Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рахмет.Сіз пайдаланып жатқан шолғыш нұсқасында шектеулі CSS қолдауы бар.Ең жақсы тәжірибе үшін жаңартылған шолғышты пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer шолғышында үйлесімділік режимін өшіріңіз).Әзірше, үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін біз сайтты стильсіз және JavaScriptсіз көрсетеміз.
Жетектер барлық жерде қолданылады және өндірісте және өнеркәсіптік автоматтандыруда әртүрлі операцияларды орындау үшін дұрыс қоздыру күшін немесе моментті қолдану арқылы басқарылатын қозғалысты жасайды.Жылдамырақ, кішірек және тиімдірек жетектерге деген қажеттілік диск дизайнындағы инновацияларды алға тартады.Shape Memory Alloy (SMA) дискілері кәдімгі дискілерге қарағанда бірқатар артықшылықтарды, соның ішінде жоғары қуат пен салмақ қатынасын ұсынады.Бұл диссертацияда биологиялық жүйелердің қауырсынды бұлшықеттерінің артықшылықтары мен SMA-ның бірегей қасиеттерін біріктіретін екі қауырсынды SMA негізіндегі жетек жасалды.Бұл зерттеу бимодальды SMA сымының орналасуына негізделген жаңа жетектің математикалық үлгісін жасау және оны эксперименттік түрде сынау арқылы алдыңғы SMA жетектерін зерттейді және кеңейтеді.SMA негізіндегі белгілі жетектермен салыстырғанда, жаңа жетектің іске қосу күші кем дегенде 5 есе жоғары (150 Н дейін).Сәйкес салмақ жоғалту шамамен 67% құрайды.Математикалық модельдердің сезімталдық талдауының нәтижелері дизайн параметрлерін реттеу және негізгі параметрлерді түсіну үшін пайдалы.Бұл зерттеу одан әрі динамикасын одан әрі жақсарту үшін пайдаланылуы мүмкін көп деңгейлі N-ші кезеңдік дискіні ұсынады.SMA негізіндегі дипвалераттық бұлшықет жетектері ғимаратты автоматтандырудан бастап дәрілік заттарды жеткізудің дәл жүйелеріне дейін кең ауқымды қолданбаларға ие.
Сүтқоректілердің бұлшықет құрылымдары сияқты биологиялық жүйелер көптеген нәзік жетектерді белсендіре алады1.Сүтқоректілердің бұлшықет құрылымдары әртүрлі, олардың әрқайсысы белгілі бір мақсатқа қызмет етеді.Дегенмен, сүтқоректілердің бұлшықет тінінің құрылымының көп бөлігін екі кең категорияға бөлуге болады.Параллель және пеннат.Бунақденелілер мен басқа бүккіштерде, аты айтып тұрғандай, параллельді бұлшықеттерде орталық сіңірге параллель бұлшықет талшықтары бар.Бұлшық ет талшықтарының тізбегі тізіліп, олардың айналасындағы дәнекер ұлпамен функционалды байланысқан.Бұл бұлшықеттердің үлкен экскурсиясы (пайыздық қысқаруы) бар деп айтылса да, олардың жалпы бұлшықет күші өте шектеулі.Керісінше, трицепстің балтыр бұлшық етінде2 (латеральды гастроцемиус (GL)3, медиальды гастроцемиус (GM)4 және табан (SOL)) және экстензорлы сан бұлшықетінде (төртбұрышты) 5,6 пеннат бұлшықет ұлпасы әрбір бұлшықетте кездеседі7.Түйіршікті құрылымда екі жақты бұлшықеттердегі бұлшықет талшықтары орталық сіңірдің екі жағында қиғаш бұрыштарда (пайдалы бұрыштар) болады.Пеннат латынның «penna» сөзінен шыққан, ол «қалам» дегенді білдіреді және суретте көрсетілгендей.1 қауырсын тәрізді сыртқы түрі бар.Пеннат бұлшық еттерінің талшықтары қысқарақ және бұлшық еттің бойлық осіне бұрышты.Пиннат құрылымына байланысты бұл бұлшықеттердің жалпы қозғалғыштығы төмендейді, бұл қысқару процесінің көлденең және бойлық құрамдас бөліктеріне әкеледі.Екінші жағынан, бұл бұлшықеттердің белсендірілуі физиологиялық қима ауданын өлшеу әдісіне байланысты жалпы бұлшықет күшінің жоғарылауына әкеледі.Демек, көлденең қиманың берілген ауданы үшін пеннат бұлшықеттері параллель талшықтары бар бұлшықеттерге қарағанда күштірек болады және жоғары күш тудырады.Жеке талшықтар тудыратын күштер сол бұлшықет тінінде макроскопиялық деңгейде бұлшықет күштерін тудырады.Сонымен қатар, ол тез шөгу, созылу зақымдануынан қорғау, жастықты жабу сияқты бірегей қасиеттерге ие.Ол бұлшық ет линияларымен байланысты талшықтар орналасуының бірегей ерекшеліктері мен геометриялық күрделілігін пайдалану арқылы талшықтың кірісі мен бұлшықет күші арасындағы қатынасты өзгертеді.
Бимодальды бұлшықет архитектурасына қатысты қолданыстағы SMA негізіндегі жетек конструкцияларының схемалық диаграммалары көрсетілген, мысалы, SMA сымдары арқылы іске қосылған қол тәрізді құрылғы екі доңғалақты автономды мобильді роботқа орнатылған тактильдік күштің өзара әрекетін білдіретін (a)., (b) Антагонистік орналастырылған SMA серіппелі орбиталық протезі бар роботты орбиталық протез.Протездік көздің орны көздің бұлшық етінен келетін сигналмен басқарылады11, (c) SMA жетектері жоғары жиілікті жауап және өткізу қабілеті төмен болғандықтан су астындағы қолданбалар үшін өте қолайлы.Бұл конфигурацияда SMA жетектері балық қозғалысын имитациялау арқылы толқын қозғалысын жасау үшін пайдаланылады, (d) SMA жетектері 10-канал ішіндегі SMA сымдарының қозғалысымен басқарылатын дюймдік құрт қозғалысы принципін пайдалана алатын микро құбырларды тексеру роботын жасау үшін пайдаланылады, (e) бұлшықет талшықтарының жиырылу бағытын көрсетеді және бұлшықет талшықтарының жиырылу күшін түзеді, бұлшық ет талшықтарының жиырылу күшін көрсетеді. s пеннат бұлшықет құрылымында.
