Շնորհակալություն Nature.com կայք այցելելու համար: Ձեր օգտագործած դիտարկիչի տարբերակն ունի սահմանափակ CSS աջակցություն: Լավագույն փորձի համար խորհուրդ ենք տալիս օգտագործել թարմացված դիտարկիչ (կամ անջատել համատեղելիության ռեժիմը Internet Explorer-ում): Մինչդեռ, շարունակական աջակցությունն ապահովելու համար, մենք կայքը կցուցադրենք առանց ոճերի և JavaScript-ի:
Ակտուատորները օգտագործվում են ամենուրեք և ստեղծում են վերահսկվող շարժում՝ կիրառելով ճիշտ գրգռման ուժ կամ պտտող մոմենտ՝ արտադրության և արդյունաբերական ավտոմատացման տարբեր գործողություններ կատարելու համար: Ավելի արագ, փոքր և ավելի արդյունավետ շարժիչների անհրաժեշտությունը խթանում է շարժիչների նախագծման նորարարությունը: Ձևի հիշողության համաձուլվածքից (SMA) շարժիչները առաջարկում են մի շարք առավելություններ ավանդական շարժիչների համեմատ, այդ թվում՝ հզորության և քաշի բարձր հարաբերակցություն: Այս դիսերտացիայում մշակվել է երկու փետուրով SMA-ի վրա հիմնված շարժիչ, որը համատեղում է կենսաբանական համակարգերի փետուրային մկանների առավելությունները և SMA-ների եզակի հատկությունները: Այս ուսումնասիրությունը ուսումնասիրում և ընդլայնում է նախորդ SMA շարժիչները՝ մշակելով նոր շարժիչի մաթեմատիկական մոդել՝ հիմնված երկմոդալ SMA մետաղալարերի դասավորության վրա և այն փորձարարականորեն փորձարկելով: SMA-ի վրա հիմնված հայտնի շարժիչների համեմատ, նոր շարժիչի շարժիչ ուժը առնվազն 5 անգամ ավելի բարձր է (մինչև 150 Ն): Համապատասխան քաշի կորուստը կազմում է մոտ 67%: Մաթեմատիկական մոդելների զգայունության վերլուծության արդյունքները օգտակար են նախագծման պարամետրերը կարգավորելու և հիմնական պարամետրերը հասկանալու համար: Այս ուսումնասիրությունը նաև ներկայացնում է բազմամակարդակ N-րդ փուլի շարժիչ, որը կարող է օգտագործվել դինամիկան հետագա բարելավելու համար: SMA-ի վրա հիմնված դիպվալերատ մկանային ակտուատորներն ունեն կիրառման լայն շրջանակ՝ շենքերի ավտոմատացումից մինչև դեղերի ճշգրիտ մատակարարման համակարգեր։
Կենսաբանական համակարգերը, ինչպիսիք են կաթնասունների մկանային կառուցվածքները, կարող են ակտիվացնել բազմաթիվ նուրբ ակտիվատորներ1: Կաթնասուններն ունեն տարբեր մկանային կառուցվածքներ, որոնցից յուրաքանչյուրը ծառայում է որոշակի նպատակի: Այնուամենայնիվ, կաթնասունների մկանային հյուսվածքի կառուցվածքի մեծ մասը կարելի է բաժանել երկու լայն կատեգորիայի՝ զուգահեռ և պեննատ: Ինչպես անունն է հուշում, ազդրի և մյուս ճկող մկանների զուգահեռ մկանները ունեն մկանային մանրաթելեր, որոնք զուգահեռ են կենտրոնական ջլին: Մկանային մանրաթելերի շղթան շարված է և ֆունկցիոնալ առումով կապված է իրենց շուրջը գտնվող շարակցական հյուսվածքով: Չնայած այս մկանները համարվում են մեծ շեղում (տոկոսային կրճատում), դրանց ընդհանուր մկանային ուժը շատ սահմանափակ է: Ի տարբերություն դրա, եռագլուխ սրունքի մկանում2 (կողային գաստրոկնեմիուս (GL)3, միջային գաստրոկնեմիուս (GM)4 և ոտնակ (SOL)) և ազդրային տարածող մկանում (քառագլուխ մկան)5,6 պեննատ մկանային հյուսվածքը հանդիպում է յուրաքանչյուր մկանում7: Պեննատ կառուցվածքում երկպենատ մկանների մկանային մանրաթելերը առկա են կենտրոնական ջիլի երկու կողմերում՝ թեք անկյուններով (պեննատ անկյուններ): Պեննատ բառը ծագում է լատիներեն «penna» բառից, որը նշանակում է «գրիչ», և, ինչպես ցույց է տրված նկար 1-ում, ունի փետուրանման տեսք։ Պեննատ մկանների մանրաթելերն ավելի կարճ են և անկյունային են մկանի երկայնական առանցքի նկատմամբ։ Պեննատ կառուցվածքի պատճառով այս մկանների ընդհանուր շարժունակությունը նվազում է, ինչը հանգեցնում է կարճացման գործընթացի լայնական և երկայնական բաղադրիչների առաջացմանը։ Մյուս կողմից, այս մկանների ակտիվացումը հանգեցնում է մկանների ընդհանուր ուժի ավելի բարձրացման՝ ֆիզիոլոգիական լայնական հատույթի մակերեսի չափման եղանակի պատճառով։ Հետևաբար, տրված լայնական հատույթի մակերեսի համար պեննատ մկաններն ավելի ուժեղ կլինեն և կստեղծեն ավելի մեծ ուժեր, քան զուգահեռ մանրաթելեր ունեցող մկանները։ Առանձին մանրաթելերի կողմից առաջացած ուժերը մկանային ուժեր են առաջացնում մակրոսկոպիկ մակարդակում այդ մկանային հյուսվածքում։ Բացի այդ, այն ունի այնպիսի եզակի հատկություններ, ինչպիսիք են արագ կծկումը, ձգման վնասից պաշտպանությունը, բարձիկավորումը։ Այն վերափոխում է մանրաթելերի մուտքի և մկանային հզորության ելքի միջև եղած կապը՝ օգտագործելով մկանային գործողության գծերի հետ կապված մանրաթելերի դասավորության եզակի առանձնահատկությունները և երկրաչափական բարդությունը։
Ներկայացված են SMA-ի վրա հիմնված գործողիչների առկա նախագծերի սխեմատիկ դիագրամները՝ երկմոդալ մկանային ճարտարապետության հետ կապված, օրինակ՝ (ա), որը ներկայացնում է շոշափելի ուժի փոխազդեցությունը, որի դեպքում SMA լարերով գործող ձեռքի ձև ունեցող սարքը տեղադրված է երկանիվ ինքնավար շարժական ռոբոտի վրա9,10: , (բ) Ռոբոտացված ուղեծրային պրոթեզ՝ հակառակորդաբար տեղադրված SMA զսպանակավոր ուղեծրային պրոթեզով: Աչքի պրոթեզային դիրքը կառավարվում է աչքի ակնային մկանից եկող ազդանշանով11, (գ) SMA գործողիչները իդեալական են ստորջրյա կիրառությունների համար՝ իրենց բարձր հաճախականության արձագանքի և ցածր թողունակության շնորհիվ: Այս կոնֆիգուրացիայում SMA գործողիչները օգտագործվում են ալիքային շարժում ստեղծելու համար՝ ձկների շարժումը մոդելավորելով, (դ) SMA գործողիչները օգտագործվում են միկրոխողովակների ստուգման ռոբոտ ստեղծելու համար, որը կարող է օգտագործել դյույմ որդ շարժման սկզբունքը, որը կառավարվում է SMA լարերի շարժմամբ 10-րդ ալիքի ներսում, (ե) ցույց է տալիս մկանային մանրաթելերի կծկման ուղղությունը և ստամոքսի կծկման ուժի առաջացումը, (զ) ցույց է տալիս SMA լարերը, որոնք դասավորված են մկանային մանրաթելերի տեսքով՝ պեննատ մկանային կառուցվածքում:
Գործարկիչները դարձել են մեխանիկական համակարգերի կարևոր մաս՝ իրենց լայն կիրառման շնորհիվ: Հետևաբար, ավելի փոքր, արագ և ավելի արդյունավետ շարժիչների անհրաժեշտությունը դառնում է կրիտիկական: Իրենց առավելություններին չնայած, ավանդական շարժիչները ապացուցել են իրենց թանկարժեքությունը և ժամանակատարությունը: Հիդրավլիկ և պնևմատիկ շարժիչները բարդ և թանկ են և ենթակա են մաշվածության, յուղման խնդիրների և բաղադրիչների խափանման: Պահանջարկին ի պատասխան՝ ուշադրությունը կենտրոնացած է խելացի նյութերի վրա հիմնված ծախսարդյունավետ, չափսերի օպտիմալացված և առաջադեմ շարժիչների մշակման վրա: Այս կարիքը բավարարելու համար շարունակական հետազոտությունները դիտարկում են ձևի հիշողության համաձուլվածքից (SMA) շերտավոր շարժիչներ: Հիերարխիկ շարժիչները եզակի են նրանով, որ դրանք համատեղում են բազմաթիվ առանձին շարժիչներ երկրաչափորեն բարդ մակրո մասշտաբի ենթահամակարգերի մեջ՝ ապահովելու համար ավելացված և ընդլայնված ֆունկցիոնալություն: Այս առումով, վերը նկարագրված մարդու մկանային հյուսվածքը տրամադրում է նման բազմաշերտ շարժիչի գերազանց բազմաշերտ օրինակ: Ներկայիս ուսումնասիրությունը նկարագրում է բազմամակարդակ SMA շարժիչ՝ մի քանի առանձին շարժիչ տարրերով (SMA լարեր), որոնք համընկնում են երկմոդալ մկանների մանրաթելային կողմնորոշումներին, ինչը բարելավում է շարժիչի ընդհանուր աշխատանքը:
Ակտուատորի հիմնական նպատակը մեխանիկական ելքային հզորություն ստեղծելն է, ինչպիսիք են ուժը և տեղաշարժը՝ էլեկտրական էներգիան փոխակերպելու միջոցով: Ձևի հիշողությամբ համաձուլվածքները «խելացի» նյութերի դաս են, որոնք կարող են վերականգնել իրենց ձևը բարձր ջերմաստիճաններում: Բարձր բեռների տակ SMA մետաղալարի ջերմաստիճանի բարձրացումը հանգեցնում է ձևի վերականգնման, ինչը հանգեցնում է ակտիվացման էներգիայի ավելի բարձր խտության՝ համեմատած տարբեր ուղղակիորեն կապված խելացի նյութերի հետ: Միևնույն ժամանակ, մեխանիկական բեռների տակ SMA-ները դառնում են փխրուն: Որոշակի պայմաններում ցիկլիկ բեռը կարող է կլանել և ազատել մեխանիկական էներգիա՝ ցուցաբերելով շրջելի հիստերետիկ ձևի փոփոխություններ: Այս եզակի հատկությունները SMA-ն դարձնում են իդեալական սենսորների, թրթռումների մարման և հատկապես ակտուատորների համար12: Հաշվի առնելով սա, SMA-ի վրա հիմնված շարժիչների վերաբերյալ բազմաթիվ հետազոտություններ են իրականացվել: Պետք է նշել, որ SMA-ի վրա հիմնված ակտուատորները նախագծված են տարբեր կիրառությունների համար տեղափոխական և պտտական ​​շարժում ապահովելու համար13,14,15: Չնայած մշակվել են որոշ պտտական ​​ակտուատորներ, հետազոտողները հատկապես հետաքրքրված են գծային ակտուատորներով: Այս գծային ակտուատորները կարելի է բաժանել ակտուատորների երեք տեսակի՝ միաչափ, տեղաշարժով և դիֆերենցիալ ակտուատորներ16: Սկզբում հիբրիդային շարժիչները ստեղծվել են SMA-ի և այլ ավանդական շարժիչների հետ համատեղ: SMA-ի վրա հիմնված հիբրիդային գծային շարժիչի նման օրինակներից մեկը SMA լարի և հաստատուն հոսանքի շարժիչի օգտագործումն է՝ մոտ 100 Ն ելքային ուժ և զգալի տեղաշարժ ապահովելու համար17:
SMA-ի վրա հիմնված շարժիչների առաջին զարգացումներից մեկը SMA զուգահեռ շարժիչն էր: Օգտագործելով բազմաթիվ SMA լարեր, SMA-ի վրա հիմնված զուգահեռ շարժիչը նախատեսված է շարժիչի հզորությունը մեծացնելու համար՝ բոլոր SMA18 լարերը զուգահեռ տեղադրելով: Ակտիվատորների զուգահեռ միացումը ոչ միայն պահանջում է ավելի շատ հզորություն, այլև սահմանափակում է մեկ լարի ելքային հզորությունը: SMA-ի վրա հիմնված շարժիչների մեկ այլ թերություն նրանց սահմանափակ շարժումն է: Այս խնդիրը լուծելու համար ստեղծվել է SMA մալուխային ճառագայթ, որը պարունակում է շեղված ճկուն ճառագայթ՝ տեղաշարժը մեծացնելու և գծային շարժում ապահովելու համար, բայց չի առաջացրել ավելի մեծ ուժեր19: Ձևի հիշողության համաձուլվածքների վրա հիմնված ռոբոտների համար նախատեսված փափուկ դեֆորմացվող կառուցվածքներ և գործվածքներ մշակվել են հիմնականում հարվածային ուժեղացման համար20,21,22: Բարձր արագություններ պահանջող կիրառությունների համար, հաղորդվել է կոմպակտ շարժիչով պոմպերի մասին՝ օգտագործելով բարակ թաղանթային SMA-ներ միկրոպոմպով շարժիչով կիրառությունների համար23: Բարակ թաղանթային SMA մեմբրանի շարժիչի հաճախականությունը շարժիչի արագությունը կառավարելու հիմնական գործոն է: Հետևաբար, SMA գծային շարժիչներն ունեն ավելի լավ դինամիկ արձագանք, քան SMA զսպանակային կամ ձողային շարժիչները: Փափուկ ռոբոտաշինությունը և բռնելու տեխնոլոգիան երկու այլ կիրառություններ են, որոնք օգտագործում են SMA-ի վրա հիմնված ակտուատորներ: Օրինակ՝ 25 Ն տարածական սեղմակում օգտագործվող ստանդարտ ակտուատորը փոխարինելու համար մշակվել է ձևի հիշողության համաձուլվածքից պատրաստված զուգահեռ ակտուատոր 24: Մեկ այլ դեպքում, SMA փափուկ ակտուատորը պատրաստվել է մետաղալարի հիման վրա, որն ունի ներդրված մատրից, որը կարող է առաջացնել առավելագույնը 30 Ն քաշող ուժ: Իրենց մեխանիկական հատկությունների շնորհիվ SMA-ները նաև օգտագործվում են կենսաբանական երևույթները ընդօրինակող ակտուատորներ արտադրելու համար: Նման մշակումներից մեկը ներառում է 12 բջիջ ունեցող ռոբոտ, որը SMA-ով որդանման օրգանիզմի բիոմիմետիկ է՝ կրակելու համար սինուսոիդալ շարժում առաջացնելու համար26,27:
Ինչպես նշվեց ավելի վաղ, գոյություն ունեցող SMA-ի վրա հիմնված ակտուատորներից ստացվող առավելագույն ուժի սահմանափակում կա: Այս խնդիրը լուծելու համար այս ուսումնասիրությունը ներկայացնում է բիոմիմետիկ երկմոդալ մկանային կառուցվածք: Շարժվում է ձևի հիշողությամբ համաձուլվածքային մետաղալարով: Այն ապահովում է դասակարգման համակարգ, որը ներառում է մի քանի ձևի հիշողությամբ համաձուլվածքային մետաղալարեր: Մինչ օրս գրականության մեջ նմանատիպ ճարտարապետությամբ SMA-ի վրա հիմնված ակտուատորներ չեն հայտնաբերվել: SMA-ի վրա հիմնված այս եզակի և նորարարական համակարգը մշակվել է երկմոդալ մկանների դասավորության ընթացքում SMA-ի վարքագիծն ուսումնասիրելու համար: Համեմատած գոյություն ունեցող SMA-ի վրա հիմնված ակտուատորների հետ, այս ուսումնասիրության նպատակն էր ստեղծել բիոմիմետիկ դիպվալերատային ակտուատոր, որը փոքր ծավալի դեպքում զգալիորեն ավելի մեծ ուժեր կստեղծի: Համեմատած HVAC շենքերի ավտոմատացման և կառավարման համակարգերում օգտագործվող ավանդական քայլային շարժիչով շարժիչների հետ, առաջարկվող SMA-ի վրա հիմնված երկմոդալ շարժիչի դիզայնը շարժիչի մեխանիզմի քաշը նվազեցնում է 67%-ով: Ստորև «մկան» և «շարժիչ» տերմինները օգտագործվում են փոխարինելիորեն: Այս ուսումնասիրությունը ուսումնասիրում է նման շարժիչի բազմաֆիզիկական մոդելավորումը: Նման համակարգերի մեխանիկական վարքագիծն ուսումնասիրվել է փորձարարական և վերլուծական մեթոդներով: Ուժի և ջերմաստիճանի բաշխումները հետագայում ուսումնասիրվել են 7 Վ մուտքային լարման դեպքում: Հետագայում իրականացվել է պարամետրիկ վերլուծություն՝ հիմնական պարամետրերի և ելքային ուժի միջև եղած կապը ավելի լավ հասկանալու համար: Վերջապես, նախատեսվել են հիերարխիկ ակտուատորներ և առաջարկվել են հիերարխիկ մակարդակի էֆեկտներ՝ որպես պրոթեզավորման համար ոչ մագնիսական ակտուատորների ապագա պոտենցիալ ոլորտ: Վերոնշյալ ուսումնասիրությունների արդյունքների համաձայն՝ միաստիճան ճարտարապետության օգտագործումը առաջացնում է առնվազն չորսից հինգ անգամ ավելի ուժեր, քան SMA-ի վրա հիմնված ակտուատորները: Բացի այդ, բազմաստիճան բազմաստիճան ակտուատորի կողմից ստեղծված նույն շարժիչ ուժը ցույց է տրվել ավելի քան տասը անգամ ավելի, քան ավանդական SMA-ի վրա հիմնված շարժիչներինը: Այնուհետև ուսումնասիրությունը ներկայացնում է հիմնական պարամետրերը՝ օգտագործելով զգայունության վերլուծություն տարբեր դիզայնների և մուտքային փոփոխականների միջև: SMA լարի սկզբնական երկարությունը (\(l_0\)), փետրաձև անկյունը (\(\α\)) և յուրաքանչյուր առանձին թելի մեջ միաշղթաների քանակը (n) ուժեղ բացասական ազդեցություն ունեն շարժիչ ուժի մեծության վրա: Մուտքային լարումը (էներգիան) դրականորեն կապված է եղել:
SMA մետաղալարը ցուցաբերում է ձևի հիշողության էֆեկտ (ՁՀԵ), որը նկատվում է նիկել-տիտանի (Ni-Ti) համաձուլվածքների ընտանիքում: Սովորաբար, SMA-ները ցուցաբերում են երկու ջերմաստիճանից կախված փուլ՝ ցածր ջերմաստիճանի փուլ և բարձր ջերմաստիճանի փուլ: Երկու փուլերն էլ ունեն յուրահատուկ հատկություններ՝ տարբեր բյուրեղային կառուցվածքների առկայության շնորհիվ: Փոխակերպման ջերմաստիճանից բարձր գոյություն ունեցող աուստենիտային փուլում (բարձր ջերմաստիճանի փուլ) նյութը ցուցաբերում է բարձր ամրություն և թույլ է դեֆորմացվում բեռնվածքի տակ: Համաձուլվածքը իրեն պահում է չժանգոտվող պողպատի նման, ուստի այն կարող է դիմակայել ավելի բարձր ակտիվացման ճնշումներին: Ni-Ti համաձուլվածքների այս հատկությունից օգտվելով՝ SMA մետաղալարերը թեքվում են՝ առաջացնելով ակտիվատոր: Մշակվել են համապատասխան վերլուծական մոդելներ՝ տարբեր պարամետրերի և տարբեր երկրաչափությունների ազդեցության տակ SMA-ի ջերմային վարքի հիմնարար մեխանիկան հասկանալու համար: Փորձարարական և վերլուծական արդյունքների միջև լավ համաձայնություն է ձեռք բերվել:
Նկար 9ա-ում պատկերված նախատիպի վրա իրականացվել է փորձարարական ուսումնասիրություն՝ SMA-ի վրա հիմնված երկմոդալ շարժիչի աշխատանքը գնահատելու համար: Այս հատկություններից երկուսը՝ շարժիչի կողմից առաջացող ուժը (մկանային ուժ) և SMA լարի ջերմաստիճանը (SMA ջերմաստիճան), փորձարարականորեն չափվել են: Երբ շարժիչի մեջ լարի ամբողջ երկարությամբ լարման տարբերությունը մեծանում է, լարի ջերմաստիճանը մեծանում է Ջոուլի տաքացման էֆեկտի պատճառով: Մուտքային լարումը կիրառվել է երկու 10-վրկ ցիկլերով (նկ. 2ա, բ-ում ցույց են տրված որպես կարմիր կետեր)՝ յուրաքանչյուր ցիկլի միջև 15 վայրկյան սառեցման ժամանակահատվածով: Արգելափակման ուժը չափվել է պիեզոէլեկտրական լարվածության չափիչով, և SMA լարի ջերմաստիճանի բաշխումը վերահսկվել է իրական ժամանակում՝ օգտագործելով գիտական ​​մակարդակի բարձր թույլտվությամբ LWIR տեսախցիկ (տե՛ս օգտագործված սարքավորումների բնութագրերը աղյուսակ 2-ում): Ցույց է տրվում, որ բարձր լարման փուլում լարի ջերմաստիճանը մոնոտոն բարձրանում է, բայց երբ հոսանք չի հոսում, լարի ջերմաստիճանը շարունակում է նվազել: Ընթացիկ փորձարարական կարգավորումներում SMA մետաղալարի ջերմաստիճանը նվազել է սառեցման փուլում, բայց այն դեռևս բարձր է եղել շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանից: Նկար 2e-ում ցույց է տրված LWIR տեսախցիկից SMA մետաղալարի ջերմաստիճանի լուսանկարը: Մյուս կողմից, նկար 2a-ում ցույց է տրված շարժիչ համակարգի կողմից առաջացած արգելափակող ուժը: Երբ մկանային ուժը գերազանցում է զսպանակի վերականգնողական ուժը, շարժական թևը, ինչպես ցույց է տրված նկար 9a-ում, սկսում է շարժվել: Հենց որ սկսվում է ակտիվացումը, շարժական թևը շփվում է սենսորի հետ՝ ստեղծելով մարմնի ուժ, ինչպես ցույց է տրված նկար 2c, d-ում: Երբ առավելագույն ջերմաստիճանը մոտ է \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), դիտարկվող առավելագույն ուժը 105 Ն է:
Գրաֆիկը ցույց է տալիս SMA մետաղալարի ջերմաստիճանի և SMA-ի վրա հիմնված երկմոդալ ակտուատորի կողմից առաջացած ուժի փորձարարական արդյունքները երկու ցիկլերի ընթացքում: Մուտքային լարումը կիրառվում է երկու 10 վայրկյան տևողությամբ ցիկլերով (ցույց են տրված կարմիր կետերով)՝ յուրաքանչյուր ցիկլի միջև 15 վայրկյան սառեցման ժամանակահատվածով: Փորձերի համար օգտագործված SMA մետաղալարը Dynalloy, Inc.-ի 0.51 մմ տրամագծով Flexinol մետաղալար էր: (ա) Գրաֆիկը ցույց է տալիս երկու ցիկլերի ընթացքում ստացված փորձարարական ուժը, (գ, դ) ցույց է տալիս PACEline CFT/5kN պիեզոէլեկտրական ուժի փոխարկիչի վրա շարժվող թևերի ակտուատորների գործողության երկու անկախ օրինակ, (բ) Գրաֆիկը ցույց է տալիս ամբողջ SMA մետաղալարի առավելագույն ջերմաստիճանը երկու ցիկլերի ընթացքում, (ե) ցույց է տալիս SMA մետաղալարից FLIR ResearchIR ծրագրային ապահովման LWIR տեսախցիկի միջոցով ստացված ջերմաստիճանի լուսանկարը: Փորձերում հաշվի առնված երկրաչափական պարամետրերը տրված են առաջին աղյուսակում:
Մաթեմատիկական մոդելի սիմուլյացիայի արդյունքները և փորձարարական արդյունքները համեմատվում են 7 Վ մուտքային լարման պայմաններում, ինչպես ցույց է տրված Նկար 5-ում: Պարամետրիկ վերլուծության արդյունքների համաձայն և SMA լարի գերտաքացման հնարավորությունից խուսափելու համար ակտուատորին մատակարարվել է 11.2 Վտ հզորություն: Ծրագրավորվող հաստատուն հոսանքի աղբյուր օգտագործվել է 7 Վ մուտքային լարում մատակարարելու համար, և լարի վրա չափվել է 1.6 Ա հոսանք: Հոսանքի կիրառման ժամանակ շարժիչի կողմից առաջացած ուժը և SDR-ի ջերմաստիճանը մեծանում են: 7 Վ մուտքային լարման դեպքում, առաջին ցիկլի սիմուլյացիայի արդյունքներից և փորձարարական արդյունքներից ստացված առավելագույն ելքային ուժը համապատասխանաբար 78 Ն և 96 Ն է: Երկրորդ ցիկլում սիմուլյացիայի և փորձարարական արդյունքների առավելագույն ելքային ուժը համապատասխանաբար 150 Ն և 105 Ն է: Օկլյուզիայի ուժի չափումների և փորձարարական տվյալների միջև անհամապատասխանությունը կարող է պայմանավորված լինել օկլյուզիայի ուժի չափման համար օգտագործված մեթոդով: Նկար 5-ում ներկայացված փորձարարական արդյունքները... 5ա-ն համապատասխանում է ամրացման ուժի չափմանը, որն իր հերթին չափվել է, երբ շարժիչի լիսեռը շփվում էր PACEline CFT/5kN պիեզոէլեկտրական ուժի փոխարկիչի հետ, ինչպես ցույց է տրված նկար 2s-ում: Հետևաբար, երբ շարժիչի լիսեռը սառեցման գոտու սկզբում չի շփվում ուժի սենսորի հետ, ուժը անմիջապես զրոյանում է, ինչպես ցույց է տրված նկար 2d-ում: Բացի այդ, հաջորդ ցիկլերում ուժի ձևավորման վրա ազդող այլ պարամետրեր են սառեցման ժամանակի արժեքները և նախորդ ցիկլում կոնվեկտիվ ջերմափոխանցման գործակիցը: Նկար 2բ-ից կարելի է տեսնել, որ 15 վայրկյան սառեցման ժամանակահատվածից հետո SMA մետաղալարը չի հասել սենյակային ջերմաստիճանի և, հետևաբար, երկրորդ շարժիչ ցիկլում ունեցել է ավելի բարձր սկզբնական ջերմաստիճան (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\))՝ համեմատած առաջին ցիկլի հետ (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)): Այսպիսով, առաջին ցիկլի համեմատ, երկրորդ տաքացման ցիկլի ընթացքում SMA մետաղալարի ջերմաստիճանը հասնում է սկզբնական աուստենիտի ջերմաստիճանին (\(A_s\)) ավելի վաղ և ավելի երկար է մնում անցումային շրջանում, ինչը հանգեցնում է լարվածության և ուժի առաջացմանը: Մյուս կողմից, փորձերից և մոդելավորումներից ստացված տաքացման և սառեցման ցիկլերի ընթացքում ջերմաստիճանի բաշխումները բարձր որակական նմանություն ունեն ջերմագրական վերլուծությունից ստացված օրինակների հետ: Փորձերից և մոդելավորումներից ստացված SMA մետաղալարի ջերմային տվյալների համեմատական ​​վերլուծությունը ցույց է տվել համապատասխանություն տաքացման և սառեցման ցիկլերի ընթացքում և փորձարարական տվյալների համար ընդունելի հանդուրժողականությունների սահմաններում: Առաջին ցիկլի մոդելավորման և փորձերի արդյունքներից ստացված SMA մետաղալարի առավելագույն ջերմաստիճանը համապատասխանաբար \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) և \(75\,^{\circ }\hbox {C}\) է, իսկ երկրորդ ցիկլում SMA մետաղալարի առավելագույն ջերմաստիճանը \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) և \(83\,^{\circ }\hbox {C}\) է: Հիմնարար կերպով մշակված մոդելը հաստատում է ձևի հիշողության էֆեկտի ազդեցությունը: Այս ակնարկում հոգնածության և գերտաքացման դերը չի դիտարկվել: Ապագայում մոդելը կկատարելագործվի՝ ներառելով SMA լարի լարվածության պատմությունը, ինչը այն ավելի հարմար կդարձնի ճարտարագիտական ​​կիրառությունների համար: Simulink բլոկից ստացված շարժիչի ելքային ուժի և SMA ջերմաստիճանի գրաֆիկները գտնվում են փորձարարական տվյալների թույլատրելի շեղումների սահմաններում՝ 7 Վ մուտքային լարման իմպուլսի դեպքում: Սա հաստատում է մշակված մաթեմատիկական մոդելի ճշգրտությունն ու հուսալիությունը:
Մաթեմատիկական մոդելը մշակվել է MathWorks Simulink R2020b միջավայրում՝ օգտագործելով «Մեթոդներ» բաժնում նկարագրված հիմնական հավասարումները: Նկար 3բ-ում ներկայացված է Simulink մաթեմատիկական մոդելի բլոկ-սխեման: Մոդելը մոդելավորվել է 7 Վ մուտքային լարման իմպուլսի համար, ինչպես ցույց է տրված Նկար 2ա, բ-ում: Մոդելավորման մեջ օգտագործված պարամետրերի արժեքները ներկայացված են աղյուսակ 1-ում: Անցումային պրոցեսների մոդելավորման արդյունքները ներկայացված են Նկար 1-ում և Նկար 1-ում: Նկար 3ա և 4-ում: Նկար 4ա, բ-ում ցույց է տրված SMA լարում ինդուկցված լարումը և ակտուատորի կողմից առաջացած ուժը՝ որպես ժամանակի ֆունկցիա: Հակադարձ փոխակերպման (տաքացման) ժամանակ, երբ SMA լարի ջերմաստիճանը՝ \(T < A_s^{\prime}\) (լարման փոփոխված աուստենիտային փուլի մեկնարկի ջերմաստիճան), մարտենսիտի ծավալային մասնաբաժնի փոփոխության արագությունը (\(\dot{\xi }\)) կլինի զրո։ Հակադարձ փոխակերպման (տաքացման) ժամանակ, երբ SMA լարի ջերմաստիճանը՝ \(T < A_s^{\prime}\) (լարման փոփոխված աուստենիտային փուլի մեկնարկի ջերմաստիճանը), մարտենսիտի ծավալային մասնաբաժնի փոփոխության արագությունը (\(\dot{\xi }\)) կլինի զրո։ Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura naчала аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объвной доли\мартенсим նուլյու. Հակադարձ փոխակերպման (տաքացման) ժամանակ, երբ SMA մետաղալարի ջերմաստիճանը՝ \(T < A_s^{\prime}\) (լարման փոփոխված աուստենիտի առաջացման ջերմաստիճան), մարտենսիտի ծավալային մասնաբաժնի (\(\dot{\ xi }\ )) փոփոխության արագությունը կլինի զրո։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（（\)(将为零.在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t При обратном превращении (нагреве) при температура проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura зарождения аустенитной фазы с поправкой напряжение) скорость изменения объемной доли будет}\) նուլյու. SMA մետաղալարի \(T < A_s^{\prime}\) ջերմաստիճանում (աուստենիտային փուլի միջուկագոյացման ջերմաստիճանը, լարման համար շտկված) հակադարձ փոխակերպման (տաքացման) ընթացքում մարտենսիտի ծավալային մասի փոփոխության արագությունը (\( \dot{\ xi }\)) հավասար կլինի զրոյի։Հետևաբար, լարման փոփոխության արագությունը (\(\dot{\sigma}\)) կախված կլինի դեֆորմացիայի արագությունից (\(\dot{\epsilon}\)) և ջերմաստիճանի գրադիենտից (\(\dot{T}\)) միայն (1) հավասարման կիրառմամբ։ Սակայն, երբ SMA մետաղալարի ջերմաստիճանը բարձրանում է և հատում է (\(A_s^{\prime}\)), աուստենիտային փուլը սկսում է ձևավորվել, և (\(\dot{\xi}\))-ը ընդունվում է որպես (3) հավասարման տրված արժեք։ Հետևաբար, լարման փոփոխության արագությունը (\(\dot{\sigma}\)) համատեղ կառավարվում է \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) և \(\dot{\xi}\)-ի կողմից հավասար է (1) բանաձևում տրվածին։ Սա բացատրում է տաքացման ցիկլի ընթացքում ժամանակի ընթացքում փոփոխվող լարման և ուժի քարտեզներում դիտարկվող գրադիենտի փոփոխությունները, ինչպես ցույց է տրված Նկար 4ա, բ-ում։
(ա) Սիմուլյացիայի արդյունք, որը ցույց է տալիս ջերմաստիճանի բաշխումը և լարվածությունից առաջացած միացման ջերմաստիճանը SMA-ի վրա հիմնված երկվալերատային ակտիվատորում: Երբ լարի ջերմաստիճանը հատում է աուստենիտի անցումային ջերմաստիճանը տաքացման փուլում, ձևափոխված աուստենիտի անցումային ջերմաստիճանը սկսում է բարձրանալ, և նմանապես, երբ մետաղալարի ձողի ջերմաստիճանը հատում է մարտենսիտային անցումային ջերմաստիճանը սառեցման փուլում, մարտենսիտային անցումային ջերմաստիճանը նվազում է: SMA՝ ակտիվացման գործընթացի վերլուծական մոդելավորման համար: (Simulink մոդելի յուրաքանչյուր ենթահամակարգի մանրամասն նկարագրության համար տե՛ս լրացուցիչ ֆայլի հավելվածի բաժինը):
Տարբեր պարամետրերի բաշխումների վերլուծության արդյունքները ներկայացված են 7 Վ մուտքային լարման երկու ցիկլերի համար (10 վայրկյան տաքացման ցիկլեր և 15 վայրկյան սառեցման ցիկլեր): Մինչդեռ (ac) և (e)-ն ցույց են տալիս բաշխումը ժամանակի ընթացքում, մյուս կողմից, (d) և (f)-ն ցույց են տալիս բաշխումը ջերմաստիճանով: Համապատասխան մուտքային պայմանների համար դիտարկվող առավելագույն լարումը 106 ՄՊա է (պակաս քան 345 ՄՊա, լարի հոսունության սահման), ուժը՝ 150 Ն, առավելագույն տեղաշարժը՝ 270 մկմ, իսկ նվազագույն մարտենսիտային ծավալային մասնաբաժինը 0.91 է: Մյուս կողմից, մարտենսիտի լարման և ծավալային մասնաբաժնի փոփոխությունը ջերմաստիճանով նման են հիստերեզիսի բնութագրերին:
Նույն բացատրությունը վերաբերում է նաև աուստենիտային փուլից մարտենսիտային փուլ ուղիղ փոխակերպմանը (սառեցմանը), որտեղ SMA մետաղալարի ջերմաստիճանը (T) և լարման փոփոխված մարտենսիտային փուլի վերջնական ջերմաստիճանը (\(M_f^{\prime}\ )) գերազանց են: Նկար 4d-ում f-ն ցույց է տալիս SMA մետաղալարում ինդուկցված լարման (\(\sigma\)) և մարտենսիտի ծավալային մասնաբաժնի (\(\xi\)) փոփոխությունը՝ որպես SMA մետաղալարի ջերմաստիճանի փոփոխության ֆունկցիա (T), երկու աշխատանքային ցիկլերի համար: Նկար 3a-ում ցույց է տրված SMA մետաղալարի ջերմաստիճանի փոփոխությունը ժամանակի ընթացքում՝ կախված մուտքային լարման իմպուլսից: Ինչպես երևում է նկարից, մետաղալարի ջերմաստիճանը շարունակում է աճել՝ ապահովելով ջերմության աղբյուր զրոյական լարման և հետագա կոնվեկտիվ սառեցման պայմաններում: Տաքացման ընթացքում մարտենսիտի վերա-վերափոխումը աուստենիտային փուլի սկսվում է, երբ SMA մետաղալարի ջերմաստիճանը (T) հատում է լարման շտկված աուստենիտի միջուկագոյացման ջերմաստիճանը (\(A_s^{\prime}\)): Այս փուլի ընթացքում SMA մետաղալարը սեղմվում է, և ակտիվատորը ուժ է առաջացնում: Սառեցման ընթացքում նաև, երբ SMA մետաղալարի ջերմաստիճանը (T) հատում է լարման մոդիֆիկացված մարտենսիտային փուլի միջուկագոյացման ջերմաստիճանը (\(M_s^{\prime}\)), տեղի է ունենում դրական անցում աուստենիտային փուլից մարտենսիտային փուլ: Շարժիչ ուժը նվազում է:
SMA-ի վրա հիմնված երկմոդալ շարժիչի հիմնական որակական ասպեկտները կարելի է ստանալ մոդելավորման արդյունքներից: Լարման իմպուլսային մուտքի դեպքում SMA լարի ջերմաստիճանը մեծանում է Ջոուլի տաքացման էֆեկտի պատճառով: Մարտենսիտի ծավալային մասնաբաժնի (\(\xi\)) սկզբնական արժեքը սահմանվում է 1, քանի որ նյութը սկզբում գտնվում է լիովին մարտենսիտային փուլում: Քանի որ լարը շարունակում է տաքանալ, SMA լարի ջերմաստիճանը գերազանցում է լարվածության շտկմամբ աուստենիտի միջուկագոյացման ջերմաստիճանը \(A_s^{\prime}\), ինչը հանգեցնում է մարտենսիտի ծավալային մասնաբաժնի նվազմանը, ինչպես ցույց է տրված նկար 4c-ում: Բացի այդ, նկար 4e-ում ցույց է տրված ակտուատորի հարվածների բաշխումը ժամանակի ընթացքում, իսկ նկար 5-ում՝ շարժիչ ուժը՝ որպես ժամանակի ֆունկցիա: Հավասարումների հարակից համակարգը ներառում է ջերմաստիճանը, մարտենսիտի ծավալային մասնաբաժինը և լարում առաջացող լարվածությունը, որը հանգեցնում է SMA լարի կծկմանը և ակտուատորի կողմից առաջացած ուժին: Ինչպես ցույց է տրված նկար 4c-ում: 4d, f, լարման տատանումը ջերմաստիճանի հետ և մարտենսիտի ծավալային մասնաբաժնի տատանումը ջերմաստիճանի հետ համապատասխանում են SMA-ի հիստերեզիսի բնութագրերին 7 Վ լարման դեպքում մոդելավորված դեպքում։
Կառավարման պարամետրերի համեմատությունը ստացվել է փորձերի և վերլուծական հաշվարկների միջոցով: Հաղորդալարերը ենթարկվել են 7 Վ իմպուլսային մուտքային լարման 10 վայրկյանի ընթացքում, այնուհետև սառեցվել են 15 վայրկյան (սառեցման փուլ) երկու ցիկլի ընթացքում: Փետրաձև անկյունը սահմանվել է \(40^{\circ}\)-ի, իսկ SMA հաղորդալի սկզբնական երկարությունը յուրաքանչյուր մեկ ոտքի մեջ սահմանվել է 83 մմ: (ա) Կառավարման ուժի չափում բեռնախցիկով (բ) Հաղորդալի ջերմաստիճանի մոնիթորինգ ջերմային ինֆրակարմիր տեսախցիկով:
Ֆիզիկական պարամետրերի ազդեցությունը շարժիչի կողմից առաջացող ուժի վրա հասկանալու համար իրականացվել է մաթեմատիկական մոդելի զգայունության վերլուծություն ընտրված ֆիզիկական պարամետրերի նկատմամբ, և պարամետրերը դասակարգվել են ըստ իրենց ազդեցության: Նախ, մոդելի պարամետրերի նմուշառումը կատարվել է փորձարարական նախագծման սկզբունքների միջոցով, որոնք հետևել են միատարր բաշխմանը (տե՛ս զգայունության վերլուծության լրացուցիչ բաժինը): Այս դեպքում մոդելի պարամետրերը ներառում են մուտքային լարումը (\(V_{in}\)), SMA լարի սկզբնական երկարությունը (\(l_0\)), եռանկյան անկյունը (\(\α\)), զսպանակի թեքման հաստատունը (\(K_x\)), կոնվեկտիվ ջերմափոխանցման գործակիցը (\(h_T\)) և միամոդալ ճյուղերի քանակը (n): Հաջորդ քայլում, որպես ուսումնասիրության նախագծման պահանջ ընտրվել է մկանների գագաթնակետային ուժը, և ստացվել են փոփոխականների յուրաքանչյուր խմբի պարամետրիկ ազդեցությունները ուժի վրա: Զգայունության վերլուծության համար տորնադոյի գրաֆիկները ստացվել են յուրաքանչյուր պարամետրի համար կոռելյացիայի գործակիցներից, ինչպես ցույց է տրված նկար 6ա-ում:
(ա) Մոդելի պարամետրերի կոռելյացիայի գործակիցների արժեքները և դրանց ազդեցությունը վերը նշված մոդելի պարամետրերի 2500 եզակի խմբերի առավելագույն ելքային ուժի վրա ներկայացված են տորնադոյի գրաֆիկում: Գրաֆիկը ցույց է տալիս մի քանի ցուցանիշների կարգային կոռելյացիան: Ակնհայտ է, որ \(V_{in}\)-ը միակ պարամետրն է, որն ունի դրական կոռելյացիա, իսկ \(l_0\)-ը՝ ամենաբարձր բացասական կոռելյացիա ունեցող պարամետրը: Տարբեր համակցություններում տարբեր պարամետրերի ազդեցությունը մկանային ուժի գագաթնակետի վրա ներկայացված է (բ, գ)-ում: \(K_x\)-ը տատանվում է 400-ից մինչև 800 Ն/մ, իսկ n-ը՝ 4-ից մինչև 24: Լարումը (\(V_{in}\)) փոխվել է 4 Վ-ից մինչև 10 Վ, լարի երկարությունը (\(l_{0} \)) փոխվել է 40-ից մինչև 100 մմ, իսկ պոչի անկյունը (\(\α \)) տատանվել է \(20 – 60 \, ^ {\circ }\)-ից:
Նկար 6ա-ում ցույց է տրված յուրաքանչյուր պարամետրի համար տարբեր կորելյացիայի գործակիցների տորնադոյի գրաֆիկը՝ գագաթնակետային շարժիչ ուժի նախագծման պահանջների հետ միասին: Նկար 6ա-ից կարելի է տեսնել, որ լարման պարամետրը (\(V_{in}\)) ուղղակիորեն կապված է առավելագույն ելքային ուժի հետ, իսկ կոնվեկտիվ ջերմափոխանցման գործակիցը (\(h_T\)), բոցի անկյունը (\(α\)), տեղահանման զսպանակի հաստատունը (\(K_x\)) բացասաբար է կապված ելքային ուժի և SMA լարի սկզբնական երկարության (\(l_0\)) հետ, իսկ միամոդալ ճյուղերի քանակը (n) ցույց է տալիս ուժեղ հակադարձ կապ: Ուղղակի կապի դեպքում լարման կորելյացիայի գործակցի ավելի բարձր արժեքի դեպքում (\(V_{in}\)) ցույց է տալիս, որ այս պարամետրն ամենամեծ ազդեցությունն ունի ելքային հզորության վրա: Մեկ այլ նմանատիպ վերլուծություն չափում է գագաթնակետային ուժը՝ գնահատելով տարբեր պարամետրերի ազդեցությունը երկու հաշվողական տարածքների տարբեր համակցություններում, ինչպես ցույց է տրված Նկար 6բ-ում, գ-ում: \(V_{in}\) և \(l_0\), \(alpha\) և \(l_0\) ունեն նմանատիպ օրինաչափություններ, և գրաֆիկը ցույց է տալիս, որ \(V_{in}\) և \(alpha\) և \(alpha\) ունեն նմանատիպ օրինաչափություններ: \(l_0\)-ի ավելի փոքր արժեքները հանգեցնում են ավելի բարձր գագաթնակետային ուժերի: Մյուս երկու գրաֆիկները համապատասխանում են Նկար 6ա-ին, որտեղ n-ը և \(K_x\)-ը բացասականորեն կապված են, իսկ \(V_{in}\)-ը՝ դրականորեն կապված: Այս վերլուծությունը օգնում է սահմանել և կարգավորել ազդող պարամետրերը, որոնց միջոցով շարժիչ համակարգի ելքային ուժը, շարժման հարվածը և արդյունավետությունը կարող են հարմարեցվել պահանջներին և կիրառմանը:
Ընթացիկ հետազոտական ​​աշխատանքները ներկայացնում և ուսումնասիրում են հիերարխիկ շարժիչներ N մակարդակներով: Երկմակարդակ հիերարխիայում, ինչպես ցույց է տրված նկար 7ա-ում, որտեղ առաջին մակարդակի ակտուատորի յուրաքանչյուր SMA լարի փոխարեն ստացվում է երկմոդալ դասավորություն, ինչպես ցույց է տրված նկար 9ե-ում: Նկար 7գ-ում ցույց է տրված, թե ինչպես է SMA լարը փաթաթվում շարժական թևի (օժանդակ թևի) շուրջ, որը շարժվում է միայն երկայնական ուղղությամբ: Այնուամենայնիվ, հիմնական շարժական թևը շարունակում է շարժվել նույն կերպ, ինչպես առաջին փուլի բազմաստիճան ակտուատորի շարժական թևը: Սովորաբար, N-փուլային շարժիչը ստեղծվում է՝ \(N-1\) փուլի SMA լարը փոխարինելով առաջին փուլի շարժիչով: Արդյունքում, յուրաքանչյուր ճյուղ ընդօրինակում է առաջին փուլի շարժիչը, բացառությամբ այն ճյուղի, որը պահում է լարը: Այս կերպ կարող են ձևավորվել ներդրված կառուցվածքներ, որոնք ստեղծում են ուժեր, որոնք մի քանի անգամ մեծ են հիմնական շարժիչների ուժերից: Այս ուսումնասիրության մեջ, յուրաքանչյուր մակարդակի համար հաշվի է առնվել SMA լարի 1 մ ընդհանուր արդյունավետ երկարությունը, ինչպես ցույց է տրված աղյուսակային ձևաչափով նկար 7դ-ում: Յուրաքանչյուր միամոդալ դիզայնի յուրաքանչյուր լարով անցնող հոսանքը և յուրաքանչյուր SMA լարի հատվածում առաջացող նախնական լարվածությունն ու լարումը նույնն են յուրաքանչյուր մակարդակում: Մեր վերլուծական մոդելի համաձայն, ելքային ուժը դրականորեն կապված է մակարդակի հետ, մինչդեռ տեղաշարժը՝ բացասական: Միևնույն ժամանակ, տեղաշարժի և մկանային ուժի միջև փոխզիջում է եղել: Ինչպես երևում է նկար 7բ-ում, մինչդեռ առավելագույն ուժը հասնում է ամենամեծ թվով շերտերում, ամենամեծ տեղաշարժը դիտվում է ամենացածր շերտում: Երբ հիերարխիայի մակարդակը սահմանվել է \(N=5\), 2 դիտարկված \(\upmu\)m հարվածներով հայտնաբերվել է 2.58 կՆ գագաթնակետային մկանային ուժ: Մյուս կողմից, առաջին փուլի շարժիչը 277 \(\upmu\)m հարվածով առաջացնում է 150 Ն ուժ: Բազմամակարդակ ակտուատորները կարող են ընդօրինակել իրական կենսաբանական մկանները, մինչդեռ ձևի հիշողության համաձուլվածքների վրա հիմնված արհեստական ​​մկանները կարող են առաջացնել զգալիորեն ավելի բարձր ուժեր՝ ճշգրիտ և ավելի նուրբ շարժումներով: Այս մանրանկարչական դիզայնի սահմանափակումներն այն են, որ հիերարխիայի աճին զուգընթաց շարժումը զգալիորեն նվազում է, և շարժիչի արտադրության գործընթացի բարդությունը մեծանում է։
(ա) Երկաստիճան (\(N=2\)) շերտավոր ձևի հիշողությամբ համաձուլվածքից գծային ակտուատորային համակարգ է ներկայացված երկմոդալ կոնֆիգուրացիայով: Առաջարկվող մոդելը ստացվում է առաջին փուլի շերտավոր ակտուատորում SMA լարը մեկ այլ միաստիճան շերտավոր ակտուատորով փոխարինելով: (գ) Երկրորդ փուլի բազմաշերտ ակտուատորի դեֆորմացված կոնֆիգուրացիա: (բ) Նկարագրվում է ուժերի և տեղաշարժերի բաշխումը՝ կախված մակարդակների քանակից: Պարզվել է, որ ակտուատորի գագաթնակետային ուժը դրականորեն կապված է գրաֆիկի վրա մասշտաբի մակարդակի հետ, մինչդեռ հարվածը բացասականորեն կապված է մասշտաբի մակարդակի հետ: Յուրաքանչյուր լարի հոսանքը և նախնական լարումը մնում են հաստատուն բոլոր մակարդակներում: (դ) Աղյուսակը ցույց է տալիս յուրաքանչյուր մակարդակում SMA լարի (մանրաթելի) միացումների քանակը և երկարությունը: Լարերի բնութագրերը նշված են 1 ինդեքսով, իսկ երկրորդային ճյուղերի քանակը (մեկը, որը միացված է առաջնային ոտքին) նշված է ստորակետում ամենամեծ թվով: Օրինակ, 5-րդ մակարդակում \(n_1\)-ը վերաբերում է յուրաքանչյուր երկմոդալ կառուցվածքում առկա SMA լարերի քանակին, իսկ \(n_5\)-ը՝ օժանդակ ոտքերի քանակին (մեկը միացված է գլխավոր ոտքերին):
Շատ հետազոտողների կողմից առաջարկվել են տարբեր մեթոդներ՝ SMA-ների վարքագիծը ձևի հիշողությամբ մոդելավորելու համար, որոնք կախված են փուլային անցման հետ կապված բյուրեղային կառուցվածքի մակրոսկոպիկ փոփոխություններին ուղեկցող ջերմամեխանիկական հատկություններից: Կառուցողական մեթոդների ձևակերպումը բնույթով բարդ է: Ամենատարածված ֆենոմենոլոգիական մոդելը առաջարկվել է Տանակայի կողմից28 և լայնորեն կիրառվում է ճարտարագիտական ​​կիրառություններում: Տանակայի կողմից առաջարկված ֆենոմենոլոգիական մոդելը [28] ենթադրում է, որ մարտենսիտի ծավալային մասը ջերմաստիճանի և լարման էքսպոնենցիալ ֆունկցիա է: Ավելի ուշ, Լիանգը և Ռոջերսը29 և Բրինսոնը30 առաջարկել են մոդել, որում փուլային անցման դինամիկան ենթադրվում էր, որ լարման և ջերմաստիճանի կոսինուսային ֆունկցիա է՝ մոդելի աննշան փոփոխություններով: Բեքերը և Բրինսոնը առաջարկել են փուլային դիագրամի վրա հիմնված կինետիկ մոդել՝ SMA նյութերի վարքագիծը կամայական բեռնման պայմաններում, ինչպես նաև մասնակի անցումներում մոդելավորելու համար: Բաներջին32 օգտագործում է Բեկերի և Բրինսոնի31 փուլային դիագրամի դինամիկայի մեթոդը՝ Էլահինիայի և Ահմադիանի33 կողմից մշակված միաստիճան ազատության մանիպուլյատորը մոդելավորելու համար: Ֆազային դիագրամների վրա հիմնված կինետիկ մեթոդները, որոնք հաշվի են առնում լարման ոչ մոնոտոն փոփոխությունը ջերմաստիճանի հետ, դժվար է ներդնել ճարտարագիտական ​​կիրառություններում: Էլախինիան և Ահմադիանը ուշադրություն են հրավիրում գոյություն ունեցող ֆենոմենոլոգիական մոդելների այս թերությունների վրա և առաջարկում են ընդլայնված ֆենոմենոլոգիական մոդել՝ ցանկացած բարդ բեռնման պայմաններում ձևի հիշողության վարքագիծը վերլուծելու և սահմանելու համար:
SMA մետաղալարի կառուցվածքային մոդելը տալիս է SMA մետաղալարի լարվածությունը (\(\sigma\)), լարվածությունը (\(\epsilon\)), ջերմաստիճանը (T) և մարտենսիտի ծավալային մասնաբաժինը (\(\xi\)): Ֆենոմենոլոգիական կազմավորող մոդելն առաջին անգամ առաջարկվել է Տանակայի28 կողմից, իսկ ավելի ուշ ընդունվել է Լիանգի29 և Բրինսոնի30 կողմից: Հավասարման ածանցյալն ունի հետևյալ տեսքը՝
որտեղ E-ն փուլից կախված SMA Յունգի մոդուլն է, որը ստացվում է \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) և \(E_A\) և \(E_M\) ֆազերը համապատասխանաբար ներկայացնող Յունգի մոդուլները, իսկ ջերմային ընդարձակման գործակիցը ներկայացված է \(\theta _T\)-ով։ Ֆազային անցման նպաստի գործակիցը \(\Omega = -E \epsilon _L\) է, իսկ \(\epsilon _L\)-ն SMA մետաղալարի առավելագույն վերականգնվող լարվածությունն է։
Փուլային դինամիկայի հավասարումը համընկնում է Լիանգի29 կողմից մշակված և ավելի ուշ Բրինսոնի30 կողմից ընդունված կոսինուսային ֆունկցիայի հետ՝ Թանակայի28 կողմից առաջարկված էքսպոնենցիալ ֆունկցիայի փոխարեն: Փուլային անցման մոդելը Էլախինիայի և Ահմադիանի34 կողմից առաջարկված մոդելի ընդլայնումն է և փոփոխվել է Լիանգի29 և Բրինսոնի30 կողմից տրված փուլային անցման պայմանների հիման վրա: Այս փուլային անցման մոդելի համար օգտագործվող պայմանները վավեր են բարդ ջերմամեխանիկական բեռների դեպքում: Ժամանակի յուրաքանչյուր պահի կազմավոր հավասարումը մոդելավորելիս հաշվարկվում է մարտենսիտի ծավալային մասի արժեքը:
Տաքացման պայմաններում մարտենսիտի աուստենիտի փոխակերպմամբ արտահայտված վերափոխման հավասարումը հետևյալն է.
որտեղ՝ xi)-ն մարտենսիտի ծավալային մասն է, xi M)-ն՝ տաքացումից առաջ ստացված մարտենսիտի ծավալային մասն է, (aA = pi /(Af – As)), (bA = -aA/CA) և (CA) – կորի մոտարկման պարամետրեր, T – SMA լարի ջերմաստիճանը, (As) և (Af) – աուստենիտային փուլի սկիզբը և ավարտը, համապատասխանաբար, ջերմաստիճանը։
Սառեցման պայմաններում աուստենիտի մարտենսիտի փուլային փոխակերպմամբ ներկայացված ուղղակի փոխակերպման կառավարման հավասարումը հետևյալն է.
որտեղ՝ xi_A)-ն սառեցումից առաջ ստացված մարտենսիտի ծավալային մասն է, a(a_M = pi /(Ms – Mf)), b(a_M = -a_M/C_M) և (C_M) – կորի համապատասխանեցման պարամետրերը, T – SMA լարի ջերմաստիճանը, Ms և Mf – համապատասխանաբար մարտենսիտի սկզբնական և վերջնական ջերմաստիճանները։
(3) և (4) հավասարումները դիֆերենցիացնելուց հետո, հակադարձ և ուղիղ փոխակերպման հավասարումները պարզեցվում են հետևյալ տեսքով՝
Առաջ և հետընթաց փոխակերպման ընթացքում \(\eta _{\sigma}\)-ը և \(\eta _{T}\)-ը ստանում են տարբեր արժեքներ: \(\eta _{\sigma}\)-ի և \(\eta _{T}\)-ի հետ կապված հիմնական հավասարումները ստացվել և մանրամասն քննարկվել են լրացուցիչ բաժնում:
SMA մետաղալարի ջերմաստիճանը բարձրացնելու համար անհրաժեշտ ջերմային էներգիան ստացվում է Ջոուլի տաքացման էֆեկտից: SMA մետաղալարի կողմից կլանված կամ անջատված ջերմային էներգիան ներկայացված է փոխակերպման թաքնված ջերմությամբ: SMA մետաղալարում ջերմության կորուստը պայմանավորված է հարկադիր կոնվեկցիայով, և ճառագայթման աննշան ազդեցությունը հաշվի առնելով՝ ջերմային էներգիայի հաշվեկշռի հավասարումը հետևյալն է.
Որտեղ՝ m_{wire}\)-ն SMA մետաղալարի ընդհանուր զանգվածն է, c_{p}\)-ն SMA-ի տեսակարար ջերմունակությունն է, V_{in}\)-ն մետաղալարին կիրառվող լարումն է, R_{ohm}\)՝ SMA փուլային դիմադրությունը, որը սահմանվում է հետևյալ կերպ՝ R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\), որտեղ r_M\-ն և r_A-ն համապատասխանաբար մարտենսիտում և աուստենիտում SMA փուլային դիմադրությունն են, A_{c}\)-ն SMA մետաղալարի մակերեսն է, Delta H-ն՝ ձևի հիշողությամբ համաձուլվածք։ Մետաղալարի անցման թաքնված ջերմությունը՝ T-ն, իսկ T_{infty}\)-ն համապատասխանաբար SMA մետաղալարի և միջավայրի ջերմաստիճաններն են։
Երբ ձևի հիշողությամբ համաձուլվածքային մետաղալարը գործարկվում է, այն սեղմվում է՝ երկմոդալ կառուցվածքի յուրաքանչյուր ճյուղում ստեղծելով ուժ, որը կոչվում է մանրաթելային ուժ: SMA մետաղալարի յուրաքանչյուր թելի մանրաթելերի ուժերը միասին ստեղծում են ակտիվացման համար անհրաժեշտ մկանային ուժը, ինչպես ցույց է տրված նկար 9ե-ում: Լարող զսպանակի առկայության պատճառով, N-րդ բազմաշերտ ակտիվատորի ընդհանուր մկանային ուժը կազմում է.
(7) հավասարման մեջ \(N = 1\)-ը փոխարինելով՝ առաջին փուլի երկմոդալ շարժիչի նախատիպի մկանային ուժը կարելի է ստանալ հետևյալ կերպ.
որտեղ n-ը միամոդալ ոտքերի քանակն է, \(F_m\)-ն շարժիչի կողմից առաջացած մկանային ուժն է, \(F_f\)-ն SMA մետաղալարի մանրաթելի ամրությունն է, \(K_x\)-ն զսպանակի թեքության կոշտությունն է, \(α)-ն եռանկյան անկյունն է, \(x_0\)-ն թեքված զսպանակի սկզբնական շեղումն է՝ SMA մալուխը նախնական լարվածության դիրքում պահելու համար, իսկ \(Delta x\)-ն ակտուատորի շարժումն է։
N-րդ փուլի SMA լարի վրա լարման (\(\sigma\)) և լարվածության (\(\epsilon\)) կախված փոխանցման ընդհանուր տեղաշարժը կամ շարժումը (\(\Delta x\)), փոխանցման սարքը կարգավորված է (տե՛ս նկ. ելքի լրացուցիչ մասը).
Կինեմատիկական հավասարումները տալիս են շարժիչ դեֆորմացիայի (\(\epsilon\)) և տեղաշարժի կամ տեղաշարժի (\(\Delta x\)) միջև կապը։ Arb մետաղալարի դեֆորմացիան որպես Arb մետաղալարի սկզբնական երկարության (\(l_0\)) և մետաղալարի երկարության (l) ֆունկցիա ցանկացած պահի t-ում՝ մեկ միամոդալ ճյուղում, հետևյալն է.
որտեղ \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\)-ը ստացվում է՝ կիրառելով \(\Delta\)ABB '-ի կոսինուսային բանաձևը, ինչպես ցույց է տրված նկար 8-ում: Առաջին փուլի փոխանցման համար (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\)-ը \(\Delta x\) է, իսկ \(\alpha _1\)-ը՝ \(\alpha \), ինչպես ցույց է տրված նկար 8-ում: Ինչպես ցույց է տրված նկար 8-ում, ժամանակը (11) հավասարումից տարբերակելով և l-ի արժեքը փոխարինելով, դեֆորմացիայի արագությունը կարելի է գրել հետևյալ կերպ՝
որտեղ \(l_0\)-ը SMA մետաղալարի սկզբնական երկարությունն է, l-ը մետաղալարի երկարությունն է ցանկացած պահի t-ում՝ մեկ միամոդալ ճյուղում, \(\epsilon\)-ը SMA մետաղալարում առաջացած դեֆորմացիան է, իսկ \(\alpha\)-ն եռանկյան անկյունն է, \(\Delta x\)-ն շարժիչի շեղումն է (ինչպես ցույց է տրված նկար 8-ում):
Բոլոր n միագագաթ կառուցվածքները (այս նկարում \(n=6\)) միացված են հաջորդաբար \(V_{in}\) մուտքային լարման միջոցով։ Փուլ I. SMA լարի սխեմատիկ դիագրամ երկմոդալ կոնֆիգուրացիայում զրոյական լարման պայմաններում։ Փուլ II. Ցուցադրվում է կառավարվող կառուցվածք, որտեղ SMA լարը սեղմվում է հակադարձ փոխակերպման պատճառով, ինչպես ցույց է տրված կարմիր գծով։
Որպես գաղափարի ապացույց, մշակվել է SMA-ի վրա հիմնված երկմոդալ շարժիչ՝ հիմքում ընկած հավասարումների սիմուլյացված ստացումը փորձարարական արդյունքներով ստուգելու համար: Երկմոդալ գծային ակտուատորի CAD մոդելը ներկայացված է նկար 9ա-ում: Մյուս կողմից, նկար 9գ-ում ներկայացված է պտտվող պրիզմայով միացման համար առաջարկվող նոր դիզայն՝ օգտագործելով երկհարթ SMA-ի վրա հիմնված երկմոդալ կառուցվածքով շարժիչ: Շարժիչի բաղադրիչները պատրաստվել են Ultimaker 3 Extended 3D տպիչի վրա հավելումային արտադրության միջոցով: Բաղադրիչների 3D տպագրության համար օգտագործվող նյութը պոլիկարբոնատն է, որը հարմար է ջերմակայուն նյութերի համար, քանի որ այն ամուր է, դիմացկուն և ունի բարձր ապակե անցման ջերմաստիճան (110-113 °C): Բացի այդ, փորձերում օգտագործվել է Dynalloy, Inc. Flexinol ձևի հիշողությամբ համաձուլվածքային մետաղալար, և մոդելավորումներում օգտագործվել են Flexinol մետաղալարին համապատասխանող նյութական հատկությունները: Բազմաթիվ SMA լարերը դասավորված են որպես մանրաթելեր՝ մկանների երկմոդալ դասավորությամբ՝ բազմաշերտ ակտուատորների կողմից առաջացող բարձր ուժերը ստանալու համար, ինչպես ցույց է տրված նկար 9բ, դ-ում:
Ինչպես ցույց է տրված նկար 9ա-ում, շարժական թևի SMA մետաղալարի կողմից ձևավորված սուր անկյունը կոչվում է անկյուն (\(\α\)): Ձախ և աջ սեղմակներին ամրացված տերմինալային սեղմակներով SMA մետաղալարը պահվում է ցանկալի երկմոդալ անկյան տակ: Զսպանակային միակցիչի վրա ամրացված թեքված զսպանակային սարքը նախատեսված է տարբեր թեքված զսպանակների երկարացման խմբերը կարգավորելու համար՝ ըստ SMA մանրաթելերի քանակի (n): Բացի այդ, շարժական մասերի դիրքը նախագծված է այնպես, որ SMA մետաղալարը ենթարկվի արտաքին միջավայրին հարկադիր կոնվեկցիոն սառեցման համար: Առանձնացվող հավաքույթի վերին և ստորին թիթեղները օգնում են SMA մետաղալարը զով պահել քաշը նվազեցնելու համար նախատեսված արտամղված կտրվածքների միջոցով: Բացի այդ, CMA մետաղալարի երկու ծայրերն էլ ամրացված են համապատասխանաբար ձախ և աջ սեղմակներին՝ սեղմակի միջոցով: Շարժական հավաքույթի մեկ ծայրին ամրացված է մխոց՝ վերին և ստորին թիթեղների միջև բացը պահպանելու համար: Մխոցը նաև օգտագործվում է սենսորին արգելափակող ուժ կիրառելու համար՝ շփման միջոցով SMA մետաղալարը գործարկելիս արգելափակող ուժը չափելու համար:
Երկմոդալ մկանային կառուցվածքը՝ SMA-ն, էլեկտրականորեն միացված է հաջորդաբար և սնուցվում է մուտքային իմպուլսային լարմամբ։ Լարման իմպուլսային ցիկլի ընթացքում, երբ լարումը կիրառվում է, և SMA մետաղալարը տաքացվում է աուստենիտի սկզբնական ջերմաստիճանից բարձր, յուրաքանչյուր թելի մետաղալարի երկարությունը կրճատվում է։ Այս քաշումը ակտիվացնում է շարժական թևի ենթահավաքը։ Երբ լարումը զրոյացվում է նույն ցիկլում, տաքացված SMA մետաղալարը սառեցվում է մարտենսիտի մակերեսի ջերմաստիճանից ցածր, այդպիսով վերադառնալով իր սկզբնական դիրքին։ Զրոյական լարման պայմաններում SMA մետաղալարը նախ պասիվորեն ձգվում է թեքված զսպանակով՝ երկվորյակ մարտենսիտային վիճակին հասնելու համար։ Պտուտակը, որի միջով անցնում է SMA մետաղալարը, շարժվում է SMA մետաղալարին լարման իմպուլս կիրառելիս ստեղծված սեղմման պատճառով (SPA-ն հասնում է աուստենիտի փուլին), ինչը հանգեցնում է շարժական լծակի ակտիվացմանը։ Երբ SMA մետաղալարը քաշվում է, թեքված զսպանակը ստեղծում է հակադիր ուժ՝ զսպանակը հետագա ձգելով։ Երբ իմպուլսային լարման լարումը զրոյանում է, SMA մետաղալարը երկարում է և փոխում իր ձևը՝ հարկադիր կոնվեկցիոն սառեցման պատճառով, հասնելով կրկնակի մարտենսիտային փուլի։
Առաջարկվող SMA-ի վրա հիմնված գծային ակտուատորային համակարգը ունի երկմոդալ կոնֆիգուրացիա, որտեղ SMA լարերը անկյունային են։ (ա)-ն պատկերում է նախատիպի CAD մոդելը, որը նշում է որոշ բաղադրիչներ և դրանց նշանակությունը նախատիպի համար, (բ, դ)-ն ներկայացնում են մշակված փորձարարական նախատիպը35: Մինչ (բ)-ն ցույց է տալիս նախատիպի վերևից տեսքը՝ էլեկտրական միացումներով, լարման զսպանակներով և օգտագործված լարվածության չափիչներով, (դ)-ն ցույց է տալիս կարգավորման հեռանկարային տեսքը։ (ե) Գծային ակտուատորային համակարգի դիագրամ՝ երկմոդալ տեղադրված SMA լարերով ցանկացած պահի t-ում, որը ցույց է տալիս մանրաթելի ուղղությունը և ընթացքը, ինչպես նաև մկանային ուժը։ (գ) Երկհարթ SMA-ի վրա հիմնված ակտուատորի տեղակայման համար առաջարկվել է 2-DOF պտտական ​​պրիզմայական միացում։ Ինչպես ցույց է տրված, կապը գծային շարժումը փոխանցում է ներքևի շարժիչից վերին թևին՝ ստեղծելով պտտական ​​միացում։ Մյուս կողմից, պրիզմաների զույգի շարժումը նույնն է, ինչ բազմաշերտ առաջին փուլի շարժիչի շարժումը։
Նկար 9բ-ում ներկայացված նախատիպի վրա իրականացվել է փորձարարական ուսումնասիրություն՝ SMA-ի վրա հիմնված երկմոդալ շարժիչի աշխատանքը գնահատելու համար: Ինչպես ցույց է տրված նկար 10ա-ում, փորձարարական կառուցվածքը բաղկացած էր ծրագրավորվող հաստատուն հոսանքի աղբյուրից՝ SMA լարերին մուտքային լարում մատակարարելու համար: Ինչպես ցույց է տրված նկար 10բ-ում, պիեզոէլեկտրական լարվածության չափիչ (PACEline CFT/5kN) օգտագործվել է արգելակող ուժը չափելու համար՝ օգտագործելով Graphtec GL-2000 տվյալների գրանցիչ: Տվյալները գրանցվում են հոսանքի կառավարիչի կողմից հետագա ուսումնասիրության համար: Լարման չափիչները և լիցքի ուժեղացուցիչները պահանջում են հաստատուն հոսանքի աղբյուր՝ լարման ազդանշան ստեղծելու համար: Համապատասխան ազդանշանները վերածվում են հզորության ելքերի՝ համաձայն պիեզոէլեկտրական ուժի սենսորի զգայունության և այլ պարամետրերի, ինչպես նկարագրված է աղյուսակ 2-ում: Երբ կիրառվում է լարման իմպուլս, SMA լարի ջերմաստիճանը բարձրանում է, ինչը հանգեցնում է SMA լարի սեղմմանը, ինչը ստիպում է ակտուատորին ուժ առաջացնել: 7 Վ մուտքային լարման իմպուլսով մկանային ուժի ելքի փորձարարական արդյունքները ներկայացված են նկար 2ա-ում:
(ա) Փորձի ընթացքում ստեղծվել է SMA-ի վրա հիմնված գծային ակտուատորային համակարգ՝ ակտուատորի կողմից առաջացած ուժը չափելու համար: Բեռնախցիկը չափում է արգելափակող ուժը և սնուցվում է 24 Վ հաստատուն հոսանքի աղբյուրից: GW Instek ծրագրավորվող հաստատուն հոսանքի աղբյուրի միջոցով մալուխի ամբողջ երկարությամբ կիրառվել է 7 Վ լարման անկում: SMA լարը կծկվում է ջերմության պատճառով, և շարժական թևը շփվում է բեռնախցիկի հետ և ստեղծում արգելափակող ուժ: Բեռնախցիկը միացված է GL-2000 տվյալների գրանցողին, և տվյալները պահվում են հոսթի վրա՝ հետագա մշակման համար: (բ) Դիագրամ, որը ցույց է տալիս մկանային ուժի չափման փորձարարական կարգավորման բաղադրիչների շղթան:
Ձևի հիշողության համաձուլվածքները գրգռվում են ջերմային էներգիայով, ուստի ջերմաստիճանը դառնում է կարևոր պարամետր ձևի հիշողության երևույթի ուսումնասիրության համար: Փորձարարական առումով, ինչպես ցույց է տրված նկար 11ա-ում, ջերմային պատկերումը և ջերմաստիճանի չափումները կատարվել են SMA-ի վրա հիմնված երկվալերատային ակտիվատորի նախատիպի վրա: Ծրագրավորվող հաստատուն հոսանքի աղբյուրը մուտքային լարում է կիրառել SMA լարերի վրա փորձարարական կարգավորման մեջ, ինչպես ցույց է տրված նկար 11բ-ում: SMA լարի ջերմաստիճանի փոփոխությունը չափվել է իրական ժամանակում՝ օգտագործելով բարձր թույլտվության LWIR տեսախցիկ (FLIR A655sc): Հոսթինգը օգտագործում է ResearchIR ծրագիրը՝ տվյալները հետագա հետմշակման համար գրանցելու համար: Երբ կիրառվում է լարման իմպուլս, SMA լարի ջերմաստիճանը մեծանում է, ինչը հանգեցնում է SMA լարի կծկմանը: Նկար 2բ-ում ցույց են տրված SMA լարի ջերմաստիճանի և ժամանակի կախվածության փորձարարական արդյունքները 7 Վ մուտքային լարման իմպուլսի համար: