Asante kwa kutembelea Nature.com. Toleo la kivinjari unachotumia lina usaidizi mdogo wa CSS. Kwa matumizi bora zaidi, tunapendekeza utumie kivinjari kilichosasishwa (au uzime Hali ya Utangamano katika Internet Explorer). Wakati huo huo, ili kuhakikisha usaidizi unaoendelea, tutatoa tovuti bila mitindo na JavaScript.
Viashirio hutumika kila mahali na huunda mwendo unaodhibitiwa kwa kutumia nguvu sahihi ya uchochezi au torque kufanya shughuli mbalimbali katika utengenezaji na otomatiki ya viwanda. Haja ya viendeshi vya kasi, vidogo na vyenye ufanisi zaidi inaendesha uvumbuzi katika muundo wa viendeshi. Viendeshi vya Aloi ya Kumbukumbu ya Umbo (SMA) hutoa faida kadhaa juu ya viendeshi vya kawaida, ikiwa ni pamoja na uwiano mkubwa wa nguvu-kwa-uzito. Katika tasnifu hii, kiashirio chenye manyoya mawili cha SMA kilitengenezwa ambacho kinachanganya faida za misuli ya manyoya ya mifumo ya kibiolojia na sifa za kipekee za SMA. Utafiti huu unachunguza na kupanua viashirio vya awali vya SMA kwa kutengeneza modeli ya hisabati ya kiashirio kipya kulingana na mpangilio wa waya wa SMA wa bimodal na kuijaribu kwa majaribio. Ikilinganishwa na viendeshi vinavyojulikana kulingana na SMA, nguvu ya uanzishaji ya kiendeshi kipya ni angalau mara 5 zaidi (hadi 150 N). Kupunguza uzito unaolingana ni takriban 67%. Matokeo ya uchambuzi wa unyeti wa mifano ya hisabati ni muhimu kwa kurekebisha vigezo vya muundo na kuelewa vigezo muhimu. Utafiti huu unaonyesha zaidi kiendeshi cha hatua ya Nth cha ngazi nyingi ambacho kinaweza kutumika kuongeza mienendo zaidi. Viendeshaji vya misuli ya dipvalerate vyenye msingi wa SMA vina matumizi mbalimbali, kuanzia ujenzi otomatiki hadi mifumo ya usahihi wa utoaji wa dawa.
Mifumo ya kibiolojia, kama vile miundo ya misuli ya mamalia, inaweza kuamsha vichocheo vingi vidogo1. Mamalia wana miundo tofauti ya misuli, kila moja ikitumikia kusudi maalum. Hata hivyo, muundo mwingi wa tishu za misuli ya mamalia unaweza kugawanywa katika kategoria mbili pana. Sambamba na pennate. Katika misuli ya paja na vinyuzi vingine, kama jina linavyopendekeza, misuli sambamba ina nyuzi za misuli sambamba na kano ya kati. Mnyororo wa nyuzi za misuli umepangwa na kuunganishwa kiutendaji na tishu zinazounganisha zinazowazunguka. Ingawa misuli hii inasemekana kuwa na msafara mkubwa (kufupisha asilimia), nguvu yao ya jumla ya misuli ni mdogo sana. Kwa upande mwingine, katika misuli ya ndama ya triceps2 (gastrocnemius ya pembeni (GL)3, gastrocnemius ya kati (GM)4 na soleus (SOL)) na extensor femoris (quadriceps)5,6 tishu za misuli ya pennate hupatikana katika kila misuli7. Katika muundo wa pinnate, nyuzi za misuli katika misuli ya bipennate zipo pande zote mbili za kano ya kati katika pembe za oblique (pembe za pinnate). Pennate inatokana na neno la Kilatini "penna", ambalo linamaanisha "kalamu", na, kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro 1 ina mwonekano kama manyoya. Nyuzi za misuli ya penate ni fupi na zimepinda kwenye mhimili mrefu wa misuli. Kutokana na muundo wa pinto, uhamaji wa jumla wa misuli hii hupunguzwa, ambayo husababisha vipengele vya mlalo na vya mlalo vya mchakato wa kufupisha. Kwa upande mwingine, uanzishaji wa misuli hii husababisha nguvu ya juu ya misuli kwa ujumla kutokana na jinsi eneo la mlalo wa kisaikolojia linavyopimwa. Kwa hivyo, kwa eneo fulani la mlalo, misuli ya pento itakuwa na nguvu zaidi na itazalisha nguvu za juu kuliko misuli yenye nyuzi sambamba. Nguvu zinazozalishwa na nyuzi za mtu binafsi hutoa nguvu za misuli katika kiwango cha macroscopic katika tishu hiyo ya misuli. Kwa kuongezea, ina sifa za kipekee kama vile kupungua kwa kasi, ulinzi dhidi ya uharibifu wa mvutano, na kuegemea. Inabadilisha uhusiano kati ya uingizaji wa nyuzi na utoaji wa nguvu ya misuli kwa kutumia sifa za kipekee na ugumu wa kijiometri wa mpangilio wa nyuzi unaohusishwa na mistari ya utendaji wa misuli.
Imeonyeshwa michoro ya michoro ya miundo iliyopo ya kichocheo cha SMA kuhusiana na usanifu wa misuli ya bimodal, kwa mfano (a), inayowakilisha mwingiliano wa nguvu ya kugusa ambapo kifaa chenye umbo la mkono kinachoendeshwa na waya za SMA kimewekwa kwenye roboti inayotembea yenye magurudumu mawili inayojiendesha yenyewe9,10. , (b) Bandia ya roboti ya orbital yenye bandia ya orbital iliyowekwa kinyume na SMA. Msimamo wa jicho la bandia unadhibitiwa na ishara kutoka kwa misuli ya jicho ya jicho11, (c) Vichocheo vya SMA vinafaa kwa matumizi ya chini ya maji kutokana na mwitikio wao wa masafa ya juu na kipimo data cha chini. Katika usanidi huu, viendeshi vya SMA hutumika kuunda mwendo wa wimbi kwa kuiga mwendo wa samaki, (d) Viendeshi vya SMA hutumika kuunda roboti ndogo ya ukaguzi wa bomba ambayo inaweza kutumia kanuni ya mwendo wa minyoo ya inchi, inayodhibitiwa na mwendo wa waya za SMA ndani ya njia ya 10, (e) inaonyesha mwelekeo wa nyuzi za misuli ya kubana na kutoa nguvu ya kubana katika tishu za gastrocnemius, (f) inaonyesha waya za SMA zilizopangwa katika umbo la nyuzi za misuli katika muundo wa misuli iliyopinda.
Viendeshaji vimekuwa sehemu muhimu ya mifumo ya mitambo kutokana na matumizi yake mbalimbali. Kwa hivyo, hitaji la viendeshaji vidogo, vya kasi na vyenye ufanisi zaidi linakuwa muhimu. Licha ya faida zake, viendeshaji vya kitamaduni vimethibitika kuwa ghali na vinachukua muda mrefu kuvitunza. Viendeshaji vya majimaji na vya nyumatiki ni ngumu na ghali na vinaweza kuchakaa, kulainisha na kushindwa kwa vipengele. Ili kukabiliana na mahitaji, lengo ni kutengeneza viendeshaji vya gharama nafuu, vilivyoboreshwa kwa ukubwa na vya hali ya juu kulingana na vifaa mahiri. Utafiti unaoendelea unaangalia viendeshaji vya tabaka vya aloi ya kumbukumbu ya umbo (SMA) ili kukidhi hitaji hili. Viendeshaji vya kihierarkia ni vya kipekee kwa kuwa vinachanganya viendeshaji vingi tofauti katika mifumo midogo ya mizani mikubwa ili kutoa utendaji ulioongezeka na kupanuka. Katika suala hili, tishu za misuli ya binadamu zilizoelezwa hapo juu hutoa mfano bora wa tabaka nyingi wa uendeshaji kama huo wa tabaka nyingi. Utafiti wa sasa unaelezea kiendeshaji cha SMA cha ngazi nyingi chenye vipengele kadhaa vya kiendeshaji (waya za SMA) vilivyounganishwa na mwelekeo wa nyuzi zilizopo katika misuli ya bimodal, ambayo inaboresha utendaji wa jumla wa kiendeshaji.
Kusudi kuu la kiendeshaji ni kutoa nguvu ya mitambo kama vile nguvu na uhamishaji kwa kubadilisha nishati ya umeme. Aloi za kumbukumbu ya umbo ni kundi la vifaa "nadhifu" ambavyo vinaweza kurejesha umbo lao katika halijoto ya juu. Chini ya mizigo mikubwa, ongezeko la halijoto ya waya ya SMA husababisha urejeshaji wa umbo, na kusababisha msongamano mkubwa wa nishati ya uendeshaji ikilinganishwa na vifaa mbalimbali nadhifu vilivyounganishwa moja kwa moja. Wakati huo huo, chini ya mizigo ya mitambo, SMA huwa brittle. Chini ya hali fulani, mzigo wa mzunguko unaweza kunyonya na kutoa nishati ya mitambo, na kuonyesha mabadiliko ya umbo yanayoweza kurekebishwa. Sifa hizi za kipekee hufanya SMA kuwa bora kwa vitambuzi, upunguzaji wa mtetemo na haswa viendeshaji12. Kwa kuzingatia hili, kumekuwa na utafiti mwingi kuhusu viendeshi vinavyotegemea SMA. Ikumbukwe kwamba viendeshaji vinavyotegemea SMA vimeundwa kutoa mwendo wa tafsiri na mzunguko kwa matumizi mbalimbali13,14,15. Ingawa baadhi ya viendeshaji vinavyozunguka vimetengenezwa, watafiti wanapendezwa hasa na viendeshaji vya mstari. Viendeshaji hivi vya mstari vinaweza kugawanywa katika aina tatu za viendeshaji: viendeshaji vya pande moja, uhamishaji na tofauti 16. Hapo awali, viendeshi mseto viliundwa pamoja na SMA na viendeshi vingine vya kawaida. Mfano mmoja kama huo wa kiendeshi cha mstari mseto cha mseto kinachotegemea SMA ni matumizi ya waya wa SMA na mota ya DC ili kutoa nguvu ya kutoa ya takriban 100 N na uhamishaji mkubwa17.
Mojawapo ya maendeleo ya kwanza katika diski zinazotegemea SMA kabisa ilikuwa kiendeshi sambamba cha SMA. Kwa kutumia waya nyingi za SMA, kiendeshi sambamba kinachotegemea SMA kimeundwa ili kuongeza uwezo wa nguvu wa kiendeshi kwa kuweka waya zote za SMA18 sambamba. Muunganisho sambamba wa viendeshi hauhitaji tu nguvu zaidi, lakini pia hupunguza nguvu ya kutoa ya waya moja. Ubaya mwingine wa viendeshi vinavyotegemea SMA ni usafiri mdogo wanaoweza kufikia. Ili kutatua tatizo hili, boriti ya kebo ya SMA iliundwa ikiwa na boriti inayonyumbulika iliyogeuzwa ili kuongeza uhamishaji na kufikia mwendo wa mstari, lakini haikuzalisha nguvu za juu19. Miundo na vitambaa laini vinavyoweza kuharibika kwa roboti kulingana na aloi za kumbukumbu ya umbo vimetengenezwa hasa kwa ajili ya ukuzaji wa athari20,21,22. Kwa matumizi ambapo kasi ya juu inahitajika, pampu zinazoendeshwa kwa komputa zimeripotiwa kwa kutumia SMA nyembamba za filamu kwa matumizi yanayoendeshwa na pampu ndogo23. Masafa ya kiendeshi ya utando mwembamba wa filamu ya SMA ni jambo muhimu katika kudhibiti kasi ya dereva. Kwa hivyo, mota za mstari za SMA zina mwitikio bora wa nguvu kuliko mota za chemchemi au fimbo za SMA. Roboti laini na teknolojia ya kushikilia ni matumizi mengine mawili yanayotumia viendeshi vinavyotegemea SMA. Kwa mfano, ili kuchukua nafasi ya kiendeshi cha kawaida kinachotumika katika kibano cha nafasi cha 25 N, kiendeshi sambamba cha aloi ya kumbukumbu ya umbo 24 kilitengenezwa. Katika kisa kingine, kiendeshi laini cha SMA kilitengenezwa kwa msingi wa waya wenye matrix iliyopachikwa yenye uwezo wa kutoa nguvu ya juu ya kuvuta ya 30 N. Kutokana na sifa zao za kiufundi, SMA pia hutumika kutengeneza viendeshi vinavyoiga matukio ya kibiolojia. Mojawapo ya maendeleo hayo ni pamoja na roboti ya seli 12 ambayo ni biomimetic ya kiumbe kama minyoo ya ardhini yenye SMA ili kutoa mwendo wa sinusoidal wa kufyatua risasi26,27.
Kama ilivyotajwa hapo awali, kuna kikomo cha nguvu ya juu zaidi inayoweza kupatikana kutoka kwa viendeshaji vilivyopo vya SMA. Ili kushughulikia suala hili, utafiti huu unaonyesha muundo wa misuli ya bimodal ya kibiomimetiki. Inaendeshwa na waya wa aloi ya kumbukumbu ya umbo. Inatoa mfumo wa uainishaji unaojumuisha waya kadhaa za aloi ya kumbukumbu ya umbo. Hadi sasa, hakuna viendeshaji vinavyotegemea SMA vyenye usanifu sawa vimeripotiwa katika fasihi. Mfumo huu wa kipekee na mpya unaotegemea SMA ulitengenezwa ili kusoma tabia ya SMA wakati wa mpangilio wa misuli ya bimodal. Ikilinganishwa na viendeshaji vilivyopo vya msingi wa SMA, lengo la utafiti huu lilikuwa kuunda kiendeshaji cha dipvalerate cha kibiomimetiki ili kutoa nguvu kubwa zaidi kwa ujazo mdogo. Ikilinganishwa na viendeshaji vya kawaida vinavyoendeshwa na motor ya stepper vinavyotumika katika mifumo ya otomatiki na udhibiti wa ujenzi wa HVAC, muundo uliopendekezwa wa kiendeshaji cha bimodal kinachotegemea SMA hupunguza uzito wa utaratibu wa kiendesha kwa 67%. Katika yafuatayo, maneno "misuli" na "kiendesha" hutumiwa kwa kubadilishana. Utafiti huu unachunguza simulizi ya fizikia nyingi ya kiendeshaji kama hicho. Tabia ya kiufundi ya mifumo kama hiyo imesomwa kwa njia za majaribio na uchambuzi. Mgawanyo wa nguvu na halijoto ulichunguzwa zaidi kwa volteji ya ingizo ya 7 V. Baadaye, uchambuzi wa vigezo ulifanywa ili kuelewa vyema uhusiano kati ya vigezo muhimu na nguvu ya pato. Hatimaye, viendeshaji vya kihierarkia vimefikiriwa na athari za kiwango cha kihierarkia zimependekezwa kama eneo linalowezekana la siku zijazo kwa viendeshaji visivyo vya sumaku kwa matumizi ya bandia. Kulingana na matokeo ya tafiti zilizotajwa hapo juu, matumizi ya usanifu wa hatua moja hutoa nguvu angalau mara nne hadi tano zaidi kuliko viendeshaji vilivyoripotiwa vya SMA. Kwa kuongezea, nguvu ile ile ya kiendeshi inayozalishwa na kiendeshi cha ngazi nyingi imeonyeshwa kuwa zaidi ya mara kumi ya viendeshaji vya kawaida vya SMA. Utafiti kisha unaripoti vigezo muhimu kwa kutumia uchambuzi wa unyeti kati ya miundo tofauti na vigezo vya ingizo. Urefu wa awali wa waya wa SMA (\(l_0\)), pembe ya siri (\(\alpha\)) na idadi ya nyuzi moja (n) katika kila nyuzi ya mtu binafsi zina athari hasi kubwa kwa ukubwa wa nguvu ya kiendeshi. nguvu, huku volteji ya ingizo (nishati) ikionekana kuwa na uhusiano mzuri.
Waya wa SMA huonyesha athari ya kumbukumbu ya umbo (SME) inayoonekana katika familia ya aloi za nikeli-titani (Ni-Ti). Kwa kawaida, SMA huonyesha awamu mbili zinazotegemea halijoto: awamu ya halijoto ya chini na awamu ya halijoto ya juu. Awamu zote mbili zina sifa za kipekee kutokana na uwepo wa miundo tofauti ya fuwele. Katika awamu ya austenite (awamu ya halijoto ya juu) iliyopo juu ya halijoto ya mabadiliko, nyenzo huonyesha nguvu ya juu na imeharibika vibaya chini ya mzigo. Aloi hufanya kazi kama chuma cha pua, kwa hivyo inaweza kuhimili shinikizo kubwa la utendakazi. Kwa kutumia sifa hii ya aloi za Ni-Ti, waya za SMA huinama ili kuunda kiendeshaji. Mifumo inayofaa ya uchanganuzi hutengenezwa ili kuelewa mitambo ya msingi ya tabia ya joto ya SMA chini ya ushawishi wa vigezo mbalimbali na jiometri mbalimbali. Makubaliano mazuri yalipatikana kati ya matokeo ya majaribio na uchanganuzi.
Utafiti wa majaribio ulifanywa kwenye mfano ulioonyeshwa kwenye Mchoro 9a ili kutathmini utendaji wa kiendeshi cha bimodal kulingana na SMA. Sifa mbili kati ya hizi, nguvu inayotokana na kiendeshi (nguvu ya misuli) na halijoto ya waya ya SMA (halijoto ya SMA), zilipimwa kwa majaribio. Tofauti ya volteji inapoongezeka katika urefu mzima wa waya kwenye kiendeshi, halijoto ya waya huongezeka kutokana na athari ya joto ya Joule. Volti ya kuingiza ilitumika katika mizunguko miwili ya sekunde 10 (inayoonyeshwa kama nukta nyekundu kwenye Mchoro 2a, b) na kipindi cha kupoa kwa sekunde 15 kati ya kila mzunguko. Nguvu ya kuzuia ilipimwa kwa kutumia kipimo cha mkazo cha piezoelectric, na usambazaji wa halijoto wa waya ya SMA ulifuatiliwa kwa wakati halisi kwa kutumia kamera ya LWIR ya ubora wa juu ya kiwango cha kisayansi (tazama sifa za vifaa vilivyotumika kwenye Jedwali 2). inaonyesha kwamba wakati wa awamu ya volteji ya juu, halijoto ya waya huongezeka kwa kasi, lakini wakati hakuna mkondo unaotiririka, halijoto ya waya inaendelea kushuka. Katika usanidi wa sasa wa majaribio, halijoto ya waya ya SMA ilishuka wakati wa awamu ya kupoeza, lakini bado ilikuwa juu ya halijoto ya kawaida. Kwenye mchoro 2e inaonyesha picha ya halijoto kwenye waya ya SMA iliyochukuliwa kutoka kwa kamera ya LWIR. Kwa upande mwingine, kwenye mchoro 2a inaonyesha nguvu ya kuzuia inayozalishwa na mfumo wa kuendesha. Wakati nguvu ya misuli inapozidi nguvu ya kurejesha ya chemchemi, mkono unaoweza kusogea, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 9a, huanza kusogea. Mara tu uanzishaji unapoanza, mkono unaoweza kusogea hugusana na kitambuzi, na kuunda nguvu ya mwili, kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro 2c, d. Wakati halijoto ya juu iko karibu na \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), nguvu ya juu inayoonekana ni 105 N.
Grafu inaonyesha matokeo ya majaribio ya halijoto ya waya wa SMA na nguvu inayotokana na kichocheo cha bimodal kinachotegemea SMA wakati wa mizunguko miwili. Volti ya kuingiza hutumika katika mizunguko miwili ya sekunde 10 (inayoonyeshwa kama nukta nyekundu) na kipindi cha kupoa kwa sekunde 15 kati ya kila mzunguko. Waya wa SMA uliotumika kwa majaribio ulikuwa waya wa Flexinol wenye kipenyo cha 0.51 mm kutoka Dynalloy, Inc. (a) Grafu inaonyesha nguvu ya majaribio iliyopatikana kwa mizunguko miwili, (c, d) inaonyesha mifano miwili huru ya kitendo cha vichocheo vya mkono vinavyosogea kwenye kibadilishaji cha nguvu ya piezoelectric cha PACEline CFT/5kN, (b) grafu inaonyesha halijoto ya juu zaidi ya waya mzima wa SMA wakati wa mizunguko miwili, (e) inaonyesha picha ya joto iliyochukuliwa kutoka kwa waya wa SMA kwa kutumia kamera ya programu ya FLIR ResearchIR LWIR. Vigezo vya kijiometri vilivyozingatiwa katika majaribio vimetolewa katika Jedwali la kwanza.
Matokeo ya simulizi ya modeli ya hisabati na matokeo ya majaribio yanalinganishwa chini ya hali ya volteji ya kuingiza ya 7V, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 5. Kulingana na matokeo ya uchambuzi wa vigezo na ili kuepuka uwezekano wa kuzidisha joto kwa waya wa SMA, nguvu ya 11.2 W ilitolewa kwa kiendeshaji. Ugavi wa umeme wa DC unaoweza kupangwa ulitumika kusambaza 7V kama volteji ya kuingiza, na mkondo wa 1.6A ulipimwa kwenye waya. Nguvu inayotokana na kiendeshi na halijoto ya SDR huongezeka wakati mkondo unatumika. Kwa volteji ya kuingiza ya 7V, nguvu ya juu ya kutoa inayopatikana kutoka kwa matokeo ya simulizi na matokeo ya majaribio ya mzunguko wa kwanza ni 78 N na 96 N, mtawalia. Katika mzunguko wa pili, nguvu ya juu ya kutoa ya simulizi na matokeo ya majaribio ilikuwa 150 N na 105 N, mtawalia. Tofauti kati ya vipimo vya nguvu ya kuziba na data ya majaribio inaweza kuwa kutokana na njia inayotumika kupima nguvu ya kuziba. Matokeo ya majaribio yanayoonyeshwa kwenye Mchoro 1. 5a inalingana na kipimo cha nguvu ya kufunga, ambayo nayo ilipimwa wakati shimoni ya kuendesha ilipogusana na kibadilishaji cha nguvu ya piezoelectric cha PACEline CFT/5kN, kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro wa 2. Kwa hivyo, shimoni ya kuendesha isipogusana na kitambuzi cha nguvu mwanzoni mwa eneo la kupoeza, nguvu huwa sifuri mara moja, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro wa 2d. Kwa kuongezea, vigezo vingine vinavyoathiri uundaji wa nguvu katika mizunguko inayofuata ni thamani za muda wa kupoeza na mgawo wa uhamishaji wa joto unaobadilika katika mzunguko uliopita. Kutoka kwa mchoro wa 2b, inaweza kuonekana kwamba baada ya kipindi cha kupoeza cha sekunde 15, waya wa SMA haukufikia halijoto ya kawaida na kwa hivyo ulikuwa na halijoto ya juu zaidi ya awali (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) katika mzunguko wa pili wa kuendesha ikilinganishwa na mzunguko wa kwanza (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Kwa hivyo, ikilinganishwa na mzunguko wa kwanza, halijoto ya waya wa SMA wakati wa mzunguko wa pili wa joto hufikia halijoto ya awali ya austenite (\(A_s\)) mapema na hukaa katika kipindi cha mpito kwa muda mrefu zaidi, na kusababisha mkazo na nguvu. Kwa upande mwingine, usambazaji wa halijoto wakati wa mizunguko ya joto na upoezaji iliyopatikana kutoka kwa majaribio na uigaji ina ulinganifu wa hali ya juu na mifano kutoka kwa uchambuzi wa halijoto. Uchambuzi linganishi wa data ya joto ya waya wa SMA kutoka kwa majaribio na uigaji ulionyesha uthabiti wakati wa mizunguko ya joto na upoezaji na ndani ya uvumilivu unaokubalika kwa data ya majaribio. Halijoto ya juu zaidi ya waya wa SMA, iliyopatikana kutokana na matokeo ya uigaji na majaribio ya mzunguko wa kwanza, ni \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) na \(75\,^{\circ }\hbox {C }\, mtawalia ), na katika mzunguko wa pili halijoto ya juu zaidi ya waya wa SMA ni \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) na \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\). Mfano uliotengenezwa kimsingi unathibitisha athari ya athari ya kumbukumbu ya umbo. Jukumu la uchovu na joto kupita kiasi halikuzingatiwa katika ukaguzi huu. Katika siku zijazo, mfumo utaboreshwa ili kujumuisha historia ya mkazo ya waya wa SMA, na kuifanya iweze kufaa zaidi kwa matumizi ya uhandisi. Nguvu ya kutoa kiendeshi na michoro ya halijoto ya SMA iliyopatikana kutoka kwa kizuizi cha Simulink iko ndani ya uvumilivu unaoruhusiwa wa data ya majaribio chini ya hali ya mapigo ya volteji ya ingizo ya 7 V. Hii inathibitisha usahihi na uaminifu wa mfumo wa hisabati uliotengenezwa.
Mfano wa hisabati ulitengenezwa katika mazingira ya MathWorks Simulink R2020b kwa kutumia milinganyo ya msingi iliyoelezwa katika sehemu ya Mbinu. Kwenye mchoro wa 3b unaonyesha mchoro wa vitalu vya modeli ya hisabati ya Simulink. Mfano huo uliigwa kwa mapigo ya volteji ya kuingiza ya 7V kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro wa 2a, b. Thamani za vigezo vilivyotumika katika uigaji zimeorodheshwa kwenye Jedwali la 1. Matokeo ya uigaji wa michakato ya muda mfupi yanawasilishwa katika Mchoro wa 1 na 1. Mchoro wa 3a na 4. Katika mchoro wa 4a, b unaonyesha volteji iliyosababishwa katika waya wa SMA na nguvu inayozalishwa na kiendeshaji kama kazi ya wakati. Wakati wa mabadiliko ya kinyume (kupasha joto), wakati halijoto ya waya ya SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (halijoto ya kuanza kwa awamu ya austenite iliyobadilishwa na mkazo), kiwango cha mabadiliko ya sehemu ya ujazo wa martensite (\(\dot{\xi }\)) kitakuwa sifuri. Wakati wa mabadiliko ya kinyume (kupasha joto), wakati halijoto ya waya ya SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (halijoto ya kuanza kwa awamu ya austenite iliyobadilishwa na mkazo), kiwango cha mabadiliko ya sehemu ya ujazo wa martensite (\(\dot{\ xi }\)) kitakuwa sifuri. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитной модинаци фазина, напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi xi }\)) будет равно нулю. Wakati wa mabadiliko ya kinyume (kupasha joto), wakati halijoto ya waya ya SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (halijoto ya mwanzo ya austenite iliyobadilishwa na mkazo), kiwango cha mabadiliko ya sehemu ya ujazo wa martensite (\(\dot{\ xi }\ )) kitakuwa sifuri.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，马氏体积分数的变化率（\(\xi}\(\) .在 反向 转变 (加热) 中 , 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Matokeo ya uigaji yanayoonyesha usambazaji wa halijoto na halijoto ya makutano inayosababishwa na mkazo katika kiendeshi cha divalerate kinachotegemea SMA. Wakati halijoto ya waya inapovuka halijoto ya mpito ya austenite katika hatua ya kupasha joto, halijoto ya mpito ya austenite iliyorekebishwa huanza kuongezeka, na vile vile, wakati halijoto ya fimbo ya waya inapovuka halijoto ya mpito ya martensite katika hatua ya kupoa, halijoto ya mpito ya martensite hupungua. SMA kwa ajili ya uundaji wa uchanganuzi wa mchakato wa uanzishaji. (Kwa mtazamo wa kina wa kila mfumo mdogo wa modeli ya Simulink, tazama sehemu ya kiambatisho cha faili ya ziada.)
Matokeo ya uchanganuzi wa mgawanyo tofauti wa vigezo yanaonyeshwa kwa mizunguko miwili ya volteji ya ingizo ya 7V (mizunguko ya kupasha joto ya sekunde 10 na mizunguko ya kupoeza ya sekunde 15). Wakati (ac) na (e) zinaonyesha usambazaji baada ya muda, kwa upande mwingine, (d) na (f) zinaonyesha usambazaji na halijoto. Kwa hali husika za ingizo, mkazo wa juu unaoonekana ni 106 MPa (chini ya 345 MPa, nguvu ya mavuno ya waya), nguvu ni 150 N, uhamishaji wa juu ni 270 µm, na sehemu ya chini ya ujazo wa martensitic ni 0.91. Kwa upande mwingine, mabadiliko katika mkazo na mabadiliko katika sehemu ya ujazo wa martensite na halijoto ni sawa na sifa za hysteresis.
Maelezo hayo hayo yanatumika kwa mabadiliko ya moja kwa moja (kupoeza) kutoka awamu ya austenite hadi awamu ya martensite, ambapo halijoto ya waya ya SMA (T) na halijoto ya mwisho ya awamu ya martensite iliyobadilishwa mkazo (\(M_f^{\prime}\ )) ni bora. Kwenye mchoro 4d,f inaonyesha mabadiliko katika mkazo unaosababishwa (\(\sigma\)) na sehemu ya ujazo wa martensite (\(\xi\)) kwenye waya ya SMA kama kazi ya mabadiliko katika halijoto ya waya ya SMA (T), kwa mizunguko yote miwili ya kuendesha. Kwenye mchoro 3a inaonyesha mabadiliko katika halijoto ya waya ya SMA kwa wakati kulingana na mapigo ya volteji ya kuingiza. Kama inavyoonekana kutoka kwa mchoro, halijoto ya waya inaendelea kuongezeka kwa kutoa chanzo cha joto kwenye volteji sifuri na upoezaji unaofuata wa convective. Wakati wa kupasha joto, ubadilishaji upya wa martensite hadi awamu ya austenite huanza wakati halijoto ya waya ya SMA (T) inapovuka halijoto ya nuksi ya austenite iliyorekebishwa na mkazo (\(A_s^{\prime}\)). Wakati wa awamu hii, waya ya SMA hubanwa na kiendeshaji hutoa nguvu. Pia wakati wa kupoa, wakati halijoto ya waya ya SMA (T) inapovuka halijoto ya nuksi ya awamu ya martensite iliyorekebishwa na mkazo (\(M_s^{\prime}\)) kuna mabadiliko chanya kutoka awamu ya austenite hadi awamu ya martensite. nguvu ya kuendesha hupungua.
Vipengele vikuu vya ubora wa kiendeshi cha bimodal kulingana na SMA vinaweza kupatikana kutokana na matokeo ya simulizi. Katika hali ya uingizaji wa mapigo ya volteji, halijoto ya waya ya SMA huongezeka kutokana na athari ya joto ya Joule. Thamani ya awali ya sehemu ya ujazo wa martensite (\(\xi\)) imewekwa kuwa 1, kwa kuwa nyenzo hiyo mwanzoni iko katika awamu ya martensite kikamilifu. Waya inapoendelea kupasha joto, halijoto ya waya ya SMA huzidi halijoto ya nucleation ya austenite iliyorekebishwa na mkazo \(A_s^{\prime}\), na kusababisha kupungua kwa sehemu ya ujazo wa martensite, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 4c. Kwa kuongezea, kwenye Mchoro 4e inaonyesha usambazaji wa viharusi vya kiendeshi kwa wakati, na kwenye Mchoro 5 - nguvu ya kuendesha kama kazi ya wakati. Mfumo unaohusiana wa milinganyo unajumuisha halijoto, sehemu ya ujazo wa martensite, na mkazo unaokua kwenye waya, na kusababisha kupungua kwa waya ya SMA na nguvu inayozalishwa na kiendeshi. Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1. Tofauti ya volteji ya 4d,f, yenye halijoto na tofauti ya sehemu ya ujazo wa martensite yenye halijoto inalingana na sifa za hysteresis za SMA katika hali iliyoigwa kwenye 7 V.
Ulinganisho wa vigezo vya kuendesha ulipatikana kupitia majaribio na hesabu za uchambuzi. Waya ziliwekwa kwenye volteji ya kuingiza ya 7 V kwa sekunde 10, kisha zikapozwa kwa sekunde 15 (awamu ya kupoeza) kwa mizunguko miwili. Pembe ya pembe imewekwa kuwa \(40^{\circ}\) na urefu wa awali wa waya wa SMA katika kila mguu mmoja wa pini umewekwa kuwa 83mm. (a) Kupima nguvu ya kuendesha kwa kutumia seli ya mzigo (b) Kufuatilia halijoto ya waya kwa kutumia kamera ya infrared ya joto.
Ili kuelewa ushawishi wa vigezo vya kimwili kwenye nguvu inayozalishwa na kiendeshi, uchambuzi wa unyeti wa modeli ya hisabati kwa vigezo vya kimwili vilivyochaguliwa ulifanyika, na vigezo vilipangwa kulingana na ushawishi wao. Kwanza, sampuli ya vigezo vya modeli ilifanywa kwa kutumia kanuni za usanifu wa majaribio zilizofuata usambazaji sare (tazama Sehemu ya Ziada kuhusu Uchambuzi wa Unyeti). Katika hali hii, vigezo vya modeli ni pamoja na volteji ya kuingiza (\(V_{in}\)), urefu wa waya wa awali wa SMA (\(l_0\)), pembe ya pembetatu (\(\alpha\)), kigezo cha chemchemi ya upendeleo (\( K_x\ )), mgawo wa uhamishaji wa joto unaobadilika (\(h_T\)) na idadi ya matawi ya unimodal (n). Katika hatua inayofuata, nguvu ya misuli ya kilele ilichaguliwa kama hitaji la muundo wa utafiti na athari za vigezo vya kila seti ya vigezo kwenye nguvu zilipatikana. Michoro ya kimbunga kwa ajili ya uchambuzi wa unyeti ilitokana na vigezo vya uwiano kwa kila kigezo, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 6a.
(a) Thamani za mgawo wa uwiano wa vigezo vya modeli na athari zake kwenye nguvu ya juu ya pato ya vikundi 2500 vya kipekee vya vigezo vya modeli hapo juu zinaonyeshwa katika mchoro wa kimbunga. Grafu inaonyesha uwiano wa cheo wa viashiria kadhaa. Ni wazi kwamba \(V_{in}\) ndio kigezo pekee chenye uwiano chanya, na \(l_0\) ndio kigezo chenye uwiano hasi wa juu zaidi. Athari ya vigezo mbalimbali katika michanganyiko mbalimbali kwenye nguvu ya misuli ya kilele inaonyeshwa katika (b, c). \(K_x\) ni kati ya 400 hadi 800 N/m na n ni kati ya 4 hadi 24. Voltage (\(V_{in}\)) ilibadilika kutoka 4V hadi 10V, urefu wa waya (\(l_{0} \)) ulibadilika kutoka 40 hadi 100 mm, na pembe ya mkia (\ (\alpha \)) ilibadilika kutoka \ (20 - 60 \, ^ {\circ }\).
Kwenye mchoro 6a inaonyesha mchoro wa kimbunga wa vigezo mbalimbali vya uwiano kwa kila kigezo chenye mahitaji ya muundo wa nguvu ya kiendeshi cha kilele. Kutoka kwenye mchoro 6a inaweza kuonekana kwamba kigezo cha volteji (\(V_{in}\)) kinahusiana moja kwa moja na nguvu ya juu ya kutoa, na mgawo wa uhamishaji wa joto unaobadilika (\(h_T\)), pembe ya mwali (\( \alpha\)), kigezo cha chemchemi ya uhamishaji ( \(K_x\)) kina uhusiano hasi na nguvu ya kutoa na urefu wa awali (\(l_0\)) wa waya wa SMA, na idadi ya matawi ya unimodal (n) inaonyesha uhusiano mkubwa kinyume Katika kesi ya uwiano wa moja kwa moja Katika kesi ya thamani ya juu ya mgawo wa uwiano wa volteji (\(V_ {in}\)) inaonyesha kwamba kigezo hiki kina athari kubwa zaidi kwenye matokeo ya nguvu. Uchambuzi mwingine kama huo hupima nguvu ya kilele kwa kutathmini athari za vigezo tofauti katika michanganyiko tofauti ya nafasi mbili za kompyuta, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 6b, c. \(V_{in}\) na \(l_0\), \(\alpha\) na \(l_0\) zina mifumo inayofanana, na grafu inaonyesha kwamba \(V_{in}\) na \(\alpha\) na \(\alpha\) zina mifumo inayofanana. Thamani ndogo za \(l_0\) husababisha nguvu za juu za kilele. Michoro mingine miwili inaendana na Mchoro 6a, ambapo n na \(K_x\) zina uhusiano hasi na \(V_{in}\) zina uhusiano chanya. Uchambuzi huu husaidia kufafanua na kurekebisha vigezo vinavyoshawishi ambavyo nguvu ya kutoa, kiharusi na ufanisi wa mfumo wa kiendeshi vinaweza kubadilishwa kulingana na mahitaji na matumizi.
Utafiti wa sasa unaanzisha na kuchunguza viendeshi vya kihierarkia vyenye viwango vya N. Katika safu ya ngazi mbili, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 7a, ambapo badala ya kila waya wa SMA wa kiendeshi cha ngazi ya kwanza, mpangilio wa bimodal unafanikiwa, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 9e. Kwenye Mchoro 7c inaonyesha jinsi waya wa SMA unavyozungushwa kuzunguka mkono unaoweza kusongeshwa (mkono msaidizi) unaosogea tu katika mwelekeo wa longitudinal. Hata hivyo, mkono wa msingi unaoweza kusongeshwa unaendelea kusonga kwa njia ile ile kama mkono unaoweza kusongeshwa wa kiendeshi cha hatua nyingi cha hatua ya 1. Kwa kawaida, kiendeshi cha hatua ya N huundwa kwa kubadilisha waya wa hatua ya \(N-1\) ya SMA na kiendeshi cha hatua ya kwanza. Matokeo yake, kila tawi huiga kiendeshi cha hatua ya kwanza, isipokuwa tawi linaloshikilia waya yenyewe. Kwa njia hii, miundo iliyo na viota inaweza kuundwa ambayo huunda nguvu ambazo ni kubwa mara kadhaa kuliko nguvu za viendeshi vya msingi. Katika utafiti huu, kwa kila ngazi, urefu wa jumla wa waya wa SMA wenye ufanisi wa mita 1 ulizingatiwa, kama inavyoonyeshwa katika umbizo la jedwali kwenye Mchoro 7d. Mkondo kupitia kila waya katika kila muundo wa moduli moja na prestress na voltage inayotokana katika kila sehemu ya waya ya SMA ni sawa katika kila ngazi. Kulingana na mfumo wetu wa uchambuzi, nguvu ya kutoa ina uhusiano mzuri na kiwango, huku uhamisho ukihusiana vibaya. Wakati huo huo, kulikuwa na mabadilishano kati ya uhamisho na nguvu ya misuli. Kama inavyoonekana kwenye mchoro 7b, huku nguvu ya juu zaidi ikipatikana katika idadi kubwa zaidi ya tabaka, uhamisho mkubwa zaidi unaonekana katika safu ya chini kabisa. Wakati kiwango cha uongozi kilipowekwa kuwa \(N=5\), nguvu ya kilele ya misuli ya 2.58 kN ilipatikana kwa viboko 2 vilivyoonekana \(\upmu\)m. Kwa upande mwingine, kiendeshi cha hatua ya kwanza hutoa nguvu ya 150 N kwa mpigo wa 277 \(\upmu\)m. Viendeshaji vya ngazi nyingi vinaweza kuiga misuli halisi ya kibiolojia, ambapo misuli bandia inayotegemea aloi za kumbukumbu ya umbo inaweza kutoa nguvu za juu zaidi kwa harakati sahihi na nyembamba zaidi. Mapungufu ya muundo huu mdogo ni kwamba kadri uongozi unavyoongezeka, harakati hupungua sana na ugumu wa mchakato wa utengenezaji wa kiendeshi huongezeka.
(a) Mfumo wa kiendeshaji cha mstari cha aloi ya kumbukumbu ya tabaka mbili (\(N=2\)) unaonyeshwa katika usanidi wa bimodal. Mfano uliopendekezwa unafikiwa kwa kubadilisha waya wa SMA katika kiendeshaji cha tabaka cha hatua ya kwanza na kiendeshaji kingine cha tabaka moja. (c) Usanidi ulioharibika wa kiendeshaji cha tabaka nyingi cha hatua ya pili. (b) Usambazaji wa nguvu na uhamishaji kulingana na idadi ya viwango umeelezewa. Imegundulika kuwa nguvu ya kilele cha kiendeshaji inahusiana vyema na kiwango cha kipimo kwenye grafu, huku kiharusi kikihusiana vibaya na kiwango cha kipimo. Mkondo na volteji ya awali katika kila waya hubaki bila kubadilika katika viwango vyote. (d) Jedwali linaonyesha idadi ya mibofyo na urefu wa waya wa SMA (nyuzi) katika kila ngazi. Sifa za waya zinaonyeshwa na faharasa 1, na idadi ya matawi ya sekondari (moja iliyounganishwa na mguu wa msingi) inaonyeshwa na nambari kubwa zaidi katika nakala ndogo. Kwa mfano, katika kiwango cha 5, \(n_1\) inarejelea idadi ya waya za SMA zilizopo katika kila muundo wa bimodal, na \(n_5\) inarejelea idadi ya miguu saidizi (moja iliyounganishwa na mguu mkuu).
Mbinu mbalimbali zimependekezwa na watafiti wengi ili kuiga tabia ya SMA kwa kutumia kumbukumbu ya umbo, ambayo inategemea sifa za thermomechanical zinazoambatana na mabadiliko ya macroscopic katika muundo wa fuwele unaohusishwa na mpito wa awamu. Uundaji wa mbinu za uundaji ni changamano kiasili. Mfano wa fenomenolojia unaotumika sana unapendekezwa na Tanaka28 na unatumika sana katika matumizi ya uhandisi. Mfano wa fenomenolojia uliopendekezwa na Tanaka [28] unadhania kwamba sehemu ya ujazo ya martensite ni kazi ya kielelezo ya halijoto na msongo wa mawazo. Baadaye, Liang na Rogers29 na Brinson30 walipendekeza mfano ambapo mienendo ya mpito wa awamu ilidhaniwa kuwa kazi ya cosine ya volteji na halijoto, pamoja na marekebisho madogo kwa mfano. Becker na Brinson walipendekeza mfano wa kinetic unaotegemea mchoro wa awamu ili kuiga tabia ya vifaa vya SMA chini ya hali ya upakiaji holela pamoja na mabadiliko ya sehemu. Banerjee32 hutumia mbinu ya mienendo ya mchoro wa awamu ya Bekker na Brinson31 kuiga kiwango kimoja cha udhibiti wa uhuru uliotengenezwa na Elahinia na Ahmadian33. Mbinu za kinetiki kulingana na michoro ya awamu, ambazo huzingatia mabadiliko yasiyo ya monotonic katika volteji na halijoto, ni vigumu kutekeleza katika matumizi ya uhandisi. Elakhinia na Ahmadian huvutia umakini kwenye mapungufu haya ya mifumo ya fenomenolojia iliyopo na kupendekeza mfumo uliopanuliwa wa fenomenolojia ili kuchambua na kufafanua tabia ya kumbukumbu ya umbo chini ya hali yoyote ngumu ya upakiaji.
Mfano wa kimuundo wa waya wa SMA hutoa mkazo (\(\sigma\)), mkazo (\(\epsilon\)), halijoto (T), na sehemu ya ujazo wa martensite (\(\xi\)) ya waya wa SMA. Mfano wa kifikra wa kifikra ulipendekezwa kwa mara ya kwanza na Tanaka28 na baadaye ukapitishwa na Liang29 na Brinson30. Derivative ya mlinganyo ina umbo:
ambapo E ni moduli ya SMA Young inayotegemea awamu inayopatikana kwa kutumia \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) na \(E_A\) na \(E_M\) inayowakilisha moduli ya Young ni awamu za austenitic na martensitic, mtawalia, na mgawo wa upanuzi wa joto unawakilishwa na \(\theta _T\). Kipengele cha mchango wa mpito wa awamu ni \(\Omega = -E \epsilon _L\) na \(\epsilon _L\) ni mkazo wa juu zaidi unaoweza kurejeshwa katika waya wa SMA.
Mlinganyo wa mienendo ya awamu unaendana na kitendakazi cha kosine kilichotengenezwa na Liang29 na baadaye kikapitishwa na Brinson30 badala ya kitendakazi cha kielelezo kilichopendekezwa na Tanaka28. Mfano wa mpito wa awamu ni mwendelezo wa mfano uliopendekezwa na Elakhinia na Ahmadian34 na kurekebishwa kulingana na hali za mpito wa awamu zilizotolewa na Liang29 na Brinson30. Masharti yaliyotumika kwa mfano huu wa mpito wa awamu ni halali chini ya mizigo tata ya thermomechanical. Katika kila wakati, thamani ya sehemu ya ujazo ya martensite huhesabiwa wakati wa kuiga mlinganyo wa kiundani.
Mlinganyo wa mabadiliko ya kimaumbile, unaoonyeshwa na mabadiliko ya martensite kuwa austenite chini ya hali ya joto, ni kama ifuatavyo:
ambapo \(\xi\) ni sehemu ya ujazo wa martensite, \(\xi _M\) ni sehemu ya ujazo wa martensite iliyopatikana kabla ya kupashwa joto, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) na \(C_A\) – vigezo vya makadirio ya mkunjo, halijoto ya waya ya T – SMA, \(A_s\) na \(A_f\) – mwanzo na mwisho wa awamu ya austenite, mtawalia, halijoto.
Mlinganyo wa udhibiti wa mabadiliko ya moja kwa moja, unaowakilishwa na mabadiliko ya awamu ya austenite hadi martensite chini ya hali ya kupoeza, ni:
ambapo \(\xi _A\) ni sehemu ya ujazo wa martensite iliyopatikana kabla ya kupoa, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) na \ (C_M \) – vigezo vya kufaa kwa mkunjo, T – halijoto ya waya ya SMA, \(M_s\) na \(M_f\) – halijoto ya awali na ya mwisho ya martensite, mtawalia.
Baada ya milinganyo (3) na (4) kutofautishwa, milinganyo ya mabadiliko kinyume na ya moja kwa moja hurahisishwa kwa umbo lifuatalo:
Wakati wa mabadiliko ya mbele na nyuma \(\eta _{\sigma}\) na \(\eta _{T}\) huchukua thamani tofauti. Milinganyo ya msingi inayohusiana na \(\eta _{\sigma}\) na \(\eta _{T}\) imetolewa na kujadiliwa kwa undani katika sehemu ya ziada.
Nishati ya joto inayohitajika kuongeza halijoto ya waya ya SMA hutokana na athari ya joto ya Joule. Nishati ya joto inayofyonzwa au kutolewa na waya ya SMA inawakilishwa na joto fiche la mabadiliko. Upotevu wa joto katika waya ya SMA hutokana na msongamano wa kulazimishwa, na kutokana na athari ndogo ya mionzi, mlinganyo wa usawa wa nishati ya joto ni kama ifuatavyo:
Ambapo \(m_{wire}\) ni uzito wote wa waya wa SMA, \(c_{p}\) ni uwezo maalum wa joto wa SMA, \(V_{in}\) ni volteji inayotumika kwenye waya, \(R_{ohm} \ ) – upinzani unaotegemea awamu SMA, unaofafanuliwa kama; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) ambapo \(r_M\ ) na \(r_A\) ni upinzani wa awamu ya SMA katika martensite na austenite, mtawalia, \(A_{c}\) ni eneo la uso wa waya wa SMA, \(\Delta H \) ni aloi ya kumbukumbu ya umbo. Joto fiche la mpito wa waya, T na \(T_{\infty}\) ni halijoto za waya wa SMA na mazingira, mtawalia.
Wakati waya wa aloi ya kumbukumbu ya umbo inapoamilishwa, waya hugandamana, na kuunda nguvu katika kila tawi la muundo wa bimodal inayoitwa nguvu ya nyuzi. Nguvu za nyuzi katika kila uzi wa waya wa SMA pamoja huunda nguvu ya misuli ili kuamilisha, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 9e. Kutokana na uwepo wa chemchemi inayoegemea upande, nguvu ya jumla ya misuli ya kichocheo cha safu nyingi cha Nth ni:
Kwa kubadilisha \(N = 1\) katika mlinganyo (7), nguvu ya misuli ya mfano wa kiendeshi cha bimodal cha hatua ya kwanza inaweza kupatikana kama ifuatavyo:
ambapo n ni idadi ya miguu ya modal moja, \(F_m\) ni nguvu ya misuli inayozalishwa na kiendeshi, \(F_f\) ni nguvu ya nyuzi kwenye waya wa SMA, \(K_x\) ni ugumu wa upendeleo. chemchemi, \(\alpha\) ni pembe ya pembetatu, \(x_0\) ni ulinganisho wa awali wa chemchemi ya upendeleo ili kushikilia kebo ya SMA katika nafasi ya awali ya mvutano, na \(\Delta x\) ni usafiri wa kiendeshaji.
Uhamishaji kamili au mwendo wa kiendeshi (\(\Delta x\)) kulingana na volteji (\(\sigma\)) na mkazo (\(\epsilon\)) kwenye waya wa SMA wa hatua ya Nth, kiendeshi kimewekwa (tazama Mchoro. sehemu ya ziada ya matokeo):
Milinganyo ya kinematic hutoa uhusiano kati ya uundaji wa kiendeshi (\(\epsilon\)) na uhamishaji au uhamishaji (\(\Delta x\)). Uundaji wa waya wa Arb kama kazi ya urefu wa waya wa Arb wa awali (\(l_0\)) na urefu wa waya (l) wakati wowote t katika tawi moja la moduli moja ni kama ifuatavyo:
ambapo \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) hupatikana kwa kutumia fomula ya kosine katika \(\Delta\)ABB ', kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 8. Kwa kiendeshi cha hatua ya kwanza (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) ni \(\Delta x\), na \(\alpha _1\) ni \(\alpha \) kama inavyoonyeshwa kwenye Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 8, kwa kutofautisha muda kutoka kwa Mlinganyo (11) na kubadilisha thamani ya l, kiwango cha mkazo kinaweza kuandikwa kama:
ambapo \(l_0\) ni urefu wa awali wa waya wa SMA, l ni urefu wa waya wakati wowote t katika tawi moja la modal, \(\epsilon\) ni uundaji uliotengenezwa katika waya wa SMA, na \(\alpha \) ni pembe ya pembetatu, \(\Delta x\) ni kiendeshi cha kuingilia (kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 8).
Miundo yote ya kilele kimoja cha n (\(n=6\) katika mchoro huu) imeunganishwa mfululizo na \(V_{in}\) kama volteji ya kuingiza. Hatua ya I: Mchoro wa kimkakati wa waya wa SMA katika usanidi wa bimodal chini ya hali ya volteji sifuri Hatua ya II: Muundo unaodhibitiwa unaonyeshwa ambapo waya wa SMA hubanwa kutokana na ubadilishaji kinyume, kama inavyoonyeshwa na mstari mwekundu.
Kama uthibitisho wa dhana, kiendeshi cha bimodal kinachotegemea SMA kilitengenezwa ili kujaribu uundaji wa milinganyo ya msingi kwa kutumia matokeo ya majaribio. Mfano wa CAD wa kiendeshi cha mstari cha bimodal unaonyeshwa kwenye mchoro 9a. Kwa upande mwingine, kwenye mchoro 9c unaonyesha muundo mpya uliopendekezwa kwa muunganisho wa prismatiki unaozunguka kwa kutumia kiendeshi cha SMA chenye ndege mbili chenye muundo wa bimodal. Vipengele vya kiendeshi vilitengenezwa kwa kutumia utengenezaji wa nyongeza kwenye printa ya 3D Iliyopanuliwa ya Ultimaker 3. Nyenzo inayotumika kwa uchapishaji wa 3D wa vipengele ni polikabonati ambayo inafaa kwa vifaa vinavyostahimili joto kwani ni imara, hudumu na ina halijoto ya juu ya mpito ya kioo (110-113 \(^{\circ }\) C). Kwa kuongezea, waya wa aloi ya kumbukumbu ya umbo la Dynalloy, Inc. Flexinol ilitumika katika majaribio, na sifa za nyenzo zinazolingana na waya wa Flexinol zilitumika katika uigaji. Waya nyingi za SMA zimepangwa kama nyuzi zilizopo katika mpangilio wa misuli ya bimodal ili kupata nguvu kubwa zinazozalishwa na viendeshi vya tabaka nyingi, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 9b, d.
Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 9a, pembe kali inayoundwa na waya wa SMA wa mkono unaohamishika inaitwa pembe (\(\alpha\)). Kwa vibanio vya mwisho vilivyounganishwa kwenye vibanio vya kushoto na kulia, waya wa SMA hushikiliwa kwa pembe ya bimodal inayotakiwa. Kifaa cha chemchemi ya upendeleo kinachoshikiliwa kwenye kiunganishi cha chemchemi kimeundwa kurekebisha vikundi tofauti vya upanuzi wa chemchemi ya upendeleo kulingana na idadi (n) ya nyuzi za SMA. Kwa kuongezea, eneo la sehemu zinazosogea limeundwa ili waya wa SMA iwe wazi kwa mazingira ya nje kwa ajili ya kupoeza kwa nguvu ya msongamano. Sahani za juu na chini za kusanyiko linaloweza kutenganishwa husaidia kuweka waya wa SMA ikiwa baridi kwa kutumia vipandikizi vilivyotolewa vilivyoundwa kupunguza uzito. Kwa kuongezea, ncha zote mbili za waya wa CMA zimewekwa kwenye vituo vya kushoto na kulia, mtawalia, kwa njia ya crimp. Plunger imeunganishwa kwenye ncha moja ya kusanyiko linalohamishika ili kudumisha nafasi kati ya sahani za juu na za chini. Plunger pia hutumika kutumia nguvu ya kuzuia kwenye kitambuzi kupitia mguso ili kupima nguvu ya kuzuia wakati waya wa SMA unapoamilishwa.
Muundo wa misuli ya bimodal SMA huunganishwa kwa umeme mfululizo na huendeshwa na volteji ya mapigo ya ingizo. Wakati wa mzunguko wa mapigo ya volteji, volteji inapotumika na waya ya SMA inapokanzwa juu ya halijoto ya awali ya austenite, urefu wa waya katika kila uzi hufupishwa. Kurudisha huku huamsha sehemu ndogo ya mkono unaohamishika. Wakati volteji ilipowekwa sifuri katika mzunguko huo huo, waya ya SMA iliyopashwa joto ilipozwa chini ya halijoto ya uso wa martensite, na hivyo kurudi katika nafasi yake ya asili. Chini ya hali ya sifuri ya mkazo, waya ya SMA kwanza hunyooshwa kwa njia tulivu na chemchemi ya upendeleo ili kufikia hali ya martensite iliyotenganishwa. Skurubu, ambayo waya ya SMA hupitia, husogea kutokana na mgandamizo unaotokana na kutumia mapigo ya volteji kwenye waya ya SMA (SPA hufikia awamu ya austenite), ambayo husababisha kuendeshwa kwa lever inayohamishika. Wakati waya ya SMA inaporudishwa nyuma, chemchemi ya upendeleo huunda nguvu inayopingana kwa kunyoosha zaidi chemchemi. Wakati mkazo katika volteji ya msukumo unakuwa sifuri, waya wa SMA hurefuka na kubadilisha umbo lake kutokana na kupoezwa kwa msongamano wa umeme kwa lazima, na kufikia awamu ya martensitic mara mbili.
Mfumo wa kiendeshaji cha mstari unaotegemea SMA unaopendekezwa una usanidi wa bimodal ambapo waya za SMA zimepinda. (a) inaonyesha modeli ya CAD ya mfano huo, ambayo inataja baadhi ya vipengele na maana zake kwa mfano huo, (b, d) inawakilisha mfano wa majaribio uliotengenezwa35. Ingawa (b) inaonyesha mwonekano wa juu wa mfano huo ukiwa na miunganisho ya umeme na chemchemi za upendeleo na vipimo vya mkazo vilivyotumika, (d) inaonyesha mwonekano wa mtazamo wa usanidi. (e) Mchoro wa mfumo wa kiendeshaji cha mstari wenye waya za SMA zilizowekwa bimodal wakati wowote t, kuonyesha mwelekeo na mkondo wa nyuzi na nguvu ya misuli. (c) Muunganisho wa prismatiki wa mzunguko wa 2-DOF umependekezwa kwa ajili ya kupeleka kiendeshaji cha SMA cha ndege mbili. Kama inavyoonyeshwa, kiungo husambaza mwendo wa mstari kutoka kwa kiendesha cha chini hadi kwenye mkono wa juu, na kuunda muunganisho wa mzunguko. Kwa upande mwingine, mwendo wa jozi ya prismu ni sawa na mwendo wa kiendeshaji cha hatua ya kwanza cha safu nyingi.
Utafiti wa majaribio ulifanywa kwenye mfano ulioonyeshwa kwenye Mchoro 9b ili kutathmini utendaji wa kiendeshi cha bimodal kulingana na SMA. Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 10a, usanidi wa majaribio ulijumuisha usambazaji wa umeme wa DC unaoweza kupangwa ili kusambaza volteji ya kuingiza kwenye waya za SMA. Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 10b, kipimo cha mkazo wa piezoelectric (PACEline CFT/5kN) kilitumika kupima nguvu ya kuzuia kwa kutumia kumbukumbu ya data ya Graphtec GL-2000. Data hiyo inarekodiwa na mwenyeji kwa ajili ya utafiti zaidi. Vipimo vya mkazo na vipaza sauti vya chaji vinahitaji usambazaji wa umeme unaoendelea ili kutoa ishara ya volteji. Ishara zinazolingana hubadilishwa kuwa matokeo ya nguvu kulingana na unyeti wa kitambuzi cha nguvu ya piezoelectric na vigezo vingine kama ilivyoelezwa kwenye Jedwali 2. Wakati mapigo ya volteji yanatumika, halijoto ya waya ya SMA huongezeka, na kusababisha waya ya SMA kubana, ambayo husababisha kiendeshaji kutoa nguvu. Matokeo ya majaribio ya matokeo ya nguvu ya misuli na mapigo ya volteji ya kuingiza ya 7 V yanaonyeshwa kwenye Mchoro 2a.
(a) Mfumo wa kiendeshaji cha mstari unaotegemea SMA ulianzishwa katika jaribio ili kupima nguvu inayozalishwa na kiendeshaji. Seli ya mzigo hupima nguvu ya kuzuia na inaendeshwa na usambazaji wa umeme wa V 24 DC. Kushuka kwa volteji ya V 7 kulitumika kwenye urefu mzima wa kebo kwa kutumia usambazaji wa umeme wa DC unaoweza kupangwa wa GW Instek. Waya ya SMA hupungua kutokana na joto, na mkono unaoweza kusongeshwa huwasiliana na seli ya mzigo na hutoa nguvu ya kuzuia. Seli ya mzigo imeunganishwa na kumbukumbu ya data ya GL-2000 na data huhifadhiwa kwenye mwenyeji kwa ajili ya usindikaji zaidi. (b) Mchoro unaoonyesha mnyororo wa vipengele vya usanidi wa majaribio wa kupima nguvu ya misuli.
Aloi za kumbukumbu ya umbo husisimka na nishati ya joto, kwa hivyo halijoto inakuwa kigezo muhimu cha kusoma jambo la kumbukumbu ya umbo. Kwa majaribio, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 11a, upigaji picha wa joto na vipimo vya halijoto vilifanywa kwenye kiendeshi cha mfano cha SMA-based divalerate. Chanzo cha DC kinachoweza kupangwa kilitumia volteji ya kuingiza kwenye waya za SMA katika usanidi wa majaribio, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 11b. Mabadiliko ya halijoto ya waya ya SMA yalipimwa kwa wakati halisi kwa kutumia kamera ya LWIR yenye ubora wa juu (FLIR A655sc). Mwenyeji hutumia programu ya ResearchIR kurekodi data kwa ajili ya usindikaji zaidi baada ya hapo. Wakati mapigo ya volteji yanapotumika, halijoto ya waya ya SMA huongezeka, na kusababisha waya ya SMA kupungua. Kwenye Mchoro 2b inaonyesha matokeo ya majaribio ya halijoto ya waya ya SMA dhidi ya muda wa mapigo ya volteji ya kuingiza ya 7V.
Muda wa chapisho: Septemba-28-2022