Қолдану аясы кең болғандықтан, жетектер механикалық жүйелердің маңызды бөлігіне айналды.Сондықтан кішірек, жылдамырақ және тиімдірек жетектерге деген қажеттілік өте маңызды болады.Артықшылықтарына қарамастан, дәстүрлі дискілер қымбат және техникалық қызмет көрсету үшін көп уақытты қажет етеді.Гидравликалық және пневматикалық жетектер күрделі және қымбат және тозуға, майлау проблемаларына және бөлшектердің істен шығуына ұшырайды.Сұранысқа жауап ретінде ақылды материалдарға негізделген үнемді, өлшемдері оңтайландырылған және жетілдірілген жетектерді әзірлеуге назар аударылады.Ағымдағы зерттеулер осы қажеттілікті қанағаттандыру үшін пішінді жады қорытпасының (SMA) қабатты жетектерін қарастыруда.Иерархиялық жетектер ұлғайтылған және кеңейтілген функционалдылықты қамтамасыз ету үшін көптеген дискретті жетектерді геометриялық күрделі макро масштабты ішкі жүйелерге біріктіруімен бірегей.Осыған байланысты, жоғарыда сипатталған адамның бұлшықет тіндері осындай көп қабатты әрекет етудің тамаша көп қабатты үлгісін береді.Ағымдағы зерттеу бимодальды бұлшықеттерде бар талшықты бағдарларға сәйкестендірілген бірнеше жеке жетек элементтері (SMA сымдары) бар көп деңгейлі SMA дискісін сипаттайды, бұл жалпы жетек өнімділігін жақсартады.
Жетектің негізгі мақсаты электр энергиясын түрлендіру арқылы күш пен орын ауыстыру сияқты механикалық қуатты шығару болып табылады.Пішінді жад қорытпалары жоғары температурада пішінін қалпына келтіре алатын «ақылды» материалдар класы болып табылады.Жоғары жүктемелер кезінде SMA сымының температурасының жоғарылауы пішінді қалпына келтіруге әкеледі, нәтижесінде әртүрлі тікелей байланыстырылған смарт материалдармен салыстырғанда іске қосу энергиясының тығыздығы жоғары болады.Сонымен қатар механикалық жүктемелер кезінде СМА сынғыш болады.Белгілі бір жағдайларда циклдік жүктеме қайтымды гистеретикалық пішін өзгерістерін көрсете отырып, механикалық энергияны жұтып, босатуы мүмкін.Бұл бірегей қасиеттер SMA-ны датчиктер, дірілді сөндіру және әсіресе жетектер12 үшін тамаша етеді.Осыны ескере отырып, SMA негізіндегі дискілерге қатысты көптеген зерттеулер жүргізілді.Айта кету керек, SMA негізіндегі жетектер әртүрлі қолданбалар үшін трансляциялық және айналмалы қозғалысты қамтамасыз етуге арналған13,14,15.Кейбір айналмалы жетектер жасалғанымен, зерттеушілер әсіресе сызықты жетектерге қызығушылық танытады.Бұл сызықтық жетектерді жетектердің үш түріне бөлуге болады: бір өлшемді, орын ауыстыру және дифференциалды жетектер 16 .Бастапқыда гибридті дискілер SMA және басқа кәдімгі дискілермен үйлесімде жасалды.SMA негізіндегі гибридті сызықты жетектің бір мысалы - шамамен 100 Н шығыс күші мен айтарлықтай орын ауыстыруды қамтамасыз ету үшін тұрақты ток қозғалтқышы бар SMA сымын пайдалану17.
Толығымен SMA негізіндегі дискілердегі алғашқы әзірлемелердің бірі SMA параллельді дискісі болды.Бірнеше SMA сымдарын пайдалана отырып, SMA негізіндегі параллель жетек барлық SMA18 сымдарын параллель орналастыру арқылы дискінің қуат мүмкіндігін арттыруға арналған.Жетектерді параллель қосу тек көбірек қуатты қажет етпейді, сонымен қатар бір сымның шығыс қуатын шектейді.SMA негізіндегі жетектердің тағы бір кемшілігі - олар қол жеткізе алатын шектеулі қозғалыс.Бұл мәселені шешу үшін орын ауыстыруды ұлғайту және сызықтық қозғалысқа қол жеткізу үшін ауытқыған икемді сәулені қамтитын SMA кабель арқалығы жасалды, бірақ жоғары күштерді тудырмады19.Пішінді жад қорытпаларына негізделген роботтарға арналған жұмсақ деформацияланатын құрылымдар мен маталар, ең алдымен, соққыны күшейту үшін әзірленген20,21,22.Жоғары жылдамдықты қажет ететін қолданбалар үшін микросорғымен басқарылатын қолданбалар үшін жұқа қабықшалы SMA пайдаланатын шағын жетекті сорғылар туралы хабарланған23.Жұқа қабықшалы SMA мембранасының жетек жиілігі драйвер жылдамдығын басқарудың негізгі факторы болып табылады.Сондықтан, SMA сызықты қозғалтқыштары SMA серіппелі немесе штангалы қозғалтқыштарға қарағанда жақсы динамикалық жауап береді.Жұмсақ робототехника және ұстау технологиясы - SMA негізіндегі жетектерді пайдаланатын басқа екі қолданба.Мысалы, 25 Н бос қысқышта қолданылатын стандартты жетекті ауыстыру үшін пішінді жады қорытпасының параллельді жетек 24 әзірленді.Басқа жағдайда, SMA жұмсақ жетекі 30 Н максималды тарту күшін шығаруға қабілетті кірістірілген матрицасы бар сым негізінде жасалған. Механикалық қасиеттеріне байланысты SMA биологиялық құбылыстарды имитациялайтын жетектерді шығару үшін де қолданылады.Осындай дамудың бірі 12 жасушалы роботты қамтиды, ол отқа синусоидалы қозғалыс жасау үшін SMA бар жауын құрт тәрізді организмнің биомиметикасы болып табылады26,27.
Бұрын айтылғандай, қолданыстағы SMA негізіндегі жетектерден алуға болатын максималды күштің шегі бар.Бұл мәселені шешу үшін бұл зерттеу биомиметикалық бимодальды бұлшықет құрылымын ұсынады.Пішінді жады легирленген сым арқылы қозғалады.Ол бірнеше пішінді жады легирленген сымдарды қамтитын жіктеу жүйесін қамтамасыз етеді.Осы уақытқа дейін әдебиеттерде ұқсас архитектурасы бар SMA негізіндегі жетектер туралы хабарланған жоқ.SMA негізіндегі бұл бірегей және жаңа жүйе бұлшықеттердің бимодальды туралануы кезінде SMA мінез-құлқын зерттеу үшін әзірленген.Қолданыстағы SMA негізіндегі жетектермен салыстырғанда, бұл зерттеудің мақсаты шағын көлемде айтарлықтай жоғары күштерді жасау үшін биомиметикалық дипвалераттық жетекті жасау болды.HVAC ғимаратын автоматтандыру және басқару жүйелерінде қолданылатын кәдімгі сатылы қозғалтқыш жетектерімен салыстырғанда, ұсынылған SMA негізіндегі бимодальды жетек дизайны жетек механизмінің салмағын 67%-ға азайтады.Келесіде «бұлшықет» және «драйв» терминдері бір-бірінің орнына қолданылады.Бұл зерттеу мұндай дискінің мультифизикалық модельдеуін зерттейді.Мұндай жүйелердің механикалық әрекеті эксперименттік және аналитикалық әдістермен зерттелген.Күш пен температураның таралуы 7 В кіріс кернеуінде қосымша зерттелді. Кейіннен негізгі параметрлер мен шығыс күші арасындағы байланысты жақсырақ түсіну үшін параметрлік талдау жүргізілді.Соңында, иерархиялық жетектер қарастырылды және иерархиялық деңгей әсерлері протездік қолданбаларға арналған магнитті емес жетектер үшін ықтимал болашақ аймақ ретінде ұсынылды.Жоғарыда аталған зерттеулердің нәтижелері бойынша, бір сатылы архитектураны пайдалану SMA негізіндегі хабарланған жетектерге қарағанда кемінде төрт-бес есе жоғары күштерді шығарады.Сонымен қатар, көп деңгейлі көп деңгейлі жетек арқылы жасалған бірдей қозғаушы күш әдеттегі SMA негізіндегі жетектерге қарағанда он еседен астам болатыны көрсетілген.Содан кейін зерттеу әртүрлі конструкциялар мен кіріс айнымалылары арасындағы сезімталдық талдауын қолданатын негізгі параметрлерді хабарлайды.SMA сымының бастапқы ұзындығы (\(l_0\)), түйреуіш бұрышы (\(\альфа\)) және әрбір жеке жіптегі жалғыз жіптердің саны (n) қозғаушы күштің шамасына қатты теріс әсер етеді.күші, ал кіріс кернеуі (энергия) оң корреляциялық болып шықты.
