Хвала вам што сте посетили Натуре.цом.Верзија претраживача коју користите има ограничену подршку за ЦСС.За најбоље искуство препоручујемо да користите ажурирани прегледач (или онемогућите режим компатибилности у Интернет Екплорер-у).У међувремену, да бисмо обезбедили сталну подршку, приказаћемо сајт без стилова и ЈаваСцрипт-а.
Актуатори се користе свуда и стварају контролисано кретање применом исправне побудне силе или обртног момента за обављање различитих операција у производњи и индустријској аутоматизацији.Потреба за бржим, мањим и ефикаснијим погонима покреће иновације у дизајну погона.Диск јединице од легуре меморије облика (СМА) нуде бројне предности у односу на конвенционалне дискове, укључујући висок однос снаге и тежине.У овој дисертацији развијен је актуатор заснован на СМА са два пера који комбинује предности пернатих мишића биолошких система и јединствена својства СМА.Ова студија истражује и проширује претходне СМА актуаторе развојем математичког модела новог актуатора заснованог на бимодалном распореду СМА жице и експерименталним тестирањем.У поређењу са познатим погонима заснованим на СМА, сила активирања новог погона је најмање 5 пута већа (до 150 Н).Одговарајући губитак тежине је око 67%.Резултати анализе осетљивости математичких модела су корисни за подешавање параметара дизајна и разумевање кључних параметара.Ова студија даље представља погон на више нивоа Нтх степена који се може користити за даље побољшање динамике.Дипвалератни мишићни актуатори засновани на СМА имају широк спектар примена, од аутоматизације зграда до прецизних система за испоруку лекова.
Биолошки системи, као што су мишићне структуре сисара, могу активирати многе суптилне актуаторе1.Сисари имају различите структуре мишића, од којих свака служи одређеној сврси.Међутим, већи део структуре мишићног ткива сисара може се поделити у две широке категорије.Паралелно и петописно.У тетивама и другим флексорима, као што име каже, паралелна мускулатура има мишићна влакна паралелна са централном тетивом.Ланац мишићних влакана је поређан и функционално повезан везивним ткивом око њих.Иако се каже да ови мишићи имају велику екскурзију (процентуално скраћивање), њихова укупна мишићна снага је веома ограничена.Насупрот томе, у мишићу трицепса поткољенице2 (латерални гастроцнемиус (ГЛ)3, медијални гастрокнемиус (ГМ)4 и солеус (СОЛ)) и екстензор фемориса (квадрицепс)5,6 пеннатно мишићно ткиво се налази у сваком мишићу7.У перастој структури, мишићна влакна у двопенастој мускулатури су присутна са обе стране централне тетиве под косим угловима (перасти углови).Пеннате потиче од латинске речи „пенна“, што значи „оловка“, и, као што је приказано на сл.1 има изглед попут перја.Влакна петокраких мишића су краћа и под углом у односу на уздужну осу мишића.Због перасте структуре, укупна покретљивост ових мишића је смањена, што доводи до попречне и уздужне компоненте процеса скраћивања.С друге стране, активација ових мишића доводи до веће укупне мишићне снаге због начина на који се мери физиолошка површина попречног пресека.Према томе, за дату површину попречног пресека, пеннати мишићи ће бити јачи и ствараће веће силе од мишића са паралелним влакнима.Силе које стварају појединачна влакна стварају мишићне силе на макроскопском нивоу у том мишићном ткиву.Поред тога, има таква јединствена својства као што су брзо скупљање, заштита од оштећења затезања, амортизација.Он трансформише однос између улаза влакана и излазне снаге мишића искоришћавањем јединствених карактеристика и геометријске сложености распореда влакана повезаних са мишићним линијама деловања.
Приказани су шематски дијаграми постојећих дизајна актуатора заснованих на СМА у односу на бимодалну мишићну архитектуру, на пример (а), који представља интеракцију тактилне силе у којој је уређај у облику руке који се покреће СМА жицама монтиран на аутономни мобилни робот на два точка9,10., (б) Роботска орбитална протеза са антагонистички постављеном СМА орбиталном протезом са опругом.Положај протетског ока контролише се сигналом из очног мишића ока11, (ц) СМА актуатори су идеални за подводне апликације због њиховог одзива високе фреквенције и ниске ширине опсега.У овој конфигурацији, СМА актуатори се користе за креирање таласног кретања симулацијом кретања рибе, (д) СМА актуатори се користе за креирање робота за инспекцију микро цеви који може да користи принцип покрета инча, контролисан кретањем СМА жица унутар канала 10, (е) показује правац контракције мишићних влакана и генерисања мишићног ткива у облику контрактилног мишића за генерисање мишићне контракције за СМА влакна у структури пената мишића.
Актуатори су постали важан део механичких система због широког спектра примене.Стога, потреба за мањим, бржим и ефикаснијим погонима постаје критична.Упркос својим предностима, традиционални дискови су се показали као скупи и дуготрајни за одржавање.Хидраулични и пнеуматски актуатори су сложени и скупи и подложни су хабању, проблемима са подмазивањем и кваровима компоненти.Као одговор на потражњу, фокус је на развоју исплативих, оптимизираних и напредних актуатора заснованих на паметним материјалима.Текућа истраживања разматрају слојевите актуаторе од легуре меморије облика (СМА) како би се задовољила ова потреба.Хијерархијски актуатори су јединствени по томе што комбинују многе дискретне актуаторе у геометријски сложене подсистеме макро скале како би обезбедили повећану и проширену функционалност.У том смислу, људско мишићно ткиво описано изнад представља одличан вишеслојни пример таквог вишеслојног активирања.Садашња студија описује СМА погон на више нивоа са неколико појединачних погонских елемената (СМА жица) усклађених са оријентацијама влакана присутним у бимодалним мишићима, што побољшава укупне перформансе погона.
Главна сврха актуатора је да генерише излазну механичку снагу као што су сила и померање претварањем електричне енергије.Легуре са меморијом облика су класа „паметних“ материјала који могу да поврате свој облик на високим температурама.Под великим оптерећењима, повећање температуре СМА жице доводи до опоравка облика, што резултира већом густином енергије активирања у поређењу са различитим директно повезаним паметним материјалима.Истовремено, под механичким оптерећењима, СМА постају крхки.Под одређеним условима, циклично оптерећење може да апсорбује и ослобађа механичку енергију, показујући реверзибилне хистерезне промене облика.Ова јединствена својства чине СМА идеалним за сензоре, пригушивање вибрација и посебно актуаторе12.Имајући ово на уму, било је много истраживања о дисковима заснованим на СМА.Треба напоменути да су актуатори засновани на СМА дизајнирани да обезбеде транслационо и ротационо кретање за различите примене13,14,15.Иако су развијени неки ротациони актуатори, истраживачи су посебно заинтересовани за линеарне актуаторе.Ови линеарни актуатори се могу поделити на три типа актуатора: једнодимензионални, померајни и диференцијални актуатори 16 .У почетку, хибридни погони су креирани у комбинацији са СМА и другим конвенционалним погонима.Један такав пример хибридног линеарног актуатора заснованог на СМА је употреба СМА жице са ДЦ мотором да би се обезбедила излазна сила од око 100 Н и значајан помак17.
Један од првих развоја драјвова заснованих у потпуности на СМА био је СМА паралелни погон.Користећи више СМА жица, паралелни погон заснован на СМА је дизајниран да повећа капацитет погона тако што ће све СМА18 жице поставити паралелно.Паралелно повезивање актуатора не само да захтева више снаге, већ и ограничава излазну снагу једне жице.Још један недостатак актуатора заснованих на СМА је ограничено кретање које могу постићи.Да би се решио овај проблем, креиран је СМА кабловски сноп који садржи отклоњени флексибилни сноп да би се повећао померање и постигло линеарно кретање, али није генерисао веће силе19.Меке деформабилне структуре и тканине за роботе на бази легура са меморијом облика развијене су првенствено за појачање удара20,21,22.За апликације где су потребне велике брзине, пријављено је да пумпе са компактним погоном користе танкослојне СМА за апликације покретане микропумпама23.Погонска фреквенција танкослојне СМА мембране је кључни фактор у контроли брзине возача.Стога, СМА линеарни мотори имају бољи динамички одзив од СМА мотора са опругама или шипкама.Мека роботика и технологија хватања су још две апликације које користе актуаторе засноване на СМА.На пример, да би се заменио стандардни актуатор који се користи у 25 Н просторној обујми, развијен је паралелни актуатор 24 од легуре са меморијом облика.У другом случају, СМА меки актуатор је произведен на основу жице са уграђеном матрицом способном да произведе максималну вучну силу од 30 Н. Због својих механичких својстава, СМА се такође користе за производњу актуатора који опонашају биолошке феномене.Један такав развој укључује 12-ћелијског робота који је биомиметик организма налик глисти са СМА да генерише синусоидно кретање до ватре26,27.
Као што је раније поменуто, постоји ограничење максималне силе која се може добити од постојећих актуатора заснованих на СМА.Да би се решио овај проблем, ова студија представља биомиметичку бимодалну структуру мишића.Покреће се жицом од легуре са меморијом облика.Обезбеђује систем класификације који укључује неколико жица од легуре са меморијом облика.До данас, у литератури нису пријављени актуатори засновани на СМА са сличном архитектуром.Овај јединствени и нови систем заснован на СМА је развијен да проучава понашање СМА током бимодалног поравнања мишића.У поређењу са постојећим актуаторима заснованим на СМА, циљ ове студије је био да се створи биомиметички дипвалератни актуатор за генерисање значајно веће силе у малој запремини.У поређењу са конвенционалним погонима са корачним мотором који се користе у системима за аутоматизацију и контролу зграда ХВАЦ, предложени дизајн бимодалног погона заснованог на СМА смањује тежину погонског механизма за 67%.У наставку се термини „мишић“ и „погон“ користе наизменично.Ова студија истражује мултифизичку симулацију таквог погона.Механичко понашање таквих система проучавано је експерименталним и аналитичким методама.Расподеле силе и температуре су даље истражене при улазном напону од 7 В. Након тога је извршена параметарска анализа да би се боље разумео однос између кључних параметара и излазне силе.Коначно, хијерархијски актуатори су предвиђени и ефекти хијерархијског нивоа су предложени као потенцијална будућа област за немагнетне актуаторе за протетске примене.Према резултатима горе поменутих студија, употреба једностепене архитектуре производи силе најмање четири до пет пута веће од пријављених актуатора заснованих на СМА.Поред тога, показало се да је иста погонска сила коју генерише вишеслојни погон на више нивоа више од десет пута већа од конвенционалних погона заснованих на СМА.Студија затим извештава о кључним параметрима користећи анализу осетљивости између различитих дизајна и улазних варијабли.Почетна дужина СМА жице (\(л_0\)), перасти угао (\(\алпха\)) и број појединачних нити (н) у сваком појединачном ланцу имају снажан негативан утицај на величину покретачке силе.јачине, док се показало да је улазни напон (енергија) у позитивној корелацији.
СМА жица показује ефекат меморије облика (СМЕ) који се види у породици легура никл-титанијума (Ни-Ти).Типично, СМА показују две температурно зависне фазе: фазу ниске температуре и фазу високе температуре.Обе фазе имају јединствена својства због присуства различитих кристалних структура.У аустенитној фази (фаза високе температуре) која постоји изнад температуре трансформације, материјал показује велику чврстоћу и слабо се деформише под оптерећењем.Легура се понаша као нерђајући челик, тако да је у стању да издржи веће притиске активирања.Користећи предност ове особине Ни-Ти легура, СМА жице су нагнуте да формирају актуатор.Развијени су одговарајући аналитички модели за разумевање фундаменталне механике термичког понашања СМА под утицајем различитих параметара и различитих геометрија.Добијена је добра сагласност између експерименталних и аналитичких резултата.
Експериментална студија је спроведена на прототипу приказаном на слици 9а да би се процениле перформансе бимодалног погона заснованог на СМА.Два од ових својстава, сила коју ствара погон (мишићна сила) и температура СМА жице (СМА температура), измерене су експериментално.Како се разлика напона повећава дуж целе дужине жице у погону, температура жице се повећава због џулове ефекта грејања.Улазни напон је примењен у два циклуса од 10 с (приказано као црвене тачке на слици 2а, б) са периодом хлађења од 15 с између сваког циклуса.Сила блокирања је мерена коришћењем пиезоелектричног мерача напона, а расподела температуре СМА жице је праћена у реалном времену коришћењем ЛВИР камере високе резолуције научног квалитета (погледајте карактеристике опреме која се користи у табели 2).показује да током фазе високог напона температура жице расте монотоно, али када струја не тече, температура жице наставља да пада.У тренутној експерименталној поставци, температура СМА жице је пала током фазе хлађења, али је и даље била изнад температуре околине.На сл.2е приказује снимак температуре на СМА жици снимљен са ЛВИР камере.С друге стране, на сл.2а приказује силу блокирања коју генерише погонски систем.Када мишићна сила премаши повратну силу опруге, покретна рука, као што је приказано на слици 9а, почиње да се креће.Чим активирање почне, покретна рука долази у контакт са сензором, стварајући телесну силу, као што је приказано на сл.2ц, д.Када је максимална температура близу \(84\,^{\цирц}\хбок {Ц}\), максимална примећена сила је 105 Н.
Графикон приказује експерименталне резултате температуре СМА жице и силе коју генерише бимодални актуатор заснован на СМА током два циклуса.Улазни напон се примењује у два циклуса од 10 секунди (приказано као црвене тачке) са периодом хлађења од 15 секунди између сваког циклуса.СМА жица коришћена за експерименте била је Флекинол жица пречника 0,51 мм из Диналлои, Инц. (а) Графикон приказује експерименталну силу добијену током два циклуса, (ц, д) приказује два независна примера деловања покретача покретних руку на ПАЦЕлине ЦФТ/5кН пиезоелектрични претварач силе, (б) приказује максималну жицу за време циклуса, (б) приказује максималну жицу током циклуса, (б) слика снимљена са СМА жице помоћу ФЛИР РесеарцхИР софтверске ЛВИР камере.Геометријски параметри узети у обзир у експериментима дати су у табели.један.
Резултати симулације математичког модела и експериментални резултати су упоређени под условима улазног напона од 7В, као што је приказано на сл.5.Према резултатима параметарске анализе и да би се избегла могућност прегревања СМА жице, на актуатор је доведена снага од 11,2 В.Програмабилно једносмерно напајање је коришћено за напајање од 7В као улазног напона, а струја од 1,6А је измерена преко жице.Сила коју генерише погон и температура СДР-а се повећавају када се примени струја.Са улазним напоном од 7В, максимална излазна сила добијена из резултата симулације и експерименталних резултата првог циклуса је 78 Н и 96 Н, респективно.У другом циклусу, максимална излазна сила резултата симулације и експеримента била је 150 Н и 105 Н, респективно.Неслагање између мерења силе оклузије и експерименталних података може бити последица методе која се користи за мерење силе оклузије.Експериментални резултати приказани на сл.5а одговарају мерењу силе закључавања, која је измерена када је погонско вратило било у контакту са ПАЦЕлине ЦФТ/5кН пиезоелектричним претварачем силе, као што је приказано на сл.2с.Стога, када погонско вратило није у контакту са сензором силе на почетку зоне хлађења, сила одмах постаје нула, као што је приказано на слици 2д.Поред тога, други параметри који утичу на формирање силе у наредним циклусима су вредности времена хлађења и коефицијента конвективног преноса топлоте у претходном циклусу.Од сл.2б, може се видети да након периода хлађења од 15 секунди, СМА жица није достигла собну температуру и стога је имала вишу почетну температуру (\(40\,^{\цирц}\хбок {Ц}\)) у другом циклусу вожње у поређењу са првим циклусом (\(25\, ^{\цирц}\хбок {Ц}\)).Дакле, у поређењу са првим циклусом, температура СМА жице током другог циклуса грејања достиже почетну температуру аустенита (\(А_с\)) раније и дуже остаје у прелазном периоду, што резултира напрезањем и силом.С друге стране, расподеле температуре током циклуса грејања и хлађења добијене експериментима и симулацијама имају високу квалитативну сличност са примерима из термографске анализе.Компаративна анализа термичких података СМА жице из експеримената и симулација показала је конзистентност током циклуса грејања и хлађења и унутар прихватљивих толеранција за експерименталне податке.Максимална температура СМА жице, добијена на основу резултата симулације и експеримената првог циклуса, је \(89\,^{\цирц }\хбок {Ц}\) и \(75\,^{\цирц }\хбок { Ц }\, респективно), ау другом циклусу максимална температура СМА жице је \\(94\,^{\цирц }\хбок {Ц}\) и \(75\,^{\цирц }\хбок { Ц }\), а у другом циклусу максимална температура СМА жице је \\(94\,^{\цирц \, цирц \, 8 рц\) }\ хбок {Ц}\).Фундаментално развијен модел потврђује ефекат ефекта меморије облика.У овом прегледу није разматрана улога умора и прегревања.У будућности, модел ће бити побољшан како би укључио историју напрезања СМА жице, што га чини погоднијим за инжењерске апликације.Графикони излазне силе погона и СМА температуре добијени из Симулинк блока су у оквиру дозвољених толеранција експерименталних података под условом импулса улазног напона од 7 В. Ово потврђује исправност и поузданост развијеног математичког модела.
Математички модел је развијен у МатхВоркс Симулинк Р2020б окружењу користећи основне једначине описане у одељку Методе.На сл.3б приказује блок дијаграм Симулинк математичког модела.Модел је симулиран за импулс улазног напона од 7В као што је приказано на слици 2а, б.Вредности параметара коришћених у симулацији су наведене у табели 1. Резултати симулације прелазних процеса приказани су на сликама 1 и 1. Слике 3а и 4. На сл.4а,б приказује индуковани напон у СМА жици и силу коју ствара актуатор као функцију времена. Током реверзне трансформације (загревања), када је температура СМА жице, \(Т < А_с^{\приме}\) (температура почетка аустенитне фазе модификоване напрезањем), брзина промене запреминског удела мартензита (\(\дот{\ки }\)) ће бити нула. Током реверзне трансформације (загревања), када је температура жице СМА, \(Т < А_с^{\приме}\) (температура почетка аустенитне фазе модификоване напрезањем), брзина промене запреминског удела мартензита (\(\дот{\ ки }\)) ће бити нула. Во врема обратного преврасениа (нагрева), когда температура проволоки СМА, \(Т < А_с^{\приме}\) (температура начала аустенитној фази, модифицированнаа напражениа), скорость изменениа объемној доли мартенсита (\(\дот{\ ки }\)) буде равно нулу. Током реверзне трансформације (загревања), када је температура СМА жице, \(Т < А_с^{\приме}\) (температура почетка аустенита модификованог напрезањем), брзина промене запреминског удела мартензита (\(\дот{\ ки }\ )) ће бити нула.在反向转变（加热）过程中,当СМА 线温度\(Т < А_с^{\приме}\) (应力修正奥氼体盋，当温度\(Т < А_с^{\приме}\)氏体体积分数的变化率（\(\дот{\ ки }\)) 将为零。在 反向 转变 （加热） 中 , 当 当 当 线 温度 \ (т
(а) Резултат симулације који показује дистрибуцију температуре и температуру споја изазвану стресом у дивалератном актуатору заснованом на СМА.Када температура жице пређе температуру прелаза аустенита у фази загревања, модификована температура прелаза аустенита почиње да расте, и слично, када температура жичане шипке пређе температуру мартензитног прелаза у фази хлађења, температура мартензитног прелаза се смањује.СМА за аналитичко моделирање процеса активирања.(За детаљан приказ сваког подсистема Симулинк модела, погледајте одељак додатка додатне датотеке.)
Резултати анализе за различите расподеле параметара приказани су за два циклуса улазног напона од 7В (10 секунди циклуса загревања и 15 секунди хлађења).Док (ац) и (е) описују дистрибуцију током времена, с друге стране, (д) и (ф) илуструју расподелу са температуром.За одговарајуће улазне услове, максимално посматрано напрезање је 106 МПа (мање од 345 МПа, граница течења жице), сила је 150 Н, максимално померање је 270 µм, а минимални мартензитни запремински удео је 0,91.Са друге стране, промена напона и промена запреминског удела мартензита са температуром су сличне карактеристикама хистерезе.
Исто објашњење важи и за директну трансформацију (хлађење) из аустенитне фазе у мартензитну фазу, где је температура СМА жице (Т) и крајња температура напонски модификоване мартензитне фазе (\(М_ф^{\приме}\ )) одлична.На сл.4д,ф приказује промену индукованог напона (\(\сигма\)) и запреминског удела мартензита (\(\ки\)) у СМА жици као функцију промене температуре СМА жице (Т), за оба циклуса вожње.На сл.На слици 3а приказана је промена температуре СМА жице са временом у зависности од импулса улазног напона.Као што се може видети са слике, температура жице наставља да расте обезбеђивањем извора топлоте на нултом напону и накнадним конвективним хлађењем.Током загревања, ретрансформација мартензита у аустенитну фазу почиње када температура СМА жице (Т) пређе температуру нуклеације аустенита кориговану напрезањем (\(А_с^{\приме}\)).Током ове фазе, СМА жица се компресује и актуатор генерише силу.Такође током хлађења, када температура СМА жице (Т) пређе температуру нуклеације фазе мартензита модификоване напрезањем (\(М_с^{\приме}\)) долази до позитивног прелаза из аустенитне фазе у фазу мартензита.смањује се погонска сила.
Главни квалитативни аспекти бимодалног погона заснованог на СМА могу се добити из резултата симулације.У случају напонског импулсног улаза, температура СМА жице се повећава због џулове ефекта грејања.Почетна вредност запреминског удела мартензита (\(\ки\)) је постављена на 1, пошто је материјал у почетку у потпуно мартензитној фази.Како жица наставља да се загрева, температура СМА жице прелази температуру нуклеације аустенита исправљену напрезањем \(А_с^{\приме}\), што доводи до смањења запреминског удела мартензита, као што је приказано на слици 4ц.Поред тога, на сл.4е приказана је расподела ходова актуатора у времену, а на сл.5 – покретачка сила у функцији времена.Повезани систем једначина укључује температуру, запремински удео мартензита и напон који се развија у жици, што доводи до скупљања СМА жице и силе коју ствара актуатор.Као што је приказано на сл.4д,ф, варијација напона са температуром и варијација запреминског удела мартензита са температуром одговарају карактеристикама хистерезе СМА у симулираном случају на 7 В.
Експериментима и аналитичким прорачунима добијено је поређење параметара вожње.Жице су биле подвргнуте импулсном улазном напону од 7 В током 10 секунди, а затим су хлађене 15 секунди (фаза хлађења) током два циклуса.Перасти угао је подешен на \(40^{\цирц}\), а почетна дужина СМА жице у свакој појединачној краци игле је постављена на 83 мм.(а) Мерење покретачке силе помоћу мерне ћелије (б) Праћење температуре жице термалном инфрацрвеном камером.
Да би се разумео утицај физичких параметара на силу коју производи погон, извршена је анализа осетљивости математичког модела на одабране физичке параметре, а параметри су рангирани према њиховом утицају.Прво, узорковање параметара модела је урађено коришћењем принципа експерименталног дизајна који су пратили униформну дистрибуцију (погледајте Додатни одељак о анализи осетљивости).У овом случају, параметри модела укључују улазни напон (\(В_{ин}\)), почетну дужину СМА жице (\(л_0\)), угао троугла (\(\алпха\)), константу опруге пристрасности (\( К_к\ )), коефицијент конвективног преноса топлоте (\(х_Т\)) и број унимодалних грана (н).У следећем кораку, вршна мишићна снага је изабрана као захтев за дизајн студије и добијени су параметарски ефекти сваког скупа варијабли на снагу.Графици торнада за анализу осетљивости су изведени из коефицијената корелације за сваки параметар, као што је приказано на слици 6а.
(а) Вредности коефицијента корелације параметара модела и њихов утицај на максималну излазну снагу 2500 јединствених група горе наведених параметара модела приказани су на дијаграму торнада.На графикону је приказана ранг корелација неколико индикатора.Јасно је да је \(В_{ин}\) једини параметар са позитивном корелацијом, а \(л_0\) параметар са највећом негативном корелацијом.Утицај различитих параметара у различитим комбинацијама на максималну мишићну снагу приказан је у (б, ц).\(К_к\) се креће од 400 до 800 Н/м, а н се креће од 4 до 24. Напон (\(В_{ин}\)) је промењен са 4В на 10В, дужина жице (\(л_{0} \)) је промењена са 40 на 100 мм, а угао репа (\) (\) (\ 0 \ ) је промењен од 2 (\) (\ 0 \ ) \).
На сл.Слика 6а приказује дијаграм торнада различитих коефицијената корелације за сваки параметар са захтевима за пројектовање вршне погонске силе.Од сл.6а се види да је параметар напона (\(В_{ин}\)) у директној вези са максималном излазном силом, а коефицијент конвективног преноса топлоте (\(х_Т\)), угао пламена (\ ( \алпха\)), константа опруге померања ( \(К_к\)) је у негативној корелацији са излазном силом (\(К_к\)) у негативној корелацији са излазном силом\мо и почетном дужином жице\мо и почетном дужином жице\ма и почетном дужином жице\ма (н) показује јаку инверзну корелацију У случају директне корелације У случају веће вредности коефицијента корелације напона (\(В_ {ин}\)) указује да овај параметар има највећи утицај на излазну снагу.Друга слична анализа мери вршну силу проценом утицаја различитих параметара у различитим комбинацијама два рачунарска простора, као што је приказано на слици 6б, ц.\(В_{ин}\) и \(л_0\), \(\алпха\) и \(л_0\) имају сличне обрасце, а графикон показује да \(В_{ин}\) и \(\алпха\ ) и \(\алпха\) имају сличне обрасце.Мање вредности \(л_0\) резултирају већим вршним силама.Друга два дијаграма су у складу са сликом 6а, где су н и \(К_к\) у негативној корелацији, а \(В_{ин}\) у позитивној корелацији.Ова анализа помаже да се дефинишу и подесе утицајни параметри помоћу којих се излазна сила, ход и ефикасност погонског система могу прилагодити захтевима и примени.
Тренутни истраживачки рад уводи и истражује хијерархијске погоне са Н нивоима.У хијерархији на два нивоа, као што је приказано на слици 7а, где се уместо сваке СМА жице актуатора првог нивоа, постиже бимодални распоред, као што је приказано на сл.9е.На сл.7ц показује како је СМА жица намотана око покретне руке (помоћне руке) која се креће само у уздужном правцу.Међутим, примарни покретни крак наставља да се креће на исти начин као и покретни крак вишестепеног актуатора 1. степена.Типично, Н-степени драјв се креира заменом СМА жице \(Н-1\) степена погоном првог степена.Као резултат, свака грана имитира погон прве фазе, са изузетком гране која држи саму жицу.На овај начин се могу формирати угнежђене структуре које стварају силе које су неколико пута веће од сила примарних погона.У овој студији, за сваки ниво, узета је у обзир укупна ефективна дужина СМА жице од 1 м, као што је приказано у табеларном формату на слици 7д.Струја кроз сваку жицу у сваком унимодалном дизајну и резултујући преднапон и напон у сваком сегменту СМА жице су исти на сваком нивоу.Према нашем аналитичком моделу, излазна сила је у позитивној корелацији са нивоом, док је померај у негативној корелацији.У исто време, постојао је компромис између померања и снаге мишића.Као што се види на сл.7б, док се максимална сила постиже у највећем броју слојева, највеће померање се примећује у најнижем слоју.Када је ниво хијерархије постављен на \(Н=5\), нађена је максимална мишићна сила од 2,58 кН са 2 посматрана потеза \(\упму\)м.С друге стране, погон првог степена генерише силу од 150 Н при ходу од 277 \(\упму\)м.Вишестепени актуатори су у стању да имитирају праве биолошке мишиће, где вештачки мишићи засновани на легурама са меморијом облика могу да генеришу знатно веће силе прецизним и финијим покретима.Ограничења овог минијатуризованог дизајна су да како се хијерархија повећава, кретање се увелико смањује и повећава се сложеност процеса производње погона.
(а) Двостепени (\(Н=2\)) слојевити систем линеарног актуатора од легуре са меморијом облика приказан је у бимодалној конфигурацији.Предложени модел је постигнут заменом СМА жице у првостепеном слојевитом актуатору са другим једностепеним слојевитим актуатором.(ц) Деформисана конфигурација вишеслојног актуатора другог степена.(б) Описана је расподела сила и померања у зависности од броја нивоа.Утврђено је да је вршна сила актуатора у позитивној корелацији са нивоом скале на графикону, док је ход у негативној корелацији са нивоом скале.Струја и преднапон у свакој жици остају константни на свим нивоима.(д) Табела показује број славина и дужину СМА жице (влакна) на сваком нивоу.Карактеристике жица су означене индексом 1, а број секундарних грана (један спојен на примарни крак) је означен највећим бројем у индексу.На пример, на нивоу 5, \(н_1\) се односи на број СМА жица присутних у свакој бимодалној структури, а \(н_5\) се односи на број помоћних кракова (једна повезана са главном ногом).
Многи истраживачи су предложили различите методе за моделовање понашања СМА са меморијом облика, које зависе од термомеханичких особина које прате макроскопске промене у кристалној структури повезане са фазном транзицијом.Формулација конститутивних метода је сама по себи сложена.Најчешће коришћени феноменолошки модел предлаже Танака28 и широко се користи у инжењерским апликацијама.Феноменолошки модел који је предложио Танака [28] претпоставља да је запремински удео мартензита експоненцијална функција температуре и напона.Касније су Лианг и Рогерс29 и Бринсон30 предложили модел у коме се претпостављало да је динамика фазног прелаза косинусна функција напона и температуре, уз мале модификације модела.Бекер и Бринсон су предложили кинетички модел заснован на фазном дијаграму за моделирање понашања СМА материјала под произвољним условима оптерећења, као и делимичним прелазима.Банерјее32 користи метод динамике фазног дијаграма Беккер и Бринсон31 да симулира један манипулатор степена слободе који су развили Елахиниа и Ахмадиан33.Кинетичке методе засноване на фазним дијаграмима, које узимају у обзир немонотонску промену напона са температуром, тешко се могу применити у инжењерским применама.Елахинија и Ахмадијан скрећу пажњу на ове недостатке постојећих феноменолошких модела и предлажу проширени феноменолошки модел за анализу и дефинисање понашања меморије облика под било којим сложеним условима оптерећења.
Структурни модел СМА жице даје напон (\(\сигма\)), деформацију (\(\епсилон\)), температуру (Т) и запремински удео мартензита (\(\ки\)) СМА жице.Феноменолошки конститутивни модел је први предложио Танака28, а касније су га усвојили Лианг29 и Бринсон30.Извод једначине има облик:
где је Е фазно зависни СМА Јангов модул добијен коришћењем \(\дисплаистиле Е=\ки Е_М + (1-\ки )Е_А\) и \(Е_А\) и \(Е_М\) који представљају Јангов модул су аустенитна и мартензитна фаза, респективно, а коефицијент термичког ширења(\) је представљен као \\).Фактор доприноса фазног прелаза је \(\Омега = -Е \епсилон _Л\) и \(\епсилон _Л\) је максимално надокнадиво напрезање у СМА жици.
Једначина фазне динамике поклапа се са косинусном функцијом коју је развио Лианг29 и касније усвојио Бринсон30 уместо експоненцијалне функције коју је предложио Танака28.Модел фазне транзиције је проширење модела који су предложили Елакхиниа и Ахмадиан34 и модификован на основу услова фазног прелаза које су дали Лианг29 и Бринсон30.Услови коришћени за овај модел фазног прелаза важе за сложена термомеханичка оптерећења.У сваком тренутку времена при моделовању конститутивне једначине израчунава се вредност запреминског удела мартензита.
Референтна једначина ретрансформације, изражена трансформацијом мартензита у аустенит под условима загревања, је следећа:
где је \(\ки\) запремински удео мартензита, \(\ки _М\) је запремински удео мартензита добијен пре загревања, \(\дисплаистиле а_А = \пи /(А_ф – А_с)\), \ ( \дисплаистиле б_А = -а_А/Ц_А\) и \(Ц_А\) – крива параметра А \(Ц_А\) – и параметара Т-а, температура мерача А. _ф\) – почетак и крај аустенитне фазе, респективно, температура.
Једначина за контролу директне трансформације, представљена фазном трансформацијом аустенита у мартензит у условима хлађења, је:
где је \(\ки _А\) запремински удео мартензита добијен пре хлађења, \(\дисплаистиле а_М = \пи /(М_с – М_ф)\), \(\дисплаистиле б_М = -а_М/Ц_М\) и \ ( Ц_М \) – параметри прилагођавања криве, Т – почетна температура жице СМА\, и тенс \М_, почетна температура жице, \(М_ М_ почетна температура_)
Након што су једначине (3) и (4) диференциране, једначине инверзне и директне трансформације се поједностављују на следећи облик:
Током трансформације унапред и уназад \(\ета _{\сигма}\) и \(\ета _{Т}\) узимају различите вредности.Основне једначине повезане са \(\ета _{\сигма}\) и \(\ета _{Т}\) су изведене и детаљно размотрене у додатном одељку.
Топлотна енергија потребна за подизање температуре СМА жице потиче од џулове ефекта грејања.Топлотна енергија коју апсорбује или ослобађа СМА жица је представљена латентном топлотом трансформације.Губитак топлоте у СМА жици је због принудне конвекције, а с обзиром на занемарљив ефекат зрачења, једначина биланса топлотне енергије је следећа:
Где је \(м_{вире}\) укупна маса СМА жице, \(ц_{п}\) је специфични топлотни капацитет СМА, \(В_{ин}\) је напон примењен на жицу, \(Р_{охм} \ ) – фазни отпор СМА, дефинисан као;\(Р_{охм} = (л/А_{цросс})[\ки р_М + (1-\ки )р_А]\ ) где су \(р_М\) и \(р_А\) СМА фазни отпор у мартензиту и аустениту, респективно, \(А_{ц}\) је површина површине \\о \у003д \у200б\у200б\у003е СМА жичана меморија \\ и је \у0026Латентна топлота прелаза жице, Т и \(Т_{\инфти}\) су температуре СМА жице и околине, респективно.
Када се активира жица од легуре са меморијом облика, жица се компримира, стварајући силу у свакој грани бимодалног дизајна која се назива сила влакана.Силе влакана у сваком ланцу СМА жице заједно стварају мишићну силу која се активира, као што је приказано на слици 9е.Због присуства нагибне опруге, укупна мишићна сила Н-тог вишеслојног актуатора је:
Заменом \(Н = 1\) у једначину (7), мишићна снага прототипа бимодалног погона прве фазе може се добити на следећи начин:
где је н број унимодалних кракова, \(Ф_м\) је мишићна сила коју генерише погон, \(Ф_ф\) је снага влакна у СМА жици, \(К_к\) је крутост предрасуда.опруга, \(\алпха\) је угао троугла, \(к_0\) је почетни помак преднапонске опруге која држи СМА кабл у претходно затегнутом положају, а \(\Делта к\) је ход актуатора.
Укупан померај или померање погона (\(\Делта к\)) у зависности од напона (\(\сигма\)) и напрезања (\(\епсилон\)) на СМА жици Н-ог степена, погон је подешен на (погледајте сл. додатни део излаза):
Кинематске једначине дају однос између деформације погона (\(\епсилон\)) и померања или померања (\(\Делта к\)).Деформација Арб жице као функција почетне дужине Арб жице (\(л_0\)) и дужине жице (л) у било ком тренутку т у једној унимодалној грани је следећа:
где се \(л = \скрт{л_0^2 +(\Делта к_1)^2 – 2 л_0 (\Делта к_1) \цос \алпха _1}\) добија применом косинус формуле у \(\Делта\)АББ ', као што је приказано на слици 8. За погон првог степена (\ел)), \(Н = 1) је \\(Н) = \\) \(\алпха _1\) је \(\алпха \) као што је приказано на Како је приказано на слици 8, разликовањем времена од једначине (11) и заменом вредности л, брзина деформације се може написати као:
где је \(л_0\) почетна дужина СМА жице, л је дужина жице у било ком тренутку т у једној унимодалној грани, \(\епсилон\) је деформација развијена у СМА жици, а \(\алпха \) је угао троугла, \(\Делта к\) је помак погона (као што је приказано на слици 8).
Свих н једноврхних структура (\(н=6\) на овој слици) су повезане у серију са \(В_{ин}\) као улазним напоном.Фаза И: Шематски дијаграм СМА жице у бимодалној конфигурацији под условима нултог напона Фаза ИИ: Приказана је контролисана структура где је СМА жица компримована услед инверзне конверзије, као што је приказано црвеном линијом.
Као доказ концепта, развијен је бимодални погон заснован на СМА да тестира симулирано извођење основних једначина са експерименталним резултатима.ЦАД модел бимодалног линеарног актуатора приказан је на сл.9а.С друге стране, на сл.Слика 9ц приказује нови дизајн предложен за ротационо призматичну везу користећи дворавни СМА актуатор са бимодалном структуром.Компоненте погона су произведене коришћењем адитивне производње на Ултимакер 3 Ектендед 3Д штампачу.Материјал који се користи за 3Д штампање компоненти је поликарбонат који је погодан за материјале отпорне на топлоту јер је јак, издржљив и има високу температуру преласка стакла (110-113 \(^{\цирц }\) Ц).Поред тога, Диналлои, Инц. Флекинол жица од легуре са меморијом облика је коришћена у експериментима, а својства материјала која одговарају Флекинол жици су коришћена у симулацијама.Вишеструке СМА жице су распоређене као влакна присутна у бимодалном распореду мишића да би се добиле велике силе које производе вишеслојни актуатори, као што је приказано на слици 9б, д.
Као што је приказано на слици 9а, оштар угао који формира СМА жица покретног крака назива се угао (\(\алпха\)).Са терминалним стезаљкама причвршћеним на леву и десну стезаљку, СМА жица се држи под жељеним бимодалним углом.Уређај са опругом за преднапон који се држи на конектору за опругу је дизајниран да подеси различите групе продужетака опруге за преднапон према броју (н) СМА влакана.Поред тога, локација покретних делова је дизајнирана тако да је СМА жица изложена спољашњем окружењу ради хлађења принудном конвекцијом.Горња и доња плоча одвојивог склопа помажу да СМА жица буде хладна са екструдираним изрезима дизајнираним да смање тежину.Поред тога, оба краја ЦМА жице су фиксирана на леви и десни терминал, респективно, помоћу кримпова.Клип је причвршћен на један крај покретног склопа да би се одржао размак између горње и доње плоче.Клип се такође користи за примену силе блокирања на сензор преко контакта за мерење силе блокирања када се СМА жица активира.
Бимодална мишићна структура СМА је електрично повезана у серију и напаја се улазним импулсним напоном.Током циклуса напонског импулса, када се примени напон и СМА жица се загреје изнад почетне температуре аустенита, дужина жице у сваком ланцу се скраћује.Ово увлачење активира подсклоп покретне руке.Када је напон у истом циклусу нула, загрејана СМА жица се охладила испод температуре мартензитне површине, чиме се вратила у првобитни положај.У условима нултог напрезања, СМА жица се прво пасивно растеже помоћу опруге за пристрасност да би се достигло детвинед мартензитно стање.Вијак, кроз који пролази СМА жица, помера се услед компресије настале применом импулса напона на СМА жицу (СПА достиже аустенитну фазу), што доводи до активирања покретне полуге.Када се СМА жица увуче, опруга ствара супротну силу даљим истезањем опруге.Када напон у импулсном напону постане нула, СМА жица се издужује и мења свој облик услед принудног хлађења конвекцијом, достижући двоструку мартензитну фазу.
Предложени систем линеарних актуатора заснован на СМА има бимодалну конфигурацију у којој су СМА жице под углом.(а) приказује ЦАД модел прототипа, који помиње неке од компоненти и њихова значења за прототип, (б, д) представљају развијени експериментални прототип35.Док (б) приказује поглед одозго на прототип са електричним прикључцима и употријебљеним опругама и мјерачима напрезања, (д) приказује перспективни поглед на подешавање.(е) Дијаграм линеарног система активирања са СМА жицама постављеним бимодално у било ком тренутку т, који показује смер и ток влакана и мишићне снаге.(ц) Предложена је 2-ДОФ ротациона призматична веза за примену актуатора са две равни на бази СМА.Као што је приказано, веза преноси линеарно кретање од доњег погона до горње руке, стварајући ротирајућу везу.С друге стране, кретање пара призми је исто као и кретање вишеслојног погона прве фазе.
Експериментална студија је спроведена на прототипу приказаном на слици 9б да би се процениле перформансе бимодалног погона заснованог на СМА.Као што је приказано на слици 10а, експериментална поставка се састојала од програмабилног ДЦ напајања за напајање улазног напона на СМА жице.Као што је приказано на сл.10б, пиезоелектрични мерач деформације (ПАЦЕлине ЦФТ/5кН) је коришћен за мерење силе блокирања коришћењем Грапхтец ГЛ-2000 дата логера.Податке снима домаћин ради даљег проучавања.Мерач напрезања и појачивач пуњења захтевају константно напајање да би произвели сигнал напона.Одговарајући сигнали се претварају у излазне снаге у складу са осетљивошћу сензора пиезоелектричне силе и другим параметрима као што је описано у табели 2. Када се примени импулс напона, температура СМА жице се повећава, што доводи до компресије СМА жице, што узрокује да актуатор генерише силу.Експериментални резултати излазне снаге мишића импулсом улазног напона од 7 В приказани су на сл.2а.
(а) Систем линеарног актуатора заснован на СМА је постављен у експерименту за мерење силе коју ствара актуатор.Мерна ћелија мери силу блокирања и напаја се из 24 В ДЦ напајања.Пад напона од 7 В је примењен дуж целе дужине кабла коришћењем ГВ Инстек програмабилног ДЦ напајања.СМА жица се скупља због топлоте, а покретна рука долази у контакт са ћелијом за оптерећење и врши силу блокирања.Мерна ћелија је повезана на ГЛ-2000 дата логер и подаци се чувају на хосту за даљу обраду.(б) Дијаграм који приказује ланац компоненти експерименталне поставке за мерење мишићне снаге.
Легуре са меморијом облика побуђују се топлотном енергијом, тако да температура постаје важан параметар за проучавање феномена меморије облика.Експериментално, као што је приказано на слици 11а, мерења термичке слике и температуре су изведена на прототипу дивалератног актуатора базираног на СМА.Програмабилни ДЦ извор је применио улазни напон на СМА жице у експерименталној поставци, као што је приказано на слици 11б.Промена температуре СМА жице је мерена у реалном времену помоћу ЛВИР камере високе резолуције (ФЛИР А655сц).Домаћин користи софтвер РесеарцхИР за снимање података за даљу накнадну обраду.Када се примени импулс напона, температура СМА жице се повећава, узрокујући да се СМА жица скупља.На сл.Слика 2б приказује експерименталне резултате температуре СМА жице у односу на време за импулс улазног напона од 7 В.
Време поста: 28.09.2022