Vă mulțumim că ați vizitat Nature.com.Versiunea de browser pe care o utilizați are suport limitat pentru CSS.Pentru cea mai bună experiență, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați Modul de compatibilitate în Internet Explorer).Între timp, pentru a asigura suport continuu, vom reda site-ul fără stiluri și JavaScript.
Actuatoarele sunt folosite peste tot și creează mișcare controlată prin aplicarea forței sau a cuplului corect de excitare pentru a efectua diferite operații în producție și automatizare industrială.Nevoia de acționări mai rapide, mai mici și mai eficiente stimulează inovația în designul unităților.Unitățile Shape Memory Alloy (SMA) oferă o serie de avantaje față de unitățile convenționale, inclusiv un raport mare putere-greutate.În această disertație, a fost dezvoltat un actuator bazat pe SMA cu două pene care combină avantajele mușchilor cu pene ai sistemelor biologice și proprietățile unice ale SMA.Acest studiu explorează și extinde actuatoarele SMA anterioare prin dezvoltarea unui model matematic al noului actuator bazat pe aranjamentul bimodal al firelor SMA și testându-l experimental.În comparație cu unitățile cunoscute bazate pe SMA, forța de acționare a noii unități este de cel puțin 5 ori mai mare (până la 150 N).Pierderea în greutate corespunzătoare este de aproximativ 67%.Rezultatele analizei de sensibilitate a modelelor matematice sunt utile pentru reglarea parametrilor de proiectare și înțelegerea parametrilor cheie.Acest studiu prezintă în continuare o unitate de etapă a N-a cu mai multe niveluri care poate fi utilizată pentru a îmbunătăți și mai mult dinamica.Actuatoarele musculare dipvalerate pe bază de SMA au o gamă largă de aplicații, de la automatizarea clădirilor până la sisteme de livrare de precizie a medicamentelor.
Sistemele biologice, cum ar fi structurile musculare ale mamiferelor, pot activa mulți actuatori subtili1.Mamiferele au structuri musculare diferite, fiecare având un scop specific.Cu toate acestea, o mare parte din structura țesutului muscular de la mamifer poate fi împărțită în două categorii mari.Paralel și pennat.La ischio-jambierii și alți flexori, după cum sugerează și numele, musculatura paralelă are fibre musculare paralele cu tendonul central.Lanțul de fibre musculare este aliniat și conectat funcțional de țesutul conjunctiv din jurul lor.Deși se spune că acești mușchi au o excursie mare (scurtare procentuală), puterea lor generală musculară este foarte limitată.În schimb, în mușchiul triceps gambei2 (gastrocnemiul lateral (GL)3, gastrocnemiul medial (GM)4 și soleus (SOL)) și extensorul femural (cvadriceps)5,6 se găsește țesut muscular pennat în fiecare mușchi7.Într-o structură pinnată, fibrele musculare din musculatura bipenată sunt prezente pe ambele părți ale tendonului central în unghiuri oblice (unghiuri pinnate).Pennate provine din cuvântul latin „penna”, care înseamnă „pen” și, așa cum se arată în fig.1 are un aspect asemănător unei pene.Fibrele mușchilor pennați sunt mai scurte și înclinate față de axa longitudinală a mușchiului.Datorită structurii pinnate, mobilitatea globală a acestor mușchi este redusă, ceea ce duce la componentele transversale și longitudinale ale procesului de scurtare.Pe de altă parte, activarea acestor mușchi duce la o forță musculară generală mai mare datorită modului în care este măsurată aria secțiunii transversale fiziologice.Prin urmare, pentru o anumită zonă de secțiune transversală, mușchii pennați vor fi mai puternici și vor genera forțe mai mari decât mușchii cu fibre paralele.Forțele generate de fibrele individuale generează forțe musculare la nivel macroscopic în acel țesut muscular.În plus, are proprietăți unice precum contracția rapidă, protecția împotriva deteriorării la tracțiune, amortizarea.El transformă relația dintre aportul de fibre și puterea musculară de ieșire prin exploatarea caracteristicilor unice și a complexității geometrice a aranjamentului fibrelor asociate liniilor de acțiune musculare.
Sunt prezentate diagrame schematice ale modelelor existente de actuatoare bazate pe SMA în relație cu o arhitectură musculară bimodală, de exemplu (a), reprezentând interacțiunea forței tactile în care un dispozitiv în formă de mână acționat de fire SMA este montat pe un robot mobil autonom cu două roți9,10., (b) Proteză orbitală robotică cu proteză orbitală SMA cu arc plasată antagonic.Poziția ochiului protetic este controlată de un semnal de la mușchiul ocular al ochiului11, (c) actuatoarele SMA sunt ideale pentru aplicații subacvatice datorită răspunsului de înaltă frecvență și lățimii de bandă reduse.În această configurație, actuatorii SMA sunt utilizați pentru a crea mișcarea valurilor prin simularea mișcării peștilor, (d) actuatorii SMA sunt utilizați pentru a crea un robot de inspecție cu microțevi care poate folosi principiul mișcării viermelor inch, controlat de mișcarea firelor SMA în interiorul canalului 10, (e) arată direcția de contracție a fibrelor musculare și generează forță contractilă în țesutul gastrocnemiu aranjat sub formă de țesut muscular SMA. structura musculara.
Actuatoarele au devenit o parte importantă a sistemelor mecanice datorită gamei lor largi de aplicații.Prin urmare, nevoia de unități mai mici, mai rapide și mai eficiente devine critică.În ciuda avantajelor lor, unitățile tradiționale s-au dovedit a fi costisitoare și consumatoare de timp de întreținut.Actuatoarele hidraulice și pneumatice sunt complexe și costisitoare și sunt supuse uzurii, problemelor de lubrifiere și defecțiunilor componentelor.Ca răspuns la cerere, accentul se pune pe dezvoltarea unor actuatoare avansate, eficiente din punct de vedere al costurilor, optimizate pentru dimensionare, bazate pe materiale inteligente.Cercetările în desfășurare se uită la actuatoarele stratificate din aliaj cu memorie de formă (SMA) pentru a satisface această nevoie.Actuatoarele ierarhice sunt unice prin faptul că combină multe dispozitive de acționare discrete în subsisteme macro-scale complexe din punct de vedere geometric pentru a oferi funcționalitate sporită și extinsă.În această privință, țesutul muscular uman descris mai sus oferă un exemplu excelent pe mai multe straturi de astfel de acţionare multistratificată.Studiul actual descrie o unitate SMA pe mai multe niveluri cu mai multe elemente de antrenare individuale (firele SMA) aliniate la orientările fibrelor prezente în mușchii bimodali, ceea ce îmbunătățește performanța generală a conducerii.
Scopul principal al unui actuator este de a genera putere mecanică, cum ar fi forța și deplasarea prin conversia energiei electrice.Aliajele cu memorie de formă sunt o clasă de materiale „inteligente” care își pot restabili forma la temperaturi ridicate.La sarcini mari, o creștere a temperaturii firului SMA duce la recuperarea formei, rezultând o densitate mai mare a energiei de acționare în comparație cu diferite materiale inteligente legate direct.În același timp, sub sarcini mecanice, SMA-urile devin fragile.În anumite condiții, o sarcină ciclică poate absorbi și elibera energie mecanică, prezentând modificări de formă histeretice reversibile.Aceste proprietăți unice fac ca SMA să fie ideal pentru senzori, amortizarea vibrațiilor și în special dispozitive de acţionare12.Având în vedere acest lucru, au existat o mulțime de cercetări privind unitățile bazate pe SMA.Trebuie remarcat faptul că actuatoarele bazate pe SMA sunt proiectate pentru a oferi mișcare de translație și rotație pentru o varietate de aplicații13,14,15.Deși au fost dezvoltate unele actuatoare rotative, cercetătorii sunt interesați în special de actuatorii liniari.Aceste actuatoare liniare pot fi împărțite în trei tipuri de actuatoare: actuatoare unidimensionale, de deplasare și diferențiale 16 .Inițial, unitățile hibride au fost create în combinație cu SMA și alte unități convenționale.Un astfel de exemplu de actuator liniar hibrid bazat pe SMA este utilizarea unui fir SMA cu un motor de curent continuu pentru a furniza o forță de ieșire de aproximativ 100 N și o deplasare semnificativă17.
Una dintre primele dezvoltări ale unităților bazate în întregime pe SMA a fost unitatea paralelă SMA.Folosind mai multe fire SMA, unitatea paralelă bazată pe SMA este proiectată pentru a crește capacitatea de alimentare a unității prin plasarea tuturor firelor SMA18 în paralel.Conectarea în paralel a actuatoarelor nu numai că necesită mai multă putere, dar limitează și puterea de ieșire a unui singur fir.Un alt dezavantaj al actuatoarelor bazate pe SMA este cursa limitată pe care o pot realiza.Pentru a rezolva această problemă, a fost creat un fascicul de cablu SMA care conține un fascicul flexibil deviat pentru a crește deplasarea și a obține o mișcare liniară, dar nu a generat forțe mai mari19.Structurile și țesăturile moi deformabile pentru roboți bazate pe aliaje cu memorie de formă au fost dezvoltate în primul rând pentru amplificarea impactului20,21,22.Pentru aplicațiile în care sunt necesare viteze mari, au fost raportate pompe acționate compacte care utilizează SMA cu peliculă subțire pentru aplicații cu micropompe23.Frecvența de antrenare a membranei SMA cu film subțire este un factor cheie în controlul vitezei șoferului.Prin urmare, motoarele liniare SMA au un răspuns dinamic mai bun decât motoarele cu arc sau tije SMA.Robotica moale și tehnologia de prindere sunt alte două aplicații care folosesc actuatoare bazate pe SMA.De exemplu, pentru a înlocui actuatorul standard utilizat în clema spațială de 25 N, a fost dezvoltat un actuator paralel 24 din aliaj cu memorie de formă.Într-un alt caz, un actuator moale SMA a fost fabricat pe baza unui fir cu o matrice încorporată capabilă să producă o forță de tragere maximă de 30 N. Datorită proprietăților lor mecanice, SMA-urile sunt, de asemenea, folosite pentru a produce actuatoare care imită fenomenele biologice.O astfel de dezvoltare include un robot cu 12 celule care este un biomimetic al unui organism asemănător râmelor cu SMA pentru a genera o mișcare sinusoidală la foc26,27.
După cum sa menționat mai devreme, există o limită a forței maxime care poate fi obținută de la actuatoarele existente bazate pe SMA.Pentru a aborda această problemă, acest studiu prezintă o structură musculară bimodală biomimetică.Acționat de sârmă din aliaj cu memorie de formă.Oferă un sistem de clasificare care include mai multe fire din aliaj cu memorie de formă.Până în prezent, în literatură nu au fost raportate actuatoare bazate pe SMA cu o arhitectură similară.Acest sistem unic și nou bazat pe SMA a fost dezvoltat pentru a studia comportamentul SMA în timpul alinierii mușchilor bimodali.În comparație cu actuatoarele existente pe bază de SMA, scopul acestui studiu a fost de a crea un actuator biomimetic dipvalerat pentru a genera forțe semnificativ mai mari într-un volum mic.În comparație cu motorizările convenționale cu motor pas cu pas utilizate în sistemele de automatizare și control a clădirilor HVAC, designul de acționare bimodal propus, bazat pe SMA, reduce greutatea mecanismului de acționare cu 67%.În cele ce urmează, termenii „mușchi” și „drive” sunt folosiți interschimbabil.Acest studiu investighează simularea multifizică a unei astfel de unități.Comportarea mecanică a unor astfel de sisteme a fost studiată prin metode experimentale și analitice.Distribuțiile de forță și temperatură au fost investigate în continuare la o tensiune de intrare de 7 V. Ulterior, a fost efectuată o analiză parametrică pentru a înțelege mai bine relația dintre parametrii cheie și forța de ieșire.În cele din urmă, actuatorii ierarhici au fost preconizați și efectele la nivel ierarhic au fost propuse ca o zonă potențială viitoare pentru actuatorii nemagnetici pentru aplicații protetice.Conform rezultatelor studiilor menționate mai sus, utilizarea unei arhitecturi cu o singură etapă produce forțe de cel puțin patru până la cinci ori mai mari decât actuatoarele bazate pe SMA raportate.În plus, aceeași forță de antrenare generată de o unitate cu mai multe niveluri s-a dovedit a fi de peste zece ori mai mare decât a unităților convenționale bazate pe SMA.Studiul raportează apoi parametrii cheie utilizând analiza de sensibilitate între diferite modele și variabile de intrare.Lungimea inițială a firului SMA (\(l_0\)), unghiul pinnat (\(\alpha\)) și numărul de fire simple (n) din fiecare fir individual au un efect negativ puternic asupra mărimii forței motrice.puterea, în timp ce tensiunea de intrare (energia) s-a dovedit a fi corelată pozitiv.
Sârma SMA prezintă efectul de memorie a formei (SME) observat în familia de aliaje de nichel-titan (Ni-Ti).De obicei, SMA-urile prezintă două faze dependente de temperatură: o fază de temperatură scăzută și o fază de temperatură ridicată.Ambele faze au proprietăți unice datorită prezenței diferitelor structuri cristaline.În faza de austenită (faza de temperatură înaltă) existentă peste temperatura de transformare, materialul prezintă o rezistență ridicată și este slab deformat sub sarcină.Aliajul se comportă ca oțelul inoxidabil, astfel încât este capabil să reziste la presiuni de acționare mai mari.Profitând de această proprietate a aliajelor Ni-Ti, firele SMA sunt înclinate pentru a forma un actuator.Sunt dezvoltate modele analitice adecvate pentru a înțelege mecanica fundamentală a comportării termice a SMA sub influența diferiților parametri și diverse geometrii.S-a obținut un acord bun între rezultatele experimentale și cele analitice.
Un studiu experimental a fost efectuat pe prototipul prezentat în Fig. 9a pentru a evalua performanța unei unități bimodale bazate pe SMA.Două dintre aceste proprietăți, forța generată de antrenare (forța musculară) și temperatura firului SMA (temperatura SMA), au fost măsurate experimental.Pe măsură ce diferența de tensiune crește pe toată lungimea firului din unitate, temperatura firului crește datorită efectului de încălzire Joule.Tensiunea de intrare a fost aplicată în două cicluri de 10 s (prezentate ca puncte roșii în Fig. 2a, b) cu o perioadă de răcire de 15 s între fiecare ciclu.Forța de blocare a fost măsurată cu ajutorul unui tensiometru piezoelectric, iar distribuția temperaturii firului SMA a fost monitorizată în timp real folosind o cameră LWIR de înaltă rezoluție de calitate științifică (vezi caracteristicile echipamentului utilizat în Tabelul 2).arată că în timpul fazei de înaltă tensiune, temperatura firului crește monoton, dar când nu curge nici un curent, temperatura firului continuă să scadă.În configurația experimentală actuală, temperatura firului SMA a scăzut în timpul fazei de răcire, dar era încă peste temperatura ambiantă.Pe fig.2e arată un instantaneu al temperaturii de pe firul SMA luat de la camera LWIR.Pe de altă parte, în fig.2a prezintă forța de blocare generată de sistemul de antrenare.Când forța musculară depășește forța de restabilire a arcului, brațul mobil, așa cum se arată în Figura 9a, începe să se miște.De îndată ce începe acționarea, brațul mobil intră în contact cu senzorul, creând o forță corporală, așa cum se arată în fig.2c, d.Când temperatura maximă este aproape de \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), forța maximă observată este de 105 N.
Graficul arată rezultatele experimentale ale temperaturii firului SMA și forței generate de actuatorul bimodal bazat pe SMA în timpul a două cicluri.Tensiunea de intrare este aplicată în două cicluri de 10 secunde (indicate ca puncte roșii) cu o perioadă de răcire de 15 secunde între fiecare ciclu.Firul SMA utilizat pentru experimente a fost un fir Flexinol cu diametrul de 0,51 mm de la Dynalloy, Inc. (a) Graficul arată forța experimentală obținută pe parcursul a două cicluri, (c, d) prezintă două exemple independente de acțiune a actuatoarelor cu braț în mișcare pe un traductor de forță piezoelectric PACEline CFT/5kN, (b) temperatura maximă a timpului arată întregul ciclu de temperatură, graficul arată întregul ciclu de temperatură (SMA) fotografie făcută de pe firul SMA utilizând camera LWIR software FLIR ResearchIR.Parametrii geometrici luați în considerare în experimente sunt dați în tabel.unu.
Rezultatele simulării modelului matematic și rezultatele experimentale sunt comparate în condițiile unei tensiuni de intrare de 7V, așa cum se arată în Fig.5.Conform rezultatelor analizei parametrice și pentru a evita posibilitatea supraîncălzirii firului SMA, a fost furnizată servomotorului o putere de 11,2 W.A fost folosită o sursă de alimentare CC programabilă pentru a furniza 7V ca tensiune de intrare și a fost măsurat un curent de 1,6 A pe fir.Forța generată de unitate și temperatura SDR cresc atunci când se aplică curent.Cu o tensiune de intrare de 7V, forța maximă de ieșire obținută din rezultatele simulării și rezultatele experimentale ale primului ciclu este de 78 N și, respectiv, 96 N.În al doilea ciclu, forța maximă de ieșire a rezultatelor simulării și experimentale a fost de 150 N și, respectiv, 105 N.Discrepanța dintre măsurătorile forței de ocluzie și datele experimentale se poate datora metodei utilizate pentru măsurarea forței de ocluzie.Rezultatele experimentale prezentate în fig.5a corespund cu măsurarea forței de blocare, care la rândul său a fost măsurată atunci când arborele de antrenare a fost în contact cu traductorul de forță piezoelectric PACEline CFT/5kN, așa cum se arată în fig.2s.Prin urmare, atunci când arborele de antrenare nu este în contact cu senzorul de forță la începutul zonei de răcire, forța devine imediat zero, așa cum se arată în Fig. 2d.În plus, alți parametri care afectează formarea forței în ciclurile ulterioare sunt valorile timpului de răcire și coeficientul de transfer de căldură convectiv în ciclul anterior.Din fig.2b, se poate observa că după o perioadă de răcire de 15 secunde, firul SMA nu a atins temperatura camerei și, prin urmare, a avut o temperatură inițială mai mare (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) în al doilea ciclu de conducere comparativ cu primul ciclu (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Astfel, în comparație cu primul ciclu, temperatura firului SMA în timpul celui de-al doilea ciclu de încălzire atinge temperatura inițială a austenitei (\(A_s\)) mai devreme și rămâne în perioada de tranziție mai mult, rezultând stres și forță.Pe de altă parte, distribuțiile de temperatură în timpul ciclurilor de încălzire și răcire obținute din experimente și simulări au o mare similitudine calitativă cu exemplele din analiza termografică.Analiza comparativă a datelor termice ale firului SMA din experimente și simulări a arătat consistență în timpul ciclurilor de încălzire și răcire și în limitele toleranțelor acceptabile pentru datele experimentale.Temperatura maximă a firului SMA, obținută din rezultatele simulării și experimentelor primului ciclu, este \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) și respectiv \(75\,^{\circ }\hbox { C }\, iar în al doilea ciclu temperatura maximă a firului SMA este \(94\,^{\circ }\hbox {C}\), respectiv \(75\,^{\circ }\hbox { C }\ ), iar în al doilea ciclu temperatura maximă a firului SMA este \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) caseta {C}\).Modelul dezvoltat fundamental confirmă efectul efectului de memorie a formei.Rolul oboselii și supraîncălzirii nu a fost luat în considerare în această revizuire.În viitor, modelul va fi îmbunătățit pentru a include istoricul de stres al firului SMA, făcându-l mai potrivit pentru aplicațiile de inginerie.Forța de ieșire a antrenamentului și diagramele de temperatură SMA obținute din blocul Simulink se încadrează în toleranțele admisibile ale datelor experimentale în condiția unui impuls de tensiune de intrare de 7 V. Acest lucru confirmă corectitudinea și fiabilitatea modelului matematic dezvoltat.
Modelul matematic a fost dezvoltat în mediul MathWorks Simulink R2020b folosind ecuațiile de bază descrise în secțiunea Metode.Pe fig.3b prezintă o diagramă bloc a modelului matematic Simulink.Modelul a fost simulat pentru un impuls de tensiune de intrare de 7V așa cum se arată în Fig. 2a, b.Valorile parametrilor utilizați în simulare sunt enumerate în Tabelul 1. Rezultatele simulării proceselor tranzitorii sunt prezentate în Figurile 1 și 1. Figurile 3a și 4. În fig.4a,b prezintă tensiunea indusă în firul SMA și forța generată de actuator în funcție de timp. În timpul transformării inverse (încălzire), când temperatura firului SMA, \(T <A_s^{\prime}\) (temperatura de început a fazei austenitei modificată la stres), rata de modificare a fracției de volum a martensitei (\(\dot{\xi }\)) va fi zero. În timpul transformării inverse (încălzire), când temperatura firului SMA, \(T <A_s^{\prime}\) (temperatura de pornire a fazei austenitei modificată la stres), rata de modificare a fracției de volum a martensitei (\(\dot{\xi }\)) va fi zero. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (тетустна на фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\жением) скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\жением). În timpul transformării inverse (încălzire), când temperatura firului SMA, \(T <A_s^{\prime}\) (temperatura de debut a austenitei modificată la stres), rata de modificare a fracției de volum de martensite (\(\dot{\ xi }\ )) va fi zero.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体秩奥氏体秩氏体秩度氏体秩度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) Rezultatul simulării care arată distribuția temperaturii și temperatura de joncțiune indusă de stres într-un actuator divalerat bazat pe SMA.Când temperatura sârmei traversează temperatura de tranziție a austenitei în etapa de încălzire, temperatura de tranziție a austenitei modificată începe să crească și, în mod similar, atunci când temperatura sârmei traversează temperatura de tranziție martensitică în etapa de răcire, temperatura de tranziție martensitică scade.SMA pentru modelarea analitică a procesului de acționare.(Pentru o vedere detaliată a fiecărui subsistem al unui model Simulink, consultați secțiunea de apendice a fișierului suplimentar.)
Rezultatele analizei pentru diferite distribuții ale parametrilor sunt afișate pentru două cicluri ale tensiunii de intrare de 7V (cicluri de încălzire de 10 secunde și cicluri de răcire de 15 secunde).În timp ce (ac) și (e) descriu distribuția în timp, pe de altă parte, (d) și (f) ilustrează distribuția cu temperatura.Pentru condițiile de intrare respective, efortul maxim observat este de 106 MPa (mai puțin de 345 MPa, limita de curgere a firului), forța este de 150 N, deplasarea maximă este de 270 µm, iar fracția de volum minimă martensitică este de 0,91.Pe de altă parte, modificarea stresului și modificarea fracției de volum a martensitei cu temperatura sunt similare cu caracteristicile histerezisului.
Aceeași explicație se aplică transformării directe (răcirii) din faza austenită în faza martensită, unde temperatura firului SMA (T) și temperatura finală a fazei martensitei modificate la stres (\(M_f^{\prime}\ )) sunt excelente.Pe fig.4d,f arată modificarea tensiunii induse (\(\sigma\)) și a fracțiunii de volum a martensitei (\(\xi\)) în firul SMA în funcție de modificarea temperaturii firului SMA (T), pentru ambele cicluri de conducere.Pe fig.Figura 3a arată modificarea temperaturii firului SMA în timp, în funcție de impulsul de tensiune de intrare.După cum se poate observa din figură, temperatura firului continuă să crească prin furnizarea unei surse de căldură la tensiune zero și răcirea convectivă ulterioară.În timpul încălzirii, retransformarea martensitei în faza de austenită începe atunci când temperatura firului SMA (T) traversează temperatura de nucleare a austenitei corectată la stres (\(A_s^{\prime}\)).În această fază, firul SMA este comprimat și actuatorul generează forță.De asemenea, în timpul răcirii, când temperatura firului SMA (T) traversează temperatura de nucleare a fazei de martensită modificată la stres (\(M_s^{\prime}\)) are loc o tranziție pozitivă de la faza de austenită la faza de martensită.forța de antrenare scade.
Principalele aspecte calitative ale acționării bimodale bazate pe SMA pot fi obținute din rezultatele simulării.În cazul unei intrări de impuls de tensiune, temperatura firului SMA crește datorită efectului de încălzire Joule.Valoarea inițială a fracției de volum de martensite (\(\xi\)) este setată la 1, deoarece materialul este inițial într-o fază complet martensitică.Pe măsură ce firul continuă să se încălzească, temperatura firului SMA depășește temperatura de nucleare a austenitei corectată la stres \(A_s^{\prime}\), rezultând o scădere a fracției de volum a martensitei, așa cum se arată în Figura 4c.În plus, în fig.4e prezintă distribuţia în timp a curselor actuatorului, iar în fig.5 – forța motrice în funcție de timp.Un sistem de ecuații înrudit include temperatura, fracția de volum a martensitei și stresul care se dezvoltă în fir, rezultând contracția firului SMA și forța generată de actuator.După cum se arată în fig.4d,f, variația tensiunii cu temperatura și variația fracției de volum a martensitei cu temperatura corespund caracteristicilor de histerezis ale SMA în cazul simulat la 7 V.
Compararea parametrilor de conducere a fost obținută prin experimente și calcule analitice.Firele au fost supuse la o tensiune de intrare pulsată de 7 V timp de 10 secunde, apoi s-au răcit timp de 15 secunde (fază de răcire) în două cicluri.Unghiul pinnat este setat la \(40^{\circ}\), iar lungimea inițială a firului SMA în fiecare picior cu un singur pin este setată la 83 mm.(a) Măsurarea forței motrice cu o celulă de sarcină (b) Monitorizarea temperaturii firului cu o cameră cu infraroșu termic.
Pentru a înțelege influența parametrilor fizici asupra forței produse de motor, a fost efectuată o analiză a sensibilității modelului matematic la parametrii fizici selectați, iar parametrii au fost clasificați în funcție de influența lor.În primul rând, eșantionarea parametrilor modelului a fost realizată folosind principii de proiectare experimentală care au urmat o distribuție uniformă (a se vedea Secțiunea suplimentară privind analiza sensibilității).În acest caz, parametrii modelului includ tensiunea de intrare (\(V_{in}\)), lungimea inițială a firului SMA (\(l_0\)), unghiul triunghiului (\(\alpha\)), constanta arcului de polarizare (\( K_x\ )), coeficientul de transfer de căldură convectiv (\(h_T\)) și numărul de ramuri unimodale (n).În pasul următor, puterea musculară de vârf a fost aleasă ca cerință de proiectare a studiului și s-au obținut efectele parametrice ale fiecărui set de variabile asupra forței.Graficele tornadei pentru analiza de sensibilitate au fost derivate din coeficienții de corelație pentru fiecare parametru, așa cum se arată în Fig. 6a.
(a) Valorile coeficientului de corelație ale parametrilor modelului și efectul lor asupra forței maxime de ieșire a 2500 de grupuri unice ale parametrilor modelului de mai sus sunt afișate în diagrama tornadei.Graficul arată corelația de rang a mai multor indicatori.Este clar că \(V_{in}\) este singurul parametru cu o corelație pozitivă, iar \(l_0\) este parametrul cu cea mai mare corelație negativă.Efectul diferiților parametri în diferite combinații asupra forței musculare de vârf este prezentat în (b, c).\(K_x\) variază de la 400 la 800 N/m și n variază de la 4 la 24. Tensiunea (\(V_{in}\)) s-a modificat de la 4V la 10V, lungimea firului (\(l_{0} \)) s-a schimbat de la 40 la 100 mm și unghiul de coadă (\ (\-{\circ]) variat de la \(\{0}}).
Pe fig.6a prezintă o diagramă tornadă a diferiților coeficienți de corelație pentru fiecare parametru cu cerințele de proiectare a forței de antrenare de vârf.Din fig.6a se poate observa că parametrul de tensiune (\(V_{in}\)) este direct legat de forța maximă de ieșire, iar coeficientul de transfer de căldură convectiv (\(h_T\)), unghiul de flacără (\ ( \alpha\)), constanta arcului de deplasare ( \(K_x\)) este corelat negativ cu forța de ieșire și cu lungimea inițială a forței de ieșire și a numărului inițial de ramuri (\(\alpha\))i (n) prezintă o puternică corelație inversă În cazul corelației directe În cazul unei valori mai mari a coeficientului de corelație a tensiunii (\(V_ {in}\)) indică faptul că acest parametru are cel mai mare efect asupra puterii de ieșire.O altă analiză similară măsoară forța de vârf prin evaluarea efectului diferiților parametri în diferite combinații ale celor două spații de calcul, așa cum se arată în Fig. 6b, c.\(V_{in}\) și \(l_0\), \(\alpha\) și \(l_0\) au modele similare, iar graficul arată că \(V_{in}\) și \(\alpha\ ) și \(\alpha\) au modele similare.Valorile mai mici ale \(l_0\) au ca rezultat forțe de vârf mai mari.Celelalte două diagrame sunt în concordanță cu figura 6a, unde n și \(K_x\) sunt corelate negativ și \(V_{in}\) sunt corelate pozitiv.Această analiză ajută la definirea și ajustarea parametrilor de influență prin care forța de ieșire, cursa și eficiența sistemului de antrenare pot fi adaptate la cerințe și aplicație.
Lucrările de cercetare curente prezintă și investighează unități ierarhice cu N niveluri.Într-o ierarhie pe două niveluri, așa cum se arată în Fig. 7a, în care în loc de fiecare fir SMA al actuatorului de prim nivel, se realizează un aranjament bimodal, așa cum se arată în fig.9e.Pe fig.7c arată cum firul SMA este înfășurat în jurul unui braț mobil (braț auxiliar) care se mișcă doar în direcția longitudinală.Cu toate acestea, brațul mobil primar continuă să se miște în același mod ca și brațul mobil al actuatorului cu mai multe trepte din prima treaptă.De obicei, o unitate în N trepte este creată prin înlocuirea firului SMA de etapă \(N-1\) cu o unitate de primă etapă.Ca rezultat, fiecare ramură imită prima etapă de antrenare, cu excepția ramurii care deține firul în sine.În acest fel, se pot forma structuri imbricate care creează forțe care sunt de câteva ori mai mari decât forțele unităților primare.În acest studiu, pentru fiecare nivel, a fost luată în considerare o lungime efectivă totală a firului SMA de 1 m, așa cum se arată în format tabel în Fig. 7d.Curentul prin fiecare fir în fiecare proiect unimodal și pretensionarea și tensiunea rezultată în fiecare segment de fir SMA sunt aceleași la fiecare nivel.Conform modelului nostru analitic, forța de ieșire este corelată pozitiv cu nivelul, în timp ce deplasarea este corelată negativ.În același timp, a existat un compromis între deplasare și forța musculară.După cum se vede în fig.7b, în timp ce forța maximă se realizează în cel mai mare număr de straturi, cea mai mare deplasare se observă în stratul cel mai de jos.Când nivelul ierarhiei a fost setat la \(N=5\), a fost găsită o forță musculară de vârf de 2,58 kN cu 2 mișcări observate \(\upmu\)m.Pe de altă parte, prima treaptă de antrenare generează o forță de 150 N la o cursă de 277 \(\upmu\)m.Actuatoarele cu mai multe niveluri sunt capabile să imite mușchii biologici reali, unde mușchii artificiali bazați pe aliaje cu memorie de formă sunt capabili să genereze forțe semnificativ mai mari cu mișcări precise și mai fine.Limitările acestui design miniaturizat sunt că, pe măsură ce ierarhia crește, mișcarea este mult redusă și complexitatea procesului de fabricație a unităților crește.
(a) Un sistem de acționare liniar din aliaj cu memorie de formă în două etape (\(N=2\)) este prezentat într-o configurație bimodală.Modelul propus este realizat prin înlocuirea firului SMA din prima etapă de acţionare stratificată cu un alt actuator cu o singură etapă stratificată.(c) Configurație deformată a actuatorului multistrat în a doua etapă.(b) Este descrisă distribuția forțelor și a deplasărilor în funcție de numărul de niveluri.S-a constatat că forța de vârf a actuatorului este corelată pozitiv cu nivelul scării de pe grafic, în timp ce cursa este corelată negativ cu nivelul scării.Curentul și pretensiunea din fiecare fir rămân constante la toate nivelurile.(d) Tabelul arată numărul de robinete și lungimea firului SMA (fibră) la fiecare nivel.Caracteristicile firelor sunt indicate prin indicele 1, iar numărul de ramuri secundare (una conectată la piciorul primar) este indicat prin cel mai mare număr din indice.De exemplu, la nivelul 5, \(n_1\) se referă la numărul de fire SMA prezente în fiecare structură bimodală, iar \(n_5\) se referă la numărul de picioare auxiliare (unul conectat la piciorul principal).
Diverse metode au fost propuse de mulți cercetători pentru a modela comportamentul SMA-urilor cu memorie de formă, care depind de proprietățile termomecanice care însoțesc modificările macroscopice ale structurii cristaline asociate cu tranziția de fază.Formularea metodelor constitutive este în mod inerent complexă.Cel mai frecvent utilizat model fenomenologic este propus de Tanaka28 și este utilizat pe scară largă în aplicații de inginerie.Modelul fenomenologic propus de Tanaka [28] presupune că fracția de volum a martensitei este o funcție exponențială a temperaturii și stresului.Mai târziu, Liang și Rogers29 și Brinson30 au propus un model în care dinamica tranziției de fază a fost presupusă a fi o funcție cosinus a tensiunii și a temperaturii, cu ușoare modificări ale modelului.Becker și Brinson au propus un model cinetic bazat pe diagrame de fază pentru a modela comportamentul materialelor SMA în condiții de încărcare arbitrare, precum și în tranziții parțiale.Banerjee32 folosește metoda de dinamică a diagramei de fază Bekker și Brinson31 pentru a simula un manipulator cu un singur grad de libertate dezvoltat de Elahinia și Ahmadian33.Metodele cinetice bazate pe diagrame de fază, care iau în considerare schimbarea nemonotonă a tensiunii cu temperatura, sunt dificil de implementat în aplicațiile de inginerie.Elakhinia și Ahmadian atrag atenția asupra acestor deficiențe ale modelelor fenomenologice existente și propun un model fenomenologic extins pentru a analiza și defini comportamentul memoriei formei în orice condiții complexe de încărcare.
Modelul structural al sârmei SMA oferă stres (\(\sigma\)), deformare (\(\epsilon\)), temperatură (T) și fracțiunea de volum a martensitei (\(\xi\)) a sârmei SMA.Modelul fenomenologic constitutiv a fost propus mai întâi de Tanaka28 și adoptat ulterior de Liang29 și Brinson30.Derivata ecuatiei are forma:
unde E este modulul SMA Young dependent de fază, obținut folosind \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) și \(E_A\) și \(E_M\) reprezentând modulul Young sunt faze austenitice și respectiv martensitice, iar coeficientul de dilatare termică este reprezentat de \_T\theta).Factorul de contribuție al tranziției de fază este \(\Omega = -E \epsilon _L\) și \(\epsilon _L\) este deformarea maximă recuperabilă în firul SMA.
Ecuația dinamicii fazelor coincide cu funcția cosinus dezvoltată de Liang29 și adoptată ulterior de Brinson30 în locul funcției exponențiale propuse de Tanaka28.Modelul de tranziție de fază este o extensie a modelului propus de Elakhinia și Ahmadian34 și modificat pe baza condițiilor de tranziție de fază date de Liang29 și Brinson30.Condițiile utilizate pentru acest model de tranziție de fază sunt valabile la sarcini termomecanice complexe.În fiecare moment de timp, valoarea fracției de volum a martensitei este calculată la modelarea ecuației constitutive.
Ecuația de retransformare care guvernează, exprimată prin transformarea martensitei în austenită în condiții de încălzire, este următoarea:
unde \(\xi\) este fracția de volum a martensitei, \(\xi _M\) este fracțiunea de volum a martensitei obținută înainte de încălzire, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ (\displaystyle b_A = -a_A/C_A\) și \(C_A\) – curba parametrului, aproximație, T_A\) f\) – începutul și sfârșitul fazei austenite, respectiv, temperatură.
Ecuația de control al transformării directe, reprezentată de transformarea de fază a austenitei în martensită în condiții de răcire, este:
unde \(\xi _A\) este fracțiunea de volum a martensitei obținute înainte de răcire, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) și \ (C_M \) – parametrii de potrivire a curbei, T – temperatura firului SMA, respectiv temperatura finală, \) (M__f și, respectiv, m.
După ce ecuațiile (3) și (4) sunt diferențiate, ecuațiile de transformare inversă și directă sunt simplificate în următoarea formă:
În timpul transformării înainte și înapoi, \(\eta _{\sigma}\) și \(\eta _{T}\) iau valori diferite.Ecuațiile de bază asociate cu \(\eta _{\sigma}\) și \(\eta _{T}\) au fost derivate și discutate în detaliu într-o secțiune suplimentară.
Energia termică necesară pentru a crește temperatura firului SMA provine din efectul de încălzire Joule.Energia termică absorbită sau eliberată de firul SMA este reprezentată de căldura latentă de transformare.Pierderea de căldură în firul SMA se datorează convecției forțate și, având în vedere efectul neglijabil al radiației, ecuația balanței energiei termice este următoarea:
Unde \(m_{wire}\) este masa totală a firului SMA, \(c_{p}\) este capacitatea termică specifică a SMA, \(V_{in}\) este tensiunea aplicată firului, \(R_{ohm} \ ) – rezistența dependentă de fază SMA, definită ca;\(R_{ohm} = (l/A_{cruce})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) unde \(r_M\ ) și \(r_A\) sunt rezistivitatea de fază SMA în martensită și, respectiv, austenită, \(A_{c}\) este aria suprafeței a memoriei de formă a \(\D) a H.Căldura latentă de tranziție a firului, T și \(T_{\infty}\) sunt temperaturile firului SMA și, respectiv, a mediului.
Atunci când un fir din aliaj cu memorie de formă este acționat, firul se comprimă, creând o forță în fiecare ramură a designului bimodal numită forță a fibrei.Forțele fibrelor din fiecare șuviță a firului SMA împreună creează forța musculară de acționare, așa cum se arată în Fig. 9e.Datorită prezenței unui arc de polarizare, forța musculară totală a actuatorului multistrat al N-lea este:
Înlocuind \(N = 1\) în ecuația (7), puterea musculară a prototipului de antrenare bimodală din prima etapă poate fi obținută după cum urmează:
unde n este numărul de picioare unimodale, \(F_m\) este forța musculară generată de antrenare, \(F_f\) este rezistența fibrei în firul SMA, \(K_x\) este rigiditatea de polarizare.arc, \(\alpha\) este unghiul triunghiului, \(x_0\) este decalajul inițial al arcului de polarizare pentru a ține cablul SMA în poziția pretensionată și \(\Delta x\) este cursa actuatorului.
Deplasarea sau mișcarea totală a unității (\(\Delta x\)) în funcție de tensiunea (\(\sigma\)) și tensiunea (\(\epsilon\)) pe firul SMA al etapei a N-a, unitatea este setată la (vezi Fig. partea suplimentară a ieșirii):
Ecuațiile cinematice dau relația dintre deformarea antrenării (\(\epsilon\)) și deplasare sau deplasare (\(\Delta x\)).Deformarea firului Arb în funcție de lungimea inițială a firului Arb (\(l_0\)) și lungimea firului (l) în orice moment t într-o ramură unimodală este următoarea:
unde \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) se obține prin aplicarea formulei cosinus în \(\Delta\)ABB ', așa cum se arată în Figura 8. Pentru prima treaptă de acţionare (\(N = 1\)\), (\(N = 1\el\)),\(Delta\el\)),\(Delta\el) _1\) este \(\alpha \) așa cum se arată în Figura 8, prin diferențierea timpului din ecuația (11) și înlocuirea valorii lui l, rata deformarii poate fi scrisă ca:
unde \(l_0\) este lungimea inițială a firului SMA, l este lungimea firului în orice moment t într-o ramură unimodală, \(\epsilon\) este deformația dezvoltată în firul SMA și \(\alpha \) este unghiul triunghiului, \(\Delta x\) este decalajul unității (așa cum se arată în Figura 8).
Toate cele n structuri cu un singur vârf (\(n=6\) în această figură) sunt conectate în serie cu \(V_{in}\) ca tensiune de intrare.Etapa I: Diagrama schematică a firului SMA într-o configurație bimodală în condiții de tensiune zero Etapa II: Este prezentată o structură controlată în care firul SMA este comprimat datorită conversiei inverse, așa cum este arătat de linia roșie.
Ca o dovadă a conceptului, a fost dezvoltată o unitate bimodală bazată pe SMA pentru a testa derivarea simulată a ecuațiilor subiacente cu rezultate experimentale.Modelul CAD al actuatorului liniar bimodal este prezentat în fig.9a.Pe de altă parte, în fig.9c prezintă un nou design propus pentru o conexiune prismatică rotativă utilizând un actuator cu două planuri pe bază de SMA cu o structură bimodală.Componentele unității au fost fabricate folosind fabricarea aditivă pe o imprimantă 3D Ultimaker 3 Extended.Materialul utilizat pentru imprimarea 3D a componentelor este policarbonatul, care este potrivit pentru materiale rezistente la căldură, deoarece este puternic, durabil și are o temperatură ridicată de tranziție sticloasă (110-113 \(^{\circ }\) C).În plus, în experimente a fost utilizată sârmă din aliaj cu memorie de formă Flexinol Dynalloy, Inc., iar proprietățile materialului corespunzătoare firului Flexinol au fost utilizate în simulări.Firele SMA multiple sunt aranjate ca fibre prezente într-un aranjament bimodal al mușchilor pentru a obține forțele mari produse de actuatorii multistrat, așa cum se arată în Fig. 9b, d.
După cum se arată în Figura 9a, unghiul ascuțit format de firul SMA al brațului mobil se numește unghi (\(\alpha\)).Cu clemele terminale atașate la clemele din stânga și din dreapta, firul SMA este ținut la unghiul bimodal dorit.Dispozitivul cu arc de polarizare ținut pe conectorul cu arc este proiectat pentru a regla diferitele grupuri de extensie a arcului de polarizare în funcție de numărul (n) de fibre SMA.În plus, locația pieselor mobile este proiectată astfel încât firul SMA să fie expus mediului extern pentru răcirea forțată prin convecție.Plăcile de sus și de jos ale ansamblului detașabil ajută la menținerea sârmei SMA la rece, cu decupaje extrudate concepute pentru a reduce greutatea.În plus, ambele capete ale firului CMA sunt fixate la bornele din stânga și, respectiv, din dreapta, prin intermediul unui sert.Un piston este atașat la un capăt al ansamblului mobil pentru a menține spațiul liber între plăcile de sus și de jos.Pistonul este, de asemenea, utilizat pentru a aplica o forță de blocare senzorului printr-un contact pentru a măsura forța de blocare atunci când firul SMA este acționat.
Structura musculară bimodală SMA este conectată electric în serie și alimentată de o tensiune de impuls de intrare.În timpul ciclului de impuls de tensiune, atunci când se aplică tensiune și firul SMA este încălzit peste temperatura inițială a austenitei, lungimea firului din fiecare fir este scurtată.Această retragere activează subansamblul brațului mobil.Când tensiunea a fost adusă la zero în același ciclu, firul SMA încălzit a fost răcit sub temperatura suprafeței martensitei, revenind astfel la poziția inițială.În condiții de stres zero, firul SMA este mai întâi întins pasiv de un arc de polarizare pentru a ajunge la starea martensitică dezbinată.Șurubul, prin care trece firul SMA, se deplasează datorită compresiei create prin aplicarea unui impuls de tensiune pe firul SMA (SPA ajunge în faza austenită), ceea ce duce la acționarea pârghiei mobile.Când firul SMA este retras, arcul de polarizare creează o forță opusă prin întinderea în continuare a arcului.Când solicitarea din tensiunea de impuls devine zero, firul SMA se alungește și își schimbă forma datorită răcirii forțate prin convecție, ajungând la o fază dublă martensitică.
Sistemul de acţionare liniar propus pe baza SMA are o configuraţie bimodală în care firele SMA sunt înclinate.(a) prezintă un model CAD al prototipului, care menționează unele dintre componente și semnificațiile acestora pentru prototip, (b, d) reprezintă prototipul experimental dezvoltat35.În timp ce (b) arată o vedere de sus a prototipului cu conexiuni electrice și arcuri de polarizare și manometre utilizate, (d) arată o vedere în perspectivă a configurației.(e) Diagrama unui sistem de acționare liniar cu fire SMA plasate bimodal în orice moment t, care arată direcția și cursul fibrei și forța musculară.(c) A fost propusă o conexiune prismatică rotativă 2-DOF pentru implementarea unui actuator bazat pe SMA cu două plane.După cum se arată, legătura transmite mișcarea liniară de la unitatea de jos la brațul superior, creând o conexiune de rotație.Pe de altă parte, mișcarea perechii de prisme este aceeași cu mișcarea sistemului de antrenare a primului etaj multistrat.
Un studiu experimental a fost efectuat pe prototipul prezentat în Fig. 9b pentru a evalua performanța unei unități bimodale bazate pe SMA.După cum se arată în Figura 10a, configurația experimentală a constat dintr-o sursă de alimentare DC programabilă pentru a furniza tensiune de intrare firelor SMA.După cum se arată în fig.10b, un tensiometru piezoelectric (PACEline CFT/5kN) a fost utilizat pentru a măsura forța de blocare folosind un înregistrător de date Graphtec GL-2000.Datele sunt înregistrate de gazdă pentru studii suplimentare.Tensometrele și amplificatoarele de încărcare necesită o sursă de alimentare constantă pentru a produce un semnal de tensiune.Semnalele corespunzătoare sunt convertite în ieșiri de putere în funcție de sensibilitatea senzorului de forță piezoelectric și de alți parametri, așa cum este descris în Tabelul 2. Când se aplică un impuls de tensiune, temperatura firului SMA crește, determinând comprimarea firului SMA, ceea ce determină generarea de forță a actuatorului.Rezultatele experimentale ale ieșirii forței musculare printr-un impuls de tensiune de intrare de 7 V sunt prezentate în fig.2a.
(a) Un sistem de acționare liniar bazat pe SMA a fost configurat în experiment pentru a măsura forța generată de actuator.Celula de sarcină măsoară forța de blocare și este alimentată de o sursă de alimentare de 24 V DC.O cădere de tensiune de 7 V a fost aplicată pe toată lungimea cablului folosind o sursă de alimentare DC programabilă GW Instek.Firul SMA se contractă din cauza căldurii, iar brațul mobil intră în contact cu celula de sarcină și exercită o forță de blocare.Celula de sarcină este conectată la data logger-ul GL-2000, iar datele sunt stocate pe gazdă pentru procesare ulterioară.(b) Diagrama care arată lanțul de componente ale configurației experimentale pentru măsurarea forței musculare.
Aliajele cu memorie de formă sunt excitate de energia termică, astfel încât temperatura devine un parametru important pentru studierea fenomenului de memorie a formei.Experimental, așa cum se arată în Fig. 11a, imaginile termice și măsurătorile de temperatură au fost efectuate pe un prototip de actuator divalerat bazat pe SMA.O sursă de curent continuu programabilă a aplicat tensiune de intrare firelor SMA în configurația experimentală, așa cum se arată în Figura 11b.Modificarea temperaturii firului SMA a fost măsurată în timp real folosind o cameră LWIR de înaltă rezoluție (FLIR A655sc).Gazda folosește software-ul ResearchIR pentru a înregistra date pentru post-procesare ulterioară.Când se aplică un impuls de tensiune, temperatura firului SMA crește, provocând micșorarea firului SMA.Pe fig.Figura 2b prezintă rezultatele experimentale ale temperaturii firului SMA în funcție de timp pentru un impuls de tensiune de intrare de 7V.
Ora postării: 28-sept-2022