SMA сымы никель-титан (Ni-Ti) қорытпаларының отбасында көрінетін пішінді есте сақтау әсерін (SME) көрсетеді.Әдетте, SMA температураға тәуелді екі фазаны көрсетеді: төмен температура фазасы және жоғары температура фазасы.Әртүрлі кристалдық құрылымдардың болуына байланысты екі фазаның да бірегей қасиеттері бар.Аустениттік фазада (жоғары температура фазасы) трансформация температурасынан жоғары, материал жоғары беріктік көрсетеді және жүктеме кезінде нашар деформацияланады.Қорытпа тот баспайтын болат сияқты әрекет етеді, сондықтан ол жоғарырақ іске қосу қысымына төтеп бере алады.Ni-Ti қорытпаларының осы қасиетін пайдалана отырып, SMA сымдары жетекті қалыптастыру үшін көлбеу болады.Әртүрлі параметрлер мен әртүрлі геометриялардың әсерінен SMA жылулық әрекетінің іргелі механикасын түсіну үшін сәйкес аналитикалық модельдер әзірленген.Эксперименттік және аналитикалық нәтижелер арасында жақсы келісімге қол жеткізілді.
SMA негізіндегі бимодальды жетектің өнімділігін бағалау үшін 9а-суретте көрсетілген прототипте эксперименталды зерттеу жүргізілді.Осы қасиеттердің екеуі, жетек тудыратын күш (бұлшықет күші) және SMA сымының температурасы (SMA температурасы) эксперименталды түрде өлшенді.Жетектегі сымның бүкіл ұзындығы бойынша кернеу айырмашылығы артқан сайын, Джоуль қыздыру эффектісіне байланысты сымның температурасы артады.Кіріс кернеуі 10 секундтық екі циклде (2a, b-суретте қызыл нүктелер ретінде көрсетілген) әр цикл арасында 15 с салқындату кезеңімен қолданылды.Бұғаттау күші пьезоэлектрлік тензометрдің көмегімен өлшенді, ал SMA сымының температураның таралуы нақты уақытта ғылыми дәрежедегі жоғары ажыратымдылықтағы LWIR камерасы арқылы бақыланды (2-кестеде қолданылатын жабдықтың сипаттамаларын қараңыз).жоғары кернеу фазасында сымның температурасы монотонды түрде жоғарылайтынын, бірақ ток өтпеген кезде сымның температурасы төмендей беретінін көрсетеді.Ағымдағы эксперименттік қондырғыда SMA сымының температурасы салқындату кезеңінде төмендеді, бірақ ол әлі де қоршаған орта температурасынан жоғары болды.Суретте.2e LWIR камерасынан алынған SMA сымындағы температураның суретін көрсетеді.Екінші жағынан, күріш.2а жетек жүйесі тудыратын блоктау күшін көрсетеді.Бұлшықет күші серіппенің қалпына келтіру күшінен асып кеткенде, 9а суретте көрсетілгендей қозғалмалы қол қозғала бастайды.Іске қосу басталған бойда жылжымалы қол сенсорға тиіп, суретте көрсетілгендей дене күшін тудырады.2c, d.Максималды температура \(84\,^{\circ}\hbox {C}\ мәніне жақын болғанда, байқалатын максималды күш 105 Н болады.
График екі цикл кезінде SMA сымының температурасының және SMA негізіндегі бимодальды жетек тудыратын күштің тәжірибелік нәтижелерін көрсетеді.Кіріс кернеуі 10 секундтық екі циклде (қызыл нүктелер ретінде көрсетілген) қолданылады, әр цикл арасында 15 секундтық салқындату кезеңі.Тәжірибелер үшін пайдаланылған SMA сымы Dynalloy, Inc. фирмасының диаметрі 0,51 мм Flexinol сымы болды. (a) График екі циклде алынған тәжірибелік күшті көрсетеді, (c, d) PACEline CFT/5kN пьезоэлектрлік күш түрлендіргішіндегі қозғалатын қол жетектерінің әрекетінің екі тәуелсіз мысалын көрсетеді, (b) цикл кезіндегі сымның максималды температурасын көрсетеді, (b) FLIR ResearchIR бағдарламалық құралының LWIR камерасы арқылы SMA сымынан алынған температура суреті.Тәжірибелерде ескерілген геометриялық параметрлер Кестеде келтірілген.бір.
Математикалық модельдің имитациялық нәтижелері мен эксперимент нәтижелері 5-суретте көрсетілгендей кіріс кернеуі 7В жағдайында салыстырылады.Параметрлік талдау нәтижелері бойынша және SMA сымының қызып кету мүмкіндігін болдырмау үшін жетекке 11,2 Вт қуат берілді.Кіріс кернеуі ретінде 7В қуат беру үшін бағдарламаланатын тұрақты ток көзі пайдаланылды және сым арқылы 1,6А ток өлшенді.Жетек тудыратын күш және SDR температурасы ток қолданылған кезде артады.Кіріс кернеуі 7В болғанда, модельдеу нәтижелерінен және бірінші циклдің эксперимент нәтижелерінен алынған максималды шығыс күші сәйкесінше 78 Н және 96 Н құрайды.Екінші циклде модельдеу және эксперимент нәтижелерінің максималды шығыс күші сәйкесінше 150 Н және 105 Н болды.Окклюзия күшін өлшеу мен эксперименттік деректер арасындағы сәйкессіздік окклюзия күшін өлшеу үшін қолданылатын әдіске байланысты болуы мүмкін.Эксперименттік нәтижелер күріште көрсетілген.5а құлыптау күшін өлшеуге сәйкес келеді, ол өз кезегінде жетек білігі PACEline CFT/5kN пьезоэлектрлік күш түрлендіргішімен жанасқанда өлшенеді, суретте көрсетілген.2с.Сондықтан, жетек білігі салқындату аймағының басында күш датчигімен байланыста болмаған кезде, күш бірден нөлге айналады, 2-суретте көрсетілген.Бұдан басқа, келесі циклдардағы күштің пайда болуына әсер ететін басқа параметрлер салқындату уақытының мәндері және алдыңғы циклдегі конвективтік жылу беру коэффициенті болып табылады.Суреттен.2b, 15 секундтық салқындату кезеңінен кейін SMA сымының бөлме температурасына жетпегенін және сондықтан бірінші циклмен (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)) салыстырғанда екінші қозғалыс циклінде жоғары бастапқы температура (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) болғанын көруге болады.Осылайша, бірінші циклмен салыстырғанда, екінші қыздыру цикліндегі SMA сымының температурасы бастапқы аустенит температурасына (\(A_s\)) ертерек жетеді және өтпелі кезеңде ұзағырақ қалады, нәтижесінде кернеу мен күш пайда болады.Екінші жағынан, эксперименттер мен модельдеулерден алынған қыздыру және салқындату циклдері кезінде температураның таралуы термографиялық талдаудағы мысалдарға жоғары сапалық ұқсастыққа ие.Тәжірибелер мен модельдеулерден алынған SMA сымының жылу деректерінің салыстырмалы талдауы қыздыру және салқындату циклдері кезінде және эксперименттік деректер үшін рұқсат етілген рұқсаттар шегінде үйлесімділікті көрсетті.Бірінші циклдің модельдеу және тәжірибелерінің нәтижелерінен алынған SMA сымының максималды температурасы сәйкесінше \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) және \(75\,^{\circ }\hbox { C }\), ал екінші циклде SMA сымының максималды температурасы \(94\box \^\}, \{\rc\}, \{\}, \{\C\}, {\c\} circ }\ hbox {C}\).Негізгі әзірленген модель пішінді есте сақтау әсерінің әсерін растайды.Бұл шолуда шаршау мен қызып кетудің рөлі қарастырылмаған.Болашақта модель SMA сымының кернеу тарихын қосу үшін жетілдіріліп, оны инженерлік қосымшалар үшін қолайлы етеді.Simulink блогынан алынған жетектің шығыс күші мен SMA температуралық графиктері 7 В кіріс кернеуінің импульсі жағдайында эксперименттік деректердің рұқсат етілген рұқсат етілген шегінде. Бұл әзірленген математикалық модельдің дұрыстығы мен сенімділігін растайды.
Математикалық модель MathWorks Simulink R2020b ортасында Әдістер бөлімінде сипатталған негізгі теңдеулерді пайдалана отырып әзірленді.Суретте.3b Simulink математикалық моделінің блок-схемасын көрсетеді.Модель 2a, b-суретте көрсетілгендей 7В кіріс кернеуінің импульсі үшін модельденді.Модельдеуде пайдаланылған параметрлердің мәндері 1-кестеде келтірілген. Өтпелі процестерді модельдеу нәтижелері 1 және 1-суреттерде көрсетілген. 3a және 4-суреттер.4a,b SMA сымындағы индукцияланған кернеуді және уақыт функциясы ретінде жетек тудыратын күшті көрсетеді. Кері түрлендіру (қызу) кезінде, SMA сымының температурасы, \(T < A_s^{\prime}\) (кернеумен өзгертілген аустенит фазасының басталу температурасы), мартенситтің көлемдік бөлігінің өзгеру жылдамдығы (\(\dot{\xi }\)) нөлге тең болады. Кері түрлендіру (қызу) кезінде, SMA сымының температурасы, \(T < A_s^{\prime}\) (кернеумен өзгертілген аустенит фазасының басталу температурасы), мартенситтің көлемдік бөлігінің өзгеру жылдамдығы (\(\dot{\ xi }\)) нөлге тең болады. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\lyu) Кері түрлендіру (қызу) кезінде, SMA сымының температурасы, \(T < A_s^{\prime}\) (кернеумен өзгертілген аустениттің басталу температурасы), мартенситтің көлемдік бөлігінің өзгеру жылдамдығы (\(\dot{\ xi }\ )) нөлге тең болады.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正氏体修正奶氏体弗氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\)) 将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t При обратном превращении (нагреве) при температурае проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (температура зарождения аустенитной фазы с поправкой напряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi будет }\)). Кері түрлендіру (қызу) кезінде SMA сымының \(T < A_s^{\prime}\) температурасында (кернеу үшін түзетілген аустенит фазасының ядролану температурасы) мартенситтің көлемдік үлесінің өзгеру жылдамдығы (\( \dot{\ xi }\)) нөлге тең болады.Демек, кернеудің өзгеру жылдамдығы (\(\dot{\sigma}\)) деформация жылдамдығына (\(\dot{\epsilon}\)) және температура градиентіне (\(\dot{T} \) ) тек (1) теңдеуін қолдану арқылы тәуелді болады.Дегенмен, SMA сымы температура көтеріліп, (\(A_s^{\prime}\)) қиылыса отырып, аустенит фазасы қалыптаса бастайды және (\(\dot{\xi}\)) теңдеудің берілген мәні ретінде қабылданады ( 3).Демек, кернеудің өзгеру жылдамдығы (\(\нүкте{\сигма}\)) \(\нүкте{\epsilon}, \dot{T}\) және \(\нүкте{\xi}\) арқылы бірге басқарылады (1) формулада берілгенге тең.Бұл 4а, б-суретте көрсетілгендей, қыздыру циклі кезінде уақыт бойынша өзгеретін кернеу мен күш карталарында байқалатын градиент өзгерістерін түсіндіреді.
(a) SMA негізіндегі дивалераттық жетектегі температураның таралуын және кернеуден туындаған қосылыс температурасын көрсететін модельдеу нәтижесі.Сымның температурасы қыздыру сатысында аустениттің өту температурасын кесіп өткенде, модификацияланған аустениттің ауысу температурасы жоғарылай бастайды және сол сияқты, сымның температурасы салқындату сатысында мартенситтің өту температурасынан өткенде, мартенситтің өту температурасы төмендейді.Іске қосу процесін аналитикалық модельдеуге арналған SMA.(Simulink үлгісінің әрбір ішкі жүйесінің егжей-тегжейлі көрінісі үшін қосымша файлдың қосымша бөлімін қараңыз.)
Әртүрлі параметрлерді бөлу үшін талдау нәтижелері 7В кіріс кернеуінің екі циклі үшін көрсетілген (10 секундтық жылыту циклі және 15 секундтық салқындату циклі).(ac) және (e) уақыт бойынша үлестіруді бейнелейтін болса, екінші жағынан (d) және (f) таралуды температурамен бейнелейді.Тиісті кіріс жағдайлары үшін ең жоғары байқалатын кернеу 106 МПа (345 МПа-дан аз, сымның аққыштық күші), күш 150 Н, максималды орын ауыстыру 270 мкм, мартенситтің ең төменгі көлемдік үлесі 0,91.Екінші жағынан, кернеудің өзгеруі және температураға байланысты мартенситтің көлемдік үлесінің өзгеруі гистерезис сипаттамаларына ұқсас.
Дәл осындай түсініктеме аустениттік фазадан мартенситтік фазаға тікелей трансформацияға (салқындату) қатысты, мұнда SMA сымының температурасы (T) және кернеумен өзгертілген мартенсит фазасының соңғы температурасы (\(M_f^{\prime}\ )) тамаша.Суретте.4d,f екі қозғалыс циклі үшін де SMA сымының (T) температурасының өзгеруіне байланысты индукцияланған кернеудің (\(\сигма\)) және мартенситтің көлемдік үлесінің (\(\xi\)) өзгеруін көрсетеді.Суретте.3a-суретте кіріс кернеуінің импульсіне байланысты SMA сымының температурасының уақыт бойынша өзгеруі көрсетілген.Суреттен көрініп тұрғандай, сымның температурасы нөлдік кернеуде жылу көзін қамтамасыз ету және кейіннен конвективтік салқындату арқылы жоғарылауды жалғастырады.Қыздыру кезінде мартенситтің аустениттік фазаға қайта айналуы SMA сымының температурасы (T) кернеумен түзетілген аустенит нуклеациясының температурасын (\(A_s^{\prime}\)) кесіп өткенде басталады.Бұл фазада SMA сымы қысылып, жетек күш тудырады.Сондай-ақ салқындату кезінде, SMA сымының температурасы (T) кернеумен өзгертілген мартенсит фазасының (\(M_s^{\prime}\)) нуклеация температурасын кесіп өткенде, аустениттік фазадан мартенситтік фазаға оң ауысу байқалады.қозғаушы күші төмендейді.
SMA негізіндегі бимодальды жетектің негізгі сапалық аспектілерін модельдеу нәтижелерінен алуға болады.Кернеу импульсінің кірісі жағдайында Джоуль қыздыру эффектісіне байланысты SMA сымының температурасы артады.Мартенситтің көлемдік бөлігінің бастапқы мәні (\(\xi\)) 1-ге орнатылады, өйткені материал бастапқыда толық мартенситтік фазада болады.Сымның қызуы жалғасуда, SMA сымының температурасы кернеумен түзетілген аустенит нуклеациясының температурасынан асып түседі \(A_s^{\prime}\), нәтижесінде мартенситтің көлемдік үлесі азаяды, 4в суретте көрсетілген.Сонымен қатар, күріш.4e орындатқыштың соққыларының уақыт бойынша таралуын көрсетеді, ал күріш.5 – уақыт функциясы ретінде қозғаушы күш.Сәйкес теңдеулер жүйесі температураны, мартенситтің көлемдік үлесін және сымда пайда болатын кернеуді қамтиды, нәтижесінде SMA сымының жиырылуы мен жетек тудыратын күш.Суретте көрсетілгендей.4d,f, температураға байланысты кернеудің өзгеруі және мартенситтің көлемдік бөлігінің температураға байланысты өзгеруі 7 В-дағы модельденген жағдайда SMA гистерезис сипаттамаларына сәйкес келеді.
Жүргізу параметрлерін салыстыру эксперименттер мен аналитикалық есептеулер арқылы алынды.Сымдар 10 секунд бойы 7 В импульстік кіріс кернеуіне ұшырады, содан кейін екі цикл бойы 15 секундқа (салқындату фазасы) салқындатылды.Түтік бұрышы \(40^{\circ}\) күйіне орнатылды және әрбір жеке түйреуіш аяғындағы SMA сымының бастапқы ұзындығы 83 мм-ге орнатылады.(a) Қозғаушы күшті жүк ұяшығымен өлшеу (b) Термиялық инфрақызыл камера арқылы сымның температурасын бақылау.
Физикалық параметрлердің жетек тудыратын күшке әсерін түсіну үшін таңдалған физикалық параметрлерге математикалық модельдің сезімталдығына талдау жүргізілді және олардың әсер етуіне қарай параметрлерді сұрыптау жүргізілді.Біріншіден, үлгі параметрлерін іріктеу біркелкі үлестіруді сақтайтын тәжірибелік жобалау принциптерін қолдану арқылы жасалды (Сезімталдық талдаудың қосымша бөлімін қараңыз).Бұл жағдайда үлгі параметрлері кіріс кернеуін (\(V_{in}\)), бастапқы SMA сымының ұзындығын (\(l_0\)), үшбұрыш бұрышын (\(\альфа\)), ығысу серіппесін тұрақты (\( K_x\ )), конвективтік жылу беру коэффициентін (\(h_T\)) және бірмодальды тармақтар санын (n) қамтиды.Келесі қадамда бұлшықет күші шыңы зерттеу дизайны талабы ретінде таңдалды және айнымалылардың әрбір жиынтығының күшке параметрлік әсері алынды.Сезімталдық талдауға арналған торнадо графиктері 6a-суретте көрсетілгендей әрбір параметр үшін корреляция коэффициенттерінен алынды.
(а) Модель параметрлерінің корреляциялық коэффициент мәндері және олардың жоғарыда аталған модель параметрлерінің 2500 бірегей тобының максималды шығыс күшіне әсері торнадо сюжетінде көрсетілген.График бірнеше көрсеткіштердің дәрежелік корреляциясын көрсетеді.\(V_{in}\) оң корреляцияға ие жалғыз параметр, ал \(l_0\) ең жоғары теріс корреляцияға ие параметр екені анық.Әртүрлі комбинациялардағы әртүрлі параметрлердің бұлшықет күшінің шыңына әсері (b, c) көрсетілген.\(K_x\) 400-ден 800 Н/м аралығында және n 4-тен 24-ке дейін ауытқиды. Кернеу (\(V_{in}\)) 4В-тан 10В-қа өзгерді, сым ұзындығы (\(l_{0 } \)) 40-тан 100 мм-ге дейін өзгерді, ал құйрық бұрышы (\) (\alp} \rc {6} {\) \).
Суретте.6а ең жоғары жетек күші жобалау талаптары бар әрбір параметр үшін әртүрлі корреляция коэффициенттерінің торнадо сызбасын көрсетеді.Суреттен.6a кернеу параметрі (\(V_{in}\)) максималды шығыс күшіне тікелей байланысты екенін көруге болады, және конвективтік жылу беру коэффициенті (\(h_T\)), жалын бұрышы (\ ( \alpha\)), орын ауыстыру серіппесі тұрақтысы ( \(K_x\)) шығыс күшімен теріс корреляцияланады және бастапқы сымның (\) тармағының (\) 0 тармағының бастапқы саны (\) және MA көрсетеді. күшті кері корреляция Тікелей корреляция жағдайында Кернеу корреляция коэффициентінің жоғары мәні болған жағдайда (\(V_ {in}\)) бұл параметрдің шығыс қуатына ең үлкен әсер ететінін көрсетеді.Басқа ұқсас талдау 6б, в-суретте көрсетілгендей екі есептеу кеңістігінің әртүрлі комбинацияларындағы әртүрлі параметрлердің әсерін бағалау арқылы ең жоғары күшті өлшейді.\(V_{in}\) және \(l_0\), \(\alpha\) және \(l_0\) үлгілері ұқсас және график \(V_{in}\) және \(\alpha\ ) және \(\alpha\) үлгілерінің ұқсас үлгілері бар екенін көрсетеді.\(l_0\) кіші мәндері жоғары шыңдық күштерге әкеледі.Қалған екі сызба 6а суретіне сәйкес келеді, мұнда n және \(K_x\) теріс корреляция және \(V_{in}\) оң корреляцияға ие.Бұл талдау жетек жүйесінің шығыс күшін, жүрісін және тиімділігін талаптарға және қолданбаға бейімдеуге болатын әсер етуші параметрлерді анықтауға және реттеуге көмектеседі.
Ағымдағы зерттеу жұмысы N деңгейлері бар иерархиялық жетектерді енгізеді және зерттейді.Екі деңгейлі иерархияда 7а-суретте көрсетілгендей, бірінші деңгейлі жетектің әрбір SMA сымының орнына суретте көрсетілгендей бимодальды орналасуға қол жеткізіледі.9e.Суретте.7c тек бойлық бағытта қозғалатын жылжымалы қолға (қосалқы қол) SMA сымының қалай оралғанын көрсетеді.Дегенмен, бастапқы жылжымалы иін 1-ші сатылы көп сатылы жетектің жылжымалы иіні сияқты қозғалысты жалғастырады.Әдетте, N-саты дискісі \(N-1\) сатылы SMA сымын бірінші сатылы жетекпен ауыстыру арқылы жасалады.Нәтижесінде, әрбір тармақ сымның өзін ұстайтын тармақты қоспағанда, бірінші сатылы жетекке еліктейді.Осылайша, бастапқы жетектердің күштерінен бірнеше есе көп күштер тудыратын ұяшық құрылымдарды құруға болады.Бұл зерттеуде әрбір деңгей үшін 7d-суретте кестелік форматта көрсетілгендей жалпы тиімді SMA сымының 1 м ұзындығы ескерілді.Әрбір унимодальді дизайндағы әрбір сым арқылы өтетін ток және әрбір SMA сым сегментіндегі алынған алдын ала кернеу мен кернеу әр деңгейде бірдей.Біздің аналитикалық моделімізге сәйкес, шығыс күші деңгеймен оң корреляцияланады, ал орын ауыстыру теріс корреляцияда.Сонымен қатар, орын ауыстыру мен бұлшықет күші арасында келіссөз болды.Суретте көрсетілгендей.7b, ең көп күшке қабаттардың ең көп санында қол жеткізілсе, ең үлкен ығысу ең төменгі қабатта байқалады.Иерархиялық деңгей \(N=5\) мәніне орнатылғанда, 2 бақыланатын соққы \(\upmu\)m кезінде 2,58 кН ең жоғары бұлшықет күші табылды.Екінші жағынан, бірінші сатыдағы жетек 277 \(\upmu\)м соққы кезінде 150 Н күш тудырады.Көп деңгейлі жетектер нақты биологиялық бұлшықеттерге еліктеуге қабілетті, мұнда пішінді жады қорытпаларына негізделген жасанды бұлшықеттер дәл және нәзік қозғалыстармен айтарлықтай жоғары күштерді жасай алады.Бұл кішірейтілген дизайнның шектеулері иерархия ұлғайған сайын қозғалыс айтарлықтай азаяды және дискіні жасау процесінің күрделілігі артады.
(a) Екі сатылы (\(N=2\)) қабатты пішінді жады қорытпасының сызықтық жетек жүйесі бимодальды конфигурацияда көрсетілген.Ұсынылған үлгіге бірінші сатылы қабаттық жетектегі SMA сымын басқа бір сатылы жетекті ауыстыру арқылы қол жеткізіледі.(c) Екінші сатылы көп қабатты жетектің деформацияланған конфигурациясы.ә) деңгейлер санына байланысты күштер мен орын ауыстырулардың таралуы сипатталған.Жетектің ең жоғары күші графиктегі шкала деңгейімен оң, ал соққы шкала деңгейімен теріс корреляция болатыны анықталды.Әрбір сымдағы ток және алдын ала кернеу барлық деңгейлерде тұрақты болып қалады.(d) Кесте әр деңгейде шүмектердің санын және SMA сымының (талшық) ұзындығын көрсетеді.Сымдардың сипаттамалары 1 индексімен көрсетіледі, ал қосалқы тармақтардың саны (біреуі негізгі аяққа қосылған) төменгі таңбадағы ең үлкен санмен көрсетіледі.Мысалы, 5-деңгейде \(n_1\) әрбір бимодальды құрылымда бар SMA сымдарының санын, ал \(n_5\) көмекші аяқтардың (біреуі негізгі аяққа қосылған) санын білдіреді.
Көптеген зерттеушілер фазалық ауысумен байланысты кристалдық құрылымның макроскопиялық өзгерістерімен бірге жүретін термомеханикалық қасиеттерге тәуелді пішінді жадымен СМА әрекетін модельдеудің әртүрлі әдістерін ұсынды.Конститутивтік әдістерді тұжырымдау өз алдына күрделі.Ең жиі қолданылатын феноменологиялық модельді Tanaka28 ұсынған және инженерлік қосымшаларда кеңінен қолданылады.Танака [28] ұсынған феноменологиялық модель мартенситтің көлемдік үлесі температура мен кернеудің экспоненциалды функциясы болып табылады деп болжайды.Кейінірек, Лианг және Роджерс29 және Бринсон30 модельді ұсынды, онда фазалық ауысу динамикасы модельге шамалы өзгертулер енгізе отырып, кернеу мен температураның косинус функциясы болып саналады.Беккер мен Бринсон ерікті жүктеме жағдайында, сондай-ақ ішінара ауысулар кезінде SMA материалдарының әрекетін модельдеу үшін фазалық диаграммаға негізделген кинетикалық модельді ұсынды.Banerjee32 Bekker және Brinson31 фазалық диаграмма динамикалық әдісін Элахиния және Ахмадиан33 әзірлеген еркіндіктің бір дәрежесі манипуляторын имитациялау үшін пайдаланады.Температураға байланысты кернеудің монотонды емес өзгеруін ескеретін фазалық диаграммаларға негізделген кинетикалық әдістерді инженерлік қолданбаларда енгізу қиын.Элахиния мен Ахмадиан қолданыстағы феноменологиялық модельдердің осы кемшіліктеріне назар аударады және кез келген күрделі жүктеу жағдайында пішінді жадының әрекетін талдау және анықтау үшін кеңейтілген феноменологиялық модельді ұсынады.
SMA сымының құрылымдық үлгісі SMA сымының кернеуін (\(\сигма\)), деформацияны (\(\эпсилон\)), температураны (T) және мартенситтің көлемдік үлесін (\(\xi\)) береді.Феноменологиялық конститутивтік модельді алғаш рет Танака28 ұсынған, кейінірек Лян29 және Бринсон30 қабылдаған.Теңдеудің туындысы келесі түрде болады:
мұндағы E - фазаға тәуелді SMA Янг модулі \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) және \(E_A\) және \(E_M\) көмегімен алынған Юнг модулін білдіретін сәйкесінше аустениттік және мартенситтік фазалар болып табылады, ал жылулық кеңею коэффициенті \_\T арқылы берілген.Фазалық ауысу үлесінің коэффициенті \(\Omega = -E \epsilon _L\) және \(\epsilon _L\) - SMA сымындағы қалпына келтірілетін максималды штамм.
Фазалық динамика теңдеуі Танака28 ұсынған экспоненциалды функцияның орнына Лян29 әзірлеген және кейінірек Бринсон30 қабылдаған косинус функциясымен сәйкес келеді.Фазалық ауысу моделі Элахиния мен Ахмадиан34 ұсынған және Лян29 және Бринсон30 берген фазалық ауысу шарттары негізінде өзгертілген модельдің кеңейтімі болып табылады.Бұл фазалық ауысу үлгісі үшін қолданылатын шарттар күрделі термомеханикалық жүктемелер кезінде жарамды.Уақыттың әрбір сәтінде құрылтай теңдеуін модельдеу кезінде мартенситтің көлемдік үлесінің мәні есептеледі.
