Köszönjük, hogy meglátogatta a Nature.com oldalt.Az Ön által használt böngészőverzió korlátozott CSS-támogatással rendelkezik.A legjobb élmény érdekében javasoljuk, hogy használjon frissített böngészőt (vagy tiltsa le a kompatibilitási módot az Internet Explorerben).Addig is a folyamatos támogatás érdekében a webhelyet stílusok és JavaScript nélkül jelenítjük meg.
A működtetőket mindenhol használják, és a megfelelő gerjesztőerő vagy nyomaték alkalmazásával szabályozott mozgást hoznak létre a gyártás és az ipari automatizálás különböző műveleteihez.A gyorsabb, kisebb és hatékonyabb hajtások iránti igény ösztönzi az innovációt a hajtástervezésben.A Shape Memory Alloy (SMA) meghajtók számos előnnyel rendelkeznek a hagyományos meghajtókhoz képest, beleértve a nagy teljesítmény-tömeg arányt.A disszertációban egy kéttollú SMA alapú aktuátort fejlesztettek ki, amely egyesíti a biológiai rendszerek tollas izomzatának előnyeit és az SMA-k egyedi tulajdonságait.Ez a tanulmány feltárja és kiterjeszti a korábbi SMA aktuátorokat az új szelepmozgató matematikai modelljének kidolgozásával, amely a bimodális SMA vezetékelrendezésen alapul, és kísérletileg teszteli azt.Az ismert SMA-alapú meghajtókhoz képest az új meghajtó működtetőereje legalább 5-ször nagyobb (akár 150 N).A megfelelő súlycsökkenés körülbelül 67%.A matematikai modellek érzékenységvizsgálatának eredményei hasznosak a tervezési paraméterek hangolásához és a kulcsparaméterek megértéséhez.Ez a tanulmány egy többszintű, N-edik fokozatú hajtást mutat be, amely a dinamika további fokozására használható.Az SMA-alapú dipvalerát izomműködtetők széleskörű alkalmazási körrel rendelkeznek, az épületautomatizálástól a precíziós gyógyszeradagoló rendszerekig.
A biológiai rendszerek, mint például az emlősök izomszerkezete, számos finom működtetőt aktiválhatnak1.Az emlősök különböző izomszerkezettel rendelkeznek, mindegyik meghatározott célt szolgál.Az emlős izomszövet szerkezetének nagy része azonban két nagy csoportra osztható.Párhuzamos és pennate.A combhajlító izomzatban és más hajlítókban, amint a neve is sugallja, a párhuzamos izomzatban a központi inával párhuzamos izomrostok találhatók.Az izomrostok láncát a körülöttük lévő kötőszövet rendezi el és funkcionálisan összekapcsolja.Bár ezek az izmok állítólag nagy mozgást mutatnak (százalékos lerövidülés), általános izomerejük nagyon korlátozott.Ezzel szemben a vádli tricepsz izomzatában2 (lateralis gastrocnemius (GL)3, medialis gastrocnemius (GM)4 és soleus (SOL)) és extensor femorisban (quadriceps)5,6 pennate izomszövet található minden izomban7.A szárnyas szerkezetben a bipennate izomzatban lévő izomrostok a központi ín mindkét oldalán ferde szögben (szárnyas szögek) vannak jelen.A pennate a latin „penna” szóból származik, ami „toll”-t jelent, és amint az az ábrán látható.1 tollszerű megjelenésű.A pennate izmok rostjai rövidebbek és az izom hossztengelyéhez képest szögben állnak.A szárnyas szerkezetnek köszönhetően ezeknek az izmoknak a mobilitása csökken, ami a rövidülési folyamat keresztirányú és hosszanti összetevőihez vezet.Másrészt ezeknek az izmoknak az aktiválása nagyobb általános izomerőt eredményez a fiziológiai keresztmetszeti terület mérési módja miatt.Ezért egy adott keresztmetszeti területen a pennate izmok erősebbek és nagyobb erőket generálnak, mint a párhuzamos rostokkal rendelkező izmok.Az egyes rostok által generált erők makroszkopikus szintű izomerőket hoznak létre az izomszövetben.Ezen kívül olyan egyedi tulajdonságokkal rendelkezik, mint a gyors zsugorodás, védelem a szakítósérülések ellen, párnázás.Átalakítja a rostbevitel és az izomteljesítmény közötti kapcsolatot azáltal, hogy kihasználja az izomműködési vonalakhoz kapcsolódó rostok elrendezésének egyedi jellemzőit és geometriai összetettségét.
Az ábrán a meglévő SMA-alapú működtető szerkezetek sematikus ábrái láthatók egy bimodális izmos architektúrával kapcsolatban, például (a), amely a tapintási erő kölcsönhatását mutatja be, amikor egy SMA vezetékekkel működtetett, kézzel formázott eszközt egy kétkerekű autonóm mobil robotra szerelnek9,10., (b) Robot orbitális protézis antagonisztikusan elhelyezett SMA rugós orbitális protézissel.A protézis szem helyzetét a szem okuláris izomzatának jele szabályozza11, (c) Az SMA aktuátorok ideálisak víz alatti alkalmazásokhoz nagy frekvencia-válaszuk és alacsony sávszélességük miatt.Ebben a konfigurációban az SMA aktuátorokkal hullámmozgást hoznak létre a halak mozgásának szimulálásával, (d) Az SMA aktuátorokkal egy mikrocső-ellenőrző robotot hoznak létre, amely képes használni a hüvelykes féregmozgás elvét, amelyet az SMA vezetékek mozgása vezérel a 10-es csatornán belül, (e) megmutatja az izomrostok összehúzódásának irányát és izomrost formájában összehúzó erőt generál a gastrocnemius szövetben, (f) az izomrost struktúrája a gasztrocnemius szövetben MA.
Az aktuátorok széleskörű alkalmazási körüknek köszönhetően a mechanikai rendszerek fontos részévé váltak.Ezért kritikussá válik a kisebb, gyorsabb és hatékonyabb meghajtók iránti igény.Előnyeik ellenére a hagyományos meghajtók költségesnek és időigényes karbantartásnak bizonyultak.A hidraulikus és pneumatikus hajtóművek bonyolultak és drágák, és ki vannak téve a kopásnak, a kenési problémáknak és az alkatrészek meghibásodásának.Az igényekre reagálva a hangsúly a költséghatékony, méretre optimalizált és fejlett, intelligens anyagokon alapuló hajtóművek fejlesztésén van.A folyamatban lévő kutatások az alakmemória ötvözetből (SMA) réteges működtetőket vizsgálják ennek az igénynek a kielégítésére.A hierarchikus aktuátorok egyedülállóak abban, hogy sok különálló aktuátort egyesítenek geometriailag összetett makroléptékű alrendszerekké, hogy megnövelt és kibővített funkcionalitást biztosítsanak.Ebben a tekintetben a fent leírt emberi izomszövet kiváló többrétegű példája az ilyen többrétegű működtetésnek.A jelenlegi tanulmány egy többszintű SMA-meghajtót ír le, amely több egyedi meghajtóelemet (SMA-huzalt) tartalmaz, amelyek a bimodális izmokban lévő rostok irányához igazodnak, ami javítja a meghajtó általános teljesítményét.
Az aktuátor fő célja az, hogy elektromos energia átalakításával mechanikus teljesítményt, például erőt és elmozdulást állítson elő.Az alakmemóriás ötvözetek az „okos” anyagok egy osztálya, amelyek magas hőmérsékleten is vissza tudják állítani alakjukat.Nagy terhelések esetén az SMA huzal hőmérsékletének emelkedése alakvisszanyeréshez vezet, ami nagyobb működési energiasűrűséget eredményez a különféle, közvetlenül kötött intelligens anyagokhoz képest.Ugyanakkor mechanikai terhelés hatására az SMA-k törékennyé válnak.Bizonyos körülmények között a ciklikus terhelés elnyelheti és felszabadíthatja a mechanikai energiát, reverzibilis hiszteretikus alakváltozásokat mutatva.Ezek az egyedi tulajdonságok ideálissá teszik az SMA-t érzékelőkhöz, rezgéscsillapítókhoz és különösen aktuátorokhoz12.Ezt szem előtt tartva, sok kutatás folyt az SMA-alapú meghajtókkal kapcsolatban.Meg kell jegyezni, hogy az SMA-alapú aktuátorokat úgy tervezték, hogy transzlációs és forgó mozgást biztosítsanak különféle alkalmazásokhoz13, 14, 15.Bár néhány forgó működtetőt kifejlesztettek, a kutatók különösen érdeklődnek a lineáris aktuátorok iránt.Ezek a lineáris hajtóművek három típusú állítóműre oszthatók: egydimenziós, eltolásos és differenciális működtetők 16 .Kezdetben a hibrid meghajtókat SMA-val és más hagyományos meghajtókkal kombinálva hozták létre.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.
A teljesen SMA-n alapuló meghajtók egyik első fejlesztése az SMA párhuzamos meghajtó volt.A több SMA-vezetéket használó SMA-alapú párhuzamos meghajtó úgy van kialakítva, hogy az összes SMA18 vezeték párhuzamos elhelyezésével növelje a meghajtó teljesítményét.Az aktuátorok párhuzamos csatlakoztatása nemcsak nagyobb teljesítményt igényel, hanem korlátozza egyetlen vezeték kimeneti teljesítményét is.Az SMA alapú aktuátorok másik hátránya az általuk elérhető korlátozott mozgás.Ennek a problémának a megoldására egy SMA kábelgerendát hoztak létre, amely egy eltérített hajlékony gerendát tartalmazott az elmozdulás növelése és a lineáris mozgás elérése érdekében, de nem generált nagyobb erőket19.Alakmemóriás ötvözeteken alapuló puha deformálható szerkezeteket és szöveteket robotokhoz elsősorban ütéserősítésre fejlesztettek ki20,21,22.Azokban az alkalmazásokban, ahol nagy sebességre van szükség, kompakt meghajtású szivattyúkról számoltak be, amelyek vékonyrétegű SMA-kat használnak mikroszivattyús alkalmazásokhoz23.A vékonyréteg SMA membrán meghajtási frekvenciája kulcsfontosságú tényező a meghajtó sebességének szabályozásában.Ezért az SMA lineáris motorok jobb dinamikus reakcióval rendelkeznek, mint az SMA rugós vagy rúdmotorok.A puha robotika és a megfogási technológia két másik alkalmazás, amely SMA-alapú aktuátorokat használ.Például a 25 N-os űrbilincsben használt szabványos működtető helyettesítésére egy alakmemóriaötvözetből készült 24 párhuzamos működtetőt fejlesztettek ki.Egy másik esetben egy SMA lágy aktuátort készítettek olyan huzalból, amelynek beágyazott mátrixa 30 N maximális húzóerőt képes kifejteni. Mechanikai tulajdonságaik miatt az SMA-kat biológiai jelenségeket utánzó működtetők gyártására is használják.Az egyik ilyen fejlesztés egy 12 sejtből álló robotot tartalmaz, amely egy földigilisztaszerű szervezet biomimetikuma SMA-val, amely szinuszos mozgást generál a tűz felé26,27.
Amint azt korábban említettük, a meglévő SMA-alapú aktuátorokkal elérhető maximális erőnek van határa.A probléma megoldása érdekében ez a tanulmány egy biomimetikus bimodális izomszerkezetet mutat be.Forma-memória ötvözet huzal hajtja.Olyan osztályozási rendszert biztosít, amely számos alakmemóriaötvözet huzalt tartalmaz.Eddig nem számoltak be a szakirodalomban hasonló felépítésű SMA-alapú aktuátorokról.Ezt az egyedülálló és újszerű, SMA-n alapuló rendszert az SMA viselkedésének tanulmányozására fejlesztették ki a bimodális izomigazítás során.A meglévő SMA-alapú aktuátorokhoz képest ennek a tanulmánynak a célja egy biomimetikus dipvalerát aktuátor létrehozása volt, amely kis térfogatban lényegesen nagyobb erőket generál.A HVAC épületautomatizálási és vezérlőrendszerekben használt hagyományos léptetőmotoros hajtásokhoz képest a javasolt SMA-alapú bimodális hajtástervezés 67%-kal csökkenti a meghajtószerkezet súlyát.A következőkben az „izom” és a „hajtás” kifejezéseket felcserélhetően használjuk.Ez a tanulmány egy ilyen meghajtó multifizikai szimulációját vizsgálja.Az ilyen rendszerek mechanikai viselkedését kísérleti és analitikai módszerekkel vizsgálták.Az erő- és hőmérséklet-eloszlásokat tovább vizsgáltuk 7 V bemeneti feszültség mellett. Ezt követően paraméteres elemzést végeztünk, hogy jobban megértsük a kulcsparaméterek és a kimeneti erő közötti kapcsolatot.Végül hierarchikus működtetőket képzeltek el, és hierarchikus szintű hatásokat javasoltak a nem mágneses aktuátorok lehetséges jövőbeli területeként a protetikai alkalmazásokhoz.A fent említett tanulmányok eredményei szerint az egyfokozatú architektúra alkalmazása legalább négy-ötször nagyobb erőt hoz létre, mint a jelentett SMA-alapú aktuátorok.Ezenkívül a többszintű többszintű meghajtó által generált ugyanaz a meghajtóerő több mint tízszerese a hagyományos SMA-alapú meghajtókénak.A tanulmány ezután beszámol a legfontosabb paraméterekről a különböző tervek és bemeneti változók közötti érzékenységelemzés segítségével.Az SMA huzal kezdeti hossza (\(l_0\)), a csúcsszög (\(\alpha\)) és az egyes szálak száma (n) erős negatív hatással van a hajtóerő nagyságára.erőssége, míg a bemeneti feszültség (energia) pozitívan korrelált.
Az SMA huzal a nikkel-titán (Ni-Ti) ötvözetek családjában látható alakmemória-effektust (SME) mutatja.Az SMA-k jellemzően két hőmérsékletfüggő fázist mutatnak: egy alacsony hőmérsékletű és egy magas hőmérsékletű fázist.Mindkét fázis egyedi tulajdonságokkal rendelkezik a különböző kristályszerkezetek jelenléte miatt.Az átalakulási hőmérséklet felett létező ausztenit fázisban (magas hőmérsékletű fázisban) az anyag nagy szilárdságot mutat, és terhelés hatására rosszul deformálódik.Az ötvözet úgy viselkedik, mint a rozsdamentes acél, így képes ellenállni a nagyobb működtetési nyomásoknak.Kihasználva a Ni-Ti ötvözetek ezen tulajdonságát, az SMA vezetékek ferdén vannak, hogy működtetőelemet képezzenek.Megfelelő analitikai modelleket dolgoznak ki az SMA termikus viselkedésének alapvető mechanikájának megértésére különböző paraméterek és különböző geometriák hatására.Jó egyezést kaptunk a kísérleti és az analitikai eredmények között.
Kísérleti vizsgálatot végeztek a 9a. ábrán látható prototípuson, hogy értékeljék az SMA-n alapuló bimodális meghajtó teljesítményét.Ezen tulajdonságok közül kettőt, a hajtás által generált erőt (izomerő) és az SMA huzal hőmérsékletét (SMA hőmérséklet) kísérletileg mérték.Ahogy a feszültségkülönbség a hajtásban lévő vezeték teljes hosszában növekszik, a Joule fűtőhatás miatt a vezeték hőmérséklete nő.A bemeneti feszültséget két 10 másodperces ciklusban alkalmaztuk (piros pontok a 2a, b ábrákon), az egyes ciklusok között 15 másodperces hűtési periódussal.A blokkoló erő mérése piezoelektromos nyúlásmérővel történt, az SMA vezeték hőmérséklet-eloszlását pedig valós időben, tudományos minőségű, nagy felbontású LWIR kamera segítségével (lásd a 2. táblázatban használt berendezés jellemzőit).ábra mutatja, hogy a nagyfeszültségű fázisban a vezeték hőmérséklete monoton nő, de ha nem folyik áram, a vezeték hőmérséklete tovább csökken.A jelenlegi kísérleti elrendezésben az SMA huzal hőmérséklete csökkent a hűtési fázis alatt, de még mindig a környezeti hőmérséklet felett volt.ábrán.A 2e. ábra az SMA vezeték hőmérsékletének pillanatfelvételét mutatja az LWIR kamerából.Másrészt az ábrán.A 2a. ábra a meghajtórendszer által generált blokkolóerőt mutatja.Amikor az izomerő meghaladja a rugó visszaállító erejét, a mozgatható kar, amint az a 9a. ábrán látható, mozogni kezd.Amint a működtetés megkezdődik, a mozgatható kar érintkezik az érzékelővel, testerőt hozva létre, amint az az 1. ábrán látható.2c, d.Ha a maximális hőmérséklet közel van a \(84\,^{\circ}\hbox {C}\ értékhez), a maximális megfigyelt erő 105 N.
A grafikonon az SMA huzal hőmérsékletének és az SMA alapú bimodális aktuátor által keltett erőnek a kísérleti eredményei láthatók két ciklus alatt.A bemeneti feszültséget két 10 másodperces ciklusban alkalmazzák (piros pöttyök), az egyes ciklusok között 15 másodperces lehűlési periódussal.A kísérletekhez használt SMA huzal egy 0,51 mm átmérőjű Flexinol huzal a Dynalloy, Inc.-től (a) A grafikonon a két ciklus alatt kapott kísérleti erő látható, (c, d) két független példa a mozgó kar működtetőinek működésére egy PACEline CFT/5kN piezoelektromos erőátalakítón, (b) a maximális hőmérsékletet mutatja a két ciklus alatt, a grafikonon a maximális időtartamot a MAnap. felvétel az SMA vezetékről a FLIR ResearchIR szoftver LWIR kamerájával készült.A kísérletekben figyelembe vett geometriai paramétereket a táblázat tartalmazza.egy.
A matematikai modell szimulációs eredményeit és a kísérleti eredményeket összehasonlítjuk 7 V bemeneti feszültség mellett, amint az az 5. ábrán látható.A paraméteres analízis eredményei szerint és az SMA vezeték túlmelegedésének elkerülése érdekében 11,2 W teljesítményt adtak az aktuátorhoz.Programozható egyenáramú tápegységet használtak a 7 V bemeneti feszültség biztosítására, és 1,6 A áramot mértek a vezetéken.A hajtás által generált erő és az SDR hőmérséklete megnövekszik az áram alkalmazásakor.7V bemeneti feszültség mellett az első ciklus szimulációs eredményeiből és kísérleti eredményeiből kapott maximális kimeneti erő 78 N, illetve 96 N.A második ciklusban a szimuláció és a kísérleti eredmények maximális kimeneti ereje 150 N, illetve 105 N volt.Az okklúziós erő mérései és a kísérleti adatok közötti eltérés oka lehet az okklúziós erő mérésére alkalmazott módszer.ábrán látható kísérleti eredmények.Az 5a. ábra a reteszelőerő mérésének felel meg, amelyet viszont akkor mértek, amikor a hajtótengely érintkezett a PACEline CFT/5kN piezoelektromos erőátalakítóval, amint az a 1. ábrán látható.2s.Ezért, ha a hajtótengely nem érintkezik az erőérzékelővel a hűtőzóna elején, az erő azonnal nullává válik, amint az a 2d. ábrán látható.Ezenkívül a következő ciklusokban az erő kialakulását befolyásoló egyéb paraméterek a hűtési idő értékei és a konvektív hőátadási együttható az előző ciklusban.ábrából.A 2b. ábrán látható, hogy 15 másodperces hűtési periódus után az SMA vezeték nem érte el a szobahőmérsékletet, ezért magasabb kezdeti hőmérséklete volt (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) a második menetciklusban, mint az első ciklusban (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Így az első ciklushoz képest az SMA huzal hőmérséklete a második fűtési ciklus során korábban éri el a kezdeti ausztenit hőmérsékletet (\(A_s\)), és tovább marad az átmeneti időszakban, ami feszültséget és erőt eredményez.Másrészt a kísérletekből és szimulációkból nyert fűtési és hűtési ciklusok hőmérséklet-eloszlása minőségileg nagy hasonlóságot mutat a termográfiai elemzésből származó példákkal.A kísérletekből és szimulációkból származó SMA huzal hőadatainak összehasonlító elemzése konzisztenciát mutatott a fűtési és hűtési ciklusok során, és a kísérleti adatok elfogadható tűréshatárain belül.Az SMA vezeték maximális hőmérséklete, amelyet az első ciklus szimulációi és kísérletei alapján kaptunk, \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) és \(75\,^{\circ }\hbox { C }\ ), a második ciklusban pedig az SMA vezeték maximális hőmérséklete \{\box { \ \ \ \ { \ \ \ \ } circ }\ hbox {C}\).Az alapvetően kidolgozott modell megerősíti az alakmemória effektus hatását.Ebben az áttekintésben nem vették figyelembe a fáradtság és a túlmelegedés szerepét.A jövőben a modellt továbbfejlesztik, hogy tartalmazza az SMA vezeték feszültségtörténetét, így alkalmasabbá válik a mérnöki alkalmazásokhoz.A Simulink blokkból kapott hajtás kimeneti erő- és SMA hőmérsékleti görbéi 7 V-os bemeneti feszültségimpulzus mellett a kísérleti adatok megengedett tűréshatárain belül vannak. Ez megerősíti a kidolgozott matematikai modell helyességét és megbízhatóságát.
A matematikai modellt a MathWorks Simulink R2020b környezetben fejlesztettük ki a Módszerek részben leírt alapegyenletek felhasználásával.ábrán.A 3b. ábra a Simulink matematikai modell blokkdiagramját mutatja.A modellt 7 V-os bemeneti feszültségimpulzusra szimulálták, amint az a 2a, b ábrán látható.A szimulációban használt paraméterek értékeit az 1. táblázat tartalmazza. A tranziens folyamatok szimulációjának eredményeit az 1. és 1. ábra mutatja be. 3a. és 4. ábra.A 4a, b ábra az SMA vezetékben indukált feszültséget és a működtető által keltett erőt mutatja az idő függvényében. A fordított transzformáció (fűtés) során, amikor az SMA huzal hőmérséklete, \(T < A_s^{\prime}\) (feszültség-módosított ausztenit fázis kezdő hőmérséklete), a martenzit térfogathányadának (\(\dot{\xi }\)) változási sebessége nulla lesz. Fordított transzformáció (hevítés) során, amikor az SMA huzal hőmérséklete, \(T < A_s^{\prime}\) (feszültség-módosított ausztenit fázis kezdő hőmérséklete), a martenzit térfogathányadának (\(\dot{\ xi }\)) változási sebessége nulla lesz. V нная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. A fordított transzformáció (hevítés) során, amikor az SMA vezeték hőmérséklete, \(T < A_s^{\prime}\) (feszültség-módosított ausztenit kezdeti hőmérséklet), a martenzit térfogathányadának (\(\pont{\ xi }\ )) változási sebessége nulla lesz.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体盋氏体体积分数的变化率（\(\pont{\xi }\)) 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 csomóponti hőmérsékletet mutatja egy SMA-alapú divalerát működtetőben.Amikor a huzal hőmérséklete átlépi az ausztenit átmeneti hőmérsékletét a melegítési szakaszban, a módosított ausztenit átmeneti hőmérséklete emelkedni kezd, és hasonlóképpen, amikor a huzalrúd hőmérséklete átlépi a martenzites átmeneti hőmérsékletet a hűtési szakaszban, a martenzites átmeneti hőmérséklet csökken.SMA a működtetési folyamat analitikus modellezéséhez.(A Simulink modell egyes alrendszereinek részletes nézetét lásd a kiegészítő fájl függelékében.)
A különböző paramétereloszlások elemzésének eredményei a 7 V-os bemeneti feszültség két ciklusára vonatkoznak (10 másodperces bemelegítési és 15 másodperces lehűlési ciklusok).Míg (ac) és (e) az időbeli eloszlást ábrázolja, a (d) és (f) viszont a hőmérséklet szerinti eloszlást szemlélteti.Az adott bemeneti feltételek mellett a maximális megfigyelt feszültség 106 MPa (kevesebb, mint 345 MPa, huzal folyáshatár), az erő 150 N, a maximális elmozdulás 270 µm, a minimális martenzites térfogathányad pedig 0,91.Másrészt a feszültség változása és a martenzit térfogati hányadának változása a hőmérséklet függvényében hasonló a hiszterézis jellemzőihez.
Ugyanez a magyarázat vonatkozik az ausztenit fázisból a martenzit fázisba történő közvetlen átalakulásra (hűtésre), ahol az SMA huzal hőmérséklete (T) és a feszültségmódosított martenzit fázis véghőmérséklete (\(M_f^{\prime}\ )) kiváló.ábrán.A 4d,f ábra az SMA huzalban az indukált feszültség (\(\sigma\)) és a martenzit térfogathányadának (\(\xi\)) változását mutatja az SMA huzal hőmérsékletváltozásának (T) függvényében, mindkét menetciklusra.ábrán.A 3a. ábra az SMA vezeték hőmérsékletének időbeli változását mutatja a bemeneti feszültségimpulzus függvényében.Amint az ábrán látható, a vezeték hőmérséklete tovább növekszik nulla feszültségű hőforrás biztosításával és ezt követő konvektív hűtéssel.A melegítés során a martenzit ausztenitfázissá történő újraátalakítása akkor kezdődik meg, amikor az SMA huzal hőmérséklete (T) átlépi a feszültség-korrigált ausztenit gócképződési hőmérsékletet (\(A_s^{\prime}\)).Ebben a fázisban az SMA vezeték összenyomódik, és az aktuátor erőt generál.Szintén hűtés közben, amikor az SMA huzal (T) hőmérséklete átlépi a feszültségmódosított martenzitfázis (\(M_s^{\prime}\)) gócképződési hőmérsékletét, pozitív átmenet következik be az ausztenit fázisból a martenzit fázisba.a hajtóerő csökken.
Az SMA alapú bimodális hajtás főbb minőségi vonatkozásai a szimulációs eredményekből nyerhetők.Feszültségimpulzus bemenet esetén az SMA vezeték hőmérséklete a Joule fűtőhatás miatt megemelkedik.A martenzit térfogathányadának (\(\xi\)) 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 gócképződési hőmérsékletet \(A_s^{\prime}\), ami a martenzit térfogathányadának csökkenését eredményezi, amint az a 4c. ábrán látható.Ezen túlmenően, az ábrán.A 4e. ábra az aktuátor löketeinek időbeli eloszlását mutatja, a 4e.5 – hajtóerő az idő függvényében.Egy kapcsolódó egyenletrendszer tartalmazza a hőmérsékletet, a martenzit térfogathányadát és a huzalban kialakuló feszültséget, ami az SMA huzal zsugorodását és a működtető által generált erőt eredményezi.ábrán látható módon.4d,f, a feszültség változása a hőmérséklet függvényében és a martenzit térfogathányad változása a hőmérséklet függvényében megfelel az SMA hiszterézis jellemzőinek a szimulált esetben 7 V-on.
A vezetési paraméterek összehasonlítása kísérletekkel és analitikai számításokkal történt.A vezetékeket 7 V impulzus bemeneti feszültségnek vetettük alá 10 másodpercig, majd két cikluson keresztül 15 másodpercig lehűtöttük (hűtési fázis).A csúcsszög \(40^{\circ}\), az SMA vezeték kezdeti hossza pedig minden egyes tűs lábban 83 mm.(a) A hajtóerő mérése mérőcellával (b) A huzal hőmérsékletének figyelése termikus infravörös kamerával.
A fizikai paraméterek hajtás által keltett erőre gyakorolt hatásának megértése érdekében elemeztem a matematikai modell érzékenységét a kiválasztott fizikai paraméterekre, és a paramétereket befolyásuk szerint rangsorolták.Először is, a modellparaméterek mintavételét kísérleti tervezési elvek alkalmazásával végeztük, amelyek egyenletes eloszlást követtek (lásd az érzékenységelemzésről szóló kiegészítő részt).Ebben az esetben a modell paraméterei között szerepel a bemeneti feszültség (\(V_{in}\)), a kezdeti SMA vezeték hossza (\(l_0\)), a háromszögszög (\(\alpha\)), az előfeszítési rugóállandó (\( K_x\ )), a konvektív hőátbocsátási tényező (\(h_T\)) és az unimodális ágak száma (n).A következő lépésben a csúcs izomerőt választottuk vizsgálati tervezési követelményként, és megkaptuk az egyes változók erőre gyakorolt paraméteres hatásait.Az érzékenységelemzés tornádódiagramjait az egyes paraméterek korrelációs együtthatóiból származtattuk, amint az a 6a. ábrán látható.
(a) A modell paramétereinek korrelációs együttható értékei és ezek hatása a fenti modell paraméterek 2500 egyedi csoportjának maximális kimeneti erejére a tornádó diagramon láthatók.A grafikonon több mutató rangkorrelációja látható.Nyilvánvaló, hogy a \(V_{in}\) az egyetlen pozitív korrelációval rendelkező paraméter, és a \(l_0\) a legnagyobb negatív korrelációval rendelkező paraméter.A különböző paraméterek különböző kombinációkban kifejtett hatását a csúcs izomerőre a (b, c) mutatja.A \(K_x\) 400 és 800 N/m, az n pedig 4 és 24 között van. A feszültség (\(V_{in}\)) 4 V-ról 10 V-ra változott, a vezeték hossza (\(l_{0 } \)) 40-ről 100 mm-re változott, a farok szöge pedig {\) (\) \0, \ \ \ 0 -ról (\) (\) c }\).
ábrán.A 6a. ábra különböző korrelációs együtthatók tornádódiagramját mutatja minden egyes paraméterhez a csúcshajtási erő tervezési követelményeivel.ábrából.A 6a ábrán látható, hogy a feszültség paraméter (\(V_{in}\)) közvetlenül összefügg a maximális kimenő erővel, és a konvektív hőátbocsátási tényező (\(h_T\)), a lángszög (\ ( \alpha\)) , az elmozdulási rugóállandó ( \(K_x\)) negatívan korrelál a kimeneti erővel és a vezeték kezdeti hosszával () erős inverz korreláció Közvetlen korreláció esetén Magasabb feszültségkorrelációs együttható (\(V_ {in}\)) esetén azt jelzi, hogy ennek a paraméternek van a legnagyobb hatása a kimenő teljesítményre.Egy másik hasonló elemzés a csúcserőt méri a különböző paraméterek hatásának értékelésével a két számítási tér különböző kombinációiban, amint az a 6b, c ábrán látható.A \(V_{in}\) és \(l_0\), \(\alpha\) és \(l_0\) hasonló mintázatú, és a grafikonon látható, hogy a \(V_{in}\) és \(\alpha\ ) és \(\alpha\) hasonló mintázatú.A kisebb \(l_0\) értékek nagyobb csúcserőket eredményeznek.A másik két diagram összhangban van a 6a ábrával, ahol n és \(K_x\) negatívan, \(V_{in}\) pedig pozitívan korrelál.Ez az elemzés segít meghatározni és beállítani azokat a befolyásoló paramétereket, amelyekkel a hajtásrendszer kimenő ereje, lökete és hatékonysága a követelményekhez és az alkalmazáshoz igazítható.
A jelenlegi kutatási munka N szintű hierarchikus meghajtókat vezet be és vizsgál.Egy kétszintű hierarchiában, amint az a 7a. ábrán látható, ahol az első szintű működtető minden egyes SMA vezetéke helyett bimodális elrendezést valósítunk meg, amint az a 6. ábrán látható.9e.ábrán.A 7c. ábra azt mutatja, hogy az SMA huzal hogyan van feltekerve egy mozgatható kar (segédkar) köré, amely csak hosszirányban mozog.Az elsődleges mozgatható kar azonban továbbra is ugyanúgy mozog, mint az 1. fokozatú többfokozatú működtető mozgatható karja.Az N-fokozatú meghajtó általában úgy jön létre, hogy az \(N-1\) fokozatú SMA vezetéket első fokozatú meghajtóra cserélik.Ennek eredményeként minden ág az első fokozat meghajtását utánozza, kivéve azt az ágat, amely magát a vezetéket tartja.Ily módon olyan egymásba ágyazott struktúrák alakíthatók ki, amelyek az elsődleges hajtások erőinek többszörösét hoznak létre.Ebben a tanulmányban minden szinten 1 m teljes effektív SMA vezetékhosszt vettünk figyelembe, amint az táblázatos formában látható a 7d. ábrán.Az egyes vezetékeken áthaladó áram minden unimodális kialakításban, valamint az ebből eredő előfeszítés és feszültség az egyes SMA vezetékszegmensekben minden szinten azonos.Analitikai modellünk szerint a kimeneti erő pozitívan korrelál a szinttel, míg az elmozdulás negatívan.Ugyanakkor kompromisszum volt az elmozdulás és az izomerő között.ábrán látható módon.A 7b. ábrán látható, hogy míg a maximális erő a legtöbb rétegben érhető el, a legnagyobb elmozdulás a legalsó rétegben figyelhető meg.Amikor a hierarchia szintjét \(N=5\) értékre állítottuk, 2,58 kN csúcs izomerőt találtunk 2 megfigyelt ütéssel \(\upmu\)m.Másrészt az első fokozatú hajtás 150 N erőt hoz létre 277 \(\upmu\)m löketnél.A többszintű aktuátorok valódi biológiai izmokat képesek utánozni, ahol az alakmemória ötvözeteken alapuló mesterséges izmok precíz és finomabb mozdulatokkal lényegesen nagyobb erőket képesek generálni.Ennek a miniatürizált kialakításnak az a korlátja, hogy a hierarchia növekedésével a mozgás nagymértékben csökken, és a hajtásgyártási folyamat bonyolultabbá válik.
(a) Egy kétfokozatú (\(N=2\)) réteges alakú memória ötvözetből álló lineáris működtető rendszer látható bimodális konfigurációban.A javasolt modellt úgy érik el, hogy az első lépcsős réteges működtetőben lévő SMA-huzalt egy másik egyfokozatú réteges aktuátorra cserélik.(c) A második fokozatú többrétegű működtető szerkezet deformált konfigurációja.(b) Leírják az erők és az elmozdulások eloszlását a szintek számától függően.Azt találtuk, hogy az aktuátor csúcsereje pozitívan korrelál a grafikonon látható skálaszinttel, míg a löket negatívan a skálaszinttel.Az áram és az előfeszültség minden vezetékben állandó marad minden szinten.(d) A táblázat mutatja a leágazások számát és az SMA vezeték (szál) hosszát minden szinten.A vezetékek jellemzőit az 1-es index jelöli, a másodlagos ágak számát (az egyik az elsődleges lábhoz csatlakozik) pedig a legnagyobb szám jelzi az alsó indexben.Például az 5. szinten a \(n_1\) az egyes bimodális struktúrákban lévő SMA-vezetékek számát, az \(n_5\) pedig a segédágak számát (a fő ághoz csatlakoztatott) jelenti.
Számos kutató különböző módszereket javasolt az SMA-k alakmemóriával rendelkező viselkedésének modellezésére, amelyek a fázisátalakulással összefüggő kristályszerkezet makroszkopikus változásait kísérő termomechanikai tulajdonságoktól függenek.A konstitutív módszerek megfogalmazása eleve összetett.A leggyakrabban használt fenomenológiai modellt a Tanaka28 javasolta, és széles körben használják a mérnöki alkalmazásokban.A Tanaka [28] által javasolt fenomenológiai modell feltételezi, hogy a martenzit térfogathányada a hőmérséklet és a feszültség exponenciális függvénye.Később Liang és Rogers29 és Brinson30 olyan modellt javasoltak, amelyben a fázisátalakulási dinamikát a feszültség és a hőmérséklet koszinuszfüggvényének tételezték fel, a modell kis módosításával.Becker és Brinson egy fázisdiagram alapú kinetikai modellt javasolt az SMA anyagok viselkedésének modellezésére tetszőleges terhelési feltételek mellett, valamint részleges átmenetek esetén.A Banerjee32 a Bekker és Brinson31 fázisdiagram dinamikai módszerét használja az Elahinia és Ahmadian által kifejlesztett egyetlen szabadságfokú manipulátor szimulálására.A fázisdiagramokon alapuló kinetikai módszerek, amelyek figyelembe veszik a feszültség nem-monoton változását a hőmérséklet függvényében, nehezen megvalósíthatók mérnöki alkalmazásokban.Elakhinia és Ahmadian felhívják a figyelmet a létező fenomenológiai modellek hiányosságaira, és egy kiterjesztett fenomenológiai modellt javasolnak az alakmemória viselkedésének elemzésére és meghatározására bármilyen összetett terhelési körülmény között.
Az SMA huzal szerkezeti modellje megadja az SMA huzal feszültségét (\(\sigma\)), alakváltozását (\(\epsilon\)), hőmérsékletét (T) és martenzit térfogathányadát (\(\xi\)).A fenomenológiai konstitutív modellt először Tanaka28 javasolta, majd Liang29 és Brinson30 alkalmazta.Az egyenlet deriváltjának alakja:
ahol E a \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) és \(E_A\) és \(E_M\) segítségével kapott fázisfüggő SMA Young modulusa, amelyek Young modulusát jelentik, rendre ausztenites és martenzites fázis, a \\\ta hőtágulási együttható pedig _T().A fázisátalakulás járulékos tényezője \(\Omega = -E \epsilon _L\) és \(\epsilon _L\) az SMA vezeték maximálisan helyreállítható nyúlása.
A fázisdinamikai egyenlet egybeesik a Liang29 által kidolgozott, majd Brinson által30 által elfogadott 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.A fázisátalakulási modellhez használt feltételek összetett termomechanikai terhelések mellett is érvényesek.A konstitutív egyenlet modellezésekor minden időpillanatban kiszámítjuk a martenzit térfogatrészének értékét.
A szabályozó retranszformációs egyenlet, amelyet a martenzit ausztenitté történő átalakulásával fejezünk ki fűtési körülmények között, a következő:
ahol \(\xi\) a martenzit térfogathányada, \(\xi _M\) a hevítés előtt kapott martenzit térfogathányada, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) és \_ paraméter \) és \(A_f\) – az ausztenit fázis kezdete és vége, hőmérséklet.
