Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рақмет. Сіз пайдаланып отырған браузер нұсқасында CSS қолдауы шектеулі. Ең жақсы тәжірибе алу үшін жаңартылған браузерді пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer бағдарламасында үйлесімділік режимін өшіріңіз). Сонымен қатар, үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін сайтты стильдер мен JavaScriptсіз көрсетеміз.
Жетекшілер 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 жетектерді жобалаудағы инновацияны алға жылжытады. Shape Memory Alloy (SMA) жетектері дәстүрлі жетектермен салыстырғанда бірқатар артықшылықтарды ұсынады, соның ішінде қуаттың салмаққа қатынасы жоғары. Бұл диссертацияда биологиялық жүйелердің қауырсынды бұлшықеттерінің артықшылықтарын және SMA-ның бірегей қасиеттерін біріктіретін екі қауырсынды SMA негізіндегі жетек жасалды. Бұл зерттеу бимодальды SMA сымының орналасуына негізделген жаңа жетектің математикалық моделін жасау және оны эксперименттік түрде сынау арқылы алдыңғы SMA жетектерін зерттейді және кеңейтеді. SMA негізіндегі белгілі жетекпен салыстырғанда, жаңа жетектің іске қосу күші кем дегенде 5 есе жоғары (150 Н дейін). Тиісті салмақ жоғалту шамамен 67% құрайды. Математикалық модельдердің сезімталдық талдауының нәтижелері жобалау параметрлерін реттеу және негізгі параметрлерді түсіну үшін пайдалы. Бұл зерттеу динамиканы одан әрі жақсарту үшін пайдаланылуы мүмкін көп деңгейлі N-ші сатылы жетекті ұсынады. SMA негізіндегі дипвалераттық бұлшықет атқарушы құрылғылары ғимараттарды автоматтандырудан бастап дәл дәрілік заттарды жеткізу жүйелеріне дейін кең ауқымды қолданысқа ие.
Сүтқоректілердің бұлшықет құрылымдары сияқты биологиялық жүйелер көптеген нәзік қоздырғыштарды белсендіре алады1. Сүтқоректілерде әртүрлі бұлшықет құрылымдары болады, олардың әрқайсысы белгілі бір мақсатқа қызмет етеді. Дегенмен, сүтқоректілердің бұлшықет тінінің құрылымының көп бөлігін екі кең санатқа бөлуге болады: Параллель және бесбұрышты. Сан бұлшықеттерінде және басқа бүгілгіш бұлшықеттерде, атауынан көрініп тұрғандай, параллель бұлшықеттерде орталық сіңірге параллель бұлшықет талшықтары болады. Бұлшықет талшықтарының тізбегі айналасындағы дәнекер тінмен бір-біріне тізіліп, функционалды түрде байланысқан. Бұл бұлшықеттердің үлкен экскурсиясы бар деп айтылғанымен (пайыздық қысқару), олардың жалпы бұлшықет күші өте шектеулі. Керісінше, балтырдың үшбасты бұлшықетінде2 (латеральды балтыр бұлшықетінде (GL)3, медиальды балтыр бұлшықетінде (GM)4 және табан бұлшықетінде (SOL)) және санның жазғыш бұлшықетінде (төртбасты бұлшықетте)5,6 бесбұрышты бұлшықет тіні әр бұлшықетте7 кездеседі. Бесбұрышты құрылымда екібасты бұлшықеттегі бұлшықет талшықтары орталық сіңірдің екі жағында да қиғаш бұрыштарда (бесбұрышты бұрыштарда) болады. Пеннат латынның «penna» сөзінен шыққан, яғни «қалам» дегенді білдіреді және 1-суретте көрсетілгендей, қауырсын тәрізді көрінеді. Пеннат бұлшықеттерінің талшықтары қысқа және бұлшықеттің бойлық осіне бұрышталған. Пернат құрылымына байланысты бұл бұлшықеттердің жалпы қозғалғыштығы төмендейді, бұл қысқару процесінің көлденең және бойлық компоненттеріне әкеледі. Екінші жағынан, бұл бұлшықеттердің белсенділігі физиологиялық көлденең қима ауданын өлшеу тәсіліне байланысты жалпы бұлшықет күшінің жоғарылауына әкеледі. Сондықтан, берілген көлденең қима ауданы үшін пеннат бұлшықеттері күштірек болады және параллель талшықтары бар бұлшықеттерге қарағанда жоғары күштер тудырады. Жеке талшықтар тудыратын күштер сол бұлшықет тінінде макроскопиялық деңгейде бұлшықет күштерін тудырады. Сонымен қатар, оның тез жиырылу, созылу зақымдануынан қорғау, амортизация сияқты бірегей қасиеттері бар. Ол бұлшықеттің әрекет сызықтарымен байланысты талшық орналасуының бірегей ерекшеліктері мен геометриялық күрделілігін пайдалану арқылы талшықтың кірісі мен бұлшықет қуатының шығысы арасындағы байланысты өзгертеді.
Бимодальды бұлшықет архитектурасына қатысты қолданыстағы SMA негізіндегі жетек конструкцияларының схемалық диаграммалары көрсетілген, мысалы (a), SMA сымдарымен басқарылатын қол пішінді құрылғы екі доңғалақты автономды мобильді роботқа орнатылған тактильді күштің өзара әрекеттесуін көрсетеді9,10. , (b) Антагонистикалық орналастырылған SMA серіппелі орбиталық протезі бар роботтық орбиталық протез. Протездік көздің орналасуы көздің көз бұлшықетінен келетін сигналмен басқарылады11, (c) SMA жетектері жоғары жиілікті реакциясы мен төмен өткізу қабілеттілігіне байланысты су асты қолданбалары үшін өте қолайлы. Бұл конфигурацияда SMA жетектері балықтардың қозғалысын модельдеу арқылы толқын қозғалысын жасау үшін қолданылады, (d) SMA жетектері 10-арна ішіндегі SMA сымдарының қозғалысымен басқарылатын дюймдік құрт қозғалысы принципін қолдана алатын микроқұбырды тексеру роботын жасау үшін қолданылады, (e) бұлшықет талшықтарының жиырылу бағытын және балтыр тінінде жиырылу күшін тудыруды көрсетеді, (f) бесбұрышты бұлшықет құрылымында бұлшықет талшықтары түрінде орналасқан SMA сымдарын көрсетеді.
