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Cov actuators siv nyob txhua qhov chaw thiab tsim kev txav mus los ntawm kev siv lub zog excitation lossis torque kom ua tiav ntau yam haujlwm hauv kev tsim khoom thiab kev lag luam automation. Qhov xav tau rau cov tsav tsheb sai dua, me dua thiab ua haujlwm tau zoo dua yog tsav tsheb tsim kho tshiab hauv kev tsim qauv tsav tsheb. Cov tsav tsheb Shape Memory Alloy (SMA) muaj ntau qhov zoo dua li cov tsav tsheb ib txwm muaj, suav nrog qhov sib piv ntawm lub zog rau qhov hnyav siab. Hauv daim ntawv sau no, tus actuator SMA-raws li ob-feathered tau tsim uas sib xyaw cov txiaj ntsig ntawm cov leeg nqaij ntawm cov kab ke biological thiab cov khoom tshwj xeeb ntawm SMAs. Kev tshawb fawb no tshawb nrhiav thiab txuas ntxiv cov actuators SMA yav dhau los los ntawm kev tsim cov qauv lej ntawm tus actuator tshiab raws li kev npaj hlau bimodal SMA thiab sim nws sim. Piv rau cov tsav tsheb paub raws li SMA, lub zog ua haujlwm ntawm tus tsav tsheb tshiab yog tsawg kawg 5 zaug siab dua (txog li 150 N). Qhov hnyav poob sib xws yog li 67%. Cov txiaj ntsig ntawm kev tshuaj xyuas qhov rhiab heev ntawm cov qauv lej yog qhov muaj txiaj ntsig zoo rau kev kho cov qauv tsim thiab nkag siab txog cov yam ntxwv tseem ceeb. Kev tshawb fawb no ntxiv nthuav qhia ntau theem Nth tsav tsheb uas tuaj yeem siv los txhim kho cov dynamics ntxiv. Cov cuab yeej ua haujlwm dipvalerate raws li SMA muaj ntau yam kev siv, los ntawm kev tsim kho tsis siv neeg mus rau cov txheej txheem xa tshuaj kom raug.
Cov kab ke ntawm lub cev, xws li cov qauv ntawm cov leeg ntawm cov tsiaj txhu, tuaj yeem ua kom muaj ntau yam actuators me me1. Cov tsiaj txhu muaj cov qauv ntawm cov leeg sib txawv, txhua tus ua haujlwm rau lub hom phiaj tshwj xeeb. Txawm li cas los xij, feem ntau ntawm cov qauv ntawm cov leeg nqaij ntawm cov tsiaj txhu tuaj yeem muab faib ua ob pawg dav. Parallel thiab pennate. Hauv cov hamstrings thiab lwm cov flexors, raws li lub npe qhia, cov leeg nqaij parallel muaj cov leeg nqaij fibers parallel rau cov leeg nqaij hauv nruab nrab. Cov saw ntawm cov leeg nqaij fibers tau teeb tsa thiab ua haujlwm txuas nrog los ntawm cov ntaub so ntswg sib txuas nyob ib puag ncig lawv. Txawm hais tias cov leeg no tau hais tias muaj kev tawm mus loj (feem pua luv dua), lawv lub zog tag nrho ntawm cov leeg nqaij yog txwv heev. Qhov sib piv, hauv cov leeg nqaij triceps calf2 (lateral gastrocnemius (GL)3, medial gastrocnemius (GM)4 thiab soleus (SOL)) thiab extensor femoris (quadriceps)5,6 cov leeg nqaij pennate pom muaj nyob rau hauv txhua cov leeg nqaij7. Hauv cov qauv pinnate, cov leeg nqaij fibers hauv cov leeg nqaij bipennate muaj nyob rau ob sab ntawm cov leeg nqaij hauv nruab nrab ntawm cov ces kaum oblique (pinnate angles). Pennate yog los ntawm lo lus Latin "penna", uas txhais tau tias "cwj mem", thiab, raws li pom hauv daim duab 1 muaj cov tsos zoo li plaub. Cov leeg ntawm cov leeg pennate luv dua thiab tig mus rau txoj kab ntev ntawm cov leeg. Vim yog cov qauv pinnate, qhov kev txav mus los tag nrho ntawm cov leeg no raug txo qis, uas ua rau cov khoom transverse thiab longitudinal ntawm cov txheej txheem luv. Ntawm qhov tod tes, kev ua haujlwm ntawm cov leeg no ua rau muaj zog ntawm cov leeg tag nrho vim yog txoj kev ntsuas thaj tsam ntawm lub cev. Yog li ntawd, rau ib thaj tsam hla, cov leeg pennate yuav muaj zog dua thiab yuav tsim cov zog siab dua li cov leeg nrog cov leeg sib luag. Cov zog tsim los ntawm cov leeg ib leeg tsim cov zog ntawm cov leeg ntawm qib macroscopic hauv cov leeg nqaij ntawd. Tsis tas li ntawd, nws muaj cov yam ntxwv tshwj xeeb xws li kev ntsws sai, kev tiv thaiv kev puas tsuaj tensile, cushioning. Nws hloov pauv kev sib raug zoo ntawm cov fiber nkag thiab cov leeg lub zog tso zis los ntawm kev siv cov yam ntxwv tshwj xeeb thiab geometric complexity ntawm cov fiber arrangement cuam tshuam nrog cov leeg kab ntawm kev ua haujlwm.
Qhia yog cov duab kos ntawm cov qauv tsim actuator SMA uas twb muaj lawm hauv kev sib raug zoo rau cov qauv bimodal muscular, piv txwv li (a), sawv cev rau kev sib cuam tshuam ntawm lub zog tactile uas lub cuab yeej zoo li tes ua haujlwm los ntawm SMA cov xov hlau tau teeb tsa rau ntawm lub tshuab mobile ob lub log9,10. , (b) Robotic orbital prosthesis nrog SMA caij nplooj ntoos hlav-loaded orbital prosthesis tso rau sab nraud. Qhov chaw ntawm lub qhov muag prosthetic yog tswj los ntawm lub teeb liab los ntawm cov leeg ntawm lub qhov muag11, (c) SMA actuators zoo tagnrho rau kev siv hauv qab dej vim lawv cov lus teb zaus siab thiab bandwidth qis. Hauv qhov kev teeb tsa no, SMA actuators siv los tsim cov nthwv dej los ntawm kev ua piv txwv kev txav ntawm cov ntses, (d) SMA actuators siv los tsim cov yeeb nkab me me uas tuaj yeem siv lub hauv paus ntsiab lus ntawm kev txav ntawm cov kab, tswj los ntawm kev txav ntawm cov xov hlau SMA hauv channel 10, (e) qhia txog kev taw qhia ntawm cov leeg nqaij thiab tsim cov zog contractile hauv cov ntaub so ntswg gastrocnemius, (f) qhia cov xov hlau SMA teeb tsa ua cov leeg nqaij hauv cov qauv nqaij pennate.
Cov Actuators tau dhau los ua ib feem tseem ceeb ntawm cov tshuab kho tshuab vim lawv muaj ntau yam kev siv. Yog li ntawd, qhov xav tau rau cov tsav me dua, sai dua thiab ua haujlwm tau zoo dua los ua qhov tseem ceeb. Txawm hais tias lawv muaj txiaj ntsig zoo, cov tsav tsheb ib txwm muaj tau ua pov thawj tias kim thiab siv sijhawm ntau los tswj. Cov actuators hydraulic thiab pneumatic yog qhov nyuaj thiab kim thiab raug hnav, teeb meem lubrication thiab cov khoom tsis ua haujlwm. Hauv kev teb rau qhov kev thov, qhov kev tsom mus rau kev tsim cov actuators pheej yig, qhov loj me-optimized thiab siab heev raws li cov ntaub ntawv ntse. Kev tshawb fawb txuas ntxiv yog saib cov actuators layered nco alloy (SMA) kom tau raws li qhov xav tau no. Cov actuators hierarchical yog qhov tshwj xeeb hauv qhov lawv ua ke ntau cov actuators sib cais rau hauv geometrically complex macro scale subsystems los muab kev ua haujlwm ntau dua thiab nthuav dav. Hauv qhov no, cov leeg nqaij tib neeg piav qhia saum toj no muab ib qho piv txwv zoo heev ntawm cov multilayered actuation. Kev tshawb fawb tam sim no piav qhia txog ntau theem SMA tsav nrog ntau tus kheej tsav tsheb (SMA xov hlau) sib dhos rau cov fiber orientations muaj nyob rau hauv bimodal cov leeg, uas txhim kho kev ua haujlwm tsav tsheb tag nrho.
Lub hom phiaj tseem ceeb ntawm tus actuator yog los tsim cov zog tsim khoom xws li lub zog thiab kev hloov pauv los ntawm kev hloov pauv lub zog hluav taws xob. Cov khoom siv nco qab zoo li cas yog ib chav kawm ntawm cov khoom siv "ntse" uas tuaj yeem rov qab kho lawv cov duab ntawm qhov kub siab. Hauv qab cov khoom thauj siab, qhov nce ntawm qhov kub ntawm SMA hlau ua rau cov duab rov qab zoo li cas, ua rau muaj zog ntau dua piv rau ntau yam khoom siv ntse sib txuas ncaj qha. Tib lub sijhawm, hauv qab cov khoom siv kho tshuab, SMAs ua brittle. Hauv qee qhov xwm txheej, lub nra hnyav cyclic tuaj yeem nqus thiab tso tawm lub zog kho tshuab, qhia txog kev hloov pauv hysteretic rov qab tau. Cov khoom tshwj xeeb no ua rau SMA zoo tagnrho rau cov sensors, kev co damping thiab tshwj xeeb tshaj yog actuators12. Nrog rau qhov no hauv siab, muaj ntau qhov kev tshawb fawb txog SMA-raws li tsav tsheb. Nws yuav tsum tau sau tseg tias SMA-raws li actuators yog tsim los muab kev txav mus los thiab kev hloov pauv rau ntau yam kev siv13,14,15. Txawm hais tias qee qhov rotary actuators tau tsim, cov kws tshawb fawb tshwj xeeb txaus siab rau linear actuators. Cov linear actuators no tuaj yeem faib ua peb hom actuators: ib-dimensional, displacement thiab differential actuators 16. Thaum xub thawj, cov tsav tsheb sib xyaw tau tsim ua ke nrog SMA thiab lwm cov tsav tsheb ib txwm muaj. Ib qho piv txwv ntawm SMA-based hybrid linear actuator yog kev siv cov hlau SMA nrog lub cev muaj zog DC los muab lub zog tso zis ntawm kwv yees li 100 N thiab kev hloov chaw tseem ceeb17.
Ib qho ntawm thawj qhov kev txhim kho hauv kev tsav tsheb raws li SMA tag nrho yog SMA parallel drive. Siv ntau lub xov hlau SMA, SMA-based parallel drive yog tsim los ua kom muaj peev xwm ntawm lub zog ntawm lub tsav tsheb los ntawm kev tso tag nrho SMA18 xov hlau ua ke. Kev sib txuas ntawm cov actuators tsis yog tsuas yog xav tau ntau lub zog xwb, tab sis kuj txwv lub zog tso zis ntawm ib lub xov hlau. Lwm qhov tsis zoo ntawm SMA based actuators yog qhov kev mus ncig tsawg uas lawv tuaj yeem ua tiav. Txhawm rau daws qhov teeb meem no, ib lub SMA cable beam tau tsim uas muaj ib lub deflected flexible beam kom nce kev hloov chaw thiab ua tiav kev txav mus los, tab sis tsis tau tsim cov zog siab dua19. Cov qauv mos mos thiab cov ntaub rau cov neeg hlau raws li cov khoom siv nco tau raug tsim los rau kev cuam tshuam amplification20,21,22. Rau cov ntawv thov uas xav tau kev ceev ceev, compact driven pumps tau tshaj tawm siv cov zaj duab xis nyias SMAs rau micropump driven applications23. Lub zaus tsav ntawm cov zaj duab xis nyias SMA membrane yog qhov tseem ceeb hauv kev tswj qhov ceev ntawm tus tsav tsheb. Yog li ntawd, SMA linear motors muaj kev teb zoo dua li SMA caij nplooj ntoos hlav lossis pas nrig motors. Cov neeg hlau mos thiab cov thev naus laus zis gripping yog ob daim ntawv thov uas siv SMA-based actuators. Piv txwv li, los hloov tus qauv actuator siv hauv 25 N space clamp, ib lub cim xeeb alloy parallel actuator 24 tau tsim. Hauv lwm qhov xwm txheej, ib lub SMA soft actuator tau tsim los ntawm ib txoj hlau nrog lub matrix embedded uas muaj peev xwm tsim tau lub zog rub siab tshaj plaws ntawm 30 N. Vim lawv cov khoom siv kho tshuab, SMAs kuj tseem siv los tsim cov actuators uas ua raws li cov xwm txheej ntawm lub cev. Ib qho kev txhim kho zoo li no suav nrog 12-cell robot uas yog biomimetic ntawm ib tug kab mob zoo li earthworm nrog SMA los tsim kom muaj kev txav sinusoidal rau hluav taws26,27.
Raws li tau hais ua ntej lawm, muaj qhov txwv rau lub zog siab tshaj plaws uas tuaj yeem tau txais los ntawm cov actuators SMA uas twb muaj lawm. Txhawm rau daws qhov teeb meem no, txoj kev tshawb fawb no nthuav tawm cov qauv nqaij bimodal biomimetic. Tsav los ntawm cov hlau alloy nco qab. Nws muab ib qho kev faib tawm uas suav nrog ntau cov hlau alloy nco qab. Txog niaj hnub no, tsis muaj SMA-based actuators nrog cov qauv zoo sib xws tau tshaj tawm hauv cov ntaub ntawv. Lub kaw lus tshwj xeeb thiab tshiab no raws li SMA tau tsim los kawm txog tus cwj pwm ntawm SMA thaum lub sijhawm bimodal nqaij sib dhos. Piv rau cov actuators SMA-based uas twb muaj lawm, lub hom phiaj ntawm txoj kev tshawb fawb no yog los tsim ib qho biomimetic dipvalerate actuator los tsim cov zog siab dua hauv qhov ntim me me. Piv rau cov tsav tsheb stepper motor uas siv hauv HVAC lub tsev automation thiab tswj systems, qhov kev tsim qauv tsav bimodal SMA uas tau thov txo qhov hnyav ntawm lub tshuab tsav los ntawm 67%. Hauv qab no, cov lus "nqaij" thiab "tsav" siv tau hloov pauv. Txoj kev tshawb fawb no tshawb nrhiav qhov kev sim ntau yam ntawm kev tsav tsheb zoo li no. Tus cwj pwm kho tshuab ntawm cov kab ke no tau kawm los ntawm kev sim thiab kev tshuaj xyuas. Kev faib tawm ntawm lub zog thiab qhov kub thiab txias tau raug tshawb xyuas ntxiv ntawm qhov hluav taws xob nkag ntawm 7 V. Tom qab ntawd, kev tshuaj xyuas parametric tau ua tiav kom nkag siab zoo dua txog kev sib raug zoo ntawm cov yam ntxwv tseem ceeb thiab lub zog tso zis. Thaum kawg, cov actuators hierarchical tau pom thiab cov teebmeem theem hierarchical tau raug pom zoo ua thaj chaw yav tom ntej rau cov actuators tsis yog hlau nplaum rau kev siv prosthetic. Raws li cov txiaj ntsig ntawm cov kev tshawb fawb tau hais los saum toj no, kev siv cov qauv ib theem tsim cov zog tsawg kawg yog plaub txog tsib zaug siab dua li cov actuators SMA-raws li tau tshaj tawm. Tsis tas li ntawd, tib lub zog tsav tsheb tsim los ntawm ntau theem ntau theem tsav tau pom tias ntau dua kaum npaug ntawm cov tsav tsheb SMA-raws li ib txwm muaj. Kev tshawb fawb tom qab ntawd tshaj tawm cov yam ntxwv tseem ceeb siv kev tshuaj xyuas qhov rhiab heev ntawm cov qauv tsim sib txawv thiab cov hloov pauv nkag. Qhov ntev pib ntawm SMA hlau (\(l_0\)), lub kaum sab xis pinnate (\(alpha\)) thiab tus lej ntawm cov xov hlau ib leeg (n) hauv txhua txoj hlua muaj qhov cuam tshuam tsis zoo rau qhov loj ntawm lub zog tsav tsheb. lub zog, thaum lub zog nkag (lub zog) tau hloov mus ua qhov sib raug zoo.
Cov hlau SMA qhia txog cov nyhuv cim xeeb zoo li cas (SME) uas pom hauv cov hlau nickel-titanium (Ni-Ti) tsev neeg ntawm cov hlau sib xyaw. Feem ntau, SMAs qhia txog ob theem nyob ntawm qhov kub thiab txias: theem kub qis thiab theem kub siab. Ob theem muaj cov yam ntxwv tshwj xeeb vim muaj cov qauv siv lead ua sib txawv. Hauv theem austenite (theem kub siab) uas muaj nyob saum qhov kub hloov pauv, cov khoom siv qhia txog lub zog siab thiab tsis zoo deformed hauv qab load. Cov hlau sib xyaw ua haujlwm zoo li cov hlau tsis xeb, yog li nws muaj peev xwm tiv taus cov kev ntxhov siab siab dua. Siv qhov zoo ntawm cov yam ntxwv no ntawm Ni-Ti alloys, cov hlau SMA raug tig los ua tus actuator. Cov qauv analytical tsim nyog tau tsim los nkag siab txog cov txheej txheem tseem ceeb ntawm tus cwj pwm thermal ntawm SMA nyob rau hauv kev cuam tshuam ntawm ntau yam kev ntsuas thiab ntau yam geometries. Kev pom zoo zoo tau txais ntawm cov txiaj ntsig sim thiab analytical.
Ib qho kev tshawb fawb sim tau ua rau ntawm tus qauv qhia hauv daim duab 9a los ntsuam xyuas kev ua haujlwm ntawm lub tshuab tsav bimodal raws li SMA. Ob yam khoom no, lub zog tsim los ntawm lub tshuab tsav (lub zog nqaij) thiab qhov kub ntawm SMA hlau (SMA kub), tau ntsuas los ntawm kev sim. Thaum qhov sib txawv ntawm lub zog nce ntxiv raws tag nrho qhov ntev ntawm lub hlau hauv lub tshuab tsav, qhov kub ntawm lub hlau nce ntxiv vim yog Joule cua sov nyhuv. Lub zog nkag tau siv rau hauv ob lub voj voog 10-s (qhia ua cov dots liab hauv daim duab 2a, b) nrog lub sijhawm txias 15-s ntawm txhua lub voj voog. Lub zog thaiv tau ntsuas siv lub ntsuas piezoelectric, thiab qhov kub faib ntawm SMA hlau tau saib xyuas lub sijhawm tiag tiag siv lub koob yees duab LWIR siab-qib kev daws teeb meem (saib cov yam ntxwv ntawm cov khoom siv siv hauv Rooj 2). qhia tau tias thaum lub sijhawm hluav taws xob siab, qhov kub ntawm lub hlau nce ntxiv monotonically, tab sis thaum tsis muaj tam sim no ntws, qhov kub ntawm lub hlau txuas ntxiv poob qis. Hauv qhov kev teeb tsa sim tam sim no, qhov kub ntawm SMA hlau poob qis thaum lub sijhawm txias, tab sis nws tseem siab dua qhov kub ib puag ncig. Hauv daim duab 2e qhia txog qhov kub ntawm SMA hlau uas tau los ntawm lub koob yees duab LWIR. Ntawm qhov tod tes, hauv daim duab 2a qhia txog lub zog thaiv uas tsim los ntawm lub kaw lus tsav. Thaum lub zog ntawm cov leeg nqaij ntau dua lub zog rov qab los ntawm lub caij nplooj ntoos hlav, lub caj npab txav tau, raws li pom hauv Daim Duab 9a, pib txav mus los. Thaum pib ua haujlwm, lub caj npab txav tau los kov lub sensor, tsim lub zog ntawm lub cev, raws li pom hauv daim duab 2c, d. Thaum qhov kub siab tshaj plaws nyob ze rau \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), lub zog siab tshaj plaws uas pom yog 105 N.
Daim duab qhia txog cov txiaj ntsig ntawm kev sim ntawm qhov kub ntawm SMA hlau thiab lub zog uas tsim los ntawm SMA-based bimodal actuator thaum ob lub voj voog. Lub zog nkag tau siv rau hauv ob lub voj voog 10 vib nas this (qhia ua cov dots liab) nrog 15 vib nas this txias ntawm txhua lub voj voog. Lub hlau SMA siv rau kev sim yog 0.51 hli txoj kab uas hla Flexinol hlau los ntawm Dynalloy, Inc. (a) Daim duab qhia txog lub zog sim tau txais dhau ob lub voj voog, (c, d) qhia ob qho piv txwv ywj pheej ntawm kev ua haujlwm ntawm cov caj npab txav mus los ntawm PACEline CFT / 5kN piezoelectric force transducer, (b) daim duab qhia txog qhov kub siab tshaj plaws ntawm tag nrho SMA hlau thaum lub sijhawm ob lub voj voog, (e) qhia txog qhov kub thiab txias snapshot coj los ntawm SMA hlau siv FLIR ResearchIR software LWIR lub koob yees duab. Cov geometric parameters coj mus rau hauv tus account hauv kev sim tau muab nyob rau hauv Rooj ib.
Cov txiaj ntsig simulation ntawm tus qauv lej thiab cov txiaj ntsig sim tau muab piv rau hauv qab qhov xwm txheej ntawm lub zog hluav taws xob nkag ntawm 7V, raws li pom hauv daim duab 5. Raws li cov txiaj ntsig ntawm kev tshuaj xyuas parametric thiab txhawm rau kom tsis txhob muaj qhov ua tau ntawm kev kub dhau ntawm SMA hlau, lub zog ntawm 11.2 W tau muab rau lub actuator. Lub zog DC programmable tau siv los muab 7V ua lub zog hluav taws xob nkag, thiab tam sim no ntawm 1.6A tau ntsuas hla lub hlau. Lub zog tsim los ntawm lub tsav thiab qhov kub ntawm SDR nce thaum tam sim no siv. Nrog lub zog hluav taws xob nkag ntawm 7V, lub zog tso zis siab tshaj plaws tau txais los ntawm cov txiaj ntsig simulation thiab cov txiaj ntsig sim ntawm thawj lub voj voog yog 78 N thiab 96 N, raws li. Hauv lub voj voog thib ob, lub zog tso zis siab tshaj plaws ntawm kev simulation thiab cov txiaj ntsig sim yog 150 N thiab 105 N, raws li. Qhov sib txawv ntawm kev ntsuas lub zog occlusion thiab cov ntaub ntawv sim yuav yog vim txoj kev siv los ntsuas lub zog occlusion. Cov txiaj ntsig sim tau pom hauv daim duab. 5a sib raug rau qhov ntsuas ntawm lub zog xauv, uas tig mus ntsuas thaum lub qag tsav tsheb sib cuag nrog PACEline CFT/5kN piezoelectric force transducer, raws li pom hauv daim duab 2s. Yog li ntawd, thaum lub qag tsav tsheb tsis sib cuag nrog lub zog sensor thaum pib ntawm thaj chaw txias, lub zog tam sim ntawd dhau los ua xoom, raws li pom hauv daim duab 2d. Tsis tas li ntawd, lwm cov kev ntsuas uas cuam tshuam rau kev tsim lub zog hauv cov voj voog tom ntej yog cov nqi ntawm lub sijhawm txias thiab cov coefficient ntawm convective cua sov hloov pauv hauv lub voj voog dhau los. Los ntawm daim duab 2b, nws tuaj yeem pom tias tom qab 15 vib nas this txias, SMA hlau tsis mus txog qhov kub thiab txias hauv chav thiab yog li ntawd muaj qhov kub thiab txias pib siab dua (\(40\,^{\circ}\hbox {C}\)) hauv lub voj voog tsav tsheb thib ob piv rau nrog thawj lub voj voog (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Yog li, piv rau thawj lub voj voog, qhov kub ntawm SMA hlau thaum lub voj voog cua sov thib ob ncav cuag qhov kub austenite pib (\(A_s\)) ua ntej dua thiab nyob hauv lub sijhawm hloov pauv ntev dua, ua rau muaj kev ntxhov siab thiab lub zog. Ntawm qhov tod tes, kev faib tawm kub thaum lub voj voog cua sov thiab txias tau los ntawm kev sim thiab kev sim ua qauv muaj qhov zoo sib xws rau cov piv txwv los ntawm kev tshuaj xyuas thermographic. Kev tshuaj xyuas sib piv ntawm SMA hlau thermal cov ntaub ntawv los ntawm kev sim thiab kev sim ua qauv qhia tau tias muaj kev sib xws thaum lub voj voog cua sov thiab txias thiab nyob hauv qhov kev lees txais rau cov ntaub ntawv sim. Qhov kub siab tshaj plaws ntawm SMA hlau, tau txais los ntawm cov txiaj ntsig ntawm kev sim ua qauv thiab kev sim ntawm thawj lub voj voog, yog \(89\,^{\circ}\hbox {C}\) thiab \(75\,^{\circ}\hbox {C}\, feem), thiab hauv lub voj voog thib ob qhov kub siab tshaj plaws ntawm SMA hlau yog \(94\,^{\circ}\hbox {C}\) thiab \(83\,^{\circ}\ hbox {C}\). Tus qauv tsim kho tshiab lees paub qhov cuam tshuam ntawm cov nyhuv nco duab. Qhov kev tshuaj xyuas no tsis tau xav txog lub luag haujlwm ntawm kev qaug zog thiab kev kub dhau. Yav tom ntej, tus qauv yuav raug txhim kho kom suav nrog keeb kwm kev ntxhov siab ntawm SMA hlau, ua rau nws tsim nyog dua rau kev siv engineering. Lub zog tso zis tsav thiab SMA kub plots tau los ntawm Simulink block yog nyob rau hauv qhov kev kam rau siab ntawm cov ntaub ntawv sim nyob rau hauv qhov xwm txheej ntawm lub zog nkag ntawm 7 V. Qhov no lees paub qhov tseeb thiab kev ntseeg tau ntawm tus qauv lej tsim.
Tus qauv lej tau tsim nyob rau hauv MathWorks Simulink R2020b ib puag ncig siv cov qauv yooj yim piav qhia hauv ntu Txoj Kev. Hauv daim duab 3b qhia txog daim duab thaiv ntawm tus qauv lej Simulink. Tus qauv tau simulated rau lub zog hluav taws xob 7V raws li pom hauv daim duab 2a, b. Cov nqi ntawm cov kev ntsuas siv hauv kev simulation tau teev nyob rau hauv Rooj 1. Cov txiaj ntsig ntawm kev simulation ntawm cov txheej txheem transient tau nthuav tawm hauv Daim Duab 1 thiab 1. Daim Duab 3a thiab 4. Hauv daim duab 4a, b qhia txog qhov hluav taws xob induced hauv SMA hlau thiab lub zog tsim los ntawm tus actuator ua lub luag haujlwm ntawm lub sijhawm. Thaum lub sijhawm hloov pauv rov qab (cua sov), thaum qhov kub ntawm SMA xaim, \(T < A_s^{\prime}\) (qhov kub pib ntawm theem austenite hloov kho kev ntxhov siab), tus nqi ntawm kev hloov pauv ntawm martensite ntim feem (\(\dot{\xi}\)) yuav yog xoom. Thaum lub sijhawm hloov pauv rov qab (cua sov), thaum qhov kub ntawm SMA xaim, \(T < A_s^{\prime}\) (qhov kub pib ntawm theem austenite hloov kho kev ntxhov siab), tus nqi ntawm kev hloov pauv ntawm martensite ntim feem (\(\dot{\ xi}\)) yuav yog xoom. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температлуса на модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равюно. Thaum lub sijhawm hloov pauv rov qab (cua sov), thaum qhov kub ntawm SMA hlau, \(T < A_s^{\prime}\) (kev ntxhov siab-hloov kho austenite pib kub), tus nqi ntawm kev hloov pauv ntawm martensite ntim feem (\(\dot{\ xi}\)) yuav yog xoom.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，马氏体积分数的变化率（\(\dot{\xi }\))在反向转变（加热）中，当当当线温度\(t
(a) Cov txiaj ntsig simulation qhia txog kev faib tawm qhov kub thiab qhov kub ntawm kev sib txuas hauv SMA-based divalerate actuator. Thaum qhov kub ntawm cov hlau hla qhov kub hloov pauv austenite hauv theem cua sov, qhov kub hloov pauv austenite hloov pauv pib nce, thiab zoo sib xws, thaum qhov kub ntawm cov hlau hla qhov kub hloov pauv martensitic hauv theem txias, qhov kub hloov pauv martensitic txo qis. SMA rau kev ua qauv ntawm cov txheej txheem ua haujlwm. (Yog xav paub ntxiv txog txhua lub subsystem ntawm tus qauv Simulink, saib ntu ntxiv ntawm cov ntaub ntawv ntxiv.)
Cov txiaj ntsig ntawm kev tshuaj xyuas rau cov kev faib tawm sib txawv tau qhia rau ob lub voj voog ntawm 7V input voltage (10 vib nas this sov so thiab 15 vib nas this txias). Thaum (ac) thiab (e) piav qhia txog kev faib tawm dhau sijhawm, ntawm qhov tod tes, (d) thiab (f) piav qhia txog kev faib tawm nrog kub. Rau cov xwm txheej nkag, qhov siab tshaj plaws pom yog 106 MPa (tsawg dua 345 MPa, lub zog tso zis hlau), lub zog yog 150 N, qhov hloov pauv siab tshaj plaws yog 270 µm, thiab qhov tsawg kawg nkaus martensitic ntim feem yog 0.91. Ntawm qhov tod tes, qhov kev hloov pauv ntawm kev ntxhov siab thiab qhov kev hloov pauv ntawm qhov ntim feem ntawm martensite nrog kub zoo ib yam li cov yam ntxwv hysteresis.
Cov lus piav qhia tib yam siv rau qhov kev hloov pauv ncaj qha (txias) los ntawm theem austenite mus rau theem martensite, qhov twg qhov kub ntawm SMA hlau (T) thiab qhov kub kawg ntawm theem martensite hloov kho kev ntxhov siab (\(M_f^{\prime}\)) zoo heev. Ntawm daim duab 4d, f qhia txog kev hloov pauv ntawm kev ntxhov siab induced (\(\sigma\)) thiab qhov ntim feem ntawm martensite (\(\xi\)) hauv SMA hlau ua haujlwm ntawm kev hloov pauv ntawm qhov kub ntawm SMA hlau (T), rau ob lub voj voog tsav tsheb. Ntawm daim duab 3a qhia txog kev hloov pauv ntawm qhov kub ntawm SMA hlau nrog lub sijhawm nyob ntawm lub zog hluav taws xob nkag. Raws li tuaj yeem pom los ntawm daim duab, qhov kub ntawm cov hlau txuas ntxiv nce ntxiv los ntawm kev muab qhov chaw cua sov ntawm xoom voltage thiab tom qab ntawd convective txias. Thaum lub sijhawm ua kom sov, qhov kev hloov pauv ntawm martensite mus rau theem austenite pib thaum qhov kub ntawm SMA hlau (T) hla qhov kub ntawm austenite nucleation uas kho qhov kev ntxhov siab (\(A_s^{\prime}\)). Thaum lub sijhawm no, cov hlau SMA raug nias thiab lub actuator tsim lub zog. Tsis tas li ntawd thaum lub sijhawm txias, thaum qhov kub ntawm SMA hlau (T) hla qhov kub ntawm nucleation ntawm theem martensite uas hloov kho kev ntxhov siab (\(M_s^{\prime}\)) muaj kev hloov pauv zoo los ntawm theem austenite mus rau theem martensite. lub zog tsav txo qis.
Cov yam ntxwv tseem ceeb ntawm kev tsav bimodal raws li SMA tuaj yeem tau txais los ntawm cov txiaj ntsig simulation. Hauv qhov xwm txheej ntawm lub zog hluav taws xob nkag, qhov kub ntawm SMA hlau nce ntxiv vim yog Joule cua sov nyhuv. Tus nqi pib ntawm martensite ntim feem (\(\xi\)) yog teeb tsa rau 1, txij li thaum cov khoom siv yog thawj zaug nyob rau hauv theem martensitic tag nrho. Thaum cov hlau txuas ntxiv mus cua sov, qhov kub ntawm SMA hlau tshaj qhov kev ntxhov siab-kho qhov kub austenite nucleation \(A_s^{\prime}\), ua rau muaj kev txo qis hauv martensite ntim feem, raws li pom hauv Daim Duab 4c. Tsis tas li ntawd, hauv daim duab 4e qhia txog kev faib tawm ntawm cov strokes ntawm lub actuator hauv lub sijhawm, thiab hauv daim duab 5 - lub zog tsav tsheb ua lub luag haujlwm ntawm lub sijhawm. Ib qho system ntawm cov qauv suav nrog qhov kub, martensite ntim feem, thiab kev ntxhov siab uas tsim nyob rau hauv cov hlau, ua rau muaj kev ntsws ntawm SMA hlau thiab lub zog tsim los ntawm lub actuator. Raws li pom hauv daim duab. 4d,f, qhov hloov pauv ntawm qhov hluav taws xob nrog qhov kub thiab qhov sib txawv ntawm qhov ntim ntawm martensite nrog qhov kub sib raug rau cov yam ntxwv hysteresis ntawm SMA hauv qhov xwm txheej simulated ntawm 7 V.
Kev sib piv ntawm cov kev tsav tsheb tau txais los ntawm kev sim thiab kev xam suav analytical. Cov xov hlau tau raug rau lub zog hluav taws xob ntawm 7 V rau 10 vib nas this, tom qab ntawd txias rau 15 vib nas this (theem txias) dhau ob lub voj voog. Lub kaum sab xis pinnate tau teeb tsa rau \(40^{\circ}\) thiab qhov ntev pib ntawm SMA xov hlau hauv txhua ceg pin tau teeb tsa rau 83 hli. (a) Ntsuas lub zog tsav tsheb nrog lub cell load (b) Saib xyuas qhov kub ntawm cov xov hlau nrog lub koob yees duab thermal infrared.
Yuav kom nkag siab txog qhov cuam tshuam ntawm cov yam ntxwv ntawm lub cev rau lub zog uas lub zog tsim los ntawm lub zog tsav, kev tshuaj xyuas qhov rhiab heev ntawm tus qauv lej rau cov yam ntxwv ntawm lub cev tau ua tiav, thiab cov yam ntxwv tau raug xaiv raws li lawv qhov cuam tshuam. Ua ntej, kev kuaj cov yam ntxwv ntawm tus qauv tau ua tiav los ntawm kev siv cov ntsiab cai tsim qauv sim uas ua raws li kev faib tawm sib npaug (saib Ntu Ntxiv ntawm Kev Tshuaj Xyuas Qhov rhiab heev). Hauv qhov no, cov yam ntxwv ntawm tus qauv suav nrog lub zog nkag (\(V_{in}\)), qhov ntev ntawm SMA hlau pib (\(l_0\)), lub kaum sab xis ntawm daim duab peb sab (\(alpha\)), lub caij nplooj ntoos hlav tsis tu ncua (\(K_x\)), cov coefficient hloov pauv cua sov convective (\(h_T\)) thiab tus lej ntawm cov ceg unimodal (n). Hauv kauj ruam tom ntej, lub zog ntawm cov leeg nqaij siab tshaj plaws tau raug xaiv ua qhov yuav tsum tau tsim qauv kev tshawb fawb thiab cov teebmeem parametric ntawm txhua pawg ntawm cov hloov pauv ntawm lub zog tau txais. Cov phiaj xwm tornado rau kev tshuaj xyuas qhov rhiab heev tau los ntawm cov coefficients sib raug zoo rau txhua qhov parameter, raws li pom hauv daim duab 6a.
(a) Cov nqi sib raug zoo ntawm cov qauv tsis thiab lawv cov nyhuv rau lub zog tso zis siab tshaj plaws ntawm 2500 pawg tshwj xeeb ntawm cov qauv tsis saum toj no tau pom hauv daim phiaj cua daj cua dub. Daim duab qhia txog qib sib raug zoo ntawm ntau tus cim. Nws yog qhov tseeb tias \(V_{in}\) yog tib qho parameter nrog kev sib raug zoo, thiab \(l_0\) yog qhov parameter nrog kev sib raug zoo tsis zoo siab tshaj plaws. Cov nyhuv ntawm ntau yam tsis sib xws hauv ntau yam kev sib xyaw ua ke ntawm lub zog nqaij ntshiv siab tshaj plaws tau pom hauv (b, c). \(K_x\) ntau ntawm 400 txog 800 N/m thiab n ntau ntawm 4 txog 24. Voltage (\(V_{in}\)) hloov ntawm 4V txog 10V, qhov ntev ntawm hlau (\(l_{0} \)) hloov ntawm 40 txog 100 hli, thiab lub kaum sab xis (\ (\alpha \)) ntau ntawm \ (20 - 60 \, ^ {\circ}\).
Hauv daim duab 6a qhia txog daim duab cua daj cua dub ntawm ntau yam coefficients sib raug zoo rau txhua qhov parameter nrog rau qhov yuav tsum tau tsim lub zog tsav siab tshaj plaws. Los ntawm daim duab 6a nws tuaj yeem pom tias qhov voltage parameter (\(V_{in}\)) muaj feem cuam tshuam ncaj qha rau lub zog tso zis siab tshaj plaws, thiab qhov coefficient hloov pauv cua sov convective (\(h_T\)), lub kaum sab xis nplaim taws (\( \alpha\)), lub caij nplooj ntoos hlav hloov chaw tas li (\(K_x\)) muaj feem cuam tshuam tsis zoo nrog lub zog tso zis thiab qhov ntev pib (\(l_0\)) ntawm SMA hlau, thiab tus lej ntawm cov ceg unimodal (n) qhia txog kev sib raug zoo inverse hauv qhov xwm txheej ntawm kev sib raug zoo ncaj qha hauv qhov xwm txheej ntawm tus nqi siab dua ntawm qhov voltage correlation coefficient (\(V_ {in}\)) qhia tias qhov parameter no muaj qhov cuam tshuam loj tshaj plaws rau lub zog tso zis. Lwm qhov kev tshuaj xyuas zoo sib xws ntsuas lub zog siab tshaj plaws los ntawm kev ntsuam xyuas qhov cuam tshuam ntawm cov parameters sib txawv hauv kev sib xyaw ua ke ntawm ob qhov chaw suav, raws li pom hauv daim duab 6b, c. \(V_{in}\) thiab \(l_0\), \(\alpha\) thiab \(l_0\) muaj cov qauv zoo sib xws, thiab daim duab qhia tias \(V_{in}\) thiab \(\alpha\) thiab \(\alpha\) muaj cov qauv zoo sib xws. Cov nqi me dua ntawm \(l_0\) ua rau muaj lub zog siab dua. Ob daim duab ntxiv yog sib xws nrog Daim Duab 6a, qhov twg n thiab \(K_x\) muaj kev sib raug zoo tsis zoo thiab \(V_{in}\) muaj kev sib raug zoo. Qhov kev tshuaj xyuas no pab txhais thiab kho cov kev cuam tshuam uas lub zog tso zis, mob stroke thiab kev ua haujlwm ntawm lub kaw lus tsav tsheb tuaj yeem hloov kho rau qhov xav tau thiab daim ntawv thov.
Cov kev tshawb fawb tam sim no qhia thiab tshawb nrhiav cov tsav hierarchical nrog N theem. Hauv ob theem hierarchy, raws li pom hauv daim duab 7a, qhov twg es tsis txhob txhua lub xov hlau SMA ntawm thawj theem actuator, ib qho kev npaj bimodal tau ua tiav, raws li pom hauv daim duab 9e. Ntawm daim duab 7c qhia txog yuav ua li cas SMA xov hlau raug qhwv ib ncig ntawm ib sab caj npab txav tau (txab caj npab pabcuam) uas tsuas yog txav mus rau hauv qhov kev taw qhia ntev. Txawm li cas los xij, thawj lub caj npab txav tau txuas ntxiv mus rau tib yam li lub caj npab txav tau ntawm thawj theem ntau theem actuator. Feem ntau, N-theem tsav yog tsim los ntawm kev hloov \(N-1\) theem SMA hlau nrog thawj theem tsav. Yog li ntawd, txhua ceg ua raws li thawj theem tsav, tshwj tsis yog ceg uas tuav lub xov hlau nws tus kheej. Hauv txoj kev no, cov qauv nested tuaj yeem tsim uas tsim cov zog uas ntau zaus ntau dua li cov zog ntawm thawj tsav. Hauv kev tshawb fawb no, rau txhua theem, tag nrho cov xov hlau SMA ntev ntawm 1 m tau raug coj mus rau hauv tus account, raws li pom hauv hom ntawv hauv daim duab 7d. Cov tam sim no los ntawm txhua txoj hlau hauv txhua qhov kev tsim unimodal thiab qhov tshwm sim prestress thiab voltage hauv txhua SMA hlau ntu yog tib yam ntawm txhua theem. Raws li peb tus qauv analytical, lub zog tso zis yog qhov zoo sib xws nrog qib, thaum qhov kev hloov pauv yog qhov tsis zoo sib xws. Tib lub sijhawm, muaj kev lag luam ntawm kev hloov pauv thiab lub zog ntawm cov leeg. Raws li pom hauv daim duab 7b, thaum lub zog siab tshaj plaws tau ua tiav hauv cov khaubncaws sab nraud povtseg ntau tshaj plaws, qhov kev hloov pauv loj tshaj plaws tau pom hauv txheej qis tshaj plaws. Thaum qib hierarchy tau teeb tsa rau \ (N = 5 \), lub zog ntawm cov leeg nqaij siab tshaj plaws ntawm 2.58 kN tau pom nrog 2 qhov pom strokes \ (\ upmu \) m. Ntawm qhov tod tes, thawj theem tsav tsim lub zog ntawm 150 N ntawm qhov stroke ntawm 277 \ (\ upmu \) m. Cov actuators ntau theem muaj peev xwm ua raws li cov leeg nqaij tiag tiag, qhov twg cov leeg nqaij dag raws li cov khoom siv nco qab zoo tuaj yeem tsim cov zog siab dua nrog kev txav mus los meej thiab zoo dua. Qhov kev txwv ntawm qhov kev tsim qauv me me no yog tias thaum lub hierarchy nce ntxiv, qhov kev txav mus los raug txo qis heev thiab qhov nyuaj ntawm cov txheej txheem tsim khoom tsav tsheb nce ntxiv.
(a) Ib lub tshuab ua haujlwm ob theem (\(N=2\)) uas muaj cov duab sib txuas ua ke tau qhia nyob rau hauv kev teeb tsa bimodal. Tus qauv uas tau thov yog ua tiav los ntawm kev hloov cov hlau SMA hauv thawj theem layered actuator nrog lwm theem ib txheej layered actuator. (c) Kev teeb tsa tsis zoo ntawm theem ob multilayer actuator. (b) Kev faib tawm ntawm cov zog thiab kev hloov chaw nyob ntawm tus lej ntawm cov theem tau piav qhia. Nws tau pom tias lub zog siab tshaj plaws ntawm cov actuator muaj feem cuam tshuam zoo nrog qib nplai ntawm daim duab, thaum lub stroke muaj feem cuam tshuam tsis zoo nrog qib nplai. Tam sim no thiab pre-voltage hauv txhua lub hlau tseem nyob ruaj khov ntawm txhua qib. (d) Lub rooj qhia tus lej ntawm cov kais thiab qhov ntev ntawm SMA hlau (fiber) ntawm txhua qib. Cov yam ntxwv ntawm cov hlau tau qhia los ntawm cov ntsuas 1, thiab tus lej ntawm cov ceg theem ob (ib qho txuas nrog ceg thawj) tau qhia los ntawm tus lej loj tshaj plaws hauv subscript. Piv txwv li, ntawm theem 5, \(n_1\) hais txog tus lej ntawm cov xov hlau SMA uas muaj nyob hauv txhua qhov qauv bimodal, thiab \(n_5\) hais txog tus lej ntawm cov ceg pabcuam (ib qho txuas nrog ceg tseem ceeb).
Ntau tus kws tshawb fawb tau tawm tswv yim ntau txoj kev los ua qauv rau tus cwj pwm ntawm SMAs nrog lub cim xeeb duab, uas nyob ntawm cov khoom thermomechanical nrog rau kev hloov pauv macroscopic hauv cov qauv siv lead ua ke nrog kev hloov pauv theem. Kev tsim cov txheej txheem constitutive yog qhov nyuaj heev. Tus qauv phenomenological feem ntau siv yog Tanaka28 tau tawm tswv yim thiab siv dav hauv kev siv engineering. Tus qauv phenomenological uas Tanaka [28] tau tawm tswv yim xav tias qhov ntim feem ntawm martensite yog qhov ua haujlwm exponential ntawm qhov kub thiab txias thiab kev ntxhov siab. Tom qab ntawd, Liang thiab Rogers29 thiab Brinson30 tau tawm tswv yim tus qauv uas qhov kev hloov pauv theem dynamics tau xav tias yog qhov ua haujlwm cosine ntawm voltage thiab kub, nrog kev hloov pauv me ntsis rau tus qauv. Becker thiab Brinson tau tawm tswv yim tus qauv kinetic raws li daim duab theem los ua qauv rau tus cwj pwm ntawm cov ntaub ntawv SMA nyob rau hauv cov xwm txheej thauj khoom tsis raug cai nrog rau kev hloov pauv ib nrab. Banerjee32 siv Bekker thiab Brinson31 theem daim duab dynamics txoj kev los simulate ib qib ntawm kev ywj pheej manipulator tsim los ntawm Elahinia thiab Ahmadian33. Cov txheej txheem Kinetic raws li cov duab kos theem, uas suav nrog qhov kev hloov pauv tsis sib xws hauv qhov hluav taws xob nrog qhov kub thiab txias, nyuaj rau siv rau hauv kev siv engineering. Elakhinia thiab Ahmadian kos xim rau cov qhov tsis txaus ntawm cov qauv phenomenological uas twb muaj lawm thiab tawm tswv yim txog cov qauv phenomenological txuas ntxiv los tshuaj xyuas thiab txhais cov cwj pwm nco qab cov duab nyob rau hauv txhua qhov xwm txheej nyuaj.
Tus qauv qauv ntawm SMA hlau muab kev ntxhov siab (\(\sigma\)), kev nyuaj siab (\(\epsilon\)), kub (T), thiab feem ntim martensite (\(\xi\)) ntawm SMA hlau. Tus qauv tsim qauv phenomenological thawj zaug tau thov los ntawm Tanaka28 thiab tom qab ntawd tau txais yuav los ntawm Liang29 thiab Brinson30. Tus derivative ntawm qhov sib npaug muaj daim ntawv:
qhov twg E yog theem nyob ntawm SMA Young's modulus tau txais los ntawm kev siv \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) thiab \(E_A\) thiab \(E_M\) uas sawv cev rau Young's modulus yog austenitic thiab martensitic theem, feem, thiab cov coefficient ntawm thermal expansion yog sawv cev los ntawm \(\theta _T\). Qhov kev hloov pauv theem yog \(\Omega = -E \epsilon _L\) thiab \(\epsilon _L\) yog qhov siab tshaj plaws rov qab tau hauv SMA hlau.
Cov qauv sib npaug ntawm theem dynamics sib xws nrog lub cosine function uas Liang29 tsim thiab tom qab ntawd Brinson30 tau txais yuav es tsis txhob siv lub exponential function uas Tanaka28 tau hais. Tus qauv hloov theem yog qhov txuas ntxiv ntawm tus qauv uas Elakhinia thiab Ahmadian34 tau hais thiab hloov kho raws li cov xwm txheej hloov theem uas Liang29 thiab Brinson30 tau muab. Cov xwm txheej siv rau tus qauv hloov theem no siv tau raws li cov khoom siv thermomechanical nyuaj. Txhua lub sijhawm, tus nqi ntawm cov feem ntim ntawm martensite raug suav thaum ua qauv rau cov qauv sib npaug.
Tus qauv tswj hwm kev hloov pauv, qhia los ntawm kev hloov pauv ntawm martensite mus rau austenite hauv qab cua sov, yog raws li nram no:
qhov twg \(\xi\) yog qhov ntim feem ntawm martensite, \(\xi _M\) yog qhov ntim feem ntawm martensite tau txais ua ntej cua sov, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ (\displaystyle b_A = -a_A/C_A\) thiab \(C_A\) - cov kev ntsuas kwv yees nkhaus, T - SMA xaim kub, \(A_s\) thiab \(A_f\) - pib thiab xaus ntawm theem austenite, feem, kub.
Cov qauv tswj kev hloov pauv ncaj qha, uas sawv cev los ntawm kev hloov pauv theem ntawm austenite mus rau martensite hauv qab cov xwm txheej txias, yog:
qhov twg \(\xi _A\) yog qhov ntim feem ntawm martensite tau txais ua ntej txias, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) thiab \ (C_M \) - cov kev teeb tsa nkhaus, T - SMA xaim kub, \(M_s\) thiab \(M_f\) - thawj thiab qhov kawg martensite kub, raws li.
Tom qab cov qauv sib npaug (3) thiab (4) tau sib txawv, cov qauv sib npaug thiab cov qauv sib npaug hloov pauv ncaj qha tau yooj yim rau daim ntawv hauv qab no:
Thaum lub sijhawm hloov pauv mus tom ntej thiab rov qab \(\eta _{\sigma}\) thiab \(\eta _{T}\) muaj cov nqi sib txawv. Cov qauv yooj yim cuam tshuam nrog \(\eta _{\sigma}\) thiab \(\eta _{T}\) tau muab los thiab tham txog ntau yam hauv ib ntu ntxiv.
Lub zog thermal uas xav tau los ua kom qhov kub ntawm SMA hlau kub dua los ntawm Joule cua sov. Lub zog thermal uas nqus los yog tso tawm los ntawm SMA hlau yog sawv cev los ntawm latent cua sov ntawm kev hloov pauv. Lub cua sov poob hauv SMA hlau yog vim muaj kev sib xyaw ua ke, thiab muab qhov cuam tshuam tsis tseem ceeb ntawm kev hluav taws xob, qhov sib npaug ntawm lub zog cua sov yog raws li nram no:
Qhov twg \(m_{wire}\) yog tag nrho cov hnyav ntawm SMA hlau, \(c_{p}\) yog lub peev xwm cua sov tshwj xeeb ntawm SMA, \(V_{in}\) yog lub zog hluav taws xob siv rau hlau, \(R_{ohm} \) - theem-nyob ntawm kev tiv thaiv SMA, txhais tias yog; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) qhov twg \(r_M\) thiab \(r_A\) yog SMA theem resistivity hauv martensite thiab austenite, feem, \(A_{c}\) yog thaj chaw ntawm SMA hlau, \(Delta H \) yog lub cim xeeb zoo li hlau. Lub cua sov latent ntawm kev hloov pauv ntawm hlau, T thiab \(T_{\infty}\) yog qhov kub ntawm SMA hlau thiab ib puag ncig, feem.
Thaum cov hlau hlau uas ua rau lub cim xeeb zoo li qub raug ua haujlwm, cov hlau yuav nias, tsim kom muaj lub zog hauv txhua ceg ntawm tus qauv tsim bimodal hu ua lub zog fiber. Cov zog ntawm cov fibers hauv txhua txoj hlua ntawm SMA hlau ua ke tsim cov leeg nqaij kom ua haujlwm, raws li pom hauv daim duab 9e. Vim muaj lub caij nplooj ntoos hlav biasing, tag nrho cov leeg nqaij ntawm Nth multilayer actuator yog:
Hloov \(N = 1\) rau hauv kab zauv (7), lub zog ntawm cov leeg nqaij ntawm thawj theem bimodal tsav prototype tuaj yeem tau txais raws li hauv qab no:
qhov twg n yog tus lej ntawm cov ceg unimodal, \(F_m\) yog lub zog nqaij uas tsim los ntawm lub zog tsav, \(F_f\) yog lub zog fiber hauv SMA hlau, \(K_x\) yog qhov bias stiffness. caij nplooj ntoos hlav, \(\alpha\) yog lub kaum sab xis ntawm lub duab peb ceg, \(x_0\) yog qhov pib offset ntawm lub caij nplooj ntoos hlav bias los tuav lub SMA cable nyob rau hauv qhov chaw pre-tensioned, thiab \(\Delta x\) yog lub actuator mus ncig.
Tag nrho qhov kev hloov pauv lossis kev txav mus los ntawm lub tsav (\(\Delta x\)) nyob ntawm qhov hluav taws xob (\(\sigma\)) thiab kev ntxhov siab (\(\epsilon\)) ntawm SMA hlau ntawm theem Nth, lub tsav tau teeb tsa rau (saib daim duab ntxiv ntawm qhov tso zis):
Cov kab zauv kinematic muab kev sib raug zoo ntawm kev hloov pauv ntawm lub zog tsav (\(\epsilon\)) thiab kev hloov chaw lossis kev hloov chaw (\(\Delta x\)). Kev hloov pauv ntawm Arb hlau ua haujlwm ntawm qhov ntev ntawm Arb hlau pib (\(l_0\)) thiab qhov ntev ntawm hlau (l) txhua lub sijhawm t hauv ib ceg unimodal yog raws li nram no:
qhov twg \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) tau txais los ntawm kev siv cov mis cosine hauv \(\Delta\)ABB ', raws li pom hauv Daim Duab 8. Rau thawj theem tsav (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) yog \(\Delta x\), thiab \(\alpha _1\) yog \(\alpha \) raws li pom hauv Raws li pom hauv Daim Duab 8, los ntawm kev sib txawv lub sijhawm los ntawm Equation (11) thiab hloov tus nqi ntawm l, tus nqi strain tuaj yeem sau ua:
qhov twg \(l_0\) yog qhov ntev pib ntawm SMA hlau, l yog qhov ntev ntawm hlau txhua lub sijhawm t hauv ib ceg unimodal, \(\epsilon\) yog qhov deformation tsim nyob rau hauv SMA hlau, thiab \(\alpha\) yog lub kaum sab xis ntawm lub duab peb ceg, \(\Delta x\) yog qhov tsav offset (raws li qhia hauv Daim Duab 8).
Txhua lub qauv n ib lub ncov (\(n=6\) hauv daim duab no) txuas ua ke nrog \(V_{in}\) ua lub zog hluav taws xob nkag. Theem I: Daim duab kos ntawm cov hlau SMA hauv kev teeb tsa bimodal hauv qab xoom voltage theem II: Ib lub qauv tswj tau pom qhov twg cov hlau SMA raug nias vim yog kev hloov pauv rov qab, raws li qhia los ntawm kab liab.
Ua pov thawj ntawm lub tswv yim, ib qho tsav tsheb bimodal raws li SMA tau tsim los sim cov qauv simulated ntawm cov kab zauv hauv qab nrog cov txiaj ntsig sim. Tus qauv CAD ntawm bimodal linear actuator tau pom hauv daim duab 9a. Ntawm qhov tod tes, hauv daim duab 9c qhia txog kev tsim tshiab uas tau npaj rau kev sib txuas prismatic rotational siv ob-dav hlau SMA-raws li actuator nrog cov qauv bimodal. Cov khoom tsav tsheb tau tsim los ntawm kev siv cov khoom tsim ntxiv ntawm lub tshuab luam ntawv Ultimaker 3 Extended 3D. Cov khoom siv siv rau kev luam ntawv 3D ntawm cov khoom yog polycarbonate uas tsim nyog rau cov khoom siv tiv taus cua sov vim nws muaj zog, ruaj khov thiab muaj qhov kub hloov iav siab (110-113 \(^{\circ}\) C). Tsis tas li ntawd, Dynalloy, Inc. Flexinol duab nco alloy hlau tau siv rau hauv kev sim, thiab cov khoom siv sib xws rau Flexinol hlau tau siv rau hauv kev sim. Ntau cov xov hlau SMA tau teeb tsa ua cov fibers uas muaj nyob rau hauv kev teeb tsa bimodal ntawm cov leeg kom tau txais cov zog siab uas tsim los ntawm cov actuators ntau txheej, raws li pom hauv daim duab 9b, d.
Raws li pom hauv Daim Duab 9a, lub kaum ntse ntse uas tsim los ntawm lub caj npab txav tau SMA hlau hu ua lub kaum sab xis (\(\alpha\)). Nrog cov clamps kawg txuas rau sab laug thiab sab xis clamps, SMA hlau raug tuav ntawm lub kaum sab xis bimodal xav tau. Lub caij nplooj ntoos hlav bias tuav ntawm lub caij nplooj ntoos hlav connector yog tsim los kho cov pab pawg sib txawv bias caij nplooj ntoos hlav txuas ntxiv raws li tus lej (n) ntawm SMA fibers. Tsis tas li ntawd, qhov chaw ntawm cov khoom txav tau tsim kom SMA hlau raug rau qhov chaw sab nraud rau kev yuam kom txias. Cov phaj sab saud thiab hauv qab ntawm lub rooj sib dhos detachable pab kom SMA hlau txias nrog cov cutouts extruded tsim los txo qhov hnyav. Tsis tas li ntawd, ob qho kawg ntawm CMA hlau raug kho rau sab laug thiab sab xis terminals, feem, los ntawm txoj kev crimp. Lub plunger raug txuas rau ib qho kawg ntawm lub rooj sib dhos txav tau kom tswj tau qhov sib txawv ntawm sab saum toj thiab hauv qab phaj. Lub plunger kuj tseem siv los siv lub zog thaiv rau lub sensor ntawm kev sib cuag los ntsuas lub zog thaiv thaum SMA hlau raug actuated.
Lub cev nqaij daim tawv bimodal SMA txuas nrog hluav taws xob ua ke thiab siv hluav taws xob los ntawm lub zog hluav taws xob nkag. Thaum lub voj voog hluav taws xob, thaum lub zog hluav taws xob raug siv thiab cov hlau SMA raug cua sov siab dua qhov kub pib ntawm austenite, qhov ntev ntawm cov hlau hauv txhua txoj hlua raug luv dua. Qhov kev rub rov qab no ua rau lub caj npab txav tau. Thaum lub zog hluav taws xob raug xoom hauv tib lub voj voog, cov hlau SMA uas tau cua sov tau txias qis dua qhov kub ntawm qhov chaw martensite, yog li rov qab mus rau nws qhov chaw qub. Hauv qab qhov xwm txheej xoom kev ntxhov siab, cov hlau SMA raug ncab los ntawm lub caij nplooj ntoos hlav bias kom mus txog lub xeev detwinned martensitic. Lub ntsia hlau, uas cov hlau SMA hla dhau, txav mus los vim yog qhov kev nias tsim los ntawm kev siv lub zog hluav taws xob rau cov hlau SMA (SPA mus txog theem austenite), uas ua rau lub zog txav tau ua haujlwm. Thaum cov hlau SMA raug rub rov qab, lub caij nplooj ntoos hlav bias tsim lub zog tawm tsam los ntawm kev ncab lub caij nplooj ntoos hlav ntxiv. Thaum qhov kev ntxhov siab hauv lub zog hluav taws xob impulse dhau los ua xoom, cov hlau SMA ntev thiab hloov nws cov duab vim yog kev yuam kom txias, ncav cuag ob theem martensitic.
Lub kaw lus linear actuator SMA-raws li tau npaj tseg muaj kev teeb tsa bimodal uas cov xov hlau SMA yog lub kaum sab xis. (a) piav qhia txog tus qauv CAD ntawm tus qauv, uas hais txog qee qhov ntawm cov khoom thiab lawv lub ntsiab lus rau tus qauv, (b, d) sawv cev rau tus qauv sim tsim 35. Thaum (b) qhia qhov pom sab saud ntawm tus qauv nrog kev sib txuas hluav taws xob thiab cov caij nplooj ntoos hlav bias thiab cov ntsuas kev ntxhov siab siv, (d) qhia qhov pom ntawm qhov teeb tsa. (e) Daim duab ntawm lub kaw lus linear actuation nrog cov xov hlau SMA tso rau bimodally txhua lub sijhawm t, qhia qhov kev taw qhia thiab txoj kev ntawm cov fiber thiab cov leeg muaj zog. (c) Kev sib txuas 2-DOF rotational prismatic tau npaj tseg rau kev xa tawm ob-dav hlau SMA-raws li actuator. Raws li tau qhia, qhov txuas xa cov kev txav mus los linear los ntawm lub tsav hauv qab mus rau sab saum toj caj npab, tsim kev sib txuas rotational. Ntawm qhov tod tes, kev txav mus los ntawm ob lub prisms yog tib yam li kev txav mus los ntawm ntau txheej thawj theem tsav.
Muaj kev tshawb nrhiav sim ua rau ntawm tus qauv qhia hauv daim duab 9b los ntsuam xyuas kev ua haujlwm ntawm lub bimodal drive raws li SMA. Raws li pom hauv daim duab 10a, qhov kev teeb tsa sim muaj lub zog DC programmable los muab lub zog nkag rau cov xov hlau SMA. Raws li pom hauv daim duab 10b, lub piezoelectric strain gauge (PACEline CFT/5kN) tau siv los ntsuas lub zog thaiv siv Graphtec GL-2000 data logger. Cov ntaub ntawv raug kaw los ntawm tus tswv tsev rau kev kawm ntxiv. Cov strain gauges thiab cov charge amplifiers xav tau lub zog tas li los tsim lub teeb liab voltage. Cov teeb liab sib xws raug hloov mus ua lub zog tso zis raws li qhov rhiab heev ntawm lub piezoelectric force sensor thiab lwm yam kev ntsuas raws li tau piav qhia hauv Rooj 2. Thaum lub zog pulse raug siv, qhov kub ntawm SMA xov hlau nce ntxiv, ua rau SMA xov hlau compress, uas ua rau lub actuator tsim lub zog. Cov txiaj ntsig sim ntawm qhov tso zis ntawm lub zog nqaij los ntawm lub zog nkag ntawm 7 V tau pom hauv daim duab 2a.
(a) Ib lub tshuab SMA-based linear actuator system tau teeb tsa hauv kev sim los ntsuas lub zog uas lub actuator tsim tawm. Lub load cell ntsuas lub zog thaiv thiab siv hluav taws xob los ntawm 24 V DC fais fab mov. Ib qho 7 V voltage poob tau siv raws tag nrho qhov ntev ntawm lub cable siv GW Instek programmable DC fais fab mov. Lub xov hlau SMA shrinks vim cua sov, thiab lub caj npab txav tau kov lub load cell thiab ua rau muaj lub zog thaiv. Lub load cell txuas nrog GL-2000 data logger thiab cov ntaub ntawv khaws cia rau ntawm tus tswv tsev rau kev ua tiav ntxiv. (b) Daim duab qhia txog cov saw hlau ntawm cov khoom ntawm qhov kev teeb tsa sim rau kev ntsuas lub zog ntawm cov leeg.
Cov hlau nplaum uas cim xeeb zoo li lub cev raug txhawb los ntawm lub zog thermal, yog li qhov kub thiab txias ua ib qho tseem ceeb rau kev kawm txog qhov xwm txheej ntawm kev cim xeeb zoo li lub cev. Los ntawm kev sim, raws li pom hauv daim duab 11a, kev ntsuas thermal thiab kev ntsuas kub tau ua tiav ntawm tus qauv SMA-based divalerate actuator. Ib qho programmable DC qhov chaw tau siv lub zog nkag mus rau cov xov hlau SMA hauv qhov kev teeb tsa sim, raws li pom hauv daim duab 11b. Kev hloov pauv kub ntawm cov xov hlau SMA tau ntsuas lub sijhawm tiag tiag siv lub koob yees duab LWIR siab daws teeb meem (FLIR A655sc). Tus tswv tsev siv ResearchIR software los sau cov ntaub ntawv rau kev ua tiav tom qab ntxiv. Thaum siv lub zog pulse, qhov kub ntawm cov xov hlau SMA nce ntxiv, ua rau cov xov hlau SMA ntsws. Hauv daim duab 2b qhia cov txiaj ntsig sim ntawm qhov kub ntawm cov xov hlau SMA piv rau lub sijhawm rau lub zog pulse 7V.
Lub sijhawm tshaj tawm: Cuaj hlis-28-2022
