Ташаккур барои боздид аз Nature.com. Версияи браузере, ки шумо истифода мебаред, дастгирии маҳдуди CSS дорад. Барои беҳтарин таҷриба, мо тавсия медиҳем, ки шумо браузери навшударо истифода баред (ё режими мутобиқатро дар Internet Explorer ғайрифаъол кунед). Дар айни замон, барои таъмини дастгирии доимӣ, мо сайтро бе услубҳо ва JavaScript намоиш медиҳем.
Актуаторҳо дар ҳама ҷо истифода мешаванд ва бо истифода аз қувваи дурусти ангезиш ё моменти дуруст барои иҷрои амалиётҳои гуногун дар истеҳсолот ва автоматикунонии саноатӣ ҳаракати идорашавандаро ба вуҷуд меоранд. Ниёз ба дискҳои тезтар, хурдтар ва самараноктар навовариро дар тарҳрезии дискҳо пеш мебарад. Дискҳои Shape Memory Alloy (SMA) як қатор бартариҳоро нисбат ба дискҳои анъанавӣ, аз ҷумла таносуби баланди қудрат ба вазн, пешниҳод мекунанд. Дар ин рисола, як актуатори дупардори SMA таҳия шудааст, ки бартариҳои мушакҳои пардори системаҳои биологӣ ва хосиятҳои беназири SMA-ро муттаҳид мекунад. Ин таҳқиқот актуаторҳои қаблии SMA-ро тавассути таҳияи модели математикии актуатори нав дар асоси сохтори сими думодалии SMA ва санҷиши он ба таври таҷрибавӣ меомӯзад ва васеъ мекунад. Дар муқоиса бо дискҳои маъруф дар асоси SMA, қувваи фаъолсозии драйвери нав ҳадди аққал 5 маротиба зиёдтар аст (то 150 Н). Талафоти мувофиқи вазн тақрибан 67% -ро ташкил медиҳад. Натиҷаҳои таҳлили ҳассосияти моделҳои математикӣ барои танзими параметрҳои тарроҳӣ ва фаҳмидани параметрҳои асосӣ муфиданд. Ин таҳқиқот инчунин як гардонандаи марҳилаи бисёрсатҳаи N-ро пешниҳод мекунад, ки метавонад барои беҳтар кардани минбаъдаи динамика истифода шавад. Фаъолкунандаҳои мушакҳои дипвалератсионӣ, ки дар асоси SMA сохта шудаанд, доираи васеи татбиқро доранд, аз автоматикунонии бино то системаҳои дақиқи интиқоли доруворӣ.
Системаҳои биологӣ, ба монанди сохторҳои мушакҳои ширхӯрон, метавонанд бисёр фаъолкунандаҳои нозукро фаъол созанд1. Ширхӯрон сохторҳои гуногуни мушакҳо доранд, ки ҳар кадоме ба мақсади мушаххас хизмат мекунанд. Аммо, қисми зиёди сохтори бофтаи мушакҳои ширхӯронро метавон ба ду категорияи васеъ тақсим кард: Мувозӣ ва панҷшакл. Дар мушакҳои рон ва дигар флексорҳо, тавре ки аз номаш бармеояд, мушакҳои мувозӣ нахҳои мушакҳое доранд, ки ба пайванди марказӣ мувозӣ мебошанд. Занҷири нахҳои мушакҳо бо бофтаи пайвандкунандаи атрофи онҳо ҷойгир ва аз ҷиҳати функсионалӣ пайваст карда шудааст. Гарчанде ки гуфта мешавад, ки ин мушакҳо экскурсияи калон доранд (кӯтоҳшавии фоизӣ), қувваи умумии мушакҳои онҳо хеле маҳдуд аст. Баръакс, дар мушакҳои трисепси гӯсола2 (gastrocnemius lateral (GL)3, gastrocnemius medial (GM)4 ва soleus (SOL)) ва extensor femoris (quadriceps)5,6 бофтаи мушакҳои панҷшакл дар ҳар як мушак7 мавҷуд аст. Дар сохтори панҷшакл, нахҳои мушакҳо дар мушакҳои дупанна дар ҳарду тарафи пайванди марказӣ дар кунҷҳои каҷ (кунҷҳои панҷшакл) мавҷуданд. Пеннат аз калимаи лотинии "penna" гирифта шудааст, ки маънояш "қалам" аст ва, чунон ки дар расми 1 нишон дода шудааст, намуди пармонанд дорад. Нахҳои мушакҳои пеннат кӯтоҳтар ва ба меҳвари тӯлонии мушакҳо кунҷ доранд. Аз сабаби сохтори пиннат, ҳаракатнокии умумии ин мушакҳо коҳиш меёбад, ки боиси ҷузъҳои кундаланг ва тӯлонии раванди кӯтоҳшавӣ мегардад. Аз тарафи дигар, фаъолшавии ин мушакҳо бо сабаби тарзи чен кардани масоҳати буриши физиологӣ ба қувваи умумии мушакҳои баландтар оварда мерасонад. Аз ин рӯ, барои масоҳати буриши додашуда, мушакҳои пеннат қавитар хоҳанд буд ва нисбат ба мушакҳое, ки нахҳои параллелӣ доранд, қувваҳои бештарро ба вуҷуд меоранд. Қувваҳое, ки аз ҷониби нахҳои алоҳида ба вуҷуд меоянд, қувваҳои мушакҳоро дар сатҳи макроскопӣ дар он бофтаи мушакҳо ба вуҷуд меоранд. Илова бар ин, он дорои хосиятҳои беназир ба монанди камшавии зуд, муҳофизат аз осеби кашиш, болишткунӣ мебошад. Он бо истифода аз хусусиятҳои беназир ва мураккабии геометрии тартиби нах, ки бо хатҳои амали мушакҳо алоқаманданд, муносибати байни вуруди нах ва баромади қувваи мушакҳоро тағйир медиҳад.
Диаграммаҳои схематикии тарҳҳои мавҷудаи иҷрокунандаи SMA дар робита бо меъмории мушакҳои думодалӣ нишон дода шудаанд, масалан (а), ки таъсири мутақобилаи қувваи ламсиро нишон медиҳад, ки дар он дастгоҳи шакли дастӣ, ки аз ҷониби симҳои SMA фаъол карда мешавад, ба роботи мобилии дучархаи худкор насб карда мешавад9,10. , (б) Протези мадории роботӣ бо протези мадории пружинии SMA, ки ба таври антагонистӣ ҷойгир карда шудааст. Мавқеи чашми протезӣ тавассути сигнал аз мушакҳои чашми чашм идора карда мешавад11, (в) иҷрокунандагони SMA барои истифодаи зериобӣ аз сабаби вокуниши басомади баланд ва паҳнои пасти онҳо беҳтаринанд. Дар ин конфигуратсия, иҷрокунандагони SMA барои эҷоди ҳаракати мавҷ тавассути симулятсияи ҳаракати моҳӣ истифода мешаванд, (г) иҷрокунандагони SMA барои эҷоди роботи санҷиши микроқубур истифода мешаванд, ки метавонад принсипи ҳаракати кирми дюймро истифода барад, ки аз ҷониби ҳаракати симҳои SMA дар дохили канали 10 идора карда мешавад, (д) ​​самти кашишхӯрии нахҳои мушакҳо ва тавлиди қувваи кашишхӯриро дар бофтаи гастрокнемиус нишон медиҳад, (ф) симҳои SMA-ро нишон медиҳад, ки дар шакли нахҳои мушакҳо дар сохтори мушакҳои панҷара ҷойгир шудаанд.
Актуаторҳо бинобар доираи васеи татбиқашон ба қисми муҳими системаҳои механикӣ табдил ёфтаанд. Аз ин рӯ, ниёз ба дискҳои хурдтар, тезтар ва самараноктар муҳим мегардад. Бо вуҷуди бартариҳои онҳо, дискҳои анъанавӣ нигоҳдории онҳо гарон ва вақти зиёдро талаб мекунанд. Актуаторҳои гидравликӣ ва пневматикӣ мураккаб ва гарон буда, ба фарсудашавӣ, мушкилоти равғанкунӣ ва вайроншавии ҷузъҳо дучор мешаванд. Дар посух ба талабот, диққати асосӣ ба таҳияи актуаторҳои камхарҷ, оптимизатсияшудаи андоза ва пешрафта дар асоси маводҳои интеллектуалӣ равона карда шудааст. Тадқиқоти идомаёбанда барои қонеъ кардани ин ниёз, актуаторҳои қабатдори хӯлаи хотираи шакл (SMA)-ро меомӯзад. Актуаторҳои иерархӣ беназиранд, зеро онҳо бисёр актуаторҳои дискретиро ба зерсистемаҳои макрои мураккаби геометрӣ муттаҳид мекунанд, то функсияҳои афзоишёфта ва васеъшударо таъмин кунанд. Аз ин рӯ, бофтаи мушакҳои инсон, ки дар боло тавсиф шудааст, як мисоли аълои бисёрқабатаи чунин актуатсияи бисёрқабатаро пешниҳод мекунад. Тадқиқоти ҷорӣ як диски бисёрсатҳаи SMA-ро бо якчанд унсурҳои инфиродии гардонанда (симҳои SMA), ки ба самтҳои нахӣ дар мушакҳои думодалӣ мувофиқ карда шудаанд, тавсиф мекунад, ки ин кори умумии гардонандаро беҳтар мекунад.
Мақсади асосии иҷрокунанда тавлиди қувваи механикӣ, ба монанди қувва ва ҷойивазкунӣ тавассути табдил додани энергияи барқӣ мебошад. Хӯлаҳои хотираи шакл як синфи маводҳои "интеллектуалӣ" мебошанд, ки метавонанд шакли худро дар ҳарорати баланд барқарор кунанд. Дар зери бори баланд, афзоиши ҳарорати сими SMA боиси барқароршавии шакл мегардад, ки дар натиҷа зичии энергияи фаъолкунӣ дар муқоиса бо маводҳои гуногуни мустақиман пайвастшудаи интеллектуалӣ баландтар мешавад. Дар айни замон, дар зери бори механикӣ, SMA-ҳо шикананда мешаванд. Дар шароити муайян, бори даврӣ метавонад энергияи механикиро ҷаббида ва раҳо кунад ва тағироти шакли гистеретикии баръаксро нишон диҳад. Ин хосиятҳои беназир SMA-ро барои сенсорҳо, хомӯшкунии ларзиш ва махсусан иҷрокунандагон беҳтарин мегардонанд12. Бо дарназардошти ин, таҳқиқоти зиёде дар бораи дискҳои дар асоси SMA гузаронида шудаанд. Бояд қайд кард, ки иҷрокунандагон дар асоси SMA барои таъмини ҳаракати тарҷумавӣ ва гардишӣ барои барномаҳои гуногун тарҳрезӣ шудаанд13,14,15. Гарчанде ки баъзе иҷрокунандагонҳои гардишӣ таҳия шудаанд, муҳаққиқон махсусан ба иҷрокунандагон таваҷҷӯҳ доранд. Ин иҷрокунандагонро ба се намуди иҷрокунандагон тақсим кардан мумкин аст: иҷрокунандагонҳои якченака, ҷойивазкунӣ ва дифференсиалӣ16. Дар аввал, дискҳои гибридӣ дар якҷоягӣ бо SMA ва дигар дискҳои анъанавӣ сохта мешуданд. Яке аз чунин мисолҳои фаъолкунандаи хаттии гибридии дар асоси SMA истифода бурдани сими SMA бо муҳаррики ҷараёни доимӣ барои таъмини қувваи баромади тақрибан 100 Н ва ҷойивазкунии назаррас17 мебошад.
Яке аз аввалин таҳаввулот дар дискҳое, ки пурра ба SMA асос ёфтаанд, диски мувозии SMA буд. Бо истифода аз симҳои сершумори SMA, диски мувозии SMA барои афзоиши қобилияти қудрати диск бо ҷойгир кардани ҳамаи симҳои SMA18 ба таври мувозӣ тарҳрезӣ шудааст. Пайвасти мувозии актуаторҳо на танҳо қувваи бештарро талаб мекунад, балки қувваи баромади як симро низ маҳдуд мекунад. Камбудии дигари актуаторҳои асоси SMA ҳаракати маҳдудест, ки онҳо метавонанд ба даст оранд. Барои ҳалли ин мушкилот, як шуои кабелии SMA сохта шуд, ки дорои шуои чандири каҷшуда барои зиёд кардани ҷойивазкунӣ ва ба даст овардани ҳаракати хаттӣ мебошад, аммо қувваҳои баландтарро ба вуҷуд намеовард19. Сохторҳо ва матоъҳои нарми деформатсионӣ барои роботҳо дар асоси хӯлаҳои хотираи шакл асосан барои тақвияти зарба таҳия шудаанд20,21,22. Барои барномаҳое, ки суръати баланд талаб карда мешавад, насосҳои фишурда бо истифода аз SMA-ҳои плёнкаи тунук барои барномаҳои микронасос23 гузориш дода шудаанд. Басомади гардонандаи мембранаи плёнкаи тунуки SMA омили калидӣ дар назорати суръати драйвер мебошад. Аз ин рӯ, муҳаррикҳои хаттии SMA нисбат ба муҳаррикҳои пружинӣ ё асои SMA вокуниши динамикии беҳтар доранд. Роботҳои нарм ва технологияи часпидан ду барномаи дигар мебошанд, ки аз фаъолкунандаҳои дар асоси SMA истифодашаванда истифода мебаранд. Масалан, барои иваз кардани фаъолкунандаи стандартии истифодашуда дар фишанги фазоии 25 Н, фаъолкунандаи параллелии хӯлаи хотираи шакл 24 таҳия карда шуд. Дар ҳолати дигар, фаъолкунандаи нарми SMA дар асоси сим бо матритсаи дарунсохт сохта шуд, ки қодир ба тавлиди қувваи максималии кашиши 30 Н мебошад. Аз сабаби хосиятҳои механикии худ, SMA-ҳо инчунин барои истеҳсоли фаъолкунандаҳое истифода мешаванд, ки падидаҳои биологиро тақлид мекунанд. Яке аз чунин таҳаввулот роботи 12-ҳуҷайрагиро дар бар мегирад, ки биомиметикии организми монанд ба кирми замин бо SMA барои тавлиди ҳаракати синусоидалӣ барои оташ аст26,27.
Тавре ки қаблан зикр гардид, ҳадди аксар қувваи ба даст овардашаванда аз фаъолкунандаҳои мавҷудаи SMA маҳдуд аст. Барои ҳалли ин масъала, ин таҳқиқот сохтори мушакҳои бимодалии биомиметикӣ пешниҳод мекунад. Бо сими хӯлаи хотираи шаклӣ идора карда мешавад. Он системаи таснифотро пешниҳод мекунад, ки якчанд симҳои хӯлаи хотираи шаклро дар бар мегирад. То имрӯз, дар адабиёт ягон фаъолкунандаҳои асосёфтаи SMA бо меъмории монанд гузориш нашудааст. Ин системаи беназир ва нав дар асоси SMA барои омӯзиши рафтори SMA ҳангоми ҳамоҳангсозии мушакҳои бимодалӣ таҳия шудааст. Дар муқоиса бо фаъолкунандаҳои мавҷудаи асосёфтаи SMA, ҳадафи ин таҳқиқот эҷоди фаъолкунандаи дипвалерати биомиметикӣ барои тавлиди қувваҳои ба таври назаррас баландтар дар ҳаҷми хурд буд. Дар муқоиса бо дискҳои анъанавии муҳаррики қадамӣ, ки дар системаҳои автоматикунонии бино ва идоракунии HVAC истифода мешаванд, тарҳи пешниҳодшудаи ронандаи бимодалии асосёфтаи SMA вазни механизми ронандагиро 67% кам мекунад. Дар зер истилоҳоти "мушак" ва "гардонанда" ба ҷои ҳамдигар истифода мешаванд. Ин таҳқиқот симулятсияи бисёрфизикии чунин ронандагиро меомӯзад. Рафтори механикии чунин системаҳо бо усулҳои таҷрибавӣ ва таҳлилӣ омӯхта шудааст. Тақсимоти қувва ва ҳарорат дар шиддати вурудии 7 В минбаъд таҳқиқ карда шуданд. Баъдан, барои беҳтар фаҳмидани робитаи байни параметрҳои калидӣ ва қувваи баромад таҳлили параметрӣ гузаронида шуд. Ниҳоят, фаъолкунандаҳои иерархӣ пешбинӣ шуда, таъсири сатҳи иерархӣ ҳамчун як минтақаи эҳтимолии оянда барои фаъолкунандаҳои ғайримагнитӣ барои барномаҳои протезӣ пешниҳод карда шуданд. Тибқи натиҷаҳои таҳқиқоти дар боло зикршуда, истифодаи меъмории якмарҳилаӣ қувваҳоро ҳадди аққал аз чор то панҷ маротиба зиёдтар аз фаъолкунандаҳои гузоришшуда дар асоси SMA ба вуҷуд меорад. Илова бар ин, нишон дода шудааст, ки ҳамон қувваи пешбаранда, ки аз ҷониби як гардонандаи бисёрсатҳаи бисёрсатҳа тавлид мешавад, беш аз даҳ маротиба аз дискҳои анъанавии дар асоси SMA ба вуҷуд омадааст. Сипас, таҳқиқот параметрҳои калидиро бо истифода аз таҳлили ҳассосият байни тарҳҳои гуногун ва тағирёбандаҳои вурудӣ гузориш медиҳад. Дарозии ибтидоии сими SMA (\(l_0\)), кунҷи пиннатӣ (\(\alpha\)) ва шумораи риштаҳои ягона (n) дар ҳар як риштаи алоҳида ба бузургии қувваи пешбаранда таъсири манфии қавӣ доранд, дар ҳоле ки шиддати вуруд (энергия) бо ҳам алоқамандии мусбат буд.
