Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com. Jūsu izmantotajai pārlūkprogrammas versijai ir ierobežots CSS atbalsts. Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, iesakām izmantot atjauninātu pārlūkprogrammu (vai atspējot saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer). Tikmēr, lai nodrošinātu nepārtrauktu atbalstu, mēs atveidosim vietni bez stiliem un JavaScript.
Izpildmehānismi tiek izmantoti visur, un tie rada kontrolētu kustību, pielietojot pareizu ierosmes spēku vai griezes momentu, lai veiktu dažādas darbības ražošanā un rūpnieciskajā automatizācijā. Nepieciešamība pēc ātrākiem, mazākiem un efektīvākiem piedziņām veicina inovācijas piedziņu dizainā. Formas atmiņas sakausējuma (SMA) piedziņas piedāvā vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajām piedziņām, tostarp augstu jaudas un svara attiecību. Šajā disertācijā tika izstrādāts divu spalvu SMA bāzes izpildmehānisms, kas apvieno bioloģisko sistēmu spalvu muskuļu priekšrocības un SMA unikālās īpašības. Šajā pētījumā tiek pētīti un paplašināti iepriekšējie SMA izpildmehānismi, izstrādājot jaunā izpildmehānisma matemātisko modeli, kas balstīts uz bimodālu SMA vadu izkārtojumu, un eksperimentāli to testējot. Salīdzinot ar zināmajām piedziņām, kuru pamatā ir SMA, jaunā piedziņas izpildmehānisma spēks ir vismaz 5 reizes lielāks (līdz 150 N). Atbilstošais svara zudums ir aptuveni 67%. Matemātisko modeļu jutīguma analīzes rezultāti ir noderīgi konstrukcijas parametru regulēšanai un galveno parametru izpratnei. Šajā pētījumā ir arī piedāvāta daudzlīmeņu N-tās pakāpes piedziņa, ko var izmantot, lai vēl vairāk uzlabotu dinamiku. Uz SMA balstītiem dipvalerāta muskuļu izpildmehānismiem ir plašs pielietojumu klāsts, sākot no ēku automatizācijas līdz precīzām zāļu piegādes sistēmām.
Bioloģiskās sistēmas, piemēram, zīdītāju muskuļu struktūras, var aktivizēt daudzus smalkus izpildmehānismus1. Zīdītājiem ir dažādas muskuļu struktūras, katrai no kurām ir noteikts mērķis. Tomēr lielu daļu zīdītāju muskuļu audu struktūras var iedalīt divās plašās kategorijās. Paralēlā un svītrmuskuļa muskulatūra. Kā norāda nosaukums, paceles cīpslās un citos locītājos paralēlajā muskulatūrā muskuļu šķiedras atrodas paralēli centrālajai cīpslai. Muskuļu šķiedru ķēde ir sakārtota un funkcionāli savienota ar apkārtējiem saistaudiem. Lai gan tiek uzskatīts, ka šiem muskuļiem ir liela nobīde (saīsināšanās procents), to kopējais muskuļu spēks ir ļoti ierobežots. Turpretī tricepsa ikru muskulī2 (laterālais gastrocnemius (GL)3, mediālais gastrocnemius (GM)4 un soleus (SOL)) un augšstilba ekstensora muskulī (četrgalvas muskulī)5,6 svītrmuskuļa audi ir atrodami katrā muskulī7. Pinnāta struktūrā divsvītrmuskuļa muskuļu šķiedras atrodas abās centrālās cīpslas pusēs slīpos leņķos (pinnate leņķi). Vārds “pennate” cēlies no latīņu valodas vārda “penna”, kas nozīmē “pildspalva”, un, kā parādīts 1. attēlā, tam ir spalvai līdzīgs izskats. Pennate muskuļu šķiedras ir īsākas un leņķiski vērstas pret muskuļa garenisko asi. Pateicoties pinnate struktūrai, šo muskuļu kopējā kustīgums ir samazināts, kas noved pie saīsināšanās procesa šķērsvirziena un gareniskās komponentes. No otras puses, šo muskuļu aktivācija noved pie lielāka kopējā muskuļu spēka, pateicoties fizioloģiskā šķērsgriezuma laukuma mērīšanas veidam. Tāpēc noteiktam šķērsgriezuma laukumam pennate muskuļi būs spēcīgāki un radīs lielākus spēkus nekā muskuļi ar paralēlām šķiedrām. Atsevišķu šķiedru radītie spēki rada muskuļu spēkus makroskopiskā līmenī šajos muskuļu audos. Turklāt tam piemīt tādas unikālas īpašības kā ātra saraušanās, aizsardzība pret stiepes bojājumiem, amortizācija. Tas pārveido attiecību starp šķiedru ievadi un muskuļu jaudas izvadi, izmantojot unikālās iezīmes un šķiedru izvietojuma ģeometrisko sarežģītību, kas saistīta ar muskuļu darbības līnijām.
Parādītas esošo uz SMA balstīto izpildmehānismu konstrukciju shematiskas diagrammas saistībā ar bimodālu muskuļu arhitektūru, piemēram, (a), kas attēlo taustes spēka mijiedarbību, kurā rokas formas ierīce, ko aktivizē SMA vadi, ir uzstādīta uz divriteņu autonoma mobilā robota9,10., (b) Robotizēta orbitālā protēze ar antagonistiski novietotu SMA atsperes orbitālo protēzi. Protēzes acs pozīciju kontrolē signāls no acs acs muskuļa11, (c) SMA izpildmehānismi ir ideāli piemēroti lietošanai zem ūdens, pateicoties to augstfrekvences reakcijai un zemajam joslas platumam. Šajā konfigurācijā SMA izpildmehānismi tiek izmantoti, lai radītu viļņu kustību, simulējot zivju kustību, (d) SMA izpildmehānismi tiek izmantoti, lai izveidotu mikro cauruļu pārbaudes robotu, kas var izmantot collu tārpa kustības principu, ko kontrolē SMA vadu kustība kanālā 10, (e) parāda saraušanās muskuļu šķiedru virzienu un saraušanās spēka ģenerēšanu gastrocnemius audos, (f) parāda SMA vadus, kas izvietoti muskuļu šķiedru veidā pennate muskuļa struktūrā.
Pateicoties to plašajam pielietojumu klāstam, izpildmehānismi ir kļuvuši par svarīgu mehānisko sistēmu sastāvdaļu. Tāpēc kritiska kļūst nepieciešamība pēc mazākiem, ātrākiem un efektīvākiem piedziņu veidiem. Neskatoties uz to priekšrocībām, tradicionālās piedziņas ir izrādījušās dārgas un laikietilpīgas to uzturēšanā. Hidrauliskie un pneimatiskie izpildmehānismi ir sarežģīti un dārgi, un tie ir pakļauti nodilumam, eļļošanas problēmām un komponentu bojājumiem. Reaģējot uz pieprasījumu, uzmanība tiek pievērsta rentablu, izmēru ziņā optimizētu un uzlabotu izpildmehānismu izstrādei, kuru pamatā ir viedie materiāli. Pašreizējie pētījumi aplūko formu atmiņas sakausējumu (SMA) slāņotus izpildmehānismus, lai apmierinātu šo vajadzību. Hierarhiskie izpildmehānismi ir unikāli ar to, ka tie apvieno daudzus atsevišķus izpildmehānismus ģeometriski sarežģītās makro mēroga apakšsistēmās, lai nodrošinātu palielinātu un paplašinātu funkcionalitāti. Šajā ziņā iepriekš aprakstītie cilvēka muskuļu audi sniedz lielisku daudzslāņu piemēru šādai daudzslāņu izpildmehānismam. Pašreizējā pētījumā ir aprakstīta daudzlīmeņu SMA piedziņa ar vairākiem atsevišķiem piedziņas elementiem (SMA vadiem), kas ir saskaņoti ar šķiedru orientācijām bimodālajos muskuļos, kas uzlabo kopējo piedziņas veiktspēju.
Izpildmehānisma galvenais mērķis ir ģenerēt mehānisku jaudu, piemēram, spēku un pārvietojumu, pārveidojot elektrisko enerģiju. Formas atmiņas sakausējumi ir “viedo” materiālu klase, kas var atjaunot savu formu augstā temperatūrā. Lielu slodžu gadījumā SMA stieples temperatūras paaugstināšanās noved pie formas atgūšanas, kā rezultātā tiek panākts lielāks aktivizēšanas enerģijas blīvums salīdzinājumā ar dažādiem tieši savienotiem viedmateriāliem. Tajā pašā laikā mehānisku slodžu gadījumā SMA kļūst trausli. Noteiktos apstākļos cikliska slodze var absorbēt un atbrīvot mehānisko enerģiju, radot atgriezeniskas histerētiskas formas izmaiņas. Šīs unikālās īpašības padara SMA ideāli piemērotu sensoriem, vibrāciju slāpēšanai un jo īpaši izpildmehānismiem12. Paturot to prātā, ir veikts daudz pētījumu par SMA bāzes piedziņām. Jāatzīmē, ka SMA bāzes izpildmehānismi ir paredzēti, lai nodrošinātu translācijas un rotācijas kustību dažādiem pielietojumiem13,14,15. Lai gan ir izstrādāti daži rotācijas izpildmehānismi, pētnieki ir īpaši ieinteresēti lineārajos izpildmehānismos. Šos lineāros izpildmehānismus var iedalīt trīs izpildmehānismu veidos: viendimensiju, pārvietošanas un diferenciālajos izpildmehānismos16. Sākotnēji hibrīdpiedziņas tika veidotas kombinācijā ar SMA un citām parastajām piedziņām. Viens šāds uz SMA balstītas hibrīda lineāras piedziņas piemērs ir SMA vada izmantošana ar līdzstrāvas motoru, lai nodrošinātu aptuveni 100 N izejas spēku un ievērojamu pārvietojumu17.
Viens no pirmajiem pilnībā uz SMA balstīto piedziņu sasniegumiem bija SMA paralēlā piedziņa. Izmantojot vairākus SMA vadus, uz SMA balstītā paralēlā piedziņa ir paredzēta, lai palielinātu piedziņas jaudas iespējas, novietojot visus SMA18 vadus paralēli. Piedziņu paralēlais savienojums ne tikai prasa lielāku jaudu, bet arī ierobežo viena vada izejas jaudu. Vēl viens uz SMA balstītu piedziņu trūkums ir ierobežotais gājiens, ko tās var sasniegt. Lai atrisinātu šo problēmu, tika izveidota SMA kabeļu sija, kas satur novirzītu elastīgu siju, lai palielinātu pārvietojumu un panāktu lineāru kustību, taču tā neradīja lielākus spēkus19. Mīkstas, deformējamas struktūras un audumi robotiem, kuru pamatā ir formu atmiņas sakausējumi, ir izstrādāti galvenokārt trieciena pastiprināšanai20,21,22. Lietojumiem, kuros nepieciešams liels ātrums, ir ziņots par kompaktiem piedziņas sūkņiem, kuros mikrosūkņu piedziņas lietojumprogrammās izmanto plānas plēves SMA23. Plānās plēves SMA membrānas piedziņas frekvence ir galvenais faktors piedziņas ātruma kontrolēšanā. Tāpēc SMA lineārajiem motoriem ir labāka dinamiskā reakcija nekā SMA atsperu vai stieņu motoriem. Mīkstā robotika un satveršanas tehnoloģija ir vēl divi pielietojumi, kuros tiek izmantoti uz SMA balstīti izpildmehānismi. Piemēram, lai aizstātu standarta izpildmehānismu, kas tiek izmantots 25 N telpas skavā, tika izstrādāts formas atmiņas sakausējuma paralēlais izpildmehānisms 24. Citā gadījumā tika izgatavots SMA mīkstais izpildmehānisms, kura pamatā ir stieple ar iestrādātu matricu, kas spēj radīt maksimālo vilkšanas spēku 30 N. Pateicoties to mehāniskajām īpašībām, SMA tiek izmantoti arī tādu izpildmehānismu ražošanai, kas atdarina bioloģiskas parādības. Viens no šādiem izstrādnēm ietver 12 šūnu robotu, kas ir sliekām līdzīga organisma biomimētiķis ar SMA, lai ģenerētu sinusoidālu kustību ugunij 26,27.
Kā jau minēts iepriekš, maksimālajam spēkam, ko var iegūt no esošajiem uz SMA balstītiem izpildmehānismiem, ir ierobežojums. Lai risinātu šo problēmu, šajā pētījumā tiek piedāvāta biomimētiska bimodāla muskuļu struktūra. To vada formu atceroša sakausējuma stieple. Tas nodrošina klasifikācijas sistēmu, kas ietver vairākus formu atceroša sakausējuma stieples. Līdz šim literatūrā nav ziņots par uz SMA balstītiem izpildmehānismiem ar līdzīgu arhitektūru. Šī unikālā un jaunā sistēma, kuras pamatā ir SMA, tika izstrādāta, lai pētītu SMA uzvedību bimodāla muskuļu izlīdzināšanas laikā. Salīdzinot ar esošajiem uz SMA balstītiem izpildmehānismiem, šī pētījuma mērķis bija izveidot biomimētisku dipvalerātu izpildmehānismu, lai nelielā tilpumā ģenerētu ievērojami lielākus spēkus. Salīdzinot ar parastajām soļu motora vadītajām piedziņām, ko izmanto HVAC ēku automatizācijas un vadības sistēmās, ierosinātā uz SMA balstītā bimodālā piedziņas konstrukcija samazina piedziņas mehānisma svaru par 67%. Turpmāk termini "muskulis" un "piedziņa" tiek lietoti savstarpēji aizvietojami. Šajā pētījumā tiek pētīta šādas piedziņas daudzfizikālā simulācija. Šādu sistēmu mehāniskā uzvedība ir pētīta ar eksperimentālām un analītiskām metodēm. Spēka un temperatūras sadalījums tika tālāk pētīts pie ieejas sprieguma 7 V. Pēc tam tika veikta parametriskā analīze, lai labāk izprastu saistību starp galvenajiem parametriem un izejas spēku. Visbeidzot, ir paredzētas hierarhiskas izpildmehānismu sistēmas un ierosināti hierarhiskā līmeņa efekti kā potenciāla nākotnes joma nemagnētiskiem izpildmehānismiem protezēšanas vajadzībām. Saskaņā ar iepriekš minēto pētījumu rezultātiem, izmantojot vienpakāpes arhitektūru, tiek radīti spēki, kas ir vismaz četras līdz piecas reizes lielāki nekā ziņotie SMA balstītie izpildmehānismi. Turklāt ir pierādīts, ka tas pats piedziņas spēks, ko ģenerē daudzlīmeņu daudzlīmeņu piedziņa, ir vairāk nekā desmit reizes lielāks nekā parastajām SMA balstītām piedziņām. Pēc tam pētījumā, izmantojot jutīguma analīzi starp dažādiem dizainiem un ieejas mainīgajiem, tiek ziņots par galvenajiem parametriem. SMA vada sākotnējam garumam (\(l_0\)), virsmas leņķim (\(alpha\)) un atsevišķo šķiedru skaitam (n) katrā atsevišķā dzīslā ir spēcīga negatīva ietekme uz piedziņas spēka lielumu, savukārt ieejas spriegums (enerģija) izrādījās pozitīvi korelēta.
SMA vadam piemīt formas atmiņas efekts (SME), kas novērojams niķeļa-titāna (Ni-Ti) sakausējumu saimē. Parasti SMA izceļas ar divām no temperatūras atkarīgām fāzēm: zemas temperatūras fāzi un augstas temperatūras fāzi. Abām fāzēm piemīt unikālas īpašības, pateicoties atšķirīgo kristālisko struktūru klātbūtnei. Austenīta fāzē (augstas temperatūras fāzē), kas atrodas virs transformācijas temperatūras, materiālam piemīt augsta izturība un tas slikti deformējas slodzes ietekmē. Sakausējums uzvedas kā nerūsējošais tērauds, tāpēc tas spēj izturēt augstāku aktivācijas spiedienu. Izmantojot šo Ni-Ti sakausējumu īpašību, SMA vadi tiek slīpi, veidojot aktivatoru. Tiek izstrādāti atbilstoši analītiskie modeļi, lai izprastu SMA termiskās uzvedības pamatmehāniku dažādu parametru un dažādu ģeometriju ietekmē. Tika iegūta laba atbilstība starp eksperimentālajiem un analītiskajiem rezultātiem.
Lai novērtētu uz SMA balstītas bimodālas piedziņas veiktspēju, tika veikts eksperimentāls pētījums ar 9.a attēlā redzamo prototipu. Divas no šīm īpašībām — piedziņas radītais spēks (muskuļu spēks) un SMA vada temperatūra (SMA temperatūra) — tika eksperimentāli izmērītas. Palielinoties sprieguma starpībai visā vada garumā piedziņā, vada temperatūra paaugstinās Džoula sildīšanas efekta dēļ. Ieejas spriegums tika pielikts divos 10 sekunžu ciklos (2.a un b attēlā parādīti kā sarkani punkti) ar 15 sekunžu dzesēšanas periodu starp katru ciklu. Bloķēšanas spēks tika mērīts, izmantojot pjezoelektrisko tenzometru, un SMA vada temperatūras sadalījums tika uzraudzīts reāllaikā, izmantojot zinātniskas kvalitātes augstas izšķirtspējas LWIR kameru (skatīt izmantotā aprīkojuma raksturlielumus 2. tabulā). Attēls parāda, ka augstsprieguma fāzē vada temperatūra monotoniski paaugstinās, bet, ja strāva neplūst, vada temperatūra turpina kristies. Pašreizējā eksperimentālajā iestatījumā SMA stieples temperatūra atdzišanas fāzes laikā pazeminājās, taču tā joprojām bija virs apkārtējās vides temperatūras. 2.e attēlā redzams SMA stieples temperatūras momentuzņēmums, kas iegūts no LWIR kameras. Savukārt 2.a attēlā redzams piedziņas sistēmas radītais bloķēšanas spēks. Kad muskuļu spēks pārsniedz atsperes atjaunojošo spēku, kustīgā roka, kā parādīts 9.a attēlā, sāk kustēties. Tiklīdz sākas iedarbināšana, kustīgā roka nonāk saskarē ar sensoru, radot ķermeņa spēku, kā parādīts 2.c, d attēlā. Kad maksimālā temperatūra ir tuvu \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), maksimālais novērotais spēks ir 105 N.
Grafikā parādīti SMA stieples temperatūras un SMA bāzes bimodālā izpildmehānisma radītā spēka eksperimentālie rezultāti divu ciklu laikā. Ieejas spriegums tiek pielikts divos 10 sekunžu ciklos (attēloti kā sarkani punkti) ar 15 sekunžu atdzišanas periodu starp katru ciklu. Eksperimentos izmantotā SMA stieple bija 0,51 mm diametra Flexinol stieple no Dynalloy, Inc. (a) Grafikā parādīts divu ciklu laikā iegūtais eksperimentālais spēks, (c, d) parādīti divi neatkarīgi kustīgu sviru izpildmehānismu darbības piemēri uz PACEline CFT/5kN pjezoelektriskā spēka devēja, (b) grafikā parādīta visa SMA stieples maksimālā temperatūra divu ciklu laikā, (e) parādīts temperatūras momentuzņēmums, kas iegūts no SMA stieples, izmantojot FLIR ResearchIR programmatūras LWIR kameru. Eksperimentos ņemtie ģeometriskie parametri ir norādīti 1. tabulā.
Matemātiskā modeļa simulācijas rezultāti un eksperimentālie rezultāti tiek salīdzināti pie ieejas sprieguma 7 V, kā parādīts 5. attēlā. Saskaņā ar parametriskās analīzes rezultātiem un lai izvairītos no SMA vada pārkaršanas iespējas, izpildmehānismam tika piegādāta 11,2 W jauda. 7 V ieejas sprieguma padevei tika izmantots programmējams līdzstrāvas barošanas avots, un pāri vadam tika izmērīta 1,6 A strāva. Pievadot strāvu, palielinās piedziņas radītais spēks un SDR temperatūra. Pie ieejas sprieguma 7 V maksimālais izejas spēks, kas iegūts no pirmā cikla simulācijas rezultātiem un eksperimentālajiem rezultātiem, ir attiecīgi 78 N un 96 N. Otrajā ciklā simulācijas un eksperimentālo rezultātu maksimālais izejas spēks bija attiecīgi 150 N un 105 N. Neatbilstība starp oklūzijas spēka mērījumiem un eksperimentālajiem datiem var būt saistīta ar oklūzijas spēka mērīšanai izmantoto metodi. Eksperimentālie rezultāti ir parādīti 5. attēlā. 5.a atbilst bloķēšanas spēka mērījumam, kas savukārt tika mērīts, kad piedziņas vārpsta saskaras ar PACEline CFT/5kN pjezoelektrisko spēka devēju, kā parādīts 2.s attēlā. Tādēļ, kad piedziņas vārpsta nesaskaras ar spēka sensoru dzesēšanas zonas sākumā, spēks nekavējoties kļūst nulle, kā parādīts 2.d attēlā. Turklāt citi parametri, kas ietekmē spēka veidošanos turpmākajos ciklos, ir dzesēšanas laika vērtības un konvektīvās siltuma pārneses koeficients iepriekšējā ciklā. No 2.b attēla var redzēt, ka pēc 15 sekunžu dzesēšanas perioda SMA vads nesasniedza istabas temperatūru un tāpēc otrajā piedziņas ciklā tam bija augstāka sākotnējā temperatūra (\(40\,^{\circ}\hbox {C}\)) salīdzinājumā ar pirmo ciklu (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Tādējādi, salīdzinot ar pirmo ciklu, SMA stieples temperatūra otrā sildīšanas cikla laikā sasniedz sākotnējo austenīta temperatūru (\(A_s\)) agrāk un ilgāk saglabājas pārejas periodā, kā rezultātā rodas spriegums un spēks. No otras puses, temperatūras sadalījumam sildīšanas un dzesēšanas ciklu laikā, kas iegūts no eksperimentiem un simulācijām, ir augsta kvalitatīva līdzība ar termogrāfiskās analīzes piemēriem. SMA stieples termisko datu salīdzinošā analīze no eksperimentiem un simulācijām parādīja konsekvenci sildīšanas un dzesēšanas ciklu laikā un pieļaujamajās eksperimentālo datu pielaidēs. SMA stieples maksimālā temperatūra, kas iegūta no pirmā cikla simulācijas un eksperimentu rezultātiem, ir \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) un \(75\,^{\circ }\hbox {C }\), un otrajā ciklā SMA stieples maksimālā temperatūra ir \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) un \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Fundamentāli izstrādātais modelis apstiprina formas atmiņas efekta ietekmi. Šajā pārskatā noguruma un pārkaršanas loma netika ņemta vērā. Nākotnē modelis tiks uzlabots, iekļaujot SMA stieples sprieguma vēsturi, padarot to piemērotāku inženiertehniskiem lietojumiem. No Simulink bloka iegūtie piedziņas izejas spēka un SMA temperatūras grafiki atbilst eksperimentālo datu pieļaujamajām pielaidēm 7 V ieejas sprieguma impulsa apstākļos. Tas apstiprina izstrādātā matemātiskā modeļa pareizību un ticamību.
Matemātiskais modelis tika izstrādāts MathWorks Simulink R2020b vidē, izmantojot Metožu sadaļā aprakstītos pamatvienādojumus. 3.b attēlā redzama Simulink matemātiskā modeļa blokshēma. Modelis tika simulēts 7 V ieejas sprieguma impulsam, kā parādīts 2.a un 2.b attēlā. Simulācijā izmantoto parametru vērtības ir uzskaitītas 1. tabulā. Pārejošu procesu simulācijas rezultāti ir parādīti 1. un 1. attēlā. 3.a un 4. attēlā. 4.a un 4.b attēlā redzams inducētais spriegums SMA vadā un izpildmehānisma ģenerētais spēks kā laika funkcija. Reversās transformācijas (sildīšanas) laikā, kad SMA stieples temperatūra ir \(T < A_s^{\prime}\) (sprieguma modificētas austenīta fāzes sākuma temperatūra), martensīta tilpuma daļas izmaiņu ātrums (\(\dot{\xi}\)) būs nulle. Reversās transformācijas (sildīšanas) laikā, kad SMA stieples temperatūra ir \(T < A_s^{\prime}\) (sprieguma modificētas austenīta fāzes sākuma temperatūra), martensīta tilpuma daļas izmaiņu ātrums (\(\dot{\xi}\)) būs nulle. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начаниты ау, стефала модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю Reversās transformācijas (sildīšanas) laikā, kad SMA stieples temperatūra, \(T < A_s^{\prime}\) (sprieguma modificēta austenīta sākuma temperatūra), martensīta tilpuma daļas izmaiņu ātrums (\(\dot{\xi}\)) būs nulle.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将为零.在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t При обратном превращении (нагреве) при температуре проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (температура зарождения ауспоращения айстопо на напряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Reversās transformācijas (sildīšanas) laikā SMA stieples temperatūrā \(T < A_s^{\prime}\) (austenīta fāzes kodolu veidošanās temperatūra, koriģēta atbilstoši spriegumam), martensīta tilpuma daļas izmaiņu ātrums (\( \dot{\xi}\)) būs vienāds ar nulli.Tāpēc sprieguma izmaiņu ātrums (\(\dot{\sigma}\)) būs atkarīgs no deformācijas ātruma (\(\dot{\epsilon}\)) un temperatūras gradienta (\(\dot{T} \) ) tikai izmantojot vienādojumu (1). Tomēr, SMA vada temperatūrai paaugstinoties un šķērsojot (\(A_s^{\prime}\)), sāk veidoties austenīta fāze, un (\(\dot{\xi}\)) tiek ņemts par vienādojuma (3) doto vērtību. Tāpēc sprieguma izmaiņu ātrumu (\(\dot{\sigma}\)) kopīgi kontrolē \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) un \(\dot{\xi}\), lai tas būtu vienāds ar doto formulā (1). Tas izskaidro gradienta izmaiņas, kas novērotas laika gaitā mainīgajās sprieguma un spēka kartēs sildīšanas cikla laikā, kā parādīts 4.a, b attēlā.
(a) Simulācijas rezultāts, kas parāda temperatūras sadalījumu un sprieguma izraisītu savienojuma temperatūru SMA bāzes divalerāta aktuatorā. Kad stieples temperatūra sildīšanas posmā šķērso austenīta pārejas temperatūru, modificētā austenīta pārejas temperatūra sāk pieaugt, un līdzīgi, kad stieples stieņa temperatūra dzesēšanas posmā šķērso martensīta pārejas temperatūru, martensīta pārejas temperatūra samazinās. SMA aktuācijas procesa analītiskai modelēšanai. (Detalizētu Simulink modeļa katras apakšsistēmas pārskatu skatiet papildu faila pielikumā.)
Analīzes rezultāti dažādiem parametru sadalījumiem ir parādīti diviem 7 V ieejas sprieguma cikliem (10 sekunžu iesildīšanās cikli un 15 sekunžu atdzišanas cikli). (ac) un (e) attēlo sadalījumu laikā, savukārt (d) un (f) ilustrē sadalījumu atkarībā no temperatūras. Attiecīgajos ieejas apstākļos maksimālais novērotais spriegums ir 106 MPa (mazāk par 345 MPa, stieples tecēšanas robeža), spēks ir 150 N, maksimālā nobīde ir 270 µm un minimālā martensīta tilpuma daļa ir 0,91. No otras puses, sprieguma izmaiņas un martensīta tilpuma daļas izmaiņas atkarībā no temperatūras ir līdzīgas histerēzes raksturlielumiem.
Tas pats skaidrojums attiecas uz tiešo pārveidošanu (atdzesēšanu) no austenīta fāzes uz martensīta fāzi, kur SMA stieples temperatūra (T) un sprieguma modificētās martensīta fāzes beigu temperatūra (\(M_f^{\prime}\)) ir lieliska. 4.d un f attēlā parādītas inducētā sprieguma (\(\sigma\)) un martensīta tilpuma daļas (\(\xi\)) izmaiņas SMA vadā kā SMA stieples temperatūras izmaiņu (T) funkcija abos piedziņas ciklos. 3.a attēlā parādītas SMA stieples temperatūras izmaiņas laikā atkarībā no ieejas sprieguma impulsa. Kā redzams attēlā, stieples temperatūra turpina paaugstināties, nodrošinot siltuma avotu pie nulles sprieguma un sekojošu konvektīvu dzesēšanu. Sildīšanas laikā martensīta atkārtota pārveidošanās austenīta fāzē sākas, kad SMA stieples temperatūra (T) šķērso sprieguma koriģēto austenīta nukleācijas temperatūru (\(A_s^{\prime}\)). Šīs fāzes laikā SMA stieple tiek saspiesta un izpildmehānisms ģenerē spēku. Arī dzesēšanas laikā, kad SMA stieples temperatūra (T) šķērso sprieguma modificētās martensīta fāzes nukleācijas temperatūru (\(M_s^{\prime}\)), notiek pozitīva pāreja no austenīta fāzes uz martensīta fāzi. Piedziņas spēks samazinās.
Bimodālās piedziņas, kuras pamatā ir SMA, galvenos kvalitatīvos aspektus var iegūt no simulācijas rezultātiem. Sprieguma impulsa ieejas gadījumā SMA stieples temperatūra palielinās Džoula sildīšanas efekta dēļ. Martensīta tilpuma daļas (\(\xi\)) sākotnējā vērtība ir iestatīta uz 1, jo materiāls sākotnēji atrodas pilnībā martensītā fāzē. Vadam turpinot uzkarst, SMA stieples temperatūra pārsniedz sprieguma koriģēto austenīta kodolu veidošanās temperatūru \(A_s^{\prime}\), kā rezultātā martensīta tilpuma daļa samazinās, kā parādīts 4.c attēlā. Turklāt 4.e attēlā parādīts izpildmehānisma gājienu sadalījums laikā, bet 5. attēlā – dzinējspēks kā laika funkcija. Saistītā vienādojumu sistēma ietver temperatūru, martensīta tilpuma daļu un spriegumu, kas rodas stieplē, kā rezultātā SMA stieple saraujas, un izpildmehānisma radīto spēku. Kā parādīts 4.c attēlā. 4d, f attēlā sprieguma izmaiņas atkarībā no temperatūras un martensīta tilpuma daļas izmaiņas atkarībā no temperatūras atbilst SMA histerēzes raksturlielumiem simulētajā gadījumā pie 7 V.
Braukšanas parametru salīdzinājums tika iegūts, veicot eksperimentus un analītiskus aprēķinus. Vadi tika pakļauti impulsa ieejas spriegumam 7 V 10 sekundes, pēc tam atdzesēti 15 sekundes (dzesēšanas fāze) divu ciklu laikā. Pinnāta leņķis ir iestatīts uz \(40^{\circ}\), un SMA vada sākotnējais garums katrā atsevišķā tapā ir iestatīts uz 83 mm. (a) Braukšanas spēka mērīšana ar slodzes devēju (b) Vada temperatūras uzraudzība ar termisko infrasarkano kameru.
Lai izprastu fizikālo parametru ietekmi uz piedziņas radīto spēku, tika veikta matemātiskā modeļa jutības analīze pret izvēlētajiem fizikālajiem parametriem, un parametri tika sarindoti atbilstoši to ietekmei. Vispirms modeļa parametru izlase tika veikta, izmantojot eksperimentālā dizaina principus, kas sekoja vienmērīgam sadalījumam (sk. Papildnodaļu par jutīguma analīzi). Šajā gadījumā modeļa parametri ietver ieejas spriegumu (\(V_{in}\)), sākotnējo SMA stieples garumu (\(l_0\)), trijstūra leņķi (\(alpha\)), nobīdes atsperes konstanti (\(K_x\)), konvektīvās siltuma pārneses koeficientu (\(h_T\)) un unimodālo zaru skaitu (n). Nākamajā solī par pētījuma dizaina prasību tika izvēlēts maksimālais muskuļu spēks, un tika iegūta katra mainīgo kopas parametriskā ietekme uz spēku. Tornado diagrammas jutīguma analīzei tika iegūtas no katra parametra korelācijas koeficientiem, kā parādīts 6.a attēlā.
(a) Modeļa parametru korelācijas koeficientu vērtības un to ietekme uz maksimālo izejas spēku 2500 unikālām iepriekš minēto modeļa parametru grupām ir parādīta tornado diagrammā. Grafikā ir parādīta vairāku indikatoru rangu korelācija. Ir skaidrs, ka \(V_{in}\) ir vienīgais parametrs ar pozitīvu korelāciju, un \(l_0\) ir parametrs ar visaugstāko negatīvo korelāciju. Dažādu parametru ietekme dažādās kombinācijās uz maksimālo muskuļu spēku ir parādīta (b, c). \(K_x\) svārstās no 400 līdz 800 N/m, un n svārstās no 4 līdz 24. Spriegums (\(V_{in}\)) mainījās no 4 V līdz 10 V, vada garums (\(l_{0 } \)) mainījās no 40 līdz 100 mm, un astes leņķis (\(alpha \)) mainījās no \(20–60 \, ^ {\circ }\).
6.a attēlā redzams tornado grafiks ar dažādiem korelācijas koeficientiem katram parametram ar maksimālā piedziņas spēka projektēšanas prasībām. No 6.a attēla var redzēt, ka sprieguma parametrs (\(V_{in}\)) ir tieši saistīts ar maksimālo izejas spēku, un konvektīvā siltuma pārneses koeficients (\(h_T\)), liesmas leņķis (\(α\)), pārvietojuma atsperes konstante (\(K_x\)) ir negatīvi korelēti ar izejas spēku un SMA stieples sākotnējo garumu (\(l_0\)), un unimodālo zaru skaits (n) uzrāda spēcīgu apgrieztu korelāciju. Tiešas korelācijas gadījumā lielākas sprieguma korelācijas koeficienta (\(V_{in}\)) vērtības gadījumā šim parametram ir vislielākā ietekme uz izejas jaudu. Cita līdzīga analīze mēra maksimālo spēku, novērtējot dažādu parametru ietekmi dažādās abu skaitļošanas telpu kombinācijās, kā parādīts 6.b attēlā, c. \(V_{in}\) un \(l_0\), \(\alpha\) un \(l_0\) ir līdzīgas tendences, un grafiks parāda, ka \(V_{in}\) un \(\alpha\) un \(\alpha\) ir līdzīgas tendences. Mazākas \(l_0\) vērtības rada lielākus maksimālos spēkus. Pārējie divi grafiki atbilst 6.a attēlam, kur n un \(K_x\) ir negatīvi korelēti, bet \(V_{in}\) ir pozitīvi korelēti. Šī analīze palīdz definēt un pielāgot ietekmējošos parametrus, ar kuriem piedziņas sistēmas izejas spēku, gājienu un efektivitāti var pielāgot prasībām un pielietojumam.
Pašreizējais pētījums ievieš un pēta hierarhiskas piedziņas ar N līmeņiem. Divu līmeņu hierarhijā, kā parādīts 7.a attēlā, kur pirmā līmeņa aktuatora SMA vada vietā tiek panākts bimodāls izkārtojums, kā parādīts 9.e attēlā. 7.c attēlā parādīts, kā SMA vads ir uztīts ap kustīgu roku (palīgroku), kas pārvietojas tikai garenvirzienā. Tomēr primārā kustīgā roka turpina kustēties tāpat kā 1. pakāpes daudzpakāpju aktuatora kustīgā roka. Parasti N pakāpju piedziņa tiek izveidota, aizstājot \(N-1\) pakāpes SMA vadu ar pirmās pakāpes piedziņu. Rezultātā katrs atzars atdarina pirmās pakāpes piedziņu, izņemot atzaru, kas tur pašu vadu. Tādā veidā var veidot ligzdotas struktūras, kas rada spēkus, kas ir vairākas reizes lielāki par primāro piedziņu spēkiem. Šajā pētījumā katram līmenim tika ņemts vērā kopējais efektīvais SMA vada garums 1 m, kā parādīts tabulas formātā 7.d attēlā. Strāva caur katru vadu katrā unimodālajā konstrukcijā un iegūtais iepriekšējais spriegums un spriegums katrā SMA stieples segmentā katrā līmenī ir vienādi. Saskaņā ar mūsu analītisko modeli izejas spēks ir pozitīvi korelēts ar līmeni, savukārt pārvietojums ir negatīvi korelēts. Tajā pašā laikā pastāvēja kompromiss starp pārvietojumu un muskuļu spēku. Kā redzams 7.b attēlā, lai gan maksimālais spēks tiek sasniegts lielākajā slāņu skaitā, vislielākais pārvietojums tiek novērots zemākajā slānī. Kad hierarhijas līmenis tika iestatīts uz \(N=5\), ar 2 novērotajiem gājieniem \(\upmu\)m tika konstatēts maksimālais muskuļu spēks 2,58 kN. No otras puses, pirmās pakāpes piedziņa ģenerē 150 N spēku ar gājienu 277 \(\upmu\)m. Daudzlīmeņu izpildmehānismi spēj atdarināt reālus bioloģiskos muskuļus, kur mākslīgie muskuļi, kuru pamatā ir formas atmiņas sakausējumi, spēj ģenerēt ievērojami lielākus spēkus ar precīzām un smalkākām kustībām. Šī miniaturizētā dizaina ierobežojumi ir tādi, ka, palielinoties hierarhijai, kustība ievērojami samazinās un piedziņas ražošanas procesa sarežģītība palielinās.
(a) Divpakāpju (\(N=2\)) slāņveida formas atmiņas sakausējuma lineārā aktuatora sistēma ir attēlota bimodālā konfigurācijā. Piedāvātais modelis tiek panākts, aizstājot pirmās pakāpes slāņveida aktuatora SMA vadu ar citu vienas pakāpes slāņveida aktuatoru. (c) Otrās pakāpes daudzslāņu aktuatora deformētā konfigurācija. (b) Aprakstīts spēku un pārvietojumu sadalījums atkarībā no līmeņu skaita. Ir konstatēts, ka aktuatora maksimālais spēks ir pozitīvi korelēts ar skalas līmeni grafikā, savukārt gājiens ir negatīvi korelēts ar skalas līmeni. Strāva un priekšspriegums katrā vadā visos līmeņos paliek nemainīgi. (d) Tabulā ir parādīts atzaru skaits un SMA vada (šķiedras) garums katrā līmenī. Vadu raksturlielumi ir norādīti ar indeksu 1, un sekundāro zaru skaits (viens savienots ar primāro kāju) ir norādīts ar lielāko skaitli apakšindeksā. Piemēram, 5. līmenī \(n_1\) attiecas uz SMA vadu skaitu katrā bimodālajā struktūrā, un \(n_5\) attiecas uz palīgzaru skaitu (viena savienota ar galvenozaru).
Daudzi pētnieki ir ierosinājuši dažādas metodes, lai modelētu SMA ar formas atmiņu uzvedību, kas ir atkarīgas no termomehāniskajām īpašībām, kas pavada makroskopiskās izmaiņas kristāla struktūrā, kas saistītas ar fāžu pāreju. Konstitutīvo metožu formulēšana pēc savas būtības ir sarežģīta. Visbiežāk izmantoto fenomenoloģisko modeli ierosināja Tanaka28, un to plaši izmanto inženierzinātņu lietojumprogrammās. Tanaka [28] ierosinātais fenomenoloģiskais modelis pieņem, ka martensīta tilpuma daļa ir temperatūras un sprieguma eksponenciāla funkcija. Vēlāk Liangs un Rodžerss29 un Brinsons30 ierosināja modeli, kurā fāžu pārejas dinamika tika pieņemta kā sprieguma un temperatūras kosinusa funkcija, ar nelielām modeļa modifikācijām. Bekers un Brinsons ierosināja uz fāžu diagrammas balstītu kinētisko modeli, lai modelētu SMA materiālu uzvedību patvaļīgos slodzes apstākļos, kā arī daļējās pārejās. Banerdžī32 izmanto Bekera un Brinsona31 fāžu diagrammas dinamikas metodi, lai simulētu Elahinia un Ahmadian33 izstrādātu vienas brīvības pakāpes manipulatoru. Kinētiskās metodes, kuru pamatā ir fāžu diagrammas, kas ņem vērā nemonotonas sprieguma izmaiņas atkarībā no temperatūras, ir grūti ieviešamas inženiertehniskajās lietojumprogrammās. Elakhinia un Ahmadian vērš uzmanību uz šiem esošo fenomenoloģisko modeļu trūkumiem un piedāvā paplašinātu fenomenoloģisko modeli, lai analizētu un definētu formas atmiņas uzvedību jebkuros sarežģītos slodzes apstākļos.
SMA stieples strukturālais modelis sniedz SMA stieples spriegumu (\(\sigma\)), deformāciju (\(\epsilon\)), temperatūru (T) un martensīta tilpuma daļu (\(\xi\)). Fenomenoloģisko konstitutīvo modeli pirmo reizi ierosināja Tanaka28, un vēlāk to pārņēma Liang29 un Brinson30. Vienādojuma atvasinājumam ir šāda forma:
kur E ir no fāzes atkarīgais SMA Janga modulis, kas iegūts, izmantojot \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\), un \(E_A\) un \(E_M\), kas apzīmē Janga moduli, ir attiecīgi austenīta un martensīta fāzes, un termiskās izplešanās koeficientu apzīmē ar \(\theta _T\). Fāzes pārejas ieguldījumu faktors ir \(\Omega = -E \epsilon _L\), un \(\epsilon _L\) ir maksimālā atgūstamā deformācija SMA stieplē.
Fāzes dinamikas vienādojums sakrīt ar Lianga29 izstrādāto un vēlāk Brinsona30 pārņemto kosinusa funkciju Tanaka28 piedāvātās eksponenciālās funkcijas vietā. Fāzes pārejas modelis ir Elakhinijas un Ahmadiana34 piedāvātā modeļa paplašinājums, kas modificēts, pamatojoties uz Lianga29 un Brinsona30 sniegtajiem fāzes pārejas nosacījumiem. Šim fāzes pārejas modelim izmantotie nosacījumi ir spēkā sarežģītu termomehānisko slodžu gadījumā. Katrā laika momentā, modelējot konstitutīvo vienādojumu, tiek aprēķināta martensīta tilpuma daļas vērtība.
Valdošais retransformācijas vienādojums, ko izsaka martensīta pārveidošanās par austenītu karsēšanas apstākļos, ir šāds:
kur \(\xi\) ir martensīta tilpuma daļa, \(\xi _M\) ir martensīta tilpuma daļa, kas iegūta pirms karsēšanas, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) un \(C_A\) – līknes aproksimācijas parametri, T – SMA stieples temperatūra, \(A_s\) un \(A_f\) – austenīta fāzes sākuma un beigu temperatūra.
Tiešās transformācijas vadības vienādojums, ko attēlo austenīta fāzes transformācija par martensītu dzesēšanas apstākļos, ir:
kur \(\xi _A\) ir martensīta tilpuma daļa, kas iegūta pirms atdzesēšanas, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) un \(C_M \) – līknes pielāgošanas parametri, T – SMA stieples temperatūra, \(M_s\) un \(M_f\) – martensīta sākotnējā un galīgā temperatūra.
Pēc vienādojumu (3) un (4) diferencēšanas apgrieztie un tiešās transformācijas vienādojumi tiek vienkāršoti šādā formā:
Uz priekšu un atpakaļ transformācijas laikā \(\eta _{\sigma}\) un \(\eta _{T}\) iegūst dažādas vērtības. Ar \(\eta _{\sigma}\) un \(\eta _{T}\) saistītie pamatvienādojumi ir atvasināti un detalizēti apspriesti atsevišķā sadaļā.
SMA stieples temperatūras paaugstināšanai nepieciešamā siltumenerģija rodas no Džoula sildīšanas efekta. SMA stieples absorbēto vai atbrīvoto siltumenerģiju attēlo latentais transformācijas siltums. Siltuma zudumi SMA stieplē rodas piespiedu konvekcijas dēļ, un, ņemot vērā niecīgo starojuma ietekmi, siltumenerģijas bilances vienādojums ir šāds:
Kur \(m_{wire}\) ir SMA vada kopējā masa, \(c_{p}\) ir SMA īpatnējā siltumietilpība, \(V_{in}\) ir vadam pieliktais spriegums, \(R_{ohm} \) – no fāzes atkarīgā SMA pretestība, kas definēta kā; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\), kur \(r_M\) un \(r_A\) ir SMA fāzes pretestība attiecīgi martensītā un austenītā, \(A_{c}\) ir SMA vada virsmas laukums, \(DeltaH \) ir formu atcerošs sakausējums. Vada latentais pārejas siltums, T un \(T_{\infty}\) ir attiecīgi SMA vada un vides temperatūras.
Kad tiek aktivizēta formu atceroša sakausējuma stieple, tā saspiežas, radot spēku katrā bimodālā dizaina atzarā, ko sauc par šķiedru spēku. Šķiedru spēki katrā SMA stieples pavedienā kopā rada muskuļu spēku aktivizēšanai, kā parādīts 9.e attēlā. Nospriegojošās atsperes klātbūtnes dēļ N-tā daudzslāņu izpildmehānisma kopējais muskuļu spēks ir:
Ievietojot vienādojumā (7) N = 1, pirmās pakāpes bimodālās piedziņas prototipa muskuļu spēku var iegūt šādi:
kur n ir unimodālo kāju skaits, \(F_m\) ir piedziņas radītais muskuļu spēks, \​​(F_f\) ir šķiedru stiprums SMA vadā, \(K_x\) ir nobīdes atspere, \(alpha\) ir trijstūra leņķis, \(x_0\) ir nobīdes atsperes sākotnējā nobīde, lai noturētu SMA kabeli iepriekš nospriegotā stāvoklī, un \(Delta x\) ir izpildmehānisma gājiens.
Kopējais piedziņas pārvietojums vai kustība (\(Delta x\)) atkarībā no sprieguma (\(sigma\)) un deformācijas (\(epsilon\)) uz N-tās pakāpes SMA vada, piedziņa ir iestatīta uz (skatiet attēlu. Papildu izejas daļa):
Kinemātiskie vienādojumi parāda sakarību starp piedziņas deformāciju (\(\epsilon\)) un pārvietojumu vai nobīdi (\(Delta x\)). Arb stieples deformācija kā sākotnējā Arb stieples garuma (\(l_0\)) un stieples garuma (l) funkcija jebkurā laikā t vienā unimodālā atzarā ir šāda:
kur \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) tiek iegūts, izmantojot kosinusa formulu \(\Delta\)ABB ', kā parādīts 8. attēlā. Pirmās pakāpes piedziņai (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) ir \(\Delta x\), un \(\alpha _1\) ir \(\alpha \), kā parādīts Kā parādīts 8. attēlā, diferencējot laiku no vienādojuma (11) un aizstājot l vērtību, deformācijas ātrumu var uzrakstīt kā:
kur \(l_0\) ir SMA vada sākotnējais garums, l ir vada garums jebkurā laika momentā t vienā vienmodālā atzarā, \(\epsilon\) ir SMA vadā attīstītā deformācija un \(\alpha\) ir trijstūra leņķis, \(\Delta x\) ir piedziņas nobīde (kā parādīts 8. attēlā).
Visas n vienas virsotnes struktūras (šajā attēlā \(n=6\)) ir savienotas virknē ar \(V_{in}\) kā ieejas spriegumu. I posms: SMA vada shematiska diagramma bimodālā konfigurācijā nulles sprieguma apstākļos II posms: parādīta vadāma struktūra, kurā SMA vads ir saspiests apgrieztās konversijas dēļ, kā parādīts ar sarkano līniju.
Kā koncepcijas pierādījums tika izstrādāta uz SMA balstīta bimodāla piedziņa, lai pārbaudītu pamatā esošo vienādojumu simulēto atvasinājumu ar eksperimentāliem rezultātiem. Bimodālā lineārā aktuatora CAD modelis ir parādīts 9.a attēlā. Savukārt 9.c attēlā ir parādīts jauns rotācijas prizmatiska savienojuma dizains, izmantojot divplakņu uz SMA balstītu aktuatoru ar bimodālu struktūru. Piedziņas komponenti tika izgatavoti, izmantojot aditīvo ražošanu uz Ultimaker 3 Extended 3D printera. Komponentu 3D drukāšanai izmantotais materiāls ir polikarbonāts, kas ir piemērots karstumizturīgiem materiāliem, jo ​​tas ir izturīgs, ilgmūžīgs un tam ir augsta stiklošanās temperatūra (110–113 °C). Turklāt eksperimentos tika izmantota Dynalloy, Inc. Flexinol formu atcerošā sakausējuma stieple, un simulācijās tika izmantotas Flexinol stieplei atbilstošās materiāla īpašības. Vairāki SMA vadi ir izvietoti kā šķiedras, kas atrodas bimodālā muskuļu izkārtojumā, lai iegūtu daudzslāņu aktuatoru radītos lielos spēkus, kā parādīts 9.b attēlā, d.
Kā parādīts 9.a attēlā, šauro leņķi, ko veido kustīgā SMA vada roka, sauc par leņķi (\(\alpha\)). Ar spaiļu skavām, kas piestiprinātas pie kreisās un labās skavas, SMA vads tiek turēts vēlamajā bimodālajā leņķī. Atsperes savienotājā esošā nobīdes atsperes ierīce ir paredzēta, lai pielāgotu dažādas nobīdes atsperes pagarinājuma grupas atbilstoši SMA šķiedru skaitam (n). Turklāt kustīgo daļu atrašanās vieta ir veidota tā, lai SMA vads būtu pakļauts ārējai videi piespiedu konvekcijas dzesēšanai. Noņemamās montāžas augšējā un apakšējā plāksne palīdz uzturēt SMA vadu vēsu, izmantojot ekstrudētus izgriezumus, kas paredzēti svara samazināšanai. Turklāt abi CMA vada gali ir piestiprināti pie kreisās un labās spailes, izmantojot gofrējumu. Kustīgās montāžas vienā galā ir piestiprināts virzulis, lai saglabātu atstarpi starp augšējo un apakšējo plāksni. Plūsmu izmanto arī, lai pieliktu bloķēšanas spēku sensoram, izmantojot kontaktu, lai izmērītu bloķēšanas spēku, kad SMA vads tiek aktivizēts.
Bimodālā muskuļu struktūra SMA ir elektriski savienota virknē un tiek barota ar ieejas impulsa spriegumu. Sprieguma impulsa cikla laikā, kad tiek pielikts spriegums un SMA vads tiek uzkarsēts virs austenīta sākotnējās temperatūras, katras dzīslas stieples garums tiek saīsināts. Šī ievilkšana aktivizē kustīgās rokas apakšmezglu. Kad spriegums tika nulle tajā pašā ciklā, uzkarsētais SMA vads tika atdzesēts zem martensīta virsmas temperatūras, tādējādi atgriežoties sākotnējā stāvoklī. Nulles sprieguma apstākļos SMA vads vispirms tiek pasīvi izstiepts ar nobīdes atsperi, lai sasniegtu detwinētu martensīta stāvokli. Skrūve, caur kuru iet SMA vads, pārvietojas saspiešanas dēļ, kas rodas, pieliekot sprieguma impulsu SMA vadam (SPA sasniedz austenīta fāzi), kas noved pie kustīgās sviras aktivizēšanas. Kad SMA vads tiek ievilkts, nobīdes atspere rada pretēju spēku, vēl vairāk izstiepjot atsperi. Kad impulsa sprieguma spriegums kļūst nulle, SMA vads pagarinās un maina savu formu piespiedu konvekcijas dzesēšanas dēļ, sasniedzot dubultu martensīta fāzi.
Piedāvātajai uz SMA balstītajai lineārajai aktuatora sistēmai ir bimodāla konfigurācija, kurā SMA vadi ir novietoti leņķī. (a) attēlo prototipa CAD modeli, kurā minētas dažas no prototipa sastāvdaļām un to nozīmes, (b, d) attēlo izstrādāto eksperimentālo prototipu35. (b) parāda prototipa augšējo skatu ar izmantotajiem elektriskajiem savienojumiem, nobīdes atsperēm un tenzometriem, bet (d) parāda iekārtas perspektīvo skatu. (e) Lineāras aktuatora sistēmas shēma ar SMA vadiem, kas novietoti bimodāli jebkurā laikā t, parādot šķiedru virzienu un gaitu, kā arī muskuļu spēku. (c) Divplakņu uz SMA balstīta aktuatora izvietošanai ir piedāvāts 2 brīvības pakāpes rotācijas prizmatisks savienojums. Kā parādīts, saite pārraida lineāru kustību no apakšējās piedziņas uz augšējo sviru, izveidojot rotācijas savienojumu. No otras puses, prizmu pāra kustība ir tāda pati kā daudzslāņu pirmās pakāpes piedziņas kustība.
Lai novērtētu uz SMA balstītas bimodālas piedziņas veiktspēju, tika veikts eksperimentāls pētījums ar 9.b attēlā parādīto prototipu. Kā parādīts 10.a attēlā, eksperimentālā iekārta sastāvēja no programmējama līdzstrāvas barošanas avota, lai piegādātu ieejas spriegumu SMA vadiem. Kā parādīts 10.b attēlā, bloķēšanas spēka mērīšanai, izmantojot Graphtec GL-2000 datu reģistrētāju, tika izmantots pjezoelektriskais tenzometrs (PACEline CFT/5kN). Datus reģistrē resursdators turpmākai izpētei. Tenzometriem un lādiņa pastiprinātājiem ir nepieciešams pastāvīgs barošanas avots, lai radītu sprieguma signālu. Atbilstošie signāli tiek pārveidoti jaudas izejās atbilstoši pjezoelektriskā spēka sensora jutībai un citiem parametriem, kas aprakstīti 2. tabulā. Pielietojot sprieguma impulsu, SMA vada temperatūra paaugstinās, izraisot SMA vada saspiešanu, kas liek izpildmehānismam ģenerēt spēku. Muskuļu spēka izvades eksperimentālie rezultāti ar 7 V ieejas sprieguma impulsu ir parādīti 2.a attēlā.
(a) Eksperimentā tika uzstādīta uz SMA balstīta lineāra aktuatora sistēma, lai mērītu aktuatora radīto spēku. Slodzes devējs mēra bloķēšanas spēku un to darbina 24 V līdzstrāvas barošanas avots. Izmantojot GW Instek programmējamu līdzstrāvas barošanas avotu, visā kabeļa garumā tika pielietots 7 V sprieguma kritums. SMA vads karstuma ietekmē sarūk, un kustīgā roka saskaras ar slodzes devēju un rada bloķēšanas spēku. Slodzes devējs ir savienots ar GL-2000 datu reģistrētāju, un dati tiek glabāti resursdatorā tālākai apstrādei. (b) Diagramma, kurā parādīta eksperimentālās iekārtas komponentu ķēde muskuļu spēka mērīšanai.
Formas atmiņas sakausējumus ierosina siltumenerģija, tāpēc temperatūra kļūst par svarīgu parametru formas atmiņas fenomena pētīšanā. Eksperimentāli, kā parādīts 11.a attēlā, termiskā attēlveidošana un temperatūras mērījumi tika veikti ar prototipa SMA bāzes divalerāta aktuatoru. Programmējams līdzstrāvas avots pievadīja ieejas spriegumu SMA vadiem eksperimentālajā iestatījumā, kā parādīts 11.b attēlā. SMA vada temperatūras izmaiņas tika mērītas reāllaikā, izmantojot augstas izšķirtspējas LWIR kameru (FLIR A655sc). Resursdators izmanto ResearchIR programmatūru, lai ierakstītu datus tālākai pēcapstrādei. Kad tiek pielikts sprieguma impulss, SMA vada temperatūra paaugstinās, izraisot SMA vada saraušanos. 2.b attēlā parādīti SMA vada temperatūras un laika atkarības eksperimentālie rezultāti 7 V ieejas sprieguma impulsam.