परिभाषित करने और समायोजित करने में मदद करता है जिसके द्वारा ड्राइव सिस्टम के आउटपुट बल, स्ट्रोक और दक्षता को आवश्यकताओं और अनुप्रयोग के लिए अनुकूलित किया जा सकता है।
वर्तमान शोध कार्य एन स्तरों के साथ पदानुक्रमित ड्राइव का परिचय और जांच करता है। दो-स्तरीय पदानुक्रम में, जैसा कि चित्र 7a में दिखाया गया है, जहाँ पहले स्तर के एक्ट्यूएटर के प्रत्येक SMA तार के बजाय, एक द्विध्रुवीय व्यवस्था प्राप्त की जाती है, जैसा कि चित्र 9e में दिखाया गया है। चित्र 7c दिखाता है कि कैसे SMA तार एक चल भुजा (सहायक भुजा) के चारों ओर लपेटा जाता है जो केवल अनुदैर्ध्य दिशा में चलती है। हालाँकि, प्राथमिक चल भुजा उसी तरह चलती रहती है जैसे कि 1 चरण के बहु-चरण एक्ट्यूएटर की चल भुजा चलती है। आमतौर पर, \(N-1\) चरण SMA तार को पहले चरण के ड्राइव से बदलकर एक N-चरण ड्राइव बनाया जाता है। नतीजतन, प्रत्येक शाखा पहले चरण के ड्राइव की नकल करती है, उस शाखा के अपवाद के साथ जो तार को खुद रखती है। इस तरह, नेस्टेड संरचनाएँ बनाई जा सकती हैं जो प्राथमिक ड्राइव के बलों की तुलना में कई गुना अधिक बल बनाती हैं। इस अध्ययन में, प्रत्येक स्तर के लिए, 1 मीटर की कुल प्रभावी एसएमए तार लंबाई को ध्यान में रखा गया था, जैसा कि चित्र 7डी में सारणीबद्ध प्रारूप में दिखाया गया है। प्रत्येक यूनिमॉडल डिजाइन में प्रत्येक तार के माध्यम से करंट और प्रत्येक एसएमए तार सेगमेंट में परिणामी प्रीस्ट्रेस और वोल्टेज प्रत्येक स्तर पर समान होते हैं। हमारे विश्लेषणात्मक मॉडल के अनुसार, आउटपुट बल स्तर के साथ सकारात्मक रूप से सहसंबंधित है, जबकि विस्थापन नकारात्मक रूप से सहसंबंधित है। इसी समय, विस्थापन और मांसपेशी शक्ति के बीच एक व्यापार-बंद था। जैसा कि चित्र 7बी में देखा गया है, जबकि अधिकतम बल सबसे बड़ी संख्या में परतों में प्राप्त किया जाता है, सबसे बड़ा विस्थापन सबसे निचली परत में देखा जाता है। जब पदानुक्रम स्तर \(N=5\) पर सेट किया गया था, मल्टी-लेवल एक्ट्यूएटर वास्तविक जैविक मांसपेशियों की नकल करने में सक्षम हैं, जहां आकार स्मृति मिश्र धातुओं पर आधारित कृत्रिम मांसपेशियां सटीक और महीन आंदोलनों के साथ काफी अधिक बल उत्पन्न करने में सक्षम हैं। इस लघुकृत डिज़ाइन की सीमाएँ यह हैं कि जैसे-जैसे पदानुक्रम बढ़ता है, गति बहुत कम हो जाती है और ड्राइव निर्माण प्रक्रिया की जटिलता बढ़ जाती है।