Жылыту жағдайында мартенситтің аустенитке айналуымен өрнектелетін басқарушы қайта өзгерту теңдеуі келесідей:
мұндағы \(\xi\) - мартенситтің көлемдік үлесі, \(\xi _M\) қыздыру алдында алынған мартенситтің көлемдік үлесі, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) және \(C_A\) және \(C_Aro\)x) \(C_Aro\) \\(C_A\) \\\\(C_A\\) температура мен қисық параметрі. \(A_f\) – сәйкесінше аустенит фазасының басы және соңы, температура.
Аустениттің салқындату жағдайында мартенситке фазалық түрленуімен ұсынылған тікелей түрлендіруді басқару теңдеуі:
мұнда \(\xi _A\) салқындату алдында алынған мартенситтің көлемдік үлесі, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) және \ ( C_M \) – қисық қондыру параметрлері, T – SMA сымдарының бастапқы температурасы, \(_ M сымдарының бастапқы температурасы, \(_ M) және ly.
(3) және (4) теңдеулер дифференциалданғаннан кейін кері және тура түрлендіру теңдеулері келесі түрге оңайлатылады:
Тура және кері түрлендіру кезінде \(\eta _{\sigma}\) және \(\eta _{T}\) әртүрлі мәндерді қабылдайды.\(\eta _{\sigma}\) және \(\eta _{T}\) байланысты негізгі теңдеулер алынған және қосымша бөлімде егжей-тегжейлі талқыланған.
SMA сымының температурасын көтеру үшін қажетті жылу энергиясы Джоуль қыздыру әсерінен келеді.SMA сымы жұтқан немесе шығаратын жылу энергиясы түрлендірудің жасырын жылуымен көрсетіледі.SMA сымындағы жылуды жоғалту мәжбүрлі конвекцияға байланысты және сәулеленудің елеусіз әсерін ескере отырып, жылу энергиясының балансының теңдеуі келесідей:
Мұндағы \(m_{сым}\) - SMA сымының жалпы массасы, \(c_{p}\) - SMA-ның меншікті жылу сыйымдылығы, \(V_{in}\) - сымға берілетін кернеу, \(R_{ohm} \ ) - фазаға тәуелді кедергі SMA, келесідей анықталады;\(R_{ohm} = (l/A_{крест})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) мұндағы \(r_M\ ) және \(r_A\) сәйкесінше мартенсит пен аустениттегі SMA фазасының меншікті кедергісі, \(A_{c}\) сымның бетінің ауданы, жадының барлық ауданы, \D (S) пішіні S.Сымның жасырын өту жылуы, T және \(T_{\infty}\) сәйкесінше SMA сымының және қоршаған ортаның температуралары болып табылады.
Пішін жады легирленген сым іске қосылғанда, сым қысылып, бимодальды дизайнның әрбір тармағында талшық күші деп аталатын күш жасайды.SMA сымының әрбір тізбегіндегі талшықтардың күштері бірге 9e-суретте көрсетілгендей әрекет ету үшін бұлшықет күшін жасайды.Ауыстырушы серіппенің болуына байланысты N-ші көп қабатты жетектің жалпы бұлшықет күші:
\(N = 1\) теңдеуіне (7) ауыстырып, бірінші сатыдағы бимодальды жетек прототипінің бұлшықет күшін келесідей алуға болады:
мұндағы n - бірмодальды аяқтардың саны, \(F_m\) жетек тудыратын бұлшықет күші, \​​(F_f\) - SMA сымындағы талшық күші, \(K_x\) - қиғаштық қаттылығы.серіппе, \(\альфа\) - үшбұрыштың бұрышы, \(x_0\) - SMA кабелін алдын ала керілген күйде ұстау үшін ығысу серіппесінің бастапқы ығысуы және \(\Delta x\) - жетек қозғалысы.
N-ші кезеңнің SMA сымындағы кернеуге (\(\сигма\)) және деформацияға (\(\epsilon\)) байланысты жетектің жалпы орын ауыстыруы немесе қозғалысы (\(\Delta x\)) диск келесіге орнатылады (шығыстың қосымша бөлігін қараңыз):
Кинематикалық теңдеулер жетек деформациясы (\(\epsilon\)) мен орын ауыстыру немесе орын ауыстыру (\(\Delta x\)) арасындағы байланысты береді.Арб сымының бастапқы Arb сымының ұзындығына (\(l_0\)) және сым ұзындығына (l) функциясы ретінде кез келген t уақытта бір унимодальді тармақтағы Arb сымының деформациясы келесідей:
мұндағы \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) 8-суретте көрсетілгендей \(\Delta\)ABB '-да косинус формуласын қолдану арқылы алынады. Бірінші кезеңдік жетек үшін (\)(N\)_ta =(1\D x\el \(1\) \el \D ), және \(\альфа _1\) \(\альфа \) 8-суретте көрсетілгендей уақытты (11) теңдеуден дифференциалдау және l мәнін ауыстыру арқылы деформация жылдамдығын былай жазуға болады:
мұндағы \(l_0\) - SMA сымының бастапқы ұзындығы, l - бір унимодальді тармақтағы кез келген уақыттағы t сымның ұзындығы, \(\эпсилон\) - SMA сымында дамыған деформация және \(\альфа \) - үшбұрыштың бұрышы , \(\Delta x\) - дискінің ығысуы (8-суретте көрсетілгендей).
Барлық n бір пикті құрылымдар (осы суреттегі \(n=6\)) кіріс кернеуі ретінде \(V_{in}\) арқылы тізбектей қосылған.I кезең: нөлдік кернеу жағдайында бимодальды конфигурациядағы SMA сымының схемалық диаграммасы II кезең: қызыл сызықпен көрсетілгендей кері түрлендіруге байланысты SMA сымы сығылған жерде басқарылатын құрылым көрсетіледі.
Тұжырымдаманың дәлелі ретінде эксперименттік нәтижелермен негізгі теңдеулердің имитацияланған туындысын сынау үшін SMA негізіндегі бимодальды диск әзірленді.Бимодальды сызықты жетектің CAD моделі күріште көрсетілген.9а.Екінші жағынан, күріш.9c бимодальды құрылымы бар екі жазықтықты SMA негізіндегі жетекті пайдаланып айналмалы призмалық қосылым үшін ұсынылған жаңа дизайнды көрсетеді.Дискінің құрамдас бөліктері Ultimaker 3 Extended 3D принтерінде қосымша өндіріс арқылы жасалған.Компоненттерді 3D басып шығару үшін қолданылатын материал ыстыққа төзімді материалдарға жарамды поликарбонат болып табылады, өйткені ол берік, берік және шыныдан өту температурасы жоғары (110-113 \(^{\circ }\) C).Сонымен қатар, эксперименттерде Dynalloy, Inc. Flexinol пішінді жады қорытпасы сымы қолданылды, ал Flexinol сымына сәйкес материал қасиеттері модельдеуде қолданылды.Бірнеше SMA сымдары 9b, d-суретте көрсетілгендей, көп қабатты жетектер шығаратын жоғары күштерді алу үшін бұлшықеттердің бимодальды орналасуында болатын талшықтар ретінде орналастырылған.
9а-суретте көрсетілгендей, қозғалмалы тұтқаның SMA сымынан пайда болған сүйір бұрыш бұрыш (\(\альфа\)) деп аталады.Сол және оң жақ қысқыштарға бекітілген терминалдық қысқыштармен SMA сымы қажетті бимодальды бұрышта ұсталады.Серіппелі қосқышта ұсталған иілу серіппесі құрылғысы SMA талшықтарының санына (n) сәйкес әртүрлі иілу серіппесін ұзарту топтарын реттеуге арналған.Сонымен қатар, қозғалатын бөліктердің орналасуы SMA сымы мәжбүрлі конвекциялық салқындату үшін сыртқы ортаға әсер ететіндей етіп жасалған.Алынбалы жинақтың үстіңгі және астыңғы тақталары салмақты азайтуға арналған экструдталған кесінділері бар SMA сымын салқын ұстауға көмектеседі.Сонымен қатар, CMA сымының екі ұшы қысқыш арқылы сәйкесінше сол және оң терминалдарға бекітіледі.Үстіңгі және астыңғы тақталар арасындағы бос орынды сақтау үшін жылжымалы жинақтың бір ұшына плунжер бекітілген.Поршень сонымен қатар SMA сымы іске қосылған кезде блоктау күшін өлшеу үшін контакт арқылы сенсорға блоктау күшін қолдану үшін қолданылады.
SMA бимодальды бұлшықет құрылымы тізбектей электрлік қосылған және кіріс импульстік кернеумен қоректенеді.Кернеу импульсінің циклі кезінде, кернеу қолданылғанда және SMA сымы аустениттің бастапқы температурасынан жоғары қыздырылған кезде, әрбір тізбектегі сымның ұзындығы қысқарады.Бұл кері тарту жылжымалы тұтқаның қосалқы жинағын белсендіреді.Сол циклде кернеу нөлге тең болғанда, қыздырылған SMA сымы мартенсит бетінің температурасынан төмен салқындатылды, осылайша бастапқы күйіне оралды.Нөлдік кернеу жағдайында SMA сымы анықталған мартенситтік күйге жету үшін алдымен ығысу серіппесі арқылы пассивті түрде созылады.SMA сымы өтетін бұранда SMA сымына кернеу импульсін беру арқылы жасалған қысу есебінен қозғалады (SPA аустениттік фазаға жетеді), бұл жылжымалы рычагтың іске қосылуына әкеледі.SMA сымы тартылған кезде иілу серіппесі серіппені одан әрі созу арқылы қарсы күш тудырады.Импульстік кернеудегі кернеу нөлге жеткенде, SMA сымы ұзартады және мәжбүрлі конвекциялық салқындату есебінен пішінін өзгертеді, қос мартенситтік фазаға жетеді.
Ұсынылған SMA негізіндегі желілік жетек жүйесі бимодальды конфигурацияға ие, онда SMA сымдары бұрышты болады.(а) прототиптің кейбір құрамдас бөліктері мен олардың мағыналары туралы айтылған прототиптің CAD үлгісін бейнелейді, (b, d) әзірленген эксперименттік прототипті көрсетеді35.(b) электр қосылымдарымен, серіппелермен және тензометрлермен прототиптің жоғарғы көрінісін көрсетсе, (d) орнатудың перспективалық көрінісін көрсетеді.(e) талшықтың бағыты мен бағытын және бұлшықет күшін көрсететін кез келген t уақытында бимодальды түрде орналастырылған SMA сымдары бар сызықтық іске қосу жүйесінің диаграммасы.(c) Екі жазықтықты SMA негізіндегі жетекті орналастыру үшін 2-DOF айналмалы призмалық қосылым ұсынылды.Көрсетілгендей, сілтеме сызықты қозғалысты төменгі жетектен жоғарғы иінге жіберіп, айналмалы байланыс жасайды.Екінші жағынан, жұп призмалардың қозғалысы көп қабатты бірінші сатылы жетектің қозғалысымен бірдей.
SMA негізіндегі бимодальды жетектің өнімділігін бағалау үшін 9b-суретте көрсетілген прототипте эксперименталды зерттеу жүргізілді.10а-суретте көрсетілгендей, эксперименттік қондырғы SMA сымдарына кіріс кернеуін беру үшін бағдарламаланатын тұрақты ток көзінен тұрды.Суретте көрсетілгендей.10b, Graphtec GL-2000 деректер тіркеушісінің көмегімен блоктау күшін өлшеу үшін пьезоэлектрлік тензометр (PACEline CFT/5kN) пайдаланылды.Деректерді хост одан әрі зерттеу үшін жазады.Тезометрлер мен заряд күшейткіштер кернеу сигналын шығару үшін тұрақты қуат көзін қажет етеді.Сәйкес сигналдар пьезоэлектрлік күш датчигінің сезімталдығына және 2-кестеде сипатталған басқа параметрлерге сәйкес қуат шығыстарына түрлендіріледі. Кернеу импульсі қолданылғанда, SMA сымының температурасы артады, бұл SMA сымының қысылуын тудырады, бұл жетекте күш тудыратын болады.7 В кіріс кернеуі импульсі арқылы бұлшықет күшін шығарудың тәжірибелік нәтижелері күріш.2а.
(a) Жетек шығаратын күшті өлшеу үшін экспериментте SMA негізіндегі сызықтық жетек жүйесі орнатылды.Жүктеме ұяшығы блоктау күшін өлшейді және 24 В тұрақты ток көзінен қуат алады.GW Instek бағдарламаланатын тұрақты ток көзінің көмегімен кабельдің бүкіл ұзындығы бойынша 7 В кернеуінің төмендеуі қолданылды.SMA сымы қызудың әсерінен қысқарады, ал жылжымалы қол жүктеме ұяшығымен байланысып, блоктау күшін көрсетеді.Жүктеме ұяшығы GL-2000 деректер тіркеушісіне қосылған және деректер әрі қарай өңдеу үшін хостта сақталады.(b) Бұлшықет күшін өлшеуге арналған эксперименттік қондырғының құрамдастарының тізбегін көрсететін диаграмма.
Пішінді есте сақтау қорытпалары жылу энергиясымен қозғалады, сондықтан температура пішінді есте сақтау құбылысын зерттеудің маңызды параметріне айналады.Эксперименттік түрде, 11а-суретте көрсетілгендей, термиялық бейнелеу және температураны өлшеу SMA негізіндегі дивалераттық жетектің прототипінде орындалды.Бағдарламаланатын тұрақты ток көзі 11b-суретте көрсетілгендей эксперименттік қондырғыда SMA сымдарына кіріс кернеуін қолданды.SMA сымының температурасының өзгеруі жоғары ажыратымдылықтағы LWIR камерасының (FLIR A655sc) көмегімен нақты уақытта өлшенді.Хост ары қарай өңдеу үшін деректерді жазу үшін ResearchIR бағдарламалық құралын пайдаланады.Кернеу импульсі қолданылғанда, SMA сымының температурасы артып, SMA сымының қысқаруына әкеледі.Суретте.2b-суретте SMA сымының температурасының 7В кіріс кернеуінің импульсінің уақытқа қатысты эксперименттік нәтижелері көрсетілген.