Nature.com сайтад зочилсонд баярлалаа. Таны ашиглаж буй хөтчийн хувилбар нь хязгаарлагдмал CSS дэмжлэгтэй. Хамгийн сайн туршлагын тулд бид танд шинэчлэгдсэн хөтчийг ашиглахыг зөвлөж байна (эсвэл Internet Explorer дээр нийцтэй байдлын горимыг идэвхгүй болгох). Энэ хооронд бид сайтыг хэв маяг болон JavaScriptгүйгээр үзүүлэх болно.
Хөдөлгүүрүүдийг хаа сайгүй ашигладаг бөгөөд үйлдвэрлэл болон үйлдвэрлэлийн автоматжуулалтад янз бүрийн үйлдлийг гүйцэтгэхийн тулд зөв өдөөх хүч буюу эргүүлэх хүчийг хэрэглэснээр хяналттай хөдөлгөөнийг бий болгодог. Илүү хурдан, жижиг, илүү үр ашигтай хөтчийн хэрэгцээ нь хөтчийн дизайны инновацийг бий болгож байна. Хэлбэрийн санах ойн хайлш (SMA) хөтчүүд нь уламжлалт хөтчүүдээс хэд хэдэн давуу талтай бөгөөд үүнд өндөр хүч-жингийн харьцаа орно. Энэхүү диссертацид биологийн системийн өдлөг булчингийн давуу тал болон SMA-ийн өвөрмөц шинж чанарыг хослуулсан хоёр өдтэй SMA дээр суурилсан хөдөлгүүрийг боловсруулсан. Энэхүү судалгаа нь хоёр модаль SMA утсан зохион байгуулалт дээр суурилсан шинэ хөдөлгүүрийн математик загварыг боловсруулж, туршилтаар турших замаар өмнөх SMA хөдөлгүүрүүдийг судалж, өргөжүүлдэг. SMA дээр суурилсан мэдэгдэж буй хөтчүүдтэй харьцуулахад шинэ хөтчийн хөдөлгөх хүч дор хаяж 5 дахин их (150 Н хүртэл) байдаг. Харгалзах жингийн алдагдал нь ойролцоогоор 67% байдаг. Математик загваруудын мэдрэмжийн шинжилгээний үр дүн нь дизайны параметрүүдийг тохируулах, гол параметрүүдийг ойлгоход хэрэгтэй. Энэхүү судалгаа нь динамикийг цаашид сайжруулахад ашиглаж болох олон түвшний N-р шатны хөдөлгүүрийг цаашид танилцуулж байна. SMA дээр суурилсан дипвалератын булчингийн идэвхжүүлэгч нь барилгын автоматжуулалтаас эхлээд нарийн эм хүргэх систем хүртэл өргөн хүрээний хэрэглээтэй.
Хөхтөн амьтдын булчингийн бүтэц гэх мэт биологийн системүүд нь олон нарийн идэвхжүүлэгчийг идэвхжүүлж чаддаг1. Хөхтөн амьтад өөр өөр булчингийн бүтэцтэй байдаг бөгөөд тус бүр нь тодорхой зорилгод үйлчилдэг. Гэсэн хэдий ч хөхтөн амьтдын булчингийн эдийн бүтцийн ихэнх хэсгийг хоёр өргөн ангилалд хувааж болно. Зэрэгцээ ба тэнцүү. Гуяны болон бусад нугалагч булчинд нэрнээс нь харахад зэрэгцээ булчингууд нь төв шөрмөстэй параллель булчингийн ширхэгүүдтэй байдаг. Булчингийн ширхэгүүдийн гинж нь тэдгээрийг тойрсон холбогч эдээр эгнэж, үйл ажиллагааны хувьд холбогддог. Эдгээр булчингууд нь их хэмжээний хөдөлгөөнтэй (хувиар богиносдог) гэж ярьдаг ч тэдгээрийн нийт булчингийн хүч маш хязгаарлагдмал байдаг. Үүний эсрэгээр, тугалын гурван толгойт булчинд2 (хажуугийн гастрокнемиус (GL)3, медиал гастрокнемиус (GM)4 ба солейус (SOL)) болон гуяны тэлэгч булчинд (дөрвөн толгойт булчин)5,6 тэнцүү булчингийн эд нь булчин бүрт7 байдаг. Сээр хэлбэртэй бүтцэд хоёр тэнцүү булчингийн булчингийн ширхэгүүд нь төв шөрмөсний хоёр талд ташуу өнцгөөр (сээр хэлбэртэй өнцөг) байрладаг. Пеннат гэдэг нь Латин хэлний "penna" буюу "үзэг" гэсэн утгатай үгнээс гаралтай бөгөөд Зураг 1-т үзүүлсэнчлэн өд шиг харагддаг. Пеннат булчингийн ширхэгүүд нь булчингийн урт тэнхлэгтэй богино бөгөөд өнцөгтэй байдаг. Пеннат бүтцийн улмаас эдгээр булчингийн нийт хөдөлгөөн буурч, энэ нь богиносох үйл явцын хөндлөн ба уртын бүрэлдэхүүн хэсгүүдэд хүргэдэг. Нөгөөтэйгүүр, эдгээр булчингийн идэвхжил нь физиологийн хөндлөн огтлолын талбайг хэмжих аргаас шалтгаалан нийт булчингийн хүчийг нэмэгдүүлдэг. Тиймээс өгөгдсөн хөндлөн огтлолын талбайд пеннат булчингууд илүү хүчтэй байх бөгөөд зэрэгцээ ширхэгтэй булчингаас илүү өндөр хүч үүсгэх болно. Хувь хүний ​​ширхэгүүдээс үүссэн хүч нь тухайн булчингийн эдэд макроскопийн түвшинд булчингийн хүчийг үүсгэдэг. Үүнээс гадна, энэ нь хурдан агших, суналтын гэмтлээс хамгаалах, зөөлөвч зэрэг өвөрмөц шинж чанартай байдаг. Энэ нь булчингийн үйл ажиллагааны шугамтай холбоотой ширхэгийн зохион байгуулалтын өвөрмөц онцлог, геометрийн нарийн төвөгтэй байдлыг ашиглан ширхэгийн оролт ба булчингийн хүчний гаралтын хоорондын хамаарлыг өөрчилдөг.
Хоёр дугуйтай булчингийн архитектуртай холбоотой SMA дээр суурилсан одоо байгаа хөдөлгүүрийн дизайны бүдүүвч диаграммыг харуулав, жишээлбэл (a) нь SMA утсаар ажилладаг гар хэлбэртэй төхөөрөмжийг хоёр дугуйтай бие даасан хөдөлгөөнт робот дээр суурилуулсан хүрэлцэх хүчний харилцан үйлчлэлийг илэрхийлнэ9,10. , (b) Антагонист байрлуулсан SMA пүрштэй тойрог замын протез бүхий робот тойрог замын протез. Хиймэл нүдний байрлалыг нүдний нүдний булчингийн дохиогоор удирддаг11, (c) SMA хөдөлгүүр нь өндөр давтамжийн хариу үйлдэл, бага зурвасын өргөнтэй тул усан доорх хэрэглээнд тохиромжтой. Энэхүү тохиргоонд SMA хөдөлгүүрийг загасны хөдөлгөөнийг дуурайлган долгионы хөдөлгөөн үүсгэхэд ашигладаг, (d) SMA хөдөлгүүрийг 10-р суваг доторх SMA утаснуудын хөдөлгөөнөөр хянагддаг инчийн өтний хөдөлгөөний зарчмыг ашиглаж чаддаг бичил хоолойн үзлэгийн робот бүтээхэд ашигладаг, (e) булчингийн ширхэгийн агшилтын чиглэлийг харуулж, гастрокнемиус эдэд агшилтын хүч үүсгэдэг, (f) тэнхлэгийн булчингийн бүтцэд булчингийн ширхэгийн хэлбэрээр байрлуулсан SMA утаснуудыг харуулдаг.
Хөдөлгүүрүүд нь өргөн хүрээний хэрэглээний улмаас механик системийн чухал хэсэг болсон. Тиймээс жижиг, хурдан, илүү үр ашигтай хөтчүүдийн хэрэгцээ чухал болж байна. Давуу талуудтай хэдий ч уламжлалт хөтчүүд нь засвар үйлчилгээ хийхэд үнэтэй бөгөөд цаг хугацаа их шаарддаг болох нь батлагдсан. Гидравлик болон хийн хөдөлгүүрүүд нь нарийн төвөгтэй, үнэтэй бөгөөд элэгдэл, тосолгооны асуудал, эд ангиудын эвдрэлд өртөмтгий байдаг. Эрэлт хэрэгцээнд хариу үйлдэл үзүүлэхийн тулд ухаалаг материал дээр суурилсан зардал багатай, хэмжээг оновчтой болгосон, дэвшилтэт хөдөлгүүрүүдийг хөгжүүлэхэд анхаарлаа хандуулж байна. Үргэлжилж буй судалгаагаар энэ хэрэгцээг хангахын тулд хэлбэр санах ойн хайлш (SMA) давхаргат хөдөлгүүрүүдийг судалж байна. Шаталсан хөдөлгүүрүүд нь олон салангид хөдөлгүүрийг геометрийн хувьд нарийн төвөгтэй макро хэмжээний дэд системд нэгтгэж, функцийг нэмэгдүүлж, өргөжүүлдэг гэдгээрээ өвөрмөц юм. Үүнтэй холбогдуулан дээр дурдсан хүний ​​булчингийн эд нь ийм олон давхаргат хөдөлгүүрийн маш сайн олон давхаргат жишээг харуулж байна. Одоогийн судалгаагаар хоёр талт булчинд байдаг шилэн чиглэлд нийцсэн хэд хэдэн бие даасан хөтөч элементүүд (SMA утас) бүхий олон түвшний SMA хөтөчийг тайлбарласан бөгөөд энэ нь хөтөчийн нийт гүйцэтгэлийг сайжруулдаг.
Хөдөлгүүрийн гол зорилго нь цахилгаан энергийг хувиргах замаар хүч болон шилжилт зэрэг механик гаралтын хүчийг бий болгох явдал юм. Хэлбэрийн санах ойн хайлш нь өндөр температурт хэлбэрээ сэргээж чаддаг "ухаалаг" материалын ангилал юм. Өндөр ачааллын дор SMA утасны температур нэмэгдэх нь хэлбэрийг сэргээхэд хүргэдэг бөгөөд үүний үр дүнд янз бүрийн шууд холбогдсон ухаалаг материалуудтай харьцуулахад илүү өндөр идэвхжүүлэлтийн энергийн нягтрал үүсдэг. Үүний зэрэгцээ механик ачааллын дор SMA нь хэврэг болдог. Тодорхой нөхцөлд циклийн ачаалал нь механик энергийг шингээж, ялгаруулж, эргэлт буцалтгүй гистеретик хэлбэрийн өөрчлөлтийг харуулдаг. Эдгээр өвөрмөц шинж чанарууд нь SMA-г мэдрэгч, чичиргээ намсгагч, ялангуяа хөдөлгүүрт тохиромжтой болгодог12. Үүнийг харгалзан SMA дээр суурилсан хөтчүүдийн талаар олон судалгаа хийгдсэн. SMA дээр суурилсан хөдөлгүүрүүд нь янз бүрийн хэрэглээнд зориулсан хөрвүүлэлт болон эргэлтийн хөдөлгөөнийг хангах зориулалттай гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй13,14,15. Зарим эргэлтэт хөдөлгүүрүүдийг боловсруулсан боловч судлаачид шугаман хөдөлгүүрт онцгой анхаарал хандуулдаг. Эдгээр шугаман хөдөлгүүрүүдийг гурван төрлийн хөдөлгүүрт хувааж болно: нэг хэмжээст, шилжилт болон дифференциал хөдөлгүүрүүд16. Эхэндээ эрлийз хөтчүүдийг SMA болон бусад уламжлалт хөтчүүдтэй хослуулан бүтээсэн. SMA дээр суурилсан эрлийз шугаман хөдөлгүүрийн нэг жишээ бол 100 Н орчим гаралтын хүч болон мэдэгдэхүйц шилжилтийг хангахын тулд тогтмол гүйдлийн мотортой SMA утсыг ашиглах явдал юм.
SMA дээр суурилсан хөтчүүдийн анхны хөгжүүлэлтийн нэг нь SMA зэрэгцээ хөтлөгч байв. Олон SMA утсыг ашиглан SMA дээр суурилсан зэрэгцээ хөтлөгч нь бүх SMA18 утсыг зэрэгцээ байрлуулснаар хөтчийн чадлын чадлыг нэмэгдүүлэх зорилготой юм. Хөтлөгчдийг зэрэгцээ холбох нь зөвхөн илүү их хүч шаарддаг төдийгүй нэг утасны гаралтын чадлыг хязгаарладаг. SMA дээр суурилсан хөтлөгчдийн бас нэг сул тал нь тэдний хүрч чадах хязгаарлагдмал хөдөлгөөн юм. Энэ асуудлыг шийдэхийн тулд шилжилтийг нэмэгдүүлэх, шугаман хөдөлгөөнд хүрэхийн тулд хазайсан уян хатан цацраг агуулсан SMA кабелийн цацрагийг бүтээсэн боловч илүү өндөр хүч үүсгэдэггүй19. Хэлбэрийн санах ойн хайлш дээр суурилсан роботуудад зориулсан зөөлөн деформацид ордог бүтэц, даавууг голчлон цохилтын олшруулалтад зориулж боловсруулсан20,21,22. Өндөр хурд шаардлагатай хэрэглээний хувьд микро насосоор ажилладаг хэрэглээнд зориулж нимгэн хальсан SMA ашиглан авсаархан хөтлөгчтэй насосуудыг мэдээлсэн23. Нимгэн хальсан SMA мембраны хөтчийн давтамж нь хөтчийн хурдыг хянах гол хүчин зүйл юм. Тиймээс SMA шугаман моторууд нь SMA пүрш эсвэл саваа мотороос илүү сайн динамик хариу үйлдэл үзүүлдэг. Зөөлөн робот техник болон атгах технологи нь SMA дээр суурилсан идэвхжүүлэгч ашигладаг өөр хоёр хэрэглээ юм. Жишээлбэл, 25 Н зайн хавчаарт ашигласан стандарт идэвхжүүлэгчийг орлуулахын тулд хэлбэр санах ойн хайлштай зэрэгцээ идэвхжүүлэгч 24-ийг боловсруулсан. Өөр нэг тохиолдолд SMA зөөлөн идэвхжүүлэгчийг 30 Н-ийн хамгийн их татах хүчийг бий болгох чадвартай суулгагдсан матрицтай утсан дээр үндэслэн үйлдвэрлэсэн. Механик шинж чанараасаа шалтгаалан SMA-г биологийн үзэгдлийг дуурайдаг идэвхжүүлэгч үйлдвэрлэхэд ашигладаг. Ийм хөгжүүлэлтийн нэг нь гал асаах синусоид хөдөлгөөнийг бий болгохын тулд SMA-тай шороон өт төст организмын биомиметик болох 12 эст робот юм26,27.
Өмнө дурдсанчлан, одоо байгаа SMA дээр суурилсан идэвхжүүлэгчээс авах боломжтой хамгийн их хүчний хязгаар байдаг. Энэ асуудлыг шийдвэрлэхийн тулд энэхүү судалгаагаар биомиметик хоёр модаль булчингийн бүтцийг танилцуулж байна. Хэлбэрийн санах ойн хайлшин утсаар удирддаг. Энэ нь хэд хэдэн хэлбэрийн санах ойн хайлшин утаснуудыг багтаасан ангиллын системийг өгдөг. Өнөөдрийг хүртэл ижил төстэй архитектуртай SMA дээр суурилсан идэвхжүүлэгчийн талаар уран зохиолд мэдээлээгүй байна. SMA дээр суурилсан энэхүү өвөрмөц, шинэлэг системийг хоёр модаль булчингийн тохируулгын үед SMA-ийн зан төлөвийг судлах зорилгоор боловсруулсан. Одоо байгаа SMA дээр суурилсан идэвхжүүлэгчтэй харьцуулахад энэхүү судалгааны зорилго нь бага эзэлхүүнтэй мэдэгдэхүйц өндөр хүч үүсгэх биомиметик дипвалератик идэвхжүүлэгчийг бий болгох явдал байв. HVAC барилгын автоматжуулалт болон хяналтын системд ашигладаг уламжлалт алхамт мотороор ажилладаг идэвхжүүлэгчтэй харьцуулахад санал болгож буй SMA дээр суурилсан хоёр модаль хөдөлгүүрийн загвар нь идэвхжүүлэгч механизмын жинг 67%-иар бууруулдаг. Дараахь хэсэгт "булчин" ба "хөтлөгч" гэсэн нэр томъёог хооронд нь сольж хэрэглэдэг. Энэхүү судалгаагаар ийм идэвхжүүлэгчийн олон физик симуляцийг судалдаг. Ийм системийн механик зан төлөвийг туршилтын болон аналитик аргаар судалсан. 7 В оролтын хүчдэл дээр хүч ба температурын тархалтыг цаашид судалсан. Үүний дараа гол параметрүүд ба гаралтын хүчний хоорондын хамаарлыг илүү сайн ойлгохын тулд параметрийн шинжилгээ хийсэн. Эцэст нь шаталсан хөдөлгүүрүүдийг төсөөлж, хиймэл хэрэглээнд зориулсан соронзон бус хөдөлгүүрүүдийн ирээдүйн боломжит чиглэл болгон шаталсан түвшний нөлөөллийг санал болгосон. Дээр дурдсан судалгааны үр дүнгээс харахад нэг үе шаттай архитектурыг ашиглах нь мэдээлэгдсэн SMA дээр суурилсан хөдөлгүүрүүдээс дор хаяж 4-5 дахин их хүч үүсгэдэг. Үүнээс гадна, олон түвшний олон түвшний хөтөчөөр үүсгэгдсэн ижил хөдөлгөгч хүч нь уламжлалт SMA дээр суурилсан хөтөчүүдээс арав дахин их болохыг харуулсан. Дараа нь судалгаагаар янз бүрийн загвар болон оролтын хувьсагчдын хоорондох мэдрэмжийн шинжилгээг ашиглан гол параметрүүдийг мэдээлдэг. SMA утасны анхны урт (\(l_0\)), тээглүүрийн өнцөг (\(\alpha\)) болон тусдаа хэлхээ тус бүрийн дан хэлхээний тоо (n) нь хөдөлгөгч хүчний бат бэхийн хэмжээнд хүчтэй сөрөг нөлөө үзүүлдэг бол оролтын хүчдэл (энерги) нь эерэг хамааралтай болох нь тогтоогджээ.
SMA утас нь никель-титан (Ni-Ti) хайлшийн бүлд ажиглагддаг хэлбэрийн санах ойн эффект (SME)-ийг харуулдаг. Ерөнхийдөө SMA нь температураас хамааралтай хоёр үе шатыг харуулдаг: бага температурын үе шат ба өндөр температурын үе шат. Хоёр үе шат хоёулаа өөр өөр талст бүтэцтэй тул өвөрмөц шинж чанартай байдаг. Хувиргалтын температураас дээш орших аустенит үе шатанд (өндөр температурын үе шат) материал нь өндөр бат бэх чанарыг харуулдаг бөгөөд ачааллын дор муу деформацид ордог. Хайлш нь зэвэрдэггүй ган шиг ажилладаг тул өндөр даралтыг тэсвэрлэх чадвартай. Ni-Ti хайлшийн энэ шинж чанарыг ашиглан SMA утсыг хөдөлгүүр үүсгэхийн тулд налуу хэлбэртэй болгодог. Төрөл бүрийн параметрүүд болон янз бүрийн геометрийн нөлөөн дор SMA-ийн дулааны зан үйлийн үндсэн механикийг ойлгохын тулд зохих аналитик загваруудыг боловсруулсан. Туршилтын болон аналитик үр дүнгийн хооронд сайн тохиролцоонд хүрсэн.
Зураг 9a-д үзүүлсэн загвар дээр SMA дээр суурилсан хоёр талт хөтлөгчийн гүйцэтгэлийг үнэлэх туршилтын судалгааг хийсэн. Эдгээр шинж чанаруудын хоёрыг нь, хөтлөгчийн үүсгэсэн хүч (булчингийн хүч) болон SMA утасны температур (SMA температур)-ыг туршилтаар хэмжсэн. Хөтлөгчийн утасны бүх уртын дагуу хүчдэлийн зөрүү нэмэгдэхийн хэрээр утасны температур Жоул халаалтын нөлөөгөөр нэмэгддэг. Оролтын хүчдэлийг хоёр 10 секундын циклээр (Зураг 2a, b-д улаан цэгээр харуулсан) хэрэглэж, цикл бүрийн хооронд 15 секундын хөргөлтийн хугацаатай байв. Блоклох хүчийг пьезоэлектрик омог хэмжигч ашиглан хэмжиж, SMA утасны температурын тархалтыг шинжлэх ухааны зэрэглэлийн өндөр нарийвчлалтай LWIR камер ашиглан бодит цаг хугацаанд хянасан (Хүснэгт 2-т ашигласан тоног төхөөрөмжийн шинж чанарыг үзнэ үү). Өндөр хүчдэлийн фазын үед утасны температур монотон байдлаар нэмэгддэг боловч гүйдэл урсахгүй үед утасны температур буурсаар байгааг харуулж байна. Одоогийн туршилтын тохиргоонд SMA утасны температур хөргөлтийн үе шатанд буурсан боловч орчны температураас дээгүүр хэвээр байв. Зураг 2e дээр LWIR камераас авсан SMA утсан дээрх температурын агшин зургийг харуулав. Нөгөөтэйгүүр, зураг 2a дээр хөтчийн системээс үүссэн хаах хүчийг харуулав. Булчингийн хүч пүршний сэргээх хүчнээс давсан үед Зураг 9a-д үзүүлсэн шиг хөдлөх гар хөдөлж эхэлнэ. Ажиллаж эхэлмэгц хөдлөх гар мэдрэгчтэй холбогдож, зураг 2c, d-д үзүүлсэн шиг биеийн хүчийг үүсгэдэг. Хамгийн их температур нь \(84\,^{\circ}\hbox {C}\-тэй ойрхон байх үед ажиглагдсан хамгийн их хүч нь 105 Н байна.
Графикт SMA утасны температур болон SMA дээр суурилсан хоёр модаль хөдөлгүүрийн хоёр мөчлөгийн үед үүсгэсэн хүчний туршилтын үр дүнг харуулав. Оролтын хүчдэлийг хоёр 10 секундын мөчлөгт (улаан цэгээр харуулсан) хэрэглэж, мөчлөг бүрийн хооронд 15 секундын хөргөлтийн хугацаатай. Туршилтад ашигласан SMA утас нь Dynalloy, Inc.-ийн 0.51 мм диаметртэй Flexinol утас байв. (a) Графикт хоёр мөчлөгийн турш олж авсан туршилтын хүчийг харуулав, (c, d) PACEline CFT/5kN пьезоэлектрик хүчний хувиргагч дээрх хөдөлгөөнт гарны идэвхжүүлэгчдийн үйлчлэлийн хоёр бие даасан жишээг харуулав, (b) графикт хоёр мөчлөгийн хугацаанд SMA утасны бүхэл бүтэн хамгийн их температурыг харуулав, (e) FLIR ResearchIR програм хангамжийн LWIR камер ашиглан SMA утсаас авсан температурын агшин зургийг харуулав. Туршилтад харгалзан үзсэн геометрийн параметрүүдийг Хүснэгт 1-д үзүүлэв.
Математик загварын симуляцийн үр дүн болон туршилтын үр дүнг Зураг 5-д үзүүлсэн шиг 7В оролтын хүчдэлийн нөхцөлд харьцуулсан болно. Параметрийн шинжилгээний үр дүнгийн дагуу болон SMA утсыг хэт халаахаас зайлсхийхийн тулд хөдөлгүүрт 11.2 Вт хүчийг өгсөн. Оролтын хүчдэл болгон 7В-ийг хангахын тулд програмчлагдах боломжтой тогтмол гүйдлийн тэжээлийн хангамжийг ашигласан бөгөөд утсан дээр 1.6А гүйдлийг хэмжсэн. Хөтлөгчөөс үүссэн хүч болон SDR-ийн температур гүйдэл өгөхөд нэмэгддэг. 7В оролтын хүчдэлтэй үед эхний мөчлөгийн симуляцийн үр дүн болон туршилтын үр дүнгээс олж авсан хамгийн их гаралтын хүч нь тус тус 78 Н ба 96 Н байна. Хоёр дахь мөчлөгт симуляци болон туршилтын үр дүнгийн хамгийн их гаралтын хүч нь тус тус 150 Н ба 105 Н байв. Хаалттай хүчний хэмжилт болон туршилтын өгөгдлийн хоорондох зөрүү нь хаалттай хүчний хэмжилтийг хэмжихэд ашигласан аргатай холбоотой байж болох юм. Зурагт үзүүлсэн туршилтын үр дүнгүүд. 5a нь түгжих хүчний хэмжилттэй тохирч байгаа бөгөөд үүнийг эргээд хөтлөгч гол нь PACEline CFT/5kN пьезоэлектрик хүчний хувиргагчтай холбогдох үед хэмжсэн бөгөөд энэ нь Зураг 2s-т үзүүлсэн шиг юм. Тиймээс хөтлөгч гол нь хөргөлтийн бүсийн эхэнд хүчний мэдрэгчтэй холбоогүй үед Зураг 2d-д үзүүлсэн шиг хүч шууд тэг болно. Үүнээс гадна, дараагийн мөчлөгт хүч үүсэхэд нөлөөлдөг бусад параметрүүд нь хөргөлтийн хугацаа болон өмнөх мөчлөгийн конвектив дулаан дамжуулалтын коэффициентийн утга юм. Зураг 2b-ээс харахад 15 секундын хөргөлтийн хугацааны дараа SMA утас нь өрөөний температурт хүрээгүй тул эхний мөчлөгтэй (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)) харьцуулахад хоёр дахь хөтлөлтийн мөчлөгт анхны температур өндөр (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) байсан. Тиймээс эхний мөчлөгтэй харьцуулахад хоёр дахь халаалтын мөчлөгийн үед SMA утасны температур нь анхны аустенитын температурт (\(A_s\)) эрт хүрч, шилжилтийн үед удаан хадгалагддаг бөгөөд энэ нь стресс болон хүч үүсгэдэг. Нөгөөтэйгүүр, туршилт болон симуляциас олж авсан халаалт болон хөргөлтийн мөчлөгийн температурын тархалт нь термографийн шинжилгээний жишээнүүдтэй өндөр чанарын ижил төстэй байдаг. Туршилт болон симуляциас авсан SMA утасны дулааны өгөгдлийн харьцуулсан шинжилгээ нь халаалт болон хөргөлтийн мөчлөгийн үед тогтвортой бөгөөд туршилтын өгөгдлийн хүлээн зөвшөөрөгдөх хүлцэл дотор байгааг харуулсан. Эхний мөчлөгийн симуляци болон туршилтын үр дүнгээс олж авсан SMA утасны хамгийн их температур нь тус тус \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) ба \(75\,^{\circ }\hbox {C }\) бөгөөд хоёр дахь мөчлөгт SMA утасны хамгийн их температур нь \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) ба \(83\,^{\circ }\hbox {C}\) байна. Үндсэндээ боловсруулсан загвар нь хэлбэрийн санах ойн эффектийн нөлөөг баталж байна. Энэхүү тоймд ядрал болон хэт халалтын үүргийг авч үзээгүй болно. Ирээдүйд загварыг SMA утасны стрессийн түүхийг багтаасан байдлаар сайжруулж, инженерийн хэрэглээнд илүү тохиромжтой болгоно. Simulink блокоос авсан хөтчийн гаралтын хүч болон SMA температурын графикууд нь 7 В оролтын хүчдэлийн импульсийн нөхцөлд туршилтын өгөгдлийн зөвшөөрөгдөх хүлцлийн хүрээнд байна. Энэ нь боловсруулсан математик загварын зөв, найдвартай байдлыг баталж байна.
Математикийн загварыг MathWorks Simulink R2020b орчинд Арга зүй хэсэгт тайлбарласан үндсэн тэгшитгэлүүдийг ашиглан боловсруулсан. Зураг 3b дээр Simulink математикийн загварын блок диаграммыг харуулав. Зураг 2a, b-д үзүүлсэн шиг загварыг 7V оролтын хүчдэлийн импульсийн хувьд симуляци хийсэн. Симуляцид ашигласан параметрүүдийн утгыг Хүснэгт 1-д жагсаав. Түр зуурын процессын симуляцийн үр дүнг Зураг 1 ба 1-д үзүүлэв. Зураг 3a ба 4-т үзүүлэв. Зураг 4a, b-д SMA утсан дахь өдөөгдсөн хүчдэл ба цаг хугацааны функц болох идэвхжүүлэгчийн үүсгэсэн хүчийг харуулав. Урвуу хувиргалтын (халаалтын) үед SMA утасны температур, \(T < A_s^{\prime}\) (стрессээр өөрчлөгдсөн аустенит фазын эхлэх температур), мартенситын эзлэхүүний фракцын өөрчлөлтийн хурд (\(\dot{\xi }\)) тэг байх үед. Урвуу хувиргалтын (халаалтын) үед SMA утасны температур, \(T < A_s^{\prime}\) (стрессээр өөрчлөгдсөн аустенит фазын эхлэх температур), мартенситын эзлэхүүний фракцын өөрчлөлтийн хурд (\(\dot{\ xi }\)) тэг байх үед. Во время обратного превращения (нагрева), когда температурын проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость равган изменения объемной доли буд мартенсита (\(\dot{\)но. Урвуу хувиргалтын (халаалтын) үед, SMA утасны температур болох \(T < A_s^{\prime}\) (стрессээр өөрчлөгдсөн аустенитийн эхлэх температур) үед мартенситын эзлэхүүний фракцын өөрчлөлтийн хурд (\(\dot{\ xi }\)) тэг болно.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（)\\\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 аустенитной фазы с поправкой напряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi буд }\)). SMA утасны температурт урвуу хувиргалт (халаалт) хийх үед (аустенит фазын цөмжилтийн температур, стрессийг харгалзан засварласан) мартенситын эзлэхүүний фракцын өөрчлөлтийн хурд (\( \dot{\ xi }\)) тэгтэй тэнцүү байна.Тиймээс стрессийн өөрчлөлтийн хурд (\(\dot{\sigma}\)) нь зөвхөн (1) тэгшитгэлийг ашиглан деформацийн хурд (\(\dot{\epsilon}\)) болон температурын градиент (\(\dot{T} \))-аас хамаарна. Гэсэн хэдий ч SMA утас температур нэмэгдэж, (\(A_s^{\prime}\))-тэй огтлолцох үед аустенит фаз үүсч эхэлдэг бөгөөд (\(\dot{\xi}\))-ийг (3) тэгшитгэлийн өгөгдсөн утга болгон авна. Тиймээс хүчдэлийн өөрчлөлтийн хурд (\(\dot{\sigma}\)) нь (1) томъёонд өгөгдсөнтэй тэнцүү байхаар хамтран хянагддаг. Энэ нь Зураг 4a, b-д үзүүлсэнчлэн халаалтын мөчлөгийн үед цаг хугацааны хувьд өөрчлөгдөж буй стресс ба хүчний зураглалд ажиглагдсан градиентийн өөрчлөлтийг тайлбарлаж байна.
(a) SMA дээр суурилсан хоёр талт идэвхжүүлэгчийн температурын тархалт болон стрессээс үүдэлтэй уулзварын температурыг харуулсан симуляцийн үр дүн. Утасны температур халаалтын үе шатанд аустенит шилжилтийн температурыг давах үед өөрчлөгдсөн аустенит шилжилтийн температур нэмэгдэж эхэлдэг бөгөөд үүнтэй адил утсан савааны температур хөргөлтийн үе шатанд мартенсит шилжилтийн температурыг давах үед мартенсит шилжилтийн температур буурдаг. Ажиллуулах үйл явцын аналитик загварчлалын SMA. (Simulink загварын дэд систем бүрийн дэлгэрэнгүй мэдээллийг нэмэлт файлын хавсралтын хэсгээс үзнэ үү.)
7V оролтын хүчдэлийн хоёр циклийн хувьд (10 секундын халаалтын цикл ба 15 секундын хөргөлтийн цикл) өөр өөр параметрийн тархалтын шинжилгээний үр дүнг харуулав. (ac) ба (e) нь цаг хугацааны тархалтыг дүрсэлсэн бол (d) ба (f) нь температурын тархалтыг харуулав. Харгалзах оролтын нөхцлийн хувьд ажиглагдсан хамгийн их стресс нь 106 МПа (345 МПа-аас бага, утасны урсацын бат бэх), хүч нь 150 Н, хамгийн их шилжилт нь 270 мкм, хамгийн бага мартенситын эзлэхүүний фракц нь 0.91 байна. Нөгөөтэйгүүр, стрессийн өөрчлөлт ба мартенситын эзлэхүүний фракцийн температурын өөрчлөлт нь гистерезисийн шинж чанартай төстэй юм.
Үүнтэй ижил тайлбар нь аустенит фазаас мартенсит фаз руу шууд хувиргалт (хөргөлт)-д хамаарах бөгөөд SMA утасны температур (T) болон стрессээр өөрчлөгдсөн мартенсит фазын (\(M_f^{\prime}\ )) төгсгөлийн температур нь маш сайн байна. Зураг 4d,f дээр SMA утсан дахь өдөөгдсөн стресс (\(\sigma\)) болон мартенситын эзлэхүүний фракцын (\(\xi\)) өөрчлөлтийг хоёр жолоодлогын мөчлөгийн хувьд SMA утасны (T) температурын өөрчлөлтийн функц болгон харуулав. Зураг 3a дээр оролтын хүчдэлийн импульсээс хамааран SMA утасны температурын өөрчлөлтийг цаг хугацаа өнгөрөх тусам харуулав. Зурагаас харахад тэг хүчдэл дээр дулааны эх үүсвэрийг хангаж, дараа нь конвектив хөргөлт хийснээр утасны температур үргэлжлэн нэмэгдсээр байна. Халаалтын үед SMA утасны температур (T) нь стрессээр засварлагдсан аустенитын цөмжилтийн температурыг (\(A_s^{\prime}\)) давах үед мартенситийг аустенит фаз руу дахин хувиргах үйл явц эхэлдэг. Энэ үе шатанд SMA утас шахагдаж, хөдөлгөгч хүч үүсдэг. Мөн хөргөлтийн үед SMA утасны температур (T) нь стрессээр өөрчлөгдсөн мартенситын фазын (\(M_s^{\prime}\)) цөмжилтийн температурыг давах үед аустенит фазаас мартенсит фаз руу эерэг шилжилт явагддаг. Хөтлөх хүч буурдаг.
SMA дээр суурилсан хоёр модаль хөтлөлтийн гол чанарын талыг симуляцийн үр дүнгээс авч болно. Хүчдэлийн импульсийн оролтын тохиолдолд SMA утасны температур нь Жоулын халаалтын нөлөөгөөр нэмэгддэг. Материал нь анх бүрэн мартенсит фазад байдаг тул мартенситын эзлэхүүний фракцын (\(\xi\)) анхны утга нь 1 гэж тохируулагдсан. Утас халсаар байх тусам SMA утасны температур нь стрессээр засагдсан аустенитийн цөмжилтийн температураас давж, улмаар мартенситын эзлэхүүний фракц буурдаг бөгөөд үүнийг Зураг 4c-д үзүүлэв. Үүнээс гадна, Зураг 4e-д хөдөлгүүрийн цохилтын цаг хугацааны тархалтыг, Зураг 5-д хөдөлгөгч хүчийг цаг хугацааны функц болгон харуулав. Холбогдох тэгшитгэлийн системд температур, мартенситын эзлэхүүний фракц, утсан дээр үүссэн стресс, SMA утасны агшилт болон хөдөлгүүрийн үүсгэсэн хүч орно. Зурагт үзүүлсэн шиг. 4d,f, температураас хамааралтай хүчдэлийн хэлбэлзэл ба мартенситын эзлэхүүний фракцийн температураас хамааралтай хэлбэлзэл нь 7 В-д симуляцилагдсан тохиолдолд SMA-ийн гистерезис шинж чанартай тохирч байна.
Жолоодлогын параметрүүдийн харьцуулалтыг туршилт болон аналитик тооцооллоор олж авсан. Утаснуудыг 10 секундын турш 7 В импульсийн оролтын хүчдэлд оруулж, дараа нь хоёр циклийн турш 15 секундын турш (хөргөлтийн үе шат) хөргөсөн. Үений өнцгийг \(40^{\circ}\) болгож, нэг зүүний хөл тус бүрийн SMA утасны анхны уртыг 83 мм болгож тохируулсан. (a) Ачааллын үүрээр хөдөлгөгч хүчийг хэмжих (b) Дулааны хэт улаан туяаны камераар утасны температурыг хянах.
Хөтлөгчийн үүсгэсэн хүчинд физик параметрүүдийн нөлөөллийг ойлгохын тулд математик загварын сонгосон физик параметрүүдэд мэдрэг чанарын шинжилгээг хийж, параметрүүдийг нөлөөллийн дагуу эрэмбэлсэн. Нэгдүгээрт, загварын параметрүүдийн түүвэрлэлтийг жигд тархалтыг дагасан туршилтын дизайны зарчмуудыг ашиглан хийсэн (Мэдрэмжийн шинжилгээний нэмэлт хэсгийг үзнэ үү). Энэ тохиолдолд загварын параметрүүдэд оролтын хүчдэл (\(V_{in}\)), анхны SMA утасны урт (\(l_0\)), гурвалжны өнцөг (\(\alpha\)), хазайлтын пүршний тогтмол (\(K_x\)), конвектив дулаан дамжуулах коэффициент (\(h_T\)) болон нэгмодаль салааны тоо (n) орно. Дараагийн алхамд булчингийн хүч чадлын оргил үеийг судалгааны дизайны шаардлага болгон сонгож, хувьсагчдын багц бүрийн бат бэхэд үзүүлэх параметрийн нөлөөллийг олж авсан. Мэдрэмжийн шинжилгээний хар салхины графикийг Зураг 6a-д үзүүлсэн шиг параметр бүрийн корреляцийн коэффициентуудаас гаргаж авсан.
(a) Загварын параметрүүдийн корреляцийн коэффициентийн утга болон дээрх загварын параметрүүдийн 2500 өвөрмөц бүлгийн хамгийн их гаралтын хүчинд үзүүлэх нөлөөллийг торнадогийн графикт харуулав. График нь хэд хэдэн үзүүлэлтийн зэрэглэлийн корреляцийг харуулж байна. \(V_{in}\) нь эерэг корреляцитай цорын ганц параметр бөгөөд \(l_0\) нь хамгийн өндөр сөрөг корреляцитай параметр болох нь тодорхой байна. Төрөл бүрийн хослол дахь янз бүрийн параметрүүдийн оргил булчингийн хүч чадалд үзүүлэх нөлөөллийг (b, c)-д үзүүлэв. \(K_x\) нь 400-800 Н/м, n нь 4-24 хооронд хэлбэлздэг. Хүчдэл (\(V_{in}\) нь 4В-оос 10В болж, утасны урт (\(l_{0} \)) нь 40-өөс 100 мм болж, сүүлний өнцөг (\ (\alpha \)) нь \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\) хооронд хэлбэлзсэн.
Зураг 6a дээр оргил хөдөлгүүрийн хүчний дизайны шаардлага бүхий параметр бүрийн янз бүрийн корреляцийн коэффициентүүдийн торнадогийн графикийг харуулав. Зураг 6a-аас харахад хүчдэлийн параметр (\(V_{in}\)) нь хамгийн их гаралтын хүчтэй шууд хамааралтай бөгөөд конвектив дулаан дамжуулах коэффициент (\(h_T\)), дөлний өнцөг (\(\alpha\)), шилжилтийн пүршний тогтмол (\(K_x\)) нь гаралтын хүч болон SMA утасны анхны урт (\(l_0\))-тай сөрөг хамааралтай бөгөөд нэгмодаль салаалалтын тоо (n) нь хүчтэй урвуу хамаарлыг харуулж байна. Шууд хамаарлын хувьд хүчдэлийн корреляцийн коэффициент (\(V_ {in}\))-ийн өндөр утгатай тохиолдолд энэ параметр нь чадлын гаралтад хамгийн их нөлөө үзүүлдэг болохыг харуулж байна. Өөр нэг ижил төстэй шинжилгээ нь Зураг 6b, c-д үзүүлсэн шиг хоёр тооцооллын орон зайн өөр өөр хослол дахь өөр өөр параметрүүдийн нөлөөллийг үнэлэх замаар оргил хүчийг хэмждэг. \(V_{in}\) болон \(l_0\), \(\alpha\) болон \(l_0\) нь ижил төстэй хэв маягтай бөгөөд графикаас харахад \(V_{in}\) болон \(\alpha\) болон \(\alpha\) нь ижил төстэй хэв маягтай байна. \(l_0\)-ийн бага утга нь оргил хүчний өндөр түвшинд хүргэдэг. Бусад хоёр график нь Зураг 6a-тай нийцэж байгаа бөгөөд n болон \(K_x\) нь сөрөг хамааралтай, \(V_{in}\) нь эерэг хамааралтай байна. Энэхүү шинжилгээ нь хөтчийн системийн гаралтын хүч, цохилт болон үр ашгийг шаардлага болон хэрэглээнд тохируулан өөрчлөх нөлөөллийн параметрүүдийг тодорхойлж, тохируулахад тусалдаг.
Одоогийн судалгааны ажил нь N түвшинтэй шаталсан хөтчүүдийг танилцуулж, судалж байна. Зураг 7a-д үзүүлсэн шиг хоёр түвшний шатлалд эхний түвшний хөдөлгүүрийн SMA утас бүрийн оронд хоёр модаль зохицуулалтыг хийдэг бөгөөд энэ нь зураг 9e-д үзүүлсэн шиг юм. Зураг 7c-д SMA утсыг зөвхөн уртааш чиглэлд хөдөлдөг хөдлөх гар (туслах гар)-аар хэрхэн ороож байгааг харуулав. Гэсэн хэдий ч анхдагч хөдлөх гар нь 1-р шатны олон үе шаттай хөдөлгүүрийн хөдлөх гартай адил байдлаар хөдөлсөөр байна. Ерөнхийдөө N үе шаттай хөтчийг \(N-1\) үе шаттай SMA утсыг эхний үе шаттай хөтчөөр сольж үүсгэдэг. Үүний үр дүнд утсыг өөрөө барьж буй салбараас бусад салаа бүр эхний үе шаттай хөтчийг дуурайдаг. Ийм байдлаар анхдагч хөтчүүдийн хүчнээс хэд дахин их хүч үүсгэдэг үүрлэсэн бүтцийг бий болгож болно. Энэхүү судалгаанд түвшин бүрийн хувьд Зураг 7d-д хүснэгт хэлбэрээр үзүүлсэнчлэн нийт 1 м үр дүнтэй SMA утасны уртыг харгалзан үзсэн. Нэгдмэл загвар бүрийн утас бүрээр дамжин өнгөрөх гүйдэл болон SMA утасны сегмент бүрт үүссэн урьдчилсан хүчдэл ба хүчдэл нь түвшин бүрт ижил байна. Бидний аналитик загварын дагуу гаралтын хүч нь түвшинтэй эерэг хамааралтай бол шилжилт нь сөрөг хамааралтай байна. Үүний зэрэгцээ шилжилт болон булчингийн хүчний хооронд харилцан буулт хийгдсэн. Зураг 7b-д үзүүлсэнчлэн хамгийн их хүчийг хамгийн олон давхаргад гаргаж байхад хамгийн их шилжилтийг хамгийн доод давхаргад ажигласан. Шатлалын түвшинг \(N=5\) гэж тохируулсан үед 2 ажиглагдсан \(\upmu\)m цохилтоор 2.58 кН булчингийн хүчний оргил үе олдсон. Нөгөөтэйгүүр, эхний шатны хөтөч нь 277 \(\upmu\)m цохилтоор 150 Н хүч үүсгэдэг. Олон түвшний идэвхжүүлэгч нь бодит биологийн булчинг дуурайж чаддаг бол хэлбэр санах ойн хайлш дээр суурилсан хиймэл булчингууд нь илүү нарийвчлалтай, нарийн хөдөлгөөнөөр мэдэгдэхүйц өндөр хүчийг бий болгож чаддаг. Энэхүү жижигрүүлсэн дизайны хязгаарлалт нь шатлал нэмэгдэхийн хэрээр хөдөлгөөн эрс багасч, хөтчийн үйлдвэрлэлийн процессын нарийн төвөгтэй байдал нэмэгддэгт оршино.
(a) Хоёр үе шаттай (\(N=2\)) давхаргат хэлбэртэй санах ойтой хайлшин шугаман хөдөлгүүрийн системийг хоёр горимт тохиргоонд харуулав. Санал болгож буй загварыг эхний үе шаттай давхаргат хөдөлгүүрийн SMA утсыг өөр нэг үе шаттай давхаргат хөдөлгүүрээр солих замаар хэрэгжүүлдэг. (c) Хоёр дахь үе шаттай олон давхаргат хөдөлгүүрийн гажигтай тохиргоо. (b) Түвшний тооноос хамааран хүч ба шилжилтийн тархалтыг тайлбарласан болно. Хөдөлгүүрийн оргил хүч нь график дээрх масштабын түвшинтэй эерэг хамааралтай бол цохилт нь масштабын түвшинтэй сөрөг хамааралтай болохыг тогтоосон. Утас бүрийн гүйдэл ба урьдчилсан хүчдэл бүх түвшинд тогтмол хэвээр байна. (d) Хүснэгтэд түвшин бүрийн цоргоны тоо болон SMA утас (шилэн утас)-ны уртыг харуулав. Утасны шинж чанарыг 1-р индексээр, хоёрдогч салааны тоог (анхдагч хөлтэй холбогдсон нэг) дэд индекс дэх хамгийн том тоогоор илэрхийлнэ. Жишээлбэл, 5-р түвшинд, \(n_1\) нь хоёр талт бүтэц бүрт байгаа SMA утаснуудын тоог, \(n_5\) нь туслах хөлний тоог (гол хөлтэй холбогдсон нэг) хэлнэ.
Фазын шилжилттэй холбоотой талст бүтцийн макроскопийн өөрчлөлтүүдтэй холбоотой термомеханик шинж чанараас хамаардаг хэлбэрийн санах ойтой SMA-ийн зан төлөвийг загварчлахын тулд олон судлаачид янз бүрийн аргыг санал болгосон. Бүрэлдэхүүн аргуудын томъёолол нь угаасаа нарийн төвөгтэй байдаг. Хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг феноменологийн загварыг Танака28 санал болгосон бөгөөд инженерийн хэрэглээнд өргөн хэрэглэгддэг. Танака [28]-ийн санал болгосон феноменологийн загвар нь мартенситын эзлэхүүний фракц нь температур ба стрессийн экспоненциал функц гэж үздэг. Хожим нь Лян, Рожерс29, Бринсон30 нар фазын шилжилтийн динамикийг хүчдэл ба температурын косинусын функц гэж үзсэн загварыг санал болгосон бөгөөд загварт бага зэрэг өөрчлөлт оруулсан. Беккер, Бринсон нар дурын ачааллын нөхцөлд болон хэсэгчилсэн шилжилтийн үед SMA материалын зан төлөвийг загварчлахын тулд фазын диаграмм дээр суурилсан кинетик загварыг санал болгосон. Банержи32 нь Элахиниа, Ахмадиан33 нарын боловсруулсан нэг эрх чөлөөний зэрэгтэй манипуляторыг дуурайлган Беккер, Бринсон31 фазын диаграмм динамик аргыг ашигладаг. Фазын диаграмм дээр суурилсан кинетик аргууд нь температуртай холбоотой хүчдэлийн монотон бус өөрчлөлтийг харгалзан үздэг бөгөөд инженерийн хэрэглээнд хэрэгжүүлэхэд хэцүү байдаг. Элахиниа, Ахмадиан нар одоо байгаа феноменологийн загваруудын эдгээр дутагдлуудад анхаарлаа хандуулж, аливаа нарийн төвөгтэй ачааллын нөхцөлд хэлбэрийн санах ойн зан төлөвийг шинжлэх, тодорхойлох өргөтгөсөн феноменологийн загварыг санал болгож байна.
SMA утасны бүтцийн загвар нь SMA утасны стресс (\(sigma\)), деформаци (\(epsilon\)), температур (T) болон мартенситын эзлэхүүний фракц (\(xi\))-ийг өгдөг. Феноменологийн бүтцийн загварыг анх Танака28 санал болгож, дараа нь Лян29 болон Бринсон30 нар баталсан. Тэгшитгэлийн уламжлал нь дараах хэлбэртэй байна:
энд E нь фазаас хамааралтай SMA Янгийн модуль бөгөөд Янгийн модулийг илэрхийлсэн \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) болон \(E_A\) ба \(E_M\) нь тус тус аустенит ба мартенсит фазууд бөгөөд дулааны тэлэлтийн коэффициентийг \(\theta_T\) гэж илэрхийлнэ. Фазын шилжилтийн хувь нэмрийн коэффициент нь \(\Omega = -E \epsilon_L\) бөгөөд \(\epsilon_L\) нь SMA утсан дахь хамгийн их сэргээгдэх хэв гажилт юм.
Фазын динамикийн тэгшитгэл нь Танака28-ын санал болгосон экспоненциал функцийн оронд Лян29-ын боловсруулсан, дараа нь Бринсон30-ын баталсан косинусын функцтэй давхцаж байна. Фазын шилжилтийн загвар нь Элахиниа, Ахмадиан34-ын санал болгосон загварын өргөтгөл бөгөөд Лян29, Бринсон30-ын өгөгдсөн фазын шилжилтийн нөхцөлд үндэслэн өөрчлөгдсөн юм. Энэхүү фазын шилжилтийн загварт ашигласан нөхцөлүүд нь нарийн төвөгтэй термомеханик ачааллын дор хүчинтэй байна. Цаг хугацааны мөч бүрт үндсэн тэгшитгэлийг загварчлахдаа мартенситын эзлэхүүний фракцийн утгыг тооцоолно.
Халаалтын нөхцөлд мартенситийг аустенит болгон хувиргах замаар илэрхийлсэн удирдлагын ретрансформацийн тэгшитгэл нь дараах байдалтай байна.
энд \(\xi\) нь мартенситын эзлэхүүний фракц, \(\xi _M\) нь халаахаас өмнө гаргаж авсан мартенситын эзлэхүүний фракц, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) ба \(C_A\) нь муруйн ойролцооллын параметрүүд, T нь SMA утасны температур, \(A_s\) ба \(A_f\) нь тус тус аустенит фазын эхлэл ба төгсгөл, температур.
Хөргөлтийн нөхцөлд аустенитийг мартенсит болгон фазын хувиргалтаар илэрхийлсэн шууд хувиргалтын хяналтын тэгшитгэл нь дараах байдалтай байна.
энд \(xi_A\) нь хөргөхөөс өмнө гаргаж авсан мартенситын эзлэхүүний фракц, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) ба \ (C_M \) нь муруйн тохируулгын параметрүүд, T нь SMA утасны температур, \(M_s\) ба \(M_f\) нь тус тус анхны ба эцсийн мартенситын температурууд юм.
(3) ба (4) тэгшитгэлүүдийг ялгасны дараа урвуу ба шууд хувиргалтын тэгшитгэлүүдийг дараах хэлбэртэй хялбарчилна.
Урагш болон ухрах хувиргалтын үед \(\eta _{\sigma}\) болон \(\eta _{T}\) нь өөр өөр утга авдаг. \(\eta _{\sigma}\) болон \(\eta _{T}\)-тай холбоотой үндсэн тэгшитгэлүүдийг гаргаж авч, нэмэлт хэсэгт дэлгэрэнгүй авч үзсэн.
SMA утасны температурыг нэмэгдүүлэхэд шаардагдах дулааны энерги нь Жоулын халаалтын эффектээс үүсдэг. SMA утсаар шингээгдсэн эсвэл ялгардаг дулааны энергийг хувиргалтын далд дулаанаар илэрхийлдэг. SMA утсан дахь дулааны алдагдал нь албадан конвекцоос үүдэлтэй бөгөөд цацрагийн үл тоомсорлох нөлөөг харгалзан дулааны энергийн балансын тэгшитгэл дараах байдалтай байна.
Энд \(m_{wire}\) нь SMA утасны нийт масс, \(c_{p}\) нь SMA-ийн хувийн дулаан багтаамж, \(V_{in}\) нь утсанд хэрэглэсэн хүчдэл, \(R_{ohm} \ ) – фазаас хамааралтай эсэргүүцэл SMA, дараах байдлаар тодорхойлогдоно: \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) энд \(r_M\) ба \(r_A\) нь мартенсит ба аустенит дахь SMA фазын эсэргүүцэл, \(A_{c}\) нь SMA утасны гадаргуугийн талбай, \(\Delta H\) нь хэлбэрийн санах ойн хайлш юм. Утасны шилжилтийн далд дулаан болох T ба \(T_{\infty}\) нь тус тус SMA утасны болон орчны температур юм.
Хэлбэр санах ойн хайлшин утсыг ажиллуулахад утас шахагдаж, хоёр талт дизайны салбар бүрт шилэн хүч гэж нэрлэгддэг хүч үүсгэдэг. SMA утасны хэлхээ тус бүрийн шилэн хүчнүүд нь Зураг 9e-д үзүүлсэн шиг ажиллах булчингийн хүчийг үүсгэдэг. Хазайлтын пүрш байгаа тул N-р олон давхаргат хөдөлгүүрийн нийт булчингийн хүч нь:
(7) тэгшитгэлд \(N = 1\)-г орлуулбал эхний шатны хоёр талт хөтчийн загварын булчингийн хүчийг дараах байдлаар олж авч болно.
энд n нь нэгмодаль хөлний тоо, \(F_m\) нь хөтлөгчөөс үүссэн булчингийн хүч, \(F_f\) нь SMA утсан дахь шилэн кабелийн бат бэх, \(K_x\) нь хэвийсэн хөшүүн байдал. пүрш, \(\альфа\) нь гурвалжны өнцөг, \(x_0\) нь SMA кабелийг урьдчилан татсан байрлалд барих хэвийсэн пүршний анхны шилжилт, \(\Дельта x\) нь хөдөлгүүрийн хөдөлгөөн юм.
N-р шатны SMA утсан дээрх хүчдэл (\(\sigma\)) болон омог (\(\epsilon\))-аас хамааран хөтчийн нийт шилжилт буюу хөдөлгөөн (\(\Delta x\)) нь хөтчийг дараах байдлаар тохируулна (гаралтын нэмэлт хэсгийг үзнэ үү):
Кинематик тэгшитгэлүүд нь хөтчийн деформаци (\(\epsilon\)) ба шилжилт эсвэл шилжилт (\(\Delta x\)) хоорондын хамаарлыг өгдөг. Нэг унимодаль салбар дахь ямар ч t үед анхны Arb утасны урт (\(l_0\)) ба утасны урт (l)-ийн функц болох Arb утасны деформаци нь дараах байдалтай байна:
энд \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\)-г \(\Delta\)ABB '-д косинусын томъёог хэрэглэснээр олж авна. Зураг 8-д үзүүлсэн шиг эхний шатны хөтлөлтийн хувьд (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) нь \(\Delta x\), \(\alpha _1\) нь \(\alpha \) байна. Зураг 8-д үзүүлсэн шиг (11) тэгшитгэлээс цагийг ялгаж, l-ийн утгыг орлуулснаар хэв гажилтын хурдыг дараах байдлаар бичиж болно:
энд \(l_0\) нь SMA утасны анхны урт, l нь нэг унимодаль салбар дахь дурын t үеийн утасны урт, \(\epsilon\) нь SMA утсанд үүссэн деформаци, \(\alpha\) нь гурвалжны өнцөг, \(\Delta x\) нь хөтчийн шилжилт (Зураг 8-д үзүүлсэн шиг) байна.
Бүх n ширхэг нэг оргилтой бүтэц (энэ зурагт \(n=6\) нь оролтын хүчдэл болох \(V_{in}\)-тэй цуваа холбогдсон байна. I үе шат: Тэг хүчдэлийн нөхцөлд хоёр горимт тохиргоонд байгаа SMA утасны бүдүүвч диаграмм II үе шат: Улаан шугамаар харуулсанчлан урвуу хувиргалтын улмаас SMA утас шахагдсан хяналттай бүтцийг харуулав.
Концепцийн нотолгоо болгон туршилтын үр дүнтэйгээр үндсэн тэгшитгэлийн симуляцийн гаргалгааг туршихын тулд SMA дээр суурилсан хоёр модаль хөтлөгчийг боловсруулсан. Хоёр модаль шугаман хөдөлгүүрийн CAD загварыг Зураг 9a-д үзүүлэв. Нөгөөтэйгүүр, Зураг 9c-д хоёр модаль бүтэцтэй хоёр хавтгай SMA дээр суурилсан хөдөлгүүр ашиглан эргэлтийн призматик холболтын шинэ загварыг санал болгож байна. Хөтлөгчийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг Ultimaker 3 Extended 3D хэвлэгч дээр нэмэлт үйлдвэрлэл ашиглан үйлдвэрлэсэн. Бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг 3D хэвлэхэд ашигласан материал нь поликарбонат бөгөөд энэ нь бат бөх, удаан эдэлгээтэй, өндөр шилэн шилжилтийн температуртай (110-113 \(^{\circ }\) C) тул халуунд тэсвэртэй материалд тохиромжтой. Үүнээс гадна, туршилтанд Dynalloy, Inc.-ийн Flexinol хэлбэрийн санах ойн хайлшин утсыг ашигласан бөгөөд симуляцид Flexinol утсанд харгалзах материалын шинж чанарыг ашигласан. Зураг 9b, d-д үзүүлсэн шиг олон давхаргат хөдөлгүүрийн үүсгэсэн өндөр хүчийг олж авахын тулд олон SMA утсыг булчингийн хоёр модаль зохион байгуулалтад байгаа утас хэлбэрээр байрлуулсан.
Зураг 9a-д үзүүлсэнчлэн, хөдлөх гартай SMA утсаар үүссэн хурц өнцгийг өнцөг (\(\alpha\)) гэж нэрлэдэг. Зүүн ба баруун хавчаарт терминалын хавчааруудыг бэхэлсэн тул SMA утсыг хүссэн хоёр талт өнцгөөр барьдаг. Пүрш холбогч дээр байрлуулсан хэвийсэн пүршний төхөөрөмж нь SMA шилэн кабелийн тоо (n)-ийн дагуу өөр өөр хэвийсэн пүршний сунгах бүлгүүдийг тохируулах зориулалттай. Үүнээс гадна, хөдөлж буй хэсгүүдийн байршлыг SMA утсыг албадан конвекцийн хөргөлтөд гадаад орчинд ил гаргахаар зохион бүтээсэн. Салгаж болох угсралтын дээд ба доод хавтангууд нь жинг бууруулах зориулалттай шахагдсан зүсэлтүүдээр SMA утсыг сэрүүн байлгахад тусалдаг. Нэмж дурдахад, CMA утасны хоёр үзүүрийг тус тус зүүн ба баруун терминалуудад хавчаараар бэхэлсэн. Дээд ба доод хавтангийн хоорондох зайг хадгалахын тулд хөдлөх угсралтын нэг үзүүрт поршен бэхэлсэн. Мөн поршенийг SMA утсыг ажиллуулах үед поршенийг хэмжихийн тулд контактаар дамжуулан мэдрэгчид хаах хүчийг өгөхөд ашигладаг.
Хоёр талт булчингийн бүтэцтэй SMA нь цахилгаанаар цуваа холбогдож, оролтын импульсийн хүчдэлээр тэжээгддэг. Хүчдэлийн импульсийн мөчлөгийн үед хүчдэл өгч, SMA утсыг аустенитын анхны температураас дээш халаахад хэлхээ бүрийн утасны урт богиносдог. Энэхүү таталцал нь хөдлөх гарны дэд угсралтыг идэвхжүүлдэг. Үүнтэй ижил мөчлөгт хүчдэлийг тэг болгоход халсан SMA утсыг мартенситын гадаргуугийн температураас доош хөргөж, улмаар анхны байрлалдаа буцаж ирдэг. Тэг хүчдэлийн нөхцөлд SMA утсыг эхлээд хэвийсэн пүршээр идэвхгүй байдлаар сунгаж, тодорхойлсон мартенситын төлөвт хүрдэг. SMA утас дамжин өнгөрдөг шураг нь SMA утсанд хүчдэлийн импульс хэрэглэснээр үүссэн шахалтын улмаас хөдөлдөг (SPA нь аустенит фазад хүрдэг) бөгөөд энэ нь хөдлөх хөшүүргийг ажиллуулахад хүргэдэг. SMA утсыг таталцах үед хэвийсэн пүрш нь пүршийг цаашид сунгаснаар эсрэг хүч үүсгэдэг. Импульсийн хүчдэлийн стресс тэг болоход SMA утас нь албадан конвекцийн хөргөлтийн улмаас сунаж, хэлбэрээ өөрчилж, давхар мартенситын фазад хүрдэг.
Санал болгож буй SMA дээр суурилсан шугаман хөдөлгүүрийн систем нь SMA утаснууд нь өнцөгтэй хоёр горимт тохиргоотой. (a) туршилтын загварын CAD загварыг дүрсэлсэн бөгөөд зарим бүрэлдэхүүн хэсгүүд болон тэдгээрийн утгыг дурдсан бол (b, d) нь боловсруулсан туршилтын туршилтын загварыг төлөөлнө35. (b) нь цахилгаан холболт, хэвийсэн пүрш, омог хэмжигч ашиглан туршилтын загварын дээд хэсгийг харуулсан бол (d) нь тохиргооны хэтийн төлөвийг харуулсан болно. (e) SMA утаснуудыг дурын t үед хоёр горимт байрлуулсан шугаман хөдөлгүүрийн системийн диаграмм, шилэн эсийн чиглэл, чиглэл болон булчингийн хүчийг харуулсан. (c) Хоёр хавтгай SMA дээр суурилсан хөдөлгүүрийг байрлуулахын тулд 2-DOF эргэлтийн призматик холболтыг санал болгосон. Зурагт үзүүлсэнчлэн, холбоос нь доод хөтлөгчөөс дээд гар руу шугаман хөдөлгөөнийг дамжуулж, эргэлтийн холболт үүсгэдэг. Нөгөөтэйгүүр, хос призмийн хөдөлгөөн нь олон давхаргат эхний шатны хөтлөгчдийн хөдөлгөөнтэй ижил байна.
Зураг 9b-д үзүүлсэн загвар дээр SMA дээр суурилсан хоёр талт хөтчийн гүйцэтгэлийг үнэлэх туршилтын судалгааг хийсэн. Зураг 10a-д үзүүлсэнчлэн туршилтын тохиргоо нь SMA утаснуудад оролтын хүчдэл өгөх програмчлагдах DC тэжээлийн хангамжаас бүрдсэн. Зураг 10b-д үзүүлсэнчлэн, Graphtec GL-2000 өгөгдөл бүртгэгч ашиглан хаалтын хүчийг хэмжихэд пьезоэлектрик омог хэмжигч (PACEline CFT/5kN) ашигласан. Өгөгдлийг хост цаашдын судалгаанд зориулж тэмдэглэдэг. Оомог хэмжигч болон цэнэгийн өсгөгч нь хүчдэлийн дохио үүсгэхийн тулд тогтмол тэжээлийн хангамж шаарддаг. Харгалзах дохиог пьезоэлектрик хүчний мэдрэгчийн мэдрэмж болон Хүснэгт 2-т тайлбарласны дагуу бусад параметрүүдийн дагуу цахилгаан гаралт болгон хувиргадаг. Хүчдэлийн импульс хэрэглэх үед SMA утасны температур нэмэгдэж, SMA утсыг шахаж, улмаар идэвхжүүлэгч хүч үүсгэдэг. 7 В оролтын хүчдэлийн импульсээр булчингийн хүчийг гаргасны туршилтын үр дүнг Зураг 2a-д үзүүлэв.
(a) Туршилтад хөдөлгүүрийн үүсгэсэн хүчийг хэмжих зорилгоор SMA дээр суурилсан шугаман хөдөлгүүрийн системийг суурилуулсан. Ачааллын үүр нь хаах хүчийг хэмжиж, 24 В тогтмол гүйдлийн тэжээлийн эх үүсвэрээр тэжээгддэг. GW Instek програмчлагдах тогтмол гүйдлийн тэжээлийн эх үүсвэрийг ашиглан кабелийн бүх уртын дагуу 7 В хүчдэлийн уналтыг хэрэглэсэн. SMA утас нь дулаанаас болж агшиж, хөдлөх гар нь ачааллын үүртэй холбогдож, хаах хүчийг үйлчилдэг. Ачааллын үүрийг GL-2000 өгөгдөл бүртгэгчтэй холбосон бөгөөд өгөгдлийг цаашид боловсруулахын тулд хост дээр хадгалдаг. (b) Булчингийн хүчийг хэмжих туршилтын тохиргооны бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн гинжин хэлхээг харуулсан диаграмм.
Хэлбэрийн санах ойн хайлшууд нь дулааны энергиэр өдөөгддөг тул температур нь хэлбэрийн санах ойн үзэгдлийг судлах чухал параметр болдог. Зураг 11a-д үзүүлсэнчлэн, туршилтаар SMA дээр суурилсан хоёр талт идэвхжүүлэгчийн загвар дээр дулааны дүрслэл болон температурын хэмжилтийг хийсэн. Зураг 11b-д үзүүлсэнчлэн програмчлагдах боломжтой тогтмол гүйдлийн эх үүсвэр нь туршилтын тохиргоонд SMA утаснуудад оролтын хүчдэл өгсөн. SMA утасны температурын өөрчлөлтийг өндөр нарийвчлалтай LWIR камер (FLIR A655sc) ашиглан бодит цаг хугацаанд хэмжсэн. Хост нь цаашдын боловсруулалтын дараа өгөгдлийг бүртгэхийн тулд ResearchIR програм хангамжийг ашигладаг. Хүчдэлийн импульс хэрэглэх үед SMA утасны температур нэмэгдэж, SMA утас агшихад хүргэдэг. Зураг 2b-д 7V оролтын хүчдэлийн импульсийн SMA утасны температур ба цаг хугацааны туршилтын үр дүнг харуулав.