Сими SMA таъсири хотираи шакл (SME)-ро, ки дар оилаи хӯлаҳои никел-титан (Ni-Ti) дида мешавад, нишон медиҳад. Одатан, SMA ду марҳилаи вобаста ба ҳароратро нишон медиҳад: марҳилаи ҳарорати паст ва марҳилаи ҳарорати баланд. Ҳарду марҳила дорои хосиятҳои беназир мебошанд, ки аз сабаби мавҷудияти сохторҳои гуногуни кристаллӣ мавҷуданд. Дар марҳилаи аустенит (фазаи ҳарорати баланд), ки дар болои ҳарорати табдилёбӣ мавҷуд аст, мавод қувваи баландро нишон медиҳад ва дар зери бор бад деформатсия мешавад. Хӯла мисли пӯлоди зангногир рафтор мекунад, аз ин рӯ он метавонад фишорҳои баланди фаъолкуниро тоб оварад. Бо истифода аз ин хусусияти хӯлаҳои Ni-Ti, симҳои SMA барои ташкили як амалкунанда майл доранд. Моделҳои мувофиқи таҳлилӣ барои фаҳмидани механикаи асосии рафтори гармии SMA таҳти таъсири параметрҳои гуногун ва геометрияҳои гуногун таҳия карда мешаванд. Байни натиҷаҳои таҷрибавӣ ва таҳлилӣ мувофиқати хуб ба даст оварда шуд.
Дар прототипи дар расми 9a нишондодашуда барои арзёбии кори гардонандаи думодалӣ, ки ба SMA асос ёфтааст, таҳқиқоти таҷрибавӣ гузаронида шуд. Ду аз ин хусусиятҳо, қуввае, ки аз ҷониби гардонанда ба вуҷуд меояд (қувваи мушакҳо) ва ҳарорати сими SMA (ҳарорати SMA), ба таври таҷрибавӣ чен карда шуданд. Вақте ки фарқияти шиддат дар тамоми дарозии сим дар гардонанда меафзояд, ҳарорати сим аз ҳисоби таъсири гармкунии Ҷоул меафзояд. Шиддати вурудӣ дар ду давраи 10-сония (ҳамчун нуқтаҳои сурх дар расми 2a, b нишон дода шудааст) бо давраи хунуккунии 15-сония байни ҳар як давра татбиқ карда шуд. Қувваи басташавӣ бо истифода аз ченаки шиддати пьезоэлектрикӣ чен карда шуд ва тақсимоти ҳарорати сими SMA дар вақти воқеӣ бо истифода аз камераи LWIR бо қарори баландсифати илмӣ назорат карда шуд (нигаред ба хусусиятҳои таҷҳизоти истифодашуда дар Ҷадвали 2). нишон медиҳад, ки дар давраи шиддати баланд, ҳарорати сим якранг меафзояд, аммо вақте ки ҷараён ҷорӣ намешавад, ҳарорати сим паст шуданро идома медиҳад. Дар танзимоти таҷрибавии ҷорӣ, ҳарорати сими SMA дар марҳилаи хунуккунӣ паст шуд, аммо он ҳанӯз ҳам аз ҳарорати муҳити атроф болотар буд. Дар расми 2e акси ҳарорати сими SMA, ки аз камераи LWIR гирифта шудааст, нишон дода шудааст. Аз тарафи дигар, дар расми 2a қувваи бастани системаи гардонанда нишон дода шудааст. Вақте ки қувваи мушакҳо аз қувваи барқароркунандаи пружинӣ зиёд мешавад, бозуи ҳаракаткунанда, чунон ки дар расми 9a нишон дода шудааст, ба ҳаракат шурӯъ мекунад. Ҳамин ки фаъолсозӣ оғоз мешавад, бозуи ҳаракаткунанда бо сенсор тамос мегирад ва қувваи баданро ба вуҷуд меорад, чунон ки дар расми 2c, d нишон дода шудааст. Вақте ки ҳарорати максималӣ ба \(84\,^{\circ}\hbox {C}\) наздик аст, қувваи максималии мушоҳидашуда 105 Н аст.
Графика натиҷаҳои таҷрибавии ҳарорати сими SMA ва қувваи тавлидшударо аз ҷониби фаъолкунандаи бимодалии SMA дар давоми ду давра нишон медиҳад. Шиддати вурудӣ дар ду давраи 10-сония (ҳамчун нуқтаҳои сурх нишон дода шудааст) бо давраи хунуккунии 15-сония байни ҳар як давра татбиқ карда мешавад. Сими SMA, ки барои таҷрибаҳо истифода шудааст, сими Flexinol бо диаметри 0,51 мм аз Dynalloy, Inc. буд. (а) Графика қувваи таҷрибавиро нишон медиҳад, ки дар тӯли ду давра ба даст оварда шудааст, (в, г) ду мисоли мустақили амали фаъолкунандаҳои дастӣ дар табдилдиҳандаи қувваи пьезоэлектрикии PACEline CFT/5kN нишон медиҳад, (б) график ҳарорати максималии тамоми сими SMA-ро дар давоми ду давра нишон медиҳад, (д) ​​акси ҳароратро нишон медиҳад, ки аз сими SMA бо истифода аз камераи LWIR нармафзори FLIR ResearchIR гирифта шудааст. Параметрҳои геометрие, ки дар таҷрибаҳо ба назар гирифта шудаанд, дар Ҷадвали 1 оварда шудаанд.
