Hatur nuhun parantos nganjang ka Nature.com. Versi browser anu anjeun anggo gaduh dukungan CSS anu terbatas. Pikeun pangalaman anu pangsaéna, kami nyarankeun anjeun nganggo browser anu diénggalan (atanapi mareuman Modeu Kompatibilitas dina Internet Explorer). Samentawis waktos, pikeun mastikeun dukungan anu terus-terusan, kami bakal ngarender situs tanpa gaya sareng JavaScript.
Aktuator dianggo di mana-mana sareng nyiptakeun gerakan anu dikontrol ku cara nerapkeun gaya éksitasi atanapi torsi anu leres pikeun ngalaksanakeun rupa-rupa operasi dina manufaktur sareng otomatisasi industri. Kabutuhan drive anu langkung gancang, langkung alit sareng langkung efisien ngadorong inovasi dina desain drive. Drive Shape Memory Alloy (SMA) nawiskeun sababaraha kaunggulan dibandingkeun drive konvensional, kalebet rasio kakuatan-ka-beurat anu luhur. Dina disertasi ieu, aktuator berbasis SMA dua bulu dikembangkeun anu ngagabungkeun kaunggulan otot bulu sistem biologis sareng sipat unik SMA. Panilitian ieu ngajalajah sareng ngalegaan aktuator SMA sateuacana ku cara ngembangkeun modél matematika tina aktuator énggal dumasar kana susunan kawat SMA bimodal sareng nguji éta sacara ékspériméntal. Dibandingkeun sareng drive anu dipikanyaho dumasar kana SMA, gaya aktuasi drive énggal sahenteuna 5 kali langkung luhur (dugi ka 150 N). Leungitna beurat anu saluyu nyaéta sakitar 67%. Hasil analisis sensitivitas modél matematika mangpaat pikeun nyetel parameter desain sareng ngartos parameter konci. Panilitian ieu salajengna nampilkeun drive tahap N multi-level anu tiasa dianggo pikeun ningkatkeun dinamika langkung jauh. Aktuator otot dipvalerat berbasis SMA gaduh rupa-rupa aplikasi, ti mimiti otomatisasi wangunan dugi ka sistem pangiriman obat anu presisi.
Sistem biologis, sapertos struktur otot mamalia, tiasa ngaktipkeun seueur aktuator anu halus1. Mamalia gaduh struktur otot anu béda-béda, masing-masing ngalayanan tujuan anu khusus. Nanging, seueur struktur jaringan otot mamalia tiasa dibagi kana dua kategori anu lega. Paralel sareng pennate. Dina hamstring sareng fleksor sanésna, sapertos namina, otot paralel gaduh serat otot anu sajajar sareng tendon pusat. Ranté serat otot dijejeran sareng dihubungkeun sacara fungsional ku jaringan konéktif di sakurilingna. Sanaos otot-otot ieu disebut gaduh ékskursi anu ageung (persentase pondok), kakuatan ototna sacara umum terbatas pisan. Sabalikna, dina otot betis triceps2 (gastrocnemius lateral (GL)3, gastrocnemius medial (GM)4 sareng soleus (SOL)) sareng extensor femoris (quadriceps)5,6 jaringan otot pennate kapanggih dina unggal otot7. Dina struktur pinnate, serat otot dina otot bipennate aya di dua sisi tendon pusat dina sudut miring (sudut pinnate). Pennate asalna tina kecap Latin "penna", anu hartosna "pulpen", sareng, sapertos anu dipidangkeun dina gambar 1, katingalina sapertos bulu. Serat otot pennate langkung pondok sareng miring kana sumbu longitudinal otot. Kusabab struktur pinnate, mobilitas sakabéh otot ieu dikirangan, anu ngarah kana komponén transversal sareng longitudinal tina prosés pemendekan. Di sisi anu sanés, aktivasi otot ieu ngarah kana kakuatan otot sacara umum anu langkung luhur kusabab cara daérah cross-sectional fisiologis diukur. Ku alatan éta, pikeun daérah cross-sectional anu dipasihkeun, otot pennate bakal langkung kuat sareng bakal ngahasilkeun gaya anu langkung luhur tibatan otot kalayan serat paralel. Gaya anu dihasilkeun ku serat individu ngahasilkeun gaya otot dina tingkat makroskopis dina jaringan otot éta. Salaku tambahan, éta ngagaduhan sipat unik sapertos penyusutan gancang, panyalindungan ngalawan karusakan tarik, bantalan. Éta ngarobih hubungan antara input serat sareng output kakuatan otot ku cara ngamangpaatkeun fitur unik sareng kompleksitas géométri tina susunan serat anu aya hubunganana sareng garis aksi otot.
Ditémbongkeun diagram skematis tina desain aktuator berbasis SMA anu tos aya dina hubunganana sareng arsitéktur otot bimodal, contona (a), anu ngagambarkeun interaksi gaya taktil dimana alat anu bentukna leungeun anu diaktipkeun ku kabel SMA dipasang dina robot sélulér otonom dua roda9,10. , (b) Prostésis orbital robotik kalayan prostésis orbital SMA anu dimuat pegas anu ditempatkeun sacara antagonis. Posisi panon prostétik dikontrol ku sinyal tina otot okular panon11, (c) Aktuator SMA idéal pikeun aplikasi di jero cai kusabab réspon frékuénsi anu luhur sareng bandwidth anu handap. Dina konfigurasi ieu, aktuator SMA dianggo pikeun nyiptakeun gerakan gelombang ku cara simulasi gerakan lauk, (d) Aktuator SMA dianggo pikeun nyiptakeun robot pamariksaan pipa mikro anu tiasa nganggo prinsip gerakan cacing inci, dikontrol ku gerakan kabel SMA di jero saluran 10, (e) nunjukkeun arah serat otot kontraksi sareng ngahasilkeun gaya kontraktil dina jaringan gastrocnemius, (f) nunjukkeun kabel SMA disusun dina bentuk serat otot dina struktur otot pennate.
Aktuator parantos janten bagian penting tina sistem mékanis kusabab rupa-rupa aplikasi na. Ku kituna, kabutuhan pikeun drive anu langkung alit, langkung gancang sareng langkung efisien janten penting. Sanaos aya kaunggulanana, drive tradisional parantos kabuktosan mahal sareng nyéépkeun waktos kanggo dirawat. Aktuator hidrolik sareng pneumatik rumit sareng mahal sareng rentan ka karusakan, masalah pelumasan sareng kagagalan komponén. Pikeun ngaréspon paménta, fokusna nyaéta pikeun ngembangkeun aktuator anu hemat biaya, dioptimalkeun ukuran sareng canggih dumasar kana bahan anu cerdas. Panalungtikan anu lumangsung nyaéta ningali aktuator berlapis shape memory alloy (SMA) pikeun minuhan kabutuhan ieu. Aktuator hirarkis unik sabab ngagabungkeun seueur aktuator diskrit kana subsistem skala makro anu rumit sacara géométri pikeun nyayogikeun fungsi anu ningkat sareng dilegaan. Dina hal ieu, jaringan otot manusa anu dijelaskeun di luhur nyayogikeun conto multilayered anu saé pikeun aktuasi multilayered sapertos kitu. Panilitian ayeuna ngajelaskeun drive SMA multi-level kalayan sababaraha unsur drive individu (kabel SMA) anu disaluyukeun kana orientasi serat anu aya dina otot bimodal, anu ningkatkeun kinerja drive sacara umum.
Tujuan utama aktuator nyaéta pikeun ngahasilkeun kaluaran daya mékanis sapertos gaya sareng pamindahan ku cara ngarobah énergi listrik. Aloi mémori bentuk mangrupikeun kelas bahan "pinter" anu tiasa mulangkeun bentukna dina suhu anu luhur. Dina beban anu luhur, paningkatan suhu kawat SMA nyababkeun pamulihan bentuk, ngahasilkeun kapadetan énergi aktuasi anu langkung luhur dibandingkeun sareng rupa-rupa bahan pinter anu langsung kabeungkeut. Dina waktos anu sami, dina beban mékanis, SMA janten rapuh. Dina kaayaan anu tangtu, beban siklik tiasa nyerep sareng ngaleupaskeun énergi mékanis, nunjukkeun parobahan bentuk histeretik anu tiasa dibalikkeun. Sipat unik ieu ngajantenkeun SMA idéal pikeun sénsor, redaman geter sareng khususna aktuator12. Kalayan ieu, parantos seueur panilitian ngeunaan drive berbasis SMA. Perlu dicatet yén aktuator berbasis SMA dirancang pikeun nyayogikeun gerakan translasi sareng puteran pikeun rupa-rupa aplikasi13,14,15. Sanaos sababaraha aktuator puteran parantos dikembangkeun, para panaliti khususna resep kana aktuator linier. Aktuator linier ieu tiasa dibagi kana tilu jinis aktuator: aktuator hiji diménsi, pamindahan sareng diferensial 16. Mimitina, drive hibrida didamel digabungkeun sareng SMA sareng drive konvensional anu sanés. Salah sahiji conto aktuator linier hibrida berbasis SMA nyaéta panggunaan kawat SMA sareng motor DC pikeun nyayogikeun gaya kaluaran sakitar 100 N sareng pamindahan anu signifikan17.
Salah sahiji kamajuan munggaran dina drive anu dumasar kana SMA nyaéta drive paralel SMA. Ngagunakeun sababaraha kabel SMA, drive paralel berbasis SMA dirancang pikeun ningkatkeun kamampuan kakuatan drive ku cara nempatkeun sadaya kabel SMA18 sacara paralel. Sambungan paralel aktuator henteu ngan ukur meryogikeun langkung seueur kakuatan, tapi ogé ngawatesan kakuatan kaluaran hiji kawat. Kakurangan séjén tina aktuator berbasis SMA nyaéta perjalanan terbatas anu tiasa kahontal. Pikeun ngabéréskeun masalah ieu, balok kabel SMA didamel anu ngandung balok fléksibel anu dibelokkeun pikeun ningkatkeun pamindahan sareng ngahontal gerakan linier, tapi henteu ngahasilkeun gaya anu langkung luhur19. Struktur sareng lawon anu tiasa dideformasi lemes pikeun robot dumasar kana paduan mémori bentuk parantos dikembangkeun utamina pikeun amplifikasi dampak20,21,22. Pikeun aplikasi dimana kecepatan tinggi diperyogikeun, pompa anu didorong kompak parantos dilaporkeun nganggo SMA pilem ipis pikeun aplikasi anu didorong ku pompa mikro23. Frékuénsi drive mémbran SMA pilem ipis mangrupikeun faktor konci dina ngontrol kecepatan supir. Ku alatan éta, motor linier SMA gaduh réspon dinamis anu langkung saé tibatan motor pegas atanapi rod SMA. Robotika lemes sareng téknologi cengkraman mangrupikeun dua aplikasi sanés anu nganggo aktuator berbasis SMA. Contona, pikeun ngagantikeun aktuator standar anu dianggo dina klem rohangan 25 N, aktuator paralel aloi mémori bentuk 24 dikembangkeun. Dina kasus anu sanés, aktuator lemes SMA didamel dumasar kana kawat kalayan matriks anu dipasang anu sanggup ngahasilkeun gaya tarik maksimum 30 N. Kusabab sipat mékanisna, SMA ogé dianggo pikeun ngahasilkeun aktuator anu niru fénoména biologis. Salah sahiji pamekaran sapertos kitu kalebet robot 12 sél anu mangrupikeun biomimetik organisme sapertos cacing taneuh kalayan SMA pikeun ngahasilkeun gerakan sinusoidal pikeun némbak 26,27.
Sakumaha anu parantos disebatkeun sateuacanna, aya wates pikeun gaya maksimum anu tiasa didapet tina aktuator berbasis SMA anu tos aya. Pikeun ngungkulan masalah ieu, panilitian ieu nampilkeun struktur otot bimodal biomimetik. Didorong ku kawat paduan memori bentuk. Éta nyayogikeun sistem klasifikasi anu ngawengku sababaraha kawat paduan memori bentuk. Dugi ka ayeuna, teu aya aktuator berbasis SMA kalayan arsitéktur anu sami anu dilaporkeun dina literatur. Sistem anu unik sareng énggal dumasar kana SMA ieu dikembangkeun pikeun nalungtik paripolah SMA salami panyelarasan otot bimodal. Dibandingkeun sareng aktuator berbasis SMA anu tos aya, tujuan panilitian ieu nyaéta pikeun nyiptakeun aktuator dipvalerat biomimetik pikeun ngahasilkeun gaya anu langkung luhur dina volume alit. Dibandingkeun sareng drive anu didorong ku motor stepper konvensional anu dianggo dina sistem otomatisasi sareng kontrol gedong HVAC, desain drive bimodal berbasis SMA anu diusulkeun ngirangan beurat mékanisme drive ku 67%. Di handap ieu, istilah "otot" sareng "drive" dianggo silih genti. Panilitian ieu nalungtik simulasi multifisika tina drive sapertos kitu. Paripolah mékanis sistem sapertos kitu parantos di diajar ku metode ékspériméntal sareng analitis. Distribusi gaya sareng suhu salajengna ditalungtik dina tegangan input 7 V. Salajengna, analisis parametrik dilaksanakeun pikeun langkung ngartos hubungan antara parameter konci sareng gaya kaluaran. Pamungkas, aktuator hierarkis parantos dibayangkeun sareng épék tingkat hierarkis parantos diusulkeun salaku daérah poténsial ka hareup pikeun aktuator non-magnét pikeun aplikasi prostetik. Numutkeun hasil panilitian anu kasebat di luhur, panggunaan arsitéktur tahap tunggal ngahasilkeun gaya sahenteuna opat dugi ka lima kali langkung luhur tibatan aktuator berbasis SMA anu dilaporkeun. Salaku tambahan, gaya drive anu sami anu dihasilkeun ku drive multi-level multi-level parantos dipidangkeun langkung ti sapuluh kali tibatan drive berbasis SMA konvensional. Panilitian teras ngalaporkeun parameter konci nganggo analisis sensitivitas antara desain anu béda sareng variabel input. Panjang awal kawat SMA (\(l_0\)), sudut pinnate (\(\alpha\)) sareng jumlah untaian tunggal (n) dina unggal untaian individu gaduh pangaruh négatif anu kuat kana gedéna gaya pendorong. kakuatan, sedengkeun tegangan input (énergi) tétéla berkorelasi positif.
Kawat SMA némbongkeun éfék mémori bentuk (SME) anu katingali dina kulawarga paduan nikel-titanium (Ni-Ti). Biasana, SMA némbongkeun dua fase anu gumantung kana suhu: fase suhu handap sareng fase suhu luhur. Kadua fase gaduh sipat unik kusabab ayana struktur kristal anu béda. Dina fase austenit (fase suhu luhur) anu aya di luhur suhu transformasi, bahan némbongkeun kakuatan anu luhur sareng kirang cacad dina beban. Paduan kalakuanana sapertos baja tahan karat, janten tiasa nahan tekanan aktuasi anu langkung luhur. Ngamangpaatkeun sipat paduan Ni-Ti ieu, kawat SMA miring pikeun ngabentuk aktuator. Modél analitis anu pas dikembangkeun pikeun ngartos mékanika dasar paripolah termal SMA dina pangaruh rupa-rupa parameter sareng rupa-rupa géométri. Kasapukan anu saé diala antara hasil ékspérimén sareng analitis.
Hiji studi ékspériméntal dilaksanakeun dina prototipe anu dipidangkeun dina Gambar 9a pikeun meunteun kinerja drive bimodal dumasar kana SMA. Dua sipat ieu, gaya anu dihasilkeun ku drive (gaya otot) sareng suhu kawat SMA (suhu SMA), diukur sacara ékspériméntal. Nalika bédana tegangan ningkat sapanjang sakabéh panjang kawat dina drive, suhu kawat ningkat kusabab pangaruh pemanasan Joule. Tegangan input diterapkeun dina dua siklus 10 detik (dipidangkeun salaku titik beureum dina Gambar 2a, b) kalayan periode pendinginan 15 detik antara unggal siklus. Gaya blokir diukur nganggo alat ukur galur piezoelektrik, sareng distribusi suhu kawat SMA diawasi sacara real time nganggo kaméra LWIR résolusi tinggi kelas ilmiah (tingali karakteristik alat anu dianggo dina Tabel 2). nunjukkeun yén salami fase tegangan tinggi, suhu kawat ningkat sacara monoton, tapi nalika teu aya arus anu ngalir, suhu kawat terus turun. Dina setelan ékspériméntal ayeuna, suhu kawat SMA turun salami fase pendinginan, tapi masih di luhur suhu sekitar. Dina gambar 2e nunjukkeun snapshot suhu dina kawat SMA anu dicandak tina kaméra LWIR. Di sisi séjén, dina gambar 2a nunjukkeun gaya meungpeuk anu dihasilkeun ku sistem drive. Nalika gaya otot ngaleuwihan gaya pamulihan pegas, panangan anu tiasa gerak, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 9a, mimiti gerak. Pas aktuasi dimimitian, panangan anu tiasa gerak kontak sareng sensor, nyiptakeun gaya awak, sapertos anu dipidangkeun dina gambar 2c, d. Nalika suhu maksimum caket kana \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), gaya maksimum anu diamati nyaéta 105 N.
Grafik ieu nunjukkeun hasil ékspérimén suhu kawat SMA sareng gaya anu dihasilkeun ku aktuator bimodal berbasis SMA salami dua siklus. Tegangan input diterapkeun dina dua siklus 10 detik (ditémbongkeun salaku titik beureum) kalayan periode pendinginan 15 detik antara unggal siklus. Kawat SMA anu dianggo pikeun ékspérimén nyaéta kawat Flexinol diaméter 0,51 mm ti Dynalloy, Inc. (a) Grafik ieu nunjukkeun gaya ékspérimén anu diala salami dua siklus, (c, d) nunjukkeun dua conto mandiri tina tindakan aktuator panangan anu bergerak dina transduser gaya piezoelektrik PACEline CFT/5kN, (b) grafik ieu nunjukkeun suhu maksimum sadaya kawat SMA salami dua siklus, (e) nunjukkeun snapshot suhu anu dicandak tina kawat SMA nganggo kaméra LWIR parangkat lunak FLIR ResearchIR. Parameter géométri anu dipertimbangkeun dina ékspérimén dibéré dina Tabel hiji.
Hasil simulasi tina modél matematika sareng hasil ékspérimén dibandingkeun dina kaayaan tegangan input 7V, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 5. Numutkeun hasil analisis parametrik sareng pikeun nyingkahan kamungkinan panas teuing tina kawat SMA, daya 11,2 W disayogikeun ka aktuator. Catu daya DC anu tiasa diprogram dianggo pikeun nyayogikeun 7V salaku tegangan input, sareng arus 1,6A diukur dina kawat. Gaya anu dihasilkeun ku drive sareng suhu SDR ningkat nalika arus diterapkeun. Kalayan tegangan input 7V, gaya kaluaran maksimum anu diala tina hasil simulasi sareng hasil ékspérimén tina siklus kahiji nyaéta 78 N sareng 96 N, masing-masing. Dina siklus kadua, gaya kaluaran maksimum tina simulasi sareng hasil ékspérimén nyaéta 150 N sareng 105 N, masing-masing. Beda antara pangukuran gaya oklusi sareng data ékspérimén tiasa disababkeun ku metode anu dianggo pikeun ngukur gaya oklusi. Hasil ékspérimén anu dipidangkeun dina gambar. 5a pakait sareng pangukuran gaya konci, anu salajengna diukur nalika aci panggerak kontak sareng transduser gaya piezoelektrik PACEline CFT/5kN, sapertos anu dipidangkeun dina gambar 2s. Ku alatan éta, nalika aci panggerak henteu kontak sareng sensor gaya dina awal zona pendinginan, gaya langsung janten nol, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 2d. Salian ti éta, parameter sanés anu mangaruhan formasi gaya dina siklus salajengna nyaéta nilai waktos pendinginan sareng koefisien transfer panas konvektif dina siklus sateuacana. Tina gambar 2b, tiasa katingali yén saatos periode pendinginan 15 detik, kawat SMA henteu ngahontal suhu kamar sareng ku kituna ngagaduhan suhu awal anu langkung luhur (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) dina siklus nyetir kadua dibandingkeun sareng siklus kahiji (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Ku kituna, dibandingkeun sareng siklus kahiji, suhu kawat SMA salami siklus pemanasan kadua ngahontal suhu austenit awal (\(A_s\)) langkung awal sareng tetep dina periode transisi langkung lami, anu ngahasilkeun setrés sareng gaya. Di sisi anu sanés, distribusi suhu salami siklus pemanasan sareng pendinginan anu diala tina ékspérimén sareng simulasi gaduh kamiripan kualitatif anu luhur sareng conto tina analisis termografi. Analisis komparatif data termal kawat SMA tina ékspérimén sareng simulasi nunjukkeun konsistensi salami siklus pemanasan sareng pendinginan sareng dina toleransi anu tiasa ditampi pikeun data ékspérimén. Suhu maksimum kawat SMA, anu diala tina hasil simulasi sareng ékspérimén siklus kahiji, nyaéta \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) sareng \(75\,^{\circ }\hbox { C }\, masing-masing ), sareng dina siklus kadua suhu maksimum kawat SMA nyaéta \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) sareng \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\). Modél anu dikembangkeun sacara fundamental mastikeun pangaruh tina pangaruh mémori bentuk. Peran kacapean sareng panas teuing teu dipertimbangkeun dina ulasan ieu. Ka hareupna, modél ieu bakal ditingkatkeun pikeun ngalebetkeun riwayat tegangan kawat SMA, janten langkung cocog pikeun aplikasi rékayasa. Gaya kaluaran drive sareng plot suhu SMA anu diala tina blok Simulink aya dina toleransi anu diidinan tina data ékspérimén dina kaayaan pulsa tegangan input 7 V. Ieu mastikeun kaleresan sareng reliabilitas modél matematika anu dikembangkeun.
Modél matematika dikembangkeun dina lingkungan MathWorks Simulink R2020b nganggo persamaan dasar anu dijelaskeun dina bagian Métode. Dina gambar 3b nunjukkeun diagram blok modél matematika Simulink. Modél ieu disimulasikeun pikeun pulsa tegangan input 7V sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 2a, b. Nilai parameter anu dianggo dina simulasi didaptarkeun dina Tabel 1. Hasil simulasi prosés transien dipidangkeun dina Gambar 1 sareng 1. Gambar 3a sareng 4. Dina gambar 4a, b nunjukkeun tegangan induksi dina kawat SMA sareng gaya anu dihasilkeun ku aktuator salaku fungsi waktos. Salila transformasi tibalik (pemanasan), nalika suhu kawat SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (suhu awal fase austenit anu dimodifikasi setrés), laju parobahan fraksi volume martensit (\(\dot{\xi }\)) bakal nol. Salila transformasi tibalik (pemanasan), nalika suhu kawat SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (suhu awal fase austenit anu dimodifikasi setrés), laju parobahan fraksi volume martensit (\(\dot{\ xi }\)) bakal nol. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T Salila transformasi tibalik (pemanasan), nalika suhu kawat SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (suhu awal austenit anu dimodifikasi setrés), laju parobahan fraksi volume martensit (\(\dot{\ xi }\ )) bakal nol.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（\(化率（\(谛一。)在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t При обратном превращении (нагреве) при температуре проволоки СПФ \(T Salila transformasi tibalik (pemanasan) dina suhu kawat SMA \(T < A_s^{\prime}\) (suhu nukleasi fase austenit, dikoréksi pikeun tegangan), laju parobahan dina fraksi volume martensit (\( \dot{\ xi }\)) bakal sarua jeung nol.Ku kituna, laju parobahan tegangan (\(\dot{\sigma}\)) bakal gumantung kana laju galur (\(\dot{\epsilon}\)) sareng gradien suhu (\(\dot{T} \)) ngan ukur nganggo persamaan (1). Nanging, nalika kawat SMA ningkat suhu sareng meuntas (\(A_s^{\prime}\)), fase austenit mimiti kabentuk, sareng (\(\dot{\xi}\)) dicandak salaku nilai anu dipasihkeun tina persamaan (3). Ku alatan éta, laju parobahan tegangan (\(\dot{\sigma}\)) dikontrol sacara babarengan ku \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) sareng \(\dot{\xi}\) sami sareng anu dipasihkeun dina rumus (1). Ieu ngajelaskeun parobahan gradien anu dititénan dina peta tegangan sareng gaya anu robih-robah waktos salami siklus pemanasan, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 4a, b.
(a) Hasil simulasi anu nunjukkeun distribusi suhu sareng suhu sambungan anu diinduksi setrés dina aktuator divalerat berbasis SMA. Nalika suhu kawat meuntas suhu transisi austenit dina tahap pemanasan, suhu transisi austenit anu dimodifikasi mimiti ningkat, sareng sami, nalika suhu batang kawat meuntas suhu transisi martensitik dina tahap pendinginan, suhu transisi martensitik nurun. SMA pikeun modél analitis tina prosés aktuasi. (Pikeun tampilan lengkep ngeunaan unggal subsistem modél Simulink, tingali bagian lampiran tina file tambahan.)
Hasil analisis pikeun distribusi parameter anu béda dipidangkeun pikeun dua siklus tegangan input 7V (siklus pemanasan 10 detik sareng siklus pendinginan 15 detik). Sedengkeun (ac) sareng (e) ngagambarkeun distribusi kana waktos, di sisi anu sanés, (d) sareng (f) ngagambarkeun distribusi kalayan suhu. Pikeun kaayaan input masing-masing, setrés maksimum anu dititénan nyaéta 106 MPa (kirang ti 345 MPa, kakuatan luluh kawat), gaya nyaéta 150 N, pamindahan maksimum nyaéta 270 µm, sareng fraksi volume martensitik minimum nyaéta 0,91. Di sisi anu sanés, parobahan setrés sareng parobahan fraksi volume martensit kalayan suhu sami sareng karakteristik histeresis.
Katerangan anu sami lumaku pikeun transformasi langsung (pendinginan) tina fase austenit ka fase martensit, dimana suhu kawat SMA (T) sareng suhu ahir fase martensit anu dimodifikasi setrés (\(M_f^{\prime}\ )) saé pisan. Dina gambar 4d, f nunjukkeun parobahan dina setrés anu diinduksi (\(\sigma\)) sareng fraksi volume martensit (\(\xi\)) dina kawat SMA salaku fungsi tina parobahan suhu kawat SMA (T), pikeun duanana siklus nyetir. Dina gambar 3a nunjukkeun parobahan suhu kawat SMA kalayan waktos gumantung kana pulsa tegangan input. Sakumaha anu tiasa ditingali tina gambar, suhu kawat terus ningkat ku cara nyayogikeun sumber panas dina tegangan nol sareng pendinginan konvektif salajengna. Salila dipanaskeun, transformasi ulang martensit kana fase austenit dimimitian nalika suhu kawat SMA (T) meuntas suhu nukleasi austenit anu dikoréksi setrés (\(A_s^{\prime}\)). Salila fase ieu, kawat SMA dikomprés sareng aktuator ngahasilkeun gaya. Ogé nalika niiskeun, nalika suhu kawat SMA (T) meuntas suhu nukleasi fase martensit anu dimodifikasi setrés (\(M_s^{\prime}\)) aya transisi positif tina fase austenit ka fase martensit. gaya panggerak nurun.
Aspék kualitatif utama tina drive bimodal dumasar kana SMA tiasa diala tina hasil simulasi. Dina kasus input pulsa tegangan, suhu kawat SMA ningkat kusabab pangaruh pemanasan Joule. Nilai awal fraksi volume martensit (\(\xi\)) disetel ka 1, sabab bahan mimitina aya dina fase martensitik pinuh. Nalika kawat terus panas, suhu kawat SMA ngaleuwihan suhu nukleasi austenit anu dikoréksi setrés \(A_s^{\prime}\), anu ngahasilkeun panurunan dina fraksi volume martensit, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 4c. Salaku tambahan, dina gambar 4e nunjukkeun distribusi stroke aktuator dina waktos, sareng dina gambar 5 - gaya pendorong salaku fungsi waktos. Sistem persamaan anu aya hubunganana kalebet suhu, fraksi volume martensit, sareng setrés anu berkembang dina kawat, anu ngahasilkeun penyusutan kawat SMA sareng gaya anu dihasilkeun ku aktuator. Sakumaha anu dipidangkeun dina gambar. 4d,f, variasi tegangan jeung suhu sarta variasi fraksi volume martensit jeung suhu pakait jeung karakteristik histeresis SMA dina kasus simulasi dina 7 V.
Babandingan parameter panggerak diala ngaliwatan ékspérimén sareng itungan analitis. Kawat-kawat éta dikenaan tegangan input pulsa 7 V salami 10 detik, teras didinginkan salami 15 detik (fase pangeringan) salami dua siklus. Sudut pinnate disetel ka \(40^{\circ}\) sareng panjang awal kawat SMA dina unggal suku pin disetel ka 83mm. (a) Ngukur gaya panggerak nganggo load cell (b) Mantau suhu kawat nganggo kaméra infra red termal.
Pikeun ngartos pangaruh parameter fisik kana gaya anu dihasilkeun ku drive, analisis sensitivitas modél matematika kana parameter fisik anu dipilih dilaksanakeun, sareng parameterna dirangking numutkeun pangaruhna. Mimitina, sampling parameter modél dilakukeun nganggo prinsip desain ékspériméntal anu nuturkeun distribusi seragam (tingali Bagian Tambahan ngeunaan Analisis Sensitivitas). Dina hal ieu, parameter modél kalebet tegangan input (\(V_{in}\)), panjang kawat SMA awal (\(l_0\)), sudut segitiga (\(\alpha\)), konstanta pegas bias (\( K_x\ )), koefisien transfer panas konvektif (\(h_T\)) sareng jumlah cabang unimodal (n). Dina léngkah salajengna, kakuatan otot puncak dipilih salaku sarat desain panilitian sareng pangaruh parametrik tina unggal sét variabel kana kakuatan diala. Plot tornado pikeun analisis sensitivitas diturunkeun tina koefisien korélasi pikeun unggal parameter, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 6a.
(a) Nilai koéfisién korélasi tina parameter modél sareng pangaruhna kana gaya kaluaran maksimum tina 2500 grup unik tina parameter modél di luhur dipidangkeun dina plot tornado. Grafik nunjukkeun korélasi peringkat tina sababaraha indikator. Jelas yén \(V_{in}\) mangrupikeun hiji-hijina parameter anu gaduh korélasi positif, sareng \(l_0\) mangrupikeun parameter anu gaduh korélasi négatif pangluhurna. Pangaruh rupa-rupa parameter dina rupa-rupa kombinasi kana kakuatan otot puncak dipidangkeun dina (b, c). \(K_x\) kisaran ti 400 dugi ka 800 N/m sareng n kisaran ti 4 dugi ka 24. Tegangan (\(V_{in}\)) robih tina 4V dugi ka 10V, panjang kawat (\(l_{0 } \)) robih tina 40 dugi ka 100 mm, sareng sudut buntut (\ (\alpha \)) rupa-rupa ti \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Dina gambar 6a nunjukkeun plot tornado tina rupa-rupa koefisien korelasi pikeun unggal parameter kalayan sarat desain gaya panggerak puncak. Tina gambar 6a tiasa ditingali yén parameter tegangan (\(V_{in}\)) aya hubunganana langsung sareng gaya kaluaran maksimum, sareng koefisien transfer panas konvektif (\(h_T\)), sudut seuneu (\( \alpha\)), konstanta pegas pamindahan (\(K_x\)) berkorelasi négatif sareng gaya kaluaran sareng panjang awal (\(l_0\)) tina kawat SMA, sareng jumlah cabang unimodal (n) nunjukkeun korelasi tibalik anu kuat Dina kasus korelasi langsung Dina kasus nilai koefisien korelasi tegangan anu langkung luhur (\(V_ {in}\)) nunjukkeun yén parameter ieu gaduh pangaruh panggedéna kana kaluaran daya. Analisis anu sami anu sanés ngukur gaya puncak ku cara meunteun pangaruh parameter anu béda dina kombinasi anu béda tina dua rohangan komputasi, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 6b, c. \(V_{in}\) sareng \(l_0\), \(\alpha\) sareng \(l_0\) gaduh pola anu sami, sareng grafik nunjukkeun yén \(V_{in}\) sareng \(\alpha\) sareng \(\alpha\) gaduh pola anu sami. Nilai \(l_0\) anu langkung alit ngahasilkeun gaya puncak anu langkung luhur. Dua plot anu sanésna saluyu sareng Gambar 6a, dimana n sareng \(K_x\) berkorelasi négatif sareng \(V_{in}\) berkorelasi positif. Analisis ieu ngabantosan pikeun nangtukeun sareng nyaluyukeun parameter anu mangaruhan gaya kaluaran, stroke sareng efisiensi sistem drive tiasa diadaptasi kana sarat sareng aplikasi.
Panalungtikan ayeuna ngenalkeun sareng nalungtik drive hirarkis kalayan tingkat N. Dina hirarki dua tingkat, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 7a, dimana tinimbang unggal kawat SMA tina aktuator tingkat kahiji, susunan bimodal kahontal, sapertos anu dipidangkeun dina gambar 9e. Dina gambar 7c nunjukkeun kumaha kawat SMA digulung di sabudeureun panangan anu tiasa dipindahkeun (panangan bantu) anu ngan ukur gerak dina arah longitudinal. Nanging, panangan anu tiasa dipindahkeun primér teras gerak dina cara anu sami sareng panangan anu tiasa dipindahkeun tina aktuator multi-tahap tahap ka-1. Biasana, drive tahap-N didamel ku cara ngagentos kawat SMA tahap \(N-1\) ku drive tahap kahiji. Hasilna, unggal cabang niru drive tahap kahiji, iwal cabang anu nahan kawat éta sorangan. Ku cara kieu, struktur anu disusun tiasa kabentuk anu nyiptakeun gaya anu sababaraha kali langkung ageung tibatan gaya drive primér. Dina panilitian ieu, pikeun unggal tingkat, total panjang kawat SMA efektif 1 m dipertimbangkeun, sapertos anu dipidangkeun dina format tabular dina Gambar 7d. Arus anu ngaliwatan unggal kawat dina unggal desain unimodal sareng prategangan sareng tegangan anu dihasilkeun dina unggal segmen kawat SMA sami dina unggal tingkat. Numutkeun modél analitis kami, gaya kaluaran berkorelasi positif sareng tingkat, sedengkeun pamindahan berkorelasi négatif. Dina waktos anu sami, aya trade-off antara pamindahan sareng kakuatan otot. Sakumaha anu katingali dina gambar 7b, sedengkeun gaya maksimum kahontal dina jumlah lapisan panggedéna, pamindahan panggedéna dititénan dina lapisan panghandapna. Nalika tingkat hirarki disetel ka \(N=5\), gaya otot puncak 2,58 kN kapanggih kalayan 2 stroke anu dititénan \(\upmu\)m. Di sisi anu sanés, drive tahap kahiji ngahasilkeun gaya 150 N dina stroke 277 \(\upmu\)m. Aktuator multi-tingkat tiasa niru otot biologis nyata, dimana otot jieunan dumasar kana paduan mémori bentuk tiasa ngahasilkeun gaya anu langkung luhur sacara signifikan kalayan gerakan anu tepat sareng langkung saé. Watesan desain miniatur ieu nyaéta nalika hirarki ningkat, gerakan dikirangan pisan sareng kompleksitas prosés manufaktur drive ningkat.
(a) Sistem aktuator linier paduan memori bentuk berlapis dua tahap (\(N=2\)) dipidangkeun dina konfigurasi bimodal. Modél anu diusulkeun kahontal ku cara ngaganti kawat SMA dina aktuator berlapis tahap kahiji ku aktuator berlapis tahap tunggal anu sanés. (c) Konfigurasi deformasi tina aktuator multilapis tahap kadua. (b) Distribusi gaya sareng pamindahan gumantung kana jumlah tingkat dijelaskeun. Parantos kapendak yén gaya puncak aktuator berkorelasi positif sareng tingkat skala dina grafik, sedengkeun stroke berkorelasi négatif sareng tingkat skala. Arus sareng pra-tegangan dina unggal kawat tetep konstan dina sadaya tingkat. (d) Tabel nunjukkeun jumlah keran sareng panjang kawat SMA (serat) dina unggal tingkat. Karakteristik kawat dituduhkeun ku indéks 1, sareng jumlah cabang sekundér (hiji nyambung ka suku primér) dituduhkeun ku angka panggedéna dina subskrip. Contona, dina tingkat 5, \(n_1\) nujul kana jumlah kawat SMA anu aya dina unggal struktur bimodal, sareng \(n_5\) nujul kana jumlah suku bantu (hiji disambungkeun kana suku utama).
Rupa-rupa metode parantos diusulkeun ku seueur panaliti pikeun modél paripolah SMA kalayan mémori bentuk, anu gumantung kana sipat termomékanis anu ngiringan parobahan makroskopis dina struktur kristal anu aya hubunganana sareng transisi fase. Formulasi metode konstitutif sacara inheren rumit. Modél fenomenologis anu paling umum dianggo diusulkeun ku Tanaka28 sareng seueur dianggo dina aplikasi rékayasa. Modél fenomenologis anu diusulkeun ku Tanaka [28] nganggap yén fraksi volume martensit mangrupikeun fungsi eksponensial suhu sareng setrés. Engkéna, Liang sareng Rogers29 sareng Brinson30 ngusulkeun modél dimana dinamika transisi fase dianggap janten fungsi kosinus tegangan sareng suhu, kalayan modifikasi sakedik kana modél. Becker sareng Brinson ngusulkeun modél kinétik dumasar diagram fase pikeun modél paripolah bahan SMA dina kaayaan beban anu teu tangtu ogé transisi parsial. Banerjee32 nganggo metode dinamika diagram fase Bekker sareng Brinson31 pikeun simulasi manipulator derajat kabébasan tunggal anu dikembangkeun ku Elahinia sareng Ahmadian33. Métode kinétik dumasar kana diagram fase, anu merhatikeun parobahan tegangan nonmonotonik sareng suhu, hésé diimplementasikeun dina aplikasi rékayasa. Elakhinia sareng Ahmadian narik perhatian kana kakurangan modél fenomenologis anu tos aya sareng ngajukeun modél fenomenologis anu diperpanjang pikeun nganalisis sareng ngajelaskeun paripolah mémori bentuk dina kaayaan pemuatan anu rumit.
Modél struktural kawat SMA méré tegangan (\(\sigma\)), galur (\(\epsilon\)), suhu (T), sareng fraksi volume martensit (\(\xi\)) tina kawat SMA. Modél konstitutif fenomenologis mimiti diusulkeun ku Tanaka28 sareng engkéna diadopsi ku Liang29 sareng Brinson30. Turunan tina persamaan ieu gaduh bentuk:
dimana E nyaéta modulus SMA Young anu gumantung kana fase anu diala nganggo \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) sareng \(E_A\) sareng \(E_M\) anu ngawakilan modulus Young nyaéta fase austenitik sareng martensitik, masing-masing, sareng koéfisién ékspansi termal diwakilan ku \(\theta _T\). Faktor kontribusi transisi fase nyaéta \(\Omega = -E \epsilon _L\) sareng \(\epsilon _L\) nyaéta galur maksimum anu tiasa dipulihkeun dina kawat SMA.
Persamaan dinamika fase ieu saluyu sareng fungsi kosinus anu dikembangkeun ku Liang29 sareng engkéna diadopsi ku Brinson30 tinimbang fungsi eksponensial anu diusulkeun ku Tanaka28. Modél transisi fase mangrupikeun perluasan tina modél anu diusulkeun ku Elakhinia sareng Ahmadian34 sareng dirobih dumasar kana kaayaan transisi fase anu dipasihkeun ku Liang29 sareng Brinson30. Kaayaan anu dianggo pikeun modél transisi fase ieu valid dina beban termomékanis anu rumit. Dina unggal momen waktos, nilai fraksi volume martensit diitung nalika modél persamaan konstitutif.
Persamaan retransformasi anu ngatur, anu dikedalkeun ku transformasi martensit ka austenit dina kaayaan pemanasan, nyaéta sapertos kieu:
dimana \(\xi\) nyaéta fraksi volume martensit, \(\xi _M\) nyaéta fraksi volume martensit anu diala sateuacan dipanaskeun, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) sareng \(C_A\) – parameter aproksimasi kurva, T – suhu kawat SMA, \(A_s\) sareng \(A_f\) – awal sareng akhir fase austenit, masing-masing, suhu.
Persamaan kontrol transformasi langsung, anu digambarkeun ku transformasi fase austenit ka martensit dina kaayaan pendinginan, nyaéta:
dimana \(\xi _A\) nyaéta fraksi volume martensit anu diala sateuacan didinginkan, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) sareng \ ( C_M \) – parameter pas kurva, T – suhu kawat SMA, \(M_s\) sareng \(M_f\) – suhu martensit awal sareng akhir, masing-masing.
Saatos persamaan (3) sareng (4) dibédakeun, persamaan transformasi inversi sareng langsung disederhanakeun kana bentuk ieu:
Salila transformasi ka hareup jeung ka tukang, \(\eta _{\sigma}\) jeung \(\eta _{T}\) nyokot nilai anu béda. Persamaan dasar anu aya hubunganana jeung \(\eta _{\sigma}\) jeung \(\eta _{T}\) geus diturunkeun jeung dibahas sacara rinci dina bagian tambahan.
Énergi termal anu diperyogikeun pikeun naékkeun suhu kawat SMA asalna tina éfék pemanasan Joule. Énergi termal anu diserep atanapi dileupaskeun ku kawat SMA digambarkeun ku panas laten transformasi. Leungitna panas dina kawat SMA disababkeun ku konveksi paksa, sareng kumargi éfék radiasi anu tiasa diabaikan, persamaan kasaimbangan énergi panas nyaéta sapertos kieu:
Dimana \(m_{wire}\) nyaéta massa total kawat SMA, \(c_{p}\) nyaéta kapasitas panas spésifik SMA, \(V_{in}\) nyaéta tegangan anu diterapkeun kana kawat, \(R_{ohm} \ ) – résistansi anu gumantung kana fase SMA, dihartikeun salaku; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) dimana \(r_M\ ) sareng \(r_A\) nyaéta résistansi fase SMA dina martensit sareng austenit, masing-masing, \(A_{c}\) nyaéta luas permukaan kawat SMA, \(\Delta H \) nyaéta paduan mémori bentuk. Panas laten transisi kawat, T sareng \(T_{\infty}\) nyaéta suhu kawat SMA sareng lingkungan, masing-masing.
Nalika kawat paduan memori bentuk diaktifkeun, kawat éta bakal dikomprés, nyiptakeun gaya dina unggal cabang desain bimodal anu disebut gaya serat. Gaya serat dina unggal untaian kawat SMA babarengan nyiptakeun gaya otot pikeun diaktifkeun, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 9e. Kusabab ayana pegas biasing, total gaya otot tina aktuator multilapisan ka-N nyaéta:
Ngagantikeun \(N = 1\) kana persamaan (7), kakuatan otot prototipe drive bimodal tahap kahiji tiasa didapet sapertos kieu:
dimana n nyaéta jumlah suku unimodal, \(F_m\) nyaéta gaya otot anu dihasilkeun ku drive, \​​(F_f\) nyaéta kakuatan serat dina kawat SMA, \(K_x\) nyaéta kaku bias. spring, \(\alpha\) nyaéta sudut segitiga, \(x_0\) nyaéta offset awal tina spring bias pikeun nahan kabel SMA dina posisi pra-tegang, sareng \(\Delta x\) nyaéta gerakan aktuator.
Total pamindahan atanapi gerakan drive (\(\Delta x\)) gumantung kana tegangan (\(\sigma\)) sareng galur (\(\epsilon\)) dina kawat SMA tina tahap ka-N, drive disetel ka (tingali Gambar. bagian tambahan tina kaluaran):
Persamaan kinematik masihan hubungan antara deformasi drive (\(\epsilon\)) sareng pamindahan atanapi pamindahan (\(\Delta x\)). Deformasi kawat Arb salaku fungsi tina panjang kawat Arb awal (\(l_0\)) sareng panjang kawat (l) iraha waé t dina hiji cabang unimodal nyaéta sapertos kieu:
dimana \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) diala ku cara nerapkeun rumus kosinus dina \(\Delta\)ABB ', sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 8. Pikeun drive tahap kahiji (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) nyaéta \(\Delta x\), sareng \(\alpha _1\) nyaéta \(\alpha \) sakumaha anu dipidangkeun dina Sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 8, ku cara ngabédakeun waktos tina Persamaan (11) sareng ngagantikeun nilai l, laju galur tiasa ditulis sapertos kieu:
dimana \(l_0\) nyaéta panjang awal kawat SMA, l nyaéta panjang kawat iraha waé t dina hiji cabang unimodal, \(\epsilon\) nyaéta deformasi anu dimekarkeun dina kawat SMA, sareng \(\alpha \) nyaéta sudut segitiga, \(\Delta x\) nyaéta offset drive (sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 8).
Sadaya n struktur puncak tunggal (\(n=6\) dina gambar ieu) disambungkeun sacara seri kalayan \(V_{in}\) salaku tegangan input. Tahap I: Diagram skematis kawat SMA dina konfigurasi bimodal dina kaayaan tegangan nol Tahap II: Struktur anu dikontrol dipidangkeun dimana kawat SMA dikomprés kusabab konvérsi tibalik, sakumaha anu dipidangkeun ku garis beureum.
Salaku bukti konsép, hiji drive bimodal berbasis SMA dikembangkeun pikeun nguji turunan simulasi tina persamaan anu aya dina dasarna kalayan hasil ékspérimén. Modél CAD tina aktuator linier bimodal dipidangkeun dina gambar 9a. Di sisi séjén, dina gambar 9c nunjukkeun desain anyar anu diusulkeun pikeun sambungan prismatik rotasi nganggo aktuator berbasis SMA dua bidang kalayan struktur bimodal. Komponén drive didamel nganggo manufaktur aditif dina printer 3D Ultimaker 3 Extended. Bahan anu dianggo pikeun percetakan 3D komponén nyaéta polikarbonat anu cocog pikeun bahan tahan panas sabab kuat, awét sareng gaduh suhu transisi gelas anu luhur (110-113 \(^{\circ }\) C). Salaku tambahan, kawat paduan mémori bentuk Flexinol Dynalloy, Inc. dianggo dina ékspérimén, sareng sipat bahan anu saluyu sareng kawat Flexinol dianggo dina simulasi. Sababaraha kawat SMA disusun salaku serat anu aya dina susunan bimodal otot pikeun kéngingkeun gaya anu luhur anu dihasilkeun ku aktuator multilayer, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 9b, d.
Sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 9a, sudut seukeut anu dibentuk ku kawat SMA panangan anu tiasa dipindahkeun disebut sudut (\(\alpha\)). Kalayan klem terminal anu dipasang dina klem kénca sareng katuhu, kawat SMA dicekel dina sudut bimodal anu dipikahoyong. Alat pegas bias anu dicekel dina konektor pegas dirancang pikeun nyaluyukeun kelompok ekstensi pegas bias anu béda-béda numutkeun jumlah (n) serat SMA. Salian ti éta, lokasi bagian anu bergerak dirancang supados kawat SMA kakeunaan lingkungan éksternal pikeun pendinginan konveksi paksa. Pelat luhur sareng handap tina rakitan anu tiasa dicabut ngabantosan ngajaga kawat SMA tiis kalayan potongan anu diekstrusi anu dirancang pikeun ngirangan beurat. Salaku tambahan, dua tungtung kawat CMA dipasang dina terminal kénca sareng katuhu, masing-masing, ku cara crimp. Plunger dipasang dina hiji tungtung rakitan anu tiasa dipindahkeun pikeun ngajaga jarak antara pelat luhur sareng handap. Plunger ogé dianggo pikeun nerapkeun gaya bloking kana sensor ngalangkungan kontak pikeun ngukur gaya bloking nalika kawat SMA diaktipkeun.
Struktur otot bimodal SMA disambungkeun sacara listrik sacara séri sareng dikuatkeun ku tegangan pulsa input. Salila siklus pulsa tegangan, nalika tegangan diterapkeun sareng kawat SMA dipanaskeun di luhur suhu awal austenit, panjang kawat dina unggal untaian dipondokkeun. Retraksi ieu ngaktipkeun subassembly panangan anu tiasa dipindahkeun. Nalika tegangan dinolkeun dina siklus anu sami, kawat SMA anu dipanaskeun didinginkan di handap suhu permukaan martensit, sahingga uih deui ka posisi aslina. Dina kaayaan tegangan nol, kawat SMA mimitina diulur sacara pasif ku pegas bias pikeun ngahontal kaayaan martensitik anu dipisahkeun. Sekrup, anu ngalangkungan kawat SMA, bergerak kusabab komprési anu didamel ku cara nerapkeun pulsa tegangan kana kawat SMA (SPA ngahontal fase austenit), anu ngarah kana aktuasi tuas anu tiasa dipindahkeun. Nalika kawat SMA ditarik deui, pegas bias nyiptakeun gaya anu sabalikna ku cara manjangkeun pegas langkung jauh. Nalika tegangan dina tegangan impuls janten nol, kawat SMA manjang sareng ngarobih bentukna kusabab pendinginan konveksi paksa, ngahontal fase martensitik ganda.
Sistem aktuator linier berbasis SMA anu diusulkeun gaduh konfigurasi bimodal dimana kabel SMA miring. (a) ngagambarkeun modél CAD tina prototipe, anu nyebatkeun sababaraha komponén sareng hartosna pikeun prototipe, (b, d) ngagambarkeun prototipe ékspériméntal anu dikembangkeun35. Samentawis (b) nunjukkeun pandangan luhur prototipe kalayan sambungan listrik sareng pegas bias sareng alat ukur galur anu dianggo, (d) nunjukkeun pandangan perspektif tina setelan. (e) Diagram sistem aktuasi linier kalayan kabel SMA anu ditempatkeun sacara bimodal iraha waé t, nunjukkeun arah sareng arah serat sareng kakuatan otot. (c) Sambungan prismatik rotasi 2-DOF parantos diusulkeun pikeun nyebarkeun aktuator berbasis SMA dua bidang. Sakumaha anu dipidangkeun, tautan ngirimkeun gerakan linier tina drive handap ka panangan luhur, nyiptakeun sambungan rotasi. Di sisi anu sanés, gerakan sapasang prisma sami sareng gerakan drive tahap kahiji multilayer.
Hiji studi ékspériméntal dilaksanakeun dina prototipe anu dipidangkeun dina Gambar 9b pikeun meunteun kinerja drive bimodal dumasar kana SMA. Sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 10a, setelan ékspériméntal diwangun ku catu daya DC anu tiasa diprogram pikeun nyayogikeun tegangan input ka kabel SMA. Sakumaha anu dipidangkeun dina gambar 10b, alat ukur galur piezoelektrik (PACEline CFT/5kN) dianggo pikeun ngukur gaya blokir nganggo data logger Graphtec GL-2000. Data dirékam ku host pikeun panilitian salajengna. Alat ukur galur sareng amplifier muatan meryogikeun catu daya anu konstan pikeun ngahasilkeun sinyal tegangan. Sinyal anu saluyu dirobih janten kaluaran daya numutkeun sensitivitas sénsor gaya piezoelektrik sareng parameter sanés sapertos anu dijelaskeun dina Tabel 2. Nalika pulsa tegangan diterapkeun, suhu kawat SMA ningkat, nyababkeun kawat SMA dikomprés, anu nyababkeun aktuator ngahasilkeun gaya. Hasil ékspériméntal tina kaluaran kakuatan otot ku pulsa tegangan input 7 V dipidangkeun dina gambar 2a.
(a) Sistem aktuator linier berbasis SMA dipasang dina ékspérimén pikeun ngukur gaya anu dihasilkeun ku aktuator. Load cell ngukur gaya pameungpeuk sareng dikuatkeun ku catu daya 24 V DC. Turunna tegangan 7 V diterapkeun sapanjang kabel nganggo catu daya DC anu tiasa diprogram GW Instek. Kawat SMA ngaleutikan kusabab panas, sareng panangan anu tiasa dipindahkeun ngahubungi load cell sareng ngalaksanakeun gaya pameungpeuk. Load cell disambungkeun ka data logger GL-2000 sareng data disimpen dina host pikeun diprosés salajengna. (b) Diagram anu nunjukkeun ranté komponén tina setelan ékspérimén pikeun ngukur kakuatan otot.
Paduan mémori bentuk dieksitasi ku énergi termal, janten suhu janten parameter penting pikeun nalungtik fenomena mémori bentuk. Sacara ékspériméntal, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 11a, pangukuran pencitraan termal sareng suhu dilakukeun dina prototipe aktuator divalerat berbasis SMA. Sumber DC anu tiasa diprogram nerapkeun tegangan input kana kabel SMA dina setélan ékspériméntal, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 11b. Parobihan suhu kabel SMA diukur sacara real time nganggo kaméra LWIR résolusi tinggi (FLIR A655sc). Host nganggo parangkat lunak ResearchIR pikeun ngarékam data pikeun pamrosésan salajengna. Nalika pulsa tegangan diterapkeun, suhu kabel SMA ningkat, nyababkeun kabel SMA ngaleutikan. Dina gambar 2b, gambar nunjukkeun hasil ékspériméntal suhu kabel SMA dibandingkeun waktos pikeun pulsa tegangan input 7V.