Merci fir Äre Besuch op Nature.com. D'Browserversioun, déi Dir benotzt, huet limitéiert CSS-Ënnerstëtzung. Fir déi bescht Erfahrung empfeelen mir Iech, en aktualiséierte Browser ze benotzen (oder de Kompatibilitéitsmodus am Internet Explorer auszeschalten). An der Zwëschenzäit, fir weider Ënnerstëtzung ze garantéieren, wäerte mir d'Websäit ouni Stiler a JavaScript duerstellen.
Aktuatoren ginn iwwerall benotzt a kreéieren eng kontrolléiert Bewegung andeems se déi richteg Anregungskraaft oder dat richtegt Dréimoment uwenden, fir verschidden Operatiounen an der Produktioun an der industrieller Automatiséierung auszeféieren. De Besoin fir méi séier, méi kleng an effizient Undriwwen dréit zur Innovatioun am Undriwwendesign bäi. Formgedächtnislegierung (SMA) Undriwwen bidden eng Rei Virdeeler géintiwwer konventionelle Undriwwen, dorënner en héicht Leeschtung-Gewiicht-Verhältnis. An dëser Dissertatioun gouf en zwee-fiederegen SMA-baséierten Aktuator entwéckelt, deen d'Virdeeler vun de fiederege Muskelen vu biologesche Systemer an déi eenzegaarteg Eegeschafte vun SMAen kombinéiert. Dës Studie ënnersicht an erweidert fréier SMA-Aktuatoren andeems e mathematescht Modell vum neien Aktuator baséiert op der bimodaler SMA-Drotanordnung entwéckelt an experimentell getest gëtt. Am Verglach mat bekannte Undriwwen baséiert op SMA ass d'Aktuatorkraaft vum neien Undriff op d'mannst 5 Mol méi héich (bis zu 150 N). De entspriechende Gewiichtsverloscht ass ongeféier 67%. D'Resultater vun der Sensibilitéitsanalyse vu mathematesche Modeller si nëtzlech fir d'Ajustéiere vun Designparameteren a fir d'Verständnis vu Schlësselparameteren. Dës Studie presentéiert weider en Undriff mat méi Niveauen op der N-ter Stuf, deen benotzt ka ginn, fir d'Dynamik weider ze verbesseren. SMA-baséiert Dipvalerat-Muskelaktuatoren hunn eng breet Palette vun Uwendungen, vun der Gebaiautomatiséierung bis zu präzisen Medikamentenliwwerungssystemer.
Biologesch Systemer, wéi d'Muskelstrukture vu Mamendéieren, kënnen eng Rei subtil Aktuatoren aktivéieren1. Mamendéieren hunn ënnerschiddlech Muskelstrukturen, déi all engem spezifeschen Zweck erfëllen. Wéi och ëmmer, kann e groussen Deel vun der Struktur vum Muskelgewebe vu Mamendéieren an zwou grouss Kategorien agedeelt ginn. Parallel a geflecht. An den Hamstrings an anere Flexoren, wéi den Numm et scho seet, huet déi parallel Muskulatur Muskelfaseren parallel zur zentraler Sehne. D'Kette vu Muskelfaseren ass ausgeriicht a funktionell verbonnen duerch d'Bindegewebe ronderëm si. Och wann dës Muskelen eng grouss Auswielung (prozentual Verkierzung) hunn, ass hir allgemeng Muskelkraaft ganz limitéiert. Am Géigesaz dozou fënnt een am Triceps Wademuskel2 (lateral Gastrocnemius (GL)3, mediale Gastrocnemius (GM)4 a Soleus (SOL)) an Extensor Femoris (Quadrizeps)5,6 geflecht Muskelgewebe an all Muskel7. An enger geflechterter Struktur sinn d'Muskelfaseren an der bipennater Muskulatur op béide Säite vun der zentraler Sehne a schréie Wénkelen (geflechterten Wénkelen) präsent. D'Wuert "Pennate" kënnt vum laténgesche Wuert "penna", dat "Bic" bedeit, an, wéi an der Fig. 1 gewisen, huet et e fiederähnlecht Ausgesinn. D'Fasere vun de "pennate" Muskelen si méi kuerz a stinn an engem Wénkel zu der Längsachs vum Muskel. Wéinst der gefiederter Struktur gëtt déi allgemeng Mobilitéit vun dëse Muskelen reduzéiert, wat zu transversalen a longitudinale Komponenten vum Verkierzungsprozess féiert. Op der anerer Säit féiert d'Aktivéierung vun dëse Muskelen zu enger méi héijer allgemenger Muskelkraaft wéinst der Aart a Weis wéi d'physiologesch Querschnittsfläch gemooss gëtt. Dofir si "pennate" Muskelen fir eng bestëmmte Querschnittsfläch méi staark a generéiere méi héich Kräften ewéi Muskelen mat parallele Faseren. Kräften, déi vun eenzelne Faseren generéiert ginn, generéiere Muskelkräften op engem makroskopesche Niveau an deem Muskelgewebe. Zousätzlech huet et eenzegaarteg Eegeschafte wéi séier Schrumpfung, Schutz géint Zuchschued a Dämpfung. Et transforméiert d'Bezéiung tëscht Faserinput a Muskelkraaftoutput andeems et déi eenzegaarteg Eegeschafte an déi geometresch Komplexitéit vun der Faserarrangement ausnotzt, déi mat de Muskelaktiounslinne verbonne sinn.
Hei sinn schematesch Diagrammer vun existente SMA-baséierten Aktuatordesignen a Bezuch op eng bimodal Muskelarchitektur gewise, zum Beispill (a), déi d'Interaktioun vun der taktiler Kraaft representéieren, bei där en handfërmegen Apparat, deen duerch SMA-Drot betätegt gëtt, op engem autonomen mobilen Roboter mat zwee Rieder montéiert ass9,10., (b) Roboteresch Orbitalprothese mat antagonistesch placéierter SMA-federbelaaschter Orbitalprothese. D'Positioun vum Protheseau gëtt duerch e Signal vum Augenmuskel vum Auge11 kontrolléiert, (c) SMA-Aktuatoren si wéinst hirer héijer Frequenzantwort a gerénger Bandbreet ideal fir Ënnerwaasserapplikatiounen. An dëser Konfiguratioun gi SMA-Aktuatoren benotzt fir Wellenbewegung ze kreéieren andeems se d'Bewegung vu Fësch simuléieren, (d) SMA-Aktuatoren gi benotzt fir e Mikroroboter fir d'Inspektioun vu Päifen ze kreéieren, deen de Prinzip vun der Zoll-Wurmbewegung benotze kann, deen duerch d'Bewegung vun SMA-Drot am Kanal 10 kontrolléiert gëtt, (e) weist d'Richtung vun de Kontraktiounsmuskelfaseren an d'Generéierung vun der kontraktiler Kraaft am Gastrocnemiusgewebe, (f) weist SMA-Drot, déi a Form vu Muskelfaseren an der pennat Muskelstruktur arrangéiert sinn.
Aktuatoren sinn zu engem wichtegen Deel vu mechanesche Systemer ginn, wéinst hirem breede Spektrum un Uwendungen. Dofir gëtt de Besoin fir méi kleng, méi séier an effizient Undriwwen entscheedend. Trotz hire Virdeeler hunn sech traditionell Undriwwen als deier an zäitopwänneg an der Ënnerhaltung erwisen. Hydraulesch an pneumatesch Aktuatoren si komplex an deier a si ufälleg fir Verschleiung, Schmierproblemer a Komponentenausfall. Als Äntwert op d'Nofro läit de Fokus op der Entwécklung vu käschtegënschtegen, dimensionoptimiséierten an fortgeschrattenen Aktuatoren op Basis vun intelligenten Materialien. Déi lafend Fuerschung kuckt sech Schichtaktuatoren aus Formgedächtnislegierungen (SMA) un, fir dëse Besoin ze decken. Hierarchesch Aktuatoren si eenzegaarteg, well se vill diskret Aktuatoren a geometresch komplex Makro-Subsystemer kombinéieren, fir eng erhéicht an erweidert Funktionalitéit ze bidden. An dëser Hisiicht bitt dat uewe beschriwwe mënschlecht Muskelgewebe en exzellent méischichtegt Beispill fir sou eng méischichteg Betätigung. Déi aktuell Studie beschreift en SMA-Undriff op verschiddene Niveauen mat verschiddenen individuellen Undriffselementer (SMA-Drot), déi op d'Faserorientéierungen a bimodalen Muskelen ausgeriicht sinn, wat d'Gesamtleistung vum Undriff verbessert.
Den Haaptzweck vun engem Aktuator ass et, mechanesch Leeschtung wéi Kraaft a Verrécklung ze generéieren, andeems elektresch Energie ëmgewandelt gëtt. Formgedächtnislegierungen sinn eng Klass vun "intelligenten" Materialien, déi hir Form bei héijen Temperaturen erëm hierstellen kënnen. Ënner héijen Belaaschtungen féiert eng Erhéijung vun der Temperatur vum SMA-Drot zu enger Formréckgewinnung, wat zu enger méi héijer Betätigungsenergiedicht am Verglach mat verschiddene direkt gebonnenen intelligente Materialien féiert. Gläichzäiteg ginn SMAen ënner mechanesche Belaaschtungen brécheg. Ënner bestëmmte Konditioune kann eng zyklisch Belaaschtung mechanesch Energie absorbéieren an ofginn, wouduerch reversibel hysteresch Formännerungen optrieden. Dës eenzegaarteg Eegeschafte maachen SMA ideal fir Sensoren, Schwéngungsdämpfung a besonnesch Aktuatoren12. Mat deem am Kapp gouf vill Fuerschung iwwer SMA-baséiert Undriff gemaach. Et sollt bemierkt ginn, datt SMA-baséiert Aktuatoren entwéckelt sinn, fir translationell a rotativ Bewegung fir eng Vielfalt vun Uwendungen13,14,15 ze liwweren. Och wann e puer rotativ Aktuatoren entwéckelt goufen, sinn d'Fuerscher besonnesch un linearen Aktuatoren interesséiert. Dës linear Aktuatoren kënnen an dräi Zorte vun Aktuatoren opgedeelt ginn: eendimensional, Verrécklungs- an Differentialaktuatoren16. Ufanks goufen Hybridundriff a Kombinatioun mat SMA an anere konventionelle Undriff entwéckelt. Ee Beispill vun engem SMA-baséierten Hybrid-Linearaktuator ass d'Benotzung vun engem SMA-Drot mat engem Gläichstroummotor fir eng Ausgangskraaft vu ronn 100 N an eng bedeitend Verrécklung ze liwweren17.
Eng vun den éischten Entwécklungen an Undriff, déi komplett op SMA baséieren, war den SMA-Parallelantriff. Mat Hëllef vu verschiddene SMA-Drot ass den SMA-baséierte Parallelantriff entwéckelt fir d'Leeschtungskapazitéit vum Undriff ze erhéijen, andeems all SMA-18-Drot parallel placéiert gëtt. Parallelschaltung vun Aktuatoren erfuerdert net nëmmen méi Leeschtung, mee limitéiert och d'Ausgangsleeschtung vun engem eenzegen Drot. En aneren Nodeel vun SMA-baséierten Aktuatoren ass déi limitéiert Bewegung, déi se erreeche kënnen. Fir dëst Problem ze léisen, gouf en SMA-Kabelbalke geschaf, deen en ofgelenkten, flexible Balke enthält, fir d'Verrécklung ze erhéijen an eng linear Bewegung z'erreechen, awer keng méi héich Kräften generéiert huet. Weich deforméierbar Strukturen a Stoffer fir Roboter baséiert op Formgedächtnislegierungen goufen haaptsächlech fir d'Schlagverstäerkung entwéckelt. Fir Uwendungen, wou héich Geschwindegkeete erfuerderlech sinn, goufen kompakt ugedriwwe Pompelen gemellt, déi Dënnfilm-SMAs fir Mikropompe-Undriffsapplikatiounen benotzen. D'Undriffsfrequenz vun der Dënnfilm-SMA-Membran ass e Schlësselfaktor fir d'Geschwindegkeet vum Undriff ze kontrolléieren. Dofir hunn SMA-Linearmotoren eng besser dynamesch Äntwert wéi SMA-Fréijoers- oder Staangmotoren. Weich Robotik a Grëfftechnologie sinn zwou aner Uwendungen, déi SMA-baséiert Aktuatoren benotzen. Zum Beispill, fir den Standardaktuator ze ersetzen, deen an der 25 N Raumklemm benotzt gëtt, gouf en parallelen Aktuator 24 aus enger Formgedächtnislegierung entwéckelt. An engem anere Fall gouf en SMA-Softaktuator op Basis vun engem Drot mat enger agebetter Matrix hiergestallt, déi eng maximal Zuchkraaft vun 30 N produzéiere kann. Wéinst hire mechaneschen Eegeschafte ginn SMAen och benotzt fir Aktuatoren ze produzéieren, déi biologesch Phänomener imitéieren. Eng sou eng Entwécklung enthält e 12-Zellen-Roboter, deen eng Biomimetik vun engem Reewierm-änlechen Organismus mat SMA ass, fir eng sinusoidal Bewegung ze generéieren, fir ze schéissen26,27.
Wéi schonn erwähnt, gëtt et eng Limit fir déi maximal Kraaft, déi mat existente SMA-baséierten Aktuatoren kritt ka ginn. Fir dëst Thema unzegoen, presentéiert dës Studie eng biomimetesch bimodal Muskelstruktur. Ugedriwwe vun engem Drot aus Formgedächtnislegierung. Si bitt e Klassifikatiounssystem, dat verschidde Drot aus Formgedächtnislegierungen enthält. Bis elo goufen an der Literatur keng SMA-baséiert Aktuatoren mat enger ähnlecher Architektur beschriwwen. Dëst eenzegaartegt an neit System baséiert op SMA gouf entwéckelt fir d'Verhale vun SMA während der bimodaler Muskelausrichtung ze studéieren. Am Verglach mat existente SMA-baséierten Aktuatoren war d'Zil vun dëser Studie, en biomimeteschen Dipvalerat-Aktuator ze kreéieren, deen däitlech méi héich Kräften an engem klenge Volumen generéiert. Am Verglach mat konventionelle Schrëttmotorundriwwenen Undriwwen, déi an HVAC-Gebaiautomatiséierungs- a Kontrollsystemer benotzt ginn, reduzéiert den proposéierten SMA-baséierten bimodalen Undriffsdesign d'Gewiicht vum Undriffsmechanismus ëm 67%. Am Folgenden ginn d'Begrëffer "Muskel" an "Undriff" austauschbar benotzt. Dës Studie ënnersicht d'Multiphysiksimulatioun vun esou engem Undriff. Dat mechanescht Verhale vun esou Systemer gouf duerch experimentell an analytesch Methoden studéiert. Kraaft- a Temperaturverdeelunge goufen weider bei enger Inputspannung vu 7 V ënnersicht. Duerno gouf eng parametresch Analyse duerchgefouert, fir d'Bezéiung tëscht Schlësselparameteren an der Ausgangskraaft besser ze verstoen. Schlussendlech goufen hierarchesch Aktuatoren virgesinn an hierarchesch Niveaueffekter goufen als potenziellen zukünftege Beräich fir net-magnetesch Aktuatoren fir prothetesch Uwendungen proposéiert. No de Resultater vun den uewe genannten Studien produzéiert d'Benotzung vun enger Eenstufeger Architektur Kräften, déi op d'mannst véier bis fënnef Mol méi héich sinn wéi gemellt SMA-baséiert Aktuatoren. Zousätzlech huet sech gewisen, datt déiselwecht Undriffskraaft, déi vun engem Multi-Level-Multi-Level-Undriff generéiert gëtt, méi wéi zéng Mol sou héich ass wéi déi vu konventionelle SMA-baséierten Undriwwen. D'Studie bericht dann Schlësselparameter mat Hëllef vun enger Sensibilitéitsanalyse tëscht verschiddenen Designen an Inputvariablen. Déi initial Längt vum SMA-Drot (\(l_0\)), de Fërderwénkel (\(\alpha\)) an d'Zuel vun den Eenzelstrang (n) an all eenzelne Strang hunn en staarken negativen Effekt op d'Gréisst vun der Undriffskraaft, während d'Inputspannung (Energie) sech positiv korreléiert huet.
SMA-Drot weist de Formgedächtniseffekt (SME) op, deen an der Nickel-Titan (Ni-Ti)-Legierungsfamill (Ni-Ti) ze gesi ass. Typesch weisen SMA zwou temperaturofhängeg Phasen op: eng Phas mat niddreger Temperatur an eng Phas mat héijer Temperatur. Béid Phasen hunn eenzegaarteg Eegeschafte wéinst der Präsenz vun ënnerschiddleche Kristallstrukturen. An der Austenitphase (Héichtemperaturphase), déi iwwer der Transformatiounstemperatur existéiert, weist d'Material eng héich Festigkeit op a verformt sech schlecht ënner Belaaschtung. D'Legierung verhält sech wéi Edelstol, sou datt se méi héije Betätigungsdrock standhält. Duerch d'Ausnotzung vun dëser Eegeschaft vun Ni-Ti-Legierungen ginn d'SMA-Drot schief geriicht, fir en Aktuator ze bilden. Entspriechend analytesch Modeller ginn entwéckelt, fir déi fundamental Mechanik vum thermesche Verhalen vun SMA ënner dem Afloss vu verschiddene Parameteren a verschiddene Geometrien ze verstoen. Eng gutt Iwwereneestëmmung gouf tëscht den experimentellen an analytesche Resultater erreecht.
Eng experimentell Studie gouf um Prototyp aus der Fig. 9a duerchgefouert, fir d'Leeschtung vun engem bimodalen Undriff op Basis vun SMA ze evaluéieren. Zwee vun dësen Eegeschaften, d'Kraaft, déi vum Undriff generéiert gëtt (Muskelkraaft) an d'Temperatur vum SMA-Drot (SMA-Temperatur), goufen experimentell gemooss. Wann den Spannungsënnerscheed iwwer déi ganz Längt vum Drot am Undriff eropgeet, klëmmt d'Temperatur vum Drot wéinst dem Joule-Heizeffekt. D'Inputspannung gouf an zwee 10-Sekonnen-Zyklen ugewannt (als rout Punkten an der Fig. 2a, b gewisen) mat enger Ofkillperiod vun 15 Sekonnen tëscht all Zyklus. D'Blockéierungskraaft gouf mat engem piezoelektresche Dehnungsmessgerät gemooss, an d'Temperaturverdeelung vum SMA-Drot gouf a Echtzäit mat enger wëssenschaftlecher LWIR-Kamera mat héijer Opléisung iwwerwaacht (kuckt d'Charakteristike vun der Ausrüstung, déi an der Tabell 2 benotzt gëtt). Dëst weist, datt während der Héichspannungsphase d'Temperatur vum Drot monoton eropgeet, awer wann kee Stroum fléisst, fällt d'Temperatur vum Drot weider. Am aktuellen experimentellen Opbau ass d'Temperatur vum SMA-Drot während der Ofkillphase gefall, awer si war ëmmer nach iwwer der Ëmgéigungstemperatur. An der Fig. 2e gëtt eng Opnam vun der Temperatur um SMA-Drot gewisen, déi vun der LWIR-Kamera opgeholl gouf. Op der anerer Säit weist d'Fig. 2a d'Blockéierungskraaft, déi vum Undriffssystem generéiert gëtt. Wann d'Muskelkraaft d'Wiederherstellungskraaft vun der Fieder iwwerschreift, fänkt de beweeglechen Aarm, wéi an der Figur 9a gewisen, un sech ze beweegen. Soubal d'Betätigung ufänkt, kënnt de beweeglechen Aarm a Kontakt mam Sensor, wouduerch eng Kierperkraaft entsteet, wéi an der Fig. 2c, d gewisen. Wann déi maximal Temperatur no bei \(84\,^{\circ}\hbox {C}\) läit, ass déi maximal observéiert Kraaft 105 N.
De Grafik weist d'experimentell Resultater vun der Temperatur vum SMA-Drot an der Kraaft, déi vum SMA-baséierten bimodalen Aktuator während zwee Zyklen generéiert gëtt. D'Inputspannung gëtt an zwee 10-Sekonnen-Zyklen (als rout Punkten duergestallt) mat enger Ofkillzäit vun 15 Sekonnen tëscht all Zyklus ugewannt. Den SMA-Drot, deen fir d'Experimenter benotzt gouf, war e Flexinol-Drot mat engem Duerchmiesser vun 0,51 mm vun Dynalloy, Inc. (a) De Grafik weist déi experimentell Kraaft, déi iwwer zwee Zyklen kritt gouf, (c, d) weist zwee onofhängeg Beispiller vun der Aktioun vu beweeglechen Aarmaktuatoren op engem PACEline CFT/5kN piezoelektresche Kraaftwandler, (b) de Grafik weist déi maximal Temperatur vum gesamte SMA-Drot während zwou Zyklen, (e) weist eng Temperaturschnappschëss, déi vum SMA-Drot mat der FLIR ResearchIR Software LWIR Kamera opgeholl gouf. Déi geometresch Parameter, déi an den Experimenter berécksiichtegt goufen, sinn an der Tabell een uginn.
D'Simulatiounsresultater vum mathematesche Modell an d'experimentell Resultater ginn ënner der Bedingung vun enger Inputspannung vu 7V verglach, wéi an der Fig.5 gewisen. Geméiss de Resultater vun der parametrescher Analyse a fir d'Méiglechkeet vun enger Iwwerhëtzung vum SMA-Drot ze vermeiden, gouf eng Leeschtung vun 11,2 W un den Aktuator geliwwert. Eng programméierbar Gläichstroumversuergung gouf benotzt fir 7V als Inputspannung ze liwweren, an e Stroum vun 1,6A gouf iwwer den Drot gemooss. D'Kraaft, déi vum Undriff generéiert gëtt, an d'Temperatur vum SDR erhéijen sech wann de Stroum ugewannt gëtt. Mat enger Inputspannung vu 7V ass déi maximal Ausgangskraaft, déi aus de Simulatiounsresultater an den experimentellen Resultater vum éischten Zyklus kritt gouf, 78 N respektiv 96 N. Am zweeten Zyklus war déi maximal Ausgangskraaft vun de Simulatiouns- an den experimentellen Resultater 150 N respektiv 105 N. D'Diskrepanz tëscht de Miessunge vun der Okklusiounskraaft an den experimentellen Donnéeë kéint op d'Method zréckzeféieren sinn, déi benotzt gouf fir d'Okklusiounskraaft ze moossen. Déi experimentell Resultater, déi an der Fig. ... gewisen sinn. 5a entspriechen der Miessung vun der Sperrkraaft, déi hirersäits gemooss gouf, wéi d'Undriffswell a Kontakt mam PACEline CFT/5kN piezoelektresche Kraaftwandler war, wéi an der Fig. 2s gewisen. Dofir, wann d'Undriffswell net a Kontakt mam Kraaftsensor um Ufank vun der Killzon ass, gëtt d'Kraaft direkt Null, wéi an der Fig. 2d gewisen. Zousätzlech sinn aner Parameteren, déi d'Bildung vu Kraaft an de spéideren Zyklen beaflossen, d'Wäerter vun der Killzäit an de Koeffizient vun der konvektiver Wärmeübertragung am viregten Zyklus. Aus der Fig. 2b kann een erkennen, datt den SMA-Drot no enger Killperiod vun 15 Sekonnen net Raumtemperatur erreecht huet an dofir eng méi héich Ufankstemperatur (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) am zweeten Undriffszyklus hat am Verglach mam éischte Zyklus (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Sou erreecht d'Temperatur vum SMA-Drot am zweeten Heizzyklus am Verglach mam éischten Zyklus déi initial Austenittemperatur (\(A_s\)) méi fréi a bleift méi laang an der Iwwergangsperiod, wat zu Spannung a Kraaft féiert. Op der anerer Säit hunn d'Temperaturverdeelungen während Heiz- a Killzyklen, déi aus Experimenter a Simulatiounen kritt goufen, eng héich qualitativ Ähnlechkeet mat Beispiller aus der thermographescher Analyse. Eng vergläichend Analyse vun den thermeschen Daten vum SMA-Drot aus Experimenter a Simulatiounen huet eng Konsistenz während Heiz- a Killzyklen an innerhalb vun den akzeptablen Toleranzen fir experimentell Daten gewisen. Déi maximal Temperatur vum SMA-Drot, déi aus de Resultater vun der Simulatioun an den Experimenter vum éischten Zyklus kritt gouf, ass \(89\,^{\circ }\hbox {{}\) respektiv \(75\,^{\circ }\hbox {{}}\), an am zweeten Zyklus ass déi maximal Temperatur vum SMA-Drot \(94\,^{\circ }\hbox {{}}\) an \(83\,^{\circ }\hbox {{}}\). Dat fundamental entwéckelt Modell bestätegt den Effekt vum Formgedächtniseffekt. D'Roll vun der Middegkeet an der Iwwerhëtzung gouf an dëser Iwwerpréiwung net berücksichtegt. An Zukunft gëtt de Modell verbessert, fir d'Spannungsgeschicht vum SMA-Drot anzebannen, wat en méi gëeegent fir Ingenieursapplikatioune mécht. D'Diagrammer vun der Undriffsausgangskraaft an der SMA-Temperatur, déi vum Simulink-Block kritt goufen, leien bannent den zulässege Toleranzen vun den experimentellen Donnéeën ënner der Bedingung vun engem Input-Spannungsimpuls vu 7 V. Dëst bestätegt d'Korrektheet an d'Zouverlässegkeet vum entwéckelte mathematesche Modell.
De mathematesche Modell gouf an der MathWorks Simulink R2020b Ëmfeld entwéckelt mat Hëllef vun de Basisgläichungen, déi an der Sektioun Methoden beschriwwe sinn. An der Fig. 3b ass en Blockdiagramm vum Simulink Mathematikmodell ze gesinn. De Modell gouf fir en 7V Inputspannungsimpuls simuléiert, wéi an der Fig. 2a, b gewisen. D'Wäerter vun de Parameteren, déi an der Simulatioun benotzt goufen, sinn an der Tabell 1 opgezielt. D'Resultater vun der Simulatioun vun transienten Prozesser sinn an de Figuren 1 an 1 presentéiert. Figuren 3a an 4. An der Fig. 4a, b ass déi induzéiert Spannung am SMA-Drot an d'Kraaft, déi vum Aktuator als Funktioun vun der Zäit generéiert gëtt, ze gesinn. Wärend der Réckwärtstransformatioun (Heizung), wann d'Temperatur vum SMA-Drot, \(T < A_s^{\prime}\) (Spannungsmodifizéiert Austenitphas-Starttemperatur), ass d'Ännerungsquote vum Martensit-Volumenundeel (\(\dot{\xi }\)) null. Wärend der Réckwärtstransformatioun (Heizung), wann d'Temperatur vum SMA-Drot, \(T < A_s^{\prime}\) (Spannungsmodifizéiert Austenitphas-Starttemperatur), ass d'Ännerungsquote vum Martensit-Volumenundeel (\(\dot{\xi }\)) null. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (темпуратура начай модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Wärend der Réckwärtstransformatioun (Erhëtzen), wann d'Temperatur vum SMA-Drot, \(T < A_s^{\prime}\) (Spannungsmodifizéierten Austenit-Ufankstemperatur), ass d'Ännerungsquote vum Martensit-Volumenundeel (\(\dot{\xi }\)) null.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}（\(xi)\(xi)将为零.在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Simulatiounsresultat, dat d'Temperaturverdeelung an d'Spannungsinduzéiert Verbindungstemperatur an engem SMA-baséierten Divalerataktuator weist. Wann d'Drottemperatur d'Austenit-Iwwergangstemperatur an der Heizstufe iwwerschreit, fänkt déi modifizéiert Austenit-Iwwergangstemperatur un ze klammen, an ähnlech, wann d'Drotstangtemperatur d'martensit-Iwwergangstemperatur an der Ofkillstufe iwwerschreit, fällt déi martensit-Iwwergangstemperatur. SMA fir analytesch Modelléierung vum Aktuatiounsprozess. (Fir eng detailléiert Vue vun all Ënnersystem vun engem Simulink-Modell, kuckt den Anhangsdeel vun der Ergänzungsdatei.)
D'Resultater vun der Analyse fir verschidde Parameterverdeelunge ginn fir zwee Zyklen vun der 7V Inputspannung gewisen (10 Sekonnen Opwiermzyklen an 15 Sekonnen Ofkillzyklen). Wärend (ac) an (e) d'Verdeelung iwwer Zäit duerstellen, illustréieren (d) an (f) dogéint d'Verdeelung mat der Temperatur. Fir déi jeeweileg Inputbedingungen ass déi maximal observéiert Spannung 106 MPa (manner wéi 345 MPa, Streckgrenz vum Drot), d'Kraaft ass 150 N, déi maximal Verrécklung ass 270 µm, an de minimale martensitesche Volumenundeel ass 0,91. Op der anerer Säit sinn d'Ännerung vun der Spannung an d'Ännerung vum Volumenundeel vum Martensit mat der Temperatur ähnlech wéi d'Hysteresecharakteristiken.
Déiselwecht Erklärung gëllt fir déi direkt Transformatioun (Ofkillung) vun der Austenitphase an d'Martensitphase, wou d'Temperatur vum SMA-Drot (T) an d'Endtemperatur vun der spanningsmodifizéierter Martensitphase (\(M_f^{\prime}\ )) exzellent sinn. An der Fig. 4d weist f d'Ännerung vun der induzéierter Spannung (\(\sigma\)) an dem Volumenundeel vum Martensit (\(\xi\)) am SMA-Drot als Funktioun vun der Temperaturännerung vum SMA-Drot (T), fir béid Undriffszyklen. An der Fig. Figur 3a weist d'Ännerung vun der Temperatur vum SMA-Drot mat der Zäit, ofhängeg vum Input-Spannungsimpuls. Wéi aus der Figur ze gesinn ass, klëmmt d'Temperatur vum Drot weider, andeems eng Hëtztquell bei Nullspannung an eng uschléissend konvektiv Ofkillung geliwwert gëtt. Wärend der Erhëtzung fänkt d'Retransformatioun vu Martensit an d'Austenitphas un, wann d'Temperatur vum SMA-Drot (T) d'Spannungskorrigéiert Austenit-Keimbildungstemperatur (\(A_s^{\prime}\)) iwwerschreit. Wärend dëser Phas gëtt den SMA-Drot kompriméiert an den Aktuator generéiert Kraaft. Och beim Ofkille gëtt et e positiven Iwwergang vun der Austenitphas an d'Martensitphas, wann d'Temperatur vum SMA-Drot (T) d'Keimbildungstemperatur vun der spanningskorrigéierter Martensitphas (\(M_s^{\prime}\)) iwwerschreit. D'Undriffskraaft hëlt of.
Déi wichtegst qualitativ Aspekter vum bimodalen Undriff baséiert op SMA kënnen aus de Simulatiounsresultater ofgeleet ginn. Am Fall vun engem Spannungsimpulsinput klëmmt d'Temperatur vum SMA-Drot wéinst dem Joule-Heizeffekt. Den Ufankswäert vum Martensit-Volumenundeel (\(\xi\)) gëtt op 1 gesat, well d'Material ufanks an enger voll martensitescher Phas ass. Wéi den Drot weider erhëtzt, iwwerschreift d'Temperatur vum SMA-Drot déi spanningskorrigéiert Austenit-Keimbildungstemperatur \(A_s^{\prime}\), wat zu enger Ofsenkung vum Martensit-Volumenundeel féiert, wéi an der Figur 4c gewisen. Zousätzlech weist an der Fig. 4e d'Verdeelung vun de Schläge vum Aktuator an der Zäit, an an der Fig. 5 - d'Undriffskraaft als Funktioun vun der Zäit. E verwandte System vun Equatiounen enthält Temperatur, Martensit-Volumenundeel a Spannung, déi am Drot entwéckelt, wat zu enger Schrumpfung vum SMA-Drot an der vum Aktuator generéierter Kraaft féiert. Wéi an der Fig. ... gewisen. 4d,f, Spannungsvariatioun mat der Temperatur an d'Variatioun vum Martensit-Volumenundeel mat der Temperatur entspriechen den Hysterese-Charakteristike vum SMA am simuléierte Fall bei 7 V.
De Verglach vun den Undriffsparameter gouf duerch Experimenter an analytesch Berechnungen gemaach. D'Drot goufen 10 Sekonnen enger gepulster Inputspannung vu 7 V ausgesat an duerno iwwer zwee Zyklen 15 Sekonnen ofgekillt (Ofkillphase). De Pinnatewénkel gëtt op 40°C gesat an d'Ufankslängt vum SMA-Drot an all eenzele Pinbeen gëtt op 83 mm gesat. (a) Miessung vun der Undriffskraaft mat enger Lastzell (b) Iwwerwaachung vun der Drottemperatur mat enger thermescher Infraroutkamera.
Fir den Afloss vu physikalesche Parameteren op d'Kraaft ze verstoen, déi vum Undriff produzéiert gëtt, gouf eng Analyse vun der Empfindlechkeet vum mathematesche Modell fir déi ausgewielte physikalesch Parameteren duerchgefouert, an d'Parameteren goufen no hirem Afloss klasséiert. Als éischt gouf d'Sampling vu Modellparameteren no experimentellen Designprinzipien duerchgefouert, déi enger gläichméisseger Verdeelung gefollegt sinn (kuckt den Ergänzungssektioun iwwer Empfindlechkeetsanalyse). An dësem Fall enthalen d'Modellparameter d'Inputspannung (\(V_{in}\)), d'initial SMA-Drotlängt (\(l_0\)), den Dräieckwénkel (\(\alpha\)), d'Biasfederkonstant (\(K_x\)), de konvektiven Hëtzetransferkoeffizient (\(h_T\)) an d'Zuel vun den unimodalen Äscht (n). Am nächste Schrëtt gouf d'Spëtzemuskelkraaft als Studiendesignfuerderung gewielt an déi parametresch Effekter vun all Set vu Variablen op d'Kraaft goufen kritt. D'Tornado-Plots fir d'Sensibilitéitsanalyse goufen aus de Korrelatiounskoeffizienten fir all Parameter ofgeleet, wéi an der Fig. 6a gewisen.
(a) D'Korrelatiounskoeffizientwäerter vun de Modellparameteren an hiren Effekt op déi maximal Ausgangskraaft vun 2500 eenzegaartege Gruppe vun den uewe genannten Modellparameteren sinn am Tornado-Diagramm gewisen. De Grafik weist d'Rangkorrelatioun vu verschiddenen Indikatoren. Et ass kloer, datt \(V_{in}\) deen eenzege Parameter mat enger positiver Korrelatioun ass, an \(l_0\) de Parameter mat der héchster negativer Korrelatioun ass. Den Effekt vu verschiddene Parameteren a verschiddene Kombinatiounen op d'Spëtzemuskelkraaft gëtt an (b, c) gewisen. \(K_x\) läit tëscht 400 an 800 N/m an n läit tëscht 4 an 24. D'Spannung (\(V_{in}\)) huet sech vu 4V op 10V geännert, d'Drotlängt (\(l_{0} \)) huet sech vu 40 op 100 mm geännert, an de Schwanzwénkel (\(\alpha \)) huet sech vun \(20 – 60 \, ^ {\circ }\) variéiert.
Op der Fig. 6a ass en Tornado-Diagramm vu verschiddene Korrelatiounskoeffizienten fir all Parameter mat den Ufuerderunge fir d'Design vun der Spëtzenundriffskraaft gewisen. Aus der Fig. 6a kann een gesinn, datt de Spannungsparameter (\(V_{in}\)) direkt mat der maximaler Ausgangskraaft zesummenhänkt, an de konvektiven Hëtzetransferkoeffizient (\(h_T\)), de Flammenwénkel (\(α\)), d'Verrécklungsfederkonstant (\(K_x\)) negativ mat der Ausgangskraaft an der initialer Längt (\(l_0\)) vum SMA-Drot korreléiert ass, an d'Zuel vun den unimodalen Äscht (n) weist eng staark invers Korrelatioun. Am Fall vun enger direkter Korrelatioun weist de Spannungskorrelatiounskoeffizient (\(V_{in}\)) datt dëse Parameter den gréissten Afloss op d'Leeschtung huet. Eng aner ähnlech Analyse moosst d'Spëtzenkraaft andeems den Afloss vu verschiddene Parameteren a verschiddene Kombinatioune vun den zwou Berechnungsraim evaluéiert gëtt, wéi an der Fig. 6b, c gewisen. \(V_{in}\) an \(l_0\), \(\alpha\) an \(l_0\) hunn ähnlech Musteren, an de Grafik weist, datt \(V_{in}\) an \(\alpha\) an \(\alpha\) ähnlech Musteren hunn. Méi kleng Wäerter vun \(l_0\) féieren zu méi héije Spëtzekräften. Déi aner zwee Diagrammer stëmmen mat der Figur 6a iwwereneen, wou n an \(K_x\) negativ korreléiert sinn a \(V_{in}\) positiv korreléiert sinn. Dës Analyse hëlleft, déi beaflossend Parameteren ze definéieren an unzepassen, duerch déi d'Ausgangskraaft, de Schlag an d'Effizienz vum Undriffssystem un d'Ufuerderungen an d'Applikatioun ugepasst kënne ginn.
Aktuell Fuerschungsaarbechte féieren hierarchesch Undriff mat N Niveauen an a ënnersichen se. An enger Hierarchie mat zwou Niveauen, wéi an der Fig. 7a gewisen, wou amplaz vun all SMA-Drot vum Aktuator vum éischte Niveau eng bimodal Anordnung erreecht gëtt, wéi an der Fig. 9e gewisen. An der Fig. 7c gëtt gewisen, wéi den SMA-Drot ëm en beweeglechen Aarm (Hëllefaarm) gewéckelt ass, deen nëmmen an der Längsrichtung beweegt. Den primäre beweeglechen Aarm beweegt sech awer weider op déiselwecht Aart a Weis wéi de beweeglechen Aarm vum Méistufege Aktuator vun der 1. Stuf. Typesch gëtt en N-Stufen-Undriff erstallt andeems den \(N-1\) SMA-Drot vun der Stuf duerch en Undriff vun der éischter Stuf ersat gëtt. Dofir imitéiert all Branche den Undriff vun der éischter Stuf, mat Ausnam vun der Branche, déi den Drot selwer hält. Op dës Manéier kënnen ageschachtelt Strukturen geformt ginn, déi Kräften erstellen, déi e puer Mol méi grouss sinn wéi d'Kräfte vun den primären Undriff. An dëser Studie gouf fir all Niveau eng total effektiv SMA-Drotlängt vun 1 m berécksiichtegt, wéi an der Tabelleform an der Fig. 7d gewisen. De Stroum duerch all Drot an all unimodalen Design an déi resultéierend Virspannung a Spannung an all SMA-Drotsegment sinn op all Niveau d'selwecht. No eisem analytesche Modell ass d'Ausgangskraaft positiv mam Niveau korreléiert, während d'Verrécklung negativ korreléiert ass. Gläichzäiteg gouf et en Ofwägung tëscht Verrécklung a Muskelkraaft. Wéi an der Fig. 7b ze gesinn ass, gëtt déi maximal Kraaft, wärend an der gréisster Zuel vu Schichten erreecht gëtt, déi gréisst Verrécklung an der ënneschter Schicht observéiert. Wann den Hierarchieniveau op \(N=5\) gesat gouf, gouf eng Muskelkraaft vun 2,58 kN mat 2 observéierte Schléi \(\upmu\)m festgestallt. Op der anerer Säit generéiert den Undriff vun der éischter Stuf eng Kraaft vun 150 N bei engem Schlag vun 277 \(\upmu\)m. Méistufeg Aktuatoren kënnen real biologesch Muskelen imitéieren, wou künstlech Muskelen op Basis vu Formgedächtnislegierungen däitlech méi héich Kräfte mat präzisen a méi feine Beweegunge generéiere kënnen. D'Limiten vun dësem miniaturiséierten Design sinn, datt mat der Zounimm vun der Hierarchie d'Bewegung staark reduzéiert gëtt an d'Komplexitéit vum Fabrikatiounsprozess vun den Undriffsstécker eropgeet.
(a) E lineares Aktuatorsystem aus zweestufegem (\(N=2\)) mat Schichten aus enger Formgedächtnislegierung gëtt an enger bimodaler Konfiguratioun gewisen. De proposéierte Modell gëtt erreecht andeems den SMA-Drot am Schichtenaktuator vun der éischter Stuf duerch en aneren eenstufege Schichtenaktuator ersat gëtt. (c) Deforméiert Konfiguratioun vum Méischichteaktuator vun der zweeter Stuf. (b) D'Verdeelung vu Kräften a Verrécklungen ofhängeg vun der Unzuel vun den Niveauen gëtt beschriwwen. Et gouf festgestallt, datt d'Spëtzekraaft vum Aktuator positiv mam Skalenniveau um Grafik korreléiert ass, während de Schlag negativ mam Skalenniveau korreléiert ass. De Stroum an d'Virspannung an all Drot bleiwen op allen Niveauen konstant. (d) D'Tabell weist d'Zuel vun den Ofstänn an d'Längt vum SMA-Drot (Faser) op all Niveau. D'Charakteristike vun den Drot ginn duerch den Index 1 uginn, an d'Zuel vun den zweeten Äscht (eng verbonne mam primäre Been) gëtt duerch déi gréisst Zuel am Index uginn. Zum Beispill, op Niveau 5 bezitt sech \(n_1\) op d'Zuel vun den SMA-Drot, déi an all bimodaler Struktur präsent sinn, an \(n_5\) op d'Zuel vun den Hëllefsbeen (eent, dat mam Haaptbeen verbonnen ass).
Verschidde Methode goufe vu ville Fuerscher proposéiert fir d'Verhale vun SMAs mat Formgedächtnis ze modelléieren, déi vun den thermomechaneschen Eegeschafte ofhänken, déi mat de makroskopesche Verännerungen an der Kristallstruktur verbonne sinn, déi mam Phaseniwwergang verbonne sinn. D'Formuléierung vu konstitutive Methoden ass inherent komplex. Dat am meeschte verbreet phenomenologescht Modell gëtt vum Tanaka28 proposéiert a gëtt wäit an Ingenieursapplikatiounen agesat. Dat phenomenologescht Modell, dat vum Tanaka [28] proposéiert gouf, geet dovun aus, datt de Volumenundeel vu Martensit eng exponentiell Funktioun vun Temperatur a Spannung ass. Méi spéit hunn Liang a Rogers29 a Brinson30 e Modell proposéiert, bei deem d'Phaseniwwergangsdynamik als eng Kosinusfunktioun vu Spannung an Temperatur ugeholl gouf, mat liichte Modifikatiounen um Modell. Becker a Brinson hunn e Phasendiagramm-baséiert kinetescht Modell proposéiert fir d'Verhale vun SMA-Materialien ënner arbiträren Belaaschtungsbedingungen souwéi partiellen Iwwergäng ze modelléieren. Banerjee32 benotzt d'Bekker a Brinson31 Phasendiagrammdynamikmethod fir e Manipulator mat engem eenzege Fräiheetsgrad ze simuléieren, deen vum Elahinia an Ahmadian33 entwéckelt gouf. Kinetesch Methoden, déi op Phasendiagrammer baséieren, déi déi net-monoton Ännerung vun der Spannung mat der Temperatur berücksichtegen, si schwéier an Ingenieursapplikatiounen ëmzesetzen. Elakhinia an Ahmadian lenken op dës Mängel vun existente phenomenologesche Modeller op a proposéieren en erweidert phenomenologescht Modell fir d'Verhale vum Formgedächtnis ënner all komplexe Belaaschtungsbedingungen z'analyséieren an ze definéieren.
De Strukturmodell vum SMA-Drot gëtt d'Spannung (\(\sigma\)), d'Dehnung (\(\epsilon\)), d'Temperatur (T) an de Martensit-Volumenundeel (\(\xi\)) vum SMA-Drot un. De phenomenologesche konstitutive Modell gouf fir d'éischt vum Tanaka28 proposéiert a spéider vum Liang29 a Brinson30 ugeholl. D'Ofleedung vun der Equatioun huet dës Form:
woubei E de phasenofhängege SMA Young-Modul ass, dee mat \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) kritt gëtt, an \(E_A\) an \(E_M\), déi de Young-Modul representéieren, austenitesch respektiv martensitesch Phasen sinn, an de Koeffizient vun der thermescher Ausdehnung gëtt duerch \(\theta_T\) representéiert. De Phaseniwwergangsbäitragsfaktor ass \(\Omega = -E \epsilon_L\) an \(\epsilon_L\) déi maximal erhuelbar Dehnung am SMA-Drot ass.
D'Phasendynamikgläichung entsprécht der Kosinusfunktioun, déi vum Liang29 entwéckelt a spéider vum Brinson30 ugeholl gouf, amplaz vun der vum Tanaka28 proposéierter exponentieller Funktioun. De Phaseniwwergangsmodell ass eng Erweiderung vum Modell, deen vum Elakhinia an Ahmadian34 proposéiert gouf, a modifizéiert op Basis vun de Phaseniwwergangsbedingungen, déi vum Liang29 a Brinson30 uginn goufen. D'Konditioune fir dëse Phaseniwwergangsmodell si valabel ënner komplexen thermomechanesche Belaaschtungen. Zu all Zäitpunkt gëtt de Wäert vum Volumenundeel vum Martensit berechent wann d'konstitutiv Equatioun modelléiert gëtt.
Déi gëlteg Retransformatiounsgläichung, ausgedréckt duerch d'Transformatioun vu Martensit an Austenit ënner Heizbedingungen, ass wéi follegt:
woubei \(\xi\) de Volumenundeel vum Martensit ass, \(\xi_M\) de Volumenundeel vum Martensit ass, deen virun der Erhëtzung kritt gouf, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) an \(C_A\) – Kurve-Approximatiounsparameter, T – SMA-Drottemperatur, \(A_s\) an \(A_f\) – Ufank an Enn vun der Austenitphase, respektiv Temperatur.
D'Kontrollgläichung fir d'direkt Transformatioun, déi duerch d'Phasentransformatioun vun Austenit zu Martensit ënner Ofkillungsbedingungen duergestallt gëtt, ass:
woubei \(\xi_A\) de Volumenundeel vum Martensit ass, deen virum Ofkille kritt gouf, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) an \(C_M \) – Kurvenanpassungsparameteren, T – SMA-Drottemperatur, \(M_s\) an \(M_f\) – initial respektiv finale Martensittemperaturen.
Nodeems d'Equatioune (3) an (4) differenzéiert sinn, ginn déi invers an déi direkt Transformatiounsgläichungen op déi folgend Form vereinfacht:
Wärend der Transformatioun no vir an no hannen huelen ηρικηνη an ηρικην verschidde Wäerter un. Déi grondleeënd Equatiounen, déi mat ηρικηνη an ηρικηνηνη verbonne sinn, goufen an enger zousätzlecher Sektioun ofgeleet an am Detail diskutéiert.
Déi thermesch Energie, déi néideg ass fir d'Temperatur vum SMA-Drot ze erhéijen, kënnt vum Joule-Heizeffekt. Déi thermesch Energie, déi vum SMA-Drot absorbéiert oder fräigesat gëtt, gëtt duerch déi latent Transformatiounswärm duergestallt. De Wärmeverloscht am SMA-Drot ass op gezwongener Konvektioun zeréckzeféieren, an ënner Berécksiichtegung vum vernoléissegbaren Effekt vun der Stralung ass d'Wärmeenergiebilanzgläichung wéi follegt:
Woubei \(m_{wire}\) d'Gesamtmass vum SMA-Drot ass, \(c_{p}\) d'spezifesch Wärmekapazitéit vum SMA ass, \(V_{in}\) d'Spannung ass, déi um Drot ugewannt gëtt, \(R_{ohm}\) – phasenofhängege Widderstand SMA, definéiert als; \(R_{ohm} = (l/A_{quer})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) woubei \(r_M\) an \(r_A\) de SMA-Phaswiderstand a Martensit respektiv Austenit sinn, \(A_{c}\) d'Uewerfläch vum SMA-Drot ass, an \(ΔH \) eng Formgedächtnislegierung ass. Déi latent Iwwergangswärm vum Drot, T an \(T_{\infty}\) d'Temperature vum SMA-Drot respektiv d'Ëmwelt sinn.
Wann en Drot aus enger Formgedächtnislegierung aktivéiert gëtt, kompriméiert sech den Drot, wouduerch eng Kraaft an all Branche vum bimodalen Design entsteet, déi Faserkraaft genannt gëtt. D'Kräfte vun de Faseren an all Strang vum SMA-Drot kreéieren zesummen d'Muskelkraaft fir ze aktivéieren, wéi an der Fig. 9e gewisen. Wéinst der Präsenz vun enger Virspannungsfieder ass déi total Muskelkraaft vum N-te Méischichtaktuator:
Wann een \(N = 1\) an d'Equatioun (7) asetzt, kann d'Muskelkraaft vum bimodalen Undriffsprototyp vun der éischter Stuf wéi follegt berechnen:
woubei n d'Zuel vun den unimodalen Been ass, \(F_m\) d'Muskelkraaft ass, déi vum Undriff generéiert gëtt, \(F_f\) d'Faserstäerkt am SMA-Drot ass, \(K_x\) d'Bias-Steifheet vun der Fieder ass, \(\α\) de Wénkel vum Dräieck ass, \(x_0\) den initialen Offset vun der Bias-Fieder ass, fir den SMA-Kabel an der virgespaanter Positioun ze halen, an \(Δx\) d'Aktuatorwee ass.
Déi total Verrécklung oder Bewegung vum Undriff (\(\Deltax\)) ofhängeg vun der Spannung (\(\sigma\)) an der Dehnung (\(\epsilon\)) um SMA-Drot vun der N-ter Stuf, den Undriff ass agestallt op (kuckt Abb. zousätzlechen Deel vum Ausgang):
Déi kinematesch Equatioune ginn d'Bezéiung tëscht der Undriffsdeformatioun (\(\epsilon\)) an der Verrécklung oder der Verrécklung (\(\Deltax\)). D'Deformatioun vum Arb-Drot als Funktioun vun der initialer Arb-Drotlängt (\(l_0\)) an der Drotlängt (l) zu all Zäitpunkt t an enger unimodaler Branche ass wéi follegt:
woubei \(l = \sqrt{l_0^2 +(Δx_1)^2 – 2 l_0 (Δx_1) \cos \alpha_1}\) kritt gëtt andeems d'Kosinusformel an \(Δ)ABB' ugewannt gëtt, wéi an der Figur 8 gewisen. Fir den Undriff vun der éischter Stuf (\(N = 1\)), \(Δx_1\) ass \(Δx\), an \(α_1\) ass \(α \), wéi an der Figur 8 gewisen. Wéi an der Figur 8 gewisen, kann d'Dehnungsquote, andeems d'Zäit aus der Equatioun (11) differenzéiert gëtt an de Wäert vun l ersat gëtt, als folgend geschriwwe ginn:
woubei \(l_0\) d'Ufankslängt vum SMA-Drot ass, l d'Längt vum Drot zu all Moment t an enger unimodaler Branche ass, \(\epsilon\) d'Deformatioun ass, déi am SMA-Drot entwéckelt gëtt, an \(\alpha\) de Wénkel vum Dräieck ass, \(Δx\) den Undriffsoffset ass (wéi an der Figur 8 gewisen).
All n Eenzelpeak-Strukturen (\(n=6\) an dëser Figur) sinn a Serie mat \(V_{in}\) als Inputspannung ugeschloss. Etapp I: Schematescht Diagramm vum SMA-Drot an enger bimodaler Konfiguratioun ënner Nullspannungsbedingungen. Etapp II: Eng kontrolléiert Struktur gëtt gewisen, wou den SMA-Drot wéinst inverser Konversioun kompriméiert gëtt, wéi duerch déi rout Linn gewisen.
Als Beweis vum Konzept gouf en SMA-baséierten bimodalen Undriff entwéckelt fir déi simuléiert Ofleedung vun den zugronnleeënden Equatiounen mat experimentellen Resultater ze testen. De CAD-Modell vum bimodalen linearen Aktuator ass an der Fig. 9a gewisen. Op der anerer Säit weist an der Fig. 9c en neien Design, deen fir eng rotativ prismatesch Verbindung mat engem zwee-planegen SMA-baséierten Aktuator mat enger bimodaler Struktur proposéiert gouf. D'Undriffskomponenten goufen duerch additiv Fabrikatioun op engem Ultimaker 3 Extended 3D-Drécker fabrizéiert. D'Material, dat fir den 3D-Drock vu Komponenten benotzt gëtt, ass Polycarbonat, dat fir hëtzebeständeg Materialien gëeegent ass, well et staark an haltbar ass an eng héich Glasübergangstemperatur huet (110-113 °C). Zousätzlech gouf den Dynalloy, Inc. Flexinol Formgedächtnislegierungsdrot an den Experimenter benotzt, an d'Materialeegeschafte vun de Flexinol-Drot goufen an de Simulatiounen benotzt. Verschidde SMA-Drot sinn als Faseren an enger bimodaler Anordnung vu Muskelen arrangéiert fir déi héich Kräften ze kréien, déi vu Méischicht-Aktuatoren produzéiert ginn, wéi an der Fig. 9b, d gewisen.
Wéi an der Figur 9a gewisen, gëtt de spitzen Wénkel, deen duerch den SMA-Drot vum beweeglechen Aarm geformt gëtt, als Wénkel (\(\alpha\) bezeechent. Mat Klemmeklemmen, déi un déi lénks a riets Klemme befestegt sinn, gëtt den SMA-Drot am gewënschten bimodalen Wénkel gehalen. D'Virspannungsfedervorrichtung, déi um Federverbinder gehale gëtt, ass entwéckelt fir déi verschidde Virspannungsfederverlängerungsgruppen no der Zuel (n) vun den SMA-Faseren unzepassen. Zousätzlech ass d'Positioun vun de beweeglechen Deeler sou entworf, datt den SMA-Drot der externer Ëmwelt fir eng gezwongen Konvektiounskühlung ausgesat ass. Déi iewescht an ënnescht Placke vun der ofnehmbarer Baugrupp hëllefen den SMA-Drot kill ze halen, mat extrudéierten Ausschnëtter, déi entwéckelt sinn fir d'Gewiicht ze reduzéieren. Zousätzlech sinn béid Enden vum CMA-Drot mat Hëllef vun enger Kräizung un déi lénks respektiv riets Klemme fixéiert. E Kolben ass un engem Enn vun der beweeglecher Baugrupp befestegt fir de Spillraum tëscht der ieweschter an ënneschter Placke ze halen. De Kolben gëtt och benotzt fir eng Blockkraaft op de Sensor iwwer e Kontakt auszeüben, fir d'Blockkraaft ze moossen, wann den SMA-Drot aktivéiert gëtt.
Déi bimodal Muskelstruktur SMA ass elektresch a Serie verbonnen a gëtt vun enger Input-Impulsspannung bedriwwen. Wärend dem Spannungsimpulszyklus, wann Spannung ugewannt gëtt an den SMA-Drot iwwer d'Ufankstemperatur vum Austenit erhëtzt gëtt, gëtt d'Längt vum Drot an all Strang verkierzt. Dës Réckzuch aktivéiert d'Ënnerbaugrupp vum beweeglechen Aarm. Wann d'Spannung am selwechte Zyklus op Null gesat gouf, gouf den erhëtzten SMA-Drot ënner d'Temperatur vun der Martensituewerfläch ofgekillt, wouduerch hien a seng ursprénglech Positioun zréckkoum. Ënner Nullspannungsbedingungen gëtt den SMA-Drot fir d'éischt passiv vun enger Virspannungsfieder gestreckt, fir den entverdréinten Martensitzoustand z'erreechen. D'Schrauf, duerch déi den SMA-Drot leeft, beweegt sech wéinst der Kompressioun, déi duerch d'Uwendung vun engem Spannungsimpuls um SMA-Drot entsteet (SPA erreecht d'Austenitphas), wat zu der Aktivéierung vum beweegleche Hebel féiert. Wann den SMA-Drot zréckgezunn gëtt, erstellt d'Virspannungsfieder eng Géigekraaft andeems se d'Fieder weider gestreckt. Wann d'Spannung an der Impulsspannung Null gëtt, verlängert sech den SMA-Drot a ännert seng Form wéinst der gezwongener Konvektiounskühlung, wouduerch eng duebel martensit Phas erreecht gëtt.
De proposéierte lineare Aktuatorsystem op Basis vun SMA huet eng bimodal Konfiguratioun, an där d'SMA-Drot gewénkelt sinn. (a) weist e CAD-Modell vum Prototyp, deen e puer vun de Komponenten an hir Bedeitung fir de Prototyp nennt, (b, d) representéieren de entwéckelte experimentelle Prototyp35. Wärend (b) eng Vue vun uewen op de Prototyp mat elektresche Verbindungen, Virspannfedern a Dehnungsmessstreifen weist, weist (d) eng Perspektivvue vum Opbau. (e) Diagramm vun engem lineare Aktuatorsystem mat SMA-Drot, déi zu all Moment t bimodal placéiert sinn, a weist d'Richtung an de Verlaf vun der Faser an d'Muskelkraaft. (c) Eng 2-DOF rotativ prismatesch Verbindung gouf proposéiert fir en zwee-Plang SMA-baséierten Aktuator ze deployéieren. Wéi gewisen, iwwerdréit d'Link eng linear Bewegung vum ënneschten Undriff op den ieweschten Aarm, wouduerch eng Rotatiounsverbindung entsteet. Op der anerer Säit ass d'Bewegung vum Prismepaar d'selwecht wéi d'Bewegung vum Méischichteundriff vun der éischter Stuf.
Eng experimentell Studie gouf um Prototyp aus der Fig. 9b duerchgefouert, fir d'Leeschtung vun engem bimodalen Undriff op Basis vun SMA ze evaluéieren. Wéi an der Figur 10a gewisen, bestoung den experimentellen Opbau aus enger programméierbarer Gläichstroumversuergung, fir d'Inputspannung un d'SMA-Drot ze liwweren. Wéi an der Fig. 10b gewisen, gouf e piezoelektresche Dehnungsmessgerät (PACEline CFT/5kN) benotzt, fir d'Blockéierungskraaft mat engem Graphtec GL-2000 Datenlogger ze moossen. D'Donnéeë ginn vum Host fir weider Studien opgeholl. Dehnungsmessgeräter a Ladungsverstäerker brauchen eng konstant Stroumversuergung, fir e Spannungssignal ze produzéieren. Déi entspriechend Signaler ginn an Ausgangsleistungen ëmgewandelt, jee no der Empfindlechkeet vum piezoelektresche Kraaftsensor an anere Parameteren, wéi an der Tabell 2 beschriwwen. Wann e Spannungsimpuls ugewannt gëtt, klëmmt d'Temperatur vum SMA-Drot, wouduerch den SMA-Drot kompriméiert gëtt, wouduerch den Aktuator Kraaft generéiert. Déi experimentell Resultater vun der Ausgangsspannung duerch en Inputspannungsimpuls vu 7 V sinn an der Fig. 2a gewisen.
(a) Am Experiment gouf e linearen Aktuatorsystem opgeriicht, deen op SMA baséiert ass, fir d'Kraaft ze moossen, déi vum Aktuator generéiert gëtt. D'Lastzell moosst d'Blockéierungskraaft a gëtt vun enger 24 V DC-Stroumversuergung ugedriwwen. E Spannungsoffall vu 7 V gouf iwwer déi ganz Längt vum Kabel mat enger programméierbarer GW Instek DC-Stroumversuergung ugewannt. Den SMA-Drot schrumpft duerch Hëtzt, an de beweeglechen Aarm beréiert d'Lastzell a setzt eng Blockéierungskraaft aus. D'Lastzell ass mam GL-2000 Datenlogger verbonnen an d'Donnéeë ginn um Host fir weider Veraarbechtung gespäichert. (b) Diagramm, dat d'Kette vun de Komponenten vum experimentellen Opbau fir d'Miessung vun der Muskelkraaft weist.
Formgedächtnislegierungen gi vun thermescher Energie ugereegt, dofir gëtt d'Temperatur zu engem wichtege Parameter fir d'Studium vum Formgedächtnisphänomen. Experimentell, wéi an der Fig. 11a gewisen, goufen Wärmebildgebung a Temperaturmiessunge op engem Prototyp SMA-baséierten Divalerataktuator duerchgefouert. Eng programméierbar Gläichstroumquell huet am experimentellen Opbau Inputspannung op d'SMA-Drot ugewannt, wéi an der Figur 11b gewisen. D'Temperaturännerung vum SMA-Drot gouf a Echtzäit mat enger héichopléisender LWIR-Kamera (FLIR A655sc) gemooss. Den Host benotzt d'ResearchIR Software fir Daten fir weider Nofveraarbechtung opzehuelen. Wann e Spannungsimpuls ugewannt gëtt, klëmmt d'Temperatur vum SMA-Drot, wouduerch den SMA-Drot schrumpft. An der Fig. 2b weisen d'experimentell Resultater vun der SMA-Drottemperatur am Verhältnes zur Zäit fir en 7V Inputspannungsimpuls.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 28. September 2022
