Vă mulțumim că ați vizitat Nature.com. Versiunea browserului pe care o utilizați are suport limitat pentru CSS. Pentru o experiență optimă, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați Modul de compatibilitate în Internet Explorer). Între timp, pentru a asigura asistență continuă, vom reda site-ul fără stiluri și JavaScript.
Actuatoarele sunt utilizate peste tot și creează o mișcare controlată prin aplicarea forței de excitație sau a cuplului corect pentru a efectua diverse operațiuni în fabricație și automatizare industrială. Nevoia de acționări mai rapide, mai mici și mai eficiente stimulează inovația în proiectarea acționărilor. Acționările din aliaj cu memorie de formă (SMA) oferă o serie de avantaje față de acționările convenționale, inclusiv un raport putere-greutate ridicat. În această disertație, a fost dezvoltat un actuator bazat pe SMA cu două pene, care combină avantajele mușchilor penioși ai sistemelor biologice și proprietățile unice ale SMA-urilor. Acest studiu explorează și extinde actuatoarele SMA anterioare prin dezvoltarea unui model matematic al noului actuator bazat pe aranjamentul bimodal al firelor SMA și testarea acestuia experimental. Comparativ cu acționările cunoscute bazate pe SMA, forța de acționare a noii acționări este de cel puțin 5 ori mai mare (până la 150 N). Pierderea de 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 un acționare cu mai multe niveluri, cu a N-a etapă, care poate fi utilizată pentru a îmbunătăți și mai mult dinamica. Actuatoarele musculare cu divalerat bazate pe SMA au o gamă largă de aplicații, de la automatizarea clădirilor până la sisteme de precizie de administrare a medicamentelor.
Sistemele biologice, cum ar fi structurile musculare ale mamiferelor, pot activa mulți actuatori subtili1. Mamiferele au structuri musculare diferite, fiecare servind unui scop specific. Cu toate acestea, o mare parte din structura țesutului muscular al mamiferelor poate fi împărțită în două mari categorii. Paralele și penate. În cazul ischiogambierilor și al altor flexori, așa 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), forța lor musculară generală este foarte limitată. În schimb, în mușchiul triceps al gambei2 (gastrocnemius lateral (GL)3, gastrocnemius medial (GM)4 și soleus (SOL)) și extensor femural (cvadriceps)5,6 se găsește țesut muscular penat în fiecare mușchi7. Într-o structură penată, fibrele musculare din musculatura bipenată sunt prezente de ambele părți ale tendonului central la unghiuri oblice (unghiuri penate). „Pennat” provine din cuvântul latin „penna”, care înseamnă „stilou” și, așa cum se arată în fig. 1, are un aspect asemănător unei pene. Fibrele mușchilor penați sunt mai scurte și înclinate față de axa longitudinală a mușchiului. Datorită structurii penate, mobilitatea generală 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 arie a secțiunii transversale, mușchii penați 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 țesutul muscular respectiv. În plus, are proprietăți unice precum contracția rapidă, protecția împotriva deteriorării prin tracțiune, amortizarea. Transformă relația dintre intrarea fibrelor și producția de putere musculară prin exploatarea caracteristicilor unice și a complexității geometrice a aranjamentului fibrelor asociate cu liniile de acțiune ale mușchilor.
Sunt prezentate diagrame schematice ale modelelor existente de actuatoare bazate pe SMA în raport 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 cu arc SMA plasată antagonist. Poziția ochiului protetic este controlată de un semnal de la mușchiul ocular al ochiului11, (c) Actuatoarele SMA sunt ideale pentru aplicații subacvatice datorită răspunsului lor în frecvență ridicată și lățimii de bandă reduse. În această configurație, actuatoarele SMA sunt utilizate pentru a crea mișcare ondulatorie prin simularea mișcării peștilor, (d) Actuatoarele SMA sunt utilizate pentru a crea un robot de inspecție a micro-țevilor care poate utiliza principiul mișcării în inch, controlat de mișcarea firelor SMA în interiorul canalului 10, (e) arată direcția fibrelor musculare de contracție și generează forța contractilă în țesutul gastrocnemius, (f) arată firele SMA aranjate sub formă de fibre musculare în structura musculară penată.
Actuatoarele au devenit o parte importantă a sistemelor mecanice datorită gamei lor largi de aplicații. Prin urmare, nevoia de acționări mai mici, mai rapide și mai eficiente devine critică. În ciuda avantajelor lor, acționările tradiționale s-au dovedit a fi costisitoare și consumatoare de timp pentru întreținere. Actuatoarele hidraulice și pneumatice sunt complexe și scumpe și sunt supuse uzurii, problemelor de lubrifiere și defecțiunilor componentelor. Ca răspuns la cerere, accentul se pune pe dezvoltarea de actuatoare eficiente din punct de vedere al costurilor, optimizate din punct de vedere al dimensionării și avansate, bazate pe materiale inteligente. Cercetările în curs de desfășurare analizează actuatoarele stratificate din aliaje cu memorie de formă (SMA) pentru a satisface această nevoie. Actuatoarele ierarhice sunt unice prin faptul că combină multe actuatoare discrete în subsisteme la scară macro geometric complexe pentru a oferi o funcționalitate sporită și extinsă. În acest sens, țesutul muscular uman descris mai sus oferă un exemplu excelent multistrat al unei astfel de acționări multistrat. Studiul actual descrie o acționare SMA pe mai multe niveluri cu mai multe elemente de acționare individuale (fire SMA) aliniate la orientările fibrelor prezente în mușchii bimodali, ceea ce îmbunătățește performanța generală a acționării.
Scopul principal al unui actuator este de a genera putere mecanică de ieșire, cum ar fi forța și deplasarea, prin convertirea energiei electrice. Aliajele cu memorie de formă sunt o clasă de materiale „inteligente” care își pot restabili forma la temperaturi ridicate. Sub sarcini mari, o creștere a temperaturii firului SMA duce la recuperarea formei, rezultând o densitate de energie de acționare mai mare în comparație cu diverse materiale inteligente lipite 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 histereze reversibile. Aceste proprietăți unice fac SMA ideal pentru senzori, amortizare a vibrațiilor și în special actuatoare12. Având în vedere acest lucru, au existat numeroase cercetări în domeniul acționărilor bazate pe SMA. Trebuie menționat 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 actuatoarele liniare. Aceste actuatoare liniare pot fi împărțite în trei tipuri de actuatoare: actuatoare unidimensionale, de deplasare și diferențiale16. Inițial, acționările hibride au fost create în combinație cu SMA și alte acționări 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 în domeniul acționărilor bazate în întregime pe SMA a fost acționarea paralelă SMA. Folosind mai multe fire SMA, acționarea paralelă bazată pe SMA este concepută pentru a crește capacitatea de putere a acționării prin plasarea tuturor firelor SMA18 în paralel. Conectarea paralelă 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 creată o grindă de cablu SMA care conține o grindă flexibilă deviată pentru a crește deplasarea și a realiza mișcarea liniară, dar nu a generat forțe mai mari19. Structuri și materiale textile moi deformabile pentru roboți bazate pe aliaje cu memorie de formă au fost dezvoltate în principal pentru amplificarea impactului20,21,22. Pentru aplicațiile în care sunt necesare viteze mari, au fost raportate pompe compacte care utilizează SMA cu peliculă subțire pentru aplicații acționate de micropompe23. Frecvența de acționare a membranei SMA cu peliculă subțire este un factor cheie în controlul vitezei acționării. Prin urmare, motoarele liniare SMA au un răspuns dinamic mai bun decât motoarele SMA cu arc sau bară. Robotica moale și tehnologia de prindere sunt alte două aplicații care utilizează 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, a fost fabricat un actuator moale SMA pe baza unui fir cu o matrice încorporată capabilă să producă o forță maximă de tracțiune de 30 N. Datorită proprietăților lor mecanice, SMA-urile sunt utilizate și 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 unei râme, cu SMA pentru a genera o mișcare sinusoidală pentru a trage26,27.
Așa cum am menționat anterior, 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. Acționată de sârmă din aliaj cu memorie a formei. Acesta oferă un sistem de clasificare care include mai multe fire din aliaj cu memorie a formei. Până în prezent, nu au fost raportate în literatura de specialitate actuatoare bazate pe SMA cu o arhitectură similară. Acest sistem unic și inovator bazat pe SMA a fost dezvoltat pentru a studia comportamentul SMA în timpul alinierii musculare bimodale. Comparativ cu actuatoarele existente bazate pe SMA, scopul acestui studiu a fost de a crea un actuator biomimetic cu divalerat pentru a genera forțe semnificativ mai mari într-un volum mic. Comparativ cu acționările convenționale acționate de motoare pas cu pas utilizate în sistemele de automatizare și control al clădirilor HVAC, designul propus de acționare bimodală bazată pe SMA reduce greutatea mecanismului de acționare cu 67%. În continuare, termenii „mușchi” și „acționare” sunt utilizați interschimbabil. Acest studiu investighează simularea multifizică a unei astfel de acționări. Comportamentul mecanic al unor astfel de sisteme a fost studiat 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, au fost prevăzute actuatoare ierarhice și au fost propuse efecte de nivel ierarhic ca o potențială arie viitoare pentru actuatoarele nemagnetice pentru aplicații protetice. Conform rezultatelor studiilor menționate anterior, 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 acționare generată de o acționare multi-nivel multi-nivel s-a dovedit a fi de peste zece ori mai mare decât cea a acționărilor convenționale bazate pe SMA. Studiul raportează apoi parametrii cheie folosind analiza de sensibilitate între diferite modele și variabile de intrare. Lungimea inițială a firului SMA (\(l_0\)), unghiul penat (\(\alpha\)) și numărul de fire simple (n) din fiecare fir individual au un efect negativ puternic asupra magnitudinii forței motrice, 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 nichel-titan (Ni-Ti). De obicei, SMA-urile prezintă două faze dependente de temperatură: o fază la temperatură scăzută și o fază la temperatură înaltă. Ambele faze au proprietăți unice datorită prezenței unor structuri cristaline diferite. În faza de austenită (faza la temperatură înaltă) existentă peste temperatura de transformare, materialul prezintă o rezistență ridicată și se deformează slab 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 comportamentului termic al SMA sub influența diferiților parametri și a diferitelor geometrii. S-a obținut o bună concordanță între rezultatele experimentale și cele analitice.
Un studiu experimental a fost efectuat pe prototipul prezentat în Fig. 9a pentru a evalua performanța unei acționări bimodale bazate pe SMA. Două dintre aceste proprietăți, forța generată de acționare (forța musculară) și temperatura firului SMA (temperatura SMA), au fost măsurate experimental. Pe măsură ce diferența de tensiune crește pe întreaga lungime a firului în acționare, temperatura firului crește datorită efectului de încălzire Joule. Tensiunea de intrare a fost aplicată în două cicluri de 10 secunde (prezentate ca puncte roșii în Fig. 2a, b) cu o perioadă de răcire de 15 secunde între fiecare ciclu. Forța de blocare a fost măsurată folosind o tensometru 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). Se arată că în timpul fazei de înaltă tensiune, temperatura firului crește monoton, dar atunci când nu circulă curent, temperatura firului continuă să scadă. În configurația experimentală actuală, temperatura firului SMA a scăzut în timpul fazei de răcire, dar a rămas încă peste temperatura ambiantă. În figura 2e este prezentată o imagine a temperaturii firului SMA, preluată de la camera LWIR. Pe de altă parte, în figura 2a este prezentată forța de blocare generată de sistemul de acționare. 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 figura 2c, d. Când temperatura maximă este aproape de \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), forța maximă observată este de 105 N.
Graficul prezintă rezultatele experimentale ale temperaturii firului SMA și forța generată de actuatorul bimodal bazat pe SMA pe parcursul a două cicluri. Tensiunea de intrare este aplicată în două cicluri de 10 secunde (reprezentate 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 prezintă forța experimentală obținută pe parcursul a două cicluri, (c, d) prezintă două exemple independente ale acțiunii actuatoarelor cu braț mobil pe un traductor piezoelectric de forță PACEline CFT/5kN, (b) graficul prezintă temperatura maximă a întregului fir SMA pe parcursul a două cicluri, (e) prezintă o instantanee a temperaturii preluată de pe firul SMA folosind camera LWIR din software-ul FLIR ResearchIR. Parametrii geometrici luați în considerare în experimente sunt prezentați în Tabelul 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, actuatorului i s-a furnizat o putere de 11,2 W. O sursă de alimentare CC programabilă a fost utilizată pentru a furniza 7V ca tensiune de intrare, iar pe fir a fost măsurat un curent de 1,6A. Forța generată de acționare 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 simulării și a rezultatelor 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 sunt prezentate în fig. Figurile 5a corespund măsurării forței de blocare, care la rândul ei a fost măsurată atunci când arborele de antrenare era în contact cu traductorul piezoelectric de forță 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 termic 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 acționare comparativ cu primul ciclu (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Astfel, comparativ 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 timp, 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 similaritate calitativă ridicată cu exemplele din analiza termografică. Analiza comparativă a datelor termice ale firului SMA din experimente și simulări a arătat consecvență 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 \(75\,^{\circ }\hbox {C}\, respectiv ), iar în al doilea ciclu temperatura maximă a firului SMA este \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) și \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Modelul dezvoltat fundamental confirmă efectul efectului de memorie a formei. Rolul oboselii și al supraîncălzirii nu a fost luat în considerare în această analiză. În viitor, modelul va fi îmbunătățit pentru a include istoricul solicitărilor firului SMA, făcându-l mai potrivit pentru aplicații inginerești. Graficele forței de ieșire a acționării și ale temperaturii SMA obținute din blocul Simulink se încadrează în toleranțele admise ale datelor experimentale în condițiile 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 utilizând ecuațiile de bază descrise în secțiunea Metode. În figura 3b este prezentată 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 figura 2a și b. Valorile parametrilor utilizați în simulare sunt listate în tabelul 1. Rezultatele simulării proceselor tranzitorii sunt prezentate în figurile 1 și 1. Figurile 3a și 4. În figurile 4a și b sunt prezentate tensiunea indusă în firul SMA și forța generată de actuator în funcție de timp. În timpul transformării inverse (încălzirii), când temperatura firului SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura de început a fazei de austenită modificată prin stres), rata de modificare a fracției volumice de martensită (\(\dot{\xi }\)) va fi zero. În timpul transformării inverse (încălzirii), când temperatura firului SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura de început a fazei de austenită modificată prin stres), rata de modificare a fracției volumice de martensită (\(\dot{\ xi }\)) va fi zero. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура проволоки аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли доли матрте{\] будет равно нулю. În timpul transformării inverse (încălzire), când temperatura firului SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura de debut a austenitei modificate de tensiune), rata de modificare a fracției volumice de martensită (\(\dot{\ xi }\ )) va fi zero.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率（\(\}dot)\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 joncțiunii 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 modificate începe să crească și, în mod similar, când temperatura tijei de sârmă 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 anexe a fișierului suplimentar.)
Rezultatele analizei pentru diferite distribuții de parametri sunt prezentate 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) prezintă distribuția în timp, pe de altă parte, (d) și (f) ilustrează distribuția în funcție de temperatură. Pentru condițiile de intrare respective, tensiunea maximă observată este de 106 MPa (mai puțin de 345 MPa, rezistență la curgere a sârmei), forța este de 150 N, deplasarea maximă este de 270 µm, iar fracția volumică martensitică minimă este de 0,91. Pe de altă parte, modificarea tensiunii și modificarea fracției volumice a martensitei în funcție de temperatură sunt similare cu caracteristicile de histerezis.
Aceeași explicație se aplică transformării directe (răcirii) din faza austenită în faza martensitică, unde temperatura firului SMA (T) și temperatura finală a fazei martensitice modificate la tensiune (\(M_f^{\prime}\)) sunt excelente. În fig. 4d, f prezintă modificarea tensiunii induse (\(\sigma\)) și a fracției volumice de martensită (\(\xi\)) în firul SMA în funcție de modificarea temperaturii firului SMA (T), pentru ambele cicluri de acționare. În fig. Figura 3a prezintă 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 austenită începe atunci când temperatura firului SMA (T) depășește temperatura de nucleație a austenitei corectată la tensiune (\(A_s^{\prime}\)). În timpul acestei faze, firul SMA este comprimat, iar actuatorul generează forță. De asemenea, în timpul răcirii, când temperatura firului SMA (T) depășește temperatura de nucleație a fazei martensitice modificate la tensiune (\(M_s^{\prime}\)), are loc o tranziție pozitivă de la faza austenită la faza martensitică. Forța de acționare 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 volumice de martensită (\(\xi\)) este setată la 1, deoarece materialul se află inițial într-o fază complet martensitică. Pe măsură ce firul continuă să se încălzească, temperatura firului SMA depășește temperatura de nucleație a austenitei corectată în funcție de tensiune \(A_s^{\prime}\), rezultând o scădere a fracției volumice de martensită, așa cum se arată în Figura 4c. În plus, în fig. 4e este prezentată distribuția curselor actuatorului în timp, iar în fig. 5 – forța motrice în funcție de timp. Un sistem de ecuații conex include temperatura, fracția volumică de martensită și tensiunea 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 volumice de martensită cu temperatura corespund caracteristicilor de histerezis ale SMA în cazul simulat la 7 V.
Compararea parametrilor de acționare a fost obținută prin experimente și calcule analitice. Firele au fost supuse unei tensiuni de intrare pulsate de 7 V timp de 10 secunde, apoi răcite timp de 15 secunde (faza de răcire) pe parcursul a două cicluri. Unghiul pinului este setat la \(40^{\circ}\) iar lungimea inițială a firului SMA în fiecare picior al pinului este setată la 83 mm. (a) Măsurarea forței de acționare cu o celulă de sarcină (b) Monitorizarea temperaturii firului cu o cameră termică cu infraroșu.
Pentru a înțelege influența parametrilor fizici asupra forței produse de acționare, a fost efectuată o analiză a sensibilității modelului matematic la parametrii fizici selectați, iar parametrii au fost clasificați în funcție de influența lor. Mai întâi, eșantionarea parametrilor modelului s-a făcut folosind principii de proiectare experimentală care au urmat o distribuție uniformă (vezi 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 termic convectiv (\(h_T\)) și numărul de ramuri unimodale (n). În etapa următoare, forța musculară de vârf a fost aleasă ca cerință de proiectare a studiului și au fost obținute efectele parametrice ale fiecărui set de variabile asupra forței. Diagramele tornado pentru analiza sensibilității au fost derivate din coeficienții de corelație pentru fiecare parametru, așa cum se arată în Fig. 6a.
(a) Valorile coeficienților de corelație ai parametrilor modelului și efectul acestora asupra forței maxime de ieșire a 2500 de grupuri unice ale parametrilor modelului de mai sus sunt prezentate în graficul Tornado. Graficul prezintă 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 diverse combinații asupra forței musculare de vârf este prezentat în (b, c). \(K_x\) variază de la 400 la 800 N/m, iar n variază de la 4 la 24. Tensiunea (\(V_{in}\)) s-a modificat de la 4V la 10V, lungimea firului (\(l_{0 } \)) s-a modificat de la 40 la 100 mm, iar unghiul cozii (\ (\alpha \)) a variat de la \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
În fig. 6a este prezentată o diagramă tornadă a diferiților coeficienți de corelație pentru fiecare parametru cu cerințe de proiectare a forței de acționare 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 termic convectiv (\(h_T\)), unghiul flăcării (\( \alpha\)), constanta arcului de deplasare (\(K_x\)) sunt corelate negativ cu forța de ieșire și lungimea inițială (\(l_0\)) a firului SMA, iar numărul de ramuri unimodale (n) prezintă o corelație inversă puternică. 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. Valori mai mici ale lui \(l_0\) duc la forțe de vârf mai mari. Celelalte două grafice sunt în concordanță cu Figura 6a, unde n și \(K_x\) sunt corelate negativ, iar \(V_{in}\) sunt corelate pozitiv. Această analiză ajută la definirea și ajustarea parametrilor de influență prin care forța de ieșire, cursa și eficiența sistemului de acționare pot fi adaptate cerințelor și aplicației.
Cercetările actuale introduc și investighează acționări ierarhice cu N niveluri. Într-o ierarhie pe două niveluri, așa cum se arată în Fig. 7a, în loc de fiecare fir SMA al actuatorului de prim nivel, se realizează un aranjament bimodal, așa cum se arată în fig. 9e. În fig. 7c se arată cum firul SMA este înfășurat în jurul unui braț mobil (braț auxiliar) care se mișcă doar în direcție longitudinală. Cu toate acestea, brațul mobil principal continuă să se miște în același mod ca și brațul mobil al actuatorului multi-etaj de primă etapă. De obicei, o acționare cu N etape este creată prin înlocuirea firului SMA de \(N-1\) etapă cu o acționare de primă etapă. Drept urmare, fiecare ramură imită acționarea de primă etapă, cu excepția ramurii care susține firul în sine. În acest fel, se pot forma structuri imbricate care creează forțe de câteva ori mai mari decât forțele acționărilor primare. În acest studiu, pentru fiecare nivel, s-a luat în considerare o lungime totală efectivă a firului SMA de 1 m, așa cum se arată în format tabelar în Fig. 7d. Curentul prin fiecare fir în fiecare design unimodal și pretensionarea și tensiunea rezultate 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 este atinsă în cel mai mare număr de straturi, cea mai mare deplasare se observă în stratul cel mai de jos. Când nivelul ierarhic a fost setat la \(N=5\), s-a constatat o forță musculară de vârf de 2,58 kN cu 2 curse observate \(\upmu\)m. Pe de altă parte, acționarea din prima etapă generează o forță de 150 N la o cursă de 277 \(\upmu\)m. Actuatoarele multi-nivel sunt capabile să imite mușchi biologici reali, în timp ce 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, iar complexitatea procesului de fabricație a acționării crește.
(a) Un sistem de actuatoare liniare din aliaj cu memorie de formă, cu două straturi (\(N=2\)), este prezentat într-o configurație bimodală. Modelul propus este realizat prin înlocuirea firului SMA din actuatorul stratificat din prima etapă cu un alt actuator stratificat într-o singură etapă. (c) Configurația deformată a actuatorului multistrat din a doua etapă. (b) Este descrisă distribuția forțelor și deplasărilor în funcție de numărul de niveluri. S-a constatat că forța de vârf a actuatorului este corelată pozitiv cu nivelul scalei de pe grafic, în timp ce cursa este corelată negativ cu nivelul scalei. Curentul și pre-tensiunea din fiecare fir rămân constante la toate nivelurile. (d) Tabelul prezintă numărul de prize și lungimea firului SMA (fibrei) la fiecare nivel. Caracteristicile firelor sunt indicate de indicele 1, iar numărul de ramificații secundare (una conectată la piciorul primar) este indicat de 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 numeroși cercetători pentru a modela comportamentul materialelor SMA 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 inerent complexă. Cel mai frecvent utilizat model fenomenologic este propus de Tanaka28 și este utilizat pe scară largă în aplicații inginerești. Modelul fenomenologic propus de Tanaka [28] presupune că fracția volumică de martensită este o funcție exponențială a temperaturii și a stresului. Ulterior, 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 temperaturii, cu mici 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 utilizează metoda dinamicii 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 în funcție de temperatură, sunt dificil de implementat în aplicații inginerești. 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 de formă în orice condiții complexe de încărcare.
Modelul structural al firului SMA indică tensiunea (\(\sigma\)), deformația (\(\epsilon\)), temperatura (T) și fracția volumică de martensită (\(\xi\)) a firului SMA. Modelul constitutiv fenomenologic a fost propus pentru prima dată de Tanaka28 și adoptat ulterior de Liang29 și Brinson30. Derivata ecuației are forma:
unde E este modulul lui Young dependent de fază al SMA, obținut folosind \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) și \(E_A\) și \(E_M\) reprezentând modulul lui Young sunt faze austenitice și respectiv martensitice, iar coeficientul de dilatare termică este reprezentat de \(\theta _T\). Factorul de contribuție al tranziției de fază este \(\Omega = -E \epsilon _L\) și \(\epsilon _L\) este deformarea maximă recuperabilă în firul SMA.
Ecuația dinamicii de fază 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 sub sarcini termomecanice complexe. În fiecare moment de timp, valoarea fracției volumice de martensită este calculată la modelarea ecuației constitutive.
Ecuația de retransformare dominantă, exprimată prin transformarea martensitei în austenită în condiții de încălzire, este următoarea:
unde \(\xi\) este fracția volumică a martensitei, \(\xi _M\) este fracția volumică a martensitei obținută înainte de încălzire, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) și \(C_A\) – parametrii de aproximare a curbei, T – temperatura firului SMA, \(A_s\) și \(A_f\) – începutul și sfârșitul fazei de austenită, respectiv temperatura.
Ecuația de control al transformării directe, reprezentată de transformarea de fază a austenitei în martensită în condiții de răcire, este:
unde \(\xi _A\) este fracția volumică de martensită obținută înainte de răcire, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) și \(C_M \) – parametrii de ajustare a curbei, T – temperatura firului SMA, \(M_s\) și \(M_f\) – temperaturile inițiale și finale ale martensitei, respectiv.
După diferențierea ecuațiilor (3) și (4), ecuațiile de transformare inversă și directă se simplifică la următoarea formă:
În timpul transformării directe și inverse, \(\eta _{\sigma}\) 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 creșterea temperaturii 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, iar având în vedere efectul neglijabil al radiației, ecuația bilanțului energetic termic 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: \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) unde \(r_M\) și \(r_A\) sunt rezistivitatea de fază SMA în martensită și respectiv austenită, \(A_{c}\) este aria suprafeței firului SMA, \(ΔH \) este un aliaj cu memorie de formă. Căldura latentă de tranziție a firului, T și \(T_{\infty}\) sunt temperaturile firului SMA și, respectiv, ale mediului înconjurător.
Când un fir din aliaj cu memorie de formă este acționat, acesta se comprimă, creând o forță în fiecare ramură a designului bimodal numită forță a fibrei. Forțele fibrelor din fiecare fir al firului SMA creează împreună forța musculară necesară acționării, așa cum se arată în Fig. 9e. Datorită prezenței unui arc de tensionare, forța musculară totală a actuatorului multistrat N este:
Înlocuind \(N = 1\) în ecuația (7), forța musculară a prototipului de acționare bimodală din prima etapă poate fi obținută după cum urmează:
unde n este numărul de ramuri unimodale, \(F_m\) este forța musculară generată de acționare, \(F_f\) este rezistența fibrei din firul SMA, \(K_x\) este arcul de rigiditate, \(\alpha\) este unghiul triunghiului, \(x_0\) este decalajul inițial al arcului de polarizare pentru a menține cablul SMA în poziția pretensionată, iar \(\Delta x\) este cursa actuatorului.
Deplasarea totală sau mișcarea acționării (\(\Delta x\)) în funcție de tensiunea (\(\sigma\)) și deformarea (\(\epsilon\)) pe firul SMA al etajului N, acționarea este setată la (vezi Fig. partea suplimentară a ieșirii):
Ecuațiile cinematice dau relația dintre deformarea acționării (\(\epsilon\)) și deplasare sau deplasare (\(\Delta x\)). Deformarea firului Arb în funcție de lungimea inițială a firului Arb (\(l_0\)) și lungimea firului (l) la orice moment t într-o ramură unimodală este următoarea:
unde \(l = \sqrt{l_0^2 +(Δx_1)^2 – 2 l_0 (Δx_1) \cos \alpha _1}\) se obține prin aplicarea formulei cosinusului în \(Δ)ABB ', așa cum se arată în Figura 8. Pentru prima etapă de acționare (\(N = 1\)), \(Δx_1\) este \(Δx\), iar \(\alpha _1\) este \(\alpha \) așa cum se arată în După cum se arată în Figura 8, prin diferențierea timpului din Ecuația (11) și substituirea valorii lui l, rata de deformare poate fi scrisă ca:
unde \(l_0\) este lungimea inițială a firului SMA, l este lungimea firului la orice moment t într-o ramură unimodală, \(\epsilon\) este deformarea dezvoltată în firul SMA și \(\alpha \) este unghiul triunghiului, \(\Delta x\) este offset-ul de acționare (așa cum se arată în Figura 8).
Toate cele n structuri cu un singur vârf (\(n=6\) din 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 se arată pe linia roșie.
Ca demonstrație a conceptului, a fost dezvoltată o acționare 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 este prezentat un nou design propus pentru o conexiune prismatică rotativă utilizând un actuator bazat pe SMA pe două planuri cu o structură bimodală. Componentele de acționare au fost fabricate folosind fabricația 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 de tranziție vitroasă ridicată (110-113 \(^{\circ }\)C). În plus, în experimente a fost utilizată sârmă din aliaj cu memorie de formă Flexinol de la Dynalloy, Inc., iar proprietățile materialului corespunzătoare sârmei Flexinol au fost utilizate în simulări. Mai multe fire SMA sunt aranjate ca fibre prezente într-un aranjament bimodal de mușchi pentru a obține forțele mari produse de actuatoarele 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 stânga și dreapta, firul SMA este menținut la unghiul bimodal dorit. Dispozitivul cu arc de polarizare fixat pe conectorul cu arc este conceput pentru a ajusta diferitele grupuri de extensie a arcului de polarizare în funcție de numărul (n) de fibre SMA. În plus, amplasarea pieselor mobile este proiectată astfel încât firul SMA să fie expus mediului extern pentru răcire prin convecție forțată. Plăcile superioară și inferioară ale ansamblului detașabil ajută la menținerea răcirii firului SMA cu decupaje extrudate concepute pentru a reduce greutatea. În plus, ambele capete ale firului CMA sunt fixate la terminalele stânga și dreapta, respectiv, prin intermediul unei sertizări. Un piston este atașat la un capăt al ansamblului mobil pentru a menține distanța dintre plăcile superioară și inferioară. Pistonul este, de asemenea, utilizat pentru a aplica o forță de blocare asupra senzorului prin intermediul unui 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 impulsuri de tensiune, când se aplică tensiune și firul SMA este încălzit peste temperatura inițială a austenitei, lungimea firului din fiecare fir se scurtează. 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 martensitice, 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 detwinată. Șurubul, prin care trece firul SMA, se mișcă datorită compresiei create prin aplicarea unui impuls de tensiune pe firul SMA (SPA ajunge la faza de austenită), ceea ce duce la acționarea pârghiei mobile. Când firul SMA este retras, arcul de polarizare creează o forță opusă prin întinderea suplimentară a arcului. Când tensiunea din impuls devine zero, firul SMA se alungește și își schimbă forma datorită răcirii prin convecție forțată, ajungând la o fază dublă martensitică.
Sistemul de actuatoare liniare bazat pe SMA propus are o configurație 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) prezintă o vedere de sus a prototipului cu conexiuni electrice, arcuri de polarizare și tensometre utilizate, (d) prezintă o vedere în perspectivă a configurației. (e) Diagrama unui sistem de acționare liniară cu fire SMA plasate bimodal în orice moment t, arătând direcția și traiectoria fibrei și forța musculară. (c) O conexiune prismatică rotativă cu 2 grade de libertate a fost propusă pentru implementarea unui actuator biplan bazat pe SMA. După cum se arată, legătura transmite mișcarea liniară de la acționarea inferioară la brațul superior, creând o conexiune rotativă. Pe de altă parte, mișcarea perechii de prisme este aceeași cu mișcarea acționării multistrat din prima etapă.
Un studiu experimental a fost efectuat pe prototipul prezentat în Fig. 9b pentru a evalua performanța unei acționări bimodale bazate pe SMA. Așa cum se arată în Figura 10a, configurația experimentală a constat dintr-o sursă de alimentare CC programabilă pentru a furniza tensiune de intrare firelor SMA. Așa cum se arată în fig. 10b, o tensometru piezoelectric (PACEline CFT/5kN) a fost utilizată pentru a măsura forța de blocare utilizând un înregistrator de date Graphtec GL-2000. Datele sunt înregistrate de gazdă pentru studii ulterioare. Tensometrele și amplificatoarele de sarcină 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 piezoelectric de forță 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 actuatorul să genereze forță. Rezultatele experimentale ale producției de forță musculară printr-un impuls de tensiune de intrare de 7 V sunt prezentate în fig. 2a.
(a) În cadrul experimentului, a fost configurat un sistem de actuatoare liniare bazat pe SMA 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 CC. O cădere de tensiune de 7 V a fost aplicată pe întreaga lungime a cablului folosind o sursă de alimentare programabilă de curent continuu 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 înregistratorul de date GL-2000, iar datele sunt stocate pe gazdă pentru procesare ulterioară. (b) Diagramă care prezintă lanțul de componente ale configurației experimentale pentru măsurarea forței musculare.
Aliajele cu memorie de formă sunt excitate de energie termică, astfel încât temperatura devine un parametru important pentru studierea fenomenului de memorie a formei. Experimental, așa cum se arată în Fig. 11a, s-au efectuat imagistică termică și măsurători de temperatură 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 utilizând o cameră LWIR de înaltă rezoluție (FLIR A655sc). Gazda utilizează software-ul ResearchIR pentru a înregistra date pentru post-procesare ulterioară. Când se aplică un impuls de tensiune, temperatura firului SMA crește, determinând contracția acestuia. În Fig. 2b se prezintă rezultatele experimentale ale temperaturii firului SMA în funcție de timp pentru un impuls de tensiune de intrare de 7V.
Data publicării: 28 septembrie 2022