(a) एक दो-चरण (\(N=2\)) स्तरित आकार स्मृति मिश्र धातु रैखिक एक्ट्यूएटर प्रणाली को द्विमॉडल विन्यास में दिखाया गया है। प्रस्तावित मॉडल को पहले चरण के स्तरित एक्ट्यूएटर में SMA तार को दूसरे एकल चरण के स्तरित एक्ट्यूएटर से प्रतिस्थापित करके प्राप्त किया जाता है। (c) दूसरे चरण के बहुपरत एक्ट्यूएटर का विकृत विन्यास। (b) स्तरों की संख्या के आधार पर बलों और विस्थापनों के वितरण का वर्णन किया गया है। यह पाया गया है कि एक्ट्यूएटर का शिखर बल ग्राफ पर स्केल स्तर के साथ सकारात्मक रूप से सहसंबद्ध है, जबकि स्ट्रोक स्केल स्तर के साथ नकारात्मक रूप से सहसंबद्ध है। प्रत्येक तार में करंट और प्री-वोल्टेज सभी स्तरों पर स्थिर रहते हैं। (d) तालिका प्रत्येक स्तर पर टैप्स की संख्या और SMA तार (फाइबर) की लंबाई दिखाती है उदाहरण के लिए, स्तर 5 पर, \(n_1\) प्रत्येक द्वि-मोडल संरचना में मौजूद एसएमए तारों की संख्या को संदर्भित करता है, और \(n_5\) सहायक पैरों की संख्या को संदर्भित करता है (एक मुख्य पैर से जुड़ा हुआ)।
कई शोधकर्ताओं ने आकार स्मृति के साथ एसएमए के व्यवहार को मॉडल करने के लिए विभिन्न तरीकों का प्रस्ताव दिया है, जो चरण संक्रमण से जुड़े क्रिस्टल संरचना में मैक्रोस्कोपिक परिवर्तनों के साथ थर्मोमेकेनिकल गुणों पर निर्भर करते हैं। संघटक तरीकों का निर्माण स्वाभाविक रूप से जटिल है। सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला घटनात्मक मॉडल तनाका28 द्वारा प्रस्तावित किया गया है और इसका व्यापक रूप से इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है। तनाका [28] द्वारा प्रस्तावित घटनात्मक मॉडल मानता है कि मार्टेंसाइट का आयतन अंश तापमान और तनाव का एक घातीय कार्य है। बाद में, लियांग और रोजर्स29 और ब्रिंसन30 ने एक मॉडल प्रस्तावित किया जिसमें चरण संक्रमण गतिकी को मॉडल में मामूली संशोधनों के साथ वोल्टेज और तापमान का कोसाइन फ़ंक्शन माना गया था। बेकर और ब्रिंसन ने मनमाने लोडिंग स्थितियों के साथ-साथ आंशिक संक्रमणों के तहत एसएमए सामग्रियों के व्यवहार को मॉडल करने के लिए एक चरण आरेख आधारित गतिज मॉडल प्रस्तावित किया। बनर्जी32 एलाहिनिया और अहमदियन33 द्वारा विकसित एकल डिग्री ऑफ़ फ़्रीडम मैनिपुलेटर का अनुकरण करने के लिए बेकर और ब्रिंसन31 चरण आरेख गतिकी विधि का उपयोग करता है। चरण आरेखों पर आधारित गतिज विधियाँ, जो तापमान के साथ वोल्टेज में गैर-मोनोटोनिक परिवर्तन को ध्यान में रखती हैं, इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में लागू करना मुश्किल है। एलाखिनिया और अहमदियन मौजूदा घटनात्मक मॉडलों की इन कमियों की ओर ध्यान आकर्षित करते हैं और किसी भी जटिल लोडिंग स्थितियों के तहत आकार स्मृति व्यवहार का विश्लेषण और परिभाषित करने के लिए एक विस्तारित घटनात्मक मॉडल का प्रस्ताव करते हैं।
एसएमए तार का संरचनात्मक मॉडल एसएमए तार का तनाव (\(\sigma\)), विकृति (\(\epsilon\)), तापमान (T), और मार्टेंसाइट आयतन अंश (\(\xi\)) देता है। घटनात्मक संरचनात्मक मॉडल को सबसे पहले तनाका28 द्वारा प्रस्तावित किया गया था और बाद में लियांग29 और ब्रिंसन30 द्वारा अपनाया गया था। समीकरण का व्युत्पन्न रूप है:
जहाँ E चरण पर निर्भर SMA यंग मापांक है जिसे \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है और \(E_A\) और \(E_M\) यंग मापांक को दर्शाते हैं जो क्रमशः ऑस्टेनिटिक और मार्टेंसिटिक चरण हैं, और तापीय प्रसार गुणांक को \(\theta _T\) द्वारा दर्शाया जाता है। चरण संक्रमण योगदान कारक \(\Omega = -E \epsilon _L\) है और \(\epsilon _L\) SMA तार में अधिकतम पुनःप्राप्ति योग्य तनाव है।
चरण गतिकी समीकरण लिआंग29 द्वारा विकसित कोसाइन फ़ंक्शन के साथ मेल खाता है और बाद में ब्रिंसन30 द्वारा तनाका28 द्वारा प्रस्तावित घातीय फ़ंक्शन के बजाय अपनाया गया। चरण संक्रमण मॉडल एलाखिनिया और अहमदियन34 द्वारा प्रस्तावित मॉडल का विस्तार है और लिआंग29 और ब्रिंसन30 द्वारा दिए गए चरण संक्रमण स्थितियों के आधार पर संशोधित किया गया है। इस चरण संक्रमण मॉडल के लिए उपयोग की जाने वाली स्थितियाँ जटिल थर्मोमेकेनिकल लोड के तहत मान्य हैं। समय के प्रत्येक क्षण पर, संवैधानिक समीकरण को मॉडलिंग करते समय मार्टेंसाइट के आयतन अंश का मान परिकलित किया जाता है।
तापन स्थितियों के अंतर्गत मार्टेंसाइट के ऑस्टेनाइट में रूपांतरण द्वारा व्यक्त नियंत्रक पुनःरूपांतरण समीकरण इस प्रकार है:
जहाँ \(\xi\) मार्टेंसाइट का आयतन अंश है, \(\xi _M\) गर्म करने से पहले प्राप्त मार्टेंसाइट का आयतन अंश है, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) और \(C_A\) – वक्र सन्निकटन पैरामीटर, T – SMA तार तापमान, \(A_s\) और \(A_f\) – क्रमशः ऑस्टेनाइट चरण की शुरुआत और अंत, तापमान।
शीतलन स्थितियों के तहत ऑस्टेनाइट से मार्टेंसाइट में चरण परिवर्तन द्वारा दर्शाया गया प्रत्यक्ष परिवर्तन नियंत्रण समीकरण है:
जहाँ \(\xi _A\) ठंडा करने से पहले प्राप्त मार्टेंसाइट का आयतन अंश है, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) और \ ( C_M \) – वक्र फिटिंग पैरामीटर, T – SMA तार तापमान, \(M_s\) और \(M_f\) – क्रमशः प्रारंभिक और अंतिम मार्टेंसाइट तापमान।
समीकरण (3) और (4) को विभेदित करने के बाद, व्युत्क्रम और प्रत्यक्ष परिवर्तन समीकरणों को निम्नलिखित रूप में सरल किया जाता है:
आगे और पीछे के परिवर्तन के दौरान \(\eta _{\sigma}\) और \(\eta _{T}\) अलग-अलग मान लेते हैं। \(\eta _{\sigma}\) और \(\eta _{T}\) से जुड़े बुनियादी समीकरणों को एक अतिरिक्त अनुभाग में व्युत्पन्न और विस्तार से चर्चा की गई है।
एसएमए तार का तापमान बढ़ाने के लिए आवश्यक तापीय ऊर्जा जूल तापन प्रभाव से आती है। एसएमए तार द्वारा अवशोषित या जारी की गई तापीय ऊर्जा को परिवर्तन की गुप्त ऊष्मा द्वारा दर्शाया जाता है। एसएमए तार में ऊष्मा का नुकसान जबरन संवहन के कारण होता है, और विकिरण के नगण्य प्रभाव को देखते हुए, ऊष्मा ऊर्जा संतुलन समीकरण इस प्रकार है:
जहाँ \(m_{wire}\) SMA तार का कुल द्रव्यमान है, \(c_{p}\) SMA की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता है, \(V_{in}\) तार पर लगाया गया वोल्टेज है, \(R_{ohm} \ ) - चरण-निर्भर प्रतिरोध SMA, जिसे इस प्रकार परिभाषित किया गया है; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) जहाँ \(r_M\ ) और \(r_A\) क्रमशः मार्टेंसाइट और ऑस्टेनाइट में SMA चरण प्रतिरोधकता हैं, \(A_{c}\) SMA तार का सतही क्षेत्र है, \(\Delta H \) एक आकार स्मृति मिश्र धातु है। तार के संक्रमण की गुप्त ऊष्मा, T और \(T_{\infty}\) क्रमशः SMA तार और पर्यावरण के तापमान हैं।
जब शेप मेमोरी एलॉय वायर को सक्रिय किया जाता है, तो वायर संपीड़ित होता है, जिससे द्वि-मोडल डिज़ाइन की प्रत्येक शाखा में एक बल उत्पन्न होता है जिसे फाइबर बल कहा जाता है। SMA वायर के प्रत्येक स्ट्रैंड में फाइबर के बल मिलकर सक्रिय करने के लिए मांसपेशी बल बनाते हैं, जैसा कि चित्र 9e में दिखाया गया है। बायसिंग स्प्रिंग की उपस्थिति के कारण, Nth मल्टीलेयर एक्ट्यूएटर का कुल मांसपेशी बल है:
समीकरण (7) में \(N = 1\) प्रतिस्थापित करने पर, पहले चरण के बाइमोडल ड्राइव प्रोटोटाइप की मांसपेशी शक्ति निम्नानुसार प्राप्त की जा सकती है:
जहाँ n यूनिमोडल पैरों की संख्या है, \(F_m\) ड्राइव द्वारा उत्पन्न मांसपेशी बल है, \(F_f\) SMA तार में फाइबर की ताकत है, \(K_x\) बायस कठोरता है। स्प्रिंग, \(\alpha\) त्रिभुज का कोण है, \(x_0\) SMA केबल को पूर्व-तनाव वाली स्थिति में रखने के लिए बायस स्प्रिंग का प्रारंभिक ऑफसेट है, और \(\Delta x\) एक्ट्यूएटर यात्रा है।
ड्राइव का कुल विस्थापन या गति (\(\Delta x\)) Nवें चरण के SMA तार पर वोल्टेज (\(\sigma\)) और तनाव (\(\epsilon\)) पर निर्भर करता है, ड्राइव को इस पर सेट किया जाता है (चित्र देखें, आउटपुट का अतिरिक्त भाग):
गतिज समीकरण ड्राइव विरूपण (\(\epsilon\)) और विस्थापन या विस्थापन (\(\Delta x\)) के बीच संबंध देते हैं। एक यूनिमॉडल शाखा में किसी भी समय t पर प्रारंभिक Arb तार लंबाई (\(l_0\)) और तार लंबाई (l) के एक फ़ंक्शन के रूप में Arb तार का विरूपण निम्नानुसार है:
जहाँ \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) को \(\Delta\)ABB ' में कोसाइन सूत्र लागू करके प्राप्त किया जाता है, जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है। पहले चरण ड्राइव (\(N = 1\)) के लिए, \(\Delta x_1\) = \(\Delta x\), और \(\alpha _1\) = \(\alpha \) जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है, समीकरण (11) से समय को अलग करके और l का मान प्रतिस्थापित करके, तनाव दर को इस प्रकार लिखा जा सकता है:
जहाँ \(l_0\) SMA तार की प्रारंभिक लंबाई है, l एक यूनिमॉडल शाखा में किसी भी समय t पर तार की लंबाई है, \(\epsilon\) SMA तार में विकसित विरूपण है, और \(\alpha \) त्रिभुज का कोण है, \(\Delta x\) ड्राइव ऑफसेट है (जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है)।
सभी n सिंगल-पीक संरचनाएँ (इस चित्र में \(n=6\)) इनपुट वोल्टेज के रूप में \(V_{in}\) के साथ श्रृंखला में जुड़ी हुई हैं। चरण I: शून्य वोल्टेज स्थितियों के तहत एक द्विध्रुवीय विन्यास में SMA तार का योजनाबद्ध आरेख चरण II: एक नियंत्रित संरचना दिखाई गई है जहाँ SMA तार व्युत्क्रम रूपांतरण के कारण संपीड़ित होता है, जैसा कि लाल रेखा द्वारा दिखाया गया है।
अवधारणा के प्रमाण के रूप में, प्रयोगात्मक परिणामों के साथ अंतर्निहित समीकरणों की नकली व्युत्पत्ति का परीक्षण करने के लिए एक SMA-आधारित द्वि-मोडल ड्राइव विकसित की गई थी। द्वि-मोडल रैखिक एक्ट्यूएटर का CAD मॉडल चित्र 9a में दिखाया गया है। दूसरी ओर, चित्र 9c में द्वि-मोडल संरचना वाले दो-प्लेन SMA-आधारित एक्ट्यूएटर का उपयोग करके घूर्णी प्रिज्मीय कनेक्शन के लिए प्रस्तावित एक नया डिज़ाइन दिखाया गया है। ड्राइव घटकों को अल्टिमेकर 3 एक्सटेंडेड 3D प्रिंटर पर एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग का उपयोग करके तैयार किया गया था। घटकों की 3D प्रिंटिंग के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्री पॉलीकार्बोनेट है जो गर्मी प्रतिरोधी सामग्रियों के लिए उपयुक्त है क्योंकि यह मजबूत, टिकाऊ होती है और इसका ग्लास ट्रांज़िशन तापमान अधिक होता है (110-113 \(^{\circ }\) C)। बहुपरत एक्चुएटर्स द्वारा उत्पादित उच्च बल प्राप्त करने के लिए एकाधिक एसएमए तारों को मांसपेशियों की द्विध्रुवीय व्यवस्था में उपस्थित फाइबर के रूप में व्यवस्थित किया जाता है, जैसा कि चित्र 9बी, डी में दिखाया गया है।
जैसा कि चित्र 9a में दिखाया गया है, चल भुजा SMA तार द्वारा निर्मित तीव्र कोण को कोण (\(\alpha\)) कहा जाता है। बाएं और दाएं क्लैंप से जुड़े टर्मिनल क्लैंप के साथ, SMA तार को वांछित द्विध्रुवीय कोण पर रखा जाता है। स्प्रिंग कनेक्टर पर रखा गया बायस स्प्रिंग डिवाइस SMA फाइबर की संख्या (n) के अनुसार विभिन्न बायस स्प्रिंग एक्सटेंशन समूहों को समायोजित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इसके अलावा, चलने वाले हिस्सों का स्थान इस तरह से डिज़ाइन किया गया है कि SMA तार को जबरन संवहन शीतलन के लिए बाहरी वातावरण के संपर्क में लाया जा सके। वियोज्य असेंबली की ऊपरी और निचली प्लेटें वजन कम करने के लिए डिज़ाइन किए गए एक्सट्रूडेड कटआउट के साथ SMA तार को ठंडा रखने में मदद करती