Nature.comను సందర్శించినందుకు ధన్యవాదాలు. మీరు ఉపయోగిస్తున్న బ్రౌజర్ వెర్షన్లో CSS మద్దతు పరిమితంగా ఉంది. ఉత్తమ అనుభవం కోసం, మీరు అప్డేట్ చేయబడిన బ్రౌజర్ను ఉపయోగించాలని (లేదా ఇంటర్నెట్ ఎక్స్ప్లోరర్లో కంపాటిబిలిటీ మోడ్ను నిలిపివేయాలని) మేము సిఫార్సు చేస్తున్నాము. ఈలోగా, మద్దతు కొనసాగేలా చూసేందుకు, మేము స్టైల్స్ మరియు జావాస్క్రిప్ట్ లేకుండా సైట్ను రెండర్ చేస్తాము.
తయారీ మరియు పారిశ్రామిక ఆటోమేషన్లో వివిధ కార్యకలాపాలను నిర్వహించడానికి, యాక్చుయేటర్లు ప్రతిచోటా ఉపయోగించబడతాయి మరియు సరైన ఉత్ప్రేరక బలం లేదా టార్క్ను వర్తింపజేయడం ద్వారా నియంత్రిత చలనాన్ని సృష్టిస్తాయి. వేగవంతమైన, చిన్న మరియు మరింత సమర్థవంతమైన డ్రైవ్ల అవసరం, డ్రైవ్ డిజైన్లో ఆవిష్కరణలను ప్రోత్సహిస్తోంది. షేప్ మెమరీ అల్లాయ్ (SMA) డ్రైవ్లు, సాంప్రదాయ డ్రైవ్లతో పోలిస్తే అధిక పవర్-టు-వెయిట్ నిష్పత్తితో సహా అనేక ప్రయోజనాలను అందిస్తాయి. ఈ సిద్ధాంత వ్యాసంలో, జీవ వ్యవస్థల యొక్క ఈకల వంటి కండరాల ప్రయోజనాలను మరియు SMAల యొక్క ప్రత్యేక లక్షణాలను మిళితం చేసే రెండు-ఈకల SMA-ఆధారిత యాక్చుయేటర్ అభివృద్ధి చేయబడింది. ఈ అధ్యయనం, బైమోడల్ SMA వైర్ అమరిక ఆధారంగా కొత్త యాక్చుయేటర్ యొక్క గణిత నమూనాను అభివృద్ధి చేసి, దానిని ప్రయోగాత్మకంగా పరీక్షించడం ద్వారా మునుపటి SMA యాక్చుయేటర్లను అన్వేషిస్తుంది మరియు విస్తరిస్తుంది. SMA ఆధారితంగా తెలిసిన డ్రైవ్లతో పోలిస్తే, కొత్త డ్రైవ్ యొక్క యాక్చుయేషన్ బలం కనీసం 5 రెట్లు ఎక్కువ (150 N వరకు). దీనికి అనుగుణంగా బరువులో సుమారు 67% తగ్గుదల ఉంది. గణిత నమూనాల సున్నితత్వ విశ్లేషణ ఫలితాలు డిజైన్ పారామీటర్లను ట్యూన్ చేయడానికి మరియు కీలక పారామీటర్లను అర్థం చేసుకోవడానికి ఉపయోగపడతాయి. ఈ అధ్యయనం డైనమిక్స్ను మరింత మెరుగుపరచడానికి ఉపయోగపడే బహుళ-స్థాయి Nవ దశ డ్రైవ్ను కూడా అందిస్తుంది. SMA-ఆధారిత డైవాలరేట్ కండర యాక్చుయేటర్లు భవన ఆటోమేషన్ నుండి ఖచ్చితమైన ఔషధ పంపిణీ వ్యవస్థల వరకు విస్తృత శ్రేణి అనువర్తనాలను కలిగి ఉన్నాయి.
క్షీరదాల కండర నిర్మాణాలు వంటి జీవ వ్యవస్థలు అనేక సూక్ష్మ ప్రేరకాలను క్రియాశీలం చేయగలవు¹. క్షీరదాలు విభిన్న కండర నిర్మాణాలను కలిగి ఉంటాయి, ప్రతి ఒక్కటి ఒక నిర్దిష్ట ప్రయోజనాన్ని అందిస్తుంది. అయితే, క్షీరదాల కండర కణజాల నిర్మాణంలో ఎక్కువ భాగాన్ని రెండు విస్తృత వర్గాలుగా విభజించవచ్చు. అవి సమాంతర మరియు పెన్నేట్. పేరు సూచించినట్లుగా, హామ్స్ట్రింగ్స్ మరియు ఇతర ఫ్లెక్సర్లలో, సమాంతర కండర నిర్మాణంలో కండర ఫైబర్లు కేంద్ర స్నాయువుకు సమాంతరంగా ఉంటాయి. కండర ఫైబర్ల గొలుసు వాటి చుట్టూ ఉన్న సంధాన కణజాలం ద్వారా వరుసగా అమర్చబడి, క్రియాత్మకంగా అనుసంధానించబడి ఉంటుంది. ఈ కండరాలకు పెద్ద విహారం (శాతం సంకోచం) ఉన్నప్పటికీ, వాటి మొత్తం కండర బలం చాలా పరిమితంగా ఉంటుంది. దీనికి విరుద్ధంగా, ట్రైసెప్స్ పిక్క కండరం² (లేటరల్ గాస్ట్రోక్నీమియస్ (GL)³, మీడియల్ గాస్ట్రోక్నీమియస్ (GM)⁴ మరియు సోలియస్ (SOL)) మరియు ఎక్స్టెన్సర్ ఫెమోరిస్ (క్వాడ్రిసెప్స్)⁵,6 లలో ప్రతి కండరంలోనూ పెన్నేట్ కండర కణజాలం కనిపిస్తుంది⁷. పిన్నేట్ నిర్మాణంలో, బైపెన్నేట్ కండరాలలోని కండర తంతువులు కేంద్ర స్నాయువుకు ఇరువైపులా ఏటవాలు కోణాలలో (పిన్నేట్ కోణాలు) ఉంటాయి. పెన్నేట్ అనే పదం "పెన్నా" అనే లాటిన్ పదం నుండి వచ్చింది, దీని అర్థం "కలం", మరియు పటం 1లో చూపిన విధంగా ఇది ఈక వంటి రూపాన్ని కలిగి ఉంటుంది. పెన్నేట్ కండరాల తంతువులు పొట్టిగా ఉండి, కండరం యొక్క రేఖాంశ అక్షానికి కోణంలో ఉంటాయి. పిన్నేట్ నిర్మాణం కారణంగా, ఈ కండరాల మొత్తం చలనశీలత తగ్గుతుంది, ఇది సంకోచ ప్రక్రియ యొక్క అడ్డ మరియు రేఖాంశ భాగాలకు దారితీస్తుంది. మరోవైపు, శారీరక అడ్డుకోత వైశాల్యాన్ని కొలిచే విధానం కారణంగా, ఈ కండరాల క్రియాశీలత అధిక మొత్తం కండర బలానికి దారితీస్తుంది. అందువల్ల, ఒక నిర్దిష్ట అడ్డుకోత వైశాల్యానికి, సమాంతర తంతువులు గల కండరాల కంటే పెన్నేట్ కండరాలు బలంగా ఉంటాయి మరియు అధిక బలాలను ఉత్పత్తి చేస్తాయి. వ్యక్తిగత తంతువుల ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన బలాలు ఆ కండర కణజాలంలో స్థూల స్థాయిలో కండర బలాలను సృష్టిస్తాయి. అదనంగా, ఇది వేగవంతమైన సంకోచం, తన్యత నష్టం నుండి రక్షణ, కుషనింగ్ వంటి ప్రత్యేక లక్షణాలను కలిగి ఉంటుంది. ఇది కండరాల క్రియారేఖలకు సంబంధించిన ఫైబర్ అమరిక యొక్క ప్రత్యేక లక్షణాలను మరియు జ్యామితీయ సంక్లిష్టతను ఉపయోగించుకోవడం ద్వారా ఫైబర్ ఇన్పుట్ మరియు కండరాల శక్తి అవుట్పుట్ మధ్య సంబంధాన్ని మారుస్తుంది.
బైమోడల్ కండర నిర్మాణానికి సంబంధించి ఇప్పటికే ఉన్న SMA-ఆధారిత యాక్యుయేటర్ డిజైన్ల పథచిత్రాలు ఇక్కడ చూపబడ్డాయి, ఉదాహరణకు (a), ఇది స్పర్శ బలం యొక్క పరస్పర చర్యను సూచిస్తుంది, దీనిలో SMA వైర్ల ద్వారా పనిచేసే చేతి ఆకారపు పరికరం రెండు చక్రాల స్వయంప్రతిపత్తి గల మొబైల్ రోబోట్9,10 పై అమర్చబడి ఉంటుంది. , (b) వ్యతిరేకంగా అమర్చబడిన SMA స్ప్రింగ్-లోడెడ్ ఆర్బిటల్ ప్రొస్థెసిస్తో కూడిన రోబోటిక్ ఆర్బిటల్ ప్రొస్థెసిస్. కృత్రిమ కంటి స్థానం కంటి యొక్క నేత్ర కండరం నుండి వచ్చే సంకేతం ద్వారా నియంత్రించబడుతుంది11, (c) SMA యాక్యుయేటర్లు వాటి అధిక ఫ్రీక్వెన్సీ ప్రతిస్పందన మరియు తక్కువ బ్యాండ్విడ్త్ కారణంగా నీటి అడుగున అనువర్తనాలకు అనువైనవి. ఈ కాన్ఫిగరేషన్లో, చేపల కదలికను అనుకరించడం ద్వారా తరంగ చలనాన్ని సృష్టించడానికి SMA యాక్యుయేటర్లు ఉపయోగించబడతాయి, (d) ఛానల్ 10 లోపల SMA వైర్ల కదలిక ద్వారా నియంత్రించబడే, అంగుళాల పురుగు చలన సూత్రాన్ని ఉపయోగించగల మైక్రో పైప్ తనిఖీ రోబోట్ను సృష్టించడానికి SMA యాక్యుయేటర్లు ఉపయోగించబడతాయి, (e) గ్యాస్ట్రోక్నీమియస్ కణజాలంలో సంకోచ కండర తంతువుల దిశను మరియు సంకోచ శక్తిని ఉత్పత్తి చేయడాన్ని చూపుతుంది, (f) పెన్నేట్ కండర నిర్మాణంలో కండర తంతువుల రూపంలో అమర్చబడిన SMA వైర్లను చూపుతుంది.
యాక్చుయేటర్లు వాటి విస్తృత శ్రేణి అనువర్తనాల కారణంగా యాంత్రిక వ్యవస్థలలో ఒక ముఖ్యమైన భాగంగా మారాయి. అందువల్ల, చిన్నవి, వేగవంతమైనవి మరియు మరింత సమర్థవంతమైన డ్రైవ్ల అవసరం చాలా కీలకంగా మారింది. వాటి ప్రయోజనాలు ఉన్నప్పటికీ, సాంప్రదాయ డ్రైవ్లు ఖరీదైనవిగా మరియు నిర్వహణకు ఎక్కువ సమయం తీసుకునేవిగా నిరూపించబడ్డాయి. హైడ్రాలిక్ మరియు న్యూమాటిక్ యాక్చుయేటర్లు సంక్లిష్టమైనవి, ఖరీదైనవి మరియు అరుగుదల, కందెన సమస్యలు మరియు భాగాల వైఫల్యానికి గురవుతాయి. ఈ డిమాండ్కు ప్రతిస్పందనగా, స్మార్ట్ మెటీరియల్స్ ఆధారంగా తక్కువ ఖర్చుతో కూడిన, పరిమాణానికి అనువుగా ఉండే మరియు అధునాతన యాక్చుయేటర్లను అభివృద్ధి చేయడంపై దృష్టి సారించారు. ఈ అవసరాన్ని తీర్చడానికి, షేప్ మెమరీ అల్లాయ్ (SMA) పొరల యాక్చుయేటర్లపై కొనసాగుతున్న పరిశోధన జరుగుతోంది. శ్రేణిబద్ధ యాక్చుయేటర్లు ప్రత్యేకమైనవి, ఎందుకంటే అవి పెరిగిన మరియు విస్తరించిన కార్యాచరణను అందించడానికి అనేక వివిక్త యాక్చుయేటర్లను జ్యామితీయంగా సంక్లిష్టమైన స్థూల స్థాయి ఉపవ్యవస్థలుగా మిళితం చేస్తాయి. ఈ విషయంలో, పైన వివరించిన మానవ కండర కణజాలం అటువంటి బహుళ-పొరల యాక్చుయేషన్కు ఒక అద్భుతమైన బహుళ-పొరల ఉదాహరణను అందిస్తుంది. ప్రస్తుత అధ్యయనం, బైమోడల్ కండరాలలో ఉన్న ఫైబర్ విన్యాసాలకు అనుగుణంగా అమర్చబడిన అనేక వ్యక్తిగత డ్రైవ్ మూలకాలతో (SMA వైర్లు) కూడిన బహుళ-స్థాయి SMA డ్రైవ్ను వివరిస్తుంది, ఇది మొత్తం డ్రైవ్ పనితీరును మెరుగుపరుస్తుంది.
యాక్చుయేటర్ యొక్క ప్రధాన ఉద్దేశ్యం విద్యుత్ శక్తిని మార్చడం ద్వారా బలం మరియు స్థానభ్రంశం వంటి యాంత్రిక శక్తి ఉత్పాదనను ఉత్పత్తి చేయడం. షేప్ మెమరీ అల్లాయ్స్ అనేవి అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద తమ ఆకారాన్ని పునరుద్ధరించుకోగల "స్మార్ట్" పదార్థాల వర్గానికి చెందినవి. అధిక భారాల కింద, SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత పెరగడం వలన ఆకారం పునరుద్ధరించబడుతుంది, దీని ఫలితంగా వివిధ నేరుగా బంధించబడిన స్మార్ట్ పదార్థాలతో పోలిస్తే అధిక యాక్చుయేషన్ శక్తి సాంద్రత లభిస్తుంది. అదే సమయంలో, యాంత్రిక భారాల కింద, SMAలు పెళుసుగా మారతాయి. కొన్ని పరిస్థితులలో, ఒక చక్రీయ భారం యాంత్రిక శక్తిని గ్రహించి, విడుదల చేయగలదు, ఇది తిరోగమన హిస్టెరెటిక్ ఆకార మార్పులను ప్రదర్శిస్తుంది. ఈ ప్రత్యేక లక్షణాలు SMAను సెన్సార్లు, కంపన నివారణ మరియు ముఖ్యంగా యాక్చుయేటర్లకు ఆదర్శంగా చేస్తాయి¹². దీనిని దృష్టిలో ఉంచుకుని, SMA-ఆధారిత డ్రైవ్లపై చాలా పరిశోధనలు జరిగాయి. SMA-ఆధారిత యాక్చుయేటర్లు వివిధ రకాల అనువర్తనాల కోసం అనువాద మరియు భ్రమణ చలనాన్ని అందించడానికి రూపొందించబడ్డాయని గమనించాలి¹³,¹⁴,¹⁵. కొన్ని భ్రమణ యాక్చుయేటర్లు అభివృద్ధి చేయబడినప్పటికీ, పరిశోధకులు ముఖ్యంగా సరళ యాక్చుయేటర్లపై ఆసక్తి చూపుతున్నారు. ఈ లీనియర్ యాక్యుయేటర్లను మూడు రకాలుగా విభజించవచ్చు: వన్-డైమెన్షనల్, డిస్ప్లేస్మెంట్ మరియు డిఫరెన్షియల్ యాక్యుయేటర్లు 16. ప్రారంభంలో, SMA మరియు ఇతర సాంప్రదాయ డ్రైవ్లను కలిపి హైబ్రిడ్ డ్రైవ్లను సృష్టించారు. SMA-ఆధారిత హైబ్రిడ్ లీనియర్ యాక్యుయేటర్కు ఒక ఉదాహరణ, సుమారు 100 N అవుట్పుట్ బలాన్ని మరియు గణనీయమైన డిస్ప్లేస్మెంట్ను అందించడానికి DC మోటారుతో SMA వైర్ను ఉపయోగించడం17.
పూర్తిగా SMA ఆధారిత డ్రైవ్లలో జరిగిన మొట్టమొదటి అభివృద్ధిలో ఒకటి SMA సమాంతర డ్రైవ్. బహుళ SMA వైర్లను ఉపయోగించి, అన్ని SMA18 వైర్లను సమాంతరంగా అమర్చడం ద్వారా డ్రైవ్ యొక్క శక్తి సామర్థ్యాన్ని పెంచడానికి SMA-ఆధారిత సమాంతర డ్రైవ్ రూపొందించబడింది. యాక్యుయేటర్ల సమాంతర అనుసంధానానికి ఎక్కువ శక్తి అవసరం అవ్వడమే కాకుండా, ఇది ఒకే వైర్ యొక్క అవుట్పుట్ శక్తిని కూడా పరిమితం చేస్తుంది. SMA ఆధారిత యాక్యుయేటర్ల యొక్క మరొక ప్రతికూలత ఏమిటంటే, అవి సాధించగల పరిమిత ప్రయాణం. ఈ సమస్యను పరిష్కరించడానికి, స్థానభ్రంశాన్ని పెంచడానికి మరియు సరళ చలనాన్ని సాధించడానికి వంగిన ఫ్లెక్సిబుల్ బీమ్ను కలిగి ఉన్న ఒక SMA కేబుల్ బీమ్ సృష్టించబడింది, కానీ అది అధిక బలాలను ఉత్పత్తి చేయలేదు19. ప్రధానంగా ప్రభావ విస్తరణ కోసం షేప్ మెమరీ మిశ్రమ లోహాల ఆధారంగా రోబోట్ల కోసం మృదువైన, రూపాంతరం చెందే నిర్మాణాలు మరియు ఫ్యాబ్రిక్లు అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి20,21,22. అధిక వేగం అవసరమయ్యే అనువర్తనాల కోసం, మైక్రోపంప్ డ్రైవెన్ అనువర్తనాల కొరకు సన్నని పొర SMAలను ఉపయోగించి కాంపాక్ట్ డ్రైవెన్ పంపులు నివేదించబడ్డాయి23. డ్రైవర్ వేగాన్ని నియంత్రించడంలో సన్నని పొర SMA పొర యొక్క డ్రైవ్ ఫ్రీక్వెన్సీ ఒక కీలక అంశం. అందువల్ల, SMA స్ప్రింగ్ లేదా రాడ్ మోటార్ల కంటే SMA లీనియర్ మోటార్లు మెరుగైన డైనమిక్ ప్రతిస్పందనను కలిగి ఉంటాయి. సాఫ్ట్ రోబోటిక్స్ మరియు గ్రిప్పింగ్ టెక్నాలజీ అనేవి SMA-ఆధారిత యాక్యుయేటర్లను ఉపయోగించే మరో రెండు అనువర్తనాలు. ఉదాహరణకు, 25 N స్పేస్ క్లాంప్లో ఉపయోగించే ప్రామాణిక యాక్యుయేటర్ను భర్తీ చేయడానికి, ఒక షేప్ మెమరీ అల్లాయ్ ప్యారలల్ యాక్యుయేటర్ 24 అభివృద్ధి చేయబడింది. మరో సందర్భంలో, 30 N గరిష్ట లాగే శక్తిని ఉత్పత్తి చేయగల సామర్థ్యం ఉన్న, పొందుపరిచిన మ్యాట్రిక్స్తో కూడిన వైర్ ఆధారంగా ఒక SMA సాఫ్ట్ యాక్యుయేటర్ తయారు చేయబడింది. వాటి యాంత్రిక లక్షణాల కారణంగా, జీవసంబంధ దృగ్విషయాలను అనుకరించే యాక్యుయేటర్లను ఉత్పత్తి చేయడానికి కూడా SMAలను ఉపయోగిస్తారు. అటువంటి ఒక అభివృద్ధిలో, కాల్చడానికి సైనుసోయిడల్ చలనాన్ని సృష్టించడానికి SMAతో కూడిన, వానపాము లాంటి జీవి యొక్క బయోమిమెటిక్ అయిన 12-కణాల రోబోట్ ఒకటి26,27.
ముందుగా చెప్పినట్లుగా, ప్రస్తుతం ఉన్న SMA-ఆధారిత యాక్యుయేటర్ల నుండి పొందగలిగే గరిష్ట బలానికి ఒక పరిమితి ఉంది. ఈ సమస్యను పరిష్కరించడానికి, ఈ అధ్యయనం ఒక బయోమిమెటిక్ బైమోడల్ కండర నిర్మాణాన్ని అందిస్తోంది. ఇది షేప్ మెమరీ అల్లాయ్ వైర్ ద్వారా నడపబడుతుంది. ఇది అనేక షేప్ మెమరీ అల్లాయ్ వైర్లను కలిగి ఉన్న ఒక వర్గీకరణ వ్యవస్థను అందిస్తుంది. ఇప్పటి వరకు, ఇలాంటి నిర్మాణంతో కూడిన SMA-ఆధారిత యాక్యుయేటర్లు సాహిత్యంలో ఎక్కడా నివేదించబడలేదు. బైమోడల్ కండర అమరిక సమయంలో SMA యొక్క ప్రవర్తనను అధ్యయనం చేయడానికి, SMA ఆధారిత ఈ ప్రత్యేకమైన మరియు నూతనమైన వ్యవస్థ అభివృద్ధి చేయబడింది. ప్రస్తుతం ఉన్న SMA-ఆధారిత యాక్యుయేటర్లతో పోలిస్తే, తక్కువ పరిమాణంలో గణనీయంగా అధిక బలాలను ఉత్పత్తి చేయడానికి ఒక బయోమిమెటిక్ డైవాలరేట్ యాక్యుయేటర్ను సృష్టించడం ఈ అధ్యయనం యొక్క లక్ష్యం. HVAC బిల్డింగ్ ఆటోమేషన్ మరియు కంట్రోల్ సిస్టమ్స్లో ఉపయోగించే సాంప్రదాయ స్టెప్పర్ మోటార్ డ్రైవెన్ డ్రైవ్లతో పోలిస్తే, ప్రతిపాదిత SMA-ఆధారిత బైమోడల్ డ్రైవ్ డిజైన్, డ్రైవ్ మెకానిజం యొక్క బరువును 67% తగ్గిస్తుంది. ఇకపై, "కండరం" మరియు "డ్రైవ్" అనే పదాలు ఒకదానికొకటి ప్రత్యామ్నాయంగా ఉపయోగించబడతాయి. ఈ అధ్యయనం అటువంటి డ్రైవ్ యొక్క మల్టీఫిజిక్స్ సిమ్యులేషన్ను పరిశోధిస్తుంది. ఇటువంటి వ్యవస్థల యాంత్రిక ప్రవర్తనను ప్రయోగాత్మక మరియు విశ్లేషణాత్మక పద్ధతుల ద్వారా అధ్యయనం చేయబడింది. 7 V ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ వద్ద బలం మరియు ఉష్ణోగ్రత పంపిణీలను మరింతగా పరిశోధించడం జరిగింది. తదనంతరం, కీలక పారామితులు మరియు అవుట్పుట్ బలం మధ్య సంబంధాన్ని మరింత బాగా అర్థం చేసుకోవడానికి పారామెట్రిక్ విశ్లేషణ నిర్వహించబడింది. చివరగా, ప్రోస్థెటిక్ అనువర్తనాల కోసం అయస్కాంతేతర యాక్యుయేటర్లకు భవిష్యత్తులో ఒక సంభావ్య రంగంగా క్రమానుగత యాక్యుయేటర్లు ఊహించబడ్డాయి మరియు క్రమానుగత స్థాయి ప్రభావాలు ప్రతిపాదించబడ్డాయి. పైన పేర్కొన్న అధ్యయనాల ఫలితాల ప్రకారం, నివేదించబడిన SMA-ఆధారిత యాక్యుయేటర్ల కంటే ఒకే-దశ నిర్మాణాన్ని ఉపయోగించడం వల్ల కనీసం నాలుగు నుండి ఐదు రెట్లు ఎక్కువ బలాలు ఉత్పత్తి అవుతాయి. అదనంగా, బహుళ-స్థాయి డ్రైవ్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన అదే చోదక బలం, సాంప్రదాయ SMA-ఆధారిత డ్రైవ్ల కంటే పది రెట్లు ఎక్కువగా ఉన్నట్లు చూపబడింది. ఆ తర్వాత ఈ అధ్యయనం, విభిన్న డిజైన్లు మరియు ఇన్పుట్ వేరియబుల్స్ మధ్య సున్నితత్వ విశ్లేషణను ఉపయోగించి కీలక పారామితులను నివేదిస్తుంది. SMA వైర్ యొక్క ప్రారంభ పొడవు (\(l_0\)), పిన్నేట్ కోణం (\(\alpha\)) మరియు ప్రతి వ్యక్తిగత స్ట్రాండ్లోని సింగిల్ స్ట్రాండ్ల సంఖ్య (n) చోదక బలం యొక్క పరిమాణంపై బలమైన ప్రతికూల ప్రభావాన్ని కలిగి ఉంటాయి. బలం, కాగా ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ (శక్తి) సానుకూలంగా పరస్పర సంబంధం కలిగి ఉన్నట్లు తేలింది.
SMA వైర్, నికెల్-టైటానియం (Ni-Ti) మిశ్రమలోహాల కుటుంబంలో కనిపించే ఆకార జ్ఞాపక ప్రభావాన్ని (SME) ప్రదర్శిస్తుంది. సాధారణంగా, SMAలు ఉష్ణోగ్రతపై ఆధారపడిన రెండు దశలను ప్రదర్శిస్తాయి: ఒక అల్ప ఉష్ణోగ్రత దశ మరియు ఒక అధిక ఉష్ణోగ్రత దశ. విభిన్న స్ఫటిక నిర్మాణాల ఉనికి కారణంగా ఈ రెండు దశలూ ప్రత్యేకమైన లక్షణాలను కలిగి ఉంటాయి. పరివర్తన ఉష్ణోగ్రతకు పైన ఉండే ఆస్టెనైట్ దశలో (అధిక ఉష్ణోగ్రత దశ), ఈ పదార్థం అధిక బలాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది మరియు భారం కింద తక్కువగా రూపాంతరం చెందుతుంది. ఈ మిశ్రమలోహం స్టెయిన్లెస్ స్టీల్ లాగా ప్రవర్తిస్తుంది, కాబట్టి ఇది అధిక యాక్చుయేషన్ పీడనాలను తట్టుకోగలదు. Ni-Ti మిశ్రమలోహాల యొక్క ఈ లక్షణాన్ని సద్వినియోగం చేసుకుని, ఒక యాక్చుయేటర్ను ఏర్పరచడానికి SMA వైర్లను వాలుగా అమర్చుతారు. వివిధ పారామితులు మరియు వివిధ జ్యామితుల ప్రభావం కింద SMA యొక్క ఉష్ణ ప్రవర్తన యొక్క ప్రాథమిక యాంత్రిక శాస్త్రాన్ని అర్థం చేసుకోవడానికి తగిన విశ్లేషణాత్మక నమూనాలు అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి. ప్రయోగాత్మక మరియు విశ్లేషణాత్మక ఫలితాల మధ్య మంచి ఏకీభావం లభించింది.
SMA ఆధారిత బైమోడల్ డ్రైవ్ యొక్క పనితీరును మూల్యాంకనం చేయడానికి, పటం 9aలో చూపిన నమూనాపై ఒక ప్రయోగాత్మక అధ్యయనం నిర్వహించబడింది. ఈ లక్షణాలలో రెండింటిని, అంటే డ్రైవ్ ద్వారా ఉత్పత్తి అయ్యే బలం (కండర బలం) మరియు SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత (SMA ఉష్ణోగ్రత)లను ప్రయోగాత్మకంగా కొలవబడ్డాయి. డ్రైవ్లోని వైర్ మొత్తం పొడవునా వోల్టేజ్ వ్యత్యాసం పెరిగేకొద్దీ, జౌల్ తాపన ప్రభావం కారణంగా వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత పెరుగుతుంది. ప్రతి సైకిల్ మధ్య 15-సెకన్ల శీతలీకరణ వ్యవధితో, ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ను రెండు 10-సెకన్ల సైకిల్స్లో (పటం 2a, bలో ఎరుపు చుక్కలుగా చూపబడింది) ప్రయోగించబడింది. బ్లాకింగ్ బలాన్ని పీజోఎలెక్ట్రిక్ స్ట్రెయిన్ గేజ్ ఉపయోగించి కొలవబడింది, మరియు SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత పంపిణీని సైంటిఫిక్-గ్రేడ్ హై-రిజల్యూషన్ LWIR కెమెరాను ఉపయోగించి నిజ సమయంలో పర్యవేక్షించబడింది (ఉపయోగించిన పరికరాల లక్షణాల కోసం పట్టిక 2 చూడండి). అధిక వోల్టేజ్ దశలో, వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత ఏకరీతిగా పెరుగుతుందని, కానీ కరెంట్ ప్రవహించనప్పుడు, వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత తగ్గుతూనే ఉంటుందని ఇది చూపిస్తుంది. ప్రస్తుత ప్రయోగాత్మక అమరికలో, శీతలీకరణ దశలో SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత తగ్గింది, కానీ అది ఇప్పటికీ పరిసర ఉష్ణోగ్రత కంటే ఎక్కువగా ఉంది. పటం 2e, LWIR కెమెరా నుండి తీసిన SMA వైర్పై ఉన్న ఉష్ణోగ్రత యొక్క స్నాప్షాట్ను చూపుతుంది. మరోవైపు, పటం 2a డ్రైవ్ సిస్టమ్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన నిరోధక బలాన్ని చూపుతుంది. కండర బలం స్ప్రింగ్ యొక్క పునరుద్ధరణ బలాన్ని మించినప్పుడు, పటం 9aలో చూపిన విధంగా, కదిలే చేయి కదలడం ప్రారంభిస్తుంది. యాక్చుయేషన్ ప్రారంభమైన వెంటనే, కదిలే చేయి సెన్సార్ను తాకుతుంది, దీనివల్ల పటం 2c, dలో చూపిన విధంగా ఒక బాడీ ఫోర్స్ ఏర్పడుతుంది. గరిష్ట ఉష్ణోగ్రత 84°Cకి దగ్గరగా ఉన్నప్పుడు, గమనించిన గరిష్ట బలం 105 N.
ఈ గ్రాఫ్, రెండు చక్రాల సమయంలో SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత మరియు SMA-ఆధారిత బైమోడల్ యాక్యుయేటర్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన బలం యొక్క ప్రయోగాత్మక ఫలితాలను చూపుతుంది. ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ రెండు 10 సెకన్ల చక్రాలలో (ఎరుపు చుక్కలుగా చూపబడింది) వర్తింపజేయబడింది, ప్రతి చక్రం మధ్య 15 సెకన్ల కూల్ డౌన్ వ్యవధి ఉంటుంది. ప్రయోగాల కోసం ఉపయోగించిన SMA వైర్, డైనాలాయ్, ఇంక్. వారి 0.51 మిమీ వ్యాసం గల ఫ్లెక్సినాల్ వైర్. (ఎ) ఈ గ్రాఫ్ రెండు చక్రాలలో పొందిన ప్రయోగాత్మక బలాన్ని చూపుతుంది, (సి, డి) ఒక PACEline CFT/5kN పీజోఎలెక్ట్రిక్ ఫోర్స్ ట్రాన్స్డ్యూసర్పై మూవింగ్ ఆర్మ్ యాక్యుయేటర్ల చర్య యొక్క రెండు స్వతంత్ర ఉదాహరణలను చూపుతాయి, (బి) ఈ గ్రాఫ్ రెండు చక్రాల సమయంలో మొత్తం SMA వైర్ యొక్క గరిష్ట ఉష్ణోగ్రతను చూపుతుంది, (ఇ) FLIR రీసెర్చ్ఐఆర్ సాఫ్ట్వేర్ LWIR కెమెరాను ఉపయోగించి SMA వైర్ నుండి తీసిన ఉష్ణోగ్రత స్నాప్షాట్ను చూపుతుంది. ప్రయోగాలలో పరిగణనలోకి తీసుకున్న జ్యామితీయ పారామితులు పట్టిక ఒకటిలో ఇవ్వబడ్డాయి.
గణిత నమూనా యొక్క అనుకరణ ఫలితాలు మరియు ప్రయోగాత్మక ఫలితాలు 7V ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ పరిస్థితిలో పోల్చబడ్డాయి, ఇది Fig.5లో చూపబడింది. పారామెట్రిక్ విశ్లేషణ ఫలితాల ప్రకారం మరియు SMA వైర్ వేడెక్కే అవకాశాన్ని నివారించడానికి, యాక్చుయేటర్కు 11.2 W శక్తి సరఫరా చేయబడింది. 7V ఇన్పుట్ వోల్టేజ్గా సరఫరా చేయడానికి ప్రోగ్రామబుల్ DC పవర్ సప్లై ఉపయోగించబడింది మరియు వైర్ అంతటా 1.6A కరెంట్ కొలవబడింది. కరెంట్ ప్రయోగించినప్పుడు డ్రైవ్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన బలం మరియు SDR యొక్క ఉష్ణోగ్రత పెరుగుతాయి. 7V ఇన్పుట్ వోల్టేజ్తో, మొదటి సైకిల్ యొక్క అనుకరణ ఫలితాలు మరియు ప్రయోగాత్మక ఫలితాల నుండి పొందిన గరిష్ట అవుట్పుట్ బలం వరుసగా 78 N మరియు 96 N. రెండవ సైకిల్లో, అనుకరణ మరియు ప్రయోగాత్మక ఫలితాల గరిష్ట అవుట్పుట్ బలం వరుసగా 150 N మరియు 105 N. ఆక్లూజన్ ఫోర్స్ కొలతలు మరియు ప్రయోగాత్మక డేటా మధ్య వ్యత్యాసం ఆక్లూజన్ ఫోర్స్ను కొలవడానికి ఉపయోగించిన పద్ధతి కారణంగా ఉండవచ్చు. పటంలో చూపిన ప్రయోగాత్మక ఫలితాలు. 5a లాకింగ్ ఫోర్స్ కొలతకు అనుగుణంగా ఉంటుంది, ఇది డ్రైవ్ షాఫ్ట్ PACEline CFT/5kN పీజోఎలెక్ట్రిక్ ఫోర్స్ ట్రాన్స్డ్యూసర్తో సంపర్కంలో ఉన్నప్పుడు కొలవబడింది, ఇది fig. 2sలో చూపబడింది. అందువల్ల, కూలింగ్ జోన్ ప్రారంభంలో డ్రైవ్ షాఫ్ట్ ఫోర్స్ సెన్సార్తో సంపర్కంలో లేనప్పుడు, ఫోర్స్ వెంటనే సున్నా అవుతుంది, ఇది Fig. 2dలో చూపబడింది. అదనంగా, తదుపరి సైకిల్స్లో ఫోర్స్ ఏర్పడటాన్ని ప్రభావితం చేసే ఇతర పారామీటర్లు కూలింగ్ సమయం విలువలు మరియు మునుపటి సైకిల్లోని కన్వెక్టివ్ హీట్ ట్రాన్స్ఫర్ గుణకం. fig. 2b నుండి, 15 సెకన్ల కూలింగ్ వ్యవధి తర్వాత, SMA వైర్ గది ఉష్ణోగ్రతకు చేరుకోలేదని మరియు అందువల్ల మొదటి సైకిల్ (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\))తో పోలిస్తే రెండవ డ్రైవింగ్ సైకిల్లో అధిక ప్రారంభ ఉష్ణోగ్రత (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) కలిగి ఉందని చూడవచ్చు. ఈ విధంగా, మొదటి చక్రంతో పోలిస్తే, రెండవ తాపన చక్రంలో SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత ప్రారంభ ఆస్టెనైట్ ఉష్ణోగ్రత (\(A_s\))ను ముందుగానే చేరుకుంటుంది మరియు పరివర్తన కాలంలో ఎక్కువసేపు ఉంటుంది, దీని ఫలితంగా ఒత్తిడి మరియు బలం ఏర్పడతాయి. మరోవైపు, ప్రయోగాలు మరియు అనుకరణల నుండి పొందిన తాపన మరియు శీతలీకరణ చక్రాలలోని ఉష్ణోగ్రత పంపిణీలు, థర్మోగ్రాఫిక్ విశ్లేషణలోని ఉదాహరణలతో అధిక గుణాత్మక సారూప్యతను కలిగి ఉన్నాయి. ప్రయోగాలు మరియు అనుకరణల నుండి వచ్చిన SMA వైర్ ఉష్ణ డేటా యొక్క తులనాత్మక విశ్లేషణ, తాపన మరియు శీతలీకరణ చక్రాలలో స్థిరత్వాన్ని మరియు ప్రయోగాత్మక డేటాకు ఆమోదయోగ్యమైన సహన పరిమితులలో ఉన్నట్లు చూపించింది. మొదటి చక్రం యొక్క అనుకరణ మరియు ప్రయోగాల ఫలితాల నుండి పొందిన SMA వైర్ యొక్క గరిష్ట ఉష్ణోగ్రత వరుసగా \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) మరియు \(75\,^{\circ }\hbox { C }\) కాగా, రెండవ చక్రంలో SMA వైర్ యొక్క గరిష్ట ఉష్ణోగ్రత \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) మరియు \(83\,^{\circ }\hbox {C}\)గా ఉంది. ప్రాథమికంగా అభివృద్ధి చేయబడిన నమూనా ఆకార జ్ఞాపక ప్రభావం యొక్క ప్రభావాన్ని నిర్ధారిస్తుంది. ఈ సమీక్షలో అలసట మరియు అధిక వేడిమి పాత్రను పరిగణించలేదు. భవిష్యత్తులో, SMA వైర్ యొక్క ఒత్తిడి చరిత్రను చేర్చడానికి ఈ నమూనాను మెరుగుపరుస్తారు, తద్వారా ఇది ఇంజనీరింగ్ అనువర్తనాలకు మరింత అనుకూలంగా మారుతుంది. 7 V ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ పల్స్ పరిస్థితిలో, సిమ్యులింక్ బ్లాక్ నుండి పొందిన డ్రైవ్ అవుట్పుట్ ఫోర్స్ మరియు SMA ఉష్ణోగ్రత ప్లాట్లు ప్రయోగాత్మక డేటా యొక్క అనుమతించదగిన సహన పరిమితులలోనే ఉన్నాయి. ఇది అభివృద్ధి చేయబడిన గణిత నమూనా యొక్క ఖచ్చితత్వాన్ని మరియు విశ్వసనీయతను నిర్ధారిస్తుంది.
పద్ధతుల విభాగంలో వివరించిన ప్రాథమిక సమీకరణాలను ఉపయోగించి మ్యాథ్వర్క్స్ సిమ్యులింక్ R2020b వాతావరణంలో గణిత నమూనాను అభివృద్ధి చేశారు. పటం 3bలో సిమ్యులింక్ గణిత నమూనా యొక్క బ్లాక్ డయాగ్రమ్ చూపబడింది. పటం 2a, bలో చూపిన విధంగా 7V ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ పల్స్ కోసం ఈ నమూనాను సిమ్యులేట్ చేశారు. సిమ్యులేషన్లో ఉపయోగించిన పారామితుల విలువలు పట్టిక 1లో ఇవ్వబడ్డాయి. తాత్కాలిక ప్రక్రియల సిమ్యులేషన్ ఫలితాలు పటాలు 1 మరియు 1, 3a మరియు 4లో ప్రదర్శించబడ్డాయి. పటం 4a,bలో SMA వైర్లో ప్రేరిత వోల్టేజ్ మరియు యాక్చుయేటర్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన బలం కాలం యొక్క ఫంక్షన్గా చూపబడ్డాయి. రివర్స్ ట్రాన్స్ఫార్మేషన్ (తాపనం) సమయంలో, SMA వైర్ ఉష్ణోగ్రత, \(T < A_s^{\prime}\) (ఒత్తిడి-సవరించిన ఆస్టెనైట్ దశ ప్రారంభ ఉష్ణోగ్రత) అయినప్పుడు, మార్టెన్సైట్ వాల్యూమ్ ఫ్రాక్షన్ (\(\dot{\xi }\)) మార్పు రేటు సున్నాగా ఉంటుంది. రివర్స్ ట్రాన్స్ఫార్మేషన్ (తాపనం) సమయంలో, SMA వైర్ ఉష్ణోగ్రత, \(T < A_s^{\prime}\) (ఒత్తిడి-సవరించిన ఆస్టెనైట్ దశ ప్రారంభ ఉష్ణోగ్రత) అయినప్పుడు, మార్టెన్సైట్ వాల్యూమ్ ఫ్రాక్షన్ (\(\dot{\ xi }\)) మార్పు రేటు సున్నాగా ఉంటుంది. Во время обратного превращения (నాగ్రేవా), కోగ్దా టెంపెరటురా ప్రోవోలోకీ SMA, \(T
(ఎ) SMA-ఆధారిత డైవాలరేట్ యాక్చుయేటర్లో ఉష్ణోగ్రత పంపిణీ మరియు ఒత్తిడి-ప్రేరిత జంక్షన్ ఉష్ణోగ్రతను చూపించే అనుకరణ ఫలితం. తాపన దశలో వైర్ ఉష్ణోగ్రత ఆస్టెనైట్ పరివర్తన ఉష్ణోగ్రతను దాటినప్పుడు, సవరించిన ఆస్టెనైట్ పరివర్తన ఉష్ణోగ్రత పెరగడం ప్రారంభమవుతుంది, మరియు అదేవిధంగా, శీతలీకరణ దశలో వైర్ రాడ్ ఉష్ణోగ్రత మార్టెన్సిటిక్ పరివర్తన ఉష్ణోగ్రతను దాటినప్పుడు, మార్టెన్సిటిక్ పరివర్తన ఉష్ణోగ్రత తగ్గుతుంది. యాక్చుయేషన్ ప్రక్రియ యొక్క విశ్లేషణాత్మక నమూనా కోసం SMA. (సిమ్యులింక్ మోడల్ యొక్క ప్రతి ఉపవ్యవస్థ యొక్క వివరణాత్మక వీక్షణ కోసం, అనుబంధ ఫైల్ యొక్క అపెండిక్స్ విభాగాన్ని చూడండి.)
వివిధ పారామీటర్ పంపిణీల విశ్లేషణ ఫలితాలు 7V ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ యొక్క రెండు చక్రాలకు (10 సెకన్ల వార్మ్ అప్ చక్రాలు మరియు 15 సెకన్ల కూల్ డౌన్ చక్రాలు) చూపబడ్డాయి. (ac) మరియు (e) కాలక్రమేణా పంపిణీని చిత్రీకరిస్తుండగా, మరోవైపు, (d) మరియు (f) ఉష్ణోగ్రతతో పంపిణీని వివరిస్తాయి. సంబంధిత ఇన్పుట్ పరిస్థితుల కోసం, గరిష్టంగా గమనించిన ఒత్తిడి 106 MPa (345 MPa, వైర్ యీల్డ్ స్ట్రెంగ్త్ కంటే తక్కువ), బలం 150 N, గరిష్ట స్థానభ్రంశం 270 µm, మరియు కనిష్ట మార్టెన్సిటిక్ వాల్యూమ్ ఫ్రాక్షన్ 0.91. మరోవైపు, ఉష్ణోగ్రతతో ఒత్తిడిలో మార్పు మరియు మార్టెన్సైట్ యొక్క వాల్యూమ్ ఫ్రాక్షన్లో మార్పు హిస్టెరిసిస్ లక్షణాలను పోలి ఉంటాయి.
ఆస్టెనైట్ దశ నుండి మార్టెన్సైట్ దశకు జరిగే ప్రత్యక్ష పరివర్తన (శీతలీకరణ)కు కూడా ఇదే వివరణ వర్తిస్తుంది, ఇక్కడ SMA వైర్ ఉష్ణోగ్రత (T) మరియు ఒత్తిడి-సవరించిన మార్టెన్సైట్ దశ యొక్క తుది ఉష్ణోగ్రత (\(M_f^{\prime}\ )) అద్భుతంగా ఉంటాయి. పటం 4d,fలో, రెండు డ్రైవింగ్ సైకిల్స్ కోసం, SMA వైర్ ఉష్ణోగ్రత (T)లో మార్పుకు అనుగుణంగా, SMA వైర్లో ప్రేరిత ఒత్తిడి (\(\sigma\)) మరియు మార్టెన్సైట్ ఘనపరిమాణ భిన్నం (\(\xi\))లో మార్పును చూపబడింది. పటం 3aలో, ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ పల్స్పై ఆధారపడి, కాలంతో పాటు SMA వైర్ ఉష్ణోగ్రతలో మార్పును చూపబడింది. పటంలో చూడగలిగినట్లుగా, సున్నా వోల్టేజ్ వద్ద ఉష్ణ మూలాన్ని అందించడం మరియు తదుపరి సంవహన శీతలీకరణ ద్వారా వైర్ ఉష్ణోగ్రత పెరుగుతూనే ఉంటుంది. వేడిచేసేటప్పుడు, SMA వైర్ ఉష్ణోగ్రత (T) ఒత్తిడి-సరిచేయబడిన ఆస్టెనైట్ కేంద్రక ఉష్ణోగ్రతను (\(A_s^{\prime}\)) దాటినప్పుడు, మార్టెన్సైట్ ఆస్టెనైట్ దశగా పునఃపరివర్తన చెందడం ప్రారంభమవుతుంది. ఈ దశలో, SMA వైర్ సంపీడనం చెందుతుంది మరియు యాక్యుయేటర్ బలాన్ని ఉత్పత్తి చేస్తుంది. అలాగే చల్లబరిచేటప్పుడు, SMA వైర్ ఉష్ణోగ్రత (T) ఒత్తిడి-సవరించిన మార్టెన్సైట్ దశ యొక్క కేంద్రక ఉష్ణోగ్రతను (\(M_s^{\prime}\)) దాటినప్పుడు, ఆస్టెనైట్ దశ నుండి మార్టెన్సైట్ దశకు ఒక ధనాత్మక పరివర్తన జరుగుతుంది. చోదక బలం తగ్గుతుంది.
SMA ఆధారిత బైమోడల్ డ్రైవ్ యొక్క ప్రధాన గుణాత్మక అంశాలను సిమ్యులేషన్ ఫలితాల నుండి పొందవచ్చు. వోల్టేజ్ పల్స్ ఇన్పుట్ విషయంలో, జౌల్ తాపన ప్రభావం కారణంగా SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత పెరుగుతుంది. పదార్థం ప్రారంభంలో పూర్తిగా మార్టెన్సైటిక్ దశలో ఉన్నందున, మార్టెన్సైట్ ఘనపరిమాణ భిన్నం (\(\xi\)) యొక్క ప్రారంభ విలువ 1గా సెట్ చేయబడింది. వైర్ వేడెక్కడం కొనసాగించినప్పుడు, SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత ఒత్తిడి-సరిచేయబడిన ఆస్టెనైట్ కేంద్రక ఉష్ణోగ్రత \(A_s^{\prime}\)ను మించిపోతుంది, దీని ఫలితంగా మార్టెన్సైట్ ఘనపరిమాణ భిన్నం తగ్గుతుంది, ఇది చిత్రం 4cలో చూపబడింది. అదనంగా, చిత్రం 4eలో యాక్యుయేటర్ యొక్క స్ట్రోక్ల పంపిణీని కాలక్రమేణా చూపబడింది, మరియు చిత్రం 5లో - డ్రైవింగ్ ఫోర్స్ కాలం యొక్క ఫంక్షన్గా చూపబడింది. సంబంధిత సమీకరణాల వ్యవస్థలో ఉష్ణోగ్రత, మార్టెన్సైట్ ఘనపరిమాణ భిన్నం, మరియు వైర్లో అభివృద్ధి చెందే ఒత్తిడి ఉంటాయి, ఇవి SMA వైర్ సంకోచానికి మరియు యాక్యుయేటర్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన శక్తికి దారితీస్తాయి. చిత్రంలో చూపిన విధంగా. 4d,f, ఉష్ణోగ్రతతో వోల్టేజ్ వైవిధ్యం మరియు ఉష్ణోగ్రతతో మార్టెన్సైట్ వాల్యూమ్ ఫ్రాక్షన్ వైవిధ్యం 7 V వద్ద సిమ్యులేటెడ్ సందర్భంలో SMA యొక్క హిస్టెరిసిస్ లక్షణాలకు అనుగుణంగా ఉంటాయి.
ప్రయోగాలు మరియు విశ్లేషణాత్మక గణనల ద్వారా డ్రైవింగ్ పారామితుల పోలికను పొందడం జరిగింది. వైర్లను 10 సెకన్ల పాటు 7 V పల్స్డ్ ఇన్పుట్ వోల్టేజ్కు గురిచేసి, ఆపై రెండు చక్రాల పాటు 15 సెకన్ల పాటు చల్లబరిచారు (శీతలీకరణ దశ). పిన్నేట్ కోణం \(40^{\circ}\) గా మరియు ప్రతి సింగిల్ పిన్ లెగ్లోని SMA వైర్ యొక్క ప్రారంభ పొడవు 83mm గా సెట్ చేయబడింది. (ఎ) లోడ్ సెల్తో డ్రైవింగ్ బలాన్ని కొలవడం (బి) థర్మల్ ఇన్ఫ్రారెడ్ కెమెరాతో వైర్ ఉష్ణోగ్రతను పర్యవేక్షించడం.
డ్రైవ్ ద్వారా ఉత్పత్తి అయ్యే బలంపై భౌతిక పారామితుల ప్రభావాన్ని అర్థం చేసుకోవడానికి, ఎంచుకున్న భౌతిక పారామితులకు గణిత నమూనా యొక్క సున్నితత్వ విశ్లేషణ నిర్వహించబడింది మరియు వాటి ప్రభావం ప్రకారం పారామితులకు ర్యాంకులు ఇవ్వబడ్డాయి. మొదట, ఏకరీతి పంపిణీని అనుసరించే ప్రయోగాత్మక రూపకల్పన సూత్రాలను ఉపయోగించి నమూనా పారామితుల నమూనా సేకరణ జరిగింది (సున్నితత్వ విశ్లేషణపై అనుబంధ విభాగాన్ని చూడండి). ఈ సందర్భంలో, నమూనా పారామితులలో ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ (\(V_{in}\)), ప్రారంభ SMA వైర్ పొడవు (\(l_0\)), త్రిభుజ కోణం (\(\alpha\)), బయాస్ స్ప్రింగ్ స్థిరాంకం (\( K_x\ )), ఉష్ణ ప్రసరణ గుణకం (\(h_T\)) మరియు ఏకరీతి శాఖల సంఖ్య (n) ఉన్నాయి. తదుపరి దశలో, గరిష్ట కండర బలాన్ని అధ్యయన రూపకల్పన అవసరంగా ఎంచుకున్నారు మరియు బలంపై ప్రతి వేరియబుల్స్ సమితి యొక్క పారామెట్రిక్ ప్రభావాలు పొందబడ్డాయి. సున్నితత్వ విశ్లేషణ కోసం టోర్నాడో ప్లాట్లు ప్రతి పారామీటర్ యొక్క సహసంబంధ గుణకాల నుండి ఉద్భవించాయి, ఇది Fig. 6aలో చూపబడింది.
(ఎ) పైన పేర్కొన్న మోడల్ పారామీటర్ల యొక్క 2500 ప్రత్యేక సమూహాల సహసంబంధ గుణాంక విలువలు మరియు గరిష్ట అవుట్పుట్ బలంపై వాటి ప్రభావం టోర్నాడో ప్లాట్లో చూపబడ్డాయి. ఈ గ్రాఫ్ అనేక సూచికల ర్యాంక్ సహసంబంధాన్ని చూపుతుంది. \(V_{in}\) మాత్రమే ధనాత్మక సహసంబంధం ఉన్న పారామీటర్ అని, మరియు \(l_0\) అత్యధిక రుణాత్మక సహసంబంధం ఉన్న పారామీటర్ అని స్పష్టంగా తెలుస్తుంది. గరిష్ట కండర బలంపై వివిధ పారామీటర్ల యొక్క వివిధ కలయికల ప్రభావం (బి, సి) లలో చూపబడింది. \(K_x\) 400 నుండి 800 N/m వరకు మరియు n 4 నుండి 24 వరకు ఉంటుంది. వోల్టేజ్ (\(V_{in}\)) 4V నుండి 10V వరకు, వైర్ పొడవు (\(l_{0 }\)) 40 నుండి 100 mm వరకు, మరియు తోక కోణం (\(\alpha\)) \(20 – 60°\) వరకు మారాయి.
పటం 6a, గరిష్ట డ్రైవ్ ఫోర్స్ డిజైన్ అవసరాలతో ప్రతి పారామీటర్ యొక్క వివిధ సహసంబంధ గుణకాల యొక్క టోర్నాడో ప్లాట్ను చూపుతుంది. పటం 6a నుండి, వోల్టేజ్ పారామీటర్ (\(V_{in}\)) గరిష్ట అవుట్పుట్ ఫోర్స్తో నేరుగా సంబంధం కలిగి ఉందని, మరియు ఉష్ణ ప్రసరణ గుణకం (\(h_T\)), జ్వాల కోణం (\( \alpha\)), స్థానభ్రంశ స్ప్రింగ్ స్థిరాంకం (\(K_x\)) అవుట్పుట్ ఫోర్స్తో ప్రతికూలంగా సంబంధం కలిగి ఉన్నాయని, మరియు SMA వైర్ యొక్క ప్రారంభ పొడవు (\(l_0\)), మరియు ఏకరీతి శాఖల సంఖ్య (n) బలమైన విలోమ సంబంధాన్ని చూపుతున్నాయని చూడవచ్చు. వోల్టేజ్ సహసంబంధ గుణకం (\(V_ {in}\)) యొక్క అధిక విలువ, ఈ పారామీటర్ పవర్ అవుట్పుట్పై అత్యధిక ప్రభావాన్ని చూపుతుందని సూచిస్తుంది. పటం 6b, c లో చూపిన విధంగా, రెండు గణన స్థలాల యొక్క విభిన్న కలయికలలో వేర్వేరు పారామీటర్ల ప్రభావాన్ని మూల్యాంకనం చేయడం ద్వారా గరిష్ట ఫోర్స్ను కొలిచే మరొక సారూప్య విశ్లేషణ ఉంది. \(V_{in}\) మరియు \(l_0\), \(\alpha\) మరియు \(l_0\) ఒకే విధమైన నమూనాలను కలిగి ఉన్నాయి, మరియు గ్రాఫ్ కూడా \(V_{in}\) మరియు \(\alpha\) ఒకే విధమైన నమూనాలను కలిగి ఉన్నాయని చూపిస్తుంది. \(l_0\) యొక్క చిన్న విలువలు అధిక శిఖర బలాలకు దారితీస్తాయి. మిగిలిన రెండు ప్లాట్లు చిత్రం 6aకి అనుగుణంగా ఉన్నాయి, ఇక్కడ n మరియు \(K_x\) ప్రతికూలంగా పరస్పర సంబంధం కలిగి ఉంటాయి మరియు \(V_{in}\) సానుకూలంగా పరస్పర సంబంధం కలిగి ఉంటాయి. ఈ విశ్లేషణ, ప్రభావిత పారామితులను నిర్వచించడానికి మరియు సర్దుబాటు చేయడానికి సహాయపడుతుంది, దీని ద్వారా డ్రైవ్ సిస్టమ్ యొక్క అవుట్పుట్ బలం, స్ట్రోక్ మరియు సామర్థ్యాన్ని అవసరాలు మరియు అనువర్తనానికి అనుగుణంగా మార్చవచ్చు.
ప్రస్తుత పరిశోధన పని N స్థాయిలతో కూడిన శ్రేణిబద్ధ డ్రైవ్లను పరిచయం చేసి, పరిశోధిస్తోంది. పటం 7aలో చూపిన రెండు-స్థాయిల శ్రేణిలో, మొదటి స్థాయి యాక్యుయేటర్ యొక్క ప్రతి SMA వైర్కు బదులుగా, పటం 9eలో చూపిన విధంగా ఒక ద్విరూప అమరిక సాధించబడుతుంది. పటం 7cలో, SMA వైర్ కేవలం నిలువు దిశలో మాత్రమే కదిలే ఒక కదిలే చేయి (సహాయక చేయి) చుట్టూ ఎలా చుట్టబడిందో చూపబడింది. అయితే, ప్రాథమిక కదిలే చేయి, 1వ దశ బహుళ-దశల యాక్యుయేటర్ యొక్క కదిలే చేయి వలె అదే పద్ధతిలో కదులుతూనే ఉంటుంది. సాధారణంగా, \(N-1\)వ దశ SMA వైర్ను మొదటి-దశ డ్రైవ్తో భర్తీ చేయడం ద్వారా ఒక N-దశల డ్రైవ్ సృష్టించబడుతుంది. ఫలితంగా, వైర్ను పట్టుకున్న శాఖ మినహా, ప్రతి శాఖ మొదటి దశ డ్రైవ్ను అనుకరిస్తుంది. ఈ విధంగా, ప్రాథమిక డ్రైవ్ల బలాల కంటే అనేక రెట్లు ఎక్కువ బలాలను సృష్టించే అంతర్గత నిర్మాణాలను ఏర్పరచవచ్చు. ఈ అధ్యయనంలో, ప్రతి స్థాయికి, 1 మీటర్ మొత్తం ప్రభావవంతమైన SMA వైర్ పొడవును పరిగణనలోకి తీసుకున్నారు, ఇది Fig. 7d లో పట్టిక రూపంలో చూపబడింది. ప్రతి యూనిమోడల్ డిజైన్లో ప్రతి వైర్ ద్వారా ప్రవహించే కరెంట్ మరియు ప్రతి SMA వైర్ సెగ్మెంట్లో ఫలిత ప్రీస్ట్రెస్ మరియు వోల్టేజ్ ప్రతి స్థాయిలో ఒకే విధంగా ఉంటాయి. మా విశ్లేషణాత్మక నమూనా ప్రకారం, అవుట్పుట్ ఫోర్స్ స్థాయికి అనులోమానుపాతంలో ఉండగా, డిస్ప్లేస్మెంట్ ప్రతికూలంగా సంబంధం కలిగి ఉంటుంది. అదే సమయంలో, డిస్ప్లేస్మెంట్ మరియు కండర బలం మధ్య ఒక ట్రేడ్-ఆఫ్ ఉంది. Fig. 7b లో చూసినట్లుగా, అత్యధిక సంఖ్యలో పొరలలో గరిష్ట బలం సాధించబడినప్పటికీ, అత్యల్ప పొరలో అత్యధిక డిస్ప్లేస్మెంట్ గమనించబడింది. హైరార్కీ స్థాయిని \(N=5\) గా సెట్ చేసినప్పుడు, 2 \(\upmu\)m స్ట్రోక్లతో 2.58 kN గరిష్ట కండర బలం కనుగొనబడింది. మరోవైపు, మొదటి దశ డ్రైవ్ 277 \(\upmu\)m స్ట్రోక్ వద్ద 150 N బలాన్ని ఉత్పత్తి చేస్తుంది. బహుళ-స్థాయి యాక్యుయేటర్లు నిజమైన జీవ కండరాలను అనుకరించగలవు, అయితే షేప్ మెమరీ మిశ్రమలోహాలపై ఆధారపడిన కృత్రిమ కండరాలు కచ్చితమైన మరియు సూక్ష్మమైన కదలికలతో గణనీయంగా అధిక బలాలను ఉత్పత్తి చేయగలవు. ఈ సూక్ష్మీకరించిన డిజైన్ యొక్క పరిమితులు ఏమిటంటే, శ్రేణి పెరిగేకొద్దీ, కదలిక బాగా తగ్గిపోతుంది మరియు డ్రైవ్ తయారీ ప్రక్రియ యొక్క సంక్లిష్టత పెరుగుతుంది.
(a) రెండు-దశల (\(N=2\)) పొరల ఆకార జ్ఞాపక మిశ్రమలోహ లీనియర్ యాక్యుయేటర్ వ్యవస్థ ఒక బైమోడల్ కాన్ఫిగరేషన్లో చూపబడింది. మొదటి దశ పొరల యాక్యుయేటర్లోని SMA వైర్ను మరొక ఏక-దశ పొరల యాక్యుయేటర్తో భర్తీ చేయడం ద్వారా ప్రతిపాదిత నమూనా సాధించబడింది. (c) రెండవ దశ బహుళ-పొరల యాక్యుయేటర్ యొక్క రూపాంతరం చెందిన కాన్ఫిగరేషన్. (b) స్థాయిల సంఖ్యపై ఆధారపడి బలాలు మరియు స్థానభ్రంశాల పంపిణీ వివరించబడింది. యాక్యుయేటర్ యొక్క గరిష్ట బలం గ్రాఫ్లోని స్కేల్ స్థాయికి అనులోమానుపాతంలో సంబంధం కలిగి ఉందని, అయితే స్ట్రోక్ స్కేల్ స్థాయికి అనులోమానుపాతంలో సంబంధం కలిగి ఉందని కనుగొనబడింది. ప్రతి వైర్లోని కరెంట్ మరియు ప్రీ-వోల్టేజ్ అన్ని స్థాయిలలో స్థిరంగా ఉంటాయి. (d) ప్రతి స్థాయిలో ట్యాప్ల సంఖ్య మరియు SMA వైర్ (ఫైబర్) పొడవును పట్టిక చూపుతుంది. వైర్ల లక్షణాలు సూచిక 1 ద్వారా సూచించబడ్డాయి మరియు ద్వితీయ శాఖల సంఖ్య (ప్రాథమిక లెగ్కు అనుసంధానించబడినది) సబ్స్క్రిప్ట్లోని అతిపెద్ద సంఖ్య ద్వారా సూచించబడింది. ఉదాహరణకు, లెవల్ 5 వద్ద, \(n_1\) అనేది ప్రతి బైమోడల్ నిర్మాణంలో ఉన్న SMA వైర్ల సంఖ్యను సూచిస్తుంది మరియు \(n_5\) అనేది సహాయక లెగ్ల సంఖ్యను సూచిస్తుంది (ఒకటి ప్రధాన లెగ్కు అనుసంధానించబడి ఉంటుంది).
ఆకార స్మృతి కలిగిన SMAల ప్రవర్తనను నమూనా చేయడానికి చాలా మంది పరిశోధకులు వివిధ పద్ధతులను ప్రతిపాదించారు, ఇవి దశ పరివర్తనతో సంబంధం ఉన్న స్ఫటిక నిర్మాణంలో స్థూల మార్పులతో పాటు వచ్చే ఉష్ణయాంత్రిక లక్షణాలపై ఆధారపడి ఉంటాయి. నిర్మాణాత్మక పద్ధతుల సూత్రీకరణ స్వభావరీత్యా సంక్లిష్టమైనది. అత్యంత సాధారణంగా ఉపయోగించే దృగ్విషయ నమూనాను తనాకా28 ప్రతిపాదించారు మరియు ఇది ఇంజనీరింగ్ అనువర్తనాలలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతుంది. తనాకా [28] ప్రతిపాదించిన దృగ్విషయ నమూనా, మార్టెన్సైట్ యొక్క ఘనపరిమాణ భిన్నం ఉష్ణోగ్రత మరియు ఒత్తిడి యొక్క ఘాతాంక ప్రమేయం అని ఊహిస్తుంది. తరువాత, లియాంగ్ మరియు రోజర్స్29 మరియు బ్రిన్సన్30, నమూనాకు స్వల్ప మార్పులతో, దశ పరివర్తన గతిశాస్త్రం వోల్టేజ్ మరియు ఉష్ణోగ్రత యొక్క కొసైన్ ప్రమేయంగా ఉంటుందని ఊహించిన ఒక నమూనాను ప్రతిపాదించారు. బెకర్ మరియు బ్రిన్సన్ ఏకపక్ష లోడింగ్ పరిస్థితులలో అలాగే పాక్షిక పరివర్తనల కింద SMA పదార్థాల ప్రవర్తనను నమూనా చేయడానికి దశ రేఖాచిత్రం ఆధారిత గతిశాస్త్ర నమూనాను ప్రతిపాదించారు. బానర్జీ32, ఎలాహినియా మరియు అహ్మదియన్33 అభివృద్ధి చేసిన ఒకే డిగ్రీ ఆఫ్ ఫ్రీడమ్ మానిప్యులేటర్ను అనుకరించడానికి బెకర్ మరియు బ్రిన్సన్31 దశ రేఖాచిత్ర గతిశాస్త్ర పద్ధతిని ఉపయోగిస్తారు. ఉష్ణోగ్రతతో వోల్టేజ్లో వచ్చే ఏకరీతి కాని మార్పును పరిగణనలోకి తీసుకునే, ఫేజ్ డయాగ్రామ్లపై ఆధారపడిన కైనెటిక్ పద్ధతులను ఇంజనీరింగ్ అనువర్తనాలలో అమలు చేయడం కష్టం. ఎలాఖినియా మరియు అహ్మదియన్ ప్రస్తుత ఫినోమెనోలాజికల్ మోడళ్లలోని ఈ లోపాలను ఎత్తిచూపుతూ, ఏవైనా సంక్లిష్టమైన లోడింగ్ పరిస్థితులలో షేప్ మెమరీ ప్రవర్తనను విశ్లేషించడానికి మరియు నిర్వచించడానికి ఒక విస్తరించిన ఫినోమెనోలాజికల్ మోడల్ను ప్రతిపాదించారు.
SMA వైర్ యొక్క నిర్మాణాత్మక నమూనా SMA వైర్ యొక్క ఒత్తిడి (\(\sigma\)), వికృతి (\(\epsilon\)), ఉష్ణోగ్రత (T), మరియు మార్టెన్సైట్ ఘనపరిమాణ భిన్నం (\(\xi\)) లను ఇస్తుంది. దృగ్విషయ సంవిధాన నమూనాను మొదట తనాకా28 ప్రతిపాదించారు మరియు తరువాత లియాంగ్29 మరియు బ్రిన్సన్30 దీనిని స్వీకరించారు. సమీకరణం యొక్క అవకలనం ఈ రూపంలో ఉంటుంది:
ఇక్కడ E అనేది \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) సూత్రాన్ని ఉపయోగించి పొందిన దశపై ఆధారపడిన SMA యంగ్ మాడ్యులస్, మరియు \(E_A\) మరియు \(E_M\) లు వరుసగా ఆస్టెనిటిక్ మరియు మార్టెన్సిటిక్ దశలను సూచిస్తాయి, మరియు ఉష్ణ వ్యాకోచ గుణకం \(\theta _T\) ద్వారా సూచించబడుతుంది. దశ పరివర్తన దోహద కారకం \(\Omega = -E \epsilon _L\) మరియు \(\epsilon _L\) అనేది SMA వైర్లో గరిష్టంగా పునరుద్ధరించగల స్ట్రెయిన్.
దశ గతిశాస్త్ర సమీకరణం, తనాకా28 ప్రతిపాదించిన ఘాతాంక ప్రమేయానికి బదులుగా, లియాంగ్29 అభివృద్ధి చేసి, తరువాత బ్రిన్సన్30 స్వీకరించిన కొసైన్ ప్రమేయంతో ఏకీభవిస్తుంది. దశ పరివర్తన నమూనా అనేది ఎలాఖినియా మరియు అహ్మదియన్34 ప్రతిపాదించిన నమూనా యొక్క విస్తరణ మరియు లియాంగ్29 మరియు బ్రిన్సన్30 ఇచ్చిన దశ పరివర్తన పరిస్థితుల ఆధారంగా సవరించబడింది. ఈ దశ పరివర్తన నమూనా కోసం ఉపయోగించిన పరిస్థితులు సంక్లిష్టమైన ఉష్ణయాంత్రిక భారాల కింద చెల్లుబాటు అవుతాయి. నిర్మాణాత్మక సమీకరణాన్ని నమూనా చేసేటప్పుడు, ప్రతి క్షణంలో మార్టెన్సైట్ యొక్క ఘనపరిమాణ భిన్నం విలువ లెక్కించబడుతుంది.
తాపన పరిస్థితులలో మార్టెన్సైట్ ఆస్టెనైట్గా రూపాంతరం చెందడాన్ని సూచించే నియంత్రణ పునఃపరివర్తన సమీకరణం ఈ క్రింది విధంగా ఉంటుంది:
ఇక్కడ \(\xi\) అనేది మార్టెన్సైట్ యొక్క ఘనపరిమాణ భిన్నం, \(\xi _M\) అనేది వేడి చేయడానికి ముందు పొందిన మార్టెన్సైట్ యొక్క ఘనపరిమాణ భిన్నం, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) మరియు \(C_A\) – కర్వ్ అప్రాక్సిమేషన్ పారామీటర్లు, T – SMA వైర్ ఉష్ణోగ్రత, \(A_s\) మరియు \(A_f\) – వరుసగా ఆస్టెనైట్ దశ యొక్క ప్రారంభ మరియు ముగింపు ఉష్ణోగ్రతలు.
శీతలీకరణ పరిస్థితులలో ఆస్టెనైట్ నుండి మార్టెన్సైట్గా జరిగే దశ పరివర్తన ద్వారా సూచించబడిన ప్రత్యక్ష పరివర్తన నియంత్రణ సమీకరణం:
ఇక్కడ \(\xi _A\) అనేది శీతలీకరణకు ముందు పొందిన మార్టెన్సైట్ యొక్క ఘనపరిమాణ భిన్నం, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) మరియు \ ( C_M \) – కర్వ్ ఫిట్టింగ్ పారామీటర్లు, T – SMA వైర్ ఉష్ణోగ్రత, \(M_s\) మరియు \(M_f\) – వరుసగా ప్రారంభ మరియు తుది మార్టెన్సైట్ ఉష్ణోగ్రతలు.
సమీకరణాలు (3) మరియు (4) అవకలనం చేయబడిన తర్వాత, విలోమ మరియు ప్రత్యక్ష పరివర్తన సమీకరణాలు క్రింది రూపంలో సరళీకృతం చేయబడతాయి:
పురోగామి మరియు తిరోగామి పరివర్తన సమయంలో \(\eta _{\sigma}\) మరియు \(\eta _{T}\) వేర్వేరు విలువలను తీసుకుంటాయి. \(\eta _{\sigma}\) మరియు \(\eta _{T}\) లకు సంబంధించిన ప్రాథమిక సమీకరణాలు ఉత్పాదించబడి, ఒక అదనపు విభాగంలో వివరంగా చర్చించబడ్డాయి.
SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రతను పెంచడానికి అవసరమైన ఉష్ణ శక్తి జౌల్ తాపన ప్రభావం నుండి వస్తుంది. SMA వైర్ ద్వారా శోషించబడిన లేదా విడుదల చేయబడిన ఉష్ణ శక్తిని గుప్త పరివర్తన ఉష్ణం సూచిస్తుంది. SMA వైర్లో ఉష్ణ నష్టం బలవంతపు సంవహనం కారణంగా జరుగుతుంది, మరియు రేడియేషన్ ప్రభావం చాలా తక్కువగా ఉన్నందున, ఉష్ణ శక్తి సమతుల్య సమీకరణం ఈ క్రింది విధంగా ఉంటుంది:
ఇక్కడ \(m_{wire}\) అనేది SMA వైర్ యొక్క మొత్తం ద్రవ్యరాశి, \(c_{p}\) అనేది SMA యొక్క విశిష్ట ఉష్ణ సామర్థ్యం, \(V_{in}\) అనేది వైర్కు వర్తింపజేసిన వోల్టేజ్, \(R_{ohm}\) – SMA యొక్క దశ-ఆధారిత నిరోధకత, దీనిని ఈ విధంగా నిర్వచించారు; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) ఇక్కడ \(r_M\ ) మరియు \(r_A\) అనేవి వరుసగా మార్టెన్సైట్ మరియు ఆస్టెనైట్లలో SMA దశ నిరోధకతలు, \(A_{c}\) అనేది SMA వైర్ యొక్క ఉపరితల వైశాల్యం, \(\Delta H\) అనేది వైర్ యొక్క ఆకార జ్ఞాపక మిశ్రమలోహం. T మరియు \(T_{\infty}\) అనేవి వరుసగా SMA వైర్ మరియు పరిసరాల ఉష్ణోగ్రతలు.
ఒక షేప్ మెమరీ అల్లాయ్ వైర్ను యాక్చుయేట్ చేసినప్పుడు, ఆ వైర్ సంకోచించి, బైమోడల్ డిజైన్లోని ప్రతి శాఖలో ఫైబర్ ఫోర్స్ అని పిలువబడే ఒక బలాన్ని సృష్టిస్తుంది. SMA వైర్లోని ప్రతి స్ట్రాండ్లోని ఫైబర్ల బలాలు కలిసి యాక్చుయేట్ చేయడానికి అవసరమైన మజిల్ ఫోర్స్ను సృష్టిస్తాయి, ఇది Fig. 9eలో చూపబడింది. బయాసింగ్ స్ప్రింగ్ ఉండటం వల్ల, Nవ మల్టీలేయర్ యాక్చుయేటర్ యొక్క మొత్తం మజిల్ ఫోర్స్:
సమీకరణం (7) లో \(N = 1\) ను ప్రతిక్షేపించడం ద్వారా, మొదటి దశ బైమోడల్ డ్రైవ్ ప్రోటోటైప్ యొక్క కండరాల బలాన్ని ఈ క్రింది విధంగా పొందవచ్చు:
ఇక్కడ n అనేది యూనిమోడల్ లెగ్స్ సంఖ్య, \(F_m\) అనేది డ్రైవ్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన కండర శక్తి, \(F_f\) అనేది SMA వైర్లోని ఫైబర్ బలం, \(K_x\) అనేది బయాస్ స్టిఫ్నెస్. స్ప్రింగ్, \(\alpha\) అనేది త్రిభుజం యొక్క కోణం, \(x_0\) అనేది SMA కేబుల్ను ప్రీ-టెన్షన్డ్ స్థితిలో ఉంచడానికి బయాస్ స్ప్రింగ్ యొక్క ప్రారంభ ఆఫ్సెట్, మరియు \(\Delta x\) అనేది యాక్యుయేటర్ ప్రయాణం.
Nవ దశ యొక్క SMA వైర్పై ఉన్న వోల్టేజ్ (\(\sigma\)) మరియు స్ట్రెయిన్ (\(\epsilon\)) పై ఆధారపడి ఉండే డ్రైవ్ యొక్క మొత్తం స్థానభ్రంశం లేదా కదలిక (\(\Delta x\)), డ్రైవ్ ఈ విధంగా సెట్ చేయబడింది (పటంలో అవుట్పుట్ యొక్క అదనపు భాగాన్ని చూడండి):
గతిశాస్త్ర సమీకరణాలు డ్రైవ్ విరూపణ (\(\epsilon\)) మరియు స్థానభ్రంశం లేదా స్థానభ్రంశం (\(\Delta x\)) మధ్య సంబంధాన్ని ఇస్తాయి. ఒక ఏకరీతి శాఖలో ప్రారంభ ఆర్బ్ వైర్ పొడవు (\(l_0\)) మరియు ఏ సమయంలోనైనా t వద్ద వైర్ పొడవు (l) యొక్క ప్రమేయంగా ఆర్బ్ వైర్ యొక్క విరూపణ ఈ క్రింది విధంగా ఉంటుంది:
ఇక్కడ \(\Delta\)ABB ' లో కొసైన్ సూత్రాన్ని వర్తింపజేయడం ద్వారా \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) పొందబడుతుంది, ఇది పటం 8లో చూపబడింది. మొదటి దశ డ్రైవ్ (\(N = 1\)) కోసం, \(\Delta x_1\) అనేది \(\Delta x\), మరియు \(\alpha _1\) అనేది \(\alpha \) అవుతుంది, ఇది పటం 8లో చూపబడింది. సమీకరణం (11) నుండి సమయాన్ని అవకలనం చేసి, l విలువను ప్రతిక్షేపించడం ద్వారా, స్ట్రెయిన్ రేటును ఈ విధంగా వ్రాయవచ్చు:
ఇక్కడ \(l_0\) అనేది SMA వైర్ యొక్క ప్రారంభ పొడవు, l అనేది ఒక యూనిమోడల్ బ్రాంచ్లో ఏ సమయంలోనైనా t వద్ద వైర్ పొడవు, \(\epsilon\) అనేది SMA వైర్లో అభివృద్ధి చెందిన వైకల్యం, మరియు \(\alpha\) అనేది త్రిభుజం యొక్క కోణం, \(\Deltax\) అనేది డ్రైవ్ ఆఫ్సెట్ (మూర్తి 8లో చూపిన విధంగా).
అన్ని n సింగిల్-పీక్ నిర్మాణాలు (ఈ చిత్రంలో \(n=6\)) ఇన్పుట్ వోల్టేజ్గా \(V_{in}\) తో శ్రేణిలో అనుసంధానించబడ్డాయి. మొదటి దశ: సున్నా వోల్టేజ్ పరిస్థితులలో బైమోడల్ కాన్ఫిగరేషన్లో SMA వైర్ యొక్క స్కీమాటిక్ రేఖాచిత్రం. రెండవ దశ: ఎరుపు గీతతో చూపిన విధంగా, విలోమ మార్పిడి కారణంగా SMA వైర్ సంపీడనం చెందిన నియంత్రిత నిర్మాణం చూపబడింది.
ఒక భావన యొక్క నిరూపణగా, అంతర్లీన సమీకరణాల అనుకరణ ఉత్పాదనను ప్రయోగాత్మక ఫలితాలతో పరీక్షించడానికి SMA-ఆధారిత బైమోడల్ డ్రైవ్ అభివృద్ధి చేయబడింది. బైమోడల్ లీనియర్ యాక్యుయేటర్ యొక్క CAD నమూనా పటం 9aలో చూపబడింది. మరోవైపు, పటం 9cలో బైమోడల్ నిర్మాణంతో కూడిన రెండు-తలాల SMA-ఆధారిత యాక్యుయేటర్ను ఉపయోగించి, భ్రమణ ప్రిస్మాటిక్ కనెక్షన్ కోసం ప్రతిపాదించబడిన ఒక కొత్త డిజైన్ చూపబడింది. డ్రైవ్ భాగాలను అల్టిమేకర్ 3 ఎక్స్టెండెడ్ 3D ప్రింటర్లో యాడిటివ్ మ్యానుఫ్యాక్చరింగ్ ఉపయోగించి తయారు చేశారు. భాగాల 3D ప్రింటింగ్ కోసం ఉపయోగించిన పదార్థం పాలికార్బోనేట్, ఇది బలంగా, మన్నికగా ఉండి, అధిక గ్లాస్ ట్రాన్సిషన్ ఉష్ణోగ్రతను (110-113 °C) కలిగి ఉన్నందున ఉష్ణ నిరోధక పదార్థాలకు అనుకూలంగా ఉంటుంది. అదనంగా, ప్రయోగాలలో డైనాలాయ్, ఇంక్. ఫ్లెక్సినాల్ షేప్ మెమరీ మిశ్రమలోహ తీగను ఉపయోగించారు, మరియు ఫ్లెక్సినాల్ తీగకు సంబంధించిన పదార్థ లక్షణాలను అనుకరణలలో ఉపయోగించారు. బహుళ పొరల యాక్యుయేటర్ల ద్వారా ఉత్పత్తి అయ్యే అధిక బలాలను పొందడానికి, కండరాల ద్విరూప అమరికలో ఫైబర్లుగా బహుళ SMA వైర్లు అమర్చబడి ఉంటాయి, ఇది Fig. 9b, d లో చూపబడింది.
పటం 9aలో చూపిన విధంగా, కదిలే ఆర్మ్ SMA వైర్ ద్వారా ఏర్పడిన అల్పకోణాన్ని కోణం (\(\alpha\)) అంటారు. ఎడమ మరియు కుడి క్లాంపులకు జతచేయబడిన టెర్మినల్ క్లాంపులతో, SMA వైర్ కావలసిన బైమోడల్ కోణంలో ఉంచబడుతుంది. స్ప్రింగ్ కనెక్టర్పై ఉన్న బయాస్ స్ప్రింగ్ పరికరం, SMA ఫైబర్ల సంఖ్య (n) ప్రకారం విభిన్న బయాస్ స్ప్రింగ్ ఎక్స్టెన్షన్ గ్రూపులను సర్దుబాటు చేయడానికి రూపొందించబడింది. అదనంగా, బలవంతపు ఉష్ణప్రసరణ శీతలీకరణ కోసం SMA వైర్ బాహ్య వాతావరణానికి బహిర్గతమయ్యే విధంగా కదిలే భాగాల స్థానం రూపొందించబడింది. బరువును తగ్గించడానికి రూపొందించిన ఎక్స్ట్రూడెడ్ కటౌట్లతో, వేరు చేయగల అసెంబ్లీ యొక్క పై మరియు క్రింది ప్లేట్లు SMA వైర్ను చల్లగా ఉంచడంలో సహాయపడతాయి. అదనంగా, CMA వైర్ యొక్క రెండు చివరలు ఒక క్రింప్ సహాయంతో వరుసగా ఎడమ మరియు కుడి టెర్మినల్స్కు స్థిరపరచబడ్డాయి. పై మరియు క్రింది ప్లేట్ల మధ్య క్లియరెన్స్ను నిర్వహించడానికి కదిలే అసెంబ్లీ యొక్క ఒక చివరకు ఒక ప్లంగర్ జోడించబడింది. SMA వైర్ యాక్చుయేట్ అయినప్పుడు బ్లాకింగ్ ఫోర్స్ను కొలవడానికి, ఒక కాంటాక్ట్ ద్వారా సెన్సార్కు బ్లాకింగ్ ఫోర్స్ను వర్తింపజేయడానికి కూడా ఈ ప్లంగర్ ఉపయోగించబడుతుంది.
ద్విరూప కండర నిర్మాణం SMA విద్యుత్ పరంగా శ్రేణిలో అనుసంధానించబడి, ఒక ఇన్పుట్ పల్స్ వోల్టేజ్ ద్వారా శక్తిని పొందుతుంది. వోల్టేజ్ పల్స్ చక్రం సమయంలో, వోల్టేజ్ ప్రయోగించినప్పుడు మరియు SMA తీగ ఆస్టెనైట్ యొక్క ప్రారంభ ఉష్ణోగ్రత కంటే ఎక్కువగా వేడెక్కినప్పుడు, ప్రతి పోగులోని తీగ పొడవు తగ్గిపోతుంది. ఈ సంకోచం కదిలే ఆర్మ్ సబ్అసెంబ్లీని క్రియాశీలం చేస్తుంది. అదే చక్రంలో వోల్టేజ్ను సున్నా చేసినప్పుడు, వేడెక్కిన SMA తీగ మార్టెన్సైట్ ఉపరితలం యొక్క ఉష్ణోగ్రత కంటే తక్కువకు చల్లబడి, తద్వారా దాని అసలు స్థానానికి తిరిగి వస్తుంది. సున్నా ఒత్తిడి పరిస్థితులలో, SMA తీగ మొదట డిట్విన్డ్ మార్టెన్సైటిక్ స్థితికి చేరుకోవడానికి ఒక బయాస్ స్ప్రింగ్ ద్వారా నిష్క్రియాత్మకంగా సాగదీయబడుతుంది. SMA తీగకు వోల్టేజ్ పల్స్ ప్రయోగించడం ద్వారా ఏర్పడిన సంపీడనం కారణంగా (SPA ఆస్టెనైట్ దశకు చేరుకుంటుంది), ఆ తీగ వెళ్ళే స్క్రూ కదులుతుంది, ఇది కదిలే లివర్ యొక్క క్రియాశీలతకు దారితీస్తుంది. SMA తీగను వెనక్కి లాగినప్పుడు, బయాస్ స్ప్రింగ్ మరింత సాగదీయడం ద్వారా ఒక వ్యతిరేక శక్తిని సృష్టిస్తుంది. ప్రేరక వోల్టేజ్లోని ఒత్తిడి సున్నా అయినప్పుడు, బలవంతపు ఉష్ణప్రసరణ శీతలీకరణ కారణంగా SMA తీగ సాగి, దాని ఆకారాన్ని మార్చుకుని, ద్వంద్వ మార్టెన్సిటిక్ దశకు చేరుకుంటుంది.
ప్రతిపాదిత SMA-ఆధారిత లీనియర్ యాక్యుయేటర్ వ్యవస్థ ఒక బైమోడల్ కాన్ఫిగరేషన్ను కలిగి ఉంది, దీనిలో SMA వైర్లు కోణంలో అమర్చబడి ఉంటాయి. (a) ప్రోటోటైప్ యొక్క CAD మోడల్ను వర్ణిస్తుంది, ఇది ప్రోటోటైప్ కోసం కొన్ని భాగాలను మరియు వాటి అర్థాలను పేర్కొంటుంది, (b, d) అభివృద్ధి చేయబడిన ప్రయోగాత్మక ప్రోటోటైప్35ను సూచిస్తాయి. (b) విద్యుత్ కనెక్షన్లు మరియు ఉపయోగించిన బయాస్ స్ప్రింగ్లు మరియు స్ట్రెయిన్ గేజ్లతో ప్రోటోటైప్ యొక్క టాప్ వ్యూను చూపిస్తుండగా, (d) సెటప్ యొక్క పర్స్పెక్టివ్ వ్యూను చూపుతుంది. (e) ఏ సమయంలోనైనా t వద్ద బైమోడల్గా ఉంచబడిన SMA వైర్లతో కూడిన లీనియర్ యాక్యుయేషన్ వ్యవస్థ యొక్క రేఖాచిత్రం, ఇది ఫైబర్ మరియు కండరాల బలం యొక్క దిశ మరియు మార్గాన్ని చూపుతుంది. (c) రెండు-ప్లేన్ SMA-ఆధారిత యాక్యుయేటర్ను అమర్చడానికి 2-DOF రొటేషనల్ ప్రిస్మాటిక్ కనెక్షన్ ప్రతిపాదించబడింది. చూపిన విధంగా, ఈ లింక్ దిగువ డ్రైవ్ నుండి పై ఆర్మ్కు లీనియర్ చలనాన్ని ప్రసారం చేస్తుంది, తద్వారా ఒక రొటేషనల్ కనెక్షన్ను సృష్టిస్తుంది. మరోవైపు, జత ప్రిజమ్ల కదలిక, మల్టీలేయర్ ఫస్ట్ స్టేజ్ డ్రైవ్ యొక్క కదలికతో సమానంగా ఉంటుంది.
SMA ఆధారిత బైమోడల్ డ్రైవ్ యొక్క పనితీరును మూల్యాంకనం చేయడానికి, పటం 9bలో చూపిన నమూనాపై ఒక ప్రయోగాత్మక అధ్యయనం నిర్వహించబడింది. పటం 10aలో చూపిన విధంగా, SMA వైర్లకు ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ను సరఫరా చేయడానికి, ప్రయోగాత్మక అమరికలో ఒక ప్రోగ్రామబుల్ DC పవర్ సప్లై ఉంది. పటం 10bలో చూపిన విధంగా, గ్రాఫ్టెక్ GL-2000 డేటా లాగర్ను ఉపయోగించి బ్లాకింగ్ ఫోర్స్ను కొలవడానికి ఒక పీజోఎలెక్ట్రిక్ స్ట్రెయిన్ గేజ్ (PACEline CFT/5kN) ఉపయోగించబడింది. తదుపరి అధ్యయనం కోసం ఈ డేటాను హోస్ట్ రికార్డ్ చేస్తుంది. స్ట్రెయిన్ గేజ్లు మరియు ఛార్జ్ యాంప్లిఫైయర్లకు వోల్టేజ్ సిగ్నల్ను ఉత్పత్తి చేయడానికి స్థిరమైన పవర్ సప్లై అవసరం. పట్టిక 2లో వివరించిన విధంగా, పీజోఎలెక్ట్రిక్ ఫోర్స్ సెన్సార్ యొక్క సున్నితత్వం మరియు ఇతర పారామితుల ప్రకారం సంబంధిత సిగ్నల్స్ పవర్ అవుట్పుట్లుగా మార్చబడతాయి. వోల్టేజ్ పల్స్ను ప్రయోగించినప్పుడు, SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత పెరుగుతుంది, దీనివల్ల SMA వైర్ సంకోచిస్తుంది, ఇది యాక్యుయేటర్ బలాన్ని ఉత్పత్తి చేయడానికి కారణమవుతుంది. 7 V ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ పల్స్ ద్వారా కండరాల బలం యొక్క అవుట్పుట్ ప్రయోగాత్మక ఫలితాలు పటం 2aలో చూపబడ్డాయి.
(ఎ) యాక్చుయేటర్ ద్వారా ఉత్పత్తి అయ్యే బలాన్ని కొలవడానికి ప్రయోగంలో ఒక SMA-ఆధారిత లీనియర్ యాక్చుయేటర్ వ్యవస్థను ఏర్పాటు చేశారు. లోడ్ సెల్ నిరోధక బలాన్ని కొలుస్తుంది మరియు దీనికి 24 V DC పవర్ సప్లై ద్వారా శక్తిని అందిస్తారు. GW ఇన్స్టెక్ ప్రోగ్రామబుల్ DC పవర్ సప్లైని ఉపయోగించి కేబుల్ మొత్తం పొడవునా 7 V వోల్టేజ్ డ్రాప్ను వర్తింపజేశారు. వేడి కారణంగా SMA వైర్ సంకోచిస్తుంది, మరియు కదిలే ఆర్మ్ లోడ్ సెల్ను తాకి నిరోధక బలాన్ని ప్రయోగిస్తుంది. లోడ్ సెల్ GL-2000 డేటా లాగర్కు అనుసంధానించబడి ఉంటుంది మరియు తదుపరి ప్రాసెసింగ్ కోసం డేటాను హోస్ట్లో నిల్వ చేస్తారు. (బి) కండరాల బలాన్ని కొలవడానికి ప్రయోగాత్మక అమరిక యొక్క భాగాల శ్రేణిని చూపించే రేఖాచిత్రం.
ఆకార జ్ఞాపక మిశ్రమలోహాలు ఉష్ణ శక్తి ద్వారా ఉత్తేజితమవుతాయి, కాబట్టి ఆకార జ్ఞాపక దృగ్విషయాన్ని అధ్యయనం చేయడానికి ఉష్ణోగ్రత ఒక ముఖ్యమైన పరామితిగా మారుతుంది. ప్రయోగాత్మకంగా, పటం 11aలో చూపిన విధంగా, ఒక నమూనా SMA-ఆధారిత డైవాలరేట్ యాక్యుయేటర్పై థర్మల్ ఇమేజింగ్ మరియు ఉష్ణోగ్రత కొలతలు నిర్వహించబడ్డాయి. పటం 11bలో చూపిన విధంగా, ప్రయోగాత్మక అమరికలోని SMA తీగలకు ఒక ప్రోగ్రామబుల్ DC మూలం ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ను అందించింది. SMA తీగ యొక్క ఉష్ణోగ్రత మార్పును అధిక రిజల్యూషన్ గల LWIR కెమెరా (FLIR A655sc) ఉపయోగించి నిజ సమయంలో కొలవబడింది. హోస్ట్, తదుపరి పోస్ట్-ప్రాసెసింగ్ కోసం డేటాను రికార్డ్ చేయడానికి రీసెర్చ్ఐఆర్ (ResearchIR) సాఫ్ట్వేర్ను ఉపయోగిస్తుంది. వోల్టేజ్ పల్స్ను ప్రయోగించినప్పుడు, SMA తీగ యొక్క ఉష్ణోగ్రత పెరుగుతుంది, దీనివల్ల SMA తీగ సంకోచిస్తుంది. పటం 2b, 7V ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ పల్స్ కోసం SMA తీగ ఉష్ణోగ్రత మరియు సమయం మధ్య సంబంధం యొక్క ప్రయోగాత్మక ఫలితాలను చూపుతుంది.
పోస్ట్ చేసిన సమయం: సెప్టెంబర్-28-2022
