Köszönjük, hogy felkereste a Nature.com weboldalt. Az Ön által használt böngészőverzió korlátozott CSS-támogatással rendelkezik. A legjobb élmény érdekében javasoljuk, hogy egy frissített böngészőt használjon (vagy tiltsa le a kompatibilitási módot az Internet Explorerben). Időközben a folyamatos támogatás biztosítása érdekében stílusok és JavaScript nélkül jelenítjük meg az oldalt.
Az aktuátorokat mindenhol használják, és a megfelelő gerjesztőerő vagy nyomaték alkalmazásával szabályozott mozgást hoznak létre a gyártás és az ipari automatizálás különböző műveleteinek végrehajtásához. A gyorsabb, kisebb és hatékonyabb hajtások iránti igény a hajtástervezés innovációját ösztönzi. Az alakmemória ötvözet (SMA) hajtások számos előnnyel rendelkeznek a hagyományos hajtásokkal szemben, beleértve a magas teljesítmény-tömeg arányt. Ebben a disszertációban egy kéttollú SMA alapú aktuátort fejlesztettek ki, amely ötvözi a biológiai rendszerek tollas izmainak előnyeit és az SMA-k egyedi tulajdonságait. Ez a tanulmány a korábbi SMA aktuátorokat vizsgálja és bővíti ki az új aktuátor matematikai modelljének kidolgozásával, amely a bimodális SMA vezetékelrendezésen alapul, és kísérletileg teszteli azt. Az ismert SMA alapú hajtásokhoz képest az új hajtás működtető ereje legalább ötszöröse (akár 150 N). A megfelelő súlyveszteség körülbelül 67%. A matematikai modellek érzékenységelemzésének eredményei hasznosak a tervezési paraméterek finomhangolásához és a kulcsfontosságú paraméterek megértéséhez. Ez a tanulmány továbbá egy többszintű N-edik fokozatú hajtást mutat be, amely a dinamika további javítására használható. Az SMA-alapú dipvalerát izomaktuátorok széles körben alkalmazhatók, az épületautomatizálástól a precíziós gyógyszeradagoló rendszerekig.
A biológiai rendszerek, mint például az emlősök izomszerkezetei, számos finom aktuátort képesek aktiválni1. Az emlősök különböző izomszerkezettel rendelkeznek, mindegyikük meghatározott célt szolgál. Az emlősök izomszövetének szerkezete azonban két nagy kategóriába sorolható. Párhuzamos és tollizmok. A combhajlító és más hajlítóizmokban, ahogy a neve is sugallja, a párhuzamos izomzat izomrostjai párhuzamosak a központi ínnal. Az izomrostok láncolatát a körülöttük lévő kötőszövet sorakoztatja és funkcionálisan összeköti. Bár ezekről az izmokról azt mondják, hogy nagy kitéréssel (százalékos rövidüléssel) rendelkeznek, teljes izomerejük nagyon korlátozott. Ezzel szemben a triceps vádliizmoban2 (laterális gastrocnemius (GL)3, mediális gastrocnemius (GM)4 és soleus (SOL)) és az extensor femorisban (négyfejű combfeszítő izom)5,6 tollizmok találhatók mindegyik izomban7. A szárnyas szerkezetben a kétszárnyú izomzat izomrostjai a központi ín mindkét oldalán ferde szögben (szárnyas szögek) helyezkednek el. A pennate szó a latin „penna” szóból származik, ami „toll”-t jelent, és ahogy az 1. ábrán látható, tollszerű megjelenésű. A pennate izmok rostjai rövidebbek és az izom hossztengelyéhez képest szöget zárnak be. A szárnyas szerkezet miatt ezeknek az izmoknak az általános mozgékonysága csökken, ami a rövidülési folyamat transzverzális és longitudinális komponenséhez vezet. Másrészt ezeknek az izmoknak az aktiválása nagyobb általános izomerőhöz vezet a fiziológiai keresztmetszeti terület mérésének módja miatt. Ezért egy adott keresztmetszeti terület esetén a pennate izmok erősebbek lesznek, és nagyobb erőket generálnak, mint a párhuzamos rostokkal rendelkező izmok. Az egyes rostok által generált erők makroszkopikus szinten generálnak izomerőket az adott izomszövetben. Ezenkívül olyan egyedi tulajdonságokkal rendelkezik, mint a gyors zsugorodás, a szakítósérülésekkel szembeni védelem, a párnázottság. Átalakítja a rostbemenet és az izomerő-leadás közötti kapcsolatot azáltal, hogy kihasználja az izomhatásvonalakhoz kapcsolódó rostszerkezet egyedi tulajdonságait és geometriai összetettségét.
Az ábrákon a meglévő SMA-alapú aktuátorok vázlatos rajzai láthatók egy bimodális izomarchitektúrához viszonyítva, például (a), amely a tapintási erő kölcsönhatását mutatja be, amelyben egy kéz alakú, SMA-huzalokkal működtetett eszköz egy kétkerekű autonóm mobil robotra van felszerelve9,10. , (b) Robot orbitális protézis antagonistán elhelyezett SMA rugós orbitális protézissel. A protézisszem helyzetét a szem szemizmából érkező jel vezérli11, (c) Az SMA aktuátorok ideálisak víz alatti alkalmazásokhoz a nagyfrekvenciás válaszuk és az alacsony sávszélességük miatt. Ebben a konfigurációban az SMA aktuátorokat hullámmozgás létrehozására használják a halak mozgásának szimulálásával, (d) Az SMA aktuátorokat egy mikro csőellenőrző robot létrehozására használják, amely a hüvelykes féregmozgás elvét alkalmazhatja, amelyet az SMA-huzalok mozgása vezérel a 10-es csatornán belül, (e) az izomrostok összehúzódási irányát és a kontraktilis erő létrehozását mutatja a gastrocnemius szövetben, (f) az SMA-huzalokat mutatja izomrostok formájában elrendeződve a pennate izomszerkezetben.
A aktuátorok széleskörű alkalmazási körük miatt a mechanikus rendszerek fontos részévé váltak. Ezért kritikussá válik az igény a kisebb, gyorsabb és hatékonyabb hajtásokra. Előnyeik ellenére a hagyományos hajtások drágának és karbantartásuk időigényesnek bizonyultak. A hidraulikus és pneumatikus aktuátorok összetettek és drágák, és kopásnak, kenési problémáknak és alkatrész-meghibásodásnak vannak kitéve. Az igényekre reagálva a hangsúly a költséghatékony, méretoptimalizált és fejlett, intelligens anyagokon alapuló aktuátorok fejlesztésén van. A folyamatban lévő kutatások az alakmemória ötvözetből (SMA) készült réteges aktuátorokat vizsgálják ennek az igénynek a kielégítésére. A hierarchikus aktuátorok egyedülállóak abban, hogy számos különálló aktuátort geometriailag összetett makroszintű alrendszerekbe egyesítenek, hogy megnövelt és kibővített funkcionalitást biztosítsanak. E tekintetben a fent leírt emberi izomszövet kiváló többrétegű példát mutat az ilyen többrétegű működtetésre. A jelenlegi tanulmány egy többszintű SMA hajtást ír le, amelyben több egyedi meghajtóelem (SMA vezeték) van a bimodális izmokban jelenlévő rostorientációhoz igazítva, ami javítja a hajtás általános teljesítményét.
Az aktuátor fő célja mechanikai teljesítmény, például erő és elmozdulás generálása elektromos energia átalakításával. Az alakmemóriás ötvözetek az „intelligens” anyagok egy osztályába tartoznak, amelyek magas hőmérsékleten képesek visszaállítani alakjukat. Nagy terhelés alatt az SMA vezeték hőmérsékletének növekedése alak-visszanyeréshez vezet, ami nagyobb működtetési energiasűrűséget eredményez a különféle közvetlenül kötött intelligens anyagokhoz képest. Ugyanakkor mechanikai terhelés alatt az SMA-k rideggé válnak. Bizonyos körülmények között a ciklikus terhelés elnyelheti és felszabadíthatja a mechanikai energiát, reverzibilis hiszterézises alakváltozásokat mutatva. Ezek az egyedi tulajdonságok ideálissá teszik az SMA-t érzékelőkhöz, rezgéscsillapításhoz és különösen aktuátorokhoz12. Ezt szem előtt tartva számos kutatás folyt az SMA-alapú hajtásokkal kapcsolatban. Meg kell jegyezni, hogy az SMA-alapú aktuátorok transzlációs és forgó mozgás biztosítására szolgálnak különféle alkalmazásokhoz13,14,15. Bár néhány forgó aktuátort kifejlesztettek, a kutatókat különösen a lineáris aktuátorok érdeklik. Ezek a lineáris aktuátorok háromféle aktuátorra oszthatók: egydimenziós, elmozdulásos és differenciál aktuátorok16. Kezdetben a hibrid hajtásokat SMA-val és más hagyományos hajtásokkal kombinálva fejlesztették ki. Az SMA-alapú hibrid lineáris aktuátorok egyik ilyen példája az SMA-vezeték használata egyenáramú motorral, amely körülbelül 100 N kimeneti erőt és jelentős elmozdulást biztosít17.
Az egyik első, teljes egészében SMA-n alapuló hajtásfejlesztés az SMA párhuzamos hajtás volt. Több SMA vezeték használatával az SMA alapú párhuzamos hajtás célja a hajtás teljesítményének növelése azáltal, hogy az összes SMA18 vezetéket párhuzamosan köti. Az aktuátorok párhuzamos csatlakoztatása nemcsak nagyobb teljesítményt igényel, hanem korlátozza egyetlen vezeték kimeneti teljesítményét is. Az SMA alapú aktuátorok további hátránya a korlátozott mozgástartomány. A probléma megoldására egy SMA kábelgerendát hoztak létre, amely egy eltérített, rugalmas gerendát tartalmaz az elmozdulás növelése és a lineáris mozgás elérése érdekében, de nem generált nagyobb erőket19. A robotokhoz készült, alakmemóriás ötvözeteken alapuló, lágy, deformálható szerkezeteket és szöveteket elsősorban az ütéserősítéshez fejlesztették ki20,21,22. Azokhoz az alkalmazásokhoz, ahol nagy sebességre van szükség, kompakt hajtott szivattyúkról számoltak be, amelyek vékonyrétegű SMA membránokat használnak mikroszivattyús hajtású alkalmazásokhoz23. A vékonyrétegű SMA membrán hajtási frekvenciája kulcsfontosságú tényező a meghajtó sebességének szabályozásában. Ezért az SMA lineáris motorok jobb dinamikus választ adnak, mint az SMA rugós vagy rúdmotorok. A lágy robotika és a megfogó technológia két másik alkalmazás, amely SMA alapú aktuátorokat használ. Például a 25 N-os térszorítóban használt standard aktuátor helyettesítésére egy alakmemóriás ötvözetből készült párhuzamos aktuátort 24 fejlesztettek ki. Egy másik esetben egy SMA lágy aktuátort gyártottak egy beágyazott mátrixú huzal alapján, amely képes maximálisan 30 N húzóerőt előállítani. Mechanikai tulajdonságaiknak köszönhetően az SMA-kat biológiai jelenségeket utánzó aktuátorok előállítására is használják. Az egyik ilyen fejlesztés egy 12 cellás robot, amely egy földigilisztaszerű élőlény biomimetikuma, és az SMA szinuszos mozgást generál a tüzeléshez 26,27.
Amint azt korábban említettük, a meglévő SMA-alapú aktuátorokból elérhető maximális erőnek van egy korlátja. Ennek a problémának a megoldására ez a tanulmány egy biomimetikus bimodális izomszerkezetet mutat be. Alakmemóriás ötvözet huzal hajtja. A tanulmány egy osztályozási rendszert biztosít, amely számos alakmemóriás ötvözet huzalt tartalmaz. A szakirodalomban a mai napig nem számoltak be hasonló architektúrájú SMA-alapú aktuátorokról. Ezt az egyedülálló és újszerű, SMA-alapú rendszert az SMA viselkedésének vizsgálatára fejlesztették ki bimodális izomigazítás során. A meglévő SMA-alapú aktuátorokhoz képest a tanulmány célja egy biomimetikus dipvalerát aktuátor létrehozása volt, amely jelentősen nagyobb erőket generál kis térfogatban. A HVAC épületautomatizálási és -vezérlő rendszerekben használt hagyományos léptetőmotoros hajtásokhoz képest a javasolt SMA-alapú bimodális hajtáskialakítás 67%-kal csökkenti a hajtásmechanizmus súlyát. A továbbiakban az „izom” és a „hajtás” kifejezéseket felcserélhetően használjuk. Ez a tanulmány egy ilyen hajtás multifizikai szimulációját vizsgálja. Az ilyen rendszerek mechanikai viselkedését kísérleti és analitikai módszerekkel vizsgálták. Az erő- és hőmérséklet-eloszlást tovább vizsgálták 7 V bemeneti feszültségen. Ezt követően parametrikus elemzést végeztek a kulcsfontosságú paraméterek és a kimeneti erő közötti kapcsolat jobb megértése érdekében. Végül hierarchikus aktuátorokat képzeltek el, és a hierarchikus szintű hatásokat javasolták a nem mágneses aktuátorok protetikai alkalmazásokhoz való potenciális jövőbeli területeként. A fent említett tanulmányok eredményei szerint az egylépcsős architektúra használata legalább négyszer-ötször nagyobb erőket hoz létre, mint a jelentett SMA-alapú aktuátorok. Ezenkívül kimutatták, hogy ugyanaz a hajtóerő, amelyet egy többszintű, többszintű hajtás generál, több mint tízszerese a hagyományos SMA-alapú hajtásokénak. A tanulmány ezután a kulcsfontosságú paramétereket különböző tervek és bemeneti változók közötti érzékenységelemzés segítségével közli. Az SMA-vezeték kezdeti hossza (\(l_0\)), a csúcsszög (\(alpha\)) és az egyes szálak száma (n) minden egyes szálban erős negatív hatással van a hajtóerő nagyságára, míg a bemeneti feszültség (energia) pozitív korrelációt mutatott.
Az SMA huzal a nikkel-titán (Ni-Ti) ötvözetcsaládban megfigyelhető alakmemória-effektust (SME) mutatja. Az SMA-k jellemzően két hőmérsékletfüggő fázist mutatnak: egy alacsony hőmérsékletű fázist és egy magas hőmérsékletű fázist. Mindkét fázis egyedi tulajdonságokkal rendelkezik a különböző kristályszerkezetek jelenléte miatt. Az átalakulási hőmérséklet felett létező ausztenit fázisban (magas hőmérsékletű fázis) az anyag nagy szilárdságú, és terhelés alatt rosszul deformálódik. Az ötvözet rozsdamentes acélhoz hasonlóan viselkedik, így képes ellenállni a nagyobb működtetési nyomásoknak. A Ni-Ti ötvözetek ezen tulajdonságát kihasználva az SMA huzalokat ferdén állítják be, hogy működtetőt képezzenek. Megfelelő analitikai modelleket fejlesztettek ki az SMA termikus viselkedésének alapvető mechanikájának megértésére különböző paraméterek és geometriák hatása alatt. Jó egyezést kaptak a kísérleti és az analitikai eredmények között.
Kísérleti vizsgálatot végeztek a 9a. ábrán látható prototípuson, hogy kiértékeljék egy SMA-n alapuló bimodális hajtás teljesítményét. E tulajdonságok közül kettőt, a hajtás által generált erőt (izomerő) és az SMA vezeték hőmérsékletét (SMA hőmérséklet) kísérletileg mértek. Ahogy a feszültségkülönbség a hajtásban lévő vezeték teljes hosszában növekszik, a vezeték hőmérséklete a Joule-hőhatás miatt növekszik. A bemeneti feszültséget két 10 másodperces ciklusban alkalmazták (piros pontokként jelölve a 2a. és 2b. ábrán), minden ciklus között 15 másodperces hűtési periódussal. A blokkoló erőt piezoelektromos nyúlásmérővel mérték, az SMA vezeték hőmérséklet-eloszlását pedig valós időben figyelték meg egy tudományos minőségű, nagy felbontású LWIR kamera segítségével (lásd a használt berendezés jellemzőit a 2. táblázatban). Az ábra azt mutatja, hogy a nagyfeszültségű fázisban a vezeték hőmérséklete monoton növekszik, de amikor nincs áram, a vezeték hőmérséklete tovább csökken. A jelenlegi kísérleti beállításban az SMA vezeték hőmérséklete csökkent a hűtési fázis alatt, de még mindig a környezeti hőmérséklet felett volt. A 2e. ábra az SMA vezeték hőmérsékletének pillanatképét mutatja az LWIR kamerából. Másrészt a 2a. ábra a meghajtórendszer által generált blokkoló erőt mutatja. Amikor az izomerő meghaladja a rugó visszaállító erejét, a mozgatható kar, ahogy a 9a. ábrán látható, mozogni kezd. Amint a működtetés megkezdődik, a mozgatható kar érintkezésbe kerül az érzékelővel, testerőt hozva létre, ahogy a 2c., d. ábrán látható. Amikor a maximális hőmérséklet közel van a \(84\,^{\circ}\hbox {C}\) értékhez, a maximálisan megfigyelt erő 105 N.
A grafikon az SMA vezeték hőmérsékletének és az SMA alapú bimodális aktuátor által létrehozott erő kísérleti eredményeit mutatja két ciklus alatt. A bemeneti feszültséget két 10 másodperces ciklusban (piros pontokkal jelölve) alkalmazzák, minden ciklus között 15 másodperces lehűlési periódussal. A kísérletekhez használt SMA vezeték egy 0,51 mm átmérőjű Flexinoil vezeték volt a Dynalloy, Inc.-től. (a) A grafikon a két ciklus alatt kapott kísérleti erőt mutatja, (c, d) két független példát mutat a mozgó karos aktuátorok PACEline CFT/5kN piezoelektromos erőátalakítóra gyakorolt hatására, (b) a grafikon a teljes SMA vezeték maximális hőmérsékletét mutatja két ciklus alatt, (e) az SMA vezetékről a FLIR ResearchIR szoftver LWIR kamerájával készített hőmérsékleti pillanatfelvételt mutatja. A kísérletekben figyelembe vett geometriai paramétereket az 1. táblázat tartalmazza.
A matematikai modell szimulációs eredményeit és a kísérleti eredményeket 7 V bemeneti feszültség mellett hasonlítottuk össze, ahogy az az 5. ábrán látható. A paraméteres analízis eredményei alapján és az SMA vezeték túlmelegedésének elkerülése érdekében 11,2 W teljesítményt adagoltunk a működtetőre. Egy programozható egyenáramú tápegységet használtunk 7 V bemeneti feszültség biztosítására, és 1,6 A áramot mértünk a vezetéken. A meghajtó által generált erő és az SDR hőmérséklete növekszik az áram rákapcsolásakor. 7 V bemeneti feszültség mellett az első ciklus szimulációs és kísérleti eredményeiből kapott maximális kimeneti erő 78 N, illetve 96 N. A második ciklusban a szimulációs és kísérleti eredmények maximális kimeneti ereje 150 N, illetve 105 N volt. Az elzáródási erő mérések és a kísérleti adatok közötti eltérés az elzáródási erő mérésére használt módszernek tudható be. A kísérleti eredményeket az 5. ábra mutatja. Az 5a. ábrán látható értékek a reteszelőerő mérésének felelnek meg, amelyet akkor mértek, amikor a hajtótengely érintkezett a PACEline CFT/5kN piezoelektromos erőátalakítóval, ahogy az a 2s. ábrán látható. Ezért, amikor a hajtótengely nem érintkezik az erőérzékelővel a hűtési zóna elején, az erő azonnal nullává válik, ahogy az a 2d. ábrán látható. Ezenkívül a későbbi ciklusokban az erő kialakulását befolyásoló egyéb paraméterek a hűtési idő értékei és a konvektív hőátadási együttható értékei az előző ciklusban. A 2b. ábrából látható, hogy egy 15 másodperces hűtési időszak után az SMA vezeték nem érte el a szobahőmérsékletet, ezért magasabb kezdeti hőmérséklete volt (\(40\,^{\circ}\hbox {C}\)) a második hajtási ciklusban, mint az első ciklusban (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Így az első ciklushoz képest az SMA huzal hőmérséklete a második fűtési ciklus alatt hamarabb éri el a kezdeti ausztenit hőmérsékletet (\(A_s\)), és hosszabb ideig marad az átmeneti időszakban, ami feszültséget és erőt eredményez. Másrészt a kísérletekből és szimulációkból származó hőmérséklet-eloszlás a fűtési és hűtési ciklusok során nagy minőségi hasonlóságot mutat a termográfiai elemzésből származó példákkal. Az SMA huzal kísérletekből és szimulációkból származó hőadatainak összehasonlító elemzése konzisztenciát mutatott a fűtési és hűtési ciklusok során, és a kísérleti adatok elfogadható tűréshatárain belül maradt. Az SMA huzal maximális hőmérséklete, amelyet az első ciklus szimulációjának és kísérleteinek eredményeiből kaptunk, \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) és \(75\,^{\circ }\hbox {C}\), a második ciklusban pedig az SMA huzal maximális hőmérséklete \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) és \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Az alapvetően kifejlesztett modell megerősíti az alakmemória-effektus hatását. A kifáradás és a túlmelegedés szerepét ebben az áttekintésben nem vették figyelembe. A jövőben a modellt továbbfejlesztik, hogy az magában foglalja az SMA vezeték feszültségelőzményeit, így alkalmasabbá téve azt mérnöki alkalmazásokhoz. A Simulink blokkból kapott meghajtó kimeneti erő és SMA hőmérsékleti diagramok a kísérleti adatok megengedett tűréshatárain belül vannak 7 V bemeneti feszültségimpulzus esetén. Ez megerősíti a kidolgozott matematikai modell helyességét és megbízhatóságát.
A matematikai modellt a MathWorks Simulink R2020b környezetben fejlesztettük ki a Módszerek részben leírt alapvető egyenletek felhasználásával. A 3b. ábra a Simulink matematikai modell blokkdiagramját mutatja. A modellt egy 7V bemeneti feszültségimpulzusra szimuláltuk, ahogy a 2a. és 2b. ábra mutatja. A szimulációban használt paraméterek értékeit az 1. táblázat tartalmazza. A tranziens folyamatok szimulációjának eredményeit az 1. és 1. ábra mutatja. A 3a. és 4. ábra. A 4a. és 4b. ábra az SMA vezetékben indukált feszültséget és az aktuátor által generált erőt mutatja az idő függvényében. Fordított átalakulás (melegítés) során, amikor az SMA vezeték hőmérséklete \(T < A_s^{\prime}\) (feszültségmódosított ausztenit fázis kezdeti hőmérséklete), a martenzit térfogatarányának változási sebessége (\(\dot{\xi}\)) nulla lesz. Fordított átalakulás (melegítés) során, amikor az SMA vezeték hőmérséklete, \(T < A_s^{\prime}\) (feszültségmódosított ausztenit fázis kezdeti hőmérséklete), a martenzit térfogatarányának változási sebessége (\(\dot{\xi}\)) nulla lesz. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начанитзной, станиа модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\pont{\ xi }\)) будет равно нулю. A fordított átalakulás (melegítés) során, amikor az SMA vezeték hőmérséklete, \(T < A_s^{\prime}\) (feszültségmódosított ausztenit kezdeti hőmérséklete), a martenzit térfogatarányának változási sebessége (\(\dot{\xi}\)) nulla lesz.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\}{)将为零.在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Szimulációs eredmény, amely a hőmérséklet-eloszlást és a feszültség által kiváltott átmeneti hőmérsékletet mutatja egy SMA-alapú divalerát aktuátorban. Amikor a huzal hőmérséklete a fűtési szakaszban átlépi az ausztenit átmeneti hőmérsékletet, a módosított ausztenit átmeneti hőmérséklet növekedni kezd, és hasonlóképpen, amikor a huzalrúd hőmérséklete a hűtési szakaszban átlépi a martenzites átmeneti hőmérsékletet, a martenzites átmeneti hőmérséklet csökken. SMA a működtetési folyamat analitikus modellezéséhez. (A Simulink modell egyes alrendszereinek részletes leírását lásd a kiegészítő fájl függelékében.)
A különböző paramétereloszlások elemzésének eredményeit a 7 V-os bemeneti feszültség két ciklusára (10 másodperces bemelegítési ciklusok és 15 másodperces lehűlési ciklusok) mutatjuk be. Míg az (ac) és (e) az időbeli eloszlást ábrázolja, a (d) és (f) a hőmérséklet függvényében. Az adott bemeneti feltételek mellett a maximálisan megfigyelt feszültség 106 MPa (kevesebb, mint 345 MPa, huzalfolyáshatár), az erő 150 N, a maximális elmozdulás 270 µm, a minimális martenzites térfogatarány pedig 0,91. Másrészt a feszültség változása és a martenzit térfogatarányának változása a hőmérséklet függvényében hasonló a hiszterézis jelleggörbéhez.
Ugyanez a magyarázat vonatkozik az ausztenit fázisból martenzit fázisba történő közvetlen átalakulásra (lehűlésre), ahol az SMA huzal hőmérséklete (T) és a feszültségmódosított martenzit fázis véghőmérséklete (\(M_f^{\prime}\ )) kiváló. A 4d,f ábrán az indukált feszültség (\(\sigma\)) és a martenzit térfogatarányának (\(\xi\)) változása látható az SMA huzalban az SMA huzal hőmérsékletváltozásának (T) függvényében, mindkét hajtási ciklusban. A 3a ábrán az SMA huzal hőmérsékletének időbeli változása látható a bemeneti feszültségimpulzus függvényében. Amint az ábrán látható, a huzal hőmérséklete folyamatosan növekszik a nulla feszültségű hőforrás biztosításával és az azt követő konvektív hűtés révén. Melegítés során a martenzit ausztenit fázisba történő visszaalakulása akkor kezdődik, amikor az SMA huzal hőmérséklete (T) keresztezi a feszültségkorrigált ausztenit nukleációs hőmérsékletet (\(A_s^{\prime}\)). Ebben a fázisban az SMA huzal összenyomódik, és az aktuátor erőt generál. Szintén hűtés során, amikor az SMA huzal hőmérséklete (T) keresztezi a feszültségmódosított martenzit fázis nukleációs hőmérsékletét (\(M_s^{\prime}\)), pozitív átmenet történik az ausztenit fázisból a martenzit fázisba. A hajtóerő csökken.
Az SMA-n alapuló bimodális hajtás főbb kvalitatív aspektusai a szimulációs eredményekből nyerhetők. Feszültségesés bemenet esetén az SMA huzal hőmérséklete a Joule-hőhatás miatt növekszik. A martenzit térfogatarány (\(\xi\)) kezdeti értéke 1, mivel az anyag kezdetben teljesen martenzites fázisban van. Ahogy a huzal tovább melegszik, az SMA huzal hőmérséklete meghaladja a feszültséggel korrigált ausztenit nukleációs hőmérsékletet \(A_s^{\prime}\), ami a martenzit térfogatarány csökkenését eredményezi, amint az a 4c. ábrán látható. Ezenkívül a 4e. ábra a aktuátor löketeinek időbeli eloszlását, az 5. ábrán pedig a hajtóerőt mutatja az idő függvényében. Egy kapcsolódó egyenletrendszer magában foglalja a hőmérsékletet, a martenzit térfogatarányt és a huzalban kialakuló feszültséget, amely az SMA huzal zsugorodását, valamint az aktuátor által generált erőt eredményezi. Amint a 4c. ábrán látható. A 4d, f ábrán látható, hogy a feszültség hőmérsékletfüggése és a martenzit térfogatarányának hőmérsékletfüggése megfelel az SMA hiszterézis karakterisztikájának a szimulált esetben 7 V-on.
A hajtási paraméterek összehasonlítását kísérletekkel és analitikus számításokkal végezték. A vezetékeket 10 másodpercig 7 V impulzusos bemeneti feszültségnek vetették alá, majd két cikluson keresztül 15 másodpercig hűtötték (hűtési fázis). A csúcsszöget \(40^{\circ}\)-re állították be, és az SMA vezeték kezdeti hosszát minden egyes tűszárban 83 mm-re állították be. (a) A hajtóerő mérése mérőcellával (b) A vezeték hőmérsékletének monitorozása hőkamerával.
A fizikai paraméterek hajtás által kifejtett erőre gyakorolt hatásának megértése érdekében elemeztük a matematikai modell érzékenységét a kiválasztott fizikai paraméterekkel szemben, és a paramétereket hatásuk szerint rangsoroltuk. Először a modellparaméterek mintavételezését egyenletes eloszlást követő kísérleti tervezési elvek szerint végeztük (lásd az érzékenységelemzésről szóló kiegészítő szakaszt). Ebben az esetben a modellparaméterek közé tartozik a bemeneti feszültség (\(V_{in}\)), a kezdeti SMA vezetékhossz (\(l_0\)), a háromszögszög (\(alpha\)), az előfeszítő rugóállandó (\(K_x\)), a konvektív hőátadási együttható (\(h_T\)) és az unimodális ágak száma (n). A következő lépésben a csúcsizomerőt választottuk vizsgálati tervezési követelményként, és meghatároztuk az egyes változókészletek erőre gyakorolt parametrikus hatásait. Az érzékenységelemzéshez használt tornádódiagramokat az egyes paraméterek korrelációs együtthatóiból származtattuk, ahogy az a 6a. ábrán látható.
(a) A modellparaméterek korrelációs együtthatóinak értékeit és azok hatását a fenti modellparaméterek 2500 egyedi csoportjának maximális kimeneti erejére a tornádódiagram mutatja. A grafikon több mutató rangkorrelációját mutatja. Jól látható, hogy a \(V_{in}\) az egyetlen pozitív korrelációjú paraméter, az \(l_0\) pedig a legnagyobb negatív korrelációjú paraméter. A különböző paraméterek különböző kombinációkban a csúcsizomerőre gyakorolt hatását a (b, c) ábrák mutatják. A \(K_x\) 400 és 800 N/m között, az n pedig 4 és 24 között változik. A feszültség (\(V_{in}\)) 4V-ról 10V-ra, a vezeték hossza (\(l_{0 } \)) 40-ről 100 mm-re, a farokszög (\(alpha \)) pedig \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\) között változott.
A 6a. ábra egy tornádódiagramot mutat, amely a csúcshajtási erő tervezési követelményeivel rendelkező paraméterek különböző korrelációs együtthatóit mutatja. A 6a. ábrából látható, hogy a feszültségparaméter (\(V_{in}\)) közvetlenül összefügg a maximális kimeneti erővel, a konvektív hőátadási együttható (\(h_T\)), a lángszög (\(\alpha\)), az elmozdulási rugóállandó (\(K_x\)) negatívan korrelál a kimeneti erővel és az SMA vezeték kezdeti hosszával (\(l_0\)), az unimodális ágak száma (n) pedig erős inverz korrelációt mutat. Közvetlen korreláció esetén a feszültségkorrelációs együttható (\(V_{in}\)) magasabb értéke azt jelzi, hogy ennek a paraméternek van a legnagyobb hatása a kimeneti teljesítményre. Egy másik hasonló elemzés a csúcserőt a különböző paraméterek hatásának kiértékelésével méri a két számítási tér különböző kombinációiban, ahogyan az a 6b. és c. ábrán látható. A \(V_{in}\) és \(l_0\), \(\alpha\) és \(l_0\) értékek hasonló mintázatot mutatnak, és a grafikon azt mutatja, hogy a \(V_{in}\), valamint a \(\alpha\) és \(\alpha\) értékek hasonló mintázatot mutatnak. Az \(l_0\) kisebb értékei nagyobb csúcserőket eredményeznek. A másik két diagram összhangban van a 6a. ábrával, ahol n és \(K_x\) negatív, \(V_{in}\) pedig pozitív korrelációban állnak. Ez az elemzés segít meghatározni és beállítani azokat a befolyásoló paramétereket, amelyekkel a hajtásrendszer kimeneti ereje, lökete és hatásfoka a követelményekhez és az alkalmazáshoz igazítható.
A jelenlegi kutatások N szintű hierarchikus hajtásokat mutatnak be és vizsgálnak. Egy kétszintű hierarchiában, amint az a 7a. ábrán látható, ahol az első szintű aktuátor minden egyes SMA vezetéke helyett egy bimodális elrendezés valósul meg, ahogy az a 9e. ábrán látható. A 7c. ábra azt mutatja, hogyan tekeredik az SMA vezeték egy mozgatható kar (segédkar) köré, amely csak hosszirányban mozog. Az elsődleges mozgatható kar azonban továbbra is ugyanúgy mozog, mint az első fokozatú többfokozatú aktuátor mozgatható karja. Általában egy N fokozatú hajtást úgy hoznak létre, hogy az \(N-1\) fokozatú SMA vezetéket egy első fokozatú hajtással cserélik ki. Ennek eredményeként minden ág utánozza az első fokozatú hajtást, kivéve azt az ágat, amely magát a vezetéket tartja. Ily módon beágyazott struktúrák alakíthatók ki, amelyek az elsődleges hajtások erőinek többszörösét hoznak létre. Ebben a tanulmányban minden szinten 1 m teljes effektív SMA vezetékhosszt vettek figyelembe, amint azt a 7d. ábra táblázatos formában mutatja. Az egyes unimodális kialakítású vezetékeken átfolyó áram, valamint az ebből eredő előfeszítés és feszültség minden SMA vezetékszegmensben minden szinten azonos. Analitikai modellünk szerint a kimeneti erő pozitív korrelációt mutat a szinttel, míg az elmozdulás negatív korrelációt mutat. Ugyanakkor kompromisszum volt az elmozdulás és az izomerő között. Amint a 7b. ábrán látható, míg a maximális erő a legtöbb rétegben érhető el, a legnagyobb elmozdulás a legalsó rétegben figyelhető meg. Amikor a hierarchia szintjét \(N=5\)-re állítottuk be, 2,58 kN izomerő csúcsértéket tapasztaltunk 2 \(\upmu\)m-es megfigyelt lökettel. Másrészt az első fokozatú hajtás 150 N erőt generál 277 \(\upmu\)m-es löketnél. A többszintű aktuátorok képesek valódi biológiai izmokat utánozni, ahol az alakmemóriás ötvözeteken alapuló mesterséges izmok lényegesen nagyobb erőket képesek generálni pontos és finomabb mozgásokkal. Ennek a miniatürizált kialakításnak a korlátai, hogy a hierarchia növekedésével a mozgás jelentősen csökken, és a hajtás gyártási folyamatának összetettsége növekszik.
(a) Egy kétlépcsős (\(N=2\)) réteges alakmemóriás ötvözetből készült lineáris aktuátor rendszer bimodális konfigurációban látható. A javasolt modellt úgy érik el, hogy az első lépcsős réteges aktuátorban az SMA vezetéket egy másik, egylépcsős réteges aktuátorral helyettesítik. (c) A második lépcsős többrétegű aktuátor deformált konfigurációja. (b) Leírják az erők és elmozdulások eloszlását a szintek számától függően. Megállapították, hogy az aktuátor csúcsereje pozitív korrelációban van a grafikonon a skálaszinttel, míg a löket negatív korrelációban áll a skálaszinttel. Az egyes vezetékekben az áram és az előfeszültség minden szinten állandó marad. (d) A táblázat az egyes szinteken az SMA vezeték (szál) leágazásának számát és hosszát mutatja. A vezetékek jellemzőit az 1-es index, a másodlagos ágak számát (egy az elsődleges ághoz csatlakozik) pedig az alsó indexben lévő legnagyobb szám jelzi. Például az 5. szinten az \(n_1\) az egyes bimodális struktúrákban jelen lévő SMA vezetékek számára utal, az \(n_5\) pedig a segédágak számára (egy, amely a főághoz csatlakozik).
Számos kutató javasolt különféle módszereket az alakmemóriával rendelkező simaizom-alakú anyagok viselkedésének modellezésére, amelyek a fázisátalakulással összefüggő kristályszerkezeti makroszkopikus változásokat kísérő termomechanikai tulajdonságoktól függenek. A konstitutív módszerek megfogalmazása eredendően összetett. A leggyakrabban használt fenomenológiai modellt Tanaka28 javasolta, és széles körben használják a mérnöki alkalmazásokban. A Tanaka [28] által javasolt fenomenológiai modell feltételezi, hogy a martenzit térfogataránya a hőmérséklet és a feszültség exponenciális függvénye. Később Liang és Rogers29, valamint Brinson30 egy olyan modellt javasoltak, amelyben a fázisátalakulási dinamikát a feszültség és a hőmérséklet koszinuszfüggvényének feltételezték, a modell apró módosításaival. Becker és Brinson egy fázisdiagramon alapuló kinetikai modellt javasoltak a simaizom-alakú anyagok viselkedésének modellezésére tetszőleges terhelési körülmények között, valamint részleges átmenetek esetén. Banerjee32 a Bekker és Brinson31 fázisdiagram-dinamikai módszerét használja az Elahinia és Ahmadian33 által kifejlesztett egyetlen szabadságfokú manipulátor szimulálására. A fázisdiagramokon alapuló kinetikai módszerek, amelyek figyelembe veszik a feszültség nemmonoton változását a hőmérséklet függvényében, nehezen valósíthatók meg mérnöki alkalmazásokban. Elakhinia és Ahmadian felhívják a figyelmet a meglévő fenomenológiai modellek ezen hiányosságaira, és egy kiterjesztett fenomenológiai modellt javasolnak az alakmemória viselkedésének elemzésére és meghatározására bármilyen komplex terhelési feltétel mellett.
Az SMA huzal szerkezeti modellje megadja az SMA huzal feszültségét (\(\sigma\)), alakváltozását (\(\epsilon\)), hőmérsékletét (T) és martenzites térfogatarányát (\(\xi\)). A fenomenológiai konstitutív modellt először Tanaka28 javasolta, majd később Liang29 és Brinson30 átvette. Az egyenlet deriváltja a következő alakú:
ahol E a fázisfüggő SMA Young-modulus, amelyet a \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) képlettel kapunk, és \(E_A\) és \(E_M\) a Young-modulust jelentik, az ausztenites és martenzites fázisokat, a hőtágulási együtthatót pedig \(\theta _T\) jelöli. A fázisátmeneti hozzájárulási tényező \(\Omega = -E \epsilon _L\), és \(\epsilon _L\) a SMA vezetékben maximálisan visszanyerhető alakváltozás.
A fázisdinamikai egyenlet egybeesik a Liang29 által kidolgozott, majd később Brinson30 által átvett koszinuszfüggvénnyel a Tanaka28 által javasolt exponenciális függvény helyett. A fázisátmeneti modell az Elakhinia és Ahmadian34 által javasolt modell kiterjesztése, amelyet a Liang29 és Brinson30 által megadott fázisátmeneti feltételek alapján módosítottak. Az ehhez a fázisátmeneti modellhez használt feltételek komplex termomechanikai terhelések mellett érvényesek. A konstitutív egyenlet modellezésekor minden időpillanatban kiszámítják a martenzit térfogatarányának értékét.
A martenzit ausztenitté történő átalakulásával kifejezett, a következőképpen értelmezhető visszaalakulási egyenlet:
ahol \(\xi\) a martenzit térfogataránya, \(\xi _M\) a martenzit melegítés előtti térfogataránya, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) és \(C_A\) – görbeközelítési paraméterek, T – SMA huzal hőmérséklete, \(A_s\) és \(A_f\) – az ausztenites fázis kezdeti és véghőmérséklete.
Az ausztenit martenzitté történő fázisátalakulása hűtési körülmények között a közvetlen átalakulás-szabályozási egyenletet a következőképpen fogalmazza meg:
ahol \(\xi _A\) a hűtés előtt kapott martenzit térfogataránya, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) és \(C_M \) – görbeillesztési paraméterek, T – SMA vezeték hőmérséklete, \(M_s\) és \(M_f\) – a kezdeti és végső martenzit hőmérséklet.
Miután a (3) és (4) egyenleteket differenciáltuk, az inverz és a direkt transzformációs egyenleteket a következő formára egyszerűsítjük:
Az előre- és hátrafelé transzformáció során a \(\eta _{\sigma}\) és a \(\eta _{T}\) eltérő értékeket vesznek fel. A \(\eta _{\sigma}\) és a \(\eta _{T}\)-hez kapcsolódó alapegyenleteket egy további szakaszban vezettük le és részletesen tárgyaltuk.
Az SMA huzal hőmérsékletének emeléséhez szükséges hőenergia a Joule-hőhatásból származik. Az SMA huzal által elnyelt vagy leadott hőenergiát az átalakulás látens hője képviseli. Az SMA huzal hővesztesége a kényszerített konvekciónak köszönhető, és a sugárzás elhanyagolható hatása miatt a hőenergia-egyenlet a következő:
Ahol \(m_{wire}\) az SMA vezeték teljes tömege, \(c_{p}\) az SMA fajlagos hőkapacitása, \(V_{in}\) a vezetékre kapcsolt feszültség, \(R_{ohm} \) – fázisfüggő SMA ellenállás, amelyet a következőképpen definiálunk: \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ), ahol \(r_M\) és \(r_A\) az SMA fázis-ellenállása martenzitben és ausztenitben, \(A_{c}\) az SMA vezeték felülete, \(DeltaH \) pedig egy alakmemóriás ötvözet. A vezeték látens átmeneti hője, T és \(T_{\infty}\) az SMA vezeték, illetve a környezet hőmérséklete.
Amikor egy alakmemóriás ötvözetből készült huzalt működtetnek, a huzal összenyomódik, ami a bimodális kialakítás minden ágában erőt hoz létre, amelyet szálerőnek nevezünk. Az SMA huzal egyes szálaiban lévő szálak erői együttesen hozzák létre a működtetéshez szükséges izomerőt, amint az a 9e. ábrán látható. Az előfeszítő rugó jelenléte miatt az N-edik többrétegű aktuátor teljes izomereje:
A (7) egyenletbe \(N = 1\)-et behelyettesítve, az első fokozatú bimodális hajtásprototípus izomereje a következőképpen számítható ki:
ahol n az unimodális lábak száma, \(F_m\) a hajtás által generált izomerő, \(F_f\) az SMA vezeték szálszilárdsága, \(K_x\) az előfeszítő rugó merevsége, \(alpha\) a háromszög szöge, \(x_0\) az előfeszítő rugó kezdeti eltolása, amely az SMA kábelt előfeszített helyzetben tartja, és \(Delta x\) a működtető elmozdulása.
A meghajtó teljes elmozdulása vagy mozgása (\(\Delta x\)) az N-edik fokozat SMA vezetékén lévő feszültség (\(\sigma\)) és feszültség (\(\epsilon\)) függvényében, a meghajtó beállítása (lásd az ábrát a kimenet további részén):
A kinematikai egyenletek a hajtás deformációja (\(\epsilon\)) és az elmozdulás vagy elmozdulás (\(Delta x\)) közötti kapcsolatot adják meg. Az Arb-huzal deformációja a kezdeti Arb-huzal hosszának (\(l_0\)) és a huzal hosszának (l) függvényében bármely t időpontban egy unimodális ágban a következő:
ahol az \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) értéket a \(\Delta\)ABB ' koszinuszképletének alkalmazásával kapjuk meg, ahogy a 8. ábra mutatja. Az első fokozatú hajtás (\(N = 1\)) esetében a \(\Delta x_1\) \(\Delta x\), és az \(\alpha _1\) \(\alpha \), ahogy a 8. ábrán látható. Amint a 8. ábra mutatja, az időt a (11) egyenletből deriválva és l értékét behelyettesítve, a alakváltozási sebesség a következőképpen írható fel:
ahol \(l_0\) az SMA vezeték kezdeti hossza, l a vezeték hossza bármely t időpontban egyetlen unimodális ágban, \(\epsilon\) az SMA vezetékben kialakuló deformáció, és \(\alpha \) a háromszög szöge, \(\Delta x\) pedig a hajtás eltolása (ahogy a 8. ábra mutatja).
Mind az n egycsúcsú struktúra (\(n=6\) ezen az ábrán) sorba van kötve, \(V_{in}\) bemeneti feszültséggel. I. szakasz: Az SMA vezeték vázlatos rajza bimodális konfigurációban nulla feszültségű körülmények között II. szakasz: Egy szabályozott struktúra látható, ahol az SMA vezeték inverz átalakítás miatt összenyomódik, amint azt a piros vonal mutatja.
Koncepcióbizonyításként egy SMA-alapú bimodális hajtást fejlesztettek ki, hogy teszteljék az alapul szolgáló egyenletek szimulált levezetését kísérleti eredményekkel. A bimodális lineáris aktuátor CAD-modellje a 9a. ábrán látható. Másrészt a 9c. ábra egy új, forgó prizmás csatlakozásra javasolt tervet mutat be, amely egy kétsíkú, SMA-alapú, bimodális szerkezetű aktuátort használ. A hajtáskomponenseket additív gyártással állították elő egy Ultimaker 3 Extended 3D nyomtatón. Az alkatrészek 3D nyomtatásához használt anyag a polikarbonát, amely alkalmas hőálló anyagokhoz, mivel erős, tartós és magas üvegesedési hőmérséklettel rendelkezik (110-113 °C). Ezenkívül a kísérletekben Dynalloy, Inc. Flexinol alakmemóriás ötvözet huzalt használtak, és a szimulációkban a Flexinol huzalnak megfelelő anyagtulajdonságokat használták. Több SMA huzalt szálakként rendeztek el, amelyek bimodális izomelrendezésben vannak jelen, hogy elérjék a többrétegű aktuátorok által előállított nagy erőket, amint az a 9b. és 9d. ábrán látható.
Amint a 9a. ábrán látható, a mozgatható kar SMA-vezetéke által bezárt hegyesszöget szögnek (\(\alpha\)) nevezzük. A bal és jobb oldali szorítókhoz rögzített csatlakozóbilincsekkel az SMA-vezeték a kívánt bimodális szögben tartható. A rugós csatlakozón lévő előfeszítő rugós eszköz úgy van kialakítva, hogy a különböző előfeszítő rugóhosszabbító csoportokat az SMA-szálak száma (n) szerint állítsa be. Ezenkívül a mozgó alkatrészek elhelyezkedése úgy van kialakítva, hogy az SMA-vezeték ki legyen téve a külső környezetnek a kényszerített konvekciós hűtés érdekében. A levehető szerelvény felső és alsó lemeze a súlycsökkentést célzó extrudált kivágásokkal segíti az SMA-vezeték hűvösen tartását. Ezenkívül a CMA-vezeték mindkét vége krimpelővel van rögzítve a bal, illetve a jobb oldali csatlakozókhoz. A mozgatható szerelvény egyik végéhez egy dugattyú van rögzítve, hogy fenntartsa a szabad távolságot a felső és az alsó lemezek között. A dugattyút arra is használják, hogy egy érintkezőn keresztül blokkoló erőt fejtsen ki az érzékelőre, hogy megmérje a blokkoló erőt, amikor az SMA-vezetéket működtetik.
A bimodális izomszerkezet, az SMA elektromosan sorba van kötve, és egy bemeneti impulzusfeszültség táplálja. A feszültségimpulzus-ciklus során, amikor feszültséget alkalmaznak, és az SMA vezetéket az ausztenit kezdeti hőmérséklete fölé melegítik, az egyes szálakban a vezeték hossza lerövidül. Ez a visszahúzás aktiválja a mozgatható kar alegységet. Amikor a feszültséget ugyanebben a ciklusban nullázták, a felmelegített SMA vezetéket a martenzit felület hőmérséklete alá hűtötték, ezáltal visszatérve eredeti helyzetébe. Nulla feszültség mellett az SMA vezetéket először passzívan megnyújtja egy előfeszítő rugó, hogy elérje az ikerkötés nélküli martenzites állapotot. A csavar, amelyen az SMA vezeték áthalad, az SMA vezetékre alkalmazott feszültségimpulzus által létrehozott összenyomódás miatt elmozdul (az SPA eléri az ausztenites fázist), ami a mozgatható kar működésbe lépéséhez vezet. Amikor az SMA vezetéket visszahúzzák, az előfeszítő rugó ellentétes erőt hoz létre a rugó további nyújtásával. Amikor az impulzusfeszültségben a feszültség nullává válik, az SMA vezeték megnyúlik és megváltoztatja alakját a kényszerített konvekciós hűtés miatt, elérve a kettős martenzites fázist.
A javasolt SMA alapú lineáris aktuátor rendszer bimodális konfigurációval rendelkezik, amelyben az SMA vezetékek szögben helyezkednek el. (a) a prototípus CAD modelljét ábrázolja, amely megemlít néhány komponenst és azok jelentését a prototípus számára, (b, d) a kifejlesztett kísérleti prototípust35 ábrázolja. Míg a (b) a prototípus felülnézetét mutatja az elektromos csatlakozásokkal, az előfeszítő rugókkal és a nyúlásmérő bélyegekkel, (d) az összeállítás perspektivikus nézetét mutatja. (e) Egy lineáris aktuátor rendszer diagramja, amelyben az SMA vezetékek bimodálisan vannak elhelyezve bármely t időpontban, bemutatva a rostok és az izomerő irányát és lefolyását. (c) Egy 2 szabadságfokú forgó prizmás csatlakozást javasoltak egy kétsíkú SMA alapú aktuátor telepítéséhez. Amint látható, a kapcsolat lineáris mozgást továbbít az alsó hajtásról a felső karra, forgó csatlakozást hozva létre. Másrészt a prizmapár mozgása megegyezik a többrétegű első fokozatú hajtás mozgásával.
A 9b ábrán látható prototípuson kísérleti vizsgálatot végeztek az SMA-n alapuló bimodális hajtás teljesítményének értékelésére. Amint a 10a ábrán látható, a kísérleti összeállítás egy programozható egyenáramú tápegységből állt, amely bemeneti feszültséget biztosított az SMA vezetékeknek. Amint a 10b ábrán látható, egy piezoelektromos nyúlásmérő bélyeget (PACEline CFT/5kN) használtak a blokkoló erő mérésére egy Graphtec GL-2000 adatgyűjtő segítségével. Az adatokat a gazdagép rögzíti további vizsgálatok céljából. A nyúlásmérő bélyegeknek és töltéserősítőknek állandó tápegységre van szükségük a feszültségjel előállításához. A megfelelő jeleket a piezoelektromos erőérzékelő érzékenysége és a 2. táblázatban leírt egyéb paraméterek szerint teljesítménykimenetekké alakítják. Feszültségimpulzus alkalmazásakor az SMA vezeték hőmérséklete megemelkedik, ami az SMA vezeték összenyomódását okozza, ami a működtető erő generálására készteti. A 7 V-os bemeneti feszültségimpulzus izomerő-kimenetének kísérleti eredményeit a 2a ábra mutatja.
(a) A kísérletben egy SMA-alapú lineáris aktuátor rendszert állítottak be az aktuátor által generált erő mérésére. A mérőcella méri a blokkoló erőt, és egy 24 V-os egyenáramú tápegységről működik. A kábel teljes hosszában 7 V-os feszültségesést alkalmaztak egy GW Instek programozható egyenáramú tápegység segítségével. Az SMA vezeték hő hatására zsugorodik, a mozgatható kar pedig érintkezik a mérőcellával és blokkoló erőt fejt ki. A mérőcella a GL-2000 adatgyűjtőhöz van csatlakoztatva, és az adatokat a gazdagépen tárolják további feldolgozás céljából. (b) Az izomerő mérésére szolgáló kísérleti beállítás alkatrészeinek láncolatát bemutató ábra.
Az alakmemóriás ötvözeteket hőenergia gerjeszti, így a hőmérséklet fontos paraméterré válik az alakmemóriás jelenség tanulmányozásában. Kísérletileg, amint a 11a. ábra mutatja, hőkamerás és hőmérsékletméréseket végeztek egy prototípus SMA-alapú divalerát aktuátoron. Egy programozható egyenáramú forrás bemeneti feszültséget adott az SMA vezetékekre a kísérleti beállításban, ahogy a 11b. ábra mutatja. Az SMA vezeték hőmérsékletváltozását valós időben mérték egy nagy felbontású LWIR kamera (FLIR A655sc) segítségével. A gazdagép a ResearchIR szoftvert használja az adatok rögzítésére a további utófeldolgozáshoz. Feszültségimpulzus alkalmazásakor az SMA vezeték hőmérséklete megemelkedik, ami az SMA vezeték zsugorodását okozza. A 2b. ábra a 7V-os bemeneti feszültségimpulzus SMA vezeték hőmérsékletének időbeli függvényében kapott kísérleti eredményeket mutatja.
Közzététel ideje: 2022. szeptember 28.
