Grazzi talli żort Nature.com.Il-verżjoni tal-browser li qed tuża għandha appoġġ limitat għal CSS.Għall-aħjar esperjenza, nirrakkomandaw li tuża browser aġġornat (jew tiddiżattiva l-Modalità ta' Kompatibbiltà fl-Internet Explorer).Sadanittant, biex niżguraw appoġġ kontinwu, aħna se nirrendu s-sit mingħajr stili u JavaScript.
L-attwaturi jintużaw kullimkien u joħolqu moviment ikkontrollat billi japplikaw il-forza ta 'eċitazzjoni korretta jew it-torque biex iwettqu diversi operazzjonijiet fil-manifattura u l-awtomazzjoni industrijali.Il-ħtieġa għal drives aktar mgħaġġla, iżgħar u aktar effiċjenti qed tmexxi l-innovazzjoni fid-disinn tas-sewqan.Id-drajvs tal-Liegi tal-Memorja tal-Forma (SMA) joffru għadd ta 'vantaġġi fuq id-drajvs konvenzjonali, inkluż proporzjon għoli ta' qawwa għall-piż.F'din id-dissertazzjoni, ġie żviluppat attwatur ibbażat fuq SMA b'żewġ rix li jgħaqqad il-vantaġġi tal-muskoli tar-rix tas-sistemi bijoloġiċi u l-proprjetajiet uniċi tal-SMAs.Dan l-istudju jesplora u jestendi attwaturi SMA preċedenti billi jiżviluppa mudell matematiku tal-attwatur il-ġdid ibbażat fuq l-arranġament tal-wajer SMA bimodali u jittestjah b'mod sperimentali.Meta mqabbel ma 'drives magħrufa bbażati fuq SMA, il-forza ta' attwazzjoni tad-drajv il-ġdid hija mill-inqas 5 darbiet ogħla (sa 150 N).It-telf ta 'piż korrispondenti huwa ta' madwar 67%.Ir-riżultati tal-analiżi tas-sensittività tal-mudelli matematiċi huma utli għall-irfinar tal-parametri tad-disinn u l-fehim tal-parametri ewlenin.Dan l-istudju jkompli jippreżenta drive ta 'stadju Nth b'ħafna livelli li jista' jintuża biex ikompli jtejjeb id-dinamika.Attwaturi tal-muskoli dipvalerate bbażati fuq SMA għandhom firxa wiesgħa ta 'applikazzjonijiet, mill-awtomazzjoni tal-bini għal sistemi ta' kunsinna ta 'mediċina ta' preċiżjoni.
Is-sistemi bijoloġiċi, bħall-istrutturi muskolari tal-mammiferi, jistgħu jattivaw ħafna attwaturi sottili1.Il-mammiferi għandhom strutturi differenti tal-muskoli, kull wieħed iservi għal skop speċifiku.Madankollu, ħafna mill-istruttura tat-tessut tal-muskolu tal-mammiferi tista 'tinqasam f'żewġ kategoriji wesgħin.Parallel u pennate.Fil-hamstrings u flexors oħra, kif tissuġġerixxi l-isem, il-muskolatura parallela għandha fibri tal-muskoli paralleli għall-għerq ċentrali.Il-katina tal-fibri tal-muskoli hija miksija u konnessa funzjonalment mit-tessut konnettiv ta 'madwarhom.Għalkemm dawn il-muskoli jingħad li għandhom eskursjoni kbira (tqassir perċentwali), is-saħħa ġenerali tal-muskoli tagħhom hija limitata ħafna.B'kuntrast, fil-muskolu tal-għoġol triceps2 (gastrocnemius laterali (GL)3, gastrocnemius medial (GM)4 u soleus (SOL)) u extensor femoris (quadriceps)5,6 tessut tal-muskolu pennate jinstab f'kull muskolu7.Fi struttura pinnate, il-fibri tal-muskoli fil-muskolatura bipennate huma preżenti fuq iż-żewġ naħat tal-għerq ċentrali f'angoli oblikwu (angoli pinnate).Pennate ġejja mill-kelma Latina “penna”, li tfisser “pinna”, u, kif muri fil-fig.1 għandu dehra bħal rix.Il-fibri tal-muskoli pennati huma iqsar u angolati għall-assi lonġitudinali tal-muskolu.Minħabba l-istruttura pinnate, il-mobilità ġenerali ta 'dawn il-muskoli hija mnaqqsa, li twassal għall-komponenti trasversali u lonġitudinali tal-proċess ta' tqassir.Min-naħa l-oħra, l-attivazzjoni ta 'dawn il-muskoli twassal għal saħħa tal-muskoli ġenerali ogħla minħabba l-mod kif titkejjel iż-żona tas-sezzjoni trasversali fiżjoloġika.Għalhekk, għal żona trasversali partikolari, il-muskoli pennati se jkunu aktar b'saħħithom u se jiġġeneraw forzi ogħla minn muskoli b'fibri paralleli.Forzi ġġenerati minn fibri individwali jiġġeneraw forzi tal-muskoli f'livell makroskopiku f'dak it-tessut tal-muskoli.Barra minn hekk, għandu proprjetajiet uniċi bħal jinxtorob malajr, protezzjoni kontra l-ħsara tat-tensjoni, ttaffi.Titrasforma r-relazzjoni bejn l-input tal-fibra u l-output tal-qawwa tal-muskoli billi tisfrutta l-karatteristiċi uniċi u l-kumplessità ġeometrika tal-arranġament tal-fibra assoċjata mal-linji ta 'azzjoni tal-muskoli.
Huma murija dijagrammi skematiċi ta 'disinji eżistenti ta' attwatur ibbażati fuq SMA fir-rigward ta 'arkitettura muskolari bimodali, per eżempju (a), li jirrappreżentaw l-interazzjoni tal-forza tal-mess li fiha apparat f'forma ta' idejn attwat minn wajers SMA huwa mmuntat fuq robot mobbli awtonomu b'żewġ roti9,10., (b) Proteżi orbitali robotika bi proteżi orbitali SMA mgħobbija b'molla mqiegħda b'mod antagoniku.Il-pożizzjoni ta 'l-għajn prostetika hija kkontrollata minn sinjal mill-muskolu okulari ta' l-għajnejn11, (c) attwaturi SMA huma ideali għal applikazzjonijiet taħt l-ilma minħabba r-rispons ta 'frekwenza għolja u bandwidth baxx tagħhom.F'din il-konfigurazzjoni, l-attwaturi SMA jintużaw biex joħolqu moviment tal-mewġ billi jissimulaw il-moviment tal-ħut, (d) l-attwaturi SMA jintużaw biex joħolqu robot ta 'spezzjoni ta' mikro pajp li jista 'juża l-prinċipju tal-moviment tad-dudu pulzier, ikkontrollat mill-moviment ta' wajers SMA ġewwa kanal 10, (e) juri d-direzzjoni tal-fibri tal-muskoli tal-kontrazzjoni u jiġġeneraw forza kontrattili f'forma ta 'tessuti gastrocnemius irranġati fil-forma tal-muskoli SMA, struttura tal-muskoli.
L-attwaturi saru parti importanti mis-sistemi mekkaniċi minħabba l-firxa wiesgħa ta 'applikazzjonijiet tagħhom.Għalhekk, il-ħtieġa għal drives iżgħar, aktar veloċi u aktar effiċjenti ssir kritika.Minkejja l-vantaġġi tagħhom, drives tradizzjonali wrew li huma għaljin u jieħdu ħafna ħin biex jinżammu.Attwaturi idrawliċi u pnewmatiċi huma kumplessi u għaljin u huma suġġetti għal xedd, problemi ta 'lubrikazzjoni u ħsara fil-komponenti.Bi tweġiba għad-domanda, l-enfasi hija fuq l-iżvilupp ta 'attwaturi kost-effettivi, ottimizzati fid-daqs u avvanzati bbażati fuq materjali intelliġenti.Ir-riċerka li għaddejja qed tħares lejn attwaturi f'saffi ta' liga tal-memorja tal-forma (SMA) biex tissodisfa din il-ħtieġa.Attwaturi ġerarkiċi huma uniċi peress li jgħaqqdu ħafna attwaturi diskreti f'sottosistemi ta 'skala makro ġeometrikament kumplessi biex jipprovdu funzjonalità miżjuda u estiża.F'dan ir-rigward, it-tessut tal-muskoli tal-bniedem deskritt hawn fuq jipprovdi eżempju eċċellenti b'ħafna saffi ta 'tali attwazzjoni b'ħafna saffi.L-istudju attwali jiddeskrivi drive SMA b'ħafna livelli b'diversi elementi ta 'sewqan individwali (wajers SMA) allinjati mal-orjentazzjonijiet tal-fibra preżenti fil-muskoli bimodali, li jtejjeb il-prestazzjoni ġenerali tas-sewqan.
L-għan ewlieni ta 'attwatur huwa li jiġġenera output ta' enerġija mekkanika bħall-forza u l-ispostament billi jikkonverti l-enerġija elettrika.Ligi tal-memorja tal-forma huma klassi ta 'materjali "intelliġenti" li jistgħu jirrestawraw il-forma tagħhom f'temperaturi għoljin.Taħt tagħbijiet għoljin, żieda fit-temperatura tal-wajer SMA twassal għall-irkupru tal-forma, li tirriżulta f'densità ogħla ta 'enerġija ta' attwazzjoni meta mqabbla ma 'diversi materjali intelliġenti marbuta direttament.Fl-istess ħin, taħt tagħbijiet mekkaniċi, SMAs isiru fraġli.Taħt ċerti kundizzjonijiet, tagħbija ċiklika tista 'tassorbi u tirrilaxxa enerġija mekkanika, li tesibixxi bidliet fil-forma isteretiċi riversibbli.Dawn il-proprjetajiet uniċi jagħmlu SMA ideali għal sensuri, damping tal-vibrazzjoni u speċjalment attwaturi12.B'dan f'moħħu, kien hemm ħafna riċerka dwar drives ibbażati fuq SMA.Għandu jiġi nnutat li l-attwaturi bbażati fuq SMA huma ddisinjati biex jipprovdu mozzjoni translazzjonali u rotatorja għal varjetà ta 'applikazzjonijiet13,14,15.Għalkemm xi attwaturi rotatorji ġew żviluppati, ir-riċerkaturi huma partikolarment interessati fl-attwaturi lineari.Dawn l-attwaturi lineari jistgħu jinqasmu fi tliet tipi ta 'attwaturi: attwaturi ta' dimensjoni waħda, ta 'spostament u differenzjali 16 .Inizjalment, drives ibridi nħolqu flimkien ma 'SMA u drives konvenzjonali oħra.Eżempju bħal dan ta 'attwatur lineari ibridu bbażat fuq SMA huwa l-użu ta' wajer SMA b'mutur DC biex jipprovdi forza ta 'ħruġ ta' madwar 100 N u spostament sinifikanti17.
Wieħed mill-ewwel żviluppi fid-drajvs ibbażati kompletament fuq SMA kien il-parallel drive SMA.Bl-użu ta 'wajers SMA multipli, id-drajv parallel ibbażat fuq SMA huwa ddisinjat biex iżżid il-kapaċità tal-enerġija tad-drajv billi tpoġġi l-wajers SMA18 kollha b'mod parallel.Konnessjoni parallela ta 'attwaturi mhux biss teħtieġ aktar enerġija, iżda wkoll tillimita l-qawwa tal-ħruġ ta' wajer wieħed.Żvantaġġ ieħor ta 'attwaturi bbażati SMA huwa l-ivvjaġġar limitat li jistgħu jiksbu.Biex issolvi din il-problema, inħoloq raġġ tal-kejbil SMA li fih raġġ flessibbli devjat biex iżid l-ispostament u jikseb moviment lineari, iżda ma ġġenerax forzi ogħla19.Strutturi u drappijiet deformabbli artab għal robots ibbażati fuq ligi tal-memorja tal-forma ġew żviluppati primarjament għall-amplifikazzjoni tal-impatt20,21,22.Għal applikazzjonijiet fejn huma meħtieġa veloċità għolja, pompi kompatti misjuqa ġew irrappurtati bl-użu ta 'SMAs ta' film irqiq għal applikazzjonijiet immexxija minn mikropompi23.Il-frekwenza tas-sewqan tal-membrana SMA tal-film irqiq hija fattur ewlieni fil-kontroll tal-veloċità tas-sewwieq.Għalhekk, il-muturi lineari SMA għandhom rispons dinamiku aħjar minn muturi tar-rebbiegħa jew tal-vireg SMA.Ir-robotika artab u t-teknoloġija tal-qbid huma żewġ applikazzjonijiet oħra li jużaw attwaturi bbażati fuq SMA.Pereżempju, biex jissostitwixxi l-attwatur standard użat fil-morsa tal-ispazju 25 N, ġie żviluppat attwatur parallel 24 ta 'liga ta' memorja tal-forma.F'każ ieħor, attwatur artab SMA ġie ffabbrikat ibbażat fuq wajer b'matriċi inkorporata li kapaċi tipproduċi forza massima ta 'ġbid ta' 30 N. Minħabba l-proprjetajiet mekkaniċi tagħhom, SMAs jintużaw ukoll biex jipproduċu attwaturi li jimitaw fenomeni bijoloġiċi.Żvilupp bħal dan jinkludi robot ta '12-il ċellula li huwa bijomimetiku ta' organiżmu li jixbaħ il-ħniex b'SMA biex jiġġenera moviment sinusojdali għan-nar26,27.
Kif issemma qabel, hemm limitu għall-forza massima li tista 'tinkiseb minn attwaturi eżistenti bbażati fuq SMA.Biex tindirizza din il-kwistjoni, dan l-istudju jippreżenta struttura tal-muskoli bimodali bijomimetika.Immexxi minn wajer ta 'liga tal-memorja tal-forma.Tipprovdi sistema ta 'klassifikazzjoni li tinkludi diversi wajers ta' liga tal-memorja tal-forma.Sal-lum, l-ebda attwaturi bbażati fuq SMA b'arkitettura simili ma ġew irrappurtati fil-letteratura.Din is-sistema unika u ġdida bbażata fuq SMA ġiet żviluppata biex tistudja l-imġieba ta 'SMA waqt l-allinjament tal-muskoli bimodali.Meta mqabbel ma 'attwaturi eżistenti bbażati fuq SMA, l-għan ta' dan l-istudju kien li jinħoloq attwatur dipvalerate bijomimetiku biex jiġġenera forzi ogħla b'mod sinifikanti f'volum żgħir.Meta mqabbel ma 'drives konvenzjonali mmexxija bil-mutur stepper użati f'sistemi ta' awtomazzjoni u kontroll tal-bini HVAC, id-disinn propost ta 'drive bimodali bbażat fuq SMA inaqqas il-piż tal-mekkaniżmu tas-sewqan b'67%.F'dan li ġej, it-termini "muskolu" u "sewqan" huma użati minflok xulxin.Dan l-istudju jinvestiga s-simulazzjoni multifiżika ta 'tali drive.L-imġiba mekkanika ta 'sistemi bħal dawn ġiet studjata b'metodi sperimentali u analitiċi.Id-distribuzzjonijiet tal-forza u tat-temperatura ġew investigati aktar f'vultaġġ ta 'input ta' 7 V. Sussegwentement, saret analiżi parametrika biex tifhem aħjar ir-relazzjoni bejn il-parametri ewlenin u l-forza tal-ħruġ.Fl-aħħarnett, ġew previsti attwaturi ġerarkiċi u ġew proposti effetti ta 'livell ġerarkiku bħala żona futura potenzjali għal attwaturi mhux manjetiċi għal applikazzjonijiet prostetiċi.Skont ir-riżultati tal-istudji msemmija hawn fuq, l-użu ta 'arkitettura ta' stadju wieħed jipproduċi forzi mill-inqas erba 'sa ħames darbiet ogħla minn attwaturi rrappurtati bbażati fuq SMA.Barra minn hekk, l-istess forza tas-sewqan ġġenerata minn drive b'ħafna livelli b'ħafna livelli intweriet li hija aktar minn għaxar darbiet dik ta 'drajvs konvenzjonali bbażati fuq SMA.L-istudju mbagħad jirrapporta parametri ewlenin bl-użu ta 'analiżi tas-sensittività bejn disinji differenti u varjabbli ta' input.It-tul inizjali tal-wajer SMA (\(l_0\)), l-angolu pinnate (\(\alpha\)) u n-numru ta 'fergħat singoli (n) f'kull linja individwali għandhom effett negattiv qawwi fuq il-kobor tal-forza tas-sewqan.saħħa, filwaqt li l-vultaġġ tad-dħul (enerġija) irriżulta li kien korrelatat b'mod pożittiv.
Wajer SMA juri l-effett tal-memorja tal-forma (SME) li jidher fil-familja ta 'ligi tan-nikil-titanju (Ni-Ti).Tipikament, SMAs juru żewġ fażijiet dipendenti fuq it-temperatura: fażi ta 'temperatura baxxa u fażi ta' temperatura għolja.Iż-żewġ fażijiet għandhom proprjetajiet uniċi minħabba l-preżenza ta 'strutturi differenti tal-kristall.Fil-fażi tal-austenite (fażi ta 'temperatura għolja) li teżisti 'l fuq mit-temperatura tat-trasformazzjoni, il-materjal juri qawwa għolja u huwa deformat ħażin taħt tagħbija.Il-liga jġib ruħu bħall-istainless steel, għalhekk huwa kapaċi jiflaħ pressjonijiet ta 'attwazzjoni ogħla.Filwaqt li tieħu vantaġġ minn din il-proprjetà ta 'ligi Ni-Ti, il-wajers SMA huma inklinati biex jiffurmaw attwatur.Mudelli analitiċi xierqa huma żviluppati biex jifhmu l-mekkaniżmi fundamentali tal-imġieba termali ta 'SMA taħt l-influwenza ta' diversi parametri u ġeometriji varji.Inkiseb qbil tajjeb bejn ir-riżultati sperimentali u analitiċi.
Sar studju sperimentali fuq il-prototip muri f'Fig. 9a biex jevalwa l-prestazzjoni ta 'drajv bimodali bbażat fuq SMA.Tnejn minn dawn il-proprjetajiet, il-forza ġġenerata mis-sewqan (forza tal-muskoli) u t-temperatura tal-wajer SMA (temperatura SMA), ġew imkejla b'mod sperimentali.Hekk kif id-differenza fil-vultaġġ tiżdied tul it-tul kollu tal-wajer fid-drajv, it-temperatura tal-wajer tiżdied minħabba l-effett tat-tisħin Joule.Il-vultaġġ tad-dħul ġie applikat f'żewġ ċikli ta '10-s (muri bħala tikek ħomor f'Fig. 2a, b) b'perjodu ta' tkessiħ ta '15-s bejn kull ċiklu.Il-forza tal-imblukkar tkejjel bl-użu ta 'strain gauge pjeżoelettriku, u d-distribuzzjoni tat-temperatura tal-wajer SMA ġiet immonitorjata f'ħin reali bl-użu ta' kamera LWIR ta 'riżoluzzjoni għolja ta' grad xjentifiku (ara l-karatteristiċi tat-tagħmir użat fit-Tabella 2).juri li matul il-fażi ta 'vultaġġ għoli, it-temperatura tal-wajer tiżdied b'mod monotoniku, iżda meta l-ebda kurrent ma jkun qed jiċċirkola, it-temperatura tal-wajer tkompli tonqos.Fis-setup sperimentali attwali, it-temperatura tal-wajer SMA niżlet matul il-fażi tat-tkessiħ, iżda kienet għadha 'l fuq mit-temperatura ambjentali.Fuq il-fig.2e juri stampa tat-temperatura fuq il-wajer SMA meħud mill-kamera LWIR.Min-naħa l-oħra, fil-fig.2a turi l-forza tal-imblukkar ġġenerata mis-sistema tas-sewqan.Meta l-forza tal-muskoli taqbeż il-forza tar-restawr tar-rebbiegħa, id-driegħ mobbli, kif muri fil-Figura 9a, jibda jiċċaqlaq.Hekk kif tibda l-attwazzjoni, id-driegħ mobbli jiġi f'kuntatt mas-sensor, u joħloq forza tal-ġisem, kif muri fil-fig.2c, d.Meta t-temperatura massima tkun qrib \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), il-forza massima osservata hija 105 N.
Il-graff turi r-riżultati sperimentali tat-temperatura tal-wajer SMA u l-forza ġġenerata mill-attwatur bimodali bbażat fuq SMA matul żewġ ċikli.Il-vultaġġ tad-dħul huwa applikat f'żewġ ċikli ta' 10 sekondi (muri bħala tikek ħomor) b'perjodu ta' tkessiħ ta' 15-il sekonda bejn kull ċiklu.Il-wajer SMA użat għall-esperimenti kien wajer Flexinol b'dijametru ta' 0.51 mm minn Dynalloy, Inc. napshot meħud mill-wajer SMA bl-użu tal-kamera LWIR tas-software FLIR ResearchIR.Il-parametri ġeometriċi meqjusa fl-esperimenti huma mogħtija fit-Tabella.waħda.
Ir-riżultati ta 'simulazzjoni tal-mudell matematiku u r-riżultati sperimentali huma mqabbla taħt il-kondizzjoni ta' vultaġġ ta 'input ta' 7V, kif muri f'Fig.5.Skont ir-riżultati tal-analiżi parametrika u sabiex tiġi evitata l-possibbiltà ta 'tisħin żejjed tal-wajer SMA, qawwa ta' 11.2 W ġiet fornuta lill-attwatur.Intużat provvista ta 'enerġija DC programmabbli biex tforni 7V bħala l-vultaġġ tad-dħul, u tkejjel kurrent ta' 1.6A madwar il-wajer.Il-forza ġġenerata mill-sewqan u t-temperatura tal-SDR tiżdied meta jiġi applikat il-kurrent.B'vultaġġ ta 'input ta' 7V, il-forza massima tal-ħruġ miksuba mir-riżultati tas-simulazzjoni u r-riżultati sperimentali tal-ewwel ċiklu hija 78 N u 96 N, rispettivament.Fit-tieni ċiklu, il-forza massima tal-ħruġ tas-simulazzjoni u r-riżultati sperimentali kienet 150 N u 105 N, rispettivament.Id-diskrepanza bejn il-kejl tal-forza tal-okklużjoni u d-dejta sperimentali tista 'tkun dovuta għall-metodu użat biex titkejjel il-forza tal-okklużjoni.Ir-riżultati sperimentali murija fil-fig.5a jikkorrispondu għall-kejl tal-forza tal-qfil, li mbagħad tkejjel meta x-xaft tas-sewqan kien f'kuntatt mat-transducer tal-forza pjeżoelettrika PACEline CFT/5kN, kif muri fil-fig.2s.Għalhekk, meta x-xaft tas-sewqan ma jkunx f'kuntatt mas-sensor tal-forza fil-bidu taż-żona tat-tkessiħ, il-forza immedjatament issir żero, kif muri fil-Fig. 2d.Barra minn hekk, parametri oħra li jaffettwaw il-formazzjoni tal-forza f'ċikli sussegwenti huma l-valuri tal-ħin tat-tkessiħ u l-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana konvettiva fiċ-ċiklu preċedenti.Mill-fig.2b, jista 'jara li wara perjodu ta' tkessiħ ta '15-il sekonda, il-wajer SMA ma laħaqx it-temperatura tal-kamra u għalhekk kellu temperatura inizjali ogħla (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) fit-tieni ċiklu tas-sewqan meta mqabbel ma' l-ewwel ċiklu (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Għalhekk, meta mqabbla mal-ewwel ċiklu, it-temperatura tal-wajer SMA matul it-tieni ċiklu ta 'tisħin tilħaq it-temperatura inizjali tal-awstenite (\(A_s\)) aktar kmieni u tibqa' fil-perjodu ta 'tranżizzjoni itwal, li tirriżulta fi stress u forza.Min-naħa l-oħra, id-distribuzzjonijiet tat-temperatura matul iċ-ċikli tat-tisħin u t-tkessiħ miksuba minn esperimenti u simulazzjonijiet għandhom xebh kwalitattiv għoli ma 'eżempji minn analiżi termografika.Analiżi komparattiva tad-dejta termali tal-wajer SMA minn esperimenti u simulazzjonijiet wriet konsistenza matul iċ-ċikli tat-tisħin u t-tkessiħ u fi ħdan tolleranzi aċċettabbli għad-dejta sperimentali.It-temperatura massima tal-wajer SMA, miksuba mir-riżultati tas-simulazzjoni u l-esperimenti tal-ewwel ċiklu, hija \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) u \(75\,^{\circ }\hbox { C }\, rispettivament), u fit-tieni ċiklu t-temperatura massima tal-wajer SMA hija \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) u \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) u \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) kaxxa {C}\).Il-mudell żviluppat b'mod fundamentali jikkonferma l-effett tal-effett tal-memorja tal-forma.Ir-rwol tal-għeja u s-sħana żejda ma kienx ikkunsidrat f'din ir-reviżjoni.Fil-futur, il-mudell se jittejjeb biex jinkludi l-istorja tal-istress tal-wajer SMA, li jagħmilha aktar adattata għall-applikazzjonijiet tal-inġinerija.Il-forza tal-output tas-sewqan u l-plots tat-temperatura SMA miksuba mill-blokka Simulink huma fi ħdan it-tolleranzi permissibbli tad-dejta sperimentali taħt il-kundizzjoni ta 'polz ta' vultaġġ ta 'input ta' 7 V. Dan jikkonferma l-korrettezza u l-affidabbiltà tal-mudell matematiku żviluppat.
Il-mudell matematiku ġie żviluppat fl-ambjent MathWorks Simulink R2020b bl-użu tal-ekwazzjonijiet bażiċi deskritti fit-taqsima Metodi.Fuq il-fig.3b turi dijagramma blokk tal-mudell matematiku Simulink.Il-mudell ġie simulat għal polz ta 'vultaġġ ta' input ta '7V kif muri f'Fig. 2a, b.Il-valuri tal-parametri użati fis-simulazzjoni huma elenkati fit-Tabella 1. Ir-riżultati tas-simulazzjoni ta 'proċessi temporanji huma ppreżentati fil-Figuri 1 u 1. Figuri 3a u 4. Fil-fig.4a,b turi l-vultaġġ indott fil-wajer SMA u l-forza ġġenerata mill-attwatur bħala funzjoni taż-żmien. Matul it-trasformazzjoni inversa (tisħin), meta t-temperatura tal-wajer SMA, \(T <A_s^{\prime}\) (temperatura tal-bidu tal-fażi tal-awstenite modifikata bl-istress), ir-rata tal-bidla tal-frazzjoni tal-volum tal-martensite (\(\dot{\xi }\)) tkun żero. Matul it-trasformazzjoni inversa (tisħin), meta t-temperatura tal-wajer SMA, \(T <A_s^{\prime}\) (temperatura tal-bidu tal-fażi tal-awstenite modifikata bl-istress), ir-rata tal-bidla tal-frazzjoni tal-volum tal-martensite (\(\dot{\ xi }\)) tkun żero. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура проволоки SMA, фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\жением) Скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\жением) тло на дил. Matul it-trasformazzjoni inversa (tisħin), meta t-temperatura tal-wajer SMA, \(T <A_s^{\prime}\) (temperatura tal-bidu tal-awstenite modifikata bl-istress), ir-rata tal-bidla tal-frazzjoni tal-volum tal-martensite (\(\dot{\ xi }\ )) tkun żero.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏修正奥氏体秩奥氏体秩度氏体秶氏体秩度\(T < A_s^{\prime}\)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
(a) Riżultat tas-simulazzjoni li juri d-distribuzzjoni tat-temperatura u t-temperatura tal-junction indotta mill-istress f'attwatur divalerate bbażat fuq SMA.Meta t-temperatura tal-wajer taqsam it-temperatura ta 'transizzjoni ta' austenite fl-istadju tat-tisħin, it-temperatura ta 'transizzjoni ta' austenite modifikata tibda tiżdied, u bl-istess mod, meta t-temperatura tal-vireg tal-wajer taqsam it-temperatura ta 'transizzjoni martensitika fl-istadju tat-tkessiħ, it-temperatura ta' transizzjoni martensitika tonqos.SMA għall-immudellar analitiku tal-proċess ta' attwazzjoni.(Għal dehra dettaljata ta' kull sottosistema ta' mudell Simulink, ara t-taqsima tal-appendiċi tal-fajl supplimentari.)
Ir-riżultati ta 'l-analiżi għal distribuzzjonijiet ta' parametri differenti huma murija għal żewġ ċikli tal-vultaġġ ta 'input ta' 7V (ċikli ta 'tisħin ta' 10 sekondi u ċikli ta 'tkessiħ ta' 15 sekondi).Filwaqt li (ac) u (e) juru d-distribuzzjoni matul iż-żmien, min-naħa l-oħra, (d) u (f) juru d-distribuzzjoni bit-temperatura.Għall-kundizzjonijiet ta 'input rispettivi, l-istress massimu osservat huwa 106 MPa (inqas minn 345 MPa, saħħa ta' rendiment tal-wajer), il-forza hija 150 N, l-ispostament massimu huwa 270 µm, u l-frazzjoni minima tal-volum martensitiku hija 0.91.Min-naħa l-oħra, il-bidla fl-istress u l-bidla fil-frazzjoni tal-volum tal-martensite bit-temperatura huma simili għall-karatteristiċi tal-isteresi.
L-istess spjegazzjoni tapplika għat-trasformazzjoni diretta (tkessiħ) mill-fażi austenite għall-fażi martensite, fejn it-temperatura tal-wajer SMA (T) u t-temperatura tat-tmiem tal-fażi martensite modifikata bl-istress (\(M_f^{\prime}\ )) hija eċċellenti.Fuq il-fig.4d,f juri l-bidla fl-istress indott (\(\sigma\)) u l-frazzjoni tal-volum tal-martensite (\(\xi\)) fil-wajer SMA bħala funzjoni tal-bidla fit-temperatura tal-wajer SMA (T), għaż-żewġ ċikli tas-sewqan.Fuq il-fig.Il-Figura 3a turi l-bidla fit-temperatura tal-wajer SMA biż-żmien skont il-polz tal-vultaġġ tad-dħul.Kif jidher mill-figura, it-temperatura tal-wajer tkompli tiżdied billi tipprovdi sors ta 'sħana b'vultaġġ żero u tkessiħ konvettiv sussegwenti.Waqt it-tisħin, it-trasformazzjoni mill-ġdid tal-martensite għall-fażi tal-awstenite tibda meta t-temperatura tal-wajer SMA (T) taqsam it-temperatura tan-nukleazzjoni tal-awstenite kkoreġuta bl-istress (\(A_s^{\prime}\)).Matul din il-fażi, il-wajer SMA jiġi kkompressat u l-attwatur jiġġenera forza.Ukoll waqt it-tkessiħ, meta t-temperatura tal-wajer SMA (T) taqsam it-temperatura tan-nukleazzjoni tal-fażi tal-martensite modifikata bl-istress (\(M_s^{\prime}\)) hemm transizzjoni pożittiva mill-fażi tal-awstenite għall-fażi tal-martensite.il-forza tas-sewqan tonqos.
L-aspetti kwalitattivi ewlenin tas-sewqan bimodali bbażat fuq SMA jistgħu jinkisbu mir-riżultati tas-simulazzjoni.Fil-każ ta 'input tal-polz ta' vultaġġ, it-temperatura tal-wajer SMA tiżdied minħabba l-effett tat-tisħin Joule.Il-valur inizjali tal-frazzjoni tal-volum tal-martensite (\(\xi\)) huwa ssettjat għal 1, peress li l-materjal huwa inizjalment f'fażi kompletament martensitika.Hekk kif il-wajer ikompli jisħon, it-temperatura tal-wajer SMA taqbeż it-temperatura tan-nukleazzjoni tal-awstenite kkoreġuta mill-istress \(A_s^{\prime}\), li tirriżulta fi tnaqqis fil-frazzjoni tal-volum tal-martensite, kif muri fil-Figura 4c.Barra minn hekk, fil-fig.4e turi d-distribuzzjoni tal-puplesiji tal-attwatur fil-ħin, u fil-fig.5 – forza li tmexxi bħala funzjoni taż-żmien.Sistema relatata ta 'ekwazzjonijiet tinkludi temperatura, frazzjoni tal-volum tal-martensite, u stress li jiżviluppa fil-wajer, li jirriżulta f'jinxtorob tal-wajer SMA u l-forza ġġenerata mill-attwatur.Kif muri fil-fig.4d,f, varjazzjoni tal-vultaġġ bit-temperatura u l-varjazzjoni tal-frazzjoni tal-volum tal-martensite mat-temperatura jikkorrispondu għall-karatteristiċi tal-isteresi tal-SMA fil-każ simulat f'7 V.
It-tqabbil tal-parametri tas-sewqan inkiseb permezz ta 'esperimenti u kalkoli analitiċi.Il-wajers ġew soġġetti għal vultaġġ ta 'input pulsat ta' 7 V għal 10 sekondi, imbagħad imkessaħ għal 15-il sekonda (fażi ta 'tkessiħ) fuq żewġ ċikli.L-angolu pinnate huwa ssettjat għal \(40^{\circ}\) u t-tul inizjali tal-wajer SMA f'kull sieq tal-pin waħda huwa ssettjat għal 83mm.(a) Kejl tal-forza tas-sewqan b'ċellula tat-tagħbija (b) Monitoraġġ tat-temperatura tal-wajer b'kamera infra-aħmar termali.
Sabiex tifhem l-influwenza tal-parametri fiżiċi fuq il-forza prodotta mis-sewqan, saret analiżi tas-sensittività tal-mudell matematiku għall-parametri fiżiċi magħżula, u l-parametri ġew ikklassifikati skont l-influwenza tagħhom.L-ewwel, it-teħid ta 'kampjuni tal-parametri tal-mudell sar bl-użu ta' prinċipji ta 'disinn sperimentali li segwew distribuzzjoni uniformi (ara t-Taqsima Supplimentari dwar l-Analiżi tas-Sensittività).F'dan il-każ, il-parametri tal-mudell jinkludu l-vultaġġ tad-dħul (\(V_{in}\)), it-tul inizjali tal-wajer SMA (\(l_0\)), l-angolu tat-trijangolu (\(\alpha\)), il-kostanti tar-rebbiegħa bias (\( K_x\ )), il-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana konvettiv (\(h_T\)) u n-numru ta 'fergħat unimodali (n).Fil-pass li jmiss, intgħażlet l-ogħla saħħa tal-muskoli bħala rekwiżit tad-disinn tal-istudju u nkisbu l-effetti parametriċi ta 'kull sett ta' varjabbli fuq is-saħħa.Il-plots tat-tornado għall-analiżi tas-sensittività ġew derivati mill-koeffiċjenti ta 'korrelazzjoni għal kull parametru, kif muri fil-Fig. 6a.
(a) Il-valuri tal-koeffiċjent ta 'korrelazzjoni tal-parametri tal-mudell u l-effett tagħhom fuq il-forza massima tal-output ta' 2500 grupp uniku tal-parametri tal-mudell ta 'hawn fuq huma murija fil-plot tat-tornado.Il-graff turi l-korrelazzjoni tal-grad ta 'diversi indikaturi.Huwa ċar li \(V_{in}\) huwa l-uniku parametru b'korrelazzjoni pożittiva, u \(l_0\) huwa l-parametru bl-ogħla korrelazzjoni negattiva.L-effett ta 'diversi parametri f'kombinazzjonijiet varji fuq l-ogħla saħħa tal-muskoli huwa muri f'(b, c).\(K_x\) tvarja minn 400 sa 800 N/m u n tvarja minn 4 sa 24. Il-vultaġġ (\(V_{in}\)) inbidel minn 4V għal 10V, it-tul tal-wajer (\(l_{0} \)) inbidel minn 40 għal 100 mm, u l-angolu tad-denb (\ (\-{1} ) varja minn \ (\ α\ } } ).
Fuq il-fig.6a turi plot tornado ta 'koeffiċjenti ta' korrelazzjoni varji għal kull parametru mal-ħtiġiet tad-disinn tal-forza tas-sewqan tal-quċċata.Mill-fig.6a wieħed jista 'jara li l-parametru tal-vultaġġ (\(V_{in}\)) huwa direttament relatat mal-forza massima tal-ħruġ, u l-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana konvettiv (\(h_T\)), l-angolu tal-fjamma (\ (\alpha\)), il-kostanti tar-rebbiegħa tal-ispostament (\(K_x\)) huwa korrelatat b'mod negattiv mal-forza tal-ħruġ u l-forza tal-ħruġ u n-numru inizjali ta' tul (\) un_mod_ un_modal. (n) juri korrelazzjoni inversa qawwija Fil-każ ta 'korrelazzjoni diretta Fil-każ ta' valur ogħla tal-koeffiċjent ta 'korrelazzjoni tal-vultaġġ (\(V_ {in}\)) jindika li dan il-parametru għandu l-akbar effett fuq il-produzzjoni tal-enerġija.Analiżi oħra simili tkejjel il-forza massima billi tevalwa l-effett ta 'parametri differenti f'kombinazzjonijiet differenti taż-żewġ spazji ta' komputazzjoni, kif muri f'Fig. 6b, c.\(V_{in}\) u \(l_0\), \(\alpha\) u \(l_0\) għandhom mudelli simili, u l-graff turi li \(V_{in}\) u \(\alpha\ ) u \(\alpha\) għandhom mudelli simili.Valuri iżgħar ta '\(l_0\) jirriżultaw f'forzi ogħla ogħla.Iż-żewġ plots l-oħra huma konsistenti mal-Figura 6a, fejn n u \(K_x\) huma korrelatati negattivament u \(V_{in}\) huma korrelatati b'mod pożittiv.Din l-analiżi tgħin biex tiddefinixxi u taġġusta l-parametri li jinfluwenzaw li bihom il-forza tal-ħruġ, il-puplesija u l-effiċjenza tas-sistema tas-sewqan jistgħu jiġu adattati għar-rekwiżiti u l-applikazzjoni.
Ix-xogħol ta' riċerka attwali jintroduċi u jinvestiga drives ġerarkiċi b'livelli N.F'ġerarkija b'żewġ livelli, kif muri fil-Fig. 7a, fejn minflok kull wajer SMA tal-attwatur tal-ewwel livell, jinkiseb arranġament bimodali, kif muri fil-fig.9e.Fuq il-fig.7c turi kif il-wajer SMA huwa mdawwar madwar driegħ mobbli (driegħ awżiljarju) li jimxi biss fid-direzzjoni lonġitudinali.Madankollu, id-driegħ mobbli primarju jkompli jiċċaqlaq bl-istess mod bħad-driegħ mobbli tal-attwatur b'ħafna stadji tal-1 stadju.Tipikament, drive ta 'N-stage hija maħluqa billi tissostitwixxi l-wajer SMA ta' l-istadju \(N-1\) b'drive ta 'l-ewwel stadju.Bħala riżultat, kull fergħa timita l-ewwel stadju drive, bl-eċċezzjoni tal-fergħa li żżomm il-wajer innifsu.B'dan il-mod, jistgħu jiġu ffurmati strutturi nested li joħolqu forzi li huma bosta drabi akbar mill-forzi tad-drajvs primarji.F'dan l-istudju, għal kull livell, tul tal-wajer SMA effettiv totali ta '1 m ġie kkunsidrat, kif muri f'format tabulari f'Fig. 7d.Il-kurrent minn kull wajer f'kull disinn unimodal u l-prestress u l-vultaġġ li jirriżultaw f'kull segment tal-wajer SMA huma l-istess f'kull livell.Skont il-mudell analitiku tagħna, il-forza tal-ħruġ hija korrelatata b'mod pożittiv mal-livell, filwaqt li l-ispostament huwa korrelatat b'mod negattiv.Fl-istess ħin, kien hemm kompromess bejn l-ispostament u s-saħħa tal-muskoli.Kif jidher fil-fig.7b, filwaqt li l-forza massima tinkiseb fl-akbar numru ta 'saffi, l-akbar spostament huwa osservat fl-aktar saff baxx.Meta l-livell tal-ġerarkija kien issettjat għal \(N=5\), instabet l-ogħla forza tal-muskoli ta '2.58 kN b'2 puplesiji osservati \(\upmu\)m.Min-naħa l-oħra, is-sewqan tal-ewwel stadju jiġġenera forza ta '150 N bi stroke ta' 277 \(\upmu\)m.Attwaturi b'ħafna livelli huma kapaċi jimitaw muskoli bijoloġiċi reali, fejn muskoli artifiċjali bbażati fuq ligi tal-memorja tal-forma huma kapaċi jiġġeneraw forzi ogħla b'mod sinifikanti b'movimenti preċiżi u irqaq.Il-limitazzjonijiet ta 'dan id-disinn minjaturizzat huma li hekk kif tiżdied il-ġerarkija, il-moviment jitnaqqas ħafna u tiżdied il-kumplessità tal-proċess tal-manifattura tas-sewqan.
(a) Sistema ta 'attwatur lineari ta' liga ta 'memorja tal-forma f'żewġ stadji (\(N=2\)) f'saffi hija murija f'konfigurazzjoni bimodali.Il-mudell propost jinkiseb billi l-wajer SMA jiġi sostitwit fl-attwatur b'saffi ta 'l-ewwel stadju b'attwatur ieħor b'saffi ta' stadju wieħed.(c) Konfigurazzjoni deformata tal-attwatur b'ħafna saffi tat-tieni stadju.(b) Id-distribuzzjoni tal-forzi u l-ispostamenti skont in-numru ta' livelli hija deskritta.Instab li l-ogħla forza tal-attwatur hija korrelatata b'mod pożittiv mal-livell tal-iskala fuq il-graff, filwaqt li l-puplesija hija korrelata b'mod negattiv mal-livell tal-iskala.Il-kurrent u l-vultaġġ minn qabel f'kull wajer jibqgħu kostanti fil-livelli kollha.(d) It-tabella turi n-numru ta 'viti u t-tul tal-wajer SMA (fibra) f'kull livell.Il-karatteristiċi tal-wajers huma indikati bl-indiċi 1, u n-numru ta 'fergħat sekondarji (waħda konnessa mar-riġel primarju) huwa indikat bl-akbar numru fis-sottoskritt.Pereżempju, fil-livell 5, \(n_1\) tirreferi għan-numru ta 'wajers SMA preżenti f'kull struttura bimodali, u \(n_5\) tirreferi għan-numru ta' saqajn awżiljarji (wieħed imqabbad mar-riġel prinċipali).
Diversi metodi ġew proposti minn ħafna riċerkaturi biex jimmudellaw l-imġiba ta 'SMAs b'memorja tal-forma, li jiddependu fuq il-proprjetajiet termomekkaniċi li jakkumpanjaw il-bidliet makroskopiċi fl-istruttura tal-kristall assoċjati mat-tranżizzjoni tal-fażi.Il-formulazzjoni tal-metodi kostituttivi hija intrinsikament kumplessa.L-aktar mudell fenomenoloġiku użat komunement huwa propost minn Tanaka28 u huwa użat ħafna fl-applikazzjonijiet tal-inġinerija.Il-mudell fenomenoloġiku propost minn Tanaka [28] jassumi li l-frazzjoni tal-volum tal-martensite hija funzjoni esponenzjali tat-temperatura u l-istress.Aktar tard, Liang u Rogers29 u Brinson30 ipproponew mudell li fih id-dinamika tat-tranżizzjoni tal-fażi kienet preżunta li kienet funzjoni cosine ta 'vultaġġ u temperatura, b'modifiki żgħar għall-mudell.Becker u Brinson ipproponew mudell kinetiku bbażat fuq dijagramma tal-fażi biex jimmudella l-imġieba tal-materjali SMA taħt kundizzjonijiet ta 'tagħbija arbitrarji kif ukoll transizzjonijiet parzjali.Banerjee32 juża l-metodu tad-dinamika tad-dijagramma tal-fażi Bekker u Brinson31 biex jissimula manipulatur ta 'grad wieħed ta' libertà żviluppat minn Elahinia u Ahmadian33.Metodi kinetiċi bbażati fuq dijagrammi tal-fażi, li jqisu l-bidla mhux monotonika fil-vultaġġ bit-temperatura, huma diffiċli biex jiġu implimentati fl-applikazzjonijiet tal-inġinerija.Elakhinia u Ahmadian jiġbdu l-attenzjoni għal dawn in-nuqqasijiet ta 'mudelli fenomenoloġiċi eżistenti u jipproponu mudell fenomenoloġiku estiż biex janalizzaw u jiddefinixxu l-imġieba tal-memorja tal-forma taħt kwalunkwe kundizzjoni ta' tagħbija kumplessa.
Il-mudell strutturali tal-wajer SMA jagħti stress (\(\sigma\)), razza (\(\epsilon\)), temperatura (T), u frazzjoni tal-volum tal-martensite (\(\xi\)) tal-wajer SMA.Il-mudell kostituttiv fenomenoloġiku ġie propost l-ewwel minn Tanaka28 u aktar tard adottat minn Liang29 u Brinson30.Id-derivattiva tal-ekwazzjoni għandha l-forma:
fejn E huwa l-modulu ta 'SMA Young dipendenti mill-fażi miksub bl-użu ta' \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) u \(E_A\) u \(E_M\) li jirrappreżentaw il-modulu ta 'Young huma fażijiet awstenitiċi u martensitiċi, rispettivament, u l-koeffiċjent ta' espansjoni termali huwa rappreżentat minn \(\theta).Il-fattur tal-kontribuzzjoni tat-tranżizzjoni tal-fażi huwa \(\Omega = -E \epsilon _L\) u \(\epsilon _L\) huwa r-razza massima li tista' tiġi rkuprata fil-wajer SMA.
L-ekwazzjoni tad-dinamika tal-fażi tikkoinċidi mal-funzjoni cosine żviluppata minn Liang29 u aktar tard adottata minn Brinson30 minflok il-funzjoni esponenzjali proposta minn Tanaka28.Il-mudell tat-tranżizzjoni tal-fażi huwa estensjoni tal-mudell propost minn Elakhinia u Ahmadian34 u modifikat abbażi tal-kundizzjonijiet tat-tranżizzjoni tal-fażi mogħtija minn Liang29 u Brinson30.Il-kundizzjonijiet użati għal dan il-mudell ta 'tranżizzjoni tal-fażi huma validi taħt tagħbijiet termomekkaniċi kumplessi.F'kull mument ta 'żmien, il-valur tal-frazzjoni tal-volum tal-martensite huwa kkalkulat meta timmudella l-ekwazzjoni kostituttiva.
L-ekwazzjoni ta' ritrasformazzjoni li tirregola, espressa bit-trasformazzjoni ta' martensite għal awstenite taħt kundizzjonijiet ta' tisħin, hija kif ġej:
fejn \(\xi\) hija l-frazzjoni tal-volum tal-martensite, \(\xi _M\) hija l-frazzjoni tal-volum tal-martensite miksuba qabel it-tisħin, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ (\displaystyle b_A = -a_A/C_A\) u \(C_A\) – parameter wire, T_A\) – approssimazzjoni ta’ temperatura, T_A\ f\) – bidu u tmiem tal-fażi tal-awstenite, rispettivament, temperatura.
L-ekwazzjoni tal-kontroll tat-trasformazzjoni diretta, rappreżentata mit-trasformazzjoni tal-fażi ta 'austenite għal martensite taħt kundizzjonijiet ta' tkessiħ, hija:
fejn \(\xi _A\) hija l-frazzjoni tal-volum tal-martensite miksuba qabel it-tkessiħ, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) u \ (C_M \) – parametri ta’ twaħħil tal-kurva, T – temperatura tal-wajer SMA, temperatura finali, \) (M_s – M_f) rispettivament, \) – (M_f, temperatura finali)
Wara li l-ekwazzjonijiet (3) u (4) jiġu differenzjati, l-ekwazzjonijiet tat-trasformazzjoni inversa u diretta huma ssimplifikati għall-forma li ġejja:
Matul it-trasformazzjoni 'l quddiem u lura \(\eta _{\sigma}\) u \(\eta _{T}\) jieħdu valuri differenti.L-ekwazzjonijiet bażiċi assoċjati ma' \(\eta _{\sigma}\) u \(\eta _{T}\) ġew derivati u diskussi fid-dettall f'sezzjoni addizzjonali.
L-enerġija termali meħtieġa biex tgħolli t-temperatura tal-wajer SMA ġejja mill-effett tat-tisħin Joule.L-enerġija termali assorbita jew rilaxxata mill-wajer SMA hija rappreżentata mis-sħana moħbija tat-trasformazzjoni.It-telf tas-sħana fil-wajer SMA huwa dovut għal konvezzjoni sfurzata, u minħabba l-effett negliġibbli tar-radjazzjoni, l-ekwazzjoni tal-bilanċ tal-enerġija tas-sħana hija kif ġej:
Fejn \(m_{wire}\) hija l-massa totali tal-wajer SMA, \(c_{p}\) hija l-kapaċità tas-sħana speċifika tal-SMA, \(V_{in}\) hija l-vultaġġ applikat għall-wajer, \(R_{ohm} \ ) – reżistenza SMA dipendenti mill-fażi, definita bħala;\(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) fejn \(r_M\ ) u \(r_A\) huma r-reżistività tal-fażi SMA f'martensite u austenite, rispettivament, \(A_{c}\) hija l-erja tas-superfiċje tal-forma tal-memorja SMA, \(\)Is-sħana moħbija ta 'transizzjoni tal-wajer, T u \(T_{\infty}\) huma t-temperaturi tal-wajer SMA u l-ambjent, rispettivament.
Meta wajer ta 'liga tal-memorja tal-forma jiġi attwat, il-wajer jikkompressa, u joħloq forza f'kull fergħa tad-disinn bimodali msejħa forza tal-fibra.Il-forzi tal-fibri f'kull linja tal-wajer SMA flimkien joħolqu l-forza tal-muskoli biex attwaw, kif muri fil-Fig. 9e.Minħabba l-preżenza ta 'molla biasing, il-forza totali tal-muskoli tal-attwatur b'ħafna saffi Nth hija:
Filwaqt li tissostitwixxi \(N = 1\) fl-ekwazzjoni (7), is-saħħa tal-muskoli tal-prototip tad-drajv bimodali tal-ewwel stadju tista' tinkiseb kif ġej:
fejn n huwa n-numru ta 'riġlejn unimodali, \(F_m\) hija l-forza tal-muskoli ġġenerata mid-drajv, \(F_f\) hija s-saħħa tal-fibra fil-wajer SMA, \(K_x\) hija l-ebusija tal-preġudizzju.rebbiegħa, \(\alpha\) huwa l-angolu tat-trijangolu, \(x_0\) huwa l-offset inizjali tar-rebbiegħa tal-polarizzazzjoni biex iżżomm il-kejbil SMA fil-pożizzjoni pre-tensioned, u \(\Delta x\) huwa l-ivvjaġġar tal-attwatur.
L-ispostament totali jew il-moviment tad-drajv (\(\Delta x\)) skont il-vultaġġ (\(\sigma\)) u r-razza (\(\epsilon\)) fuq il-wajer SMA tal-istadju Nth, id-drajv huwa ssettjat għal (ara Fig. parti addizzjonali tal-output):
L-ekwazzjonijiet kinematiċi jagħtu r-relazzjoni bejn id-deformazzjoni tas-sewqan (\(\epsilon\)) u l-ispostament jew l-ispostament (\(\Delta x\)).Id-deformazzjoni tal-wajer Arb bħala funzjoni tat-tul inizjali tal-wajer Arb (\(l_0\)) u t-tul tal-wajer (l) fi kwalunkwe ħin t f'fergħa unimodali waħda hija kif ġej:
fejn \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) jinkiseb billi tiġi applikata l-formula tal-kosinu f'\(\Delta\)ABB ', kif muri fil-Figura 8. Għall-ewwel stadju tas-sewqan (\(N = 1\el\)), (\(N = 1\el\)),\(Delta\el\)),\(Delta\el) _1\) huwa \(\alpha \) kif muri f' Kif muri fil-Figura 8, billi tiddifferenzja l-ħin mill-Ekwazzjoni (11) u tissostitwixxi l-valur ta 'l, ir-rata tat-tensjoni tista' tinkiteb bħala:
fejn \(l_0\) huwa t-tul inizjali tal-wajer SMA, l huwa t-tul tal-wajer fi kwalunkwe ħin t f'fergħa waħda unimodal, \(\epsilon\) hija d-deformazzjoni żviluppata fil-wajer SMA, u \(\alpha \) hija l-angolu tat-trijangolu , \(\Delta x\) hija l-offset tas-sewqan (kif muri fil-Figura 8).
L-istrutturi kollha n-peak wieħed (\(n=6\) f'din il-figura) huma konnessi f'serje ma \(V_{in}\) bħala l-vultaġġ tad-dħul.Stadju I: Dijagramma skematika tal-wajer SMA f'konfigurazzjoni bimodali taħt kundizzjonijiet ta 'vultaġġ żero Stadju II: Struttura kkontrollata hija murija fejn il-wajer SMA huwa kkompressat minħabba konverżjoni inversa, kif muri mill-linja ħamra.
Bħala prova tal-kunċett, ġie żviluppat drive bimodali bbażat fuq SMA biex tittestja d-derivazzjoni simulata tal-ekwazzjonijiet sottostanti b'riżultati sperimentali.Il-mudell CAD tal-attwatur lineari bimodali huwa muri fil-fig.9a.Min-naħa l-oħra, fil-fig.9c juri disinn ġdid propost għal konnessjoni prismatika rotazzjonali bl-użu ta 'attwatur ibbażat fuq SMA b'żewġ pjani bi struttura bimodali.Il-komponenti tas-sewqan ġew iffabbrikati bl-użu ta 'manifattura addittiva fuq printer 3D Extended Ultimaker 3.Il-materjal użat għall-istampar 3D ta 'komponenti huwa polikarbonat li huwa adattat għal materjali reżistenti għas-sħana peress li huwa b'saħħtu, durabbli u għandu temperatura għolja ta' transizzjoni tal-ħġieġ (110-113 \(^{\circ }\) C).Barra minn hekk, Dynalloy, Inc. Il-wajer tal-liga tal-memorja tal-forma Flexinol intuża fl-esperimenti, u l-proprjetajiet tal-materjal li jikkorrispondu għall-wajer Flexinol intużaw fis-simulazzjonijiet.Wajers SMA multipli huma rranġati bħala fibri preżenti f'arranġament bimodali tal-muskoli biex jiksbu l-forzi għoljin prodotti minn attwaturi b'ħafna saffi, kif muri f'Fig. 9b, d.
Kif muri fil-Figura 9a, l-angolu akut iffurmat mill-wajer SMA tad-driegħ mobbli jissejjaħ l-angolu (\(\alpha\)).Bil-klampi terminali mwaħħla mal-klampi tax-xellug u tal-lemin, il-wajer SMA jinżamm fl-angolu bimodali mixtieq.L-apparat tar-rebbiegħa bias miżmum fuq il-konnettur tar-rebbiegħa huwa ddisinjat biex jaġġusta l-gruppi differenti ta 'estensjoni tar-rebbiegħa bias skond in-numru (n) ta' fibri SMA.Barra minn hekk, il-post tal-partijiet li jiċċaqilqu huwa ddisinjat sabiex il-wajer SMA jiġi espost għall-ambjent estern għal tkessiħ ta 'konvezzjoni sfurzata.Il-pjanċi ta 'fuq u ta' isfel tal-assemblaġġ li jista 'jinqala' jgħinu biex iżommu l-wajer SMA frisk b'cutouts estrużi ddisinjati biex inaqqsu l-piż.Barra minn hekk, iż-żewġt itruf tal-wajer CMA huma mwaħħla mat-terminali tax-xellug u tal-lemin, rispettivament, permezz ta 'crimp.Plunger huwa mwaħħal ma 'tarf wieħed tal-assemblaġġ mobbli biex jinżamm spazju bejn il-pjanċi ta' fuq u ta 'isfel.Il-planġer jintuża wkoll biex japplika forza ta 'imblukkar lis-sensor permezz ta' kuntatt biex titkejjel il-forza ta 'l-imblukkar meta l-wajer SMA jiġi attwat.
L-istruttura tal-muskoli bimodali SMA hija konnessa elettrikament f'serje u mħaddma minn vultaġġ ta 'polz ta' input.Matul iċ-ċiklu tal-polz tal-vultaġġ, meta l-vultaġġ jiġi applikat u l-wajer SMA jissaħħan 'il fuq mit-temperatura inizjali tal-austenite, it-tul tal-wajer f'kull linja jitqassar.Dan l-irtirar jattiva s-subassemblaġġ tad-driegħ mobbli.Meta l-vultaġġ ġie żeroed fl-istess ċiklu, il-wajer SMA imsaħħan tkessaħ taħt it-temperatura tal-wiċċ tal-martensite, u b'hekk jerġa 'lura għall-pożizzjoni oriġinali tiegħu.Taħt kundizzjonijiet ta 'tensjoni żero, il-wajer SMA l-ewwel jiġġebbed b'mod passiv minn molla bias biex jilħaq l-istat martensitiku detwinned.Il-kamin, li minnu jgħaddi l-wajer SMA, jiċċaqlaq minħabba l-kompressjoni maħluqa bl-applikazzjoni ta 'polz ta' vultaġġ għall-wajer SMA (SPA jilħaq il-fażi austenite), li jwassal għall-attwazzjoni tal-lieva mobbli.Meta l-wajer SMA jinġibed lura, ir-rebbiegħa bias toħloq forza opposta billi tkompli tiġġebbed ir-rebbiegħa.Meta l-istress fil-vultaġġ tal-impuls isir żero, il-wajer SMA jittawwal u jibdel il-forma tiegħu minħabba tkessiħ ta 'konvezzjoni sfurzata, u jilħaq fażi martensitika doppja.
Is-sistema ta 'attwatur lineari bbażata fuq SMA proposta għandha konfigurazzjoni bimodali li fiha l-wajers SMA huma angolati.(a) turi mudell CAD tal-prototip, li jsemmi xi wħud mill-komponenti u t-tifsiriet tagħhom għall-prototip, (b, d) jirrappreżentaw il-prototip sperimentali żviluppat35.Filwaqt li (b) juri veduta ta 'fuq tal-prototip b'konnessjonijiet elettriċi u molol bias u strain gauges użati, (d) juri veduta perspettiva tas-setup.(e) Dijagramma ta' sistema ta' attwazzjoni lineari b'wajers SMA mqiegħda bimodali fi kwalunkwe ħin t, li turi d-direzzjoni u l-kors tal-fibra u s-saħħa tal-muskoli.(c) Ġiet proposta konnessjoni priżmatika rotazzjonali 2-DOF għall-iskjerament ta 'attwatur ibbażat fuq SMA fuq żewġ pjani.Kif muri, il-link tittrażmetti mozzjoni lineari mill-drive tal-qiegħ għad-driegħ ta 'fuq, u toħloq konnessjoni rotazzjonali.Min-naħa l-oħra, il-moviment tal-par priżmi huwa l-istess bħall-moviment tas-sewqan tal-ewwel stadju b'ħafna saffi.
Sar studju sperimentali fuq il-prototip muri f'Fig. 9b biex jevalwa l-prestazzjoni ta 'drajv bimodali bbażat fuq SMA.Kif muri fil-Figura 10a, is-setup sperimentali kien jikkonsisti minn provvista ta 'enerġija DC programmabbli biex tforni vultaġġ ta' input lill-wajers SMA.Kif muri fil-fig.10b, intuża strain gauge pjeżoelettriku (PACEline CFT/5kN) biex titkejjel il-forza tal-imblukkar bl-użu ta 'data logger Graphtec GL-2000.Id-dejta tiġi rreġistrata mill-ospitant għal aktar studju.Strain gauges u amplifikaturi ta 'ċarġ jeħtieġu provvista ta' enerġija kostanti biex jipproduċu sinjal ta 'vultaġġ.Is-sinjali korrispondenti huma kkonvertiti f'outputs ta 'enerġija skond is-sensittività tas-sensor tal-forza pjeżoelettrika u parametri oħra kif deskritt fit-Tabella 2. Meta jiġi applikat polz ta 'vultaġġ, it-temperatura tal-wajer SMA tiżdied, u tikkawża li l-wajer SMA jikkompressa, li jikkawża li l-attwatur jiġġenera forza.Ir-riżultati sperimentali tal-ħruġ tas-saħħa tal-muskoli b'polz ta 'vultaġġ ta' input ta '7 V huma murija fil-fig.2a.
(a) Sistema ta 'attwatur lineari bbażata fuq SMA ġiet stabbilita fl-esperiment biex titkejjel il-forza ġġenerata mill-attwatur.Iċ-ċellula tat-tagħbija tkejjel il-forza tal-imblukkar u hija mħaddma minn provvista ta 'enerġija ta' 24 V DC.Waqgħa tal-vultaġġ ta '7 V ġiet applikata tul it-tul kollu tal-kejbil bl-użu ta' provvista ta 'enerġija DC programmabbli GW Instek.Il-wajer SMA jiċkien minħabba s-sħana, u d-driegħ mobbli jikkuntattja ċ-ċellula tat-tagħbija u jeżerċita forza ta 'imblukkar.Iċ-ċellula tat-tagħbija hija konnessa mad-data logger GL-2000 u d-data hija maħżuna fuq il-host għal aktar ipproċessar.(b) Dijagramma li turi l-katina tal-komponenti tas-setup sperimentali għall-kejl tas-saħħa tal-muskoli.
Ligi tal-memorja tal-forma huma eċċitati mill-enerġija termali, għalhekk it-temperatura ssir parametru importanti għall-istudju tal-fenomenu tal-memorja tal-forma.B'mod esperimentali, kif muri f'Fig. 11a, twettqu immaġni termali u kejl tat-temperatura fuq attwatur divalerate prototip ibbażat fuq SMA.Sors DC programmabbli applika vultaġġ ta 'input għall-wajers SMA fis-setup sperimentali, kif muri fil-Figura 11b.Il-bidla fit-temperatura tal-wajer SMA tkejjel f'ħin reali bl-użu ta 'kamera LWIR b'riżoluzzjoni għolja (FLIR A655sc).Il-host juża s-software ResearchIR biex jirreġistra data għal aktar ipproċessar ta' wara.Meta jiġi applikat polz ta 'vultaġġ, it-temperatura tal-wajer SMA tiżdied, u tikkawża li l-wajer SMA jiċkien.Fuq il-fig.Figura 2b turi r-riżultati sperimentali tat-temperatura tal-wajer SMA kontra l-ħin għal polz ta 'vultaġġ ta' input ta '7V.
Ħin tal-post: 28-Settembru 2022