Жетекшілер кең ауқымды қолданылуына байланысты механикалық жүйелердің маңызды бөлігіне айналды. Сондықтан кішірек, жылдамырақ және тиімдірек жетектерге деген қажеттілік өте маңызды болып келеді. Артықшылықтарына қарамастан, дәстүрлі жетектерді күтіп ұстау қымбат және уақытты қажет ететіні дәлелденді. Гидравликалық және пневматикалық жетектері күрделі және қымбат, тозуға, майлау мәселелеріне және компоненттердің істен шығуына бейім. Сұранысқа жауап ретінде, ақылды материалдарға негізделген үнемді, өлшемі оңтайландырылған және озық жетектерді әзірлеуге баса назар аударылады. Осы қажеттілікті қанағаттандыру үшін жалғасып жатқан зерттеулер пішінді жад қорытпасынан (SMA) жасалған қабатты жетектерді қарастыруда. Иерархиялық жетектері ерекше, өйткені олар көптеген дискретті жетектерді геометриялық тұрғыдан күрделі макро масштабты кіші жүйелерге біріктіріп, функционалдылықты арттырады және кеңейтеді. Осыған байланысты, жоғарыда сипатталған адам бұлшықет тіні мұндай көп қабатты жетектің тамаша көп қабатты мысалын ұсынады. Қазіргі зерттеуде бимодальды бұлшықеттерде болатын талшықты бағдарларға сәйкес келетін бірнеше жеке жетек элементтері (SMA сымдары) бар көп деңгейлі SMA жетегі сипатталған, бұл жетектің жалпы өнімділігін жақсартады.
Жетектің негізгі мақсаты - электр энергиясын түрлендіру арқылы күш және ығысу сияқты механикалық қуат шығысын жасау. Пішінді жад қорытпалары - жоғары температурада пішінін қалпына келтіре алатын «ақылды» материалдар класы. Жоғары жүктемелер кезінде SMA сымының температурасының жоғарылауы пішіннің қалпына келуіне әкеледі, нәтижесінде әртүрлі тікелей байланысқан ақылды материалдармен салыстырғанда жоғары іске қосу энергиясының тығыздығы пайда болады. Сонымен қатар, механикалық жүктемелер кезінде SMA морт болады. Белгілі бір жағдайларда циклдік жүктеме механикалық энергияны сіңіріп, босата алады, қайтымды гистеретикалық пішін өзгерістерін көрсетеді. Бұл бірегей қасиеттер SMA-ны сенсорлар, діріл демпферлері және әсіресе жетектері үшін өте қолайлы етеді12. Осыны ескере отырып, SMA негізіндегі жетектерді зерттеу бойынша көптеген зерттеулер жүргізілді. SMA негізіндегі жетектері әртүрлі қолданбалар үшін ілгерілемелі және айналмалы қозғалысты қамтамасыз етуге арналғанын атап өткен жөн13,14,15. Кейбір айналмалы жетектері жасалғанымен, зерттеушілер сызықтық жетектерге ерекше қызығушылық танытады. Бұл сызықтық жетектерді жетектердің үш түріне бөлуге болады: бір өлшемді, ығысу және дифференциалды жетектері16. Бастапқыда гибридті жетектер SMA және басқа да дәстүрлі жетектермен бірге жасалды. SMA негізіндегі гибридті сызықтық жетектің бір мысалы - шамамен 100 Н шығыс күшін және айтарлықтай ығысуды қамтамасыз ету үшін тұрақты ток қозғалтқышы бар SMA сымын пайдалану17.
SMA негізіндегі жетектердің алғашқы әзірлемелерінің бірі SMA параллель жетек болды. Бірнеше SMA сымдарын пайдалана отырып, SMA негізіндегі параллель жетек барлық SMA18 сымдарын параллель орналастыру арқылы жетектің 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 - олардың қол жеткізе алатын шектеулі жүрісі. Бұл мәселені шешу үшін ығысуды арттыру және сызықтық қозғалысқа қол жеткізу үшін ауытқыған икемді сәулесі бар SMA кабель сәулесі жасалды, бірақ жоғары күштер тудырмады19. Пішінді жад қорытпаларына негізделген роботтарға арналған жұмсақ деформацияланатын құрылымдар мен маталарды негізінен соққыны күшейту үшін әзірледі20,21,22. Жоғары жылдамдықтар қажет болатын қолданбалар үшін микросорғымен басқарылатын қолданбалар үшін жұқа пленкалы SMA пайдаланып, ықшам басқарылатын сорғылар туралы хабарланды23. Жұқа пленкалы SMA мембранасының жетек жиілігі жүргізушінің жылдамдығын басқарудағы негізгі фактор болып табылады. Сондықтан, SMA сызықтық қозғалтқыштары SMA серіппелі немесе штангалы қозғалтқыштарға қарағанда жақсы динамикалық жауапқа ие. Жұмсақ робототехника және ұстау технологиясы - SMA негізіндегі жетектерді қолданатын тағы екі қосымша. Мысалы, 25 Н кеңістіктік қысқышта қолданылатын стандартты жетектің орнына пішінді жад қорытпасынан жасалған параллель жетек 24 жасалды. Басқа жағдайда, SMA жұмсақ жетек 30 Н максималды тарту күшін тудыруға қабілетті ендірілген матрицасы бар сым негізінде жасалды. Механикалық қасиеттеріне байланысты SMA биологиялық құбылыстарды имитациялайтын жетектерді жасау үшін де қолданылады. Осындай әзірлемелердің біріне синусоидальды қозғалысты тудыру үшін SMA бар құрт тәрізді организмнің биомиметикасы болып табылатын 12 ұяшықты робот кіреді26,27.
Бұрын айтылғандай, қолданыстағы SMA негізіндегі жетектерден алуға болатын максималды күштің шегі бар. Бұл мәселені шешу үшін бұл зерттеуде биомиметикалық бимодальды бұлшықет құрылымы ұсынылған. Пішінді жадты қорытпа сымымен басқарылады. Ол бірнеше пішінді жадты қорытпа сымдарын қамтитын жіктеу жүйесін ұсынады. Бүгінгі күнге дейін әдебиетте ұқсас архитектурасы бар SMA негізіндегі жетектері туралы хабарланбаған. SMA негізіндегі бұл бірегей және жаңа жүйе бимодальды бұлшықетті туралау кезінде SMA әрекетін зерттеу үшін жасалған. Қолданыстағы SMA негізіндегі жетектерімен салыстырғанда, бұл зерттеудің мақсаты шағын көлемде айтарлықтай жоғары күштерді тудыру үшін биомиметикалық дипвалератты жетек жасау болды. HVAC ғимаратын автоматтандыру және басқару жүйелерінде қолданылатын дәстүрлі қадамдық қозғалтқышпен басқарылатын жетектерімен салыстырғанда, ұсынылған SMA негізіндегі бимодальды жетек дизайны жетек механизмінің салмағын 67%-ға азайтады. Төменде «бұлшықет» және «жетек» терминдері бір-бірінің орнына қолданылады. Бұл зерттеу мұндай жетектің мультифизикалық модельдеуін зерттейді. Мұндай жүйелердің механикалық әрекеті эксперименттік және аналитикалық әдістермен зерттелген. Күш пен температураның таралуы 7 В кіріс кернеуінде одан әрі зерттелді. Кейіннен негізгі параметрлер мен шығыс күшінің арасындағы байланысты жақсы түсіну үшін параметрлік талдау жүргізілді. Соңында, иерархиялық жетек құрылғылары қарастырылды және протездік қолданбаларға арналған магниттік емес жетек құрылғыларының болашақтағы әлеуетті саласы ретінде иерархиялық деңгей әсерлері ұсынылды. Жоғарыда аталған зерттеулердің нәтижелеріне сәйкес, бір сатылы архитектураны пайдалану SMA негізіндегі жетек құрылғыларына қарағанда кемінде төрт-бес есе жоғары күштер тудырады. Сонымен қатар, көп деңгейлі көп деңгейлі жетекпен жасалған сол жетек күші дәстүрлі SMA негізіндегі жетектерге қарағанда он еседен астам екені көрсетілген. Содан кейін зерттеу әртүрлі конструкциялар мен кіріс айнымалылары арасындағы сезімталдықты талдауды қолдана отырып, негізгі параметрлерді хабарлайды. SMA сымының бастапқы ұзындығы (\(l_0\)), түйреуіш бұрышы (\(\alpha\)) және әрбір жеке тізбектегі жеке тізбектер саны (n) қозғаушы күштің шамасына күшті теріс әсер етеді. беріктік, ал кіріс кернеуі (энергия) оң корреляцияланған болып шықты.
SMA сымы никель-титан (Ni-Ti) қорытпалар тұқымдасында байқалатын пішінді есте сақтау эффектісін (SME) көрсетеді. Әдетте, SMA екі температураға тәуелді фазаны көрсетеді: төмен температура фазасы және жоғары температура фазасы. Екі фазаның да әртүрлі кристалдық құрылымдардың болуына байланысты бірегей қасиеттері бар. Трансформация температурасынан жоғары аустенит фазасында (жоғары температура фазасы) материал жоғары беріктік көрсетеді және жүктеме кезінде нашар деформацияланады. Қорытпа тот баспайтын болат сияқты әрекет етеді, сондықтан ол жоғары іске қосу қысымына төтеп бере алады. Ni-Ti қорытпаларының осы қасиетін пайдалана отырып, SMA сымдары жетек түзу үшін көлбеу болады. Әртүрлі параметрлер мен әртүрлі геометриялардың әсерінен SMA жылулық мінез-құлқының негізгі механикасын түсіну үшін тиісті аналитикалық модельдер әзірленді. Тәжірибелік және аналитикалық нәтижелер арасында жақсы сәйкестік алынды.
9a-суретте көрсетілген прототипте SMA негізіндегі бимодальды жетектің жұмысын бағалау үшін эксперименттік зерттеу жүргізілді. Осы қасиеттердің екеуі, жетек тудыратын күш (бұлшықет күші) және SMA сымының температурасы (SMA температурасы) эксперименттік түрде өлшенді. Жетектегі сымның бүкіл ұзындығы бойынша кернеу айырмашылығы артқан сайын, сымның температурасы Джоуль қыздыру әсеріне байланысты артады. Кіріс кернеуі екі 10 секундтық циклде қолданылды (2a, b-суреттерде қызыл нүктелер ретінде көрсетілген), әр цикл арасында 15 секундтық салқындату кезеңі болды. Блоктау күші пьезоэлектрлік кернеу өлшегішін пайдаланып өлшенді, ал SMA сымының температуралық таралуы ғылыми дәрежедегі жоғары ажыратымдылықтағы LWIR камерасын пайдаланып нақты уақыт режимінде бақыланды (2-кестеде қолданылған жабдықтың сипаттамаларын қараңыз). Жоғары кернеу фазасында сымның температурасы монотонды түрде артатынын, бірақ ток ағып кетпеген кезде сымның температурасы төмендей беретінін көрсетеді. Ағымдағы эксперименттік қондырғыда SMA сымының температурасы салқындату кезеңінде төмендеді, бірақ ол әлі де қоршаған орта температурасынан жоғары болды. 2e-суретте LWIR камерасынан алынған SMA сымындағы температураның суреті көрсетілген. Екінші жағынан, 2a-суретте жетек жүйесі тудыратын блоктау күші көрсетілген. Бұлшықет күші серіппенің қалпына келтіру күшінен асып кеткенде, 9a-суретте көрсетілгендей, қозғалмалы иін қозғала бастайды. Іске қосу басталған бойда, қозғалмалы иін сенсорға тиіп, 2c, d-суреттерде көрсетілгендей дене күшін тудырады. Максималды температура \(84\,^{\circ}\hbox {C}\-ге жақын болғанда, байқалған максималды күш 105 Н құрайды.
Графикте SMA сымының температурасы мен SMA негізіндегі бимодальды жетектің екі цикл кезінде тудыратын күштің тәжірибелік нәтижелері көрсетілген. Кіріс кернеуі екі 10 секундтық циклде (қызыл нүктелермен көрсетілген) әр цикл арасында 15 секундтық салқындату кезеңімен қолданылады. Тәжірибелер үшін пайдаланылған SMA сымы Dynalloy, Inc. компаниясының диаметрі 0,51 мм болатын Flexinol сымы болды. (a) Графикте екі цикл кезінде алынған тәжірибелік күш көрсетілген, (c, d) PACEline CFT/5kN пьезоэлектрлік күш түрлендіргішіндегі қозғалмалы қол жетектерінің әрекетінің екі тәуелсіз мысалы көрсетілген, (b) графикте екі цикл уақытындағы бүкіл SMA сымының максималды температурасы көрсетілген, (e) FLIR ResearchIR бағдарламалық жасақтамасының LWIR камерасын пайдаланып SMA сымынан алынған температуралық сурет көрсетілген. Тәжірибелерде ескерілген геометриялық параметрлер 1-кестеде келтірілген.
Математикалық модельдің модельдеу нәтижелері мен эксперименттік нәтижелер 5-суретте көрсетілгендей, кіріс кернеуі 7В болған жағдайда салыстырылады. Параметрлік талдау нәтижелеріне сәйкес және SMA сымының қызып кету мүмкіндігін болдырмау үшін жетек механизміне 11,2 Вт қуат берілді. Кіріс кернеуі ретінде 7В беру үшін бағдарламаланатын тұрақты ток көзі пайдаланылды, ал сым арқылы 1,6А ток өлшенді. Ток қолданылған кезде жетек тудыратын күш және SDR температурасы артады. Кіріс кернеуі 7В болғанда, бірінші циклдің модельдеу нәтижелері мен эксперименттік нәтижелерінен алынған максималды шығыс күші сәйкесінше 78 Н және 96 Н құрайды. Екінші циклде модельдеу және эксперименттік нәтижелердің максималды шығыс күші сәйкесінше 150 Н және 105 Н болды. Окклюзия күшінің өлшемдері мен эксперименттік деректер арасындағы сәйкессіздік окклюзия күшін өлшеу үшін қолданылатын әдіске байланысты болуы мүмкін. Эксперименттік нәтижелер 1-суретте көрсетілген. 5a бекіту күшінің өлшеміне сәйкес келеді, ол өз кезегінде жетек білігі PACEline CFT/5kN пьезоэлектрлік күш түрлендіргішімен жанасқан кезде өлшенді, 2s-суретте көрсетілгендей. Сондықтан, жетек білігі салқындату аймағының басында күш сенсорымен жанаспаған кезде, күш бірден нөлге тең болады, 2d-суретте көрсетілгендей. Сонымен қатар, кейінгі циклдарда күштің пайда болуына әсер ететін басқа параметрлер - салқындату уақытының мәндері және алдыңғы циклдегі конвективті жылу беру коэффициенті. 2b-суреттен 15 секундтық салқындату кезеңінен кейін SMA сымы бөлме температурасына жетпегенін және сондықтан екінші жүргізу циклінде бірінші циклмен (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)) салыстырғанда жоғары бастапқы температураға (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) ие болғанын көруге болады. Осылайша, бірінші циклмен салыстырғанда, екінші қыздыру цикліндегі SMA сымының температурасы бастапқы аустенит температурасына (\(A_s\)) ертерек жетеді және өтпелі кезеңде ұзағырақ болады, бұл кернеу мен күшке әкеледі. Екінші жағынан, тәжірибелер мен модельдеулерден алынған қыздыру және салқындату циклдары кезіндегі температураның таралуы термографиялық талдаудан алынған мысалдарға жоғары сапалық ұқсастыққа ие. Тәжірибелер мен модельдеулерден алынған SMA сымының термиялық деректерінің салыстырмалы талдауы қыздыру және салқындату циклдары кезінде және тәжірибелік деректер үшін қолайлы төзімділік шегінде тұрақтылықты көрсетті. Бірінші циклдің модельдеу және тәжірибелер нәтижелерінен алынған SMA сымының максималды температурасы сәйкесінше \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) және \(75\,^{\circ }\hbox {C }\) құрайды, ал екінші циклде SMA сымының максималды температурасы \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) және \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Түбегейлі әзірленген модель пішінді жад эффектісінің әсерін растайды. Бұл шолуда шаршау мен қызып кетудің рөлі қарастырылмаған. Болашақта модель SMA сымының кернеу тарихын қамтитындай етіп жетілдіріледі, бұл оны инженерлік қолданбаларға қолайлы етеді. Simulink блогынан алынған жетектің шығыс күші мен SMA температуралық графиктері кіріс кернеу импульсі 7 В болған жағдайда эксперименттік деректердің рұқсат етілген төзімділік шегінде болады. Бұл әзірленген математикалық модельдің дұрыстығы мен сенімділігін растайды.
Математикалық модель MathWorks Simulink R2020b ортасында Әдістер бөлімінде сипатталған негізгі теңдеулерді қолдана отырып жасалды. 3b суретте Simulink математикалық моделінің блок-схемасы көрсетілген. Модель 2a, b суреттерінде көрсетілгендей 7В кіріс кернеу импульсі үшін модельденді. Модельдеуде пайдаланылған параметрлердің мәндері 1-кестеде келтірілген. Өтпелі процестерді модельдеудің нәтижелері 1 және 1 суреттерде көрсетілген. 3a және 4 суреттерде. 4a,b суреттерде SMA сымындағы индукцияланған кернеу және уақыт функциясы ретінде жетекпен пайда болатын күш көрсетілген. Кері түрлендіру (қыздыру) кезінде, SMA сымының температурасы, \(T < A_s^{\prime}\) (кернеумен модификацияланған аустенит фазасының басталу температурасы), мартенсит көлемдік үлесінің өзгеру жылдамдығы (\(\dot{\xi}\)) нөлге тең болады. Кері түрлендіру (қыздыру) кезінде, SMA сымының температурасы, \(T < A_s^{\prime}\) (кернеумен модификацияланған аустенит фазасының басталу температурасы), мартенсит көлемдік үлесінің 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 (қыздыру) кезінде, SMA сымының температурасы, \(T < A_s^{\prime}\) (кернеумен модификацияланған аустениттің басталу температурасы), мартенсит көлемдік үлесінің (\(\dot{\ xi}\)) өзгеру жылдамдығы нөлге тең болады.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率（\)(\}t{\prime}\)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 (\( \dot{\ xi будет }\)). SMA сымының температурасында кері түрлендіру (қыздыру) кезінде (кернеуді ескере отырып түзетілген аустенит фазасының ядролану температурасы), мартенситтің көлемдік үлесінің өзгеру жылдамдығы (\( \dot{\ xi }\)) нөлге тең болады.Сондықтан, кернеудің өзгеру жылдамдығы (\(\dot{\sigma}\)) тек (1) теңдеуді қолданғанда ғана деформация жылдамдығына (\(\dot{\epsilon}\)) және температура градиентіне (\(\dot{T} \)) тәуелді болады. Дегенмен, SMA сымы температураны арттырып, (\(A_s^{\prime}\)) қиылысқанда, аустенит фазасы түзіле бастайды және (\(\dot{\xi}\)) (3) теңдеуінің берілген мәні ретінде алынады. Сондықтан, кернеудің өзгеру жылдамдығы (\(\dot{\sigma}\)) бірлесіп басқарылады, себебі \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) және \(\dot{\xi}\) (1) формуласында берілгенге тең болады. Бұл 4a, b суреттерінде көрсетілгендей, қыздыру циклі кезінде уақыт бойынша өзгеретін кернеу мен күш карталарында байқалатын градиент өзгерістерін түсіндіреді.
(a) SMA негізіндегі екі жақты жетекте температураның таралуын және кернеу тудыратын түйіспе температурасын көрсететін модельдеу нәтижесі. Қыздыру сатысында сым температурасы аустениттің ауысу температурасынан өткен кезде, өзгертілген аустениттің ауысу температурасы артады, сол сияқты, сым шыбықтың температурасы салқындату сатысында мартенситтің ауысу температурасынан өткен кезде, мартенситтің ауысу температурасы төмендейді. Іске қосу процесін аналитикалық модельдеуге арналған SMA. (Simulink моделінің әрбір ішкі жүйесінің егжей-тегжейлі көрінісі үшін қосымша файлдың қосымша бөлімін қараңыз.)
Әртүрлі параметрлердің таралуын талдау нәтижелері 7В кіріс кернеуінің екі циклі үшін көрсетілген (10 секундтық қыздыру циклі және 15 секундтық салқындату циклі). (ac) және (e) уақыт бойынша таралуды көрсетсе, екінші жағынан, (d) және (f) температурамен таралуды көрсетеді. Тиісті кіріс жағдайлары үшін байқалған максималды кернеу 106 МПа (345 МПа-дан аз, сымның беріктігі), күш 150 Н, максималды ығысу 270 мкм және минималды мартенситтік көлемдік үлесі 0,91 құрайды. Екінші жағынан, кернеудің өзгеруі және мартенситтің температурамен көлемдік үлесінің өзгеруі гистерезис сипаттамаларына ұқсас.
Дәл осындай түсініктеме аустенит фазасынан мартенсит фазасына тікелей трансформацияға (салқындатуға) қатысты, мұнда SMA сымының температурасы (T) және кернеумен модификацияланған мартенсит фазасының (\(M_f^{\prime}\ )) соңғы температурасы өте жақсы. 4d,f суретте SMA сымындағы индукцияланған кернеудің (\(sigma\)) және мартенситтің көлемдік үлесінің (\(xi\)) өзгеруі екі жүргізу циклі үшін SMA сымының (T) температурасының өзгеруіне байланысты көрсетілген. 3a суретте кіріс кернеуінің импульсіне байланысты SMA сымының температурасының уақыт өте келе өзгеруі көрсетілген. Суреттен көрініп тұрғандай, сымның температурасы нөлдік кернеуде жылу көзін қамтамасыз ету және кейіннен конвективті салқындату арқылы жоғарылай береді. Қыздыру кезінде мартенситтің аустенит фазасына қайта түрленуі SMA сымының температурасы (T) кернеумен түзетілген аустениттің ядролану температурасынан (\(A_s^{\prime}\)) өткен кезде басталады. Бұл фазада SMA сымы қысылады және жетек күш тудырады. Сондай-ақ, салқындату кезінде SMA сымының температурасы (T) кернеумен модификацияланған мартенсит фазасының (\(M_s^{\prime}\)) ядролану температурасынан өткен кезде аустенит фазасынан мартенсит фазасына оң ауысу болады. Қозғалтқыш күші азаяды.
SMA негізіндегі бимодальды жетектің негізгі сапалық аспектілерін модельдеу нәтижелерінен алуға болады. Кернеу импульсінің кірісі жағдайында SMA сымының температурасы Джоуль қыздыру әсеріне байланысты артады. Мартенсит көлемдік үлесінің бастапқы мәні (\(\xi\)) 1-ге орнатылады, себебі материал бастапқыда толығымен мартенситтік фазада болады. Сым қыза берген сайын, SMA сымының температурасы кернеумен түзетілген аустенит ядролану температурасынан \(A_s^{\prime}\) асып түседі, бұл 4c-суретте көрсетілгендей, мартенсит көлемдік үлесінің төмендеуіне әкеледі. Сонымен қатар, 4e-суретте жетектің жүрістерінің уақыт бойынша таралуы, ал 5-суретте - уақыт функциясы ретіндегі қозғаушы күш көрсетілген. Байланысты теңдеулер жүйесіне температура, мартенсит көлемдік үлесі және сымдағы пайда болатын кернеу кіреді, бұл SMA сымының кішіреюіне және жетек тудыратын күштің жиырылуына әкеледі. 1-суретте көрсетілгендей. 4d,f, кернеудің температураға байланысты өзгеруі және мартенсит көлемдік үлесінің температураға байланысты өзгеруі 7 В кезіндегі модельденген жағдайда SMA гистерезис сипаттамаларына сәйкес келеді.
Қозғалыс параметрлерін салыстыру тәжірибелер мен аналитикалық есептеулер арқылы алынды. Сымдар 10 секунд бойы 7 В импульстік кіріс кернеуіне ұшырады, содан кейін екі цикл бойы 15 секунд бойы (салқындату фазасы) салқындатылды. Түйіршікті бұрыш \(40^{\circ}\) деп орнатылды және әрбір түйреуіш аяғындағы SMA сымының бастапқы ұзындығы 83 мм деп орнатылды. (a) Жүктеме элементімен қозғаушы күшті өлшеу (b) Жылулық инфрақызыл камерамен сым температурасын бақылау.
Физикалық параметрлердің жетек тудыратын күшке әсерін түсіну үшін таңдалған физикалық параметрлерге математикалық модельдің сезімталдығын талдау жүргізілді және параметрлер олардың әсеріне сәйкес рейтингке ие болды. Алдымен, модель параметрлерін іріктеу біркелкі үлестірімді ұстанатын эксперименттік жобалау принциптерін қолдана отырып жүргізілді (сезімталдықты талдау туралы қосымша бөлімді қараңыз). Бұл жағдайда модель параметрлеріне кіріс кернеуі (\(V_{in}\)), бастапқы SMA сымының ұзындығы (\(l_0\)), үшбұрыш бұрышы (\(\alpha\)), ығысу серіппе тұрақтысы (\( K_x\)), конвективті жылу беру коэффициенті (\(h_T\)) және бірмодальды тармақтардың саны (n) кіреді. Келесі қадамда зерттеу дизайнының талабы ретінде бұлшықет күші шыңы таңдалды және әр айнымалылар жиынтығының беріктікке параметрлік әсері алынды. Сезімталдықты талдауға арналған торнадо графиктері 6a-суретте көрсетілгендей, әрбір параметр үшін корреляция коэффициенттерінен алынды.
(a) Модель параметрлерінің корреляция коэффициентінің мәндері және олардың жоғарыда аталған модель параметрлерінің 2500 бірегей тобының максималды шығыс күшіне әсері торнадо графигінде көрсетілген. График бірнеше индикаторлардың рангтік корреляциясын көрсетеді. \(V_{in}\) оң корреляциясы бар жалғыз параметр, ал \(l_0\) ең жоғары теріс корреляциясы бар параметр екені анық. Әртүрлі комбинациялардағы әртүрлі параметрлердің бұлшықет күшінің шыңына әсері (b, c) диаграммаларында көрсетілген. \(K_x\) 400-ден 800 Н/м-ге дейін және n 4-тен 24-ке дейін диапазонда болады. Кернеу (\(V_{in}\)) 4 В-тан 10 В-қа дейін өзгерді, сым ұзындығы (\(l_{0} \)) 40-тан 100 мм-ге дейін өзгерді, ал құйрық бұрышы (\(\alpha \)) \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\) аралығында өзгерді.
6a-суретте шыңдық жетек күшінің жобалау талаптарымен әр параметр үшін әртүрлі корреляция коэффициенттерінің торнадо графигі көрсетілген. 6a-суретте кернеу параметрінің (\(V_{in}\)) максималды шығыс күшімен тікелей байланысты екенін және конвективті жылу беру коэффициентінің (\(h_T\)), жалын бұрышының (\(\alpha\)), ығысу серіппе тұрақтысының (\(K_x\)) шығыс күшімен және SMA сымының бастапқы ұзындығымен (\(l_0\)) теріс корреляцияланғанын және унимодальды тармақтардың саны (n) күшті кері корреляцияны көрсетеді. Тікелей корреляция жағдайында кернеу корреляция коэффициентінің (\(V_{in}\)) жоғары мәні жағдайында бұл параметрдің қуат шығысына ең үлкен әсер ететінін көрсетеді. Тағы бір ұқсас талдау 6b, c суреттерінде көрсетілгендей, екі есептеу кеңістігінің әртүрлі комбинацияларындағы әртүрлі параметрлердің әсерін бағалау арқылы шыңдық күшті өлшейді. \(V_{in}\) және \(l_0\), \(\alpha\) және \(l_0\) ұқсас заңдылықтарға ие, және график \(V_{in}\) және \(\alpha\) және \(\alpha\) ұқсас заңдылықтарға ие екенін көрсетеді. \(l_0\) кіші мәндері жоғары шың күштеріне әкеледі. Қалған екі график 6a-суретке сәйкес келеді, мұндағы n және \(K_x\) теріс корреляцияланған, ал \(V_{in}\) оң корреляцияланған. Бұл талдау жетек жүйесінің шығыс күшін, жүрісін және тиімділігін талаптар мен қолдануға бейімдеуге болатын әсер етуші параметрлерді анықтауға және реттеуге көмектеседі.
Қазіргі зерттеу жұмыстары N деңгейлі иерархиялық жетектерді енгізеді және зерттейді. 7a суретте көрсетілгендей, екі деңгейлі иерархияда, мұнда бірінші деңгейлі жетектің әрбір SMA сымының орнына 9e суретте көрсетілгендей, бимодальды орналасуға қол жеткізіледі. 7c суретте SMA сымының тек бойлық бағытта қозғалатын қозғалмалы иінге (қосалқы иінге) қалай оралғаны көрсетілген. Дегенмен, негізгі қозғалмалы иін 1-ші сатылы көп сатылы жетектің қозғалмалы иінімен бірдей қозғалысты жалғастырады. Әдетте, N сатылы жетек \(N-1\) сатылы SMA сымын бірінші сатылы жетекпен ауыстыру арқылы жасалады. Нәтижесінде, әрбір тармақ бірінші сатылы жетекті имитациялайды, сымды ұстап тұратын тармақты қоспағанда. Осылайша, негізгі жетектердің күштерінен бірнеше есе үлкен күштер тудыратын ұяшық құрылымдарды құруға болады. Бұл зерттеуде әрбір деңгей үшін 7d суретте кестелік форматта көрсетілгендей, 1 м жалпы тиімді SMA сымының ұзындығы ескерілді. Әрбір унимодальды конструкциядағы әрбір сым арқылы өтетін ток күші және әрбір SMA сым сегментіндегі алдын ала кернеу мен кернеу әр деңгейде бірдей. Біздің аналитикалық моделімізге сәйкес, шығыс күші деңгеймен оң корреляцияланған, ал ығысу теріс корреляцияланған. Сонымен қатар, ығысу мен бұлшықет күші арасында ымыраға келу болды. 7b-суретте көрсетілгендей, ең көп қабаттарда максималды күшке қол жеткізілсе, ең үлкен ығысу ең төменгі қабатта байқалады. Иерархия деңгейі \(N=5\) деп орнатылған кезде, 2 байқалған соққымен \(\upmu\)m соққымен 2,58 кН ең жоғары бұлшықет күші табылды. Екінші жағынан, бірінші сатылы жетек 277 \(\upmu\)m соққымен 150 Н күш тудырады. Көп деңгейлі жетектер нақты биологиялық бұлшықеттерді имитациялай алады, мұнда пішінді есте сақтау қорытпаларына негізделген жасанды бұлшықеттер дәл және нәзік қозғалыстармен айтарлықтай жоғары күштерді тудыра алады. Бұл миниатюралық дизайнның шектеулері иерархия өскен сайын қозғалыс айтарлықтай азаяды және жетек өндірісінің күрделілігі артады.
(a) Екі сатылы (\(N=2\)) қабатты пішінді жады бар қорытпадан жасалған сызықтық жетек жүйесі бимодальды конфигурацияда көрсетілген. Ұсынылған модель бірінші сатылы қабатты жетектегі SMA сымын басқа бір сатылы қабатты жетекпен ауыстыру арқылы қол жеткізіледі. (c) Екінші сатылы көп қабатты жетектің деформацияланған конфигурациясы. (b) Деңгейлер санына байланысты күштер мен ығысулардың таралуы сипатталған. Жетектің шың күші графиктегі масштаб деңгейімен оң корреляцияланған, ал жүріс масштаб деңгейімен теріс корреляцияланғаны анықталды. Әрбір сымдағы ток және алдын ала кернеу барлық деңгейде тұрақты болып қалады. (d) Кестеде әр деңгейде SMA сымының (талшықтың) ілмектерінің саны және ұзындығы көрсетілген. Сымдардың сипаттамалары 1 индексімен, ал екінші тармақтардың саны (біреуі негізгі аяққа қосылған) индекстегі ең үлкен санмен көрсетіледі. Мысалы, 5-деңгейде, \(n_1\) әрбір бимодальды құрылымда бар SMA сымдарының санын, ал \(n_5\) көмекші аяқтардың санын (негізгі аяққа қосылған біреуі) білдіреді.
Көптеген зерттеушілер пішін жады бар SMA-лардың мінез-құлқын модельдеу үшін әртүрлі әдістерді ұсынды, олар фазалық ауысумен байланысты кристалдық құрылымдағы макроскопиялық өзгерістермен бірге жүретін термомеханикалық қасиеттерге байланысты. Құрылымдық әдістердің тұжырымдамасы өте күрделі. Ең жиі қолданылатын феноменологиялық модельді Tanaka28 ұсынған және инженерлік қолданбаларда кеңінен қолданылады. Tanaka [28] ұсынған феноменологиялық модель мартенситтің көлемдік үлесі температура мен кернеудің экспоненциалды функциясы деп болжайды. Кейінірек, Лян мен Роджерс29 және Бринсон30 фазалық ауысу динамикасы кернеу мен температураның косинус функциясы деп есептелетін модельді ұсынды, модельге аздаған өзгерістер енгізілді. Беккер мен Бринсон SMA материалдарының кез келген жүктеме жағдайларында, сондай-ақ ішінара ауысулар кезіндегі мінез-құлқын модельдеу үшін фазалық диаграммаға негізделген кинетикалық модельді ұсынды. Banerjee32 Элахиния мен Ахмадиан33 әзірлеген бір еркіндік дәрежесі манипуляторын модельдеу үшін Беккер мен Бринсон31 фазалық диаграмма динамикасы әдісін қолданады. Фазалық диаграммаларға негізделген кинетикалық әдістерді температурамен байланысты кернеудің монотонды емес өзгеруін ескере отырып, инженерлік қолданбаларда енгізу қиын. Элахиния мен Ахмадиан қолданыстағы феноменологиялық модельдердің осы кемшіліктеріне назар аударады және кез келген күрделі жүктеме жағдайларында пішін жадысының мінез-құлқын талдау және анықтау үшін кеңейтілген феноменологиялық модельді ұсынады.
SMA сымының құрылымдық моделі SMA сымының кернеуін (\(сигма\)), деформациясын (\(эпсилон\)), температурасын (T) және мартенсит көлемдік үлесін (\(xi\)) береді. Феноменологиялық конститутивті модельді алғаш рет Танака28 ұсынды, кейінірек Лян29 мен Бринсон30 қабылдады. Теңдеудің туындысы келесі түрге ие:
мұндағы E - Янг модулін білдіретін \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) және \(E_A\) және \(E_M\) арқылы алынған фазаға тәуелді SMA Янг модулі, сәйкесінше аустениттік және мартенситтік фазалар болып табылады, ал жылулық кеңею коэффициенті \(\theta_T\) арқылы көрсетіледі. Фазалық ауысуға үлес қосу коэффициенті \(\Omega = -E \epsilon_L\) және \(\epsilon_L\) - SMA сымындағы максималды қалпына келтірілетін деформация.
Фазалық динамика теңдеуі Liang29 әзірлеген және кейінірек Tanaka28 ұсынған экспоненциалды функцияның орнына Brinson30 қабылдаған косинус функциясымен сәйкес келеді. Фазалық ауысу моделі - Elakhinia мен Ahmadian34 ұсынған және Liang29 мен Brinson30 берген фазалық ауысу шарттарына негізделген модификацияланған модельдің кеңейтімі. Бұл фазалық ауысу моделі үшін қолданылатын шарттар күрделі термомеханикалық жүктемелер кезінде жарамды. Уақыттың әрбір сәтінде конститутивті теңдеуді модельдеу кезінде мартенситтің көлемдік үлесінің мәні есептеледі.
Қыздыру жағдайында мартенситтің аустенитке айналуымен өрнектелетін басқарушы ретрансформация 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 \(C_A\) – қисық жуықтау параметрлері, T – SMA сым температурасы, \(A_s\) және \(A_f\) – сәйкесінше аустенит фазасының басы мен соңы, температура.
Аустениттің салқындату жағдайында мартенситке фазалық түрленуімен көрсетілген тікелей түрленуді басқару теңдеуі:
мұндағы \(xi_A\) - салқындату алдында алынған мартенситтің көлемдік үлесі, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) және \(C_M\) – қисықтың сәйкес келу параметрлері, T – SMA сымының температурасы, \(M_s\) және \(M_f\) – сәйкесінше бастапқы және соңғы мартенсит температуралары.
(3) және (4) теңдеулері дифференциалданғаннан кейін, кері және тура түрлендіру теңдеулері келесі түрге жеңілдетіледі:
Тура және кері түрлендіру кезінде \(\eta _{\sigma}\) және \(\eta _{T}\) әртүрлі мәндерді қабылдайды. \(\eta _{\sigma}\) және \(\eta _{T}\)-мен байланысты негізгі теңдеулер қосымша бөлімде алынып, егжей-тегжейлі талқыланды.
SMA сымының температурасын көтеру үшін қажетті жылу энергиясы Джоуль қыздыру әсерінен пайда болады. SMA сымымен сіңірілетін немесе бөлінетін жылу энергиясы түрлендірудің жасырын жылуымен көрсетіледі. SMA сымындағы жылу шығыны мәжбүрлі конвекцияға байланысты және сәулеленудің елеусіз әсерін ескере отырып, жылу энергиясының баланс теңдеуі келесідей:
Мұндағы \(m_{wire}\) - SMA сымының жалпы массасы, \(c_{p}\) - SMA меншікті жылу сыйымдылығы, \(V_{in}\) - сымға қолданылатын кернеу, \(R_{ohm} \ ) – фазаға тәуелді кедергі SMA, келесідей анықталады: \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-xi )r_A]\ ) мұндағы \(r_M\) және \(r_A\) - сәйкесінше мартенсит пен аустениттегі SMA фазалық кедергісі, \(A_{c}\) - SMA сымының беткі ауданы, \(\Delta H\) - пішінді жад қорытпасы. Сымның жасырын өту жылуы T және \(T_{\infty}\) - сәйкесінше SMA сымының және қоршаған ортаның температурасы.
Пішінді жады бар қорытпа сымы іске қосылған кезде, сым қысылып, бимодальды дизайнның әрбір тармағында талшықты күш деп аталатын күш пайда болады. SMA сымының әрбір тізбегіндегі талшықтардың күштері бірге 9e-суретте көрсетілгендей, іске қосылатын бұлшықет күшін тудырады. Қиғаш серіппенің болуына байланысты N-ші көп қабатты жетектің жалпы бұлшықет күші:
(7) теңдеуіне \(N = 1\) қойып, 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 талшықтың беріктігі, \(K_x\) – серіппенің ығысу қаттылығы, \(\альфа\) – үшбұрыштың бұрышы, \(x_0\) – SMA кабелін алдын ала керілген күйде ұстап тұру үшін ығысу серіппесінің бастапқы ығысуы, ал \(\Delta x\) – жетектің жүрісі.
N-ші сатыдағы SMA сымындағы кернеуге (\(\sigma\)) және деформацияға (\(\epsilon\)) байланысты жетектің толық ығысуы немесе қозғалысы (\(\Delta x\)) жетектің келесіге орнатылғанын көрсетеді (шығыстың қосымша бөлігінің суретін қараңыз):
Кинематикалық теңдеулер жетек деформациясы (\(\epsilon\)) мен ығысу немесе ығысу (\(\Delta x\) арасындағы байланысты береді. Бір унимодальды тармақтағы кез келген t уақыттағы бастапқы Arb сымының ұзындығына (\(l_0\)) және сым ұзындығына (l) байланысты 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 ' жүйесіндегі косинус формуласын қолдану арқылы алынады. Бірінші сатылы жетек үшін (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) \(\Delta x\), ал \(\alpha _1\) \(\alpha \) болып табылады, көрсетілгендей. 8-суретте көрсетілгендей, (11) теңдеуінен уақытты дифференциалдау және l мәнін қою арқылы деформация жылдамдығын келесідей жазуға болады:
мұндағы \(l_0\) - SMA сымының бастапқы ұзындығы, l - бір унимодальды тармақтағы кез келген t уақытындағы сымның ұзындығы, \(\epsilon\) - SMA сымында дамыған деформация, ал \(\alpha\) - үшбұрыштың бұрышы, \(\Delta x\) - жетектің ығысуы (8-суретте көрсетілгендей).
Барлық n бір шыңдық құрылымдар (бұл суретте \(n=6 \)) кіріс кернеуі ретінде \(V_{in}\) болатын тізбектей қосылған. I кезең: Нөлдік кернеу жағдайындағы бимодальды конфигурациядағы SMA сымының схемалық диаграммасы II кезең: Қызыл сызықпен көрсетілгендей, SMA сымының кері түрлендіруге байланысты сығылған басқарылатын құрылым көрсетілген.
Тұжырымдаманың дәлелі ретінде, негізгі теңдеулердің модельденген туындысын эксперименттік нәтижелермен тексеру үшін SMA негізіндегі бимодальды жетек жасалды. Бимодальды сызықтық жетектің CAD моделі 9a суретте көрсетілген. Екінші жағынан, 9c суретте бимодальды құрылымы бар екі жазықтықты SMA негізіндегі жетек көмегімен айналмалы призмалық қосылымға ұсынылған жаңа дизайн көрсетілген. Жетек компоненттері Ultimaker 3 Extended 3D принтерінде аддитивті өндірісті қолдану арқылы жасалған. Компоненттерді 3D басып шығару үшін қолданылатын материал - берік, берік және жоғары шыны ауысу температурасына ие болғандықтан (110-113 C) ыстыққа төзімді материалдарға жарамды поликарбонат. Сонымен қатар, эксперименттерде Dynalloy, Inc. Flexinol пішінді жады қорытпасынан жасалған сымы пайдаланылды, ал модельдеулерде Flexinol сымына сәйкес келетін материалдық қасиеттер пайдаланылды. 9b, d суреттерінде көрсетілгендей, көп қабатты жетектердің жоғары күштерін алу үшін бірнеше SMA сымдары бұлшықеттердің бимодальды орналасуында орналасқан талшықтар ретінде орналастырылған.
9a-суретте көрсетілгендей, қозғалмалы иінді SMA сымы қалыптастырған өткір бұрыш бұрыш (\(\альфа\)) деп аталады. Сол және оң жақ қысқыштарға терминал қысқыштары бекітілген кезде, SMA сымы қажетті бимодальды бұрышта ұсталады. Серіппе қосқышында ұсталатын ығысу серіппесінің құрылғысы SMA талшықтарының санына (n) сәйкес әртүрлі ығысу серіппесінің ұзарту топтарын реттеуге арналған. Сонымен қатар, қозғалмалы бөліктердің орналасуы SMA сымы мәжбүрлі конвекциялық салқындату үшін сыртқы ортаға ұшырайтындай етіп жасалған. Алынбалы құрастырманың жоғарғы және төменгі пластиналары салмақты азайтуға арналған экструзиялық кесіктермен SMA сымын салқын ұстауға көмектеседі. Сонымен қатар, CMA сымының екі ұшы да сол және оң жақ терминалдарға тиісінше қысқыш арқылы бекітіледі. Жоғарғы және төменгі пластиналар арасындағы саңылауды сақтау үшін қозғалмалы құрастырманың бір ұшына поршень бекітілген. Поршень сонымен қатар SMA сымы іске қосылған кезде блоктау күшін өлшеу үшін сенсорға түйіспе арқылы блоктау күшін қолдану үшін қолданылады.
SMA бимодальды бұлшықет құрылымы электрлік түрде тізбектей жалғанған және кіріс импульстік кернеумен қоректенеді. Кернеу импульстік циклі кезінде кернеу берілгенде және SMA сымы аустениттің бастапқы температурасынан жоғары қыздырылғанда, әрбір тізбектегі сымның ұзындығы қысқарады. Бұл тартылу қозғалмалы иіннің ішкі жинағын іске қосады. Сол циклде кернеу нөлге теңестірілгенде, қыздырылған SMA сымы мартенсит бетінің температурасынан төмен салқындатылып, бастапқы қалпына оралады. Нөлдік кернеу жағдайында SMA сымы алдымен анықталған мартенситтік күйге жету үшін ығысу серіппесі арқылы пассивті түрде созылады. SMA сымы өтетін бұранда SMA сымына кернеу импульсін қолдану арқылы пайда болған қысу салдарынан қозғалады (SPA аустенит фазасына жетеді), бұл қозғалмалы тұтқаның іске қосылуына әкеледі. SMA сымы тартылған кезде, ығысу серіппесі серіппені одан әрі созу арқылы қарама-қарсы күш жасайды. Импульстік кернеудегі кернеу нөлге тең болғанда, SMA сымы мәжбүрлі конвекциялық салқындату салдарынан созылып, пішінін өзгертеді, қос мартенситтік фазаға жетеді.
Ұсынылған SMA негізіндегі сызықтық жетек жүйесі SMA сымдары бұрышталған бимодальды конфигурацияға ие. (a) прототиптің CAD моделін бейнелейді, онда кейбір компоненттер және олардың прототип үшін мағыналары айтылады, (b, d) әзірленген эксперименттік прототипті білдіреді35. (b) электрлік қосылыстары, ығысу серіппелері және кернеу өлшегіштері қолданылған прототиптің жоғарғы көрінісін көрсетсе, (d) қондырғының перспективалық көрінісін көрсетеді. (e) SMA сымдары кез келген t уақытында бимодальды түрде орналастырылған, талшықтың бағыты мен бағытын және бұлшықет күшін көрсететін сызықтық жетек жүйесінің диаграммасы. (c) Екі жазықтықты SMA негізіндегі жетек орнату үшін 2-DOF айналмалы призмалық қосылым ұсынылды. Көрсетілгендей, буын төменгі жетектен жоғарғы иінге сызықтық қозғалысты береді, айналмалы қосылымды жасайды. Екінші жағынан, призмалар жұбының қозғалысы көп қабатты бірінші сатылы жетектің қозғалысымен бірдей.
9b-суретте көрсетілген прототипте SMA негізіндегі бимодальды жетектің жұмысын бағалау үшін эксперименттік зерттеу жүргізілді. 10a-суретте көрсетілгендей, эксперименттік қондырғы SMA сымдарына кіріс кернеуін беру үшін бағдарламаланатын тұрақты ток қуат көзінен тұрды. 10b-суретте көрсетілгендей, Graphtec GL-2000 деректер тіркеушісін пайдаланып блоктау күшін өлшеу үшін пьезоэлектрлік тензорометр (PACEline CFT/5kN) пайдаланылды. Деректер хостпен әрі қарай зерттеу үшін жазылады. Дезорометрлер мен заряд күшейткіштері кернеу сигналын шығару үшін тұрақты қуат көзін қажет етеді. Тиісті сигналдар пьезоэлектрлік күш сенсорының сезімталдығына және 2-кестеде сипатталғандай басқа параметрлерге сәйкес қуат шығыстарына түрлендіріледі. Кернеу импульсі қолданылған кезде, SMA сымының температурасы артады, бұл SMA сымының қысылуына әкеледі, бұл жетектің күш тудыруына әкеледі. 7 В кіріс кернеу импульсінің бұлшықет күшінің шығуының эксперименттік нәтижелері 2a-суретте көрсетілген.
(a) Экспериментте жетек тудыратын күшті өлшеу үшін SMA негізіндегі сызықтық жетек жүйесі орнатылды. Жүктеме элементі блоктау күшін өлшейді және 24 В тұрақты ток көзімен қоректенеді. GW Instek бағдарламаланатын тұрақты ток көзімен кабельдің бүкіл ұзындығына 7 В кернеу төмендеуі қолданылды. SMA сымы қызу әсерінен кішірейеді, ал қозғалмалы қол жүктеме элементіне тиіп, блоктау күшін тудырады. Жүктеме элементі GL-2000 деректер тіркеушісіне қосылған және деректер одан әрі өңдеу үшін хостта сақталады. (b) Бұлшықет күшін өлшеуге арналған эксперименттік қондырғының компоненттер тізбегін көрсететін диаграмма.
Пішін жады қорытпалары жылу энергиясымен қоздырылады, сондықтан температура пішін жады құбылысын зерттеу үшін маңызды параметрге айналады. Тәжірибе жүзінде, 11a-суретте көрсетілгендей, SMA негізіндегі екі жақты жетектегіш прототипінде жылу бейнелеу және температураны өлшеу жүргізілді. Бағдарламаланатын тұрақты ток көзі 11b-суретте көрсетілгендей, тәжірибелік қондырғыдағы SMA сымдарына кіріс кернеуін берді. SMA сымының температура өзгерісі жоғары ажыратымдылықтағы LWIR камерасын (FLIR A655sc) пайдаланып нақты уақыт режимінде өлшенді. Хост одан әрі өңдеу үшін деректерді жазу үшін ResearchIR бағдарламалық жасақтамасын пайдаланады. Кернеу импульсі қолданылған кезде, SMA сымының температурасы артады, бұл SMA сымының кішіреюіне әкеледі. 2b-суретте 7В кіріс кернеу импульсі үшін SMA сымының температурасының уақытқа тәуелділігінің тәжірибелік нәтижелері көрсетілген.