Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com. De browserversie die u gebruikt, biedt beperkte CSS-ondersteuning. Voor de beste ervaring raden we u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen). Om de ondersteuning te kunnen blijven garanderen, zullen we de site in de tussentijd zonder stijlen en JavaScript weergeven.
Actuatoren worden overal gebruikt en creëren gecontroleerde bewegingen door de juiste excitatiekracht of het juiste koppel toe te passen om verschillende bewerkingen uit te voeren in de productie en industriële automatisering. De behoefte aan snellere, kleinere en efficiëntere aandrijvingen stimuleert innovatie in het ontwerp van aandrijvingen. Shape Memory Alloy (SMA)-aandrijvingen bieden een aantal voordelen ten opzichte van conventionele aandrijvingen, waaronder een hoge vermogen-gewichtsverhouding. In dit proefschrift is een actuator met twee SMA-veren ontwikkeld die de voordelen van de vederlichte spieren van biologische systemen combineert met de unieke eigenschappen van SMA's. Deze studie onderzoekt en breidt eerdere SMA-actuatoren uit door een wiskundig model van de nieuwe actuator te ontwikkelen op basis van de bimodale SMA-draadconfiguratie en dit experimenteel te testen. Vergeleken met bekende aandrijvingen op basis van SMA is de actuatiekracht van de nieuwe aandrijving minstens 5 keer hoger (tot 150 N). Het bijbehorende gewichtsverlies is ongeveer 67%. De resultaten van de gevoeligheidsanalyse van wiskundige modellen zijn nuttig voor het afstemmen van ontwerpparameters en het begrijpen van belangrijke parameters. Deze studie presenteert verder een meertraps N-de-traps aandrijving die kan worden gebruikt om de dynamiek verder te verbeteren. Op SMA gebaseerde dipvalerate spieractuatoren kennen een breed scala aan toepassingen, van gebouwautomatisering tot nauwkeurige medicijnafgiftesystemen.
Biologische systemen, zoals de spierstructuren van zoogdieren, kunnen vele subtiele actuatoren activeren1. Zoogdieren hebben verschillende spierstructuren, die elk een specifiek doel dienen. Een groot deel van de structuur van zoogdierspierweefsel kan echter worden onderverdeeld in twee brede categorieën: parallel en pennate. In de hamstrings en andere flexoren, zoals de naam al doet vermoeden, heeft de parallelle musculatuur spiervezels parallel aan de centrale pees. De keten van spiervezels is uitgelijnd en functioneel verbonden door het bindweefsel eromheen. Hoewel deze spieren een grote excursie (percentage verkorting) zouden hebben, is hun totale spierkracht zeer beperkt. Daarentegen wordt in de triceps kuitspier2 (laterale gastrocnemius (GL)3, mediale gastrocnemius (GM)4 en soleus (SOL)) en extensor femoris (quadriceps)5,6 pennate spierweefsel aangetroffen in elke spier7. In een geveerde structuur bevinden de spiervezels in de bipennate musculatuur zich aan beide zijden van de centrale pees in schuine hoeken (geveerde hoeken). Pennate komt van het Latijnse woord "penna", wat "pen" betekent, en heeft, zoals te zien is in figuur 1, een veerachtig uiterlijk. De vezels van de geveerde spieren zijn korter en staan ​​in een hoek ten opzichte van de longitudinale as van de spier. Door de geveerde structuur wordt de algehele mobiliteit van deze spieren verminderd, wat leidt tot de transversale en longitudinale componenten van het verkortingsproces. Aan de andere kant leidt activering van deze spieren tot een hogere algehele spierkracht vanwege de manier waarop de fysiologische dwarsdoorsnede wordt gemeten. Daarom zullen geveerde spieren, voor een gegeven dwarsdoorsnede, sterker zijn en hogere krachten genereren dan spieren met parallelle vezels. Krachten die door individuele vezels worden gegenereerd, genereren spierkrachten op macroscopisch niveau in dat spierweefsel. Bovendien heeft het unieke eigenschappen zoals snelle krimp, bescherming tegen trekschade en demping. Het verandert de verhouding tussen vezelinput en spierkrachtoutput door gebruik te maken van de unieke eigenschappen en geometrische complexiteit van de vezelopstelling die verband houdt met de werklijnen van de spieren.
Getoond worden schematische diagrammen van bestaande SMA-gebaseerde actuatorontwerpen in relatie tot een bimodale spierarchitectuur, bijvoorbeeld (a), die de interactie van tactiele kracht representeert waarbij een handvormig apparaat, aangestuurd door SMA-draden, is gemonteerd op een tweewielige autonome mobiele robot9,10. , (b) Robotische orbitale prothese met antagonistisch geplaatste SMA-orbitale prothese met veer. De positie van het prothetische oog wordt aangestuurd door een signaal van de oogspier van het oog11, (c) SMA-actuatoren zijn ideaal voor onderwatertoepassingen vanwege hun hoge frequentierespons en lage bandbreedte. In deze configuratie worden SMA-actuatoren gebruikt om golfbeweging te creëren door de beweging van vissen te simuleren, (d) SMA-actuatoren worden gebruikt om een ​​micro-buisinspectierobot te maken die het inch-wormbewegingsprincipe kan gebruiken, bestuurd door de beweging van SMA-draden in kanaal 10, (e) toont de richting van de samentrekking van spiervezels en het genereren van contractiekracht in gastrocnemiusweefsel, (f) toont SMA-draden die zijn gerangschikt in de vorm van spiervezels in de pennate spierstructuur.
Actuatoren zijn een belangrijk onderdeel geworden van mechanische systemen vanwege hun brede scala aan toepassingen. Daarom is de behoefte aan kleinere, snellere en efficiëntere aandrijvingen cruciaal. Ondanks hun voordelen blijken traditionele aandrijvingen duur en tijdrovend in onderhoud. Hydraulische en pneumatische actuatoren zijn complex en duur en zijn onderhevig aan slijtage, smeringsproblemen en componentfalen. Om aan de vraag te voldoen, ligt de focus op de ontwikkeling van kosteneffectieve, geoptimaliseerde en geavanceerde actuatoren op basis van slimme materialen. Lopend onderzoek richt zich op gelaagde actuatoren van vormgeheugenlegeringen (SMA) om aan deze behoefte te voldoen. Hiërarchische actuatoren zijn uniek omdat ze vele discrete actuatoren combineren tot geometrisch complexe subsystemen op macroschaal voor een verhoogde en uitgebreidere functionaliteit. In dit opzicht biedt het hierboven beschreven menselijke spierweefsel een uitstekend voorbeeld van een dergelijke gelaagde aandrijving. De huidige studie beschrijft een SMA-aandrijving met meerdere niveaus met verschillende individuele aandrijfelementen (SMA-draden) die zijn uitgelijnd met de vezeloriëntaties in bimodale spieren, wat de algehele aandrijfprestaties verbetert.
Het hoofddoel van een actuator is het genereren van mechanisch vermogen, zoals kracht en verplaatsing, door elektrische energie om te zetten. Vormgeheugenlegeringen zijn een klasse van "slimme" materialen die hun vorm kunnen herstellen bij hoge temperaturen. Onder hoge belasting leidt een temperatuurstijging van de SMA-draad tot vormherstel, wat resulteert in een hogere actuatie-energiedichtheid in vergelijking met verschillende direct verbonden slimme materialen. Tegelijkertijd worden SMA's onder mechanische belasting broos. Onder bepaalde omstandigheden kan een cyclische belasting mechanische energie absorberen en afgeven, waarbij omkeerbare hysteretische vormveranderingen optreden. Deze unieke eigenschappen maken SMA ideaal voor sensoren, trillingsdemping en met name actuatoren12. Met dit in gedachten is er veel onderzoek gedaan naar SMA-gebaseerde aandrijvingen. Opgemerkt moet worden dat SMA-gebaseerde actuatoren zijn ontworpen om translationele en roterende bewegingen te leveren voor een verscheidenheid aan toepassingen13,14,15. Hoewel er enkele roterende actuatoren zijn ontwikkeld, zijn onderzoekers vooral geïnteresseerd in lineaire actuatoren. Deze lineaire actuatoren kunnen worden onderverdeeld in drie soorten actuatoren: eendimensionale, verplaatsings- en differentiële actuatoren16. Aanvankelijk werden hybride aandrijvingen ontwikkeld in combinatie met SMA en andere conventionele aandrijvingen. Een voorbeeld van een SMA-gebaseerde hybride lineaire actuator is het gebruik van een SMA-kabel met een DC-motor om een ​​uitgangskracht van ongeveer 100 N en een aanzienlijke verplaatsing te leveren17.
Een van de eerste ontwikkelingen in aandrijvingen die volledig op SMA gebaseerd waren, was de SMA-parallelle aandrijving. Met behulp van meerdere SMA-draden is de SMA-gebaseerde parallelle aandrijving ontworpen om het vermogen van de aandrijving te vergroten door alle SMA18-draden parallel te plaatsen. Parallelle aansluiting van actuatoren vereist niet alleen meer vermogen, maar beperkt ook het uitgangsvermogen van een enkele draad. Een ander nadeel van SMA-gebaseerde actuatoren is de beperkte slag die ze kunnen bereiken. Om dit probleem op te lossen, werd een SMA-kabelbalk gecreëerd met een afgebogen flexibele balk om de verplaatsing te vergroten en een lineaire beweging te bereiken, maar deze genereerde geen hogere krachten19. Zachte, vervormbare structuren en stoffen voor robots op basis van vormgeheugenlegeringen zijn voornamelijk ontwikkeld voor impactversterking20,21,22. Voor toepassingen waar hoge snelheden vereist zijn, zijn compact aangedreven pompen gerapporteerd die dunne-film SMA's gebruiken voor micropomp-aangedreven toepassingen23. De aandrijffrequentie van het dunne-film SMA-membraan is een belangrijke factor bij het regelen van de snelheid van de aandrijving. Daarom hebben lineaire SMA-motoren een betere dynamische respons dan veer- of staafmotoren van SMA. Zachte robotica en grijptechnologie zijn twee andere toepassingen die gebruikmaken van SMA-gebaseerde actuatoren. Zo werd bijvoorbeeld een parallelle actuator 24 van een vormgeheugenlegering ontwikkeld ter vervanging van de standaardactuator die in de 25 N-ruimteklem wordt gebruikt. In een ander geval werd een zachte SMA-actuator gefabriceerd op basis van een draad met een ingebedde matrix die een maximale trekkracht van 30 N kan produceren. Vanwege hun mechanische eigenschappen worden SMA's ook gebruikt om actuatoren te produceren die biologische verschijnselen nabootsen. Een dergelijke ontwikkeling omvat een 12-cellenrobot die een regenwormachtig organisme biomimetisch nabootst, waarbij SMA een sinusvormige beweging genereert om te vuren26,27.
Zoals eerder vermeld, is er een limiet aan de maximale kracht die kan worden verkregen met bestaande SMA-gebaseerde actuatoren. Om dit probleem aan te pakken, presenteert deze studie een biomimetische bimodale spierstructuur. Deze wordt aangestuurd door draad van een vormgeheugenlegering. Het biedt een classificatiesysteem dat verschillende draden van een vormgeheugenlegering omvat. Tot op heden zijn er in de literatuur geen SMA-gebaseerde actuatoren met een vergelijkbare architectuur gerapporteerd. Dit unieke en nieuwe systeem, gebaseerd op SMA, werd ontwikkeld om het gedrag van SMA tijdens bimodale spieruitlijning te bestuderen. Vergeleken met bestaande SMA-gebaseerde actuatoren was het doel van deze studie om een ​​biomimetische dipvalerate actuator te creëren die aanzienlijk hogere krachten genereert in een klein volume. Vergeleken met conventionele stappenmotor-aangedreven aandrijvingen die worden gebruikt in HVAC-gebouwautomatisering en -controlesystemen, vermindert het voorgestelde SMA-gebaseerde bimodale aandrijfontwerp het gewicht van het aandrijfmechanisme met 67%. In het vervolg worden de termen "spier" en "aandrijving" door elkaar gebruikt. Deze studie onderzoekt de multifysische simulatie van een dergelijke aandrijving. Het mechanische gedrag van dergelijke systemen is bestudeerd met experimentele en analytische methoden. Kracht- en temperatuurverdelingen werden verder onderzocht bij een ingangsspanning van 7 V. Vervolgens werd een parametrische analyse uitgevoerd om de relatie tussen sleutelparameters en de uitgangskracht beter te begrijpen. Ten slotte werden hiërarchische actuatoren voorgesteld en werden hiërarchische niveau-effecten voorgesteld als een potentieel toekomstig gebied voor niet-magnetische actuatoren voor prothetische toepassingen. Volgens de resultaten van de bovengenoemde studies produceert het gebruik van een enkeltrapsarchitectuur krachten die minstens vier tot vijf keer hoger zijn dan gerapporteerde SMA-gebaseerde actuatoren. Bovendien is aangetoond dat dezelfde aandrijfkracht die wordt gegenereerd door een multi-level multi-level aandrijving meer dan tien keer zo hoog is als die van conventionele SMA-gebaseerde aandrijvingen. De studie rapporteert vervolgens sleutelparameters met behulp van gevoeligheidsanalyse tussen verschillende ontwerpen en invoervariabelen. De initiële lengte van de SMA-draad (\(l_0\)), de geveerde hoek (\(\alpha\)) en het aantal afzonderlijke strengen (n) in elke individuele streng hebben een sterk negatief effect op de grootte van de aandrijfkracht, terwijl de ingangsspanning (energie) positief gecorreleerd bleek te zijn.
SMA-draad vertoont het vormgeheugeneffect (SME) dat voorkomt in de nikkel-titanium (Ni-Ti) legeringen. SMA's vertonen doorgaans twee temperatuurafhankelijke fasen: een lagetemperatuurfase en een hogetemperatuurfase. Beide fasen hebben unieke eigenschappen dankzij de aanwezigheid van verschillende kristalstructuren. In de austenietfase (hogetemperatuurfase) die zich boven de transformatietemperatuur bevindt, vertoont het materiaal een hoge sterkte en vervormt het nauwelijks onder belasting. De legering gedraagt ​​zich als roestvrij staal en is daardoor bestand tegen hogere actuatiedrukken. Door gebruik te maken van deze eigenschap van Ni-Ti-legeringen, zijn de SMA-draden schuin geplaatst om een ​​actuator te vormen. Geschikte analytische modellen zijn ontwikkeld om de fundamentele mechanica van het thermische gedrag van SMA te begrijpen onder invloed van verschillende parameters en geometrieën. Er werd een goede overeenstemming bereikt tussen de experimentele en analytische resultaten.
Er werd een experimentele studie uitgevoerd op het prototype weergegeven in Fig. 9a om de prestaties van een bimodale aandrijving op basis van SMA te evalueren. Twee van deze eigenschappen, de door de aandrijving gegenereerde kracht (spierkracht) en de temperatuur van de SMA-draad (SMA-temperatuur), werden experimenteel gemeten. Naarmate het spanningsverschil over de gehele lengte van de draad in de aandrijving toeneemt, stijgt de temperatuur van de draad als gevolg van het Joule-verwarmingseffect. De ingangsspanning werd toegepast in twee cycli van 10 s (weergegeven als rode stippen in Fig. 2a, b) met een afkoelperiode van 15 s tussen elke cyclus. De blokkeerkracht werd gemeten met een piëzo-elektrische rekstrook en de temperatuurverdeling van de SMA-draad werd in realtime bewaakt met een wetenschappelijke hoge-resolutie LWIR-camera (zie de kenmerken van de gebruikte apparatuur in Tabel 2). toont aan dat tijdens de hoogspanningsfase de temperatuur van de draad monotoon stijgt, maar wanneer er geen stroom loopt, blijft de temperatuur van de draad dalen. In de huidige experimentele opstelling daalde de temperatuur van de SMA-draad tijdens de afkoelingsfase, maar lag nog steeds boven de omgevingstemperatuur. Figuur 2e toont een momentopname van de temperatuur op de SMA-draad, genomen met de LWIR-camera. Figuur 2a toont daarentegen de blokkeerkracht die door het aandrijfsysteem wordt gegenereerd. Wanneer de spierkracht de terugstelkracht van de veer overschrijdt, begint de beweegbare arm, zoals weergegeven in figuur 9a, te bewegen. Zodra de aandrijving begint, komt de beweegbare arm in contact met de sensor, waardoor een lichaamskracht ontstaat, zoals weergegeven in figuur 2c, d. Wanneer de maximumtemperatuur dicht bij \(84\,^{\circ}\hbox {C}\) ligt, bedraagt ​​de maximaal waargenomen kracht 105 N.
De grafiek toont de experimentele resultaten van de temperatuur van de SMA-draad en de kracht die wordt gegenereerd door de SMA-gebaseerde bimodale actuator gedurende twee cycli. De ingangsspanning wordt toegepast in twee cycli van 10 seconden (weergegeven als rode stippen) met een afkoelperiode van 15 seconden tussen elke cyclus. De SMA-draad die voor de experimenten werd gebruikt, was een Flexinol-draad met een diameter van 0,51 mm van Dynalloy, Inc. (a) De grafiek toont de experimentele kracht verkregen over twee cycli, (c, d) toont twee onafhankelijke voorbeelden van de werking van bewegende armactuatoren op een PACEline CFT/5kN piëzo-elektrische krachtopnemer, (b) de grafiek toont de maximumtemperatuur van de gehele SMA-draad gedurende twee cycli, (e) toont een momentopname van de temperatuur van de SMA-draad met behulp van de LWIR-camera van de FLIR ResearchIR-software. De geometrische parameters waarmee rekening is gehouden in de experimenten staan ​​vermeld in tabel 1.
De simulatieresultaten van het wiskundige model en de experimentele resultaten worden vergeleken onder de voorwaarde van een ingangsspanning van 7 V, zoals weergegeven in Afb. 5. Volgens de resultaten van de parametrische analyse en om de mogelijkheid van oververhitting van de SMA-draad te voorkomen, werd een vermogen van 11,2 W aan de actuator geleverd. Een programmeerbare DC-voeding werd gebruikt om 7 V als ingangsspanning te leveren en een stroom van 1,6 A werd over de draad gemeten. De door de aandrijving gegenereerde kracht en de temperatuur van de SDR nemen toe wanneer er stroom wordt toegepast. Bij een ingangsspanning van 7 V is de maximale uitgangskracht verkregen uit de simulatieresultaten en experimentele resultaten van de eerste cyclus respectievelijk 78 N en 96 N. In de tweede cyclus was de maximale uitgangskracht van de simulatie- en experimentele resultaten respectievelijk 150 N en 105 N. De discrepantie tussen de metingen van de occlusiekracht en de experimentele gegevens kan te wijten zijn aan de methode die is gebruikt om de occlusiekracht te meten. De experimentele resultaten weergegeven in Afb. Figuur 5a komt overeen met de meting van de vergrendelingskracht, die op zijn beurt werd gemeten toen de aandrijfas in contact was met de PACEline CFT/5kN piëzo-elektrische krachtopnemer, zoals weergegeven in figuur 2s. Wanneer de aandrijfas aan het begin van de koelzone niet in contact is met de krachtsensor, wordt de kracht daarom onmiddellijk nul, zoals weergegeven in figuur 2d. Daarnaast zijn andere parameters die de krachtvorming in volgende cycli beïnvloeden de waarden van de koeltijd en de coëfficiënt van convectieve warmteoverdracht in de vorige cyclus. Uit figuur 2b is te zien dat de SMA-draad na een afkoelperiode van 15 seconden de kamertemperatuur niet bereikte en daarom een ​​hogere begintemperatuur (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) had in de tweede aandrijfcyclus vergeleken met de eerste cyclus (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Nederlands Dus, vergeleken met de eerste cyclus, bereikt de temperatuur van de SMA-draad tijdens de tweede verwarmingscyclus eerder de initiële austeniettemperatuur (\(A_s\)) en blijft langer in de overgangsperiode, wat resulteert in spanning en kracht. Aan de andere kant hebben temperatuurverdelingen tijdens verwarmings- en afkoelingscycli verkregen uit experimenten en simulaties een hoge kwalitatieve gelijkenis met voorbeelden uit thermografische analyse. Vergelijkende analyse van thermische gegevens van de SMA-draad uit experimenten en simulaties toonde consistentie tijdens verwarmings- en afkoelingscycli en binnen acceptabele toleranties voor experimentele gegevens. De maximale temperatuur van de SMA-draad, verkregen uit de resultaten van simulatie en experimenten van de eerste cyclus, is \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) en \(75\,^{\circ }\hbox { C }\, respectievelijk ), en in de tweede cyclus is de maximale temperatuur van de SMA-draad \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) en \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\). Het fundamenteel ontwikkelde model bevestigt het effect van het vormgeheugeneffect. De rol van vermoeiing en oververhitting werd in deze review niet meegenomen. In de toekomst zal het model worden verbeterd met de spanningsgeschiedenis van de SMA-draad, waardoor het geschikter wordt voor technische toepassingen. De grafieken van de aandrijfkracht en de SMA-temperatuur, verkregen uit het Simulink-blok, vallen binnen de toegestane toleranties van de experimentele gegevens onder de voorwaarde van een ingangsspanningspuls van 7 V. Dit bevestigt de juistheid en betrouwbaarheid van het ontwikkelde wiskundige model.
Het wiskundige model is ontwikkeld in de Simulink R2020b-omgeving van MathWorks met behulp van de basisvergelijkingen die in het hoofdstuk Methoden zijn beschreven. Figuur 3b toont een blokdiagram van het Simulink-wiskundemodel. Het model is gesimuleerd voor een ingangsspanningspuls van 7 V, zoals weergegeven in figuur 2a, b. De waarden van de parameters die in de simulatie zijn gebruikt, staan ​​vermeld in tabel 1. De resultaten van de simulatie van transiënte processen worden gepresenteerd in figuur 1 en 1. Figuur 3a en 4. Figuur 4a, b toont de geïnduceerde spanning in de SMA-draad en de door de actuator gegenereerde kracht als functie van de tijd. Tijdens omgekeerde transformatie (verhitting), wanneer de SMA-draadtemperatuur, \(T < A_s^{\prime}\) (starttemperatuur van de spanningsgemodificeerde austenietfase), zal de veranderingssnelheid van het volumeaandeel van martensiet (\(\dot{\xi }\)) nul zijn. Tijdens omgekeerde transformatie (verhitting), wanneer de SMA-draadtemperatuur, \(T < A_s^{\prime}\) (starttemperatuur van de spanningsgemodificeerde austenietfase), zal de veranderingssnelheid van het volumeaandeel van martensiet (\(\dot{\ xi }\)) nul zijn. Als u de SMA-functie gebruikt, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитной фазы, (\(\dot{\ xi }\)) Dit is het geval. Tijdens de omgekeerde transformatie (verhitting), wanneer de temperatuur van de SMA-draad, \(T < A_s^{\prime}\) (spanningsgemodificeerde austeniet-aanvangstemperatuur), nul zal zijn.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（\(\dot{\ xi }\))将为零。在反向转变（加热） 中, 当 当 当 线 温度 \ (t \(T < A_s^{\prime}\) (температура De beste manier om dit te doen напряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Tijdens de omgekeerde transformatie (verhitting) bij de temperatuur van de SMA-draad \(T < A_s^{\prime}\) (de temperatuur van de nucleatie van de austenietfase, gecorrigeerd voor spanning), zal de veranderingssnelheid van het volumeaandeel van martensiet (\( \dot{\ xi }\)) gelijk zijn aan nul.De snelheid van spanningsverandering (\(\dot{\sigma}\)) zal daarom alleen afhangen van de reksnelheid (\(\dot{\epsilon}\)) en de temperatuurgradiënt (\(\dot{T} \) ) met behulp van vergelijking (1). Naarmate de SMA-draad echter in temperatuur stijgt en (\(A_s^{\prime}\)) kruist, begint de austenietfase zich te vormen en wordt (\(\dot{\xi}\)) genomen als de gegeven waarde van vergelijking (3). De snelheid van spanningsverandering (\(\dot{\sigma}\)) wordt daarom gezamenlijk bepaald door \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) en \(\dot{\xi}\) en moet gelijk zijn aan de waarden in formule (1). Dit verklaart de gradiëntveranderingen die worden waargenomen in de tijdsvariërende spannings- en krachtkaarten tijdens de verwarmingscyclus, zoals weergegeven in Afb. 4a, b.
(a) Simulatieresultaat dat de temperatuurverdeling en de spanningsgeïnduceerde overgangstemperatuur in een SMA-gebaseerde divaleraatactuator laat zien. Wanneer de draadtemperatuur de austenietovergangstemperatuur in de verwarmingsfase overschrijdt, begint de gemodificeerde austenietovergangstemperatuur te stijgen. Evenzo daalt de martensitische overgangstemperatuur wanneer de temperatuur van de walsdraad de martensitische overgangstemperatuur in de afkoelingsfase overschrijdt. SMA voor analytische modellering van het actuatieproces. (Zie de bijlage van het aanvullende bestand voor een gedetailleerd overzicht van elk subsysteem van een Simulink-model.)
De resultaten van de analyse voor verschillende parameterverdelingen worden weergegeven voor twee cycli van de 7V-ingangsspanning (opwarmcycli van 10 seconden en afkoelcycli van 15 seconden). (ac) en (e) geven de verdeling in de tijd weer, terwijl (d) en (f) de verdeling met temperatuur illustreren. Voor de respectievelijke ingangsomstandigheden bedraagt ​​de maximaal waargenomen spanning 106 MPa (minder dan 345 MPa, draadrek), de kracht 150 N, de maximale verplaatsing 270 µm en de minimale martensitische volumefractie 0,91. De verandering in spanning en de verandering in de volumefractie van martensiet met temperatuur zijn daarentegen vergelijkbaar met hysteresekarakteristieken.
Dezelfde uitleg geldt voor de directe transformatie (afkoeling) van de austenietfase naar de martensietfase, waarbij de temperatuur van de SMA-draad (T) en de eindtemperatuur van de spanningsgemodificeerde martensietfase (\(M_f^{\prime}\ )) uitstekend zijn. In figuur 4d toont f de verandering in de geïnduceerde spanning (\(\sigma\)) en het volumeaandeel martensiet (\(\xi\)) in de SMA-draad als functie van de temperatuurverandering van de SMA-draad (T), voor beide aandrijfcycli. In figuur 3a wordt de temperatuurverandering van de SMA-draad in de tijd weergegeven, afhankelijk van de ingangsspanningspuls. Zoals te zien is in de figuur, blijft de temperatuur van de draad stijgen door het voorzien van een warmtebron bij nulspanning en daaropvolgende convectieve koeling. Tijdens verhitting begint de retransformatie van martensiet naar de austenietfase wanneer de temperatuur van de SMA-draad (T) de spanningsgecorrigeerde nucleatietemperatuur van austeniet (\(A_s^{\prime}\)) overschrijdt. Tijdens deze fase wordt de SMA-draad samengedrukt en genereert de actuator kracht. Ook tijdens het afkoelen, wanneer de temperatuur van de SMA-draad (T) de nucleatietemperatuur van de spanningsgemodificeerde martensietfase (\(M_s^{\prime}\)) overschrijdt, vindt er een positieve overgang plaats van de austenietfase naar de martensietfase. De aandrijfkracht neemt af.
De belangrijkste kwalitatieve aspecten van de bimodale aandrijving op basis van SMA kunnen worden afgeleid uit de simulatieresultaten. Bij een spanningspulsingang stijgt de temperatuur van de SMA-draad door het Joule-verwarmingseffect. De initiële waarde van de martensietvolumefractie (\(\xi\)) is ingesteld op 1, aangezien het materiaal zich aanvankelijk in een volledig martensitische fase bevindt. Naarmate de draad verder opwarmt, overschrijdt de temperatuur van de SMA-draad de spanningsgecorrigeerde austenietnucleatietemperatuur \(A_s^{\prime}\), wat resulteert in een afname van de martensietvolumefractie, zoals weergegeven in afbeelding 4c. Daarnaast toont figuur 4e de verdeling van de slagen van de actuator in de tijd, en in figuur 5 – de aandrijfkracht als functie van de tijd. Een gerelateerd systeem van vergelijkingen omvat temperatuur, martensietvolumefractie en spanning die zich in de draad ontwikkelt, resulterend in krimp van de SMA-draad en de kracht die door de actuator wordt gegenereerd. Zoals weergegeven in figuur 4d,f, spanningsvariatie met temperatuur en variatie van het martensietvolumeaandeel met temperatuur komen overeen met de hysteresekarakteristieken van de SMA in het gesimuleerde geval bij 7 V.
De vergelijking van de aandrijfparameters werd verkregen door middel van experimenten en analytische berekeningen. De draden werden gedurende 10 seconden blootgesteld aan een gepulste ingangsspanning van 7 V en vervolgens gedurende 15 seconden afgekoeld (afkoelfase) in twee cycli. De geveerde hoek is ingesteld op \(40^{\circ}\) en de initiële lengte van de SMA-draad in elke afzonderlijke pinpoot is ingesteld op 83 mm. (a) De aandrijfkracht meten met een weegcel (b) De draadtemperatuur bewaken met een thermische infraroodcamera.
Om de invloed van fysieke parameters op de door de aandrijving geproduceerde kracht te begrijpen, werd een analyse uitgevoerd van de gevoeligheid van het wiskundige model voor de geselecteerde fysieke parameters, en werden de parameters gerangschikt op basis van hun invloed. Eerst werden de modelparameters bemonsterd met behulp van experimentele ontwerpprincipes die een uniforme verdeling volgden (zie de aanvullende sectie over gevoeligheidsanalyse). In dit geval omvatten de modelparameters de ingangsspanning (V_{in}\)), de initiële SMA-draadlengte (l_0\)), de driehoekshoek (alpha\)), de voorspanningsveerconstante (K_x\ )), de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt (h_T\)) en het aantal unimodale takken (n). In de volgende stap werd de piekspierkracht gekozen als een vereiste voor het studieontwerp en werden de parametrische effecten van elke set variabelen op de kracht verkregen. De tornadoplots voor de gevoeligheidsanalyse werden afgeleid van de correlatiecoëfficiënten voor elke parameter, zoals weergegeven in figuur 6a.
(a) De correlatiecoëfficiëntwaarden van de modelparameters en hun effect op de maximale uitgangskracht van 2500 unieke groepen van de bovengenoemde modelparameters worden weergegeven in de tornadografiek. De grafiek toont de rangcorrelatie van verschillende indicatoren. Het is duidelijk dat \(V_{in}\) de enige parameter is met een positieve correlatie, en \(l_0\) de parameter met de hoogste negatieve correlatie. Het effect van verschillende parameters in verschillende combinaties op de piekspierkracht wordt weergegeven in (b, c). \(K_x\) varieert van 400 tot 800 N/m en n varieert van 4 tot 24. De spanning (\(V_{in}\)) veranderde van 4 V naar 10 V, de draadlengte (\(l_{0 } \)) veranderde van 40 naar 100 mm en de staarthoek (\ (\alpha \)) varieerde van \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Figuur 6a toont een tornadoplot van verschillende correlatiecoëfficiënten voor elke parameter met ontwerpvereisten voor piekaandrijfkracht. Uit figuur 6a blijkt dat de spanningsparameter (\(V_{in}\)) direct gerelateerd is aan de maximale uitgangskracht, en dat de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt (\(h_T\)), vlamhoek (\ ( \alpha\)) en verplaatsingsveerconstante ( \(K_x\)) negatief gecorreleerd zijn met de uitgangskracht en de initiële lengte (\(l_0\)) van de SMA-draad, en dat het aantal unimodale takken (n) een sterke inverse correlatie vertoont. In het geval van directe correlatie geeft een hogere waarde van de spanningscorrelatiecoëfficiënt (\(V_ {in}\)) aan dat deze parameter het grootste effect heeft op het uitgangsvermogen. Een andere soortgelijke analyse meet de piekkracht door het effect van verschillende parameters in verschillende combinaties van de twee rekenruimtes te evalueren, zoals weergegeven in figuur 6b, c. \(V_{in}\) en \(l_0\), \(\alpha\) en \(l_0\) hebben vergelijkbare patronen, en de grafiek laat zien dat \(V_{in}\) en \(\alpha\) en \(\alpha\) vergelijkbare patronen hebben. Lagere waarden van \(l_0\) resulteren in hogere piekkrachten. De andere twee grafieken komen overeen met figuur 6a, waar n en \(K_x\) negatief gecorreleerd zijn en \(V_{in}\) positief gecorreleerd. Deze analyse helpt bij het definiëren en aanpassen van de beïnvloedende parameters waarmee de uitgangskracht, slag en efficiëntie van het aandrijfsysteem kunnen worden aangepast aan de eisen en toepassing.
Huidig ​​onderzoek introduceert en onderzoekt hiërarchische aandrijvingen met N niveaus. In een hiërarchie met twee niveaus, zoals weergegeven in figuur 7a, wordt in plaats van elke SMA-draad van de actuator van het eerste niveau een bimodale opstelling bereikt, zoals weergegeven in figuur 9e. Figuur 7c toont hoe de SMA-draad is gewikkeld rond een beweegbare arm (hulparm) die alleen in de lengterichting beweegt. De primaire beweegbare arm blijft echter op dezelfde manier bewegen als de beweegbare arm van de meertraps actuator van de eerste fase. Een N-traps aandrijving wordt doorgaans gecreëerd door de SMA-draad van de \(N-1\) fase te vervangen door een aandrijving van de eerste fase. Hierdoor imiteert elke tak de aandrijving van de eerste fase, met uitzondering van de tak die de draad zelf vasthoudt. Op deze manier kunnen geneste structuren worden gevormd die krachten creëren die meerdere malen groter zijn dan de krachten van de primaire aandrijvingen. In deze studie werd voor elk niveau rekening gehouden met een totale effectieve SMA-draadlengte van 1 m, zoals weergegeven in tabelvorm in Fig. 7d. De stroom door elke draad in elk unimodaal ontwerp en de resulterende voorspanning en spanning in elk SMA-draadsegment zijn op elk niveau hetzelfde. Volgens ons analytisch model is de uitgangskracht positief gecorreleerd met het niveau, terwijl de verplaatsing negatief gecorreleerd is. Tegelijkertijd was er een afweging tussen verplaatsing en spierkracht. Zoals te zien is in Fig. 7b, wordt de grootste kracht bereikt in het grootste aantal lagen, maar wordt de grootste verplaatsing waargenomen in de onderste laag. Toen het hiërarchieniveau werd ingesteld op \(N=5\), werd een piekspierkracht van 2,58 kN gevonden met 2 waargenomen slagen \(\upmu\)m. Aan de andere kant genereert de aandrijving van de eerste trap een kracht van 150 N bij een slag van 277 \(\upmu\)m. Meerlagige actuatoren kunnen echte biologische spieren nabootsen, terwijl kunstmatige spieren op basis van vormgeheugenlegeringen aanzienlijk hogere krachten kunnen genereren met nauwkeurige en verfijnde bewegingen. De beperkingen van dit geminiaturiseerde ontwerp zijn dat naarmate de hiërarchie toeneemt, de beweging sterk afneemt en de complexiteit van het productieproces van de aandrijving toeneemt.
(a) Een tweetraps (\(N=2\)) gelaagd lineair actuatorsysteem van vormgeheugenlegering wordt getoond in een bimodale configuratie. Het voorgestelde model wordt bereikt door de SMA-draad in de gelaagde actuator van de eerste trap te vervangen door een andere enkeltraps gelaagde actuator. (c) Vervormde configuratie van de meerlaagse actuator van de tweede trap. (b) De verdeling van krachten en verplaatsingen afhankelijk van het aantal niveaus wordt beschreven. Er is gevonden dat de piekkracht van de actuator positief gecorreleerd is met het schaalniveau in de grafiek, terwijl de slag negatief gecorreleerd is met het schaalniveau. De stroom en voorspanning in elke draad blijven op alle niveaus constant. (d) De tabel toont het aantal aftakkingen en de lengte van de SMA-draad (vezel) op elk niveau. De kenmerken van de draden worden aangegeven met index 1 en het aantal secundaire takken (één verbonden met de primaire poot) wordt aangegeven met het grootste nummer in het subscript. Op niveau 5 verwijst \(n_1\) bijvoorbeeld naar het aantal SMA-draden dat in elke bimodale structuur aanwezig is, en verwijst \(n_5\) naar het aantal hulptakken (één verbonden met de hoofdtak).
Verschillende onderzoekers hebben verschillende methoden voorgesteld om het gedrag van SMA's met vormgeheugen te modelleren, die afhankelijk zijn van de thermomechanische eigenschappen die gepaard gaan met de macroscopische veranderingen in de kristalstructuur die verband houden met de faseovergang. De formulering van constitutieve methoden is inherent complex. Het meest gebruikte fenomenologische model is voorgesteld door Tanaka28 en wordt veel gebruikt in technische toepassingen. Het fenomenologische model voorgesteld door Tanaka [28] gaat ervan uit dat de volumefractie van martensiet een exponentiële functie is van temperatuur en spanning. Later stelden Liang en Rogers29 en Brinson30 een model voor waarin werd aangenomen dat de dynamiek van de faseovergang een cosinusfunctie is van spanning en temperatuur, met kleine aanpassingen aan het model. Becker en Brinson stelden een op een fasediagram gebaseerd kinetisch model voor om het gedrag van SMA-materialen te modelleren onder willekeurige belastingsomstandigheden en gedeeltelijke overgangen. Banerjee32 gebruikt de fasediagramdynamicamethode van Bekker en Brinson31 om een ​​manipulator met één vrijheidsgraad te simuleren, ontwikkeld door Elahinia en Ahmadian33. Kinetische methoden gebaseerd op fasediagrammen, die rekening houden met de niet-monotone spanningsverandering met de temperatuur, zijn moeilijk te implementeren in technische toepassingen. Elakhinia en Ahmadian vestigen de aandacht op deze tekortkomingen van bestaande fenomenologische modellen en stellen een uitgebreid fenomenologisch model voor om vormgeheugengedrag onder complexe belastingsomstandigheden te analyseren en te definiëren.
Het structurele model van SMA-draad geeft de spanning (\(\sigma\)), rek (\(\epsilon\)), temperatuur (T) en martensietvolumefractie (\(\xi\)) van SMA-draad weer. Het fenomenologische constitutieve model werd voor het eerst voorgesteld door Tanaka28 en later overgenomen door Liang29 en Brinson30. De afgeleide van de vergelijking heeft de vorm:
waarbij E de faseafhankelijke Young's modulus van de SMA is, verkregen met behulp van \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) en \(E_A\) en \(E_M\) die de Young's modulus representeren, respectievelijk de austenitische en martensitische fase, en de thermische uitzettingscoëfficiënt wordt weergegeven door \(\theta _T\). De faseovergangsbijdragefactor is \(\Omega = -E \epsilon _L\) en \(\epsilon _L\) is de maximaal herstelbare rek in de SMA-draad.
De fasedynamische vergelijking komt overeen met de cosinusfunctie die is ontwikkeld door Liang29 en later is overgenomen door Brinson30 in plaats van de exponentiële functie die is voorgesteld door Tanaka28. Het faseovergangsmodel is een uitbreiding van het model dat is voorgesteld door Elakhinia en Ahmadian34 en is aangepast op basis van de faseovergangsvoorwaarden zoals aangegeven door Liang29 en Brinson30. De voorwaarden die voor dit faseovergangsmodel worden gebruikt, zijn geldig onder complexe thermomechanische belastingen. Op elk moment in de tijd wordt de waarde van de volumefractie van martensiet berekend bij het modelleren van de constitutieve vergelijking.
De bepalende retransformatievergelijking, uitgedrukt door de transformatie van martensiet naar austeniet onder verhittingsomstandigheden, is als volgt:
waarbij \(\xi\) het volumeaandeel van martensiet is, \(\xi _M\) het volumeaandeel van martensiet is dat verkregen is vóór verhitting, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) en \(C_A\) – curvebenaderingsparameters, T – SMA-draadtemperatuur, \(A_s\) en \(A_f\) – begin en einde van de austenietfase, respectievelijk temperatuur.
De vergelijking voor directe transformatiecontrole, weergegeven door de fasetransformatie van austeniet naar martensiet onder afkoelingsomstandigheden, is:
waarbij \(\xi _A\) het volumeaandeel martensiet is dat vóór afkoeling is verkregen, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) en \ ( C_M \) de parameters voor de aanpassing van de curve zijn, T de SMA-draadtemperatuur is, \(M_s\) en \(M_f\) respectievelijk de begin- en eindtemperaturen van martensiet zijn.
Nadat de vergelijkingen (3) en (4) zijn gedifferentieerd, worden de inverse en directe transformatievergelijkingen vereenvoudigd tot de volgende vorm:
Tijdens voorwaartse en achterwaartse transformatie nemen \(\eta _{\sigma}\) en \(\eta _{T}\) verschillende waarden aan. De basisvergelijkingen die horen bij \(\eta _{\sigma}\) en \(\eta _{T}\) zijn afgeleid en in detail besproken in een aanvullende sectie.
De thermische energie die nodig is om de temperatuur van de SMA-draad te verhogen, is afkomstig van het Joule-verwarmingseffect. De thermische energie die door de SMA-draad wordt opgenomen of afgegeven, wordt weergegeven als de latente transformatiewarmte. Het warmteverlies in de SMA-draad is te wijten aan geforceerde convectie, en gezien het verwaarloosbare effect van straling, is de warmte-energiebalans als volgt:
Waar \(m_{wire}\) de totale massa van de SMA-draad is, \(c_{p}\) de soortelijke warmtecapaciteit van de SMA, \(V_{in}\) de op de draad toegepaste spanning, \(R_{ohm} \ ) – faseafhankelijke weerstand SMA, gedefinieerd als; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) waarbij \(r_M\ ) en \(r_A\) de SMA-faseweerstand in respectievelijk martensiet en austeniet zijn, \(A_{c}\) het oppervlak van de SMA-draad is, \(\Delta H \) een vormgeheugenlegering is. De latente overgangswarmte van de draad, T en \(T_{\infty}\) zijn respectievelijk de temperaturen van de SMA-draad en de omgeving.
Wanneer een draad van een vormgeheugenlegering wordt geactiveerd, comprimeert de draad, waardoor er in elke tak van het bimodale ontwerp een kracht ontstaat, de zogenaamde vezelkracht. De krachten van de vezels in elke streng van de SMA-draad creëren samen de spierkracht die nodig is om de draad te activeren, zoals weergegeven in figuur 9e. Dankzij de aanwezigheid van een voorspanveer is de totale spierkracht van de N-de meerlaagse actuator:
Door \(N = 1\) in vergelijking (7) te substitueren, kan de spierkracht van het prototype van de eerste fase van de bimodale aandrijving als volgt worden verkregen:
waarbij n het aantal unimodale poten is, \(F_m\) de spierkracht is die door de aandrijving wordt gegenereerd, \​​(F_f\) de vezelsterkte in de SMA-draad is, \(K_x\) de bias-stijfheid van de veer is, \(\alpha\) de hoek van de driehoek is, \(x_0\) de initiële offset is van de bias-veer om de SMA-kabel in de voorgespannen positie te houden en \(\Delta x\) de actuatorslag is.
De totale verplaatsing of beweging van de aandrijving (\(\Delta x\)) is afhankelijk van de spanning (\(\sigma\)) en de rek (\(\epsilon\)) op de SMA-draad van de N-de fase, de aandrijving is ingesteld op (zie Fig. aanvullend gedeelte van de uitgang):
De kinematische vergelijkingen geven de relatie weer tussen aandrijfvervorming (\(\epsilon\)) en verplaatsing of verplaatsing (\(\Delta x\)). De vervorming van de Arb-draad als functie van de initiële Arb-draadlengte (\(l_0\)) en de draadlengte (l) op elk tijdstip t in één unimodale tak is als volgt:
waarbij \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) wordt verkregen door de cosinusformule in \(\Delta\)ABB ' toe te passen, zoals weergegeven in Afbeelding 8. Voor de aandrijving van de eerste trap (\(N = 1\)) is \(\Delta x_1\) gelijk aan \(\Delta x\), en \(\alpha _1\) gelijk aan \(\alpha \) zoals weergegeven in Zoals weergegeven in Afbeelding 8, kan de reksnelheid worden geschreven als: door de tijd af te leiden uit vergelijking (11) en de waarde van l te vervangen.
waarbij \(l_0\) de beginlengte van de SMA-draad is, l de lengte van de draad op elk tijdstip t in één unimodale tak, \(\epsilon\) de vervorming is die zich ontwikkelt in de SMA-draad, en \(\alpha \) de hoek is van de driehoek , \(\Delta x\) de aandrijfoffset is (zoals weergegeven in Afbeelding 8).
Alle n enkelpiekstructuren (\(n=6\) in deze afbeelding) zijn in serie geschakeld met \(V_{in}\) als ingangsspanning. Fase I: Schematisch diagram van de SMA-draad in een bimodale configuratie onder nulspanningsomstandigheden. Fase II: Een gecontroleerde structuur wordt getoond waarbij de SMA-draad wordt gecomprimeerd door inverse conversie, zoals aangegeven door de rode lijn.
Als proof of concept werd een SMA-gebaseerde bimodale aandrijving ontwikkeld om de gesimuleerde afleiding van de onderliggende vergelijkingen te testen met experimentele resultaten. Het CAD-model van de bimodale lineaire actuator wordt getoond in figuur 9a. Figuur 9c toont daarentegen een nieuw ontwerp voor een roterende prismatische verbinding met behulp van een tweevlaks SMA-gebaseerde actuator met een bimodale structuur. De aandrijfcomponenten werden vervaardigd met behulp van additieve productie op een Ultimaker 3 Extended 3D-printer. Het materiaal dat wordt gebruikt voor het 3D-printen van componenten is polycarbonaat, een materiaal dat geschikt is voor hittebestendige materialen omdat het sterk en duurzaam is en een hoge glasovergangstemperatuur heeft (110-113 °C). Daarnaast werd in de experimenten gebruikgemaakt van Flexinol-vormgeheugenlegeringdraad van Dynalloy, Inc., en werden de materiaaleigenschappen die overeenkomen met de Flexinol-draad gebruikt in de simulaties. Meerdere SMA-draden worden gerangschikt als vezels in een bimodale opstelling van spieren om de hoge krachten te verkrijgen die worden geproduceerd door meerlaagse actuatoren, zoals weergegeven in Afb. 9b, d.
Zoals weergegeven in figuur 9a, wordt de scherpe hoek die de SMA-draad met beweegbare arm vormt, de hoek (\(\alpha\)) genoemd. Met klemklemmen aan de linker- en rechterklemmen wordt de SMA-draad in de gewenste bimodale hoek gehouden. De veer die op de veerconnector is bevestigd, is ontworpen om de verschillende veeruitbreidingsgroepen aan te passen aan het aantal (n) SMA-vezels. Bovendien is de locatie van de bewegende delen zo ontworpen dat de SMA-draad wordt blootgesteld aan de externe omgeving voor gedwongen convectiekoeling. De boven- en onderplaten van de afneembare constructie helpen de SMA-draad koel te houden met geëxtrudeerde uitsparingen die zijn ontworpen om het gewicht te verminderen. Bovendien zijn beide uiteinden van de CMA-draad respectievelijk aan de linker- en rechteraansluiting bevestigd door middel van een krimp. Aan één uiteinde van de beweegbare constructie is een plunjer bevestigd om de speling tussen de boven- en onderplaat te behouden. De plunjer wordt ook gebruikt om via een contact een blokkeerkracht op de sensor uit te oefenen om de blokkeerkracht te meten wanneer de SMA-draad wordt geactiveerd.
De bimodale spierstructuur SMA is elektrisch in serie geschakeld en wordt gevoed door een ingangspulsspanning. Tijdens de spanningspulscyclus, wanneer spanning wordt aangelegd en de SMA-draad wordt verhit tot boven de begintemperatuur van het austeniet, wordt de lengte van de draad in elke streng verkort. Deze terugtrekking activeert de beweegbare arm. Toen de spanning in dezelfde cyclus op nul werd gezet, werd de verhitte SMA-draad afgekoeld tot onder de temperatuur van het martensietoppervlak, waardoor deze terugkeerde naar zijn oorspronkelijke positie. Onder nulspanning wordt de SMA-draad eerst passief uitgerekt door een voorspanningsveer om de ontdubbelde martensitische toestand te bereiken. De schroef, waardoor de SMA-draad loopt, beweegt door de compressie die ontstaat door het aanleggen van een spanningspuls op de SMA-draad (SPA bereikt de austenietfase), wat leidt tot de activering van de beweegbare hefboom. Wanneer de SMA-draad wordt teruggetrokken, creëert de voorspanningsveer een tegengestelde kracht door de veer verder uit te rekken. Wanneer de spanning in de impulsspanning nul wordt, wordt de SMA-draad langer en verandert van vorm door gedwongen convectiekoeling, waardoor een dubbele martensitische fase wordt bereikt.
Het voorgestelde lineaire actuatorsysteem op basis van SMA heeft een bimodale configuratie, waarbij de SMA-draden schuin staan. (a) toont een CAD-model van het prototype, met vermelding van enkele componenten en hun betekenis voor het prototype, (b, d) representeren het ontwikkelde experimentele prototype35. Terwijl (b) een bovenaanzicht van het prototype toont met elektrische aansluitingen, voorspanningsveren en rekstrookjes, toont (d) een perspectiefweergave van de opstelling. (e) Schema van een lineair actuatorsysteem met SMA-draden die op elk tijdstip t bimodaal zijn geplaatst, met weergave van de richting en het verloop van de vezel- en spierkracht. (c) Een 2-DOF rotatieprismatische verbinding is voorgesteld voor het inzetten van een SMA-actuator met twee vlakken. Zoals afgebeeld, brengt de verbinding een lineaire beweging over van de onderste aandrijving naar de bovenste arm, waardoor een rotatieverbinding ontstaat. De beweging van het prismapaar is daarentegen gelijk aan de beweging van de meerlaagse aandrijving van de eerste trap.
Er werd een experimentele studie uitgevoerd op het prototype in figuur 9b om de prestaties van een bimodale aandrijving op basis van SMA te evalueren. Zoals weergegeven in figuur 10a, bestond de experimentele opstelling uit een programmeerbare DC-voeding om de SMA-draden van ingangsspanning te voorzien. Zoals weergegeven in figuur 10b, werd een piëzo-elektrische rekstrook (PACEline CFT/5kN) gebruikt om de blokkeerkracht te meten met een Graphtec GL-2000 datalogger. De gegevens worden door de host vastgelegd voor verder onderzoek. Rekstrookjes en ladingsversterkers vereisen een constante voeding om een ​​spanningssignaal te produceren. De corresponderende signalen worden omgezet in uitgangsvermogens op basis van de gevoeligheid van de piëzo-elektrische krachtsensor en andere parameters, zoals beschreven in tabel 2. Wanneer een spanningspuls wordt toegepast, stijgt de temperatuur van de SMA-draad, waardoor de SMA-draad wordt samengedrukt en de actuator kracht genereert. De experimentele resultaten van de output van spierkracht door een ingangsspanningspuls van 7 V worden weergegeven in figuur 2a.
(a) In het experiment werd een SMA-gebaseerd lineair actuatorsysteem opgezet om de door de actuator gegenereerde kracht te meten. De weegcel meet de blokkeerkracht en wordt gevoed door een 24 V DC-voeding. Over de gehele lengte van de kabel werd een spanningsval van 7 V aangelegd met behulp van een programmeerbare DC-voeding van GW Instek. De SMA-draad krimpt door warmte, en de beweegbare arm raakt de weegcel en oefent een blokkeerkracht uit. De weegcel is verbonden met de GL-2000 datalogger en de gegevens worden op de host opgeslagen voor verdere verwerking. (b) Schema van de keten van componenten van de experimentele opstelling voor het meten van spierkracht.
Vormgeheugenlegeringen worden geëxciteerd door thermische energie, waardoor temperatuur een belangrijke parameter wordt voor het bestuderen van het vormgeheugenfenomeen. Experimenteel, zoals weergegeven in figuur 11a, werden thermische beeldvorming en temperatuurmetingen uitgevoerd op een prototype SMA-gebaseerde divalerate actuator. Een programmeerbare DC-bron legde een ingangsspanning aan op de SMA-draden in de experimentele opstelling, zoals weergegeven in figuur 11b. De temperatuurverandering van de SMA-draad werd in realtime gemeten met een LWIR-camera met hoge resolutie (FLIR A655sc). De host gebruikt de ResearchIR-software om gegevens op te slaan voor verdere nabewerking. Wanneer een spanningspuls wordt toegepast, stijgt de temperatuur van de SMA-draad, waardoor de SMA-draad krimpt. In figuur 2b worden de experimentele resultaten van de SMA-draadtemperatuur versus tijd voor een ingangsspanningspuls van 7 V weergegeven.