हैं। इसके अलावा, CMA तार के दोनों सिरों को क्रमशः बाएं और दाएं टर्मिनलों पर एक क्रिम्प के माध्यम से तय किया जाता है। ऊपरी और निचली प्लेटों के बीच निकासी बनाए रखने के लिए चल असेंबली के एक छोर पर एक प्लंजर लगाया जाता है। SMA तार के सक्रिय होने पर अवरोध बल को मापने के लिए संपर्क के माध्यम से सेंसर पर अवरोध बल लगाने के लिए भी प्लंजर का उपयोग किया जाता है।
द्विध्रुवीय मांसपेशी संरचना SMA विद्युत रूप से श्रृंखला में जुड़ी हुई है और एक इनपुट पल्स वोल्टेज द्वारा संचालित है। वोल्टेज पल्स चक्र के दौरान, जब वोल्टेज लगाया जाता है और SMA तार को ऑस्टेनाइट के प्रारंभिक तापमान से ऊपर गर्म किया जाता है, तो प्रत्येक स्ट्रैंड में तार की लंबाई कम हो जाती है। यह वापसी चल भुजा उपसंयोजन को सक्रिय करती है। जब एक ही चक्र में वोल्टेज शून्य हो गया था, तो गर्म SMA तार को मार्टेंसाइट सतह के तापमान से नीचे ठंडा किया गया था, जिससे यह अपनी मूल स्थिति में वापस आ गया। शून्य तनाव की स्थिति में, SMA तार को पहले निष्क्रिय रूप से एक बायस स्प्रिंग द्वारा खींचा जाता है ताकि वह अलग हो चुके मार्टेंसिटिक अवस्था तक पहुँच सके। स्क्रू, जिसके माध्यम से SMA तार गुजरता है, SMA तार पर वोल्टेज पल्स लगाने से बने संपीड़न के कारण चलता है (SPA ऑस्टेनाइट चरण तक पहुँचता है जब आवेग वोल्टेज में तनाव शून्य हो जाता है, तो एसएमए तार लंबा हो जाता है और बलपूर्वक संवहन शीतलन के कारण अपना आकार बदल लेता है, तथा दोहरे मार्टेंसिटिक चरण में पहुंच जाता है।
प्रस्तावित SMA-आधारित रैखिक एक्ट्यूएटर सिस्टम में एक द्विविध विन्यास है जिसमें SMA तार कोणीय हैं। (a) प्रोटोटाइप का CAD मॉडल दर्शाता है, जो प्रोटोटाइप के लिए कुछ घटकों और उनके अर्थों का उल्लेख करता है, (b, d) विकसित प्रायोगिक प्रोटोटाइप35 को दर्शाता है। जबकि (b) विद्युत कनेक्शन और बायस स्प्रिंग्स और स्ट्रेन गेज के साथ प्रोटोटाइप का एक शीर्ष दृश्य दिखाता है, (d) सेटअप का एक परिप्रेक्ष्य दृश्य दिखाता है। (e) किसी भी समय t पर द्विविध रूप से रखे गए SMA तारों के साथ एक रैखिक एक्ट्यूएशन सिस्टम का आरेख, जो फाइबर और मांसपेशियों की ताकत की दिशा और पाठ्यक्रम दिखाता है। (c) दो-प्लेन SMA-आधारित एक्ट्यूएटर को तैनात करने के लिए 2-DOF घूर्णी प्रिज्मीय कनेक्शन प्रस्तावित किया गया है। जैसा कि दिखाया गया है, लिंक एक घूर्णी कनेक्शन बनाते हुए, नीचे की ड्राइव से ऊपरी भुजा तक रैखिक गति संचारित करता है। दूसरी ओर, प्रिज्म की जोड़ी की गति मल्टीलेयर फर्स्ट स्टेज ड्राइव की गति के समान है।
एसएमए पर आधारित एक द्विविध ड्राइव के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए चित्र 9बी में दिखाए गए प्रोटोटाइप पर एक प्रायोगिक अध्ययन किया गया था। जैसा कि चित्र 10ए में दिखाया गया है, प्रायोगिक सेटअप में एसएमए तारों को इनपुट वोल्टेज की आपूर्ति करने के लिए एक प्रोग्राम करने योग्य डीसी बिजली आपूर्ति शामिल थी। जैसा कि चित्र 10बी में दिखाया गया है, ग्राफटेक जीएल-2000 डेटा लॉगर का उपयोग करके अवरोध बल को मापने के लिए एक पीजोइलेक्ट्रिक स्ट्रेन गेज (पीएसीईलाइन सीएफटी/5केएन) का उपयोग किया गया था। आगे के अध्ययन के लिए होस्ट द्वारा डेटा रिकॉर्ड किया जाता है। स्ट्रेन गेज और चार्ज एम्पलीफायरों को वोल्टेज सिग्नल उत्पन्न करने के लिए निरंतर बिजली आपूर्ति की आवश्यकता होती है। संबंधित सिग्नल को पीजोइलेक्ट्रिक बल सेंसर की संवेदनशीलता और तालिका 2 में वर्णित अन्य मापदंडों के अनुसार पावर आउटपुट में परिवर्तित किया जाता है। जब वोल्टेज पल्स लगाया जाता है, तो एसएमए तार का तापमान बढ़ जाता है, जिससे एसएमए तार संपीड़ित हो जाता है, जिससे एक्ट्यूएटर बल उत्पन्न करता है। 7 वी के इनपुट वोल्टेज पल्स द्वारा मांसपेशियों की ताकत के आउटपुट के प्रायोगिक परिणाम चित्र 2ए में दिखाए गए हैं।
(ए) प्रयोग में एक्ट्यूएटर द्वारा उत्पन्न बल को मापने के लिए एक एसएमए-आधारित रैखिक एक्ट्यूएटर सिस्टम स्थापित किया गया था। लोड सेल अवरोधक बल को मापता है और 24 वी डीसी बिजली आपूर्ति द्वारा संचालित होता है। GW इंस्टेक प्रोग्रामेबल डीसी बिजली आपूर्ति का उपयोग करके केबल की पूरी लंबाई के साथ 7 वी वोल्टेज ड्रॉप लगाया गया था। एसएमए तार गर्मी के कारण सिकुड़ जाता है, और चलने वाला हाथ लोड सेल से संपर्क करता है और एक अवरोधक बल लगाता है। लोड सेल जीएल-2000 डेटा लॉगर से जुड़ा हुआ है और डेटा को आगे की प्रक्रिया के लिए होस्ट पर संग्रहीत किया जाता है। (बी) मांसपेशियों की ताकत को मापने के लिए प्रयोगात्मक सेटअप के घटकों की श्रृंखला को दर्शाता आरेख।
आकार स्मृति मिश्र धातु तापीय ऊर्जा से उत्तेजित होती हैं, इसलिए आकार स्मृति घटना का अध्ययन करने के लिए तापमान एक महत्वपूर्ण पैरामीटर बन जाता है। प्रयोगात्मक रूप से, जैसा कि चित्र 11 ए में दिखाया गया है, थर्मल इमेजिंग और तापमान माप एक प्रोटोटाइप एसएमए-आधारित डाइवेलेरेट एक्ट्यूएटर पर किए गए थे। एक प्रोग्रामेबल डीसी स्रोत ने प्रयोगात्मक सेटअप में एसएमए तारों पर इनपुट वोल्टेज लागू किया, जैसा कि चित्र 11 बी में दिखाया गया है। एसएमए तार के तापमान में परिवर्तन को उच्च रिज़ॉल्यूशन वाले LWIR कैमरे (FLIR A655sc) का उपयोग करके वास्तविक समय में मापा गया था। होस्ट आगे के पोस्ट-प्रोसेसिंग के लिए डेटा रिकॉर्ड करने के लिए ResearchIR सॉफ़्टवेयर का उपयोग करता है। जब एक वोल्टेज पल्स लगाया जाता है, तो SMA तार का तापमान बढ़ जाता है, जिससे SMA तार सिकुड़ जाता है
पोस्ट करने का समय: सितम्बर-28-2022
