Ďakujeme, že ste navštívili Nature.com.Verzia prehliadača, ktorú používate, má obmedzenú podporu CSS.Pre najlepší zážitok vám odporúčame použiť aktualizovaný prehliadač (alebo vypnúť režim kompatibility v programe Internet Explorer).Medzitým, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, vykreslíme stránku bez štýlov a JavaScriptu.
Pohony sa používajú všade a vytvárajú riadený pohyb aplikáciou správnej budiacej sily alebo krútiaceho momentu na vykonávanie rôznych operácií vo výrobe a priemyselnej automatizácii.Potreba rýchlejších, menších a efektívnejších pohonov poháňa inovácie v dizajne pohonov.Disky Shape Memory Alloy (SMA) ponúkajú množstvo výhod oproti bežným diskom, vrátane vysokého pomeru výkonu a hmotnosti.V tejto dizertačnej práci bol vyvinutý dvojperový pohon na báze SMA, ktorý kombinuje výhody perových svalov biologických systémov a jedinečné vlastnosti SMA.Táto štúdia skúma a rozširuje predchádzajúce ovládače SMA vyvinutím matematického modelu nového ovládača založeného na bimodálnom usporiadaní drôtu SMA a jeho experimentálnym testovaním.V porovnaní so známymi pohonmi na báze SMA je sila ovládania nového pohonu minimálne 5-krát vyššia (až 150 N).Zodpovedajúca strata hmotnosti je asi 67%.Výsledky analýzy citlivosti matematických modelov sú užitočné pre ladenie parametrov návrhu a pochopenie kľúčových parametrov.Táto štúdia ďalej predstavuje viacúrovňový pohon N-tého stupňa, ktorý možno použiť na ďalšie zvýšenie dynamiky.Divalerátové svalové aktuátory založené na SMA majú širokú škálu aplikácií, od automatizácie budov až po presné systémy podávania liekov.
Biologické systémy, ako napríklad svalové štruktúry cicavcov, môžu aktivovať mnoho jemných akčných členov1.Cicavce majú rôzne svalové štruktúry, z ktorých každá slúži na špecifický účel.Veľkú časť štruktúry svalového tkaniva cicavcov však možno rozdeliť do dvoch širokých kategórií.Paralelné a pennate.V hamstringoch a iných flexoroch, ako už názov napovedá, má paralelné svalstvo svalové vlákna rovnobežné s centrálnou šľachou.Reťazec svalových vlákien je zoradený a funkčne spojený spojivovým tkanivom okolo nich.Aj keď sa hovorí, že tieto svaly majú veľkú exkurziu (percentuálne skrátenie), ich celková svalová sila je veľmi obmedzená.Na rozdiel od toho v lýtkovom svale tricepsu2 (laterálny lýtkový sval (GL)3, mediálny lýtkový sval (GM)4 a lýtkový sval (SOL)) a extensor femoris (štvorhlavý sval stehenný)5,6 sa nachádza penové svalové tkanivo v každom svale7.V pinnate štruktúre sú svalové vlákna v bipennate svalstve prítomné na oboch stranách centrálnej šľachy v šikmých uhloch (pinnate uhly).Pennate pochádza z latinského slova „penna“, čo znamená „pero“, a ako je znázornené na obr.1 má vzhľad podobný periu.Vlákna penátových svalov sú kratšie a šikmé k pozdĺžnej osi svalu.Vďaka pernatej štruktúre je znížená celková pohyblivosť týchto svalov, čo vedie k priečnej a pozdĺžnej zložke procesu skracovania.Na druhej strane, aktivácia týchto svalov vedie k vyššej celkovej svalovej sile vďaka spôsobu merania fyziologickej plochy prierezu.Preto pre danú oblasť prierezu budú penové svaly silnejšie a budú generovať vyššie sily ako svaly s paralelnými vláknami.Sily generované jednotlivými vláknami vytvárajú svalové sily na makroskopickej úrovni v tomto svalovom tkanive.Okrem toho má také jedinečné vlastnosti, ako je rýchle zmrštenie, ochrana proti poškodeniu ťahom, odpruženie.Transformuje vzťah medzi príjmom vlákniny a svalovým výkonom využívaním jedinečných vlastností a geometrickej zložitosti usporiadania vlákien spojených so svalovými líniami pôsobenia.
Sú znázornené schematické diagramy existujúcich návrhov akčných členov na báze SMA vo vzťahu k bimodálnej svalovej architektúre, napríklad (a), predstavujúce interakciu hmatovej sily, pri ktorej je ručne tvarované zariadenie ovládané drôtmi SMA namontované na dvojkolesovom autonómnom mobilnom robote9,10., (b) Robotická orbitálna protéza s antagonisticky umiestnenou SMA pružinovou orbitálnou protézou.Poloha protetického oka je riadená signálom z očného svalu oka11, (c) Aktuátory SMA sú ideálne pre aplikácie pod vodou vďaka svojej vysokej frekvenčnej odozve a nízkej šírke pásma.V tejto konfigurácii sa aktuátory SMA používajú na vytvorenie vlnového pohybu simuláciou pohybu rýb, (d) Aktuátory SMA sa používajú na vytvorenie robota na kontrolu mikrotrubiek, ktorý môže využívať princíp pohybu palcového šneku riadeného pohybom drôtov SMA vo vnútri kanála 10, (e) ukazuje smer kontrakcie svalových vlákien a generovanie kontrakčnej sily v tkanive lýtkového svalu, štruktúra drôtených svalových vlákien SMA je usporiadaná v tvare svalových vlákien SMA (f).
Pohony sa stali dôležitou súčasťou mechanických systémov vďaka ich širokému spektru použitia.Preto sa potreba menších, rýchlejších a efektívnejších pohonov stáva kritickou.Napriek svojim výhodám sa tradičné disky ukázali ako drahé a časovo náročné na údržbu.Hydraulické a pneumatické pohony sú zložité a drahé a podliehajú opotrebovaniu, problémom s mazaním a poruchám komponentov.V reakcii na dopyt sa pozornosť sústreďuje na vývoj nákladovo efektívnych a pokročilých pohonov s optimalizovanou veľkosťou založených na inteligentných materiáloch.Prebiehajúci výskum sa zameriava na vrstvené ovládače zo zliatiny s tvarovou pamäťou (SMA), aby túto potrebu splnili.Hierarchické ovládače sú jedinečné v tom, že kombinujú mnoho samostatných ovládačov do geometricky zložitých subsystémov makro mierky, aby poskytli zvýšenú a rozšírenú funkčnosť.V tomto ohľade vyššie opísané ľudské svalové tkanivo poskytuje vynikajúci viacvrstvový príklad takejto viacvrstvovej aktivácie.Súčasná štúdia popisuje viacúrovňový pohon SMA s niekoľkými jednotlivými pohonnými prvkami (drôty SMA) zosúladenými s orientáciou vlákien prítomných v bimodálnych svaloch, čo zlepšuje celkový výkon pohonu.
Hlavným účelom pohonu je generovať mechanický výstupný výkon, ako je sila a posun, premenou elektrickej energie.Zliatiny s tvarovou pamäťou sú triedou „inteligentných“ materiálov, ktoré dokážu obnoviť svoj tvar pri vysokých teplotách.Pri vysokých zaťaženiach vedie zvýšenie teploty drôtu SMA k obnoveniu tvaru, čo vedie k vyššej hustote aktivačnej energie v porovnaní s rôznymi priamo viazanými inteligentnými materiálmi.Zároveň sa SMA pri mechanickom zaťažení stávajú krehkými.Za určitých podmienok môže cyklické zaťaženie absorbovať a uvoľňovať mechanickú energiu, pričom vykazuje reverzibilné hysteretické zmeny tvaru.Vďaka týmto jedinečným vlastnostiam je SMA ideálny pre snímače, tlmenie vibrácií a najmä akčné členy12.S ohľadom na túto skutočnosť sa uskutočnilo veľa výskumov v oblasti diskov založených na SMA.Je potrebné poznamenať, že akčné členy na báze SMA sú navrhnuté tak, aby poskytovali translačný a rotačný pohyb pre rôzne aplikácie13,14,15.Hoci boli vyvinuté niektoré rotačné pohony, výskumníci sa zaujímajú najmä o lineárne pohony.Tieto lineárne ovládače možno rozdeliť do troch typov ovládačov: jednorozmerné, posuvné a diferenciálne ovládače 16 .Spočiatku vznikali hybridné pohony v kombinácii s SMA a inými konvenčnými pohonmi.Jedným z takýchto príkladov hybridného lineárneho pohonu na báze SMA je použitie drôtu SMA s jednosmerným motorom na zabezpečenie výstupnej sily približne 100 N a významného posunu17.
Jedným z prvých vývojov pohonov založených výlučne na SMA bol paralelný pohon SMA.Pomocou viacerých káblov SMA je paralelný pohon založený na SMA navrhnutý tak, aby zvýšil výkon pohonu umiestnením všetkých káblov SMA18 paralelne.Paralelné zapojenie akčných členov vyžaduje nielen väčší výkon, ale tiež obmedzuje výstupný výkon jedného vodiča.Ďalšou nevýhodou akčných členov na báze SMA je obmedzený zdvih, ktorý môžu dosiahnuť.Na vyriešenie tohto problému bol vytvorený káblový lúč SMA obsahujúci vychýlený flexibilný lúč na zvýšenie posunutia a dosiahnutie lineárneho pohybu, ale nevytváral vyššie sily19.Mäkké deformovateľné štruktúry a tkaniny pre roboty na báze zliatin s tvarovou pamäťou boli vyvinuté predovšetkým na zosilnenie nárazu20,21,22.Pre aplikácie, kde sa vyžadujú vysoké rýchlosti, boli hlásené kompaktné poháňané čerpadlá používajúce tenkovrstvové SMA pre aplikácie poháňané mikropumpami23.Frekvencia pohonu tenkovrstvovej membrány SMA je kľúčovým faktorom pri riadení rýchlosti pohonu.Preto majú lineárne motory SMA lepšiu dynamickú odozvu ako pružinové alebo tyčové motory SMA.Mäkká robotika a technológia uchopenia sú dve ďalšie aplikácie, ktoré využívajú aktuátory založené na SMA.Napríklad na nahradenie štandardného ovládača používaného v 25 N priestorovej svorke bol vyvinutý paralelný ovládač 24 zo zliatiny s tvarovou pamäťou.V inom prípade bol mäkký ovládač SMA vyrobený na základe drôtu so zabudovanou matricou schopnou produkovať maximálnu ťažnú silu 30 N. Vďaka svojim mechanickým vlastnostiam sa SMA používajú aj na výrobu ovládačov, ktoré napodobňujú biologické javy.Jeden takýto vývoj zahŕňa 12-bunkový robot, ktorý je biomimetickým organizmom podobným dážďovkám s SMA na generovanie sínusového pohybu na oheň26,27.
Ako už bolo spomenuté, existuje obmedzenie maximálnej sily, ktorú možno získať z existujúcich pohonov na báze SMA.Na vyriešenie tohto problému táto štúdia predstavuje biomimetickú bimodálnu svalovú štruktúru.Poháňané drôtom zo zliatiny s tvarovou pamäťou.Poskytuje klasifikačný systém, ktorý obsahuje niekoľko drôtov zo zliatiny s tvarovou pamäťou.K dnešnému dňu neboli v literatúre uvedené žiadne aktuátory založené na SMA s podobnou architektúrou.Tento jedinečný a nový systém založený na SMA bol vyvinutý na štúdium správania SMA počas bimodálneho zarovnania svalov.V porovnaní s existujúcimi pohonmi na báze SMA bolo cieľom tejto štúdie vytvoriť biomimetický pohon dvojvalerátu na generovanie výrazne vyšších síl v malom objeme.V porovnaní s konvenčnými pohonmi poháňanými krokovým motorom, ktoré sa používajú v systémoch automatizácie a riadenia budov HVAC, navrhovaná konštrukcia bimodálneho pohonu založená na SMA znižuje hmotnosť hnacieho mechanizmu o 67 %.V nasledujúcom texte sa pojmy „sval“ a „pohon“ používajú zameniteľne.Táto štúdia skúma multifyzikálnu simuláciu takéhoto pohonu.Mechanické správanie takýchto systémov bolo študované experimentálnymi a analytickými metódami.Rozloženie sily a teploty bolo ďalej skúmané pri vstupnom napätí 7 V. Následne bola vykonaná parametrická analýza na lepšie pochopenie vzťahu medzi kľúčovými parametrami a výstupnou silou.Nakoniec boli predstavené hierarchické ovládače a efekty na hierarchickej úrovni boli navrhnuté ako potenciálna oblasť budúcnosti pre nemagnetické ovládače pre protetické aplikácie.Podľa výsledkov vyššie uvedených štúdií použitie jednostupňovej architektúry vytvára sily najmenej štyri až päťkrát vyššie ako uvádzané aktuátory založené na SMA.Okrem toho sa ukázalo, že rovnaká hnacia sila generovaná viacúrovňovým viacúrovňovým pohonom je viac ako desaťkrát väčšia ako konvenčné pohony založené na SMA.Štúdia potom uvádza kľúčové parametre pomocou analýzy citlivosti medzi rôznymi návrhmi a vstupnými premennými.Počiatočná dĺžka drôtu SMA (\(l_0\)), sperený uhol (\(\alpha\)) a počet jednotlivých prameňov (n) v každom jednotlivom prameni majú silný negatívny vplyv na veľkosť hnacej sily.silu, pričom vstupné napätie (energia) sa ukázalo ako pozitívne korelované.
Drôt SMA vykazuje efekt tvarovej pamäte (SME) pozorovaný u zliatin niklu a titánu (Ni-Ti).Typicky SMA vykazujú dve teplotne závislé fázy: fázu s nízkou teplotou a fázu s vysokou teplotou.Obe fázy majú jedinečné vlastnosti vďaka prítomnosti rôznych kryštálových štruktúr.V austenitickej fáze (fáza vysokej teploty), ktorá existuje nad transformačnou teplotou, materiál vykazuje vysokú pevnosť a pri zaťažení sa zle deformuje.Zliatina sa správa ako nehrdzavejúca oceľ, takže je schopná odolať vyšším ovládacím tlakom.Využitím tejto vlastnosti zliatin Ni-Ti sú drôty SMA zošikmené, aby vytvorili ovládač.Na pochopenie základnej mechaniky tepelného správania SMA pod vplyvom rôznych parametrov a rôznych geometrií sú vyvinuté vhodné analytické modely.Bola dosiahnutá dobrá zhoda medzi experimentálnymi a analytickými výsledkami.
Experimentálna štúdia bola vykonaná na prototype znázornenom na obr. 9a na vyhodnotenie výkonu bimodálneho pohonu založeného na SMA.Dve z týchto vlastností, sila generovaná pohonom (svalová sila) a teplota drôtu SMA (teplota SMA), boli merané experimentálne.Keď sa rozdiel napätia zväčšuje po celej dĺžke drôtu v pohone, teplota drôtu sa zvyšuje v dôsledku Jouleovho zahrievacieho efektu.Vstupné napätie bolo aplikované v dvoch 10-sekundových cykloch (zobrazené ako červené bodky na obr. 2a, b) s 15-sekundovou periódou ochladzovania medzi každým cyklom.Blokovacia sila sa merala pomocou piezoelektrického tenzometra a distribúcia teploty drôtu SMA sa monitorovala v reálnom čase pomocou vedeckej LWIR kamery s vysokým rozlíšením (pozri charakteristiky použitého zariadenia v tabuľke 2).ukazuje, že počas fázy vysokého napätia sa teplota drôtu monotónne zvyšuje, ale keď netečie žiadny prúd, teplota drôtu naďalej klesá.V súčasnom experimentálnom nastavení teplota drôtu SMA počas fázy chladenia klesla, ale stále bola nad teplotou okolia.Na obr.2e ukazuje snímku teploty na SMA drôte získanú z LWIR kamery.Na druhej strane na obr.2a znázorňuje blokovaciu silu generovanú hnacím systémom.Keď svalová sila prekročí vratnú silu pružiny, pohyblivé rameno, ako je znázornené na obrázku 9a, sa začne pohybovať.Hneď ako sa spustí aktivácia, pohyblivé rameno sa dostane do kontaktu so snímačom a vytvorí telesnú silu, ako je znázornené na obr.2c, d.Keď je maximálna teplota blízka \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), maximálna pozorovaná sila je 105 N.
Graf ukazuje experimentálne výsledky teploty drôtu SMA a sily generovanej bimodálnym pohonom na báze SMA počas dvoch cyklov.Vstupné napätie sa aplikuje v dvoch 10-sekundových cykloch (zobrazených ako červené bodky) s 15-sekundovou periódou ochladzovania medzi každým cyklom.Drôt SMA použitý na experimenty bol drôt Flexinol s priemerom 0,51 mm od spoločnosti Dynalloy, Inc. (a) Graf ukazuje experimentálnu silu získanú počas dvoch cyklov, (c, d) ukazuje dva nezávislé príklady pôsobenia ovládačov pohyblivého ramena na piezoelektrický snímač sily PACEline CFT/5kN, (b) graf ukazuje maximálnu teplotu drôtu počas dvoch záberov cyklu SMA (snímaný drôt počas celého cyklu SMA) softvérová LWIR kamera FLIR ResearchIR.Geometrické parametre brané do úvahy pri experimentoch sú uvedené v tabuľke.jeden.
Výsledky simulácie matematického modelu a experimentálne výsledky sú porovnávané pri vstupnom napätí 7V, ako je znázornené na obr.5.Podľa výsledkov parametrickej analýzy a aby sa predišlo možnosti prehriatia vodiča SMA, bol do pohonu privedený výkon 11,2 W.Na napájanie 7V ako vstupného napätia sa použil programovateľný jednosmerný zdroj a na drôte sa nameral prúd 1,6A.Sila generovaná pohonom a teplota SDR sa zvyšujú, keď sa aplikuje prúd.Pri vstupnom napätí 7V je maximálna výstupná sila získaná z výsledkov simulácie a experimentálnych výsledkov prvého cyklu 78 N a 96 N, v tomto poradí.V druhom cykle bola maximálna výstupná sila simulačných a experimentálnych výsledkov 150 N a 105 N, v tomto poradí.Rozdiel medzi meraniami okluznej sily a experimentálnymi údajmi môže byť spôsobený metódou použitou na meranie okluznej sily.Experimentálne výsledky znázornené na obr.5a zodpovedajú meraniu uzamykacej sily, ktorá sa zase merala, keď bol hnací hriadeľ v kontakte s piezoelektrickým snímačom sily PACEline CFT/5kN, ako je znázornené na obr.2s.Preto, keď hnací hriadeľ nie je v kontakte so snímačom sily na začiatku chladiacej zóny, sila sa okamžite vynuluje, ako je znázornené na obr. 2d.Okrem toho ďalšími parametrami, ktoré ovplyvňujú tvorbu sily v nasledujúcich cykloch, sú hodnoty času chladenia a koeficientu prestupu tepla konvekciou v predchádzajúcom cykle.Z obr.2b je možné vidieť, že po 15 sekundách chladenia drôt SMA nedosiahol izbovú teplotu, a preto mal vyššiu počiatočnú teplotu (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) v druhom cykle jazdy v porovnaní s prvým cyklom (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).V porovnaní s prvým cyklom teda teplota drôtu SMA počas druhého cyklu ohrevu dosiahne počiatočnú teplotu austenitu (\(A_s\)) skôr a zostane v prechodnom období dlhšie, čo má za následok napätie a silu.Na druhej strane distribúcie teplôt počas cyklov ohrevu a chladenia získané z experimentov a simulácií majú vysokú kvalitatívnu podobnosť s príkladmi z termografickej analýzy.Porovnávacia analýza tepelných údajov drôtu SMA z experimentov a simulácií ukázala konzistentnosť počas cyklov zahrievania a chladenia av rámci prijateľných tolerancií pre experimentálne údaje.Maximálna teplota drôtu SMA, získaná z výsledkov simulácie a experimentov prvého cyklu, je \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) a \(75\,^{\circ }\hbox { C }\, v tomto poradí ), a v druhom cykle je maximálna teplota drôtu SMA \(94\,^{\circ } {\\,^{\Cirk{} {\\\,^{\Cirk{} \\ 3 \\ }\).Zásadne vyvinutý model potvrdzuje efekt efektu tvarovej pamäte.V tomto prehľade sa nebrala do úvahy úloha únavy a prehriatia.V budúcnosti bude model vylepšený tak, aby obsahoval históriu namáhania drôtu SMA, čím sa stane vhodnejším pre inžinierske aplikácie.Grafy výstupnej sily pohonu a teploty SMA získané z bloku Simulink sú v rámci povolených tolerancií experimentálnych údajov za podmienky impulzu vstupného napätia 7 V. To potvrdzuje správnosť a spoľahlivosť vyvinutého matematického modelu.
Matematický model bol vyvinutý v prostredí MathWorks Simulink R2020b pomocou základných rovníc popísaných v časti Metódy.Na obr.3b znázorňuje blokovú schému matematického modelu Simulink.Model bol simulovaný pre impulz vstupného napätia 7V, ako je znázornené na obr. 2a, b.Hodnoty parametrov použitých pri simulácii sú uvedené v tabuľke 1. Výsledky simulácie prechodných procesov sú uvedené na obrázkoch 1 a 1. Obrázky 3a a 4. Na obr.4a,b znázorňuje indukované napätie v SMA drôte a silu generovanú ovládačom ako funkciu času. Počas reverznej transformácie (ohrievania), keď je teplota drôtu SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (začiatočná teplota austenitickej fázy modifikovanej napätím), rýchlosť zmeny objemového podielu martenzitu (\(\dot{\xi }\)) bude nulová. Počas reverznej transformácie (ohrievania), keď je teplota drôtu SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (začiatočná teplota austenitovej fázy modifikovanej napätím), rýchlosť zmeny objemového podielu martenzitu (\(\dot{\ xi }\)) bude nulová. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}рату\) нитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемнтит\мицированная будет равно нулю. Počas reverznej transformácie (zahrievania), keď je teplota drôtu SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (napäťovo modifikovaná teplota začiatku austenitu), rýchlosť zmeny objemového zlomku martenzitu (\(\dot{\ xi }\ )) bude nulová.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥榩）正奥氏体旛妸︧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) Výsledok simulácie ukazujúci distribúciu teploty a teplotu spojenia vyvolanú napätím v akčnom člene na báze SMA.Keď teplota drôtu prekročí teplotu prechodu austenitu v štádiu ohrevu, teplota modifikovaného prechodu austenitu sa začne zvyšovať a podobne, keď teplota valcovaného drôtu prekročí teplotu martenzitického prechodu v štádiu ochladzovania, teplota martenzitického prechodu sa zníži.SMA pre analytické modelovanie procesu aktivácie.(Podrobný pohľad na každý podsystém modelu Simulink nájdete v časti prílohy doplnkového súboru.)
Výsledky analýzy pre rôzne distribúcie parametrov sú zobrazené pre dva cykly vstupného napätia 7V (10 sekundové cykly zahrievania a 15 sekundové cykly ochladzovania).Zatiaľ čo (ac) a (e) zobrazujú distribúciu v čase, na druhej strane (d) a (f) znázorňujú distribúciu s teplotou.Pre príslušné vstupné podmienky je maximálne pozorované napätie 106 MPa (menej ako 345 MPa, medza klzu drôtu), sila je 150 N, maximálne posunutie je 270 µm a minimálny martenzitický objemový podiel je 0,91.Na druhej strane, zmena napätia a zmena objemového podielu martenzitu s teplotou sú podobné hysteréznym charakteristikám.
Rovnaké vysvetlenie platí aj pre priamu transformáciu (ochladzovanie) z austenitickej fázy do martenzitovej fázy, kde je vynikajúca teplota drôtu SMA (T) a koncová teplota napätím modifikovanej martenzitovej fázy (\(M_f^{\prime}\ )).Na obr.4d,f znázorňuje zmenu indukovaného napätia (\(\sigma\)) a objemový podiel martenzitu (\(\xi\)) v drôte SMA ako funkciu zmeny teploty drôtu SMA (T), pre oba cykly pohonu.Na obr.Obrázok 3a ukazuje zmenu teploty drôtu SMA v závislosti od impulzu vstupného napätia.Ako je zrejmé z obrázku, teplota drôtu sa naďalej zvyšuje poskytovaním zdroja tepla pri nulovom napätí a následným konvekčným chladením.Počas zahrievania sa retransformácia martenzitu na austenitickú fázu začína, keď teplota drôtu SMA (T) prekročí teplotu nukleácie austenitu korigovanú napätím (\(A_s^{\prime}\)).Počas tejto fázy je drôt SMA stlačený a pohon generuje silu.Taktiež pri ochladzovaní, keď teplota SMA drôtu (T) prekročí nukleačnú teplotu napäťovo modifikovanej martenzitovej fázy (\(M_s^{\prime}\)) dochádza k pozitívnemu prechodu z austenitickej fázy do martenzitovej fázy.hnacia sila klesá.
Hlavné kvalitatívne aspekty bimodálneho pohonu založeného na SMA možno získať z výsledkov simulácie.V prípade napäťového impulzného vstupu sa teplota drôtu SMA zvyšuje v dôsledku Jouleovho zahrievacieho efektu.Počiatočná hodnota objemového podielu martenzitu (\(\xi\)) je nastavená na 1, pretože materiál je na začiatku v plne martenzitickej fáze.Keď sa drôt ďalej zahrieva, teplota drôtu SMA prekročí teplotu nukleácie austenitu \(A_s^{\prime}\) korigovanú na napätie \(A_s^{\prime}\), čo vedie k zníženiu objemového podielu martenzitu, ako je znázornené na obrázku 4c.Okrem toho na obr.4e znázorňuje rozdelenie zdvihov ovládača v čase a na obr.5 – hnacia sila ako funkcia času.Súvisiaci systém rovníc zahŕňa teplotu, objemový podiel martenzitu a napätie, ktoré vzniká v drôte, čo vedie k zmršťovaniu drôtu SMA a sile generovanej ovládačom.Ako je znázornené na obr.4d, f, zmena napätia s teplotou a zmena objemového podielu martenzitu s teplotou zodpovedajú hysteréznym charakteristikám SMA v simulovanom prípade pri 7 V.
Porovnanie jazdných parametrov bolo získané pomocou experimentov a analytických výpočtov.Drôty boli vystavené impulznému vstupnému napätiu 7 V počas 10 sekúnd, potom boli ochladené počas 15 sekúnd (fáza chladenia) počas dvoch cyklov.Pinnate uhol je nastavený na \(40^{\circ}\) a počiatočná dĺžka SMA drôtu v každom jednom kolíku je nastavená na 83 mm.(a) Meranie hnacej sily pomocou silomeru (b) Monitorovanie teploty drôtu tepelnou infračervenou kamerou.
Pre pochopenie vplyvu fyzikálnych parametrov na silu produkovanú pohonom bola vykonaná analýza citlivosti matematického modelu na vybrané fyzikálne parametre a parametre boli zoradené podľa ich vplyvu.Najprv sa vzorkovanie parametrov modelu uskutočnilo pomocou princípov experimentálneho návrhu, ktoré sledovali rovnomerné rozdelenie (pozri doplnkovú časť o analýze citlivosti).V tomto prípade parametre modelu zahŕňajú vstupné napätie (\(V_{in}\)), počiatočnú dĺžku vodiča SMA (\(l_0\)), uhol trojuholníka (\(\alpha\)), konštantu predpätia (\( K_x\ )), koeficient prestupu tepla konvekciou (\(h_T\)) a počet unimodálnych vetiev (n).V ďalšom kroku bola ako požiadavka návrhu štúdie zvolená maximálna svalová sila a získali sa parametrické účinky každého súboru premenných na silu.Grafy tornáda pre analýzu citlivosti boli odvodené z korelačných koeficientov pre každý parameter, ako je znázornené na obr. 6a.
(a) Hodnoty korelačných koeficientov parametrov modelu a ich vplyv na maximálnu výstupnú silu 2500 jedinečných skupín vyššie uvedených parametrov modelu sú znázornené na grafe tornáda.V grafe je znázornená poradová korelácia viacerých ukazovateľov.Je jasné, že \(V_{in}\) je jediný parameter s pozitívnou koreláciou a \(l_0\) je parameter s najvyššou negatívnou koreláciou.Vplyv rôznych parametrov v rôznych kombináciách na maximálnu svalovú silu je znázornený v (b, c).\(K_x\) je v rozsahu od 400 do 800 N/m a n je v rozsahu od 4 do 24. Napätie (\(V_{in}\)) sa zmenilo zo 4V na 10V, dĺžka vodiča (\(l_{0} \)) sa zmenila zo 40 na 100 mm a uhol konca (variant – 6 \\ 0}) (menný – 6 z {\ 0}). \^ \ 6 \\ 0}).
Na obr.6a znázorňuje graf tornáda rôznych korelačných koeficientov pre každý parameter s požiadavkami na návrh maximálnej hnacej sily.Z obr.6a je možné vidieť, že parameter napätia (\(V_{in}\)) priamo súvisí s maximálnou výstupnou silou a koeficient konvekčného prenosu tepla (\(h_T\)), uhol plameňa (\ ( \alpha\)) , konštanta posuvnej pružiny ( \(K_x\)) negatívne koreluje s výstupnou silou a počiatočnou dĺžkou vodiča (uni)\(l_0) silne ukazuje, v SMA\ korelácia V prípade priamej korelácie V prípade vyššej hodnoty napäťového korelačného koeficientu (\(V_ {in}\)) udáva, že tento parameter má najväčší vplyv na výstupný výkon.Ďalšia podobná analýza meria maximálnu silu vyhodnotením účinku rôznych parametrov v rôznych kombináciách dvoch výpočtových priestorov, ako je znázornené na obr. 6b, c.\(V_{in}\) a \(l_0\), \(\alpha\) a \(l_0\) majú podobné vzory a graf ukazuje, že \(V_{in}\) a \(\alpha\ ) a \(\alpha\) majú podobné vzory.Menšie hodnoty \(l_0\) majú za následok vyššie špičkové sily.Ďalšie dva grafy sú v súlade s obrázkom 6a, kde n a \(K_x\) sú negatívne korelované a \(V_{in}\) sú pozitívne korelované.Táto analýza pomáha definovať a upravovať ovplyvňujúce parametre, pomocou ktorých je možné prispôsobiť výstupnú silu, zdvih a účinnosť hnacieho systému požiadavkám a aplikácii.
Súčasná výskumná práca zavádza a skúma hierarchické pohony s N úrovňami.V dvojúrovňovej hierarchii, ako je znázornené na obr. 7a, kde sa namiesto každého vodiča SMA ovládača prvej úrovne dosiahne bimodálne usporiadanie, ako je znázornené na obr.9e.Na obr.7c ukazuje, ako je drôt SMA navinutý okolo pohyblivého ramena (pomocného ramena), ktoré sa pohybuje len v pozdĺžnom smere.Primárne pohyblivé rameno sa však naďalej pohybuje rovnakým spôsobom ako pohyblivé rameno 1. stupňa viacstupňového ovládača.Menič N-stupňa sa zvyčajne vytvorí nahradením drôtu SMA \(N-1\) stupňa za menič prvého stupňa.Výsledkom je, že každá vetva napodobňuje pohon prvého stupňa, s výnimkou vetvy, ktorá drží samotný drôt.Týmto spôsobom môžu byť vytvorené vnorené štruktúry, ktoré vytvárajú sily, ktoré sú niekoľkonásobne väčšie ako sily primárnych pohonov.V tejto štúdii sa pre každú úroveň brala do úvahy celková efektívna dĺžka drôtu SMA 1 m, ako je znázornené v tabuľkovom formáte na obr. 7d.Prúd cez každý drôt v každom unimodálnom dizajne a výsledné predpätie a napätie v každom segmente drôtu SMA sú na každej úrovni rovnaké.Podľa nášho analytického modelu výstupná sila pozitívne koreluje s úrovňou, zatiaľ čo posun negatívne koreluje.Zároveň došlo k kompromisu medzi výtlakom a svalovou silou.Ako je vidieť na obr.7b, zatiaľ čo maximálna sila je dosiahnutá v najväčšom počte vrstiev, najväčší posun je pozorovaný v najnižšej vrstve.Keď bola úroveň hierarchie nastavená na \(N=5\), bola zistená maximálna svalová sila 2,58 kN s 2 pozorovanými údermi \(\upmu\)m.Na druhej strane pohon prvého stupňa generuje silu 150 N pri zdvihu 277 \(\upmu\)m.Viacúrovňové aktuátory sú schopné napodobňovať skutočné biologické svaly, kde umelé svaly na báze zliatin s tvarovou pamäťou sú schopné generovať výrazne vyššie sily s presnými a jemnejšími pohybmi.Obmedzenia tohto miniaturizovaného dizajnu spočívajú v tom, že ako sa hierarchia zvyšuje, pohyb sa výrazne znižuje a zložitosť výrobného procesu pohonu sa zvyšuje.
(a) Dvojstupňový (\(N=2\)) vrstvený lineárny ovládací systém zo zliatiny s tvarovou pamäťou je znázornený v bimodálnej konfigurácii.Navrhovaný model je dosiahnutý nahradením drôtu SMA v prvom stupni vrstveného ovládača iným jednostupňovým vrstveným ovládačom.(c) Deformovaná konfigurácia viacvrstvového ovládača druhého stupňa.(b) Je opísané rozloženie síl a posunov v závislosti od počtu úrovní.Zistilo sa, že špičková sila ovládača pozitívne koreluje s úrovňou stupnice na grafe, zatiaľ čo zdvih negatívne koreluje s úrovňou stupnice.Prúd a predpätie v každom vodiči zostávajú konštantné na všetkých úrovniach.(d) Tabuľka zobrazuje počet odbočiek a dĺžku drôtu SMA (vlákna) na každej úrovni.Charakteristiky vodičov sú označené indexom 1 a počet sekundárnych vetiev (jedna pripojená k primárnej vetve) je označená najväčším číslom v dolnom indexe.Napríklad na úrovni 5, \(n_1\) označuje počet vodičov SMA prítomných v každej bimodálnej štruktúre a \(n_5\) označuje počet pomocných ramien (jeden pripojený k hlavnej vetve).
Mnoho výskumníkov navrhlo rôzne metódy na modelovanie správania SMA s tvarovou pamäťou, ktoré závisia od termomechanických vlastností sprevádzajúcich makroskopické zmeny v kryštálovej štruktúre spojené s fázovým prechodom.Formulácia konštitutívnych metód je vo svojej podstate zložitá.Najbežnejšie používaný fenomenologický model navrhuje Tanaka28 a je široko používaný v inžinierskych aplikáciách.Fenomenologický model navrhnutý Tanakom [28] predpokladá, že objemový podiel martenzitu je exponenciálnou funkciou teploty a napätia.Neskôr Liang a Rogers29 a Brinson30 navrhli model, v ktorom sa dynamika fázového prechodu považovala za kosínusovú funkciu napätia a teploty, s miernymi úpravami modelu.Becker a Brinson navrhli kinetický model založený na fázovom diagrame na modelovanie správania materiálov SMA pri ľubovoľných podmienkach zaťaženia, ako aj čiastočných prechodoch.Banerjee32 používa metódu dynamiky fázového diagramu Bekker a Brinson31 na simuláciu manipulátora s jedným stupňom voľnosti, ktorý vyvinuli Elahinia a Ahmadian33.Kinetické metódy založené na fázových diagramoch, ktoré zohľadňujú nemonotonickú zmenu napätia s teplotou, sa v inžinierskych aplikáciách ťažko implementujú.Elakhinia a Ahmadian upozorňujú na tieto nedostatky existujúcich fenomenologických modelov a navrhujú rozšírený fenomenologický model na analýzu a definovanie správania tvarovej pamäte za akýchkoľvek zložitých podmienok zaťaženia.
Štrukturálny model drôtu SMA udáva napätie (\(\sigma\)), deformáciu (\(\epsilon\)), teplotu (T) a objemový podiel martenzitu (\(\xi\)) drôtu SMA.Fenomenologický konštitutívny model prvýkrát navrhol Tanaka28 a neskôr ho prijali Liang29 a Brinson30.Derivácia rovnice má tvar:
kde E je fázovo závislý modul SMA Young získaný pomocou \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) a \(E_A\) a \(E_M\) predstavujúce Youngov modul sú austenitické a martenzitické fázy a koeficient tepelnej rozťažnosti je reprezentovaný \\\theta _T).Faktor príspevku fázového prechodu je \(\Omega = -E \epsilon _L\) a \(\epsilon _L\) je maximálne obnoviteľné napätie v drôte SMA.
Rovnica fázovej dynamiky sa zhoduje s kosínusovou funkciou vyvinutou Liangom29 a neskôr prijatou Brinsonom30 namiesto exponenciálnej funkcie, ktorú navrhol Tanaka28.Model fázového prechodu je rozšírením modelu navrhnutého Elakhinia a Ahmadian34 a upraveného na základe podmienok fázového prechodu, ktoré uviedli Liang29 a Brinson30.Podmienky použité pre tento model fázového prechodu platia pri zložitých termomechanických zaťaženiach.V každom časovom okamihu sa pri modelovaní konštitučnej rovnice vypočítava hodnota objemového podielu martenzitu.
Riadiaca rovnica retransformácie, vyjadrená premenou martenzitu na austenit za podmienok zahrievania, je nasledovná:
kde \(\xi\) je objemový podiel martenzitu, \(\xi _M\) je objemový zlomok martenzitu získaný pred zahriatím, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) a \(C_A\) – krivka a koniec a koniec S_\) – aproximácia drôtu, T_\) \\) austenitickej fázy, respektíve teploty.
Priama rovnica riadenia transformácie, reprezentovaná fázovou transformáciou austenitu na martenzit za podmienok chladenia, je:
kde \(\xi _A\) je objemový podiel martenzitu získaného pred ochladením, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) a \ ( C_M \) – parametre prispôsobenia krivky, T – teplota drôtu SMA, \(M_s, resp. počiatočné teploty) a \(M_sf\) a \(M) –
Po diferencovaní rovníc (3) a (4) sa rovnice inverznej a priamej transformácie zjednodušia do nasledujúceho tvaru:
Počas doprednej a spätnej transformácie \(\eta _{\sigma}\) a \(\eta _{T}\) nadobúdajú rôzne hodnoty.Základné rovnice spojené s \(\eta _{\sigma}\) a \(\eta _{T}\) boli odvodené a podrobne diskutované v ďalšej časti.
Tepelná energia potrebná na zvýšenie teploty drôtu SMA pochádza z Jouleovho zahrievacieho efektu.Tepelnú energiu absorbovanú alebo uvoľnenú drôtom SMA predstavuje latentné teplo premeny.Tepelná strata v drôte SMA je spôsobená nútenou konvekciou a vzhľadom na zanedbateľný účinok žiarenia je rovnica bilancie tepelnej energie nasledovná:
Kde \(m_{wire}\) je celková hmotnosť vodiča SMA, \(c_{p}\) je špecifická tepelná kapacita vodiča SMA, \(V_{in}\) je napätie aplikované na vodič, \(R_{ohm} \ ) – fázovo závislý odpor SMA, definovaný ako;\(R_{ohm} = (l/A_{kríž})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) kde \(r_M\ ) a \(r_A\) sú fázový odpor SMA v martenzite a austenite, \(A_{c}\) je plocha povrchu zliatiny.\ SMA drôt v tvare H,Latentné teplo prechodu drôtu, T a \(T_{\infty}\) sú teploty drôtu SMA a prostredia.
Keď sa aktivuje drôt zo zliatiny s tvarovou pamäťou, drôt sa stlačí, čím sa v každej vetve bimodálneho dizajnu vytvorí sila nazývaná sila vlákna.Sily vlákien v každom vlákne SMA drôtu spolu vytvárajú svalovú silu na aktiváciu, ako je znázornené na obr. 9e.Vďaka prítomnosti predpínacej pružiny je celková svalová sila N-tého viacvrstvového ovládača:
Nahradením \(N = 1\) do rovnice (7) možno svalovú silu prototypu bimodálneho pohonu prvého stupňa získať takto:
kde n je počet unimodálnych nôh, \(F_m\) je svalová sila generovaná pohonom, \(F_f\) je sila vlákna v drôte SMA, \(K_x\) je tuhosť predpätia.pružina, \(\alpha\) je uhol trojuholníka, \(x_0\) je počiatočná odchýlka predpätia pružiny, ktorá drží kábel SMA v predpätej polohe, a \(\Delta x\) je dráha ovládača.
Celkový posun alebo pohyb pohonu (\(\Delta x\)) v závislosti od napätia (\(\sigma\)) a napätia (\(\epsilon\)) na vodiči SMA N-tého stupňa, pohon je nastavený na (viď obr. doplnková časť výstupu):
Kinematické rovnice udávajú vzťah medzi deformáciou pohonu (\(\epsilon\)) a posunutím alebo posunutím (\(\Delta x\)).Deformácia Arb drôtu ako funkcia počiatočnej dĺžky Arb drôtu (\(l_0\)) a dĺžky drôtu (l) v akomkoľvek čase t v jednej unimodálnej vetve je nasledovná:
kde \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) sa získa použitím kosínusového vzorca v \(\Delta\)ABB ', ako je znázornené na obrázku 8. Pre jednotku prvého stupňa (\)\ elta je x \ D_1), x\ (N) je x \ D_1 \(\alpha _1\) je \(\alpha \), ako je znázornené na obrázku 8, odlíšením času od rovnice (11) a dosadením hodnoty l možno rýchlosť deformácie zapísať ako:
kde \(l_0\) je počiatočná dĺžka vodiča SMA, l je dĺžka vodiča v ľubovoľnom čase t v jednej unimodálnej vetve, \(\epsilon\) je deformácia vyvinutá v vodiči SMA a \(\alpha \) je uhol trojuholníka, \(\Delta x\) je odsadenie pohonu (ako je znázornené na obrázku 8).
Všetkých n jednošpičkových štruktúr (\(n=6\) na tomto obrázku) je zapojených do série so vstupným napätím \(V_{in}\).Fáza I: Schematický diagram vodiča SMA v bimodálnej konfigurácii pri podmienkach nulového napätia Etapa II: Je znázornená riadená štruktúra, kde je vodič SMA stlačený v dôsledku inverznej konverzie, ako je znázornené červenou čiarou.
Ako dôkaz koncepcie bol vyvinutý bimodálny pohon založený na SMA na testovanie simulovaného odvodenia základných rovníc s experimentálnymi výsledkami.CAD model bimodálneho lineárneho pohonu je znázornený na obr.9a.Na druhej strane na obr.9c ukazuje nový dizajn navrhnutý pre rotačné prizmatické spojenie s použitím dvojrovinového ovládača na báze SMA s bimodálnou štruktúrou.Komponenty pohonu boli vyrobené pomocou aditívnej výroby na 3D tlačiarni Ultimaker 3 Extended.Materiál použitý na 3D tlač komponentov je polykarbonát, ktorý je vhodný pre tepelne odolné materiály, pretože je pevný, odolný a má vysokú teplotu skleného prechodu (110-113 \(^{\circ }\) C).Okrem toho sa v experimentoch použil drôt zo zliatiny s tvarovou pamäťou Dynalloy, Inc. Flexinol a pri simuláciách sa použili materiálové vlastnosti zodpovedajúce drôtu Flexinol.Viaceré drôty SMA sú usporiadané ako vlákna prítomné v bimodálnom usporiadaní svalov, aby sa dosiahli vysoké sily vytvárané viacvrstvovými ovládačmi, ako je znázornené na obr. 9b, d.
