Spas ji bo serdana Nature.com. Guhertoya geroka ku hûn bikar tînin piştgiriya CSS-ê bi sînor e. Ji bo ezmûna çêtirîn, em pêşniyar dikin ku hûn gerokek nûvekirî bikar bînin (an jî Moda Lihevhatinê di Internet Explorer-ê de neçalak bikin). Di vê navberê de, ji bo ku piştgiriya domdar misoger bikin, em ê malperê bêyî şêwaz û JavaScript-ê nîşan bidin.
Aktûator li her derê têne bikar anîn û bi sepandina hêza rast a hejandinê an jî torkê ji bo pêkanîna operasyonên cûrbecûr di otomasyona çêkirin û pîşesaziyê de tevgera kontrolkirî diafirînin. Pêdiviya ajokarên bileztir, piçûktir û bikêrtir di sêwirana ajokaran de nûjeniyê diafirîne. Ajokarên Alloy Bîra Şeklê (SMA) li gorî ajokarên kevneşopî gelek avantajan pêşkêş dikin, di nav de rêjeyek bilind a hêz-giraniyê. Di vê tezê de, aktûatorek du-perî ya li ser bingeha SMA hate pêşve xistin ku avantajên masûlkeyên perî yên pergalên biyolojîkî û taybetmendiyên bêhempa yên SMA-yan li hev dicivîne. Ev lêkolîn aktûatorên SMA yên berê vedikole û dirêj dike bi pêşxistina modelek matematîkî ya aktûatora nû li ser bingeha rêzkirina têla SMA ya dumodal û ceribandina wê bi awayekî ceribandinî. Li gorî ajokarên naskirî yên li ser bingeha SMA, hêza aktûasyonê ya ajokarê nû bi kêmî ve 5 caran bilindtir e (heta 150 N). Windakirina giraniya têkildar bi qasî 67% e. Encamên analîza hesasiyetê ya modelên matematîkî ji bo mîhengkirina parametreyên sêwiranê û têgihîştina parametreyên sereke kêrhatî ne. Ev lêkolîn ajokarek qonaxa N-asta pir-astî pêşkêş dike ku dikare ji bo baştirkirina dînamîkê bêtir were bikar anîn. Aktuatorên masûlkeyên dipvalerate yên li ser bingeha SMA xwedî cûrbecûr serîlêdanan in, ji otomasyona avahiyan bigire heya pergalên radestkirina dermanan ên bi hûrgulî.
Sîstemên biyolojîk, wekî avahiyên masûlkeyên memikan, dikarin gelek çalakkerên nazik çalak bikin1. Memikan avahiyên masûlkeyên cuda hene, ku her yek ji wan armancek taybetî pêk tîne. Lêbelê, piraniya avahiya tevna masûlkeyên memikan dikare li du kategoriyên berfireh were dabeş kirin. Paralel û pennate. Di masûlkeyên paş çokan û flexorên din de, wekî ku nav jê diyar e, masûlkeyên paralel xwedî fîberên masûlkeyan in ku paralel bi tendona navendî re ne. Zincîra fîberên masûlkeyan bi tevna girêdanê ya li dora wan ve bi fonksiyonel ve girêdayî ye û rêzkirî ye. Her çend tê gotin ku ev masûlke xwedî derketinek mezin (kurtbûna ji sedî) ne jî, hêza wan a giştî ya masûlkeyan pir sînordar e. Berevajî vê, di masûlkeya çokê ya triceps2 (gastrocnemius lateral (GL)3, gastrocnemius medial (GM)4 û soleus (SOL)) û dirêjkirina femoris (quadriceps)5,6 de tevna masûlkeya pennate di her masûlkeyê de tê dîtin7. Di avahiyek pinnate de, fîberên masûlkeyan di masûlkeyên du-pennate de li her du aliyên tendona navendî di goşeyên oblîk (goşeyên pinnate) de hene. Peyva pennate ji peyva latînî "penna" tê, ku tê wateya "qelem", û wekî ku di şekil 1 de tê xuyang kirin, xuyangek mîna perr heye. Rîşên masûlkeyên pennate kurttir û bi goşeyî li gorî eksena dirêjahî ya masûlkeyê ne. Ji ber avahiya pennate, tevgera giştî ya van masûlkeyan kêm dibe, ku dibe sedema pêkhateyên transversal û dirêjahî yên pêvajoya kurtkirinê. Ji aliyekî din ve, aktîvkirina van masûlkeyan dibe sedema hêza giştî ya masûlkeyan ji ber awayê pîvandina qada xaçerêya fîzyolojîkî. Ji ber vê yekê, ji bo qadeke xaçerêya diyarkirî, masûlkeyên pennate dê bihêztir bin û dê hêzên bilindtir ji masûlkeyên bi rîşên paralel çêbikin. Hêzên ku ji hêla rîşên takekesî ve têne çêkirin hêzên masûlkeyan di asta makroskopîk de di wê tevna masûlkeyê de çêdikin. Wekî din, ew xwedan taybetmendiyên bêhempa ye wekî piçûkbûna bilez, parastina li dijî zirara kişandinê, nermkirin. Ew têkiliya di navbera têketina rîşê û derana hêza masûlkeyan de diguherîne bi karanîna taybetmendiyên bêhempa û tevliheviya geometrîkî ya rêzkirina rîşê ya bi xetên çalakiyê yên masûlkeyan ve girêdayî.
Diyagramên şematîk ên sêwiranên aktûatorên heyî yên li ser bingeha SMA-yê di têkiliya bi mîmariya masûlkeya dumodal de têne nîşandan, mînakî (a), ku têkiliya hêza destdanê temsîl dike ku tê de amûrek bi şiklê destan ku ji hêla têlên SMA ve tê aktîvkirin li ser robotek mobîl a du-teker a xweser tê siwarkirin9,10. , (b) Proteza orbitalê ya robotîk bi proteza orbitalê ya biharê ya SMA-yê ya bi awayekî dijberî hatî danîn. Cihê çavê protez ji hêla sînyalek ji masûlkeya çav a çav ve tê kontrol kirin11, (c) Aktûatorên SMA ji bo sepanên binavî îdeal in ji ber bersiva wan a frekansê ya bilind û bandfirehiya nizm. Di vê konfigurasyonê de, aktûatorên SMA ji bo afirandina tevgera pêlan bi simulasyona tevgera masiyan têne bikar anîn, (d) Aktûatorên SMA ji bo afirandina robotek vekolîna mîkro lûleyê têne bikar anîn ku dikare prensîba tevgera kurmê înç bikar bîne, ku ji hêla tevgera têlên SMA di hundurê kanala 10-an de tê kontrol kirin, (e) rêça girjbûna fîberên masûlkeyan û çêkirina hêza girjbûnê di tevna gastrocnemius de nîşan dide, (f) têlên SMA yên ku bi şiklê fîberên masûlkeyan di avahiya masûlkeya pennate de hatine rêz kirin nîşan dide.
Ji ber cûrbecûr sepanên xwe, aktuator bûne beşek girîng a pergalên mekanîkî. Ji ber vê yekê, hewcedariya ajokarên piçûktir, bileztir û bikêrtir dibe krîtîk. Tevî avantajên wan, ajokarên kevneşopî îspat kirine ku lêçûn û lênêrîna wan demdirêj e. Aktuatorên hîdrolîk û pneumatîk tevlihev û biha ne û di bin bandora aşîn, pirsgirêkên rûnkirinê û têkçûna pêkhateyan de ne. Li gorî daxwazê, balê dikişîne ser pêşxistina aktuatorên lêçûn-bandor, mezinahî-optîmîzekirî û pêşkeftî yên li ser bingeha materyalên jîr. Lêkolîna berdewam li aktuatorên qatqatî yên hevbendiya bîra şeklê (SMA) dinêre da ku vê hewcedariyê bicîh bîne. Aktuatorên hiyerarşîk bêhempa ne ji ber ku ew gelek aktuatorên cihêreng di binsîstemên makro-pîvana geometrîkî yên tevlihev de dikin yek da ku fonksiyonek zêde û berfireh peyda bikin. Di vî warî de, tevna masûlkeya mirovan a ku li jor hatî vegotin mînakek pirqatî ya hêja ya aktuasyona pirqatî ya wusa peyda dike. Lêkolîna heyî ajokarek SMA ya pir-astî vedibêje ku çend hêmanên ajotinê yên takekesî (têlên SMA) li gorî arasteyên fîberê yên di masûlkeyên dumodal de hene, ku performansa ajotinê ya giştî baştir dike.
Armanca sereke ya aktûatorê ew e ku bi veguherandina enerjiya elektrîkê hêza mekanîkî ya wekî hêz û cihguherînê çêbike. Alavên bîra şeklê çînek materyalên "zîrek" in ku dikarin şeklê xwe di germahiyên bilind de vegerînin. Di bin barên bilind de, zêdebûna germahiya têla SMA dibe sedema vegerandina şeklê, ku di encamê de dendika enerjiya aktûasyonê li gorî cûrbecûr materyalên jîr ên rasterast girêdayî de bilindtir dibe. Di heman demê de, di bin barên mekanîkî de, SMA şikestî dibin. Di hin mercan de, barek çerxî dikare enerjiya mekanîkî bimijîne û berde, guhertinên şeklê hîsteretîk ên berevajî nîşan dide. Ev taybetmendiyên bêhempa SMA-yê ji bo sensoran, kêmkirina lerzînê û bi taybetî aktûatoran îdeal dikin12. Bi vê yekê di hişê xwe de, gelek lêkolîn li ser ajokarên bingeha SMA-yê hatine kirin. Divê were zanîn ku aktûatorên bingeha SMA-yê ji bo peyda kirina tevgera wergerî û zivirî ji bo cûrbecûr serîlêdanan hatine çêkirin13,14,15. Her çend hin aktûatorên zivirî hatine pêşve xistin jî, lêkolîner bi taybetî bi aktûatorên xêzikî re eleqedar dibin. Ev aktûatorên xêzikî dikarin li sê celeb aktûatoran werin dabeş kirin: aktûatorên yek-alî, cihguherîn û cûdahî 16. Di destpêkê de, ajokarên hîbrîd bi hev re bi SMA û ajokarên din ên kevneşopî hatin afirandin. Nimûneyek ji vî rengî ya aktûatorek xêzikî ya hîbrîd a li ser bingeha SMA-yê karanîna têlek SMA bi motorek DC ye ku hêzek derketinê ya dora 100 N û cihguherînek girîng peyda bike17.
Yek ji pêşveçûnên pêşîn di ajokarên ku bi tevahî li ser bingeha SMA-yê ne, ajokara paralel a SMA-yê bû. Bi karanîna gelek têlên SMA-yê, ajokara paralel a li ser bingeha SMA-yê ji bo zêdekirina kapasîteya hêzê ya ajokarê bi danîna hemî têlên SMA18 bi paralel hatiye sêwirandin. Girêdana paralel a aktuatoran ne tenê hêzek bêtir hewce dike, lê di heman demê de hêza derketinê ya yek têl jî sînordar dike. Dezavantajek din a aktuatorên li ser bingeha SMA-yê rêwîtiya sînorkirî ye ku ew dikarin bi dest bixin. Ji bo çareserkirina vê pirsgirêkê, tîrêjek kabloya SMA-yê hate afirandin ku tîrêjek nerm a veqetandî dihewîne da ku cihguherînê zêde bike û tevgera xêzikî bi dest bixe, lê hêzên bilindtir çênekir19. Avahiyên nerm ên deformasyonkirî û qumaşên ji bo robotên li ser bingeha alloyên bîra şeklê bi giranî ji bo zêdekirina bandorê hatine pêşve xistin20,21,22. Ji bo serîlêdanên ku leza bilind hewce ne, pompên ajotina kompakt bi karanîna SMA-yên fîlima zirav ji bo serîlêdanên ajotina mîkropompê hatine ragihandin23. Frekansa ajotinê ya membrana SMA-ya fîlima zirav faktorek sereke ye di kontrolkirina leza ajokar de. Ji ber vê yekê, motorên xêzik ên SMA bersivek dînamîk a çêtir ji motorên biharê an çîpê yên SMA-yê hene. Robotîka nerm û teknolojiya girtinê du sepanên din in ku aktuatorên li ser bingeha SMA-yê bikar tînin. Bo nimûne, ji bo şûna aktuatora standard a ku di kelepçeya fezayê ya 25 N de tê bikar anîn, aktuatorek paralel a ji alloyek bîra şeklê 24 hate pêşve xistin. Di rewşek din de, aktuatorek nerm a SMA-yê li ser bingeha têlek bi matrîksek çandî ku dikare hêza kişandinê ya herî zêde 30 N hilberîne hate çêkirin. Ji ber taybetmendiyên wan ên mekanîkî, SMA jî ji bo hilberandina aktuatorên ku diyardeyên biyolojîkî dişibin hev têne bikar anîn. Yek ji van pêşkeftinan robotek 12-hucreyî vedihewîne ku biyomîmetîkek organîzmayek mîna kurmikên erdê ye ku bi SMA re ye da ku tevgerek sînusoîdal ji bo agir çêbike26,27.
Wekî ku berê jî hate gotin, sînorek ji bo hêza herî zêde heye ku dikare ji aktuatorên heyî yên li ser bingeha SMA-yê were bidestxistin. Ji bo çareserkirina vê pirsgirêkê, ev lêkolîn avahiyek masûlkeya bimodal a biyomîmetîk pêşkêş dike. Bi têla alloy a bîra şeklê ve tê ajotin. Ew pergalek dabeşkirinê peyda dike ku çend têlên alloy ên bîra şeklê vedihewîne. Heta niha, di wêjeyê de tu aktuatorên li ser bingeha SMA-yê bi mîmariyek wekhev nehatine ragihandin. Ev pergala bêhempa û nû ya li ser bingeha SMA-yê ji bo lêkolîna tevgera SMA-yê di dema hevrêzkirina masûlkeya bimodal de hate pêşve xistin. Li gorî aktuatorên heyî yên li ser bingeha SMA-yê, armanca vê lêkolînê ew bû ku aktuatorek biyomîmetîk a dipvalerate biafirîne da ku di qebareyek piçûk de hêzên pir bilindtir çêbike. Li gorî ajokarên ajotina motora gavê ya kevneşopî ku di pergalên otomasyon û kontrola avahiyên HVAC-ê de têne bikar anîn, sêwirana ajokera bimodal a pêşniyarkirî ya li ser bingeha SMA-yê giraniya mekanîzmaya ajotinê bi rêjeya 67% kêm dike. Li jêr, têgehên "masûlke" û "ajotin" bi hev re têne bikar anîn. Ev lêkolîn simulasyona pirfîzîk a ajokerek wusa lêkolîn dike. Reftara mekanîkî ya pergalên weha bi rêbazên ceribandinî û analîtîk hatiye lêkolîn kirin. Belavkirinên hêz û germahiyê di voltaja têketinê ya 7 V de bêtir hatin lêkolînkirin. Piştre, analîzek parametrîk hate kirin da ku têkiliya di navbera parametreyên sereke û hêza derketinê de çêtir were fêmkirin. Di dawiyê de, aktûatorên hiyerarşîk hatine xeyal kirin û bandorên asta hiyerarşîk wekî qadek potansiyel a pêşerojê ji bo aktûatorên ne-magnetîk ji bo sepanên protezê hatine pêşniyar kirin. Li gorî encamên lêkolînên jorîn, karanîna mîmariya yek-qonaxî hêzên herî kêm çar heta pênc caran ji aktûatorên SMA-yê yên hatine ragihandin bilindtir çêdike. Wekî din, heman hêza ajotinê ya ku ji hêla ajokarek pir-astî ya pir-astî ve hatî çêkirin, hatiye nîşandan ku ji deh caran ji ajokarên kevneşopî yên SMA-yê zêdetir e. Lêkolîn dûv re parametreyên sereke bi karanîna analîza hesasiyetê di navbera sêwiranên cûda û guherbarên têketinê de rapor dike. Dirêjahiya destpêkê ya têla SMA (\(l_0\)), goşeya pinnate (\(\alpha\)) û hejmara têlên yekane (n) di her têlek takekesî de bandorek neyînî ya bihêz li ser mezinahiya hêza ajotinê dikin. hêz, dema ku voltaja têketinê (enerjî) bi awayekî erênî têkildar derket holê.
Têla SMA bandora bîra şeklê (SME) nîşan dide ku di malbata hevbendiyên nîkel-tîtanyûm (Ni-Ti) de tê dîtin. Bi gelemperî, SMA du qonaxên girêdayî germahiyê nîşan didin: qonaxa germahiya nizm û qonaxa germahiya bilind. Her du qonax jî ji ber hebûna avahiyên krîstal ên cûda xwedî taybetmendiyên bêhempa ne. Di qonaxa austenît (qonaxa germahiya bilind) de ku li jor germahiya veguherînê heye, materyal berxwedana bilind nîşan dide û di bin barê de bi awayekî xirab deform dibe. Hevbendî mîna pola zengarnegir tevdigere, ji ber vê yekê ew dikare li hember zextên aktîvkirina bilindtir bisekine. Bi sûdwergirtina ji vê taybetmendiya hevbendiyên Ni-Ti, têlên SMA têne xwar kirin da ku aktîvatorek çêbikin. Modelên analîtîk ên guncan têne pêşve xistin da ku mekanîka bingehîn a tevgera germî ya SMA di bin bandora parametreyên cûrbecûr û geometriyên cûrbecûr de fam bikin. Di navbera encamên ceribandin û analîtîk de lihevhatinek baş hate bidestxistin.
Lêkolînek ceribandinî li ser prototîpa ku di Şekil 9a de hatiye nîşandan hate kirin da ku performansa ajokerek du-modal a li ser bingeha SMA were nirxandin. Du ji van taybetmendiyan, hêza ku ji hêla ajokerê ve tê hilberandin (hêza masûlkeyê) û germahiya têla SMA (germahiya SMA), bi ceribandinî hatin pîvandin. Her ku cûdahiya voltaja li seranserê dirêjahiya têlê di ajokerê de zêde dibe, germahiya têlê ji ber bandora germkirina Joule zêde dibe. Voltaja têketinê di du çerxên 10-çirkeyan de hate sepandin (wek xalên sor di Şekil 2a, b de têne nîşandan) bi heyamek sarbûnê ya 15-çirkeyan di navbera her çerxekê de. Hêza astengkirinê bi karanîna pîvanek zorê ya pîezoelektrîkî hate pîvandin, û belavkirina germahiya têla SMA di wextê rast de bi karanîna kamerayek LWIR ya çareseriya bilind a asta zanistî hate şopandin (taybetmendiyên alavên ku di Tabloya 2-an de têne bikar anîn bibînin). nîşan dide ku di qonaxa voltaja bilind de, germahiya têlê bi rengek monotonîk zêde dibe, lê dema ku herikîn naherike, germahiya têlê berdewam dike ku dakeve. Di sazkirina ceribandinê ya niha de, germahiya têla SMA di qonaxa sarbûnê de daket, lê dîsa jî ji germahiya derdorê bilindtir bû. Li ser şekil 2e wêneyek ji germahiya li ser têla SMA nîşan dide ku ji kameraya LWIR hatiye girtin. Ji aliyê din ve, di şekil 2a de hêza astengkirinê ya ku ji hêla pergala ajotinê ve hatî çêkirin nîşan dide. Dema ku hêza masûlkeyan ji hêza vegerandina biharê derbas dibe, milê tevgerbar, wekî ku di Şekil 9a de tê xuyang kirin, dest bi tevgerê dike. Gava ku çalakkirin dest pê dike, milê tevgerbar bi sensorê re dikeve têkiliyê, hêzek laş çêdike, wekî ku di şekil 2c, d de tê xuyang kirin. Dema ku germahiya herî zêde nêzîkî \(84\,^{\circ}\hbox {C}\) be, hêza herî zêde ya çavdêrîkirî 105 N e.
Grafîk encamên ceribandinê yên germahiya têla SMA û hêza ku ji hêla aktûatora dumodal a li ser bingeha SMA ve di du çerxan de hatî çêkirin nîşan dide. Voltaja têketinê di du çerxên 10 saniyeyî de tê sepandin (wek xalên sor têne nîşandan) bi heyamek sarbûnê ya 15 saniyeyî di navbera her çerxekê de. Têla SMA ya ku ji bo ceribandinan hatî bikar anîn têlek Flexinol a bi qûtra 0.51 mm ji Dynalloy, Inc. bû. (a) Grafîk hêza ceribandinê ya ku di du çerxan de hatî bidestxistin nîşan dide, (c, d) du mînakên serbixwe yên çalakiya aktûatorên milê tevger li ser veguhezkarek hêza pîezoelektrîkî ya PACEline CFT/5kN nîşan dide, (b) grafîk germahiya herî zêde ya tevahiya têla SMA di dema du çerxan de nîşan dide, (e) wêneyek germahiyê ya ku ji têla SMA bi karanîna kameraya LWIR ya nermalava FLIR ResearchIR hatî kişandin nîşan dide. Parametreyên geometrîkî yên ku di ceribandinan de hatine hesibandin di Tabloya yekem de têne dayîn.
Encamên simulasyonê yên modela matematîkî û encamên ceribandinê di bin şertê voltaja têketinê ya 7V de têne berhev kirin, wekî ku di Şekil 5 de tê xuyang kirin. Li gorî encamên analîza parametrîk û ji bo dûrketina ji îhtîmala germbûna zêde ya têla SMA, hêzek 11.2 W ji aktuatorê re hate peyda kirin. Dabînkerê hêzê yê DC yê bernamekirî hate bikar anîn da ku voltaja têketinê ya 7V peyda bike, û herikek 1.6A li ser têlê hate pîvandin. Hêza ku ji hêla ajokerê ve hatî çêkirin û germahiya SDR-ê dema ku herik tê sepandin zêde dibin. Bi voltaja têketinê ya 7V, hêza derketinê ya herî zêde ya ku ji encamên simulasyonê û encamên ceribandinê yên çerxa yekem hatî bidestxistin bi rêzê ve 78 N û 96 N ye. Di çerxa duyemîn de, hêza derketinê ya herî zêde ya encamên simulasyon û ceribandinê bi rêzê ve 150 N û 105 N bû. Nakokiya di navbera pîvandina hêza girtinê û daneyên ceribandinê de dibe ku ji ber rêbaza ku ji bo pîvandina hêza girtinê tê bikar anîn be. Encamên ceribandinê yên ku di Şekil 5 de têne xuyang kirin. 5a bi pîvandina hêza kilîtkirinê re têkildar e, ku di encamê de dema ku şafta ajotinê bi veguherînera hêza pîezoelektrîkî ya PACEline CFT/5kN re di têkiliyê de bû, wekî ku di wêneya 2s de tê xuyang kirin, hate pîvandin. Ji ber vê yekê, dema ku şafta ajotinê di destpêka herêma sarkirinê de bi sensora hêzê re di têkiliyê de nebe, hêz tavilê dibe sifir, wekî ku di wêneya 2d de tê xuyang kirin. Wekî din, parametreyên din ên ku bandorê li ser çêbûna hêzê di çerxên paşîn de dikin nirxên dema sarkirinê û katsayiya veguhastina germê ya konvektîf di çerxa berê de ne. Ji wêneya 2b, tê dîtin ku piştî heyamek sarkirinê ya 15 saniyeyan, têla SMA negihîşt germahiya odeyê û ji ber vê yekê di çerxa ajotinê ya duyemîn de germahiyek destpêkê ya bilindtir (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) hebû li gorî çerxa yekem (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Bi vî awayî, li gorî çerxa yekem, germahiya têla SMA di dema çerxa germkirinê ya duyemîn de zûtir digihîje germahiya destpêkê ya austenît (\(A_s\)) û di dema veguhêzê de dirêjtir dimîne, ku di encamê de stres û hêz çêdibe. Ji aliyekî din ve, belavkirina germahiyê di dema çerxên germkirin û sarkirinê de ku ji ceribandin û simulasyonan hatine bidestxistin, dişibin mînakên ji analîza termografîk. Analîza berawirdî ya daneyên germî yên têla SMA ji ceribandin û simulasyonan di dema çerxên germkirin û sarkirinê de û di nav toleransên qebûlkirî de ji bo daneyên ceribandinê hevgirtî nîşan da. Germahiya herî zêde ya têla SMA, ku ji encamên simulasyon û ceribandinên çerxa yekem hatiye bidestxistin, bi rêzê ve \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) û \(75\,^{\circ }\hbox {C}\) ye, û di çerxa duyemîn de germahiya herî zêde ya têla SMA \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) û \(83\,^{\circ }\hbox {C}\) ye. Modela bi bingehîn pêşxistî bandora bandora bîra şeklê piştrast dike. Di vê nirxandinê de rola westandin û germbûna zêde nehatiye berçavgirtin. Di pêşerojê de, model dê were baştirkirin da ku dîroka stresê ya têla SMA jî tê de hebe, ku ew ji bo sepanên endezyariyê guncantir bike. Nexşeyên hêza derketinê ya ajotinê û germahiya SMA-yê yên ji bloka Simulink-ê hatine wergirtin di nav toleransên destûrdayî yên daneyên ceribandinê de ne di bin şertê pulsa voltaja têketinê ya 7 V de. Ev rastbûn û pêbaweriya modela matematîkî ya pêşxistî piştrast dike.
Modela matematîkî di hawîrdora MathWorks Simulink R2020b de bi karanîna hevkêşeyên bingehîn ên ku di beşa Rêbazan de hatine vegotin hate pêşve xistin. Li ser şekil 3b nexşeya blokê ya modela matematîkî ya Simulink nîşan dide. Model ji bo pulsa voltaja têketinê ya 7V wekî ku di Şekil 2a, b de tê xuyang kirin hate simulasyon kirin. Nirxên parametreyên ku di simulasyonê de hatine bikar anîn di Tabloya 1-ê de hatine navnîş kirin. Encamên simulasyona pêvajoyên demkî di Şekil 1 û 1 de têne pêşkêş kirin. Şekil 3a û 4. Di şekil 4a, b de voltaja çêkirî di têla SMA de û hêza ku ji hêla aktuator ve wekî fonksiyonek demê hatî çêkirin nîşan dide. Di dema veguherîna berevajî (germkirin) de, dema ku germahiya têla SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (germahiya destpêka qonaxa austenît a bi stresê hatî guherîn), rêjeya guherîna rêjeya qebareya martensîtê (\(\dot{\xi }\)) dê sifir be. Di dema veguherîna berevajî (germkirin) de, dema ku germahiya têla SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (germahiya destpêka qonaxa austenît a bi stresê hatî guherîn), rêjeya guherîna rêjeya qebareya martensîtê (\(\dot{\ xi }\)) dê sifir be. Di dema vala de, ya ku li ser SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura vekirî ya austenitnoy fazы, modificirovannaя напряжением), nêzikî guhertoya nûjenîya nû (\budo}) nulю. Di dema veguherîna berevajî (germkirin) de, dema ku germahiya têla SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (germahiya destpêka austenîtê ya bi stresê hatî guherîn), rêjeya guherîna rêjeya qebareya martensîtê (\(\dot{\ xi }\ )) dê sifir be.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\do（\)(将为零.在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Encama simulasyonê belavbûna germahiyê û germahiya girêdana ji ber stresê di aktûatorek duvalerate ya li ser bingeha SMA de nîşan dide. Dema ku germahiya têl di qonaxa germkirinê de ji germahiya veguherîna austenîtê derbas dibe, germahiya veguherîna austenîtê ya guhertî dest pê dike zêde bibe, û bi heman rengî, dema ku germahiya têl di qonaxa sarkirinê de ji germahiya veguherîna martensîtîk derbas dibe, germahiya veguherîna martensîtîk kêm dibe. SMA ji bo modela analîtîk a pêvajoya aktûasyonê. (Ji bo dîtinek berfireh a her jêrpergala modela Simulink, li beşa pêveka pelê pêvek binêre.)
Encamên analîzê ji bo belavkirinên parametreyên cuda ji bo du çerxên voltaja têketinê ya 7V (çerxên germkirinê yên 10 saniye û çerxên sarkirinê yên 15 saniye) têne nîşandan. Dema ku (ac) û (e) belavkirinê di demê re nîşan didin, ji hêla din ve, (d) û (f) belavkirinê bi germahiyê re nîşan didin. Ji bo şert û mercên têketinê yên têkildar, stresa herî zêde ya çavdêrîkirî 106 MPa ye (kêmtir ji 345 MPa, hêza berdestbûna têl), hêz 150 N ye, cihguherîna herî zêde 270 µm e, û rêjeya herî kêm a qebareya martensîtîk 0.91 e. Ji hêla din ve, guherîna stresê û guherîna rêjeya qebareya martensîtê bi germahiyê re dişibin taybetmendiyên hîsteresisê.
Heman ravekirin ji bo veguherîna rasterast (sarbûn) ji qonaxa austenît bo qonaxa martensîtê jî derbas dibe, ku germahiya têla SMA (T) û germahiya dawiya qonaxa martensîtê ya bi stresê hatî guherîn (\(M_f^{\prime}\ )) pir baş e. Di şekil 4d de, f guherîna di stresa çêkirî (\(\sigma\)) û rêjeya qebareya martensîtê (\(\xi\)) di têla SMA de wekî fonksiyonek guherîna germahiya têla SMA (T), ji bo her du çerxên ajotinê nîşan dide. Di şekil 3a de guherîna germahiya têla SMA bi demê re li gorî pulsa voltaja têketinê nîşan dide. Wekî ku ji şekil tê dîtin, germahiya têlê bi peyda kirina çavkaniyek germê li voltaja sifir û paşê sarbûna konvektîf berdewam dike ku zêde bibe. Di dema germkirinê de, ji nû ve veguherîna martensîtê bo qonaxa austenît dest pê dike dema ku germahiya têla SMA (T) ji germahiya navokî ya austenîtê ya bi stresê verastkirî derbas dibe (\(A_s^{\prime}\)). Di vê qonaxê de, têla SMA tê pêçandin û aktuator hêzê çêdike. Her wiha di dema sarkirinê de, dema ku germahiya têla SMA (T) ji germahiya navokî ya qonaxa martensîtê ya bi stresê veguherî derbas dibe (\(M_s^{\prime}\)), veguherînek erênî ji qonaxa austenît bo qonaxa martensîtê çêdibe. Hêza ajotinê kêm dibe.
Alîyên sereke yên kalîtîf ên ajokera dumodal a li ser bingeha SMA-yê dikarin ji encamên simulasyonê werin bidestxistin. Di rewşa têketina pulsa voltaja de, germahiya têla SMA-yê ji ber bandora germkirina Joule zêde dibe. Nirxa destpêkê ya rêjeya qebareya martensîtê (\(\xi\)) li ser 1-ê tê danîn, ji ber ku materyal di destpêkê de di qonaxek bi tevahî martensîtîk de ye. Her ku têl germ dibe, germahiya têla SMA-yê ji germahiya navika austenîtê ya bi stresê verastkirî derbas dibe \(A_s^{\prime}\), di encamê de rêjeya qebareya martensîtê kêm dibe, wekî ku di Wêne 4c de tê xuyang kirin. Wekî din, di wêneya 4e de belavkirina lêdanên aktûatorê di demê de nîşan dide, û di wêneya 5-an de - hêza ajotinê wekî fonksiyonek demê. Sîstemek hevkêşeyên têkildar germahî, rêjeya qebareya martensîtê, û stresa ku di têlê de pêş dikeve, di encamê de dibe sedema piçûkbûna têla SMA û hêza ku ji hêla aktûatorê ve tê hilberandin vedihewîne. Wekî ku di wêneya 4c de tê xuyang kirin. 4d, f, guherîna voltaja bi germahiyê re û guherîna rêjeya qebareya martensîtê bi germahiyê re li gorî taybetmendiyên hîsteresis ên SMA-yê di rewşa simulasyonê de li 7 V-ê ne.
Berawirdkirina parametreyên ajotinê bi rêya ceribandin û hesabên analîtîk hat bidestxistin. Têl ji bo 10 saniyan rastî voltaja têketina pulsasyonê ya 7 V hatin, dû re di du çerxan de ji bo 15 saniyan (qonaxa sarkirinê) hatin sarkirin. Goşeya pinnate li ser \(40^{\circ}\) hatiye danîn û dirêjahiya destpêkê ya têla SMA di her lingê yek pin de li ser 83 mm hatiye danîn. (a) Pîvandina hêza ajotinê bi şaneyek barkirinê (b) Çavdêriya germahiya têlê bi kamerayek înfrared a germî.
Ji bo têgihîştina bandora parametreyên fîzîkî li ser hêza ku ji hêla ajokerê ve tê hilberandin, analîzek li ser hesasiyeta modela matematîkî li hember parametreyên fîzîkî yên bijartî hate kirin, û parametre li gorî bandora wan hatin rêzkirin. Pêşî, nimûnegirtina parametreyên modelê bi karanîna prensîbên sêwirana ceribandinê yên ku belavkirinek yekreng dişopandin hate kirin (li Beşa Pêvek a li ser Analîza Hesasiyetê binêre). Di vê rewşê de, parametreyên modelê voltaja têketinê (\(V_{in}\)), dirêjahiya têla SMA ya destpêkê (\(l_0\)), goşeya sêgoşeyê (\(\alpha\)), sabîta bihara alîgir (\(K_x\)), katsayiya veguhastina germê ya konvektîf (\(h_T\)) û hejmara şaxên yekmodal (n) vedihewîne. Di gava din de, hêza masûlkeya lûtkeyê wekî pêdiviyek sêwirana lêkolînê hate hilbijartin û bandorên parametrîk ên her komek guherbaran li ser hêzê hatin bidestxistin. Nexşeyên tornadoyê ji bo analîza hesasiyetê ji katsayiyên korelasyonê ji bo her parametreyê hatin derxistin, wekî ku di Wêne 6a de tê xuyang kirin.
(a) Nirxên katsayiya korelasyonê ya parametreyên modelê û bandora wan li ser hêza derana herî zêde ya 2500 komên bêhempa yên parametreyên modelê yên jorîn di nexşeya tornadoyê de têne nîşandan. Grafîk korelasyona rêza çend nîşaneyan nîşan dide. Eşkere ye ku \(V_{in}\) tenê parametreya bi korelasyoneke erênî ye, û \(l_0\) parametreya bi korelasyona neyînî ya herî bilind e. Bandora parametreyên cûrbecûr di kombînasyonên cûrbecûr de li ser hêza masûlkeya lûtkeyê di (b, c) de tê nîşandan. \(K_x\) ji 400 heta 800 N/m û n ji 4 heta 24 diguhere. Voltaja (\(V_{in}\)) ji 4V guherî 10V, dirêjahiya têlê (\(l_{0} \)) ji 40 mm guherî 100 mm, û goşeya dûvikê (\(\alpha \)) ji \(20 – 60 \, ^ {\circ }\) diguhere.
Di wêneya 6a de nexşeya tornadoyê ya katsayiyên koralasyonê yên cûrbecûr ji bo her parametreyê bi hewcedariyên sêwirana hêza ajotinê ya lûtkeyê nîşan dide. Ji wêneya 6a tê dîtin ku parametreya voltaja (\(V_{in}\)) rasterast bi hêza derketinê ya herî zêde ve girêdayî ye, û katsayiya veguhastina germê ya konvektîf (\(h_T\)), goşeya agir (\(α\)), sabîta bihara cihguherînê (\(K_x\)) bi hêza derketinê û dirêjahiya destpêkê (\(l_0\)) ya têla SMA re bi awayekî neyînî ve girêdayî ye, û hejmara şaxên yekmodal (n) koralasyonek berevajî ya bihêz nîşan dide. Di rewşa koralasyona rasterast de. Di rewşa nirxek bilindtir a katsayiya koralasyona voltaja (\(V_ {in}\)) nîşan dide ku ev parametre bandora herî mezin li ser derana hêzê dike. Analîzek din a wekhev hêza lûtkeyê bi nirxandina bandora parametreyên cûda di kombînasyonên cûda yên her du qadên hesabkirinê de dipîve, wekî ku di Wêne 6b, c de tê nîşandan. \(V_{in}\) û \(l_0\), \(\alpha\) û \(l_0\) xwedî şêwazên wekhev in, û grafîk nîşan dide ku \(V_{in}\) û \(\alpha\) û \(\alpha\) xwedî şêwazên wekhev in. Nirxên piçûktir ên \(l_0\) dibin sedema hêzên lûtkeyê yên bilindtir. Du nexşeyên din bi Şekil 6a re li hev dikin, ku tê de n û \(K_x\) bi awayekî neyînî û \(V_{in}\) bi awayekî erênî ve girêdayî ne. Ev analîz dibe alîkar ku parametreyên bandorker ên ku hêza derketinê, lêdan û karîgeriya pergala ajotinê dikare li gorî hewcedarî û serîlêdanê were adaptekirin, werin destnîşankirin û sererast kirin.
Xebatên lêkolînê yên heyî ajokarên hiyerarşîk bi N astan didin nasîn û lêkolîn dikin. Di hiyerarşiyek du-astî de, wekî ku di Şekil 7a de tê xuyang kirin, ku li şûna her têla SMA ya aktûatora asta yekem, rêzkirinek du-modal tê bidestxistin, wekî ku di Şekil 9e de tê xuyang kirin. Li ser Şekil 7c nîşan dide ka têla SMA çawa li dora milekî tevgerbar (milê alîkar) tê pêçandin ku tenê di rêça dirêj de diçe. Lêbelê, milkê tevgerbar ê sereke bi heman awayî wekî milkê tevgerbar ê aktûatora pir-qonaxî ya qonaxa 1-ê berdewam dike. Bi gelemperî, ajokarek N-qonaxî bi guheztina têla SMA ya qonaxa \(N-1\) bi ajokarek qonaxa yekem tê afirandin. Di encamê de, her şax ajokara qonaxa yekem teqlîd dike, ji bilî şaxa ku têl bi xwe digire. Bi vî rengî, avahiyên hêlkirî dikarin werin çêkirin ku hêzên ku çend caran ji hêzên ajokarên sereke mezintir in diafirînin. Di vê lêkolînê de, ji bo her astê, dirêjahiya tevahî ya têla SMA ya bi bandor a 1 m hate hesibandin, wekî ku di forma tabloyê de di Şekil 7d de tê xuyang kirin. Herika ku di her sêwirana yekmodal de di nav her têlê re derbas dibe û pêş-stres û voltaja ku di her beşê têla SMA de çêdibe di her astê de yek in. Li gorî modela me ya analîtîk, hêza derketinê bi astê re bi awayekî erênî ve girêdayî ye, lê cihguherîn bi awayekî neyînî ve girêdayî ye. Di heman demê de, di navbera cihguherîn û hêza masûlkeyan de danûstandinek hebû. Wekî ku di wêneya 7b de tê dîtin, dema ku hêza herî zêde di hejmara herî mezin a tebeqeyan de tê bidestxistin, cihguherîna herî mezin di tebeqeya herî nizm de tê dîtin. Dema ku asta hiyerarşiyê li ser \(N=5\) hate danîn, hêzek masûlkeya lûtkeyê ya 2.58 kN bi 2 lêdanên çavdêrîkirî \(\upmu\)m hate dîtin. Ji hêla din ve, ajokera qonaxa yekem hêzek 150 N di lêdanek 277 \(\upmu\)m de çêdike. Aktuatorên pir-astî dikarin masûlkeyên biyolojîkî yên rastîn teqlîd bikin, ku masûlkeyên çêkirî yên li ser bingeha alloyên bîra şeklê dikarin bi tevgerên rast û naziktir hêzên pir bilindtir çêbikin. Sînorkirinên vê sêwirana mînîaturîzekirî ew in ku her ku hiyerarşî zêde dibe, tevger pir kêm dibe û tevliheviya pêvajoya çêkirina ajokerê zêde dibe.
(a) Sîstemeke aktûatora xêzikî ya ji alloyeke bîra şeklê ya du-qonaxî (\(N=2\)) bi konfigurasyoneke du-modal tê nîşandan. Modela pêşniyarkirî bi guhertina têla SMA di aktûatora qatqatî ya qonaxa yekem de bi aktûatoreke din a qatqatî ya yek-qonaxî tê bidestxistin. (c) Konfîgurasyona deformekirî ya aktûatora pir-qatî ya qonaxa duyem. (b) Belavbûna hêz û cihguherînan li gorî hejmara astan tê vegotin. Hat dîtin ku hêza herî bilind a aktûatorê bi asta pîvanê ya li ser grafîkê re bi awayekî erênî ve girêdayî ye, lê lêdan bi asta pîvanê re bi awayekî neyînî ve girêdayî ye. Herikîn û pêş-voltaja di her têlê de di hemî astan de sabît dimînin. (d) Tablo hejmara lêdanan û dirêjahiya têla SMA (fîber) li her astê nîşan dide. Taybetmendiyên têlan bi îndeksa 1 têne nîşandan, û hejmara şaxên duyemîn (yek bi lingê sereke ve girêdayî ye) bi hejmara herî mezin di binî de tê nîşandan. Bo nimûne, di asta 5an de, \(n_1\) behsa hejmara têlên SMA yên di her avahiya bimodal de dike, û \(n_5\) behsa hejmara lingên alîkar dike (yek bi lingê sereke ve girêdayî ye).
Ji aliyê gelek lêkolîneran ve rêbazên cûrbecûr hatine pêşniyar kirin da ku tevgera SMAyan bi bîra şeklê model bikin, ku bi taybetmendiyên termomekanîkî yên ku bi guhertinên makroskopîk ên di avahiya krîstalê de bi veguherîna qonaxê ve girêdayî ne ve girêdayî ne. Formulasyona rêbazên damezrîner bi xwezayî tevlihev e. Modela fenomenolojîk a herî zêde tê bikar anîn ji hêla Tanaka28 ve tê pêşniyar kirin û bi berfirehî di sepanên endezyariyê de tê bikar anîn. Modela fenomenolojîk a ku ji hêla Tanaka [28] ve hatî pêşniyar kirin difikire ku rêjeya qebareya martensîtê fonksiyonek eksponansiyel a germahî û stresê ye. Paşê, Liang û Rogers29 û Brinson30 modelek pêşniyar kirin ku tê de dînamîkên veguherîna qonaxê wekî fonksiyonek kosînus a voltaja û germahiyê dihatin hesibandin, bi guhertinên piçûk ên li ser modelê. Becker û Brinson modelek kînetîk a li ser bingeha diyagrama qonaxê pêşniyar kirin da ku tevgera materyalên SMA di bin şert û mercên barkirinê yên kêfî û her weha veguherînên qismî de model bikin. Banerjee32 rêbaza dînamîkên diyagrama qonaxê ya Bekker û Brinson31 bikar tîne da ku manipulatorek yek pileya azadiyê ya ku ji hêla Elahinia û Ahmadian33 ve hatî pêşve xistin simul bike. Rêbazên kînetîk ên li ser bingeha diyagramên qonaxê, ku guherîna ne-monotonîk a voltaja bi germahiyê re li ber çavan digirin, di sepanên endezyariyê de bicîhanîna wan dijwar e. Elakhinia û Ahmadian balê dikişînin ser van kêmasiyên modelên fenomenolojîk ên heyî û modelek fenomenolojîk a berfirehkirî pêşniyar dikin da ku tevgera bîra şeklê di bin her şert û mercên barkirinê yên tevlihev de analîz bikin û diyar bikin.
Modela avahîsaziyê ya têla SMA stres (\(\sigma\)), zorê (\(\epsilon\)), germahî (T), û rêjeya qebareya martensîtê (\(\xi\)) ya têla SMA dide. Modela pêkhatî ya fenomenolojîk pêşî ji hêla Tanaka28 ve hate pêşniyar kirin û paşê ji hêla Liang29 û Brinson30 ve hate pejirandin. Dereceya hevkêşeyê bi vî rengî ye:
ku E modulusa Young a SMA ya girêdayî qonaxê ye ku bi karanîna \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) û \(E_A\) û \(E_M\) temsîl dike ku modulusa Young bi rêzê ve qonaxên austenîtîk û martensîtîk in, û katsayiya berfirehbûna germî bi \(\theta _T\) tê temsîl kirin. Faktora beşdariya veguherîna qonaxê \(\Omega = -E \epsilon _L\) ye û \(\epsilon _L\) jî zora herî zêde ya vegerandinê di têla SMA de ye.
Hevkêşeya dînamîkên qonaxê bi fonksiyona kosînusê ya ku ji hêla Liang29 ve hatî pêşve xistin û paşê ji hêla Brinson30 ve li şûna fonksiyona eksponansiyel a ku ji hêla Tanaka28 ve hatî pêşniyar kirin, li hev dike. Modela veguherîna qonaxê berfirehkirina modela ku ji hêla Elakhinia û Ahmadian34 ve hatî pêşniyar kirin û li gorî şert û mercên veguherîna qonaxê yên ku ji hêla Liang29 û Brinson30 ve hatine dayîn hatî guhertin e. Şert û mercên ku ji bo vê modela veguherîna qonaxê têne bikar anîn di bin barên termomekanîkî yên tevlihev de derbasdar in. Di her kêliyê de, nirxa rêjeya qebareya martensîtê dema ku hevkêşeya damezrîner tê model kirin tê hesibandin.
Hevkêşeya ji nû ve veguherînê ya sereke, ku bi veguherîna martensîtê bo austenît di bin şert û mercên germkirinê de tê îfadekirin, wiha ye:
ku \(\xi\) rêjeya qebareya martensîtê ye, \(\xi _M\) rêjeya qebareya martensîtê ye ku berî germkirinê hatiye bidestxistin, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) û \(C_A\) – parametreyên nêzîkbûna xêzê, T – germahiya têla SMA, \(A_s\) û \(A_f\) – destpêk û dawiya qonaxa austenît, bi rêzê ve, germahî.
Hevkêşeya kontrola veguherîna rasterast, ku bi veguherîna qonaxa austenît bo martensît di bin şert û mercên sarkirinê de tê temsîlkirin, ev e:
li vir \(\xi _A\) rêjeya qebareya martensîtê ye ku berî sarkirinê hatiye bidestxistin, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) û \(C_M \) – parametreyên lihevhatina xêzê, T – germahiya têla SMA, \(M_s\) û \(M_f\) – germahiyên destpêkê û dawîn ên martensîtê, bi rêzê ve.
Piştî ku hevkêşeyên (3) û (4) ji hev cuda dibin, hevkêşeyên veguherîna berevajî û rasterast bi şiklê jêrîn têne hêsankirin:
Di dema veguherîna pêş û paş de \(\eta _{\sigma}\) û \(\eta _{T}\) nirxên cuda digirin. Hevkêşeyên bingehîn ên bi \(\eta _{\sigma}\) û \(\eta _{T}\) ve girêdayî di beşek din de hatine derxistin û bi berfirehî hatine nîqaş kirin.
Enerjiya germî ya pêwîst ji bo bilindkirina germahiya têla SMA ji bandora germkirina Joule tê. Enerjiya germî ya ku ji hêla têla SMA ve tê kişandin an berdan bi germahiya veşartî ya veguherînê tê temsîl kirin. Windabûna germê di têla SMA de ji ber konveksiyona bi zorê ye, û ji ber bandora hindik a tîrêjê, hevkêşeya hevsengiya enerjiya germê wiha ye:
Li vir \(m_{wire}\) giraniya tevahî ya têla SMA ye, \(c_{p}\) kapasîteya germahiya taybetî ya SMA ye, \(V_{in}\) voltaja ku li têlê tê sepandin e, \(R_{ohm}\) – berxwedana SMA ya girêdayî qonaxê, ku wekî; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) tê pênasekirin, li vir \(r_M\) û \(r_A\) berxwedana qonaxa SMA ya di martensît û austenît de ne, \(A_{c}\) rûbera têla SMA ye, \(\Delta H\) alloyek bîra şeklî ye. Germahiya veşartî ya veguherîna têlê, T û \(T_{\infty}\) germahiyên têla SMA û jîngehê ne, bi rêzê ve.
Dema ku têlek ji alloyek bîra şeklê tê xebitandin, têl diteqe, di her şaxek sêwirana bimodal de hêzek çêdike ku jê re hêza fîberê tê gotin. Hêzên fîberan di her têla têla SMA de bi hev re hêza masûlkeyê diafirînin da ku çalak bibin, wekî ku di Şekil 9e de tê xuyang kirin. Ji ber hebûna bihareke meyldar, hêza masûlkeyê ya tevahî ya aktûatora pirqatî ya N-emîn ev e:
Bi cîgirtina \(N = 1\) di hevkêşeya (7) de, hêza masûlkeyan a prototîpa ajotina dumodal a qonaxa yekem dikare wiha were bidestxistin:
ku n hejmara lingên yekmodal e, \(F_m\) hêza masûlkeyê ye ku ji hêla ajokerê ve tê hilberandin, \(F_f\) hêza fîberê di têla SMA de ye, \(K_x\) hişkbûna biasê ye, \(\alpha\) goşeya sêgoşeyê ye, \(x_0\) cihê destpêkê yê biasê ye ku kabloya SMA di pozîsyona pêş-tansiyonkirî de digire, û \(\Delta x\) rêwîtiya aktûatorê ye.
Tevahiya cihguherîn an tevgera ajokerê (\(\Delta x\)) li gorî voltaja (\(\sigma\)) û zorê (\(\epsilon\)) li ser têla SMA ya qonaxa N-an, ajoker li ser vê yekê tê danîn (li Şekil binêre beşa zêde ya derketinê):
Hevkêşeyên kînematîkî têkiliya di navbera deformasyona ajotinê (\(\epsilon\)) û cihguherîn an jî cihguherîn (\(\Delta x\)) de didin. Deformasyona têla Arb wekî fonksiyonek dirêjahiya têla Arb a destpêkê (\(l_0\)) û dirêjahiya têl (l) di her demê t de di şaxek yekmodal de wiha ye:
li vir \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) bi sepandina formula kosînusê di \(\Delta\)ABB ' de tê bidestxistin, wekî ku di Şekil 8 de tê nîşandan. Ji bo ajotina qonaxa yekem (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) \(\Delta x\) ye, û \(\alpha _1\) \(\alpha \) ye wekî ku di Şekil 8 de tê nîşandan, bi cudakirina demê ji Hevkêşeya (11) û danîna nirxa l, rêjeya zorê dikare wekî were nivîsandin:
ku \(l_0\) dirêjahiya destpêkê ya têla SMA ye, l dirêjahiya têlê ye di her kêliya t de di şaxek yekmodal de, \(\epsilon\) deformasyona ku di têla SMA de pêşketiye ye, û \(\alpha\) goşeya sêgoşeyê ye, \(\Delta x\) offset-a ajotinê ye (wekî ku di Wêne 8-an de tê xuyang kirin).
Hemû n avahiyên yek-lûtkeyî (\(n=6\) di vê wêneyê de) bi \(V_{in}\) wekî voltaja têketinê bi rêzê ve girêdayî ne. Qonaxa I: Diyagrama şematîk a têla SMA di konfigurasyonek du-modal de di bin şert û mercên voltaja sifir de Qonaxa II: Avahiyek kontrolkirî tê nîşandan ku têla SMA ji ber veguherîna berevajî tê pêçandin, wekî ku bi xeta sor tê nîşandan.
Wekî delîlek ji bo konseptê, ajokerek du-modal a li ser bingeha SMA-yê hate pêşxistin da ku derxistina simulasyonkirî ya hevkêşeyên bingehîn bi encamên ceribandinê biceribîne. Modela CAD ya aktûatora xêzikî ya du-modal di şekil 9a de tê nîşandan. Ji hêla din ve, di şekil 9c de sêwirana nû ya ku ji bo girêdanek prismatîkî ya zivirî bi karanîna aktûatorek du-balafirî ya li ser bingeha SMA-yê bi avahiyek du-modal tê pêşniyar kirin nîşan dide. Pêkhateyên ajokerê bi karanîna çêkirina lêzêdekirinê li ser çapkerek 3D ya Ultimaker 3 Extended hatine çêkirin. Materyalê ku ji bo çapkirina 3D ya pêkhateyan tê bikar anîn polîkarbonat e ku ji bo materyalên berxwedêr ên germê guncan e ji ber ku ew xurt, domdar e û germahiya veguherîna cama bilind heye (110-113 \(^{\circ }\)C). Wekî din, têla alloy a bîra şeklê Flexinol a Dynalloy, Inc. di ceribandinan de hate bikar anîn, û taybetmendiyên materyalê yên ku bi têla Flexinol re têkildar in di simulasyonan de hatin bikar anîn. Gelek têlên SMA wekî fîberan di rêzkirinek du-modal a masûlkeyan de têne rêzkirin da ku hêzên bilind ên ku ji hêla aktuatorên pirqatî ve têne hilberandin, wekî ku di Şekil 9b, d de tê xuyang kirin, bi dest bixin.
Wekî ku di Şekil 9a de tê nîşandan, goşeya tûj a ku ji hêla têla SMA ya milê tevgerbar ve çêdibe, goşeya (\(\alpha\)) tê gotin. Bi kelepçeyên termînalê yên ku bi kelepçeyên çep û rast ve girêdayî ne, têla SMA di goşeya du-modal a xwestî de tê girtin. Amûra bihara alîgir a ku li ser girêdana biharê tê girtin, ji bo verastkirina komên dirêjkirina bihara alîgir ên cûda li gorî hejmara (n) fîberên SMA hatiye çêkirin. Wekî din, cîhê beşên tevgerbar bi vî rengî hatiye çêkirin ku têla SMA ji bo sarbûna konveksiyona bi zorê li hawîrdora derve vekirî be. Plaqeyên jorîn û jêrîn ên civîna veqetandî bi birînên derxistî yên ku ji bo kêmkirina giraniyê hatine çêkirin, alîkariya sarkirina têla SMA dikin. Wekî din, her du serên têla CMA bi rêya pêçandinê bi termînalên çep û rast ve girêdayî ne. Pîstonek bi yek seriyê civîna tevgerbar ve girêdayî ye da ku valahiyê di navbera plakayên jorîn û jêrîn de biparêze. Pîston her weha ji bo sepandina hêzek astengkirinê li ser sensorê bi rêya têkiliyek tê bikar anîn da ku hêza astengkirinê bipîve dema ku têla SMA tê çalak kirin.
Avahiya masûlkeya dumodal SMA bi rêzê ve bi elektrîkê ve girêdayî ye û bi voltaja pulsa têketinê ve tê xebitandin. Di dema çerxa pulsa voltaja de, dema ku voltaja tê sepandin û têla SMA li jor germahiya destpêkê ya austenîtê tê germ kirin, dirêjahiya têlê di her têlê de kurt dibe. Ev vekişîn jêrkoma milê tevgerbar çalak dike. Dema ku voltaja di heman çerxê de sifir bû, têla SMA ya germkirî li jêr germahiya rûyê martensîtê hate sar kirin, bi vî rengî vegeriya pozîsyona xwe ya orîjînal. Di bin şert û mercên stresa sifir de, têla SMA pêşî ji hêla bihareke alîgir ve bi pasîfî tê dirêj kirin da ku bigihîje rewşa martensîtîk a ji hev veqetandî. Vîs, ku têla SMA ji wir derbas dibe, ji ber zexta ku ji hêla sepandina pulsa voltaja li ser têla SMA ve hatî çêkirin (SPA digihîje qonaxa austenîtê), ku dibe sedema çalakkirina leva tevgerbar. Dema ku têla SMA tê vekişandin, bihara alîgir bi dirêjkirina bêtir a biharê hêzek dijber diafirîne. Dema ku stres di voltaja împulsê de sifir dibe, têla SMA ji ber sarbûna konveksiyona bi zorê dirêj dibe û şeklê xwe diguherîne, digihîje qonaxek martensîtîk a ducarî.
Sîstema aktûatora xêzikî ya pêşniyarkirî ya li ser bingeha SMA xwedî konfigurasyonek du-modal e ku tê de têlên SMA goşeyî ne. (a) modelek CAD ya prototîpê nîşan dide, ku hin pêkhateyan û wateyên wan ji bo prototîpê behs dike, (b, d) prototîpa ceribandinî ya pêşkeftî temsîl dike35. Dema ku (b) dîtinek jorîn a prototîpê bi girêdanên elektrîkê û biharên alîgir û pîvanên zorê yên hatine bikar anîn nîşan dide, (d) dîtinek perspektîf a sazkirinê nîşan dide. (e) Diyagrama pergala aktûatora xêzikî bi têlên SMA yên ku di her kêliyê t de bi awayekî du-modal hatine danîn, rêwerz û rêça hêza fîber û masûlkeyan nîşan dide. (c) Girêdanek prizmatîk a zivirî ya 2-DOF ji bo bicihkirina aktûatorek du-balafirî ya li ser bingeha SMA hatiye pêşniyar kirin. Wekî ku tê xuyang kirin, girêdan tevgera xêzikî ji ajokera jêrîn berbi milê jorîn veguhezîne, girêdanek zivirî diafirîne. Ji hêla din ve, tevgera cotek prizmayan wekî tevgera ajokera qonaxa yekem a pir-qatî ye.
Lêkolînek ceribandinî li ser prototîpa ku di Şekil 9b de hatiye nîşandan hate kirin da ku performansa ajokerek du-modal a li ser bingeha SMA were nirxandin. Wekî ku di Şekil 10a de tê xuyang kirin, sazkirina ceribandinî ji dabînkerê hêzê yê DC ya bernamekirî pêk dihat da ku voltaja têketinê bide têlên SMA. Wekî ku di Şekil 10b de tê xuyang kirin, pîvanek zorê ya pîezoelektrîkî (PACEline CFT/5kN) ji bo pîvandina hêza astengkirinê bi karanîna tomarvanek daneyê ya Graphtec GL-2000 hate bikar anîn. Daneyên ji hêla mêvandar ve ji bo lêkolîna bêtir têne tomar kirin. Pîvanên zorê û amplîfîkatorên barkirinê ji bo hilberandina sînyala voltaja hewceyê dabînkirina hêzê ya domdar in. Sînyalên têkildar li gorî hesasiyeta sensora hêza pîezoelektrîkî û parametreyên din ên ku di Tabloya 2-an de hatine vegotin vediguherin derketinên hêzê. Dema ku pulsek voltaja tê sepandin, germahiya têla SMA zêde dibe, dibe sedema zexta têla SMA, ku dibe sedema çêkirina hêzê ji hêla aktuator ve. Encamên ceribandinî yên derana hêza masûlkeyan ji hêla pulsek voltaja têketinê ya 7 V ve di Şekil 2a de têne nîşandan.
(a) Di ceribandinê de sîstemeke aktûatorê ya xêzikî ya li ser bingeha SMA hate sazkirin da ku hêza ku ji hêla aktûatorê ve tê hilberandin bipîve. Hucreya barkirinê hêza astengkirinê dipîve û ji hêla dabînkerê hêzê yê 24 V DC ve tê xebitandin. Daketinek voltaja 7 V li seranserê dirêjahiya kabloyê bi karanîna dabînkerê hêzê yê bernamekirî yê GW Instek hate sepandin. Têla SMA ji ber germê piçûk dibe, û milê tevgerbar bi hucreya barkirinê re têkilî datîne û hêzek astengkirinê pêk tîne. Hucreya barkirinê bi tomarkerê daneyan GL-2000 ve girêdayî ye û dane ji bo pêvajoya bêtir li ser mêvandar têne hilanîn. (b) Diyagrama ku zincîra pêkhateyên sazkirina ceribandinê ji bo pîvandina hêza masûlkeyan nîşan dide.
Alavên bîra şeklê ji hêla enerjiya germî ve têne çalak kirin, ji ber vê yekê germahî dibe parametreyek girîng ji bo lêkolîna diyardeya bîra şeklê. Bi awayekî ceribandinî, wekî ku di Şekil 11a de tê xuyang kirin, pîvandina wênekirina germî û germahiyê li ser aktûatorek duvalerate ya prototîp a li ser bingeha SMA-yê hatin kirin. Çavkaniyek DC ya bernamekirî voltaja têketinê li têlên SMA di sazkirina ceribandinê de sepand, wekî ku di Şekil 11b de tê xuyang kirin. Guhertina germahiya têla SMA di wextê rast de bi karanîna kamerayek LWIR-ya çareseriya bilind (FLIR A655sc) hate pîvandin. Mêvandar nermalava ResearchIR bikar tîne da ku daneyan ji bo pêvajoya paşîn a din tomar bike. Dema ku pulsek voltaja tê sepandin, germahiya têla SMA zêde dibe, dibe sedema piçûkbûna têla SMA. Li ser şekil 2b encamên ceribandinê yên germahiya têla SMA li hember demê ji bo pulsek voltaja têketinê ya 7V nîşan dide.
Dema weşandinê: 28ê Îlonê, 2022
