Ви благодариме што ја посетивте Nature.com.Верзијата на прелистувачот што ја користите има ограничена поддршка за CSS.За најдобро искуство, препорачуваме да користите ажуриран прелистувач (или да го оневозможите режимот на компатибилност во Internet Explorer).Во меѓувреме, за да обезбедиме континуирана поддршка, ќе ја направиме страницата без стилови и JavaScript.
Активаторите се користат насекаде и создаваат контролирано движење со примена на точната сила на возбудување или вртежен момент за извршување на различни операции во производството и индустриската автоматизација.Потребата за побрзи, помали и поефикасни погони ги поттикнува иновациите во дизајнот на погонот.Погоните од легура на форма на меморија (SMA) нудат голем број на предности во однос на конвенционалните погони, вклучително и висок сооднос моќност-тежина.Во оваа дисертација, развиен е актуатор со две пердуви базиран на SMA кој ги комбинира предностите на пердувестите мускули на биолошките системи и уникатните својства на SMA.Оваа студија ги истражува и ги проширува претходните актуатори на SMA преку развивање на математички модел на новиот побудувач базиран на бимодалниот распоред на жици SMA и експериментално тестирање.Во споредба со познатите погони базирани на SMA, силата на активирање на новиот погон е најмалку 5 пати поголема (до 150 N).Соодветното губење на тежината е околу 67%.Резултатите од анализата на чувствителноста на математичките модели се корисни за подесување на параметрите за дизајн и разбирање на клучните параметри.Оваа студија понатаму претставува погон на N-та етапа на повеќе нивоа што може да се користи за дополнително подобрување на динамиката.Дипвалератните мускулни актуатори базирани на SMA имаат широк опсег на апликации, од автоматизација на градење до прецизни системи за испорака на лекови.
Биолошките системи, како што се мускулните структури на цицачите, можат да активираат многу суптилни актуатори1.Цицачите имаат различни мускулни структури, од кои секоја служи за одредена цел.Сепак, голем дел од структурата на мускулното ткиво на цицачите може да се подели во две широки категории.Паралелно и пенасто.Во тетивата и другите флексори, како што сугерира името, паралелната мускулатура има мускулни влакна паралелни со централната тетива.Синџирот на мускулни влакна е наредени и функционално поврзани со сврзното ткиво околу нив.Иако се вели дека овие мускули имаат голема екскурзија (процентуално скратување), нивната вкупна мускулна сила е многу ограничена.Спротивно на тоа, кај трицепсниот потколен мускул2 (латерален гастрокемиус (GL)3, медијален гастрокемиус (GM)4 и солеус (SOL)) и екстензорен феморис (квадрицепс) 5,6 пенасто мускулно ткиво се наоѓа во секој мускул7.Во пернасти структура, мускулните влакна во двојната мускулатура се присутни на двете страни на централната тетива под коси агли (печести агли).Pennate доаѓа од латинскиот збор „penna“, што значи „пенкало“ и, како што е прикажано на сл.1 има изглед како пердув.Влакната на пенастичните мускули се пократки и под агол од надолжната оска на мускулот.Поради шилестата структура, севкупната подвижност на овие мускули е намалена, што доведува до попречните и надолжните компоненти на процесот на скратување.Од друга страна, активирањето на овие мускули доведува до поголема вкупна мускулна сила поради начинот на кој се мери физиолошката површина на пресекот.Затоа, за дадена површина на пресек, пенасти мускули ќе бидат посилни и ќе генерираат повисоки сили од мускулите со паралелни влакна.Силите генерирани од поединечни влакна генерираат мускулни сили на макроскопско ниво во тоа мускулно ткиво.Покрај тоа, има такви уникатни својства како брзо собирање, заштита од оштетување на истегнување, амортизирање.Ја трансформира врската помеѓу влезот на влакна и излезната моќност на мускулите преку искористување на уникатните карактеристики и геометриската сложеност на распоредот на влакната поврзани со линиите на дејствување на мускулите.
Прикажани се шематски дијаграми на постоечки дизајни на актуатори базирани на SMA во однос на бимодална мускулна архитектура, на пример (а), што ја претставува интеракцијата на тактилната сила во која уред во облик на рака активиран од SMA жици е монтиран на автономен мобилен робот со две тркала9,10., (б) Роботска орбитална протеза со антагонистички поставена орбитална протеза со пружина SMA.Положбата на протетското око се контролира со сигнал од окуларниот мускул на окото11, (в) SMA актуаторите се идеални за подводни апликации поради нивната висока фреквентна реакција и нискиот пропусен опсег.Во оваа конфигурација, SMA актуаторите се користат за создавање брановидно движење со симулирање на движењето на рибите, (г) SMA актуаторите се користат за создавање робот за инспекција на микро цевки кој може да го користи принципот на движење на црви од инчи, контролиран со движењето на SMA жиците во каналот 10, (д) ја покажува насоката на распоредување на мускулните влакна на контракција и генерирањето на мускулното ткиво од жичаната контракција (GMA) бери во структурата на пенасти мускули.
Активаторите станаа важен дел од механичките системи поради нивниот широк опсег на апликации.Затоа, потребата за помали, побрзи и поефикасни погони станува критична.И покрај нивните предности, традиционалните погони се покажаа како скапи и одземаат многу време за одржување.Хидрауличните и пневматските актуатори се сложени и скапи и се предмет на абење, проблеми со подмачкување и дефект на компонентите.Како одговор на побарувачката, фокусот е на развивање економични, оптимизирани за големината и напредни актуатори базирани на паметни материјали.Тековните истражувања ги разгледуваат актуаторите со слоеви од легура на меморија за форма (SMA) за да ја задоволат оваа потреба.Хиерархиските актуатори се единствени по тоа што комбинираат многу дискретни актуатори во геометриски сложени макро подсистеми за да обезбедат зголемена и проширена функционалност.Во овој поглед, човечкото мускулно ткиво опишано погоре дава одличен повеќеслоен пример за такво повеќеслојно активирање.Тековната студија опишува SMA погон на повеќе нивоа со неколку поединечни погонски елементи (SMA жици) усогласени со ориентациите на влакната присутни во бимодалните мускули, што ги подобрува вкупните перформанси на погонот.
Главната цел на активаторот е да генерира излезна механичка моќност како што се сила и поместување со конвертирање на електрична енергија.Легурите со меморија за форма се класа на „паметни“ материјали кои можат да ја вратат својата форма на високи температури.При високи оптоварувања, зголемувањето на температурата на SMA жицата доведува до обновување на обликот, што резултира со поголема густина на енергија на активирањето во споредба со различните директно поврзани паметни материјали.Во исто време, под механички оптоварувања, SMA стануваат кршливи.Под одредени услови, цикличното оптоварување може да апсорбира и ослободи механичка енергија, покажувајќи реверзибилни хистеретички промени во формата.Овие уникатни својства го прават SMA идеален за сензори, амортизација на вибрации и особено активатори12.Имајќи го ова на ум, имаше многу истражувања за дисковите базирани на SMA.Треба да се забележи дека актуаторите базирани на SMA се дизајнирани да обезбедат преводно и ротационо движење за различни апликации13,14,15.Иако некои ротациони актуатори се развиени, истражувачите се особено заинтересирани за линеарни актуатори.Овие линеарни актуатори можат да се поделат на три типа на актуатори: еднодимензионални, поместувачки и диференцијални актуатори 16 .Првично, хибридните погони беа создадени во комбинација со SMA и други конвенционални погони.Еден таков пример на SMA-базиран хибриден линеарен погон е употребата на SMA жица со DC мотор за да се обезбеди излезна сила од околу 100 N и значително поместување17.
Еден од првите случувања во погоните целосно базирани на SMA беше SMA паралелниот погон.Користејќи повеќе SMA жици, паралелниот погон базиран на SMA е дизајниран да ја зголеми моќноста на погонот со поставување на сите SMA18 жици паралелно.Паралелното поврзување на активаторите не само што бара поголема моќност, туку и ја ограничува излезната моќност на една жица.Друг недостаток на актуаторите базирани на SMA е ограниченото патување што можат да го постигнат.За да се реши овој проблем, создаден е SMA кабелски сноп кој содржи отклонет флексибилен зрак за да се зголеми поместувањето и да се постигне линеарно движење, но не генерира поголеми сили19.Меки деформабилни структури и ткаенини за роботи засновани на легури со меморија за форма се развиени првенствено за засилување на ударот20,21,22.За апликации каде што се потребни големи брзини, пријавени се компактни погонски пумпи кои користат SMA со тенок филм за апликации управувани со микропумпа23.Погонската фреквенција на SMA мембраната со тенок филм е клучен фактор за контрола на брзината на возачот.Затоа, линеарните мотори SMA имаат подобра динамичка реакција од SMA пружините или моторите со прачка.Мека роботика и технологија за фаќање се две други апликации кои користат актуатори базирани на SMA.На пример, за да се замени стандардниот актуатор што се користи во 25 N простор за стегање, развиен е паралелен побудувач од легура од мемориска форма 24.Во друг случај, SMA мек активатор беше фабрикуван врз основа на жица со вградена матрица способна да произведе максимална сила на влечење од 30 N. Поради нивните механички својства, SMA се користат и за производство на актуатори кои имитираат биолошки феномени.Еден таков развој вклучува робот со 12 ќелии кој е биомиметик на организам сличен на дождовен црв со SMA за да генерира синусоидно движење до оган26,27.
Како што беше споменато претходно, постои ограничување на максималната сила што може да се добие од постоечките актуатори базирани на SMA.За да се реши ова прашање, оваа студија претставува биомиметичка бимодална мускулна структура.Воден од жица од легура на мемориски облик.Обезбедува систем за класификација кој вклучува неколку жици од легура на мемориски облик.До денес, во литературата не се пријавени актуатори базирани на SMA со слична архитектура.Овој уникатен и нов систем базиран на SMA беше развиен за да го проучува однесувањето на SMA за време на бимодалното порамнување на мускулите.Во споредба со постојните актуатори базирани на SMA, целта на оваа студија беше да се создаде биомиметички дипвалератен активирач за да генерира значително повисоки сили во мал волумен.Во споредба со конвенционалните погони со чекорен мотор што се користат во системите за автоматизација и контрола на зградите HVAC, предложениот дизајн на бимодален погон базиран на SMA ја намалува тежината на погонскиот механизам за 67%.Во продолжение, термините „мускули“ и „возење“ се користат наизменично.Оваа студија ја истражува мултифизичката симулација на таков погон.Механичкото однесување на таквите системи е проучено со експериментални и аналитички методи.Распределбите на силите и температурата беа дополнително истражени на влезен напон од 7 V. Последователно, беше спроведена параметарска анализа за подобро да се разбере односот помеѓу клучните параметри и излезната сила.Конечно, предвидени се хиерархиски актуатори и предложени се ефекти на хиерархиско ниво како потенцијална идна област за немагнетни актуатори за протетски апликации.Според резултатите од гореспоменатите студии, употребата на едностепена архитектура произведува сили најмалку четири до пет пати поголеми од пријавените актуатори базирани на SMA.Дополнително, се покажа дека истата погонска сила генерирана од погон на повеќе нивоа е повеќе од десет пати поголема од онаа на конвенционалните погони базирани на SMA.Студијата потоа ги известува клучните параметри користејќи анализа на чувствителност помеѓу различни дизајни и влезни променливи.Почетната должина на SMA жицата (\(l_0\)), шилестиот агол (\(\alpha\)) и бројот на единечни жици (n) во секоја поединечна жичка имаат силен негативен ефект врз големината на движечката сила.јачина, додека влезниот напон (енергија) се покажа дека е позитивно корелиран.
SMA жица го покажува ефектот на меморија на формата (SME) што се гледа во семејството на легури никел-титаниум (Ni-Ti).Типично, SMA покажуваат две фази зависни од температурата: фаза на ниска температура и фаза на висока температура.Двете фази имаат уникатни својства поради присуството на различни кристални структури.Во фазата на аустенит (фаза на висока температура) која постои над температурата на трансформацијата, материјалот покажува висока јачина и слабо се деформира под оптоварување.Легурата се однесува како нерѓосувачки челик, така што е способна да издржи повисоки притисоци на активирање.Искористувајќи ја оваа особина на легурите Ni-Ti, SMA жиците се закосени за да формираат погон.Соодветни аналитички модели се развиени за да се разбере основната механика на термичкото однесување на SMA под влијание на различни параметри и различни геометрии.Добиена е добра согласност помеѓу експерименталните и аналитичките резултати.
Беше спроведена експериментална студија на прототипот прикажан на Сл. 9а за да се оцени ефикасноста на бимодалниот погон базиран на SMA.Две од овие својства, силата генерирана од погонот (мускулна сила) и температурата на SMA жицата (температура SMA), беа измерени експериментално.Како што се зголемува разликата во напонот по целата должина на жицата во погонот, температурата на жицата се зголемува поради ефектот на загревање на Џоул.Влезниот напон беше применет во два циклуси од 10 секунди (прикажани како црвени точки на Сл. 2а, б) со период на ладење од 15 секунди помеѓу секој циклус.Силата на блокирање беше измерена со помош на пиезоелектричен мерач на напрегање, а дистрибуцијата на температурата на SMA жицата беше следена во реално време со помош на научна камера со висока резолуција LWIR (видете ги карактеристиките на опремата што се користи во Табела 2).покажува дека за време на фазата на висок напон, температурата на жицата монотоно се зголемува, но кога не тече струја, температурата на жицата продолжува да опаѓа.Во сегашното експериментално поставување, температурата на жицата SMA опадна за време на фазата на ладење, но сепак беше над температурата на околината.На сл.2e прикажува снимка од температурата на SMA жицата земена од LWIR камерата.Од друга страна, на сл.2а ја прикажува силата на блокирање генерирана од погонскиот систем.Кога мускулната сила ја надминува силата за враќање на пружината, подвижната рака, како што е прикажано на слика 9а, почнува да се движи.Штом ќе започне активирањето, подвижната рака доаѓа во контакт со сензорот, создавајќи сила на телото, како што е прикажано на сл.2в, г.Кога максималната температура е блиску до \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), максималната набљудувана сила е 105 N.
Графиконот ги прикажува експерименталните резултати на температурата на SMA жицата и силата генерирана од бимодалниот побудувач базиран на SMA во текот на два циклуса.Влезниот напон се применува во два циклуса од 10 секунди (прикажани како црвени точки) со период на ладење од 15 секунди помеѓу секој циклус.SMA жицата што се користеше за експериментите беше жица Flexinol со дијаметар од 0,51 mm од Dynalloy, Inc. покажува температурна слика направена од SMA жица со помош на FLIR ResearchIR софтверот LWIR камера.Геометриските параметри земени во предвид во експериментите се дадени во Табела.еден.
Резултатите од симулацијата на математичкиот модел и експерименталните резултати се споредуваат под услов на влезен напон од 7V, како што е прикажано на сл.5.Според резултатите од параметарската анализа и со цел да се избегне можноста за прегревање на SMA жицата, на погонот му беше доставена моќност од 11,2 W.Се користеше програмабилно DC напојување за напојување 7V како влезен напон, а струјата од 1,6А беше измерена низ жицата.Силата генерирана од погонот и температурата на SDR се зголемуваат кога се применува струја.Со влезен напон од 7V, максималната излезна сила добиена од резултатите од симулацијата и експерименталните резултати од првиот циклус е 78 N и 96 N, соодветно.Во вториот циклус, максималната излезна сила на симулациските и експерименталните резултати беше 150 N и 105 N, соодветно.Несовпаѓањето помеѓу мерењата на силата на оклузија и експерименталните податоци може да се должи на методот што се користи за мерење на силата на оклузија.Експерименталните резултати прикажани на сл.5а одговараат на мерењето на силата на блокирање, која пак се мери кога погонското вратило било во контакт со PACEline CFT/5kN пиезоелектричниот трансдуктор на сила, како што е прикажано на сл.2s.Затоа, кога погонското вратило не е во контакт со сензорот за сила на почетокот на зоната за ладење, силата веднаш станува нула, како што е прикажано на сл. 2г.Покрај тоа, други параметри кои влијаат на формирањето на сила во следните циклуси се вредностите на времето на ладење и коефициентот на конвективен пренос на топлина во претходниот циклус.Од сл.2б, може да се види дека по период на ладење од 15 секунди, SMA жицата не достигнала собна температура и затоа имала повисока почетна температура (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) во вториот циклус на возење во споредба со првиот циклус (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Така, во споредба со првиот циклус, температурата на SMA жицата за време на вториот циклус на загревање ја достигнува почетната температура на аустенит (\(A_s\)) порано и останува во периодот на транзиција подолго, што резултира со стрес и сила.Од друга страна, температурните распределби за време на циклусите на греење и ладење добиени од експерименти и симулации имаат висока квалитативна сличност со примерите од термографската анализа.Компаративната анализа на термичките податоци за SMA жица од експерименти и симулации покажа доследност за време на циклусите на греење и ладење и во рамките на прифатливите толеранции за експериментални податоци.Максималната температура на SMA жицата, добиена од резултатите од симулацијата и експериментите од првиот циклус, е \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) и \(75\,^{\circ }\hbox { C }\, соодветно ), а во вториот циклус максималната температура на SMA жицата е {3},\circ{4},\ci \\ ^{\circ }\ hbox {C}\).Фундаментално развиениот модел го потврдува ефектот на ефектот на меморија на формата.Улогата на замор и прегревање не беше разгледана во овој преглед.Во иднина, моделот ќе биде подобрен за да ја вклучи историјата на стрес на SMA жицата, што ќе го направи посоодветен за инженерски апликации.Излезната сила на погонот и SMA температурните парцели добиени од блокот Simulink се во рамките на дозволените толеранции на експерименталните податоци под услов пулсот на влезниот напон од 7 V. Ова ја потврдува исправноста и веродостојноста на развиениот математички модел.
Математичкиот модел е развиен во околината MathWorks Simulink R2020b користејќи ги основните равенки опишани во делот Методи.На сл.3б покажува блок дијаграм на математичкиот модел на Симулинк.Моделот беше симулиран за пулс на влезен напон од 7V како што е прикажано на Сл. 2а, б.Вредностите на параметрите што се користат во симулацијата се наведени во Табела 1. Резултатите од симулацијата на минливи процеси се прикажани на сликите 1 и 1. Слики 3а и 4. На сл.4a,b го прикажува индуцираниот напон во SMA жицата и силата генерирана од активаторот во функција на времето. За време на обратна трансформација (загревање), кога температурата на жицата SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура на почеток на фазата на аустенит модифицирана со стрес), брзината на промена на волуменската фракција на мартензит (\(\dot{\xi }\)) ќе биде нула. За време на обратна трансформација (загревање), кога температурата на жицата SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура на почетна фаза на аустенит изменета со стрес), стапката на промена на волуменската фракција на мартензит (\(\dot{\ xi }\)) ќе биде нула. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. За време на обратна трансформација (греење), кога температурата на SMA жицата, \(T < A_s^{\prime}\) (почетна температура на аустенит модифицирана со стрес), брзината на промена на волуменската фракција на мартензитот (\(\dot{\ xi }\ )) ќе биде нула.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\)) 将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(а) Резултат од симулацијата што ја покажува температурната дистрибуција и температурата на спојот предизвикана од стрес во дивалератен активирач базиран на SMA.Кога температурата на жицата ја преминува температурата на транзиција на устенит во фазата на загревање, модифицираната температура на транзиција на устенит почнува да се зголемува, и слично, кога температурата на жичаната шипка ја преминува температурата на транзиција на мартензит во фазата на ладење, температурата на транзиција на мартензит се намалува.SMA за аналитичко моделирање на процесот на активирање.(За детален приказ на секој потсистем на моделот Simulink, видете го делот за додаток на дополнителната датотека.)
Резултатите од анализата за различни распределби на параметрите се прикажани за два циклуса на влезниот напон од 7V (циклуси на загревање од 10 секунди и циклуси на ладење од 15 секунди).Додека (ац) и (д) ја прикажуваат распределбата со текот на времето, од друга страна, (г) и (ѓ) ја илустрираат распределбата со температура.За соодветните влезни услови, максималното забележано напрегање е 106 MPa (помалку од 345 MPa, јачина на отпуштање на жица), силата е 150 N, максималното поместување е 270 µm, а минималната фракција на волумен на мартензит е 0,91.Од друга страна, промената на стресот и промената на волуменската фракција на мартензитот со температура се слични на карактеристиките на хистерезис.
Истото објаснување важи и за директната трансформација (ладење) од фазата на устенит во фазата на мартензит, каде што температурата на жицата SMA (T) и крајната температура на фазата на мартензит изменета со стрес (\(M_f^{\prime}\ )) е одлична.На сл.4d,f ја прикажува промената на индуцираниот стрес (\(\sigma\)) и волуменската фракција на мартензитот (\(\xi\)) во SMA жицата како функција од промената на температурата на SMA жицата (T), за двата циклуса на возење.На сл.Слика 3а ја прикажува промената на температурата на SMA жицата со времето во зависност од пулсот на влезниот напон.Како што може да се види од сликата, температурата на жицата продолжува да се зголемува со обезбедување на извор на топлина на нула напон и последователно конвективно ладење.За време на загревањето, ретрансформацијата на мартензитот во аустенитната фаза започнува кога температурата на жицата SMA (T) ќе ја премине температурата на нуклеација на устенит корегирана со стрес (\(A_s^{\prime}\)).Во текот на оваа фаза, SMA жицата е компресирана и побудувачот генерира сила.Исто така за време на ладењето, кога температурата на SMA жицата (T) ја преминува температурата на нуклеација на фазата на мартензит (\(M_s^{\prime}\)) има позитивен премин од фазата на аустенит во фазата на мартензит.погонската сила се намалува.
Главните квалитативни аспекти на бимодалниот погон заснован на SMA може да се добијат од резултатите од симулацијата.Во случај на напонски импулсен влез, температурата на SMA жицата се зголемува поради ефектот на загревање на Џоул.Почетната вредност на волуменската фракција на мартензит (\(\xi\)) е поставена на 1, бидејќи материјалот првично е во целосно мартензитна фаза.Како што жицата продолжува да се загрева, температурата на SMA жицата ја надминува температурата на нуклеација на аустенит корегирана со стрес \(A_s^{\prime}\), што резултира со намалување на волуменската фракција на мартензит, како што е прикажано на Слика 4в.Покрај тоа, на сл.4e ја прикажува распределбата на потезите на активаторот во времето, а на сл.5 – движечка сила во функција на времето.Поврзан систем на равенки вклучува температура, волуменска фракција на мартензит и напрегање што се развива во жицата, што резултира со собирање на SMA жицата и силата генерирана од активаторот.Како што е прикажано на сл.4d,f, варијацијата на напонот со температура и варијацијата на волуменската фракција на мартензитот со температура одговараат на карактеристиките на хистерезис на SMA во симулираниот случај на 7 V.
Споредбата на параметрите за возење е добиена преку експерименти и аналитички пресметки.Жиците беа подложени на импулсен влезен напон од 7 V за 10 секунди, а потоа се ладеа 15 секунди (фаза на ладење) во текот на два циклуса.Завртениот агол е поставен на \(40^{\circ}\) и почетната должина на SMA жицата во секоја нога од една игла е поставена на 83 mm.(а) Мерење на движечката сила со оптоварување (б) Следење на температурата на жицата со топлинска инфрацрвена камера.
Со цел да се разбере влијанието на физичките параметри врз силата произведена од погонот, беше извршена анализа на чувствителноста на математичкиот модел на избраните физички параметри, а параметрите беа рангирани според нивното влијание.Прво, земање примероци од параметрите на моделот беше направено користејќи експериментални принципи на дизајн што следеа униформа дистрибуција (види Дополнителен дел за анализа на чувствителност).Во овој случај, параметрите на моделот вклучуваат влезен напон (\(V_{in}\)), почетна должина на SMA жица (\(l_0\)), агол на триаголник (\(\алфа\)), константа на пружината на пристрасност (\( K_x\ )), коефициент на конвективен пренос на топлина (\(h_T\)) и број на унимодални гранки.Во следниот чекор, максималната мускулна сила беше избрана како услов за дизајн на студијата и беа добиени параметарските ефекти на секој сет на променливи врз силата.Парцелите на торнадото за анализата на чувствителноста беа изведени од коефициентите на корелација за секој параметар, како што е прикажано на Сл. 6а.
(а) Вредностите на коефициентот на корелација на параметрите на моделот и нивниот ефект врз максималната излезна сила од 2500 уникатни групи од горенаведените параметри на моделот се прикажани во заплетот на торнадото.Графиконот ја прикажува рангираната корелација на неколку индикатори.Јасно е дека \(V_{in}\) е единствениот параметар со позитивна корелација, а \(l_0\) е параметарот со највисока негативна корелација.Ефектот на различни параметри во различни комбинации врз максималната мускулна сила е прикажан во (б, в).\(K_x\) се движи од 400 до 800 N/m и n се движи од 4 до 24. Напонот (\(V_{in}\)) е променет од 4V на 10V, должината на жицата (\(l_{0 } \)) променета од 40 до 100 mm, а аголот на опашката \ci (\} –\ 6) е променета од 4V на 10V \).
На сл.6а покажува график на торнадо од различни коефициенти на корелација за секој параметар со барања за дизајнирање на максимална погонска сила.Од сл.6а може да се види дека параметарот на напонот (\(V_{in}\)) е директно поврзан со максималната излезна сила, а коефициентот на конвективен пренос на топлина (\(h_T\)), аголот на пламенот (\ ( \алфа\)), константата на пружината на поместување ( \(K_x\)) е во негативна корелација со почетната должина на жица (ма) и со излезната сила S. dal гранките (n) покажуваат силна инверзна корелација Во случај на директна корелација Во случај на поголема вредност на коефициентот на корелација на напонот (\(V_ {in}\)) покажува дека овој параметар има најголем ефект врз излезната моќност.Друга слична анализа ја мери максималната сила со евалуација на ефектот на различни параметри во различни комбинации на двата пресметковни простори, како што е прикажано на Сл. 6б, в.\(V_{во}\) и \(l_0\), \(\алфа\) и \(l_0\) имаат слични обрасци, а графикот покажува дека \(V_{во}\) и \(\алфа\ ) и \(\алфа\) имаат слични обрасци.Помалите вредности на \(l_0\) резултираат со повисоки максимални сили.Другите две графики се конзистентни со Слика 6а, каде што n и \(K_x\) се негативно корелирани и \(V_{in}\) се позитивно корелирани.Оваа анализа помага да се дефинираат и прилагодат влијателните параметри со кои излезната сила, ударот и ефикасноста на погонскиот систем може да се прилагодат на барањата и примената.
Тековната истражувачка работа воведува и истражува хиерархиски погони со N нивоа.Во хиерархија на две нивоа, како што е прикажано на Сл. 7а, каде што наместо секоја SMA жица на активирачот на првото ниво, се постигнува бимодален распоред, како што е прикажано на сл.9е.На сл.7в покажува како SMA жицата е намотана околу подвижна рака (помошна рака) која се движи само во надолжната насока.Меѓутоа, примарната подвижна рака продолжува да се движи на ист начин како и подвижната рака на повеќестепениот актуатор од првата фаза.Вообичаено, погонот во N-стадиум се создава со замена на SMA жицата на етапата \(N-1\) со погон од прва фаза.Како резултат на тоа, секоја гранка го имитира погонот на првата фаза, со исклучок на гранката што ја држи самата жица.На овој начин може да се формираат вгнездени структури кои создаваат сили кои се неколку пати поголеми од силите на примарните погони.Во оваа студија, за секое ниво, земена е предвид вкупна ефективна должина на SMA жица од 1 m, како што е прикажано во табеларен формат на Сл. 7г.Струјата низ секоја жица во секој унимодален дизајн и добиените преднапрегања и напон во секој сегмент на SMA жици се исти на секое ниво.Според нашиот аналитички модел, излезната сила е во позитивна корелација со нивото, додека поместувањето е негативно.Во исто време, имаше компромис помеѓу поместувањето и мускулната сила.Како што се гледа на сл.7б, додека максималната сила се постигнува во најголем број слоеви, најголемото поместување е забележано во најнискиот слој.Кога нивото на хиерархија беше поставено на \(N=5\), беше пронајдена врвна мускулна сила од 2,58 kN со 2 набљудувани удари \(\upmu\)m.Од друга страна, погонот од првата фаза генерира сила од 150 N при удар од 277 \(\upmu\)m.Активаторите на повеќе нивоа се способни да имитираат вистински биолошки мускули, каде што вештачките мускули засновани на легури за меморија на формата можат да генерираат значително повисоки сили со прецизни и пофини движења.Ограничувањата на овој минијатуризиран дизајн се дека како што се зголемува хиерархијата, движењето значително се намалува и сложеноста на процесот на производство на погонот се зголемува.
(а) Двостепен (\(N=2\)) систем за линеарни побудувачи од мемориска легура со повеќеслојни форми е прикажан во бимодална конфигурација.Предложениот модел е постигнат со замена на SMA жица во првиот етапен слоевит активатор со друг еднослоен актуатор.(в) Деформирана конфигурација на повеќеслојниот актуатор од втората фаза.(б) Опишана е распределбата на силите и поместувањата во зависност од бројот на нивоа.Откриено е дека врвната сила на побудувачот е позитивно корелирана со нивото на скалата на графиконот, додека ударот е негативно корелирана со нивото на скалата.Струјата и преднапонот во секоја жица остануваат константни на сите нивоа.(г) Табелата го прикажува бројот на славини и должината на SMA жицата (влакна) на секое ниво.Карактеристиките на жиците се означени со индекс 1, а бројот на секундарни гранки (една поврзана со примарниот крак) е означен со најголемиот број во претплатата.На пример, на ниво 5, \(n_1\) се однесува на бројот на SMA жици присутни во секоја бимодална структура, а \(n_5\) се однесува на бројот на помошни краци (еден поврзан со главниот крак).
Различни методи се предложени од многу истражувачи за моделирање на однесувањето на SMA со меморија на форми, кои зависат од термомеханичките својства што ги придружуваат макроскопските промени во кристалната структура поврзани со фазната транзиција.Формулирањето на конститутивните методи е инхерентно сложено.Најчесто користениот феноменолошки модел е предложен од Танака28 и е широко користен во инженерските апликации.Феноменолошкиот модел предложен од Танака [28] претпоставува дека волуменската фракција на мартензитот е експоненцијална функција на температурата и стресот.Подоцна, Лианг и Роџерс29 и Бринсон30 предложија модел во кој динамиката на транзиција на фаза се претпоставуваше како косинус функција на напонот и температурата, со мали измени на моделот.Бекер и Бринсон предложија кинетички модел базиран на фазен дијаграм за моделирање на однесувањето на SMA материјалите при произволни услови на оптоварување, како и делумни транзиции.Banerjee32 го користи методот на динамика на фазен дијаграм на Bekker и Brinson31 за да симулира манипулатор со еден степен на слобода развиен од Elahinia и Ahmadian33.Кинетичките методи засновани на фазни дијаграми, кои ја земаат предвид немонотоничната промена на напонот со температурата, тешко се имплементираат во инженерските апликации.Елахинија и Ахмадијан привлекуваат внимание на овие недостатоци на постоечките феноменолошки модели и предлагаат проширен феноменолошки модел за да се анализира и дефинира однесувањето на меморијата на обликот под какви било сложени услови на оптоварување.
Структурниот модел на SMA жица дава стрес (\(\sigma\)), напрегање (\(\epsilon\)), температура (T) и волуменска фракција на мартензит (\(\xi\)) на SMA жица.Феноменолошкиот конститутивен модел најпрво беше предложен од Танака28, а подоцна усвоен од Лианг29 и Бринсон30.Дериватот на равенката има форма:
каде што E е SMA Young-овиот модул зависен од фазата добиен со помош на \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) и \(E_A\) и \(E_M\) што го претставуваат Young-овиот модул се аустенитни и мартензитни фази, соодветно, а коефициентот на термалното ширење е \(T).Факторот на придонес за транзиција на фазата е \(\Omega = -E \epsilon _L\) и \(\epsilon _L\) е максималното оптоварување на SMA жица.
Равенката за фазна динамика се совпаѓа со косинусната функција развиена од Лианг29 и подоцна усвоена од Бринсон30 наместо експоненцијалната функција предложена од Танака28.Моделот на фазна транзиција е продолжение на моделот предложен од Елахинија и Ахмадијан34 и модифициран врз основа на условите за транзиција на фаза дадени од Лианг29 и Бринсон30.Условите што се користат за овој модел на транзиција на фаза се валидни при сложени термомеханички оптоварувања.Во секој момент од времето, вредноста на волуменската фракција на мартензитот се пресметува при моделирање на конститутивната равенка.
Управувачката равенка на ретрансформација, изразена со трансформација на мартензит во аустенит во услови на загревање, е како што следува:
каде \(\xi\) е волуменската фракција на мартензитот, \(\xi _M\) е волуменската фракција на мартензитот добиена пред загревањето, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) и \(C_A/C_A\) и \(C_A/C_A\) и \(C_A/C_A\) и \(C_A, app\) – крива (A_f\) - почеток и крај на аустенитната фаза, соодветно, температура.
Равенката за контрола на директна трансформација, претставена со фазна трансформација на аустенит во мартензит при услови на ладење, е:
каде \(\xi _A\) е волуменската фракција на мартензитот добиена пред ладењето, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) и \ (C_M \) – параметрите за фитинг на кривата, T – SMA жица почетна температура, marf_site) и \M .
Откако ќе се диференцираат равенките (3) и (4), равенките за инверзна и директна трансформација се поедноставуваат во следната форма:
За време на трансформацијата напред и назад, \(\eta _{\sigma}\) и \(\eta _{T}\) земаат различни вредности.Основните равенки поврзани со \(\eta _{\sigma}\) и \(\eta _{T}\) се изведени и детално разгледани во дополнителен дел.
Топлинската енергија потребна за подигање на температурата на SMA жицата доаѓа од ефектот на загревање на Џул.Топлинската енергија апсорбирана или ослободена од SMA жицата е претставена со латентната топлина на трансформацијата.Загубата на топлина во SMA жицата се должи на принудна конвекција, а со оглед на занемарливиот ефект на зрачењето, равенката на билансот на топлинска енергија е следна:
Каде што \(m_{жица}\) е вкупната маса на SMA жицата, \(c_{p}\) е специфичен топлински капацитет на SMA, \(V_{in}\) е напонот што се применува на жицата, \(R_{ohm} \ ) – отпор зависен од фаза SMA, дефиниран како;\(R_{ohm} = (l/A_{крст})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) каде што \(r_M\ ) и \(r_A\) се отпорноста на фазата на SMA во мартензитот и аустенитот, соодветно, \(A_{c}\) е површината на површината на жицата на \(r_M\)Латентната топлина на транзиција на жицата, T и \(T_{\infty}\) се температурите на SMA жицата и околината, соодветно.
Кога се активира жица од легура со меморија за форма, жицата се компресира, создавајќи сила во секоја гранка на бимодалниот дизајн наречен сила на влакна.Силите на влакната во секоја жичка на SMA жицата заедно создаваат мускулна сила за активирање, како што е прикажано на сл. 9д.Поради присуството на пристрасна пружина, вкупната мускулна сила на N-тиот повеќеслоен актуатор е:
Заменувајќи го \(N = 1\) во равенката (7), мускулната сила на прототипот на бимодалниот погон од првата фаза може да се добие на следниов начин:
каде n е бројот на унимодални нозе, \(F_m\) е мускулната сила генерирана од погонот, \(F_f\) е јачината на влакната во SMA жицата, \(K_x\) е вкочанетост на пристрасност.пружина, \(\алфа\) е аголот на триаголникот, \(x_0\) е почетната поместување на пристрасната пружина за да го држи SMA кабелот во претходно затегната положба и \(\Delta x\) е патување на побудувачот.
Вкупното поместување или движење на погонот (\(\Delta x\)) во зависност од напонот (\(\sigma\)) и напрегањето (\(\epsilon\)) на SMA жицата од N-тата фаза, погонот е поставен на (види сл. дополнителен дел од излезот):
Кинематичките равенки ја даваат врската помеѓу деформацијата на погонот (\(\epsilon\)) и поместувањето или поместувањето (\(\Delta x\)).Деформацијата на жицата Arb како функција од почетната должина на Arb жица (\(l_0\)) и должината на жицата (l) во секое време t во една унимодална гранка е како што следува:
каде \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) се добива со примена на формулата за косинус во \(\Delta\)ABB ', како што е прикажано на слика 8. За првата фаза погон (\D) е (\D) x_D ), и \(\алфа _1\) е \(\алфа \) како што е прикажано на Слика 8, со диференцирање на времето од равенката (11) и замена на вредноста на l, стапката на напрегање може да се запише како:
каде што \(l_0\) е почетната должина на SMA жицата, l е должината на жицата во секое време t во една унимодална гранка, \(\epsilon\) е деформацијата развиена во SMA жицата и \(\alpha \) е аголот на триаголникот , \(\Delta x\) е поместување на погонот (како што е прикажано на 8).
Сите n структури со еден врв (\(n=6\) на оваа слика) се поврзани во серија со \(V_{in}\) како влезен напон.Фаза I: Шематски дијаграм на SMA жица во бимодална конфигурација под услови на нулта напон Фаза II: Се прикажува контролирана структура каде што SMA жицата е компресирана поради инверзна конверзија, како што е прикажано со црвената линија.
Како доказ за концептот, беше развиен бимодален погон базиран на SMA за тестирање на симулираната изведба на основните равенки со експериментални резултати.CAD моделот на бимодалниот линеарен побудувач е прикажан на сл.9а.Од друга страна, на сл.9c покажува нов дизајн предложен за ротациона призматска врска со користење на две-рамнини SMA-базиран активирач со бимодална структура.Компонентите на погонот беа изработени со помош на производство на адитиви на Ultimaker 3 Extended 3D печатач.Материјалот што се користи за 3D печатење на компоненти е поликарбонат кој е погоден за материјали отпорни на топлина бидејќи е цврст, издржлив и има висока стаклена преодна температура (110-113 \(^{\circ }\) C).Покрај тоа, Dynalloy, Inc. Flexinol жица од мемориска легура беше користена во експериментите, а својствата на материјалот што одговараат на жицата Flexinol беа користени во симулациите.Повеќекратните SMA жици се распоредени како влакна присутни во бимодалното распоредување на мускулите за да се добијат високите сили произведени од повеќеслојните актуатори, како што е прикажано на Сл. 9б, г.
Како што е прикажано на слика 9а, акутниот агол формиран од жицата SMA на подвижната рака се нарекува агол (\(\алфа\)).Со приклучните стеги прикачени на левата и десната клешта, SMA жицата се држи под саканиот бимодален агол.Уредот за пристрасна пружина што се држи на приклучокот за пружина е дизајниран да ги приспособи различните групи за продолжување на пристрасни пружини според бројот (n) на SMA влакна.Дополнително, локацијата на подвижните делови е дизајнирана така што SMA жицата е изложена на надворешното опкружување за ладење со принудна конвекција.Горните и долните плочи на склопот што може да се откачи помагаат да се одржи ладна жицата SMA со екструдирани исечоци дизајнирани да ја намалуваат тежината.Покрај тоа, двата краја на жицата CMA се фиксирани на левиот и десниот терминал, соодветно, со помош на стегање.Клипот е прикачен на едниот крај од подвижниот склоп за да се одржи растојанието помеѓу горните и долните плочи.Клипот исто така се користи за примена на блокирачка сила на сензорот преку контакт за мерење на силата на блокирање кога се активира SMA жицата.
Бимодалната мускулна структура SMA е електрично поврзана во серија и се напојува со влезен импулсен напон.За време на циклусот на пулсот на напонот, кога се применува напон и SMA жицата се загрева над почетната температура на аустенитот, должината на жицата во секоја жичка се скратува.Ова повлекување го активира подсклопот на подвижната рака.Кога напонот беше нула во истиот циклус, загреаната SMA жица беше ладена под температурата на површината на мартензитот, со што се врати во првобитната положба.Во услови на нулта напрегање, SMA жицата најпрво пасивно се протега со пристрасна пружина за да се достигне разврзана мартензитна состојба.Завртката низ која поминува SMA жицата се движи поради компресија создадена со примена на напонски пулс на SMA жицата (SPA ја достигнува фазата на аустенит), што доведува до активирање на подвижната рачка.Кога SMA жицата е повлечена, пристрасната пружина создава спротивставена сила со дополнително истегнување на пружината.Кога напрегањето во импулсниот напон станува нула, SMA жицата се издолжува и ја менува својата форма поради ладењето со принудна конвекција, достигнувајќи двојна мартензитна фаза.
Предложениот SMA-базиран линеарен побудувачки систем има бимодална конфигурација во која SMA жиците се под агол.(а) прикажува CAD модел на прототипот, кој споменува некои од компонентите и нивните значења за прототипот, (б, г) го претставува развиениот експериментален прототип35.Додека (б) покажува горниот приказ на прототипот со електрични приклучоци и користени пружини и мерачи на напрегање, (г) прикажува перспективен приказ на поставувањето.(д) Дијаграм на линеарен систем за активирање со SMA жици поставени бимодално во секое време t, прикажувајќи ја насоката и текот на влакната и мускулната сила.(в) Предложено е ротационо призматично поврзување со 2-DOF за распоредување на погон на SMA со две рамнини.Како што е прикажано, врската пренесува линеарно движење од долниот погон до горниот крак, создавајќи ротациона врска.Од друга страна, движењето на парот призми е исто како и движењето на повеќеслојниот погон од првата фаза.
Беше спроведена експериментална студија на прототипот прикажан на Сл. 9б за да се оцени ефикасноста на бимодалниот погон базиран на SMA.Како што е прикажано на Слика 10а, експерименталното поставување се состоеше од програмабилно напојување со еднонасочна струја за снабдување со влезен напон на SMA жиците.Како што е прикажано на сл.10б, пиезоелектричен мерач на напрегање (PACEline CFT/5kN) беше користен за мерење на силата на блокирање со помош на логерот на податоци Graphtec GL-2000.Податоците се запишуваат од домаќинот за понатамошно проучување.Мерачите на напрегање и засилувачите на полнење бараат постојано напојување за да се произведе напонски сигнал.Соодветните сигнали се претвораат во излезни напојувања во согласност со чувствителноста на сензорот за пиезоелектрична сила и други параметри како што е опишано во Табела 2. Кога се применува пулс на напон, температурата на SMA жицата се зголемува, предизвикувајќи SMA жицата да се компресира, што предизвикува побудувачот да генерира сила.Експерименталните резултати од излезот на мускулната сила со пулс на влезен напон од 7 V се прикажани на сл.2а.
(а) Во експериментот беше поставен линеарен побудувачки систем базиран на SMA за да се измери силата што ја создава побудувачот.Товарната ќелија ја мери силата на блокирање и се напојува со напојување од 24 V DC.Беше применет пад на напон од 7 V по целата должина на кабелот со помош на GW Instek програмабилно напојување со еднонасочна струја.SMA жица се собира поради топлина, а подвижната рака ја контактира товарната ќелија и врши блокирачка сила.Товарната ќелија е поврзана со логерот на податоци GL-2000 и податоците се складираат на домаќинот за понатамошна обработка.(б) Дијаграм што го прикажува синџирот на компоненти на експерименталното поставување за мерење на мускулната сила.
Легурите за меморија на обликот се возбудени од топлинската енергија, така што температурата станува важен параметар за проучување на феноменот на меморијата на обликот.Експериментално, како што е прикажано на Сл. 11а, термичкото снимање и мерењата на температурата беа извршени на прототип на дивалератен активирач базиран на SMA.Програмабилен DC извор примени влезен напон на SMA жиците во експерименталното поставување, како што е прикажано на Слика 11б.Промената на температурата на жицата SMA беше измерена во реално време со помош на камера LWIR со висока резолуција (FLIR A655sc).Домаќинот го користи софтверот ResearchIR за снимање на податоци за понатамошна пост-обработка.Кога се применува пулс на напон, температурата на SMA жицата се зголемува, предизвикувајќи SMA жицата да се собира.На сл.Слика 2б ги прикажува експерименталните резултати на температурата на жицата SMA наспроти времето за пулсот на влезниот напон од 7V.
Време на објавување: 28-ти септември 2022 година