Ako je znázornené na obrázku 9a, ostrý uhol tvorený drôtom SMA pohyblivého ramena sa nazýva uhol (\(\alpha\)).S koncovými svorkami pripojenými k ľavej a pravej svorke je drôt SMA držaný v požadovanom bimodálnom uhle.Zariadenie predpätej pružiny držané na pružinovom konektore je navrhnuté tak, aby nastavovalo rôzne skupiny predĺženia predpätej pružiny podľa počtu (n) vlákien SMA.Okrem toho je umiestnenie pohyblivých častí navrhnuté tak, aby bol drôt SMA vystavený vonkajšiemu prostrediu pre chladenie nútenou konvekciou.Horná a spodná doska odnímateľnej zostavy pomáha udržiavať drôt SMA chladný vďaka extrudovaným výrezom navrhnutým na zníženie hmotnosti.Okrem toho sú oba konce drôtu CMA pripevnené k ľavej a pravej svorke pomocou krimpovania.Na jeden koniec pohyblivej zostavy je pripevnený piest, aby sa zachovala vôľa medzi hornou a spodnou doskou.Piest sa tiež používa na aplikovanie blokovacej sily na snímač prostredníctvom kontaktu na meranie blokovacej sily pri aktivácii drôtu SMA.
Bimodálna svalová štruktúra SMA je elektricky zapojená do série a napájaná vstupným impulzným napätím.Počas cyklu napäťových impulzov, keď je privedené napätie a drôt SMA sa zahrieva nad počiatočnú teplotu austenitu, sa dĺžka drôtu v každom prameni skracuje.Toto zatiahnutie aktivuje podzostavu pohyblivého ramena.Keď bolo napätie v rovnakom cykle vynulované, zahriaty drôt SMA sa ochladil pod teplotu povrchu martenzitu, čím sa vrátil do svojej pôvodnej polohy.Za podmienok nulového napätia je drôt SMA najprv pasívne natiahnutý predpätím pružiny, aby sa dosiahol rozdvojený martenzitický stav.Skrutka, cez ktorú prechádza drôt SMA, sa pohybuje v dôsledku stlačenia vytvoreného privedením napäťového impulzu na drôt SMA (SPA dosiahne austenitickú fázu), čo vedie k aktivácii pohyblivej páky.Keď je drôt SMA stiahnutý, predpätá pružina vytvára opačnú silu ďalším naťahovaním pružiny.Keď sa napätie v impulznom napätí zníži na nulu, drôt SMA sa predĺži a zmení svoj tvar v dôsledku chladenia nútenou konvekciou, čím dosiahne dvojitú martenzitickú fázu.
Navrhovaný systém lineárneho pohonu založený na SMA má bimodálnu konfiguráciu, v ktorej sú drôty SMA naklonené.(a) zobrazuje CAD model prototypu, ktorý uvádza niektoré komponenty a ich význam pre prototyp, (b, d) predstavuje vyvinutý experimentálny prototyp35.Zatiaľ čo (b) ukazuje pohľad zhora na prototyp s elektrickými spojmi a použitými predpätými pružinami a tenzometrami, (d) ukazuje perspektívny pohľad na nastavenie.(e) Schéma lineárneho aktivačného systému s drôtmi SMA umiestnenými bimodálne v ľubovoľnom čase t, ukazujúci smer a priebeh sily vlákna a svalov.(c) Na nasadenie dvojrovinového ovládača na báze SMA bolo navrhnuté 2-DOF rotačné prizmatické spojenie.Ako je znázornené, článok prenáša lineárny pohyb zo spodného pohonu na horné rameno, čím vytvára rotačné spojenie.Na druhej strane, pohyb dvojice hranolov je rovnaký ako pohyb viacvrstvového pohonu prvého stupňa.
Experimentálna štúdia bola vykonaná na prototype znázornenom na obr. 9b na vyhodnotenie výkonu bimodálneho pohonu založeného na SMA.Ako je znázornené na obrázku 10a, experimentálne usporiadanie pozostávalo z programovateľného zdroja jednosmerného prúdu na dodávanie vstupného napätia do vodičov SMA.Ako je znázornené na obr.10b, bol použitý piezoelektrický tenzometer (PACEline CFT/5kN) na meranie blokujúcej sily pomocou zapisovača údajov Graphtec GL-2000.Údaje sú zaznamenané hostiteľom na ďalšie štúdium.Tenzometre a zosilňovače náboja vyžadujú konštantné napájanie na vytvorenie napäťového signálu.Zodpovedajúce signály sa konvertujú na výkonové výstupy podľa citlivosti piezoelektrického snímača sily a ďalších parametrov, ako je popísané v tabuľke 2. Keď sa použije napäťový impulz, teplota drôtu SMA sa zvýši, čo spôsobí stlačenie drôtu SMA, čo spôsobí, že aktuátor generuje silu.Experimentálne výsledky výstupu svalovej sily impulzom vstupného napätia 7 V sú na obr.2a.
(a) V experimente bol nastavený systém lineárneho pohonu na báze SMA na meranie sily generovanej pohonom.Silomer meria blokovaciu silu a je napájaný 24 V DC napájaním.Po celej dĺžke kábla bol aplikovaný úbytok napätia 7 V pomocou programovateľného DC zdroja GW Instek.Drôt SMA sa vplyvom tepla zmršťuje a pohyblivé rameno sa dotkne silomeru a pôsobí blokujúcou silou.Snímač zaťaženia je pripojený k záznamníku údajov GL-2000 a údaje sú uložené na hostiteľovi na ďalšie spracovanie.(b) Diagram znázorňujúci reťazec komponentov experimentálneho nastavenia na meranie svalovej sily.
Zliatiny s tvarovou pamäťou sú excitované tepelnou energiou, takže teplota sa stáva dôležitým parametrom pre štúdium javu tvarovej pamäte.Experimentálne, ako je znázornené na obr. 11a, sa tepelné zobrazovanie a merania teploty uskutočňovali na prototype dvojakého akčného člena na báze SMA.Programovateľný zdroj jednosmerného prúdu priviedol vstupné napätie na vodiče SMA v experimentálnom nastavení, ako je znázornené na obrázku 11b.Zmena teploty SMA drôtu bola meraná v reálnom čase pomocou LWIR kamery s vysokým rozlíšením (FLIR A655sc).Hostiteľ používa softvér ResearchIR na zaznamenávanie údajov na ďalšie následné spracovanie.Keď sa použije napäťový impulz, teplota drôtu SMA sa zvýši, čo spôsobí zmrštenie drôtu SMA.Na obr.Obrázok 2b ukazuje experimentálne výsledky závislosti teploty vodiča SMA na čase pre impulz vstupného napätia 7V.
Čas odoslania: 28. septembra 2022