Натиҷаҳои симулятсияи модели математикӣ ва натиҷаҳои таҷрибавӣ бо шарти шиддати вурудии 7В, чунон ки дар расми 5 нишон дода шудааст, муқоиса карда мешаванд. Мувофиқи натиҷаҳои таҳлили параметрӣ ва барои пешгирӣ аз эҳтимолияти аз ҳад зиёд гарм шудани сими SMA, ба механизми иҷрокунанда қувваи 11.2 Вт дода шуд. Барои таъмини 7В ҳамчун шиддати вурудӣ манбаи барқи DC-и барномарезишаванда истифода шуд ва ҷараёни 1.6А дар тамоми сим чен карда шуд. Қуввае, ки аз ҷониби гардонанда ба вуҷуд меояд ва ҳарорати SDR ҳангоми истифодаи ҷараён зиёд мешавад. Бо шиддати вурудии 7В, қувваи максималии баромад, ки аз натиҷаҳои симулятсия ва натиҷаҳои таҷрибавии давраи аввал ба даст оварда шудааст, мутаносибан 78 Н ва 96 Н аст. Дар давраи дуюм, қувваи максималии баромади натиҷаҳои симулятсия ва таҷрибавӣ мутаносибан 150 Н ва 105 Н буд. Тафовут байни андозагириҳои қувваи бандшавӣ ва маълумоти таҷрибавӣ метавонад аз усули истифодашуда барои чен кардани қувваи бандшавӣ бошад. Натиҷаҳои таҷрибавӣ, ки дар расми 3 нишон дода шудаанд. 5a ба андозагирии қувваи қулфкунӣ мувофиқат мекунад, ки дар навбати худ вақте чен карда шуд, ки меҳвари гардонанда бо табдилдиҳандаи қувваи пьезоэлектрикии PACEline CFT/5kN дар тамос буд, тавре ки дар расми 2s нишон дода шудааст. Аз ин рӯ, вақте ки меҳвари гардонанда дар аввали минтақаи хунуккунӣ бо сенсори қувва дар тамос нест, қувва фавран ба сифр табдил меёбад, чунон ки дар расми 2d нишон дода шудааст. Илова бар ин, параметрҳои дигаре, ки ба ташаккули қувва дар давраҳои минбаъда таъсир мерасонанд, арзишҳои вақти хунуккунӣ ва коэффитсиенти интиқоли гармии конвективӣ дар давраи қаблӣ мебошанд. Аз расми 2b дидан мумкин аст, ки пас аз давраи хунуккунии 15 сония, сими SMA ба ҳарорати хонагӣ нарасидааст ва аз ин рӯ, дар давраи дуюми рондан дар муқоиса бо давраи аввал (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)) ҳарорати ибтидоии баландтар дошт. Ҳамин тариқ, дар муқоиса бо давраи аввал, ҳарорати сими SMA дар давраи дуюми гармкунӣ ба ҳарорати ибтидоии аустенит (\(A_s\)) барвақттар мерасад ва дар давраи гузариш дарозтар мемонад, ки боиси стресс ва қувва мегардад. Аз тарафи дигар, тақсимоти ҳарорат дар давраҳои гармкунӣ ва хунуккунӣ, ки аз таҷрибаҳо ва симулятсияҳо ба даст оварда шудаанд, ба мисолҳои таҳлили термографӣ шабоҳати баланди сифатӣ доранд. Таҳлили муқоисавии маълумоти гармии сими SMA аз таҷрибаҳо ва симулятсияҳо мувофиқатро дар давраҳои гармкунӣ ва хунуккунӣ ва дар доираи таҳаммулпазирии қобили қабул барои маълумоти таҷрибавӣ нишон дод. Ҳарорати максималии сими SMA, ки аз натиҷаҳои симулятсия ва таҷрибаҳои давраи аввал ба даст оварда шудааст, мутаносибан \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) ва \(75\,^{\circ }\hbox {C }\) аст ва дар давраи дуюм ҳарорати максималии сими SMA \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) ва \(83\,^{\circ }\hbox {C}\) аст. Модели асоснок таҳияшуда таъсири таъсири хотираи шаклро тасдиқ мекунад. Нақши хастагӣ ва гармии аз ҳад зиёд дар ин баррасӣ ба назар гирифта нашудааст. Дар оянда, модел барои дохил кардани таърихи шиддати сими SMA такмил дода мешавад, ки онро барои барномаҳои муҳандисӣ мувофиқтар мегардонад. Қувваи баромади гардонанда ва графикҳои ҳарорати SMA, ки аз блоки Simulink гирифта шудаанд, дар доираи таҳаммулпазирии иҷозатдодашудаи маълумоти таҷрибавӣ дар ҳолати импулси шиддати вурудии 7 В қарор доранд. Ин дурустӣ ва эътимоднокии модели математикии таҳияшударо тасдиқ мекунад.
Модели математикӣ дар муҳити MathWorks Simulink R2020b бо истифода аз муодилаҳои асосии тавсифшуда дар бахши Усулҳо таҳия шудааст. Дар расми 3b диаграммаи блокии модели математикии Simulink нишон дода шудааст. Модел барои импулси шиддати вурудии 7V, тавре ки дар расми 2a, b нишон дода шудааст, симулятсия карда шудааст. Арзишҳои параметрҳои истифодашуда дар симулятсия дар Ҷадвали 1 оварда шудаанд. Натиҷаҳои симулятсияи равандҳои гузаранда дар расмҳои 1 ва 1 оварда шудаанд. Расмҳои 3a ва 4. Дар расми 4a,b шиддати индуксионӣ дар сими SMA ва қуввае, ки аз ҷониби фаъолкунанда ҳамчун функсияи вақт ба вуҷуд меояд, нишон дода шудааст. Ҳангоми табдили баръакс (гармкунӣ), вақте ки ҳарорати сими SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (ҳарорати оғози фазаи аустенит, ки бо фишор тағйир ёфтааст), суръати тағйирёбии ҳиссаи ҳаҷми мартенсит (\(\dot{\xi}\)) сифр хоҳад буд. Ҳангоми табдили баръакс (гармкунӣ), вақте ки ҳарорати сими SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (ҳарорати оғози фазаи аустенит, ки бо фишор тағйир ёфтааст), суръати тағйирёбии ҳиссаи ҳаҷми мартенсит (\(\dot{\ xi }\)) сифр хоҳад буд. Во время обратного превращения (нагрева), когда ҳарорати проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитной фазы, тағир додани напряжением), скорост равзании объемной доли мартенсита (\(\dot{)\)но. Ҳангоми табдили баръакс (гармкунӣ), вақте ки ҳарорати сими SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (ҳарорати ибтидоии аустенит, ки бо фишор тағйир ёфтааст), суръати тағйирёбии ҳиссаи ҳаҷми мартенсит (\(\dot{\ xi}\)) сифр хоҳад буд.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（\)(\}将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t При обратном превращении (нагреве) при температурае проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (температура зарождения аустенитной фазы с поправкой напряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi буд }\)). Ҳангоми табдили баръакс (гармкунӣ) дар ҳарорати сими SMA \(T < A_s^{\prime}\) (ҳарорати ядрошавии фазаи аустенит, ки бо назардошти фишор ислоҳ шудааст), суръати тағйирёбии ҳиссаи ҳаҷмии мартенсит (\( \dot{\ xi }\)) ба сифр баробар хоҳад буд.Аз ин рӯ, суръати тағйирёбии шиддат (\(\dot{\sigma}\)) танҳо бо истифода аз муодилаи (1) аз суръати шиддат (\(\dot{\epsilon}\)) ва градиенти ҳарорат (\(\dot{T} \)) вобаста хоҳад буд. Аммо, вақте ки сими SMA ҳароратро зиёд мекунад ва аз (\(A_s^{\prime}\)) мегузарад, фазаи аустенит ба шакл гирифтан оғоз мекунад ва (\(\dot{\xi}\)) ҳамчун арзиши додашудаи муодилаи (3) гирифта мешавад. Аз ин рӯ, суръати тағйирёбии шиддат (\(\dot{\sigma}\)) якҷоя аз ҷониби \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) ва \(\dot{\xi}\) идора карда мешавад, ки ба формулаи (1) додашуда баробар бошад. Ин тағйироти градиентиро, ки дар харитаҳои шиддат ва қувваи тағйирёбандаи вақт дар давраи гармкунӣ мушоҳида мешаванд, шарҳ медиҳад, чунон ки дар расми 4a, b нишон дода шудааст.
(а) Натиҷаи моделиронӣ, ки тақсимоти ҳарорат ва ҳарорати пайванди аз стресс ба вуҷуд омадаро дар фаъолкунандаи дувалерата дар асоси SMA нишон медиҳад. Вақте ки ҳарорати сим дар марҳилаи гармкунӣ аз ҳарорати гузариши аустенит мегузарад, ҳарорати гузариши аустенити тағйирёфта ба боло рафтан мегирад ва ба ҳамин монанд, вақте ки ҳарорати чӯби сим дар марҳилаи хунуккунӣ аз ҳарорати гузариши мартенситӣ мегузарад, ҳарорати гузариши мартенситӣ паст мешавад. SMA барои моделиронӣ аналитикии раванди фаъолсозӣ. (Барои дидани муфассали ҳар як зерсистемаи модели Simulink, ба бахши замимаи файли иловагӣ нигаред.)
Натиҷаҳои таҳлили тақсимоти параметрҳои гуногун барои ду давраи шиддати вуруди 7В (10 давраи гармкунии сония ва 15 давраи хунуккунии сония) нишон дода шудаанд. Дар ҳоле ки (ac) ва (e) тақсимотро дар тӯли вақт нишон медиҳанд, аз тарафи дигар, (d) ва (f) тақсимотро бо ҳарорат нишон медиҳанд. Барои шароити вурудии мувофиқ, фишори максималии мушоҳидашуда 106 МПа (камтар аз 345 МПа, қувваи баромади сим), қувва 150 Н, ҷойивазкунии максималӣ 270 мкм ва ҳиссаи ҳадди ақали ҳаҷми мартенсит 0,91 аст. Аз тарафи дигар, тағирёбии шиддат ва тағирёбии ҳиссаи ҳаҷмии мартенсит бо ҳарорат ба хусусиятҳои гистерезис монанданд.
Ҳамин шарҳ ба табдили мустақим (хунуккунӣ) аз фазаи аустенит ба фазаи мартенсит низ дахл дорад, ки дар он ҳарорати сими SMA (T) ва ҳарорати ниҳоии фазаи мартенсити тағйирёфта бо фишор (\(M_f^{\prime}\ )) аъло аст. Дар расми 4d,f тағйироти шиддати индуксияшуда (\(\sigma\)) ва ҳиссаи ҳаҷмии мартенсит (\(\xi\)) дар сими SMA ҳамчун функсияи тағирёбии ҳарорати сими SMA (T) барои ҳарду давраи рондан нишон дода шудааст. Дар расми 3a тағйироти ҳарорати сими SMA бо мурури замон вобаста ба импулси шиддати вуруд нишон дода шудааст. Тавре ки аз расм дида мешавад, ҳарорати сим бо роҳи таъмини манбаи гармӣ дар шиддати сифр ва хунуккунии минбаъдаи конвективӣ афзоиш меёбад. Ҳангоми гармкунӣ, табдилёбии дубораи мартенсит ба фазаи аустенит вақте оғоз мешавад, ки ҳарорати сими SMA (T) аз ҳарорати нуклеатсияи аустенити бо фишор ислоҳшуда (\(A_s^{\prime}\)) мегузарад. Дар ин фаза, сими SMA фишурда мешавад ва механизми иҷрокунанда қувва ба вуҷуд меорад. Ҳамчунин ҳангоми хунуккунӣ, вақте ки ҳарорати сими SMA (T) аз ҳарорати нуклеатсияи фазаи мартенсити бо фишор тағйирёфта (\(M_s^{\prime}\)) мегузарад, гузариши мусбат аз фазаи аустенит ба фазаи мартенсит ба амал меояд. Қувваи пешбаранда кам мешавад.
Ҷанбаҳои асосии сифатии гардонандаи бимодалӣ, ки ба SMA асос ёфтааст, аз натиҷаҳои симулятсия ба даст оварда мешаванд. Дар ҳолати вуруди импулси шиддат, ҳарорати сими SMA аз сабаби таъсири гармкунии Ҷоул меафзояд. Қимати ибтидоии ҳиссаи ҳаҷми мартенсит (\(\xi\)) ба 1 муқаррар карда шудааст, зеро мавод дар аввал дар фазаи пурра мартенситӣ қарор дорад. Ҳангоми гарм шудани сим, ҳарорати сими SMA аз ҳарорати ядрошавии аустенит, ки бо фишор ислоҳ шудааст, \(A_s^{\prime}\ зиёдтар мешавад, ки дар натиҷа ҳиссаи ҳаҷми мартенсит коҳиш меёбад, чунон ки дар расми 4c нишон дода шудааст. Илова бар ин, дар расми 4e тақсимоти зарбаҳои фаъолкунанда дар вақт ва дар расми 5 - қувваи пешбаранда ҳамчун функсияи вақт нишон дода шудааст. Системаи марбут ба муодилаҳо ҳарорат, ҳиссаи ҳаҷми мартенсит ва шиддатеро дар бар мегирад, ки дар сим ба вуҷуд меояд ва боиси кам шудани сими SMA ва қувваи тавлидшуда аз ҷониби фаъолкунанда мегардад. Тавре ки дар расми 5 нишон дода шудааст. 4d,f, тағйирёбии шиддат бо ҳарорат ва тағйирёбии ҳиссаи ҳаҷми мартенсит бо ҳарорат ба хусусиятҳои гистерезиси SMA дар ҳолати симулятсияшуда дар 7 В мувофиқат мекунанд.
Муқоисаи параметрҳои рондан тавассути таҷрибаҳо ва ҳисобҳои таҳлилӣ ба даст оварда шуд. Симҳо ба шиддати вуруди импулсии 7 В барои 10 сония дучор карда шуданд, сипас дар тӯли ду давра барои 15 сония (марҳилаи хунуккунӣ) хунук карда шуданд. Кунҷи пиннатӣ ба \(40^{\circ}\) муқаррар карда шудааст ва дарозии ибтидоии сими SMA дар ҳар як пояи ягонаи пин ба 83 мм муқаррар карда шудааст. (а) Андозагирии қувваи ҳаракатдиҳанда бо истифода аз селектори боркунӣ (б) Назорати ҳарорати сим бо истифода аз камераи инфрасурхи гармӣ.
Барои фаҳмидани таъсири параметрҳои физикӣ ба қувваи тавлидшуда аз ҷониби гардонанда, таҳлили ҳассосияти модели математикӣ ба параметрҳои физикии интихобшуда гузаронида шуд ва параметрҳо мувофиқи таъсири онҳо баҳогузорӣ карда шуданд. Аввалан, намунагирии параметрҳои модел бо истифода аз принсипҳои тарроҳии таҷрибавӣ, ки тақсимоти якхеларо риоя мекарданд, анҷом дода шуд (нигаред ба бахши иловагӣ оид ба таҳлили ҳассосият). Дар ин ҳолат, параметрҳои модел шиддати вурудӣ (\(V_{in}\)), дарозии ибтидоии сими SMA (\(l_0\)), кунҷи секунҷа (\(\alpha\)), доимии пружинаи майл (\( K_x\)), коэффитсиенти интиқоли гармии конвективӣ (\(h_T\)) ва шумораи шохаҳои унимодалӣ (n)-ро дар бар мегиранд. Дар қадами оянда, қувваи қуллаи мушакҳо ҳамчун талаботи тарроҳии тадқиқот интихоб карда шуд ва таъсири параметрии ҳар як маҷмӯи тағирёбандаҳо ба қувват ба даст оварда шуд. Графикҳои торнадо барои таҳлили ҳассосият аз коэффитсиентҳои коррелятсия барои ҳар як параметр гирифта шуданд, чунон ки дар расми 6a нишон дода шудааст.
(a) Арзишҳои коэффитсиенти коррелятсияи параметрҳои модел ва таъсири онҳо ба қувваи максималии баромади 2500 гурӯҳи беназири параметрҳои модели дар боло зикршуда дар диаграммаи торнадо нишон дода шудаанд. График коррелятсияи рангии якчанд нишондиҳандаҳоро нишон медиҳад. Равшан аст, ки \(V_{in}\) ягона параметр бо коррелятсияи мусбат ва \(l_0\) параметр бо коррелятсияи манфии баландтарин мебошад. Таъсири параметрҳои гуногун дар комбинатсияҳои гуногун ба қувваи қуллаи мушакҳо дар (b, c) нишон дода шудааст. \(K_x\) аз 400 то 800 Н/м ва n аз 4 то 24 мебошад. Шиддат (\(V_{in}\) аз 4V то 10V тағйир ёфт, дарозии сим (\(l_{0 } \)) аз 40 то 100 мм тағйир ёфт ва кунҷи дум (\ (\alpha \)) аз \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\) тағйир ёфт.
Дар расми 6a диаграммаи торнадо аз коэффитсиентҳои гуногуни коррелятсия барои ҳар як параметр бо талаботи тарҳрезии қувваи гардонандаи қулла нишон дода шудааст. Аз расми 6a дидан мумкин аст, ки параметри шиддат (\(V_{in}\)) мустақиман бо қувваи максималии баромад алоқаманд аст ва коэффитсиенти интиқоли гармии конвективӣ (\(h_T\)), кунҷи аланга (\(\alpha\)), доимии пружинаи ҷойивазкунӣ (\(K_x\)) бо қувваи баромад ва дарозии ибтидоии (\(l_0\)) сими SMA коррелятсияи манфӣ доранд ва шумораи шохаҳои унимодалӣ (n) коррелятсияи қавии баръаксро нишон медиҳад. Дар сурати коррелятсияи мустақим Дар сурати арзиши баландтари коэффитсиенти коррелятсияи шиддат (\(V_ {in}\)) нишон медиҳад, ки ин параметр ба қувваи баромад таъсири бештар дорад. Таҳлили дигари монанд қувваи қулларо бо арзёбии таъсири параметрҳои гуногун дар комбинатсияҳои гуногуни ду фазои ҳисоббарорӣ чен мекунад, чунон ки дар расми 6b, c нишон дода шудааст. \(V_{in}\) ва \(l_0\), \(\alpha\) ва \(l_0\) нақшҳои монанд доранд ва график нишон медиҳад, ки \(V_{in}\) ва \(\alpha\) ва \(\alpha\) нақшҳои монанд доранд. Арзишҳои хурдтари \(l_0\) боиси қувваҳои қуллаи баландтар мешаванд. Ду графики дигар бо расми 6a мувофиқанд, ки дар он n ва \(K_x\) бо ҳам алоқамандии манфӣ ва \(V_{in}\) бо ҳам алоқамандии мусбат доранд. Ин таҳлил барои муайян ва танзим кардани параметрҳои таъсиррасон, ки тавассути онҳо қувваи баромад, зарба ва самаранокии системаи гардонанда метавонад ба талабот ва татбиқ мутобиқ карда шавад, кӯмак мекунад.
Корҳои тадқиқотии ҷорӣ дискҳои иерархиро бо сатҳҳои N муаррифӣ ва таҳқиқ мекунанд. Дар иерархияи дусатҳа, тавре ки дар расми 7a нишон дода шудааст, ки дар он ба ҷои ҳар як сими SMA-и фаъолкунандаи сатҳи аввал, тартиби думодалӣ ба даст оварда мешавад, чунон ки дар расми 9e нишон дода шудааст. Дар расми 7c нишон дода шудааст, ки чӣ тавр сими SMA дар атрофи бозуи ҳаракаткунанда (бозуи ёрирасон) печонида мешавад, ки танҳо дар самти тӯлонӣ ҳаракат мекунад. Аммо, бозуи ҳаракаткунандаи аввалия ба ҳамон тарзе, ки бозуи ҳаракаткунандаи фаъолкунандаи бисёрсатҳаи марҳилаи 1 ҳаракат мекунад, идома медиҳад. Одатан, гардонандаи N-марҳила бо иваз кардани сими SMA марҳилаи \(N-1\) бо гардонандаи марҳилаи аввал эҷод карда мешавад. Дар натиҷа, ҳар як шоха гардонандаи марҳилаи аввалро тақлид мекунад, ба истиснои шохае, ки худи симро нигоҳ медорад. Бо ин роҳ, сохторҳои лонадорро ташкил кардан мумкин аст, ки қувваҳоеро эҷод мекунанд, ки аз қувваҳои ронандагони аввалия чанд маротиба зиёдтаранд. Дар ин таҳқиқот, барои ҳар як сатҳ, дарозии умумии сими SMA-и муассир 1 м ба назар гирифта шудааст, чунон ки дар шакли ҷадвалӣ дар расми 7d нишон дода шудааст. Ҷараён тавассути ҳар як сим дар ҳар як тарҳи унимодалӣ ва пешшиканӣ ва шиддати ҳосилшуда дар ҳар як сегменти сими SMA дар ҳар як сатҳ якхелаанд. Мувофиқи модели таҳлилии мо, қувваи баромад бо сатҳ коррелятсияи мусбат дорад, дар ҳоле ки ҷойивазкунӣ бо коррелятсияи манфӣ алоқаманд аст. Дар айни замон, байни ҷойивазкунӣ ва қувваи мушакҳо мувозинат ба амал омад. Тавре ки дар расми 7b дида мешавад, дар ҳоле ки қувваи ҳадди аксар дар шумораи зиёди қабатҳо ба даст оварда мешавад, ҷойивазкунии бузургтарин дар қабати пасттарин мушоҳида мешавад. Вақте ки сатҳи иерархӣ ба \(N=5\\ муқаррар карда шуд, қувваи авҷи мушакҳои 2,58 кН бо 2 зарбаи мушоҳидашуда \(\upmu\)m пайдо шуд. Аз тарафи дигар, гардонандаи марҳилаи аввал бо зарбаи 277 \(\upmu\)m қувваи 150 Н-ро ба вуҷуд меорад. Актуаторҳои бисёрсатҳӣ метавонанд мушакҳои воқеии биологиро тақлид кунанд, ки дар он мушакҳои сунъӣ, ки ба хӯлаҳои хотираи шакл асос ёфтаанд, метавонанд қувваҳои хеле баландтарро бо ҳаракатҳои дақиқ ва нозуктар ба вуҷуд оранд. Маