Nature.com сайтына киргениңиз үчүн рахмат. Сиз колдонуп жаткан браузердин версиясында CSS колдоосу чектелүү. Эң жакшы тажрыйба алуу үчүн, жаңыртылган браузерди колдонууну сунуштайбыз (же Internet Explorerде шайкештик режимин өчүрүңүз). Ошол эле учурда, үзгүлтүксүз колдоону камсыз кылуу үчүн, биз сайтты стилдерсиз жана JavaScriptсиз көрсөтөбүз.
Актуаторлор бардык жерде колдонулат жана өндүрүштө жана өнөр жай автоматташтыруусында ар кандай операцияларды аткаруу үчүн туура козгоо күчүн же моментти колдонуу менен башкарылуучу кыймылды жаратат. Тезирээк, кичирээк жана натыйжалуураак дисктерге болгон муктаждык дискти долбоорлоодо инновацияны шарттап жатат. Shape Memory Alloy (SMA) дисктери кадимки дисктерге караганда бир катар артыкчылыктарды сунуштайт, анын ичинде жогорку кубаттуулук-салмак катышы. Бул диссертацияда биологиялык системалардын жүнү булчуңдарынын артыкчылыктарын жана SMAлардын уникалдуу касиеттерин айкалыштырган эки жүндүү SMA негизиндеги актуатор иштелип чыккан. Бул изилдөө бимодалдык SMA зымынын жайгашуусуна негизделген жаңы актуатордун математикалык моделин иштеп чыгуу жана аны эксперименталдык түрдө сыноо аркылуу мурунку SMA актуаторлорун изилдейт жана кеңейтет. SMA негизиндеги белгилүү дисктерге салыштырмалуу, жаңы дисктин актуациялык күчү кеминде 5 эсе жогору (150 Н чейин). Тиешелүү салмак жоготуу болжол менен 67% түзөт. Математикалык моделдердин сезгичтигин талдоо жыйынтыктары долбоорлоо параметрлерин жөндөө жана негизги параметрлерди түшүнүү үчүн пайдалуу. Бул изилдөө динамиканы андан ары жакшыртуу үчүн колдонулушу мүмкүн болгон көп деңгээлдүү N-баскычтагы дискти андан ары сунуштайт. SMA негизиндеги дипвалерат булчуң актуаторлору имараттарды автоматташтыруудан баштап, дары-дармектерди так жеткирүү системаларына чейин кеңири колдонулат.
Биологиялык системалар, мисалы, сүт эмүүчүлөрдүн булчуң түзүлүштөрү, көптөгөн тымызын кыймылдаткычтарды иштете алат1. Сүт эмүүчүлөрдүн булчуң түзүлүштөрү ар кандай, алардын ар бири белгилүү бир максатты көздөйт. Бирок, сүт эмүүчүлөрдүн булчуң тканынын түзүлүшүнүн көпчүлүк бөлүгүн эки кеңири категорияга бөлүүгө болот: Параллель жана тешик сымал. Сан мускулдарында жана башка бүгүүчү булчуңдарда, аталышынан көрүнүп тургандай, параллель булчуңдарда борбордук тарамышка параллель булчуң талчалары бар. Булчуң талчаларынын чынжыры тизилип, аларды курчап турган тутумдаштыргыч ткандар менен функционалдык жактан байланышкан. Бул булчуңдардын чоң экскурсиясы бар деп айтылганы менен (пайыздык кыскаруусу), алардын жалпы булчуң күчү өтө чектелүү. Ал эми, трицепс балтыр булчуңунда2 (латералдык гастрокнемиус (GL)3, медиалдык гастрокнемиус (GM)4 жана таман (SOL)) жана сандын жазгычында (quadriceps)5,6 тешик сымал булчуң тканы ар бир булчуңда7 кездешет. Тишик сымал түзүлүштө эки тешик сымал булчуңдагы булчуң талчалары борбордук тарамыштын эки тарабында кыйгач бурчтарда (тишик сымал бурчтар) болот. Пеннат латын тилиндеги "penna" сөзүнөн келип чыккан, ал "калам" дегенди билдирет жана 1-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, мамык сымал көрүнүшкө ээ. Пеннат булчуңдарынын булалары кыскараак жана булчуңдун узунунан кеткен огуна бурчтуу. Пернат түзүлүшүнөн улам бул булчуңдардын жалпы кыймылдуулугу төмөндөйт, бул кыскаруу процессинин туурасынан кеткен жана узунунан кеткен компоненттерине алып келет. Башка жагынан алганда, бул булчуңдардын активдешүүсү физиологиялык кесилиш аянтын өлчөө ыкмасынан улам жалпы булчуң күчүнүн жогорулашына алып келет. Ошондуктан, берилген кесилиш аянты үчүн пеннат булчуңдары күчтүүрөөк болот жана параллель булалары бар булчуңдарга караганда жогорку күчтөрдү пайда кылат. Жеке булалар тарабынан пайда болгон күчтөр ошол булчуң тканында макроскопиялык деңгээлде булчуң күчтөрүн пайда кылат. Мындан тышкары, ал тез кичирейүү, созулуунун бузулушунан коргоо, жумшартуу сыяктуу уникалдуу касиеттерге ээ. Ал булчуңдун аракет сызыктары менен байланышкан була жайгашуусунун уникалдуу өзгөчөлүктөрүн жана геометриялык татаалдыгын пайдалануу менен буланын кириши менен булчуң күчүнүн чыгышынын ортосундагы байланышты өзгөртөт.
Көрсөтүлгөндөй, SMA негизиндеги аткаруучу түзүлүштөрдүн бимодалдык булчуң архитектурасына байланыштуу схемалык диаграммалары, мисалы (а), SMA зымдары менен иштетилген кол формасындагы түзүлүш эки дөңгөлөктүү автономдуу мобилдик роботко орнотулган тактилдик күчтүн өз ара аракеттенүүсүн чагылдырат9,10. , (б) Антагонисттик жайгаштырылган SMA пружиналуу орбиталык протези бар роботтук орбиталык протез. Протездик көздүн абалы көздүн окулярдык булчуңунан келген сигнал менен башкарылат11, (в) SMA аткаруучулары жогорку жыштыктагы реакциясы жана төмөн өткөрүү жөндөмдүүлүгүнөн улам суу астында колдонуу үчүн идеалдуу. Бул конфигурацияда SMA аткаруучулары балыктардын кыймылын симуляциялоо менен толкун кыймылын түзүү үчүн колдонулат, (г) SMA аткаруучулары 10-каналдын ичиндеги SMA зымдарынын кыймылы менен башкарылуучу дюймдук курт кыймыл принцибин колдоно алган микро түтүк текшерүү роботун түзүү үчүн колдонулат, (д) ​​булчуң талчаларынын жыйрылуу багытын жана балтыр тканында жыйрылуу күчүн пайда кылууну көрсөтөт, (е) пенната булчуң түзүлүшүндөгү булчуң талчалары түрүндө жайгашкан SMA зымдарын көрсөтөт.
Кыймылдаткычтар кеңири колдонулушунан улам механикалык системалардын маанилүү бөлүгүнө айланды. Ошондуктан, кичирээк, тезирээк жана натыйжалуураак кыймылдаткычтарга болгон муктаждык өтө маанилүү болуп калды. Артыкчылыктарына карабастан, салттуу кыймылдаткычтарды тейлөө кымбат жана убакытты талап кылаары далилденди. Гидравликалык жана пневматикалык кыймылдаткычтар татаал жана кымбат болуп, эскирүүгө, майлоо көйгөйлөрүнө жана компоненттердин иштебей калышына дуушар болушат. Суроо-талапка жооп катары, акылдуу материалдарга негизделген үнөмдүү, өлчөмдөрү боюнча оптималдаштырылган жана өнүккөн кыймылдаткычтарды иштеп чыгууга басым жасалат. Бул муктаждыкты канааттандыруу үчүн уланып жаткан изилдөөлөр форма эс тутуму (SMA) катмарлуу кыймылдаткычтарды карап чыгууда. Иерархиялык кыймылдаткычтар уникалдуу, анткени алар көптөгөн дискреттик кыймылдаткычтарды геометриялык жактан татаал макро масштабдуу подсистемаларга бириктирип, функцияны жогорулатат жана кеңейтет. Бул жагынан алганда, жогоруда сүрөттөлгөн адамдын булчуң тканы мындай көп катмарлуу кыймылдаткычтын эң сонун көп катмарлуу мисалы болуп саналат. Учурдагы изилдөөдө бимодалдык булчуңдарда болгон була багыттарына ылайыкташтырылган бир нече жеке кыймылдаткыч элементтери (SMA зымдары) бар көп деңгээлдүү SMA кыймылдаткычы сүрөттөлөт, бул жалпы кыймылдаткычтын иштешин жакшыртат.
Активатордун негизги максаты - электр энергиясын айландыруу аркылуу күч жана жылышуу сыяктуу механикалык кубаттуулукту өндүрүү. Форманы эстөөчү эритмелер - бул жогорку температурада формасын калыбына келтире алган "акылдуу" материалдардын классы. Жогорку жүктөмдөр астында SMA зымынын температурасынын жогорулашы форманын калыбына келишине алып келет, бул ар кандай түз байланышкан акылдуу материалдарга салыштырмалуу жогорку иштетүү энергиясынын тыгыздыгына алып келет. Ошол эле учурда, механикалык жүктөмдөр астында SMAлар морт болуп калат. Белгилүү бир шарттарда циклдик жүктөм механикалык энергияны сиңирип жана бөлүп чыгара алат, бул кайтарымдуу гистеретикалык форма өзгөрүүлөрүн көрсөтөт. Бул уникалдуу касиеттер SMAны сенсорлор, термелүүнү басуучу жана өзгөчө актуаторлор үчүн идеалдуу кылат12. Муну эске алуу менен, SMAга негизделген дисктер боюнча көптөгөн изилдөөлөр жүргүзүлдү. SMAга негизделген актуаторлор ар кандай колдонмолор үчүн котормо жана айлануу кыймылын камсыз кылуу үчүн иштелип чыкканын белгилей кетүү керек13,14,15. Айрым айлануучу актуаторлор иштелип чыкканы менен, изилдөөчүлөр сызыктуу актуаторлорго өзгөчө кызыгышат. Бул сызыктуу актуаторлорду үч түргө бөлүүгө болот: бир өлчөмдүү, жылышуу жана дифференциалдык актуаторлор16. Башында гибриддик дисктер SMA жана башка кадимки дисктер менен айкалышып түзүлгөн. SMA негизиндеги гибриддик сызыктуу кыймылдаткычтын мындай бир мисалы - болжол менен 100 Н чыгуу күчүн жана олуттуу жылышууну камсыз кылуу үчүн туруктуу токтун мотору бар SMA зымын колдонуу17.
SMAга толугу менен негизделген жетектөөчүлөрдүн алгачкы иштеп чыгууларынын бири SMA параллелдүү жетектөөчүсү болгон. Бир нече SMA зымдарын колдонуу менен, SMAга негизделген параллелдүү жетектөөчү бардык SMA18 зымдарын параллелдүү жайгаштыруу менен жетектөөчүнүн кубаттуулук мүмкүнчүлүгүн жогорулатуу үчүн иштелип чыккан. Аткаруучу механизмдерди параллелдүү туташтыруу көбүрөөк кубаттуулукту гана талап кылбастан, бир зымдын чыгуу кубаттуулугун да чектейт. SMAга негизделген жетектөөчү механизмдердин дагы бир кемчилиги - алар жетише алган чектелген жүрүш. Бул көйгөйдү чечүү үчүн, жылышууну көбөйтүү жана сызыктуу кыймылга жетүү үчүн бурулган ийкемдүү нурду камтыган SMA кабелдик нуру түзүлгөн, бирок ал жогорку күчтөрдү пайда кылган эмес19. Форма эс тутуму эритмелерине негизделген роботтор үчүн жумшак деформациялануучу конструкциялар жана кездемелер негизинен соккуну күчөтүү үчүн иштелип чыккан20,21,22. Жогорку ылдамдык талап кылынган колдонмолор үчүн микронасос менен башкарылуучу колдонмолор үчүн жука пленкалуу SMAларды колдонуу менен компакттуу жетектөөчү насостор жөнүндө кабарланган23. Жука пленкалуу SMA мембранасынын жетектөөчү жыштыгы айдоочунун ылдамдыгын башкарууда негизги фактор болуп саналат. Ошондуктан, SMA сызыктуу моторлору SMA пружиналуу же таякчалуу моторлорго караганда жакшыраак динамикалык жоопко ээ. Жумшак робототехника жана кармоо технологиясы SMA негизиндеги аткаруучу механизмдерди колдонгон дагы эки колдонмо болуп саналат. Мисалы, 25 Н мейкиндик кыскычында колдонулган стандарттуу аткаруучу механизмди алмаштыруу үчүн форма эс тутумдуу эритмеден жасалган параллелдүү аткаруучу механизм 24 иштелип чыккан. Башка бир учурда, SMA жумшак аткаруучу механизми 30 Н максималдуу тартуу күчүн өндүрө алган камтылган матрицасы бар зымдын негизинде жасалган. Механикалык касиеттеринен улам, SMAлар биологиялык кубулуштарды туураган аткаруучу механизмдерди өндүрүү үчүн да колдонулат. Мындай иштеп чыгуулардын бири - синусоидалык кыймылды пайда кылуу үчүн SMA менен сөөлжан сымал организмдин биомиметикасы болгон 12 клеткалуу робот26,27.
Жогоруда айтылгандай, учурдагы SMA негизиндеги аткаруучулардан алынуучу максималдуу күчтүн чеги бар. Бул маселени чечүү үчүн бул изилдөөдө биомиметикалык бимодалдык булчуң түзүлүшү сунушталат. Форманы эстөөчү эритме зымы менен башкарылат. Ал бир нече форманы эстөөчү эритме зымдарын камтыган классификация системасын камсыз кылат. Бүгүнкү күнгө чейин адабиятта окшош архитектурага ээ болгон SMA негизиндеги аткаруучулар жөнүндө кабарланган эмес. SMA негизиндеги бул уникалдуу жана жаңы система бимодалдык булчуңдарды тегиздөө учурунда SMAнын жүрүм-турумун изилдөө үчүн иштелип чыккан. Учурдагы SMA негизиндеги аткаруучуларга салыштырмалуу, бул изилдөөнүн максаты кичинекей көлөмдө бир кыйла жогорку күчтөрдү пайда кылуу үчүн биомиметикалык дипвалераттык аткаруучуну түзүү болгон. HVAC имаратын автоматташтыруу жана башкаруу системаларында колдонулган кадимки кадамдык мотор менен башкарылуучу башкаруучуларга салыштырмалуу, сунушталган SMA негизиндеги бимодалдык башкаруучу конструкция башкаруучу механизмдин салмагын 67% га азайтат. Төмөндө "булчуң" жана "айдоочу" терминдери бири-биринин ордуна колдонулат. Бул изилдөө мындай башкаруучу кыймылдаткычтын мультифизикалык симуляциясын изилдейт. Мындай системалардын механикалык жүрүм-туруму эксперименталдык жана аналитикалык ыкмалар менен изилденген. Күч жана температуранын бөлүштүрүлүшү 7 В киргизүү чыңалуусунда андан ары изилденген. Андан кийин, негизги параметрлер менен чыгуучу күчтүн ортосундагы байланышты жакшыраак түшүнүү үчүн параметрдик анализ жүргүзүлдү. Акырында, иерархиялык аткаруучу түзүлүштөр элестетилген жана протездик колдонмолор үчүн магниттик эмес аткаруучу түзүлүштөрдүн келечектеги потенциалдуу багыты катары иерархиялык деңгээлдеги эффекттер сунушталган. Жогоруда айтылган изилдөөлөрдүн жыйынтыктарына ылайык, бир баскычтуу архитектураны колдонуу SMA негизиндеги аткаруучу түзүлүштөргө караганда кеминде төрт-беш эсе жогору күчтөрдү пайда кылат. Мындан тышкары, көп баскычтуу көп баскычтуу аткаруучу түзүлүш тарабынан пайда болгон ошол эле кыймылдаткыч күч кадимки SMA негизиндеги башкаруучу түзүлүштөргө караганда он эседен ашык экени көрсөтүлгөн. Андан кийин изилдөө ар кандай конструкциялардын жана киргизүү өзгөрмөлөрүнүн ортосундагы сезгичтик анализин колдонуу менен негизги параметрлерди билдирет. SMA зымынын баштапкы узундугу (\(l_0\)), төөнөгүч бурч (\(\alpha\)) жана ар бир өзүнчө чынжырдагы бир жиптердин саны (n) кыймылдаткыч күчтүн чоңдугуна күчтүү терс таасирин тийгизет, ал эми киргизүү чыңалуу (энергия) оң корреляцияланган болуп чыкты.
SMA зымы никель-титан (Ni-Ti) эритмелеринин үй-бүлөсүндө байкалган форманы эске тутуу эффектин (SME) көрсөтөт. Адатта, SMAлар эки температурага көз каранды фазаны көрсөтөт: төмөнкү температура фазасы жана жогорку температура фазасы. Эки фаза тең ар кандай кристаллдык түзүлүштөрдүн болушунан улам уникалдуу касиеттерге ээ. Трансформация температурасынан жогору болгон аустенит фазасында (жогорку температура фазасы) материал жогорку бекемдикти көрсөтөт жана жүктөм астында начар деформацияланат. Эритме дат баспас болоттой иштейт, ошондуктан ал жогорку иштетүү басымына туруштук бере алат. Ni-Ti эритмелеринин бул касиетин пайдаланып, SMA зымдары кыймылдаткычты түзүү үчүн кыйшайып турат. Ар кандай параметрлердин жана ар кандай геометриялардын таасири астында SMAнын жылуулук жүрүм-турумунун негизги механикасын түшүнүү үчүн тиешелүү аналитикалык моделдер иштелип чыккан. Эксперименталдык жана аналитикалык натыйжалардын ортосунда жакшы дал келүү алынган.
9a-сүрөттө көрсөтүлгөн прототипте SMAга негизделген бимодалдык жетектин иштешин баалоо үчүн эксперименталдык изилдөө жүргүзүлдү. Бул касиеттердин экөөсү, жетек тарабынан пайда болгон күч (булчуң күчү) жана SMA зымынын температурасы (SMA температурасы), эксперименталдык түрдө өлчөнгөн. Жетектеги зымдын бүт узундугу боюнча чыңалуу айырмасы жогорулаган сайын, зымдын температурасы Джоуль ысытуу эффектинен улам жогорулайт. Киргизүү чыңалуу эки 10 секунддук циклде (2a, b-сүрөттөрдө кызыл чекиттер катары көрсөтүлгөн) колдонулган, ар бир циклдин ортосунда 15 секунддук муздатуу мезгили болгон. Бөгөттөө күчү пьезоэлектрдик чыңалуу өлчөгүчтү колдонуу менен өлчөнгөн жана SMA зымынын температуралык бөлүштүрүлүшү илимий деңгээлдеги жогорку чечилиштеги LWIR камерасын колдонуу менен реалдуу убакыт режиминде көзөмөлдөнгөн (2-таблицада колдонулган жабдуулардын мүнөздөмөлөрүн караңыз). Көрсөтүлгөндөй, жогорку чыңалуу фазасында зымдын температурасы монотондуу түрдө жогорулайт, бирок ток өтпөгөндө, зымдын температурасы төмөндөй берет. Учурдагы эксперименталдык орнотууда SMA зымынын температурасы муздатуу фазасында төмөндөгөн, бирок ал дагы эле айлана-чөйрөнүн температурасынан жогору болгон. 2e-сүрөттө LWIR камерасынан алынган SMA зымындагы температуранын сүрөтү көрсөтүлгөн. Башка жагынан алганда, 2a-сүрөттө жетектөөчү система тарабынан пайда болгон бөгөттөө күчү көрсөтүлгөн. Булчуң күчү пружинанын калыбына келтирүүчү күчүнөн ашып кеткенде, 9a-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, кыймылдуу кол кыймылдай баштайт. Ишке киргизүү башталганда эле, кыймылдуу кол сенсорго тийип, дене күчүн пайда кылат, 2c, d-сүрөттөрдө көрсөтүлгөндөй. Максималдуу температура \(84\,^{\circ}\hbox {C}\) жакын болгондо, байкалган максималдуу күч 105 Н түзөт.
График SMA зымынын температурасынын жана SMA негизиндеги бимодалдык кыймылдаткыч тарабынан эки цикл учурунда пайда болгон күчтүн эксперименталдык жыйынтыктарын көрсөтөт. Киргизүү чыңалуу ар бир циклдин ортосунда 15 секунддук муздатуу мезгили менен эки 10 секунддук циклде (кызыл чекиттер катары көрсөтүлгөн) колдонулат. Эксперименттер үчүн колдонулган SMA зымы Dynalloy, Inc. компаниясынын диаметри 0,51 мм болгон Flexinol зымы болгон. (а) График эки цикл учурунда алынган эксперименталдык күчтү көрсөтөт, (в, г) PACEline CFT/5kN пьезоэлектрдик күч өзгөрткүчүндөгү кыймылдуу кол кыймылдаткычтарынын аракетинин эки көз карандысыз мисалын көрсөтөт, (б) график эки цикл учурунда бүтүндөй SMA зымынын максималдуу температурасын көрсөтөт, (д) ​​FLIR ResearchIR программалык камсыздоосунун LWIR камерасын колдонуп, SMA зымынан алынган температуранын сүрөтүн көрсөтөт. Эксперименттерде эске алынган геометриялык параметрлер 1-таблицада келтирилген.
Математикалык моделдин симуляция жыйынтыктары жана эксперименталдык жыйынтыктар 5-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, 7В киргизүү чыңалуу шартында салыштырылат. Параметрдик анализдин жыйынтыктарына ылайык жана SMA зымынын ысып кетүү мүмкүнчүлүгүн болтурбоо үчүн, аткаруучу механизмге 11,2 Вт кубаттуулук берилген. Киргизүү чыңалуу катары 7В берүү үчүн программалануучу туруктуу ток булагы колдонулган жана зым аркылуу 1,6А ток күчү өлчөнгөн. Ток колдонулганда жетек тарабынан пайда болгон күч жана SDR температурасы жогорулайт. Киргизүү чыңалуу 7В болгондо, биринчи циклдин симуляция жыйынтыктарынан жана эксперименталдык жыйынтыктарынан алынган максималдуу чыгуу күчү тиешелүүлүгүнө жараша 78 Н жана 96 Н түзөт. Экинчи циклде симуляциянын жана эксперименталдык жыйынтыктардын максималдуу чыгуу күчү тиешелүүлүгүнө жараша 150 Н жана 105 Н түзгөн. Окклюзия күчүнүн өлчөөлөрү менен эксперименталдык маалыматтардын ортосундагы айырмачылык окклюзия күчүн өлчөө үчүн колдонулган ыкмага байланыштуу болушу мүмкүн. Сүрөттө көрсөтүлгөн эксперименталдык жыйынтыктар. 5a кулпулоо күчүнүн өлчөөсүнө туура келет, ал өз кезегинде жетектөөчү вал PACEline CFT/5kN пьезоэлектрдик күч өзгөрткүчү менен байланышта болгондо өлчөнгөн, 2s-сүрөттө көрсөтүлгөндөй. Ошондуктан, жетектөөчү вал муздатуу зонасынын башындагы күч сенсору менен байланышта болбогондо, күч дароо нөлгө айланат, 2d-сүрөттө көрсөтүлгөндөй. Мындан тышкары, кийинки циклдерде күчтүн пайда болушуна таасир этүүчү башка параметрлер - бул муздатуу убактысынын маанилери жана мурунку циклдеги конвективдик жылуулук алмашуу коэффициенти. 2b-сүрөттөн көрүнүп тургандай, 15 секунддук муздатуу мезгилинен кийин SMA зымы бөлмө температурасына жеткен эмес жана ошондуктан экинчи айдоо циклинде биринчи циклге (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)) салыштырмалуу жогорку баштапкы температурага (\(40\,^{\circ}\hbox {C}\)) ээ болгон. Ошентип, биринчи цикл менен салыштырганда, экинчи жылытуу циклиндеги SMA зымынын температурасы баштапкы аустенит температурасына (\(A_s\)) эртерээк жетет жана өткөөл мезгилде узакка созулат, бул чыңалууга жана күчкө алып келет. Башка жагынан алганда, эксперименттерден жана симуляциялардан алынган жылытуу жана муздатуу циклдериндеги температуранын бөлүштүрүлүшү термографиялык анализдин мисалдарына жогорку сапаттык окшоштукка ээ. Эксперименттерден жана симуляциялардан алынган SMA зымынын жылуулук маалыматтарынын салыштырмалуу анализи жылытуу жана муздатуу циклдери учурунда жана эксперименталдык маалыматтар үчүн кабыл алынган толеранттуулуктун чегинде ырааттуулукту көрсөттү. Биринчи циклдин симуляциясынын жана эксперименттеринин жыйынтыктарынан алынган SMA зымынын максималдуу температурасы тиешелүүлүгүнө жараша \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) жана \(75\,^{\circ }\hbox {C }\) түзөт, ал эми экинчи циклде SMA зымынын максималдуу температурасы \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) жана \(83\,^{\circ }\hbox {C}\) түзөт. Фундаменталдуу түрдө иштелип чыккан модель форма эс тутумунун эффектисинин таасирин тастыктайт. Бул серепте чарчоонун жана ысып кетүүнүн ролу каралган эмес. Келечекте модель SMA зымынын чыңалуу тарыхын камтуу үчүн жакшыртылып, аны инженердик колдонмолор үчүн ылайыктуураак кылат. Simulink блогунан алынган кыймылдаткычтын чыгуучу күчү жана SMA температура графиктери 7 В киргизүү чыңалуу импульсунун шартында эксперименталдык маалыматтардын жол берилген чегине туура келет. Бул иштелип чыккан математикалык моделдин тууралыгын жана ишенимдүүлүгүн тастыктайт.
Математикалык модель MathWorks Simulink R2020b чөйрөсүндө "Методдор" бөлүмүндө сүрөттөлгөн негизги теңдемелерди колдонуу менен иштелип чыккан. 3b-сүрөттө Simulink математикалык моделинин блок-схемасы көрсөтүлгөн. Модель 2a, b-сүрөттөрдө көрсөтүлгөндөй, 7V киргизүү чыңалуу импульсу үчүн симуляцияланган. Симуляцияда колдонулган параметрлердин маанилери 1-таблицада келтирилген. Өткөөл процесстерди симуляциялоонун жыйынтыктары 1 жана 1-сүрөттөрдө көрсөтүлгөн. 3a жана 4-сүрөттөрдө. 4a, b-сүрөттө SMA зымындагы индукцияланган чыңалуу жана аткаруучу механизм тарабынан убакыттын функциясы катары пайда болгон күч көрсөтүлгөн. Тескери трансформация (ысытуу) учурунда, SMA зымынын температурасы, \(T < A_s^{\prime}\) (чыңалуу менен модификацияланган аустенит фазасынын башталыш температурасы), мартенситтин көлөмдүк үлүшүнүн өзгөрүү ылдамдыгы (\(\dot{\xi}\)) нөлгө барабар болот. Тескери трансформация (ысытуу) учурунда, SMA зымынын температурасы, \(T < A_s^{\prime}\) (чыңалуу менен модификацияланган аустенит фазасынын башталыш температурасы), мартенситтин көлөмдүк үлүшүнүн өзгөрүү ылдамдыгы (\(\dot{\ xi }\)) нөлгө барабар болот. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\) ну. Тескери трансформация (ысытуу) учурунда, SMA зымынын температурасы, \(T < A_s^{\prime}\) (чыңалуу менен модификацияланган аустениттин башталыш температурасы) болгондо, мартенситтин көлөмдүк бөлүгүнүн өзгөрүү ылдамдыгы (\(\dot{\ xi}\)) нөлгө барабар болот.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（\)(\}dot{\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 зымынын температурасында тескери трансформация (ысытуу) учурунда (аустенит фазасынын ядролонуу температурасы, чыңалууга оңдолгон), мартенситтин көлөмдүк үлүшүнүн өзгөрүү ылдамдыгы (\( \dot{\ xi }\)) нөлгө барабар болот.Ошондуктан, чыңалуу өзгөрүшүнүн ылдамдыгы (\(\dot{\sigma}\)) деформация ылдамдыгына (\(\dot{\epsilon}\)) жана температура градиентине (\(\dot{T} \)) (1) теңдемени колдонуу менен гана көз каранды болот. Бирок, SMA зымынын температурасы жогорулап, (\(A_s^{\prime}\)) кесилишкенде, аустенит фазасы пайда боло баштайт жана (\(\dot{\xi}\)) (3) теңдеменин берилген мааниси катары алынат. Ошондуктан, чыңалуу өзгөрүшүнүн ылдамдыгы (\(\dot{\sigma}\)) биргелешип \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) жана \(\dot{\xi}\) (1) формуласында берилгенге барабар болушу менен башкарылат. Бул ысытуу цикли учурунда убакыт боюнча өзгөрүүчү чыңалуу жана күч карталарында байкалган градиент өзгөрүүлөрүн түшүндүрөт, 4a, b сүрөттөрүндө көрсөтүлгөндөй.
(a) SMA негизиндеги эки валераттык кыймылдаткычта температуранын бөлүштүрүлүшүн жана чыңалуудан улам пайда болгон түйүн температурасын көрсөткөн симуляциянын жыйынтыгы. Зымдын температурасы ысытуу стадиясында аустениттин өтүү температурасынан өткөндөн кийин, өзгөртүлгөн аустениттин өтүү температурасы жогорулай баштайт жана ошо сыяктуу эле, зым таякчасынын температурасы муздатуу стадиясында мартенситтик өтүү температурасынан өткөндөн кийин, мартенситтик өтүү температурасы төмөндөйт. Ишке киргизүү процессин аналитикалык моделдөө үчүн SMA. (Simulink моделинин ар бир подсистемасынын деталдуу көрүнүшү үчүн кошумча файлдын тиркеме бөлүмүн караңыз.)
Ар кандай параметрлердин бөлүштүрүлүшүн талдоо жыйынтыктары 7В киргизүү чыңалуусунун эки цикли үчүн көрсөтүлгөн (10 секунддук жылытуу цикли жана 15 секунддук муздатуу цикли). (ac) жана (e) убакыттын өтүшү менен бөлүштүрүүнү чагылдырса, экинчи жагынан, (d) жана (f) температура менен бөлүштүрүүнү көрсөтөт. Тиешелүү киргизүү шарттары үчүн байкалган максималдуу чыңалуу 106 МПа (345 МПадан аз, зымдын кирүүчү бекемдиги), күч 150 Н, максималдуу жылышуу 270 мкм жана минималдуу мартенситтик көлөмдүк үлүшү 0,91. Башка жагынан алганда, чыңалуудагы өзгөрүү жана мартенситтин көлөмдүк үлүшүнүн температура менен өзгөрүшү гистерезис мүнөздөмөлөрүнө окшош.
Ушул эле түшүндүрмө аустенит фазасынан мартенсит фазасына түз трансформацияга (муздатууга) тиешелүү, мында SMA зымынын температурасы (T) жана чыңалуу менен модификацияланган мартенсит фазасынын (\(M_f^{\prime}\ )) акыркы температурасы эң сонун. 4d,f-сүрөттө SMA зымындагы индукцияланган чыңалуудагы (\(\sigma\)) жана мартенситтин көлөмдүк үлүшүндөгү (\(\xi\)) өзгөрүү эки айдоо цикли үчүн SMA зымынын (T) температурасынын өзгөрүшүнө жараша көрсөтүлгөн. 3a-сүрөттө SMA зымынын температурасынын убакыттын өтүшү менен кириш чыңалуу импульсуна жараша өзгөрүшү көрсөтүлгөн. Сүрөттөн көрүнүп тургандай, зымдын температурасы нөлдүк чыңалууда жылуулук булагын камсыз кылуу жана андан кийинки конвективдик муздатуу менен жогорулай берет. Ысытуу учурунда, SMA зымынын температурасы (T) чыңалуу менен коррекцияланган аустениттин нуклеация температурасынан (\(A_s^{\prime}\)) өткөндөн кийин, мартенситтин аустенит фазасына кайра трансформацияланышы башталат. Бул фазада SMA зымы кысылат жана аткаруучу механизм күч пайда кылат. Ошондой эле муздатуу учурунда, SMA зымынын температурасы (T) чыңалуу менен модификацияланган мартенсит фазасынын (\(M_s^{\prime}\)) нуклеация температурасынан өткөндөн кийин, аустенит фазасынан мартенсит фазасына оң өтүү болот. Кыймылдаткыч күч азаят.
SMAга негизделген бимодалдык жетектин негизги сапаттык аспектилерин симуляциянын жыйынтыктарынан алууга болот. Чыңалуу импульсунун кириши учурунда, SMA зымынын температурасы Джоуль жылытуу эффектинен улам жогорулайт. Мартенситтин көлөмдүк бөлүгүнүн (\(\xi\)) баштапкы мааниси 1ге коюлган, анткени материал башында толугу менен мартенситтик фазада болот. Зым ысый берген сайын, SMA зымынын температурасы чыңалуу менен коррекцияланган аустениттин нуклеация температурасынан \(A_s^{\prime}\) ашып түшөт, бул 4c-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, мартенситтин көлөмдүк бөлүгүнүн төмөндөшүнө алып келет. Мындан тышкары, 4e-сүрөттө аткаруучу механизмдин жүрүштөрүнүн убакыт боюнча бөлүштүрүлүшү, ал эми 5-сүрөттө - убакыттын функциясы катары кыймылдаткыч күч көрсөтүлгөн. Байланыштуу теңдемелер системасына температура, мартенситтин көлөмдүк бөлүгү жана зымда пайда болгон чыңалуу кирет, бул SMA зымынын кичирейишине жана аткаруучу механизм тарабынан пайда болгон күчкө алып келет. Сүрөттө көрсөтүлгөндөй, 1-сүрөттө көрсөтүлгөндөй. 4d,f, температурага жараша чыңалуу өзгөрүшү жана мартенсит көлөмдүк үлүшүнүн температурага жараша өзгөрүшү 7 В симуляцияланган учурда SMAнын гистерезис мүнөздөмөлөрүнө туура келет.
Айдоо параметрлерин салыштыруу эксперименттер жана аналитикалык эсептөөлөр аркылуу алынган. Зымдар 10 секунд бою 7 В импульстук киргизүү чыңалуусуна дуушар болуп, андан кийин эки циклдин ичинде 15 секундга (муздатуу фазасы) муздатылган. Тирөөч бурчу \(40^{\circ}\) деп коюлган жана ар бир бир төөнөгүч бутундагы SMA зымынын баштапкы узундугу 83 мм деп коюлган. (а) Жүк элементи менен кыймылдаткыч күчүн өлчөө (б) Термикалык инфракызыл камера менен зымдын температурасын көзөмөлдөө.
Физикалык параметрлердин кыймылдаткыч тарабынан пайда болгон күчкө тийгизген таасирин түшүнүү үчүн, тандалган физикалык параметрлерге математикалык моделдин сезгичтигин талдоо жүргүзүлүп, параметрлер алардын таасирине жараша рейтингге киргизилген. Алгач, моделдин параметрлерин тандоо бирдей бөлүштүрүүнү карманган эксперименталдык долбоорлоо принциптерин колдонуу менен жүргүзүлдү (сезгичтикти талдоо боюнча кошумча бөлүм караңыз). Бул учурда, моделдин параметрлерине киргизүү чыңалуусу (\(V_{in}\)), баштапкы SMA зымынын узундугу (\(l_0\)), үч бурчтуктун бурчу (\(\alpha\)), ийилүүчү пружина константасы (\( K_x\)), конвективдик жылуулук өткөрүмдүүлүк коэффициенти (\(h_T\)) жана унимодалдык бутактардын саны (n) кирет. Кийинки кадамда изилдөөнүн дизайнынын талабы катары булчуңдун эң жогорку күчү тандалып алынган жана ар бир өзгөрмөлөр топтомунун күчкө параметрдик таасири алынган. Сезгичтикти талдоо үчүн торнадо графиктери 6а-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, ар бир параметр үчүн корреляция коэффициенттеринен алынган.
(a) Моделдин параметрлеринин корреляция коэффициенттеринин маанилери жана алардын жогорудагы моделдин параметрлеринин 2500 уникалдуу тобунун максималдуу чыгуу күчүнө тийгизген таасири торнадо диаграммасында көрсөтүлгөн. График бир нече индикаторлордун рангдык корреляциясын көрсөтөт. \(V_{in}\) оң корреляцияга ээ болгон жалгыз параметр, ал эми \(l_0\) эң жогорку терс корреляцияга ээ параметр экени айдан ачык. Ар кандай айкалыштардагы ар кандай параметрлердин булчуң күчүнүн чоку күчүнө тийгизген таасири (b, c) диаграммаларында көрсөтүлгөн. \(K_x\) 400дөн 800 Н/мге чейин жана n 4төн 24кө чейин диапазондо. Чыңалуу (\(V_{in}\)) 4Вдан 10Вга чейин, зымдын узундугу (\(l_{0} \)) 40тан 100 ммге чейин, ал эми куйруктун бурчу (\ (\alpha \)) \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\) чейин өзгөрдү.
6a-сүрөттө ар бир параметр үчүн ар кандай корреляция коэффициенттеринин торнадо графиги көрсөтүлгөн, алардын эң жогорку кыймылдаткыч күчүнүн долбоорлоо талаптары бар. 6a-сүрөттөн чыңалуу параметри (\(V_{in}\)) максималдуу чыгуучу күчкө түздөн-түз байланыштуу экенин жана конвективдик жылуулук өткөрүмдүүлүк коэффициенти (\(h_T\)), жалын бурчу (\(\alpha\)), жылышуу пружиналык константасы (\(K_x\)) чыгуучу күч жана SMA зымынын баштапкы узундугу (\(l_0\)) менен терс корреляцияланганын жана унимодалдык бутактардын саны (n) күчтүү тескери корреляцияны көрсөтөт. Түз корреляция учурунда чыңалуу корреляция коэффициентинин (\(V_{in}\)) мааниси жогору болгон учурда бул параметр кубаттуулукка эң чоң таасир этерин көрсөтөт. Дагы бир окшош талдоо 6b, c сүрөттөрүндө көрсөтүлгөндөй, эки эсептөө мейкиндигинин ар кандай айкалыштарындагы ар кандай параметрлердин таасирин баалоо менен эң жогорку күчтү өлчөйт. \(V_{in}\) жана \(l_0\), \(\alpha\) жана \(l_0\) окшош схемаларга ээ жана график \(V_{in}\) жана \(\alpha\) жана \(\alpha\) окшош схемаларга ээ экенин көрсөтүп турат. \(l_0\) кичине маанилери чоку күчтөрүнүн жогорулашына алып келет. Калган эки график 6a-сүрөткө дал келет, мында n жана \(K_x\) терс корреляцияланган жана \(V_{in}\) оң корреляцияланган. Бул анализ кыймылдаткыч системасынын чыгуучу күчүн, жүрүшүн жана натыйжалуулугун талаптарга жана колдонууга ылайыкташтырууга боло турган таасир этүүчү параметрлерди аныктоого жана тууралоого жардам берет.
Учурдагы изилдөө иши N деңгээлдеги иерархиялык дисктерди киргизет жана изилдейт. 7a-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, эки деңгээлдеги иерархияда, биринчи деңгээлдеги аткаруучунун ар бир SMA зымынын ордуна, 9e-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, бимодалдык жайгашууга жетишилет. 7c-сүрөттө SMA зымынын узунунан багытта гана кыймылдаган кыймылдуу колго (жардамчы колго) кантип оролгону көрсөтүлгөн. Бирок, негизги кыймылдуу кол 1-баскычтагы көп баскычтуу аткаруучунун кыймылдуу колу сыяктуу эле кыймылдай берет. Адатта, N-баскычтуу башкаруучу \(N-1\) баскычтагы SMA зымын биринчи баскычтуу башкаруучу менен алмаштыруу менен түзүлөт. Натыйжада, ар бир бутак биринчи баскычтуу башкаруучуну туурайт, зымдын өзүн кармап турган бутактан тышкары. Ушундай жол менен, негизги башкаруучулардын күчтөрүнөн бир нече эсе чоң күчтөрдү түзгөн уяланган структураларды түзүүгө болот. Бул изилдөөдө ар бир деңгээл үчүн 7d-сүрөттө таблица түрүндө көрсөтүлгөндөй, 1 м жалпы эффективдүү SMA зымынын узундугу эске алынган. Ар бир унимодалдык конструкциядагы ар бир зым аркылуу өткөн ток күчү жана ар бир SMA зым сегментиндеги алдын ала чыңалуу жана чыңалуу ар бир деңгээлде бирдей. Биздин аналитикалык моделибизге ылайык, чыгуучу күч деңгээл менен оң корреляцияланат, ал эми жылышуу терс корреляцияланат. Ошол эле учурда, жылышуу менен булчуң күчүнүн ортосунда компромисс болгон. 7b-сүрөттө көрүнүп тургандай, максималдуу күч эң көп катмарларда жетишилсе, эң чоң жылышуу эң төмөнкү катмарда байкалат. Иерархиянын деңгээли \(N=5\) деп коюлганда, 2 байкалган сокку \(\upmu\)m менен 2,58 кН эң жогорку булчуң күчү табылган. Башка жагынан алганда, биринчи баскычтагы кыймылдаткыч 277 \(\upmu\)m соккуда 150 Н күч пайда кылат. Көп деңгээлдүү кыймылдаткычтар чыныгы биологиялык булчуңдарды туурай алышат, мында форманы эстөөчү эритмелерге негизделген жасалма булчуңдар так жана майда кыймылдар менен бир кыйла жогорку күчтөрдү пайда кыла алышат. Бул миниатюралык дизайндын чектөөлөрү, иерархия жогорулаган сайын, кыймыл бир топ азаят жана дискти өндүрүү процессинин татаалдыгы жогорулайт.
(а) Эки баскычтуу (\(N=2\)) катмарлуу форма эс тутумдуу эритме сызыктуу аткаруучу система бимодалдык конфигурацияда көрсөтүлгөн. Сунушталган модель биринчи баскычтагы катмарлуу аткаруучудагы SMA зымын башка бир баскычтуу катмарлуу аткаруучу менен алмаштыруу аркылуу жетишилет. (в) Экинчи баскычтагы көп катмарлуу аткаруучунун деформацияланган конфигурациясы. (б) Деңгээлдердин санына жараша күчтөрдүн жана жылышуулардын бөлүштүрүлүшү сүрөттөлгөн. Иштеткичтин эң жогорку күчү графиктеги масштаб деңгээли менен оң корреляцияланган, ал эми жүрүшү масштаб деңгээли менен терс корреляцияланганы аныкталды. Ар бир зымдагы ток жана алдын ала чыңалуу бардык деңгээлдерде туруктуу бойдон калат. (г) Таблицада ар бир деңгээлдеги SMA зымынын (буласынын) кранттарынын саны жана узундугу көрсөтүлгөн. Зымдардын мүнөздөмөлөрү 1 индекси менен, ал эми экинчилик бутактардын саны (бирөө негизги бутка туташкан) индекстеги эң чоң сан менен көрсөтүлөт. Мисалы, 5-деңгээлде, \(n_1\) ар бир бимодалдык түзүлүштө бар болгон SMA зымдарынын санын билдирет, ал эми \(n_5\) жардамчы буттардын санын (бирөө негизги бутка туташкан) билдирет.
Көптөгөн изилдөөчүлөр форма эс тутуму бар SMAлардын жүрүм-турумун моделдөө үчүн ар кандай ыкмаларды сунушташкан, алар фазалык өтүү менен байланышкан кристаллдык түзүлүштөгү макроскопиялык өзгөрүүлөргө коштолгон термомеханикалык касиеттерге көз каранды. Конститутивдик ыкмалардын формулировкасы өзүнөн-өзү татаал. Эң көп колдонулган феноменологиялык модель Танака28 тарабынан сунушталган жана инженердик колдонмолордо кеңири колдонулат. Танака [28] тарабынан сунушталган феноменологиялык модель мартенситтин көлөмдүк үлүшү температуранын жана чыңалуусунун экспоненциалдык функциясы деп болжолдойт. Кийинчерээк Лян жана Роджерс29 жана Бринсон30 фазалык өтүү динамикасы чыңалуу менен температуранын косинус функциясы деп эсептелген, моделге бир аз өзгөртүүлөр киргизилген моделди сунушташкан. Беккер жана Бринсон SMA материалдарынын каалагандай жүктөө шарттарында, ошондой эле жарым-жартылай өтүүлөрдө жүрүм-турумун моделдөө үчүн фазалык диаграммага негизделген кинетикалык моделди сунушташкан. Banerjee32 Элахиния жана Ахмадиан33 тарабынан иштелип чыккан бирдиктүү эркиндик даражасындагы манипуляторду симуляциялоо үчүн Беккер жана Бринсон31 фазалык диаграмма динамикасы ыкмасын колдонот. Фазалык диаграммаларга негизделген кинетикалык ыкмаларды температура менен чыңалуунун монотондук эмес өзгөрүшүн эске алуу менен инженердик колдонмолордо ишке ашыруу кыйын. Элахиния жана Ахмадиан учурдагы феноменологиялык моделдердин бул кемчиликтерине көңүл буруп, ар кандай татаал жүктөө шарттарында форма эс тутумунун жүрүм-турумун талдоо жана аныктоо үчүн кеңейтилген феноменологиялык моделди сунушташат.
SMA зымынын структуралык модели SMA зымынын чыңалуусун (\(сигма\)), деформациясын (\(эпсилон\)), температурасын (T) жана мартенситтин көлөмдүк үлүшүн (\(xi\)) берет. Феноменологиялык конститутивдик моделди алгач Танака28 сунуштаган, кийинчерээк Лян29 жана Бринсон30 кабыл алган. Теңдеменин туундусу төмөнкүдөй формада болот:
мында E - Янг модулун чагылдырган \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) жана \(E_A\) жана \(E_M\) колдонуу менен алынган фазага көз каранды SMA Янг модулу, тиешелүүлүгүнө жараша аустениттик жана мартенситтик фазалар болуп саналат, ал эми жылуулук кеңейүү коэффициенти \(\theta_T\) менен көрсөтүлөт. Фазалык өткөөлгө салым кошуу коэффициенти \(\Omega = -E \epsilon_L\) жана \(\epsilon_L\) - SMA зымындагы максималдуу калыбына келтирилүүчү деформация.
Фазалык динамика теңдемеси Лян29 тарабынан иштелип чыккан жана кийинчерээк Танака28 тарабынан сунушталган экспоненциалдык функциянын ордуна Бринсон30 тарабынан кабыл алынган косинус функциясы менен дал келет. Фазалык өткөөл модели - бул Элахиния жана Ахмадиан34 тарабынан сунушталган жана Лян29 жана Бринсон30 тарабынан берилген фазалык өткөөл шарттарынын негизинде өзгөртүлгөн моделдин кеңейтилиши. Бул фазалык өткөөл модели үчүн колдонулган шарттар татаал термомеханикалык жүктөмдөрдө жарактуу. Убакыттын ар бир моментинде, конститутивдик теңдемени моделдөөдө мартенситтин көлөмдүк үлүшүнүн мааниси эсептелет.
Жылытуу шарттарында мартенситтин аустенитке айланышы менен туюнтулган башкаруучу ретрансформация теңдемеси төмөнкүдөй:
мында \(xi\) - мартенситтин көлөмдүк үлүшү, \(xi _M\) - ысытуудан мурун алынган мартенситтин көлөмдүк үлүшү, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) жана \(C_A\) – ийри сызыктын жакындаштыруу параметрлери, T – SMA зымынын температурасы, \(A_s\) жана \(A_f\) – тиешелүүлүгүнө жараша аустенит фазасынын башталышы жана аягы, температура.
Муздатуу шарттарында аустениттин мартенситке фазалык трансформациясы менен көрсөтүлгөн түз трансформацияны башкаруу теңдемеси:
мында \(xi_A\) - муздатуудан мурун алынган мартенситтин көлөмдүк үлүшү, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) жана \ (C_M \) – ийри сызыктын тууралоо параметрлери, T – SMA зымынын температурасы, \(M_s\) жана \(M_f\) – тиешелүүлүгүнө жараша баштапкы жана акыркы мартенситтин температуралары.
(3) жана (4) теңдемелер дифференциалдангандан кийин, тескери жана түз трансформация теңдемелери төмөнкү формага жөнөкөйлөтүлөт:
Алдыга жана артка трансформациялоо учурунда \(\eta _{\sigma}\) жана \(\eta _{T}\) ар кандай маанилерди алат. \(\eta _{\sigma}\) жана \(\eta _{T}\) менен байланышкан негизги теңдемелер кошумча бөлүмдө чыгарылып, кененирээк талкууланган.
SMA зымынын температурасын көтөрүү үчүн талап кылынган жылуулук энергиясы Джоуль жылытуу эффектинен келип чыгат. SMA зымы тарабынан сиңирилген же бөлүнүп чыккан жылуулук энергиясы трансформациянын жашыруун жылуулугу менен көрсөтүлөт. SMA зымындагы жылуулуктун жоголушу мажбурланган конвекциядан улам келип чыгат жана нурлануунун анча маанилүү эмес таасирин эске алганда, жылуулук энергиясынын балансынын теңдемеси төмөнкүдөй:
Мында \(m_{wire}\) - SMA зымынын жалпы массасы, \(c_{p}\) - SMAнын салыштырма жылуулук сыйымдуулугу, \(V_{in}\) - зымга берилген чыңалуу, \(R_{ohm} \ ) – фазага көз каранды каршылык SMA, төмөнкүдөй аныкталат: \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-xi )r_A]\ ) мында \(r_M\) жана \(r_A\) - тиешелүүлүгүнө жараша мартенсит жана аустениттеги SMA фазасынын каршылыгы, \(A_{c}\) - SMA зымынын бетинин аянты, \(\Delta H\) - форма эс тутуму бар эритме. Зымдын жашыруун өтүү жылуулугу T жана \(T_{\infty}\) - тиешелүүлүгүнө жараша SMA зымынын жана айлана-чөйрөнүн температурасы.
Форма эс тутумдуу эритме зымы иштетилгенде, зым кысылып, бимодалдык конструкциянын ар бир тармагында була күчү деп аталган күч пайда болот. SMA зымынын ар бир жибиндеги булалардын күчтөрү чогуу 9e-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, иштетүү үчүн булчуң күчүн түзөт. Иирилүүчү пружина болгондуктан, N-чи көп катмарлуу кыймылдаткычтын жалпы булчуң күчү төмөнкүдөй:
(7) теңдемесине \(N = 1\) коюп, биринчи баскычтагы бимодалдык кыймылдаткычтын прототибинин булчуң күчүн төмөнкүчө алууга болот:
мында n - бирмодалдык буттардын саны, \(F_m\) - жетек тарабынан пайда болгон булчуң күчү, \(F_f\) - SMA зымындагы буланын бекемдиги, \(K_x\) - пружинанын кыйшайуу катуулугу, \(\альфа\) - үч бурчтуктун бурчу, \(x_0\) - SMA кабелин алдын ала тартылган абалда кармап туруу үчүн кыйшайуу пружинасынын баштапкы жылышы жана \(\Delta x\) - аткаруучунун жүрүшү.
N-баскычтын SMA зымындагы чыңалууга (\(\sigma\)) жана деформацияга (\(\epsilon\)) жараша кыймылдаткычтын жалпы жылышы же кыймылы (\(\Delta x\)) төмөнкүдөй коюлат (чыгаруунун кошумча бөлүгүн караңыз. Сүрөт):
Кинематикалык теңдемелер кыймылдаткычтын деформациясы (\(\epsilon\)) менен жылышуу же жылышуу (\(\Delta x\)) ортосундагы байланышты берет. Арб зымынын баштапкы Арб зымынын узундугуна (\(l_0\)) жана зымдын узундугуна (l) жараша бир унимодалдык бутактагы каалаган t убакыттагы деформациясы төмөнкүдөй:
мында \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) косинус формуласын \(\Delta\)ABB ' системасында колдонуу менен алынат, 8-сүрөттө көрсөтүлгөндөй. Биринчи баскычтагы кыймылдаткыч үчүн (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) \(\Delta x\), ал эми \(\alpha _1\) \(\alpha \), 8-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, (11) теңдемеден убакытты дифференциациялоо жана l маанисин коюу менен, деформация ылдамдыгын төмөнкүдөй жазууга болот:
мында \(l_0\) - SMA зымынын баштапкы узундугу, l - бир унимодалдык бутакта каалаган t убакыттагы зымдын узундугу, \(\epsilon\) - SMA зымында өнүккөн деформация, жана \(\alpha\) - үч бурчтуктун бурчу, \(\Delta x\) - жетектөөчү жылышуу (8-сүрөттө көрсөтүлгөндөй).
Бардык n бир чокулуу түзүлүштөр (бул сүрөттө \(n=6 \)) киргизүү чыңалуу катары \(V_{in}\) менен удаалаш туташтырылган. I этап: Нөлдүк чыңалуу шарттарында бимодалдык конфигурациядагы SMA зымынын схемалык диаграммасы II этап: Кызыл сызык менен көрсөтүлгөндөй, SMA зымы тескери конверсиядан улам кысылган башкарылуучу түзүлүш көрсөтүлгөн.
Концепциянын далили катары, негизги теңдемелердин симуляцияланган чыгарылышын эксперименталдык натыйжалар менен текшерүү үчүн SMA негизиндеги бимодалдык жетек иштелип чыккан. Бимодалдык сызыктуу кыймылдаткычтын CAD модели 9a сүрөттө көрсөтүлгөн. Башка жагынан алганда, 9c сүрөттө бимодалдык түзүлүшкө ээ эки тегиздиктеги SMA негизиндеги кыймылдаткычты колдонуп, айланма призмалык туташуу үчүн сунушталган жаңы дизайн көрсөтүлгөн. Жетектөөчү компоненттер Ultimaker 3 Extended 3D принтеринде кошумча өндүрүштү колдонуу менен жасалган. Компоненттерди 3D басып чыгаруу үчүн колдонулган материал - бул поликарбонат, ал ысыкка чыдамдуу материалдар үчүн ылайыктуу, анткени ал бекем, бышык жана жогорку айнек өтүү температурасына ээ (110-113 \(^{\circ }\) C). Мындан тышкары, эксперименттерде Dynalloy, Inc. компаниясынын Flexinol формасындагы эс тутумдуу эритме зымы колдонулган жана симуляцияларда Flexinol зымына туура келген материалдык касиеттер колдонулган. 9b, d сүрөттөрүндө көрсөтүлгөндөй, көп катмарлуу кыймылдаткычтар тарабынан өндүрүлгөн жогорку күчтөрдү алуу үчүн бир нече SMA зымдары булчуңдардын бимодалдык жайгашуусунда жайгашкан булалар катары жайгаштырылган.
9a-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, кыймылдуу кол SMA зымы тарабынан түзүлгөн курч бурч бурч (\(\альфа\)) деп аталат. Сол жана оң кыскычтарга терминалдык кыскычтар бекитилгенде, SMA зымы каалаган бимодалдык бурчта кармалат. Пружина туташтыргычында кармалып турган ийилүүчү пружина түзүлүшү SMA булаларынын санына (n) жараша ар кандай ийилүүчү пружина узартуу топторун тууралоо үчүн иштелип чыккан. Мындан тышкары, кыймылдуу бөлүктөрдүн жайгашуусу SMA зымы мажбурлап конвекциялык муздатуу үчүн тышкы чөйрөгө дуушар болушу үчүн иштелип чыккан. Ажыратылуучу түзүлүштүн үстүнкү жана астыңкы пластиналары салмакты азайтуу үчүн иштелип чыккан экструзияланган кесимдер менен SMA зымынын муздак болушуна жардам берет. Мындан тышкары, CMA зымынын эки учу тең тиешелүүлүгүнө жараша сол жана оң терминалдарга кыскыч аркылуу бекитилет. Үстүнкү жана астыңкы пластиналардын ортосундагы боштукту сактоо үчүн кыймылдуу түзүлүштүн бир учуна поршень бекитилген. Поршень ошондой эле SMA зымы иштетилгенде бөгөттөө күчүн өлчөө үчүн сенсорго контакт аркылуу бөгөттөө күчүн колдонуу үчүн колдонулат.
SMA эки модалдык булчуң түзүлүшү электрдик жактан удаалаш туташтырылган жана киргизүү импульстук чыңалуу менен иштейт. Чыңалуу импульстук цикли учурунда, чыңалуу берилгенде жана SMA зымы аустениттин баштапкы температурасынан жогору ысытылганда, ар бир жиптеги зымдын узундугу кыскарат. Бул тартылуу кыймылдуу колдун кошумча жыйындысын иштетет. Ошол эле циклде чыңалуу нөлгө коюлганда, ысытылган SMA зымы мартенсит бетинин температурасынан төмөн муздатылган, ошону менен баштапкы абалына кайтып келген. Нөлдүк чыңалуу шарттарында, SMA зымы аныкталган мартенситтик абалга жетүү үчүн алгач ийилүүчү пружина менен пассивдүү түрдө тартылат. SMA зымы өткөн бурама SMA зымына чыңалуу импульсун колдонуу менен пайда болгон кысылуунун эсебинен кыймылдайт (SPA аустенит фазасына жетет), бул кыймылдуу рычагдын иштешине алып келет. SMA зымы тартылганда, ийилүүчү пружина пружинаны андан ары сунуу менен карама-каршы күчтү жаратат. Импульстук чыңалуудагы чыңалуу нөлгө жеткенде, SMA зымы мажбурланган конвекциялык муздатуунун натыйжасында узарып, формасын өзгөртүп, кош мартенситтик фазага жетет.
Сунушталган SMA негизиндеги сызыктуу аткаруучу система SMA зымдары бурчтуу болгон бимодалдык конфигурацияга ээ. (а) прототиптин CAD моделин сүрөттөйт, анда прототип үчүн айрым компоненттер жана алардын маанилери айтылат, (b, d) иштелип чыккан эксперименталдык прототипти билдирет35. (b) колдонулган электрдик туташуулар жана кыйшайтуу пружиналары жана деформация өлчөгүчтөрү бар прототиптин үстүнкү көрүнүшүн көрсөтсө, (d) орнотуунун перспективалык көрүнүшүн көрсөтөт. (e) SMA зымдары каалаган t убактысында бимодалдык жайгаштырылган, буланын багытын жана багытын жана булчуң күчүн көрсөткөн сызыктуу аткаруучу системанын диаграммасы. (c) Эки тегиздиктеги SMA негизиндеги аткаруучуну жайгаштыруу үчүн 2-DOF айланма призмалык туташуу сунушталган. Көрсөтүлгөндөй, звено сызыктуу кыймылды астыңкы жетектен үстүнкү рычагга өткөрүп, айланма байланышты түзөт. Башка жагынан алганда, призма жуптарынын кыймылы көп катмарлуу биринчи баскычтагы жетектин кыймылы менен бирдей.
9b-сүрөттө көрсөтүлгөн прототипте SMAга негизделген бимодалдык жетектин иштешин баалоо үчүн эксперименталдык изилдөө жүргүзүлдү. 10a-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, эксперименталдык орнотуу SMA зымдарына кирүүчү чыңалууну берүү үчүн программалануучу туруктуу токтун кубат булагынан турган. 10b-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, Graphtec GL-2000 маалымат каттоочуну колдонуп, бөгөттөө күчүн өлчөө үчүн пьезоэлектрдик деформация өлчөгүч (PACEline CFT/5kN) колдонулган. Маалыматтар андан ары изилдөө үчүн хост тарабынан жазылат. Деформация өлчөгүчтөрү жана заряд күчөткүчтөрү чыңалуу сигналын чыгаруу үчүн туруктуу кубат булагын талап кылат. Тиешелүү сигналдар пьезоэлектрдик күч сенсорунун сезгичтигине жана 2-таблицада сүрөттөлгөн башка параметрлерге ылайык кубаттуулуктун чыгышына айландырылат. Чыңалуу импульсу колдонулганда, SMA зымынын температурасы жогорулайт, бул SMA зымынын кысылышына алып келет, бул аткаруучу түзүлүштүн күч пайда болушуна алып келет. 7 В кирүүчү чыңалуу импульсу менен булчуң күчүн чыгаруунун эксперименталдык жыйынтыктары 2a-сүрөттө көрсөтүлгөн.
(а) Экспериментте аткаруучу тарабынан пайда болгон күчтү өлчөө үчүн SMA негизиндеги сызыктуу аткаруучу система орнотулган. Жүк элементи бөгөттөө күчүн өлчөйт жана 24 В туруктуу токтун кубат булагы менен иштейт. GW Instek программалануучу туруктуу токтун кубат булагы аркылуу кабелдин бүт узундугу боюнча 7 В чыңалуу төмөндөшү колдонулган. SMA зымы ысыктан улам кичирейет, ал эми кыймылдуу кол жүк элементине тийип, бөгөттөө күчүн көрсөтөт. Жүк элементи GL-2000 маалыматтарды каттоочуга туташтырылган жана маалыматтар андан ары иштетүү үчүн хостто сакталат. (б) Булчуң күчүн өлчөө үчүн эксперименталдык түзүлүштүн компоненттеринин чынжырын көрсөткөн диаграмма.
Форма эс тутуму эритмелери жылуулук энергиясы менен дүүлүктүрүлөт, ошондуктан температура форма эс тутуму кубулушун изилдөө үчүн маанилүү параметр болуп калат. Эксперименталдык түрдө, 11a-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, жылуулук сүрөткө тартуу жана температураны өлчөө SMA негизиндеги эки валераттуу кыймылдаткычтын прототибинде жүргүзүлдү. Программалануучу туруктуу ток булагы 11b-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, эксперименталдык орнотуудагы SMA зымдарына киргизүү чыңалуусун берген. SMA зымынын температуранын өзгөрүшү жогорку чечилиштеги LWIR камерасын (FLIR A655sc) колдонуу менен реалдуу убакыт режиминде өлчөнгөн. Хост андан ары иштетүү үчүн маалыматтарды жазуу үчүн ResearchIR программасын колдонот. Чыңалуу импульсу колдонулганда, SMA зымынын температурасы жогорулайт, бул SMA зымынын кичирейишине алып келет. 2b-сүрөттө 7В киргизүү чыңалуу импульсу үчүн SMA зымынын температурасынын убакытка карата эксперименталдык натыйжалары көрсөтүлгөн.