A közvetlen átalakulás szabályozási egyenlete, amelyet az ausztenit hűtési körülmények között martenzitté történő fázisátalakítása képvisel, a következő:
ahol \(\xi _A\) a hűtés előtt kapott martenzit térfogathányada, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) és \ ( C_M \) – a görbe illesztési paraméterei\\_ kezdeti hőmérséklet, T ) (SMA)\ \_ hőmérséklet helyszíni hőmérsékletek, ill.
Miután a (3) és (4) egyenletet differenciáltuk, az inverz és a direkt transzformációs egyenleteket a következő alakra egyszerűsítjük:
Az előre és visszafelé történő transzformáció során a \(\eta _{\sigma}\) és a \(\eta _{T}\) eltérő értéket vesz fel.A \(\eta _{\sigma}\) és \(\eta _{T}\) alapegyenletek levezetésre kerültek, és egy további szakaszban részletesen tárgyaltuk.
Az SMA huzal hőmérsékletének emeléséhez szükséges hőenergia a Joule fűtőhatásból származik.Az SMA huzal által elnyelt vagy felszabaduló hőenergiát az átalakulás látens hője reprezentálja.Az SMA vezeték hővesztesége kényszerkonvekcióból adódik, és a sugárzás elhanyagolható hatását figyelembe véve a hőenergia mérleg egyenlete a következő:
ahol \(m_{vezeték}\) az SMA vezeték teljes tömege, \(c_{p}\) az SMA fajlagos hőkapacitása, \(V_{in}\) a vezetékre adott feszültség, \(R_{ohm} \ ) – fázisfüggő ellenállás SMA, definíció szerint;\(R_{ohm} = (l/A_{kereszt})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) ahol \(r_M\ ) és \(r_A\) az SMA fázisellenállás martenzitben, illetve ausztenitben, \(A_{c}\) az SMA az összes memória alakja.A vezeték látens átmeneti hője, T és \(T_{\infty}\) az SMA vezeték és a környezet hőmérséklete.
Amikor egy alakmemóriából készült ötvözethuzalt működtetnek, a huzal összenyomódik, és a bimodális tervezés minden egyes ágában erőt hoz létre, amelyet rosterőnek neveznek.Az SMA huzal egyes szálaiban lévő rostok erői együttesen hozzák létre a működtetéshez szükséges izomerőt, amint az a 9e. ábrán látható.Az előfeszítő rugó jelenléte miatt az N-edik többrétegű működtető teljes izomereje:
Ha \(N = 1\)-t behelyettesítjük a (7) egyenletbe, az első fokozatú bimodális hajtás prototípusának izomerejét a következőképpen kaphatjuk meg:
ahol n az unimodális lábak száma, \(F_m\) a hajtás által generált izomerő, \(F_f\) az SMA vezetékben lévő rostok erőssége, \(K_x\) az előfeszítés merevsége.rugó, \(\alpha\) a háromszög szöge, \(x_0\) az előfeszítő rugó kezdeti eltolása, amely az SMA kábelt előfeszített helyzetben tartja, és \(\Delta x\) a működtető mozgása.
A hajtás teljes elmozdulása vagy mozgása (\(\Delta x\)) az N-edik fokozat SMA vezetékén lévő feszültségtől (\(\sigma\)) és feszültségtől (\(\epsilon\)) függően a hajtás a következőre van állítva (lásd az ábrát a kimenet kiegészítő része):
A kinematikai egyenletek megadják a kapcsolatot a hajtás deformációja (\(\epsilon\)) és az elmozdulás vagy elmozdulás (\(\Delta x\)) között.Az Arb huzal deformációja a kezdeti Arb huzalhossz (\(l_0\)) és a huzalhossz (l) függvényében bármely t időpontban egy unimodális ágban a következő:
ahol \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) a \(\Delta\)ABB ' koszinuszképletének alkalmazásával kapjuk meg, a 8. ábrán látható módon. Az első fokozatú meghajtóhoz (\) \1\1\(Delta is) \), és \(\alpha _1\) a \(\alpha \) amint az a 8. ábrán látható, ha az időt a (11) egyenlettől megkülönböztetjük és l értékét helyettesítjük, az alakváltozási sebesség a következőképpen írható fel:
ahol \(l_0\) az SMA vezeték kezdeti hossza, l a vezeték hossza bármikor t egy unimodális ágban, \(\epsilon\) az SMA vezetékben kialakult deformáció, és \(\alpha \) a háromszög szöge, \(\Delta x\) a hajtás eltolása (ahogyan a 8. ábrán látható).
Mind az n darab egycsúcsos szerkezet (az ábrán \(n=6\)) sorba van kötve \(V_{in}\) bemeneti feszültséggel.I. szakasz: Az SMA vezeték sematikus diagramja bimodális konfigurációban nulla feszültségi feltételek mellett II. szakasz: Egy vezérelt szerkezet látható, ahol az SMA vezeték az inverz átalakítás miatt összenyomódik, amint azt a piros vonal mutatja.
A koncepció bizonyítékaként egy SMA-alapú bimodális meghajtót fejlesztettek ki, amellyel kísérleti eredményekkel tesztelték a mögöttes egyenletek szimulált származtatását.ábrán látható a bimodális lineáris aktuátor CAD modellje.9a.Másrészt az ábrán.A 9c. ábra egy kétsíkú SMA-alapú, bimodális szerkezetű működtetőelemet használó forgó prizmatikus csatlakozáshoz javasolt új kialakítást mutat be.A meghajtó alkatrészeket additív gyártás alkalmazásával, Ultimaker 3 Extended 3D nyomtatón állították elő.Az alkatrészek 3D nyomtatásához használt anyag polikarbonát, amely alkalmas hőálló anyagokhoz, mivel erős, tartós és magas üvegesedési hőmérséklettel rendelkezik (110-113 \(^{\circ }\) C).Ezen kívül a Dynalloy, Inc. Flexinol alakú memória ötvözet huzalt használtuk a kísérletekben, a szimulációkban pedig a Flexinol huzalnak megfelelő anyagtulajdonságokat használtuk.Több SMA huzal van elrendezve rostként az izmok bimodális elrendezésében, hogy biztosítsák a többrétegű működtetők által keltett nagy erőket, amint az a 9b, d ábrákon látható.
Amint a 9a. ábrán látható, a mozgatható kar SMA huzal által alkotott hegyesszöget szögnek (\(\alpha\)) nevezzük.A bal és jobb oldali bilincsekhez rögzített sorkapcsokkal az SMA vezetéket a kívánt bimodális szögben tartják.A rugós csatlakozón tartott előfeszítő rugóeszközt úgy tervezték, hogy a különböző előfeszítő rugó-hosszabbító csoportokat az SMA szálak számának (n) megfelelően állítsa be.Ezenkívül a mozgó részek elhelyezkedése úgy van kialakítva, hogy az SMA vezeték ki legyen téve a külső környezet hatásának a kényszerkonvekciós hűtés érdekében.A levehető szerelvény felső és alsó lapjai segítenek az SMA-huzal hűvös tartásában a súlycsökkentés érdekében kialakított extrudált kivágásokkal.Ezenkívül a CMA vezeték mindkét vége a bal és a jobb oldali kapcsokhoz van rögzítve egy krimp segítségével.A mozgatható szerelvény egyik végéhez dugattyú van rögzítve, hogy a felső és az alsó lemezek között hézag maradjon.A dugattyút arra is használják, hogy egy érintkezőn keresztül blokkoló erőt fejtsen ki az érzékelőre, hogy mérje a blokkoló erőt, amikor az SMA vezetéket működtetik.
Az SMA bimodális izomszerkezet elektromosan sorba van kötve, és bemeneti impulzusfeszültséggel táplálja.A feszültségimpulzus-ciklus során, amikor feszültséget kapcsolunk, és az SMA vezetéket az ausztenit kezdeti hőmérséklete fölé melegítjük, az egyes szálakban lévő vezetékek hossza lerövidül.Ez a visszahúzás aktiválja a mozgatható kar részegységet.Amikor a feszültséget ugyanabban a ciklusban nulláztuk, a felhevült SMA huzal a martenzit felületének hőmérséklete alá hűlt, így visszatért eredeti helyzetébe.Nulla feszültség esetén az SMA huzalt először passzívan megfeszítik egy előfeszítő rugóval, hogy elérje a martenzites állapotot.A csavar, amelyen az SMA vezeték áthalad, az SMA vezetékre feszültségimpulzus hatására létrejövő kompresszió miatt elmozdul (SPA eléri az ausztenit fázist), ami a mozgatható kar működtetéséhez vezet.Amikor az SMA huzal visszahúzódik, az előfeszítő rugó ellentétes erőt hoz létre a rugó további megfeszítésével.Amikor az impulzusfeszültségben a feszültség nullává válik, az SMA vezeték megnyúlik és megváltoztatja alakját a kényszerkonvekciós hűtés következtében, így kettős martenzites fázist ér el.
A javasolt SMA-alapú lineáris működtetőrendszer bimodális konfigurációval rendelkezik, amelyben az SMA vezetékek szögben vannak elrendezve.(a) a prototípus CAD modelljét ábrázolja, amely megemlíti a prototípus egyes komponenseit és azok jelentését, (b, d) a kifejlesztett kísérleti prototípust35.Míg a (b) a prototípus felülnézetét mutatja elektromos csatlakozásokkal, előfeszítő rugóval és nyúlásmérőkkel, a (d) a beállítás perspektivikus nézetét mutatja.(e) Egy lineáris működtetőrendszer diagramja SMA-huzalokkal bimodálisan elhelyezve, bármikor t, amely mutatja a rost és az izomerő irányát és lefutását.(c) 2-DOF forgó prizmatikus kapcsolatot javasoltak egy kétsíkú SMA-alapú aktuátor telepítéséhez.Amint az ábrán látható, a link lineáris mozgást továbbít az alsó hajtástól a felső karig, forgó kapcsolatot hozva létre.Másrészt a prizmapár mozgása megegyezik a többrétegű első fokozatú hajtás mozgásával.
Kísérleti vizsgálatot végeztek a 9b. ábrán látható prototípuson, hogy értékeljék az SMA-n alapuló bimodális meghajtó teljesítményét.A 10a. ábrán látható módon a kísérleti összeállítás egy programozható egyenáramú tápegységből állt, amely bemeneti feszültséget szolgáltat az SMA vezetékekhez.ábrán látható módon.A 10b. ábrán egy piezoelektromos nyúlásmérőt (PACEline CFT/5kN) használtunk a blokkoló erő mérésére Graphtec GL-2000 adatgyűjtővel.Az adatokat a házigazda rögzíti további tanulmányozás céljából.A nyúlásmérők és a töltéserősítők állandó tápellátást igényelnek a feszültségjel előállításához.A megfelelő jelek teljesítménykimenetekké alakulnak a piezoelektromos erőérzékelő érzékenységének és más paramétereknek megfelelően, a 2. táblázatban leírtak szerint. Feszültségimpulzus alkalmazásakor az SMA vezeték hőmérséklete megemelkedik, ami az SMA vezeték összenyomódását okozza, aminek hatására az aktuátor erőt generál.Az izomerő 7 V-os bemeneti feszültségimpulzussal történő kibocsátásának kísérleti eredményeit az 1. ábra mutatja.2a.
(a) A kísérletben egy SMA alapú lineáris aktuátorrendszert állítottunk fel az aktuátor által keltett erő mérésére.A mérőcella méri a blokkoló erőt, és 24 V DC tápegységről táplálja.A kábel teljes hosszában 7 V-os feszültségesést alkalmaztak a GW Instek programozható egyenáramú tápegység segítségével.Az SMA huzal a hő hatására összezsugorodik, és a mozgatható kar érintkezik az erőmérő cellával és blokkoló erőt fejt ki.A mérőcella a GL-2000 adatgyűjtőhöz csatlakozik, és az adatokat a gazdagépen tárolják további feldolgozás céljából.(b) Az izomerő mérésére szolgáló kísérleti összeállítás összetevőinek láncolatát bemutató diagram.
Az alakmemória-ötvözeteket hőenergia gerjeszti, így a hőmérséklet az alakmemória jelenség vizsgálatának fontos paraméterévé válik.Kísérletileg, amint az a 11a. ábrán látható, hőképalkotást és hőmérsékletméréseket végeztünk egy prototípus SMA-alapú divalerát aktuátoron.Egy programozható egyenáramú forrás bemeneti feszültséget adott az SMA vezetékekre a kísérleti elrendezésben, amint az a 11b. ábrán látható.Az SMA vezeték hőmérsékletváltozását valós időben mértük egy nagy felbontású LWIR kamera (FLIR A655sc) segítségével.A fogadó a ResearchIR szoftver segítségével rögzíti az adatokat további utófeldolgozáshoz.Feszültségimpulzus alkalmazásakor az SMA vezeték hőmérséklete megemelkedik, ami az SMA vezeték zsugorodását okozza.ábrán.A 2b. ábra az SMA vezeték hőmérsékletének kísérleti eredményeit mutatja az idő függvényében 7 V-os bemeneti feszültségimpulzus esetén.
Feladás időpontja: 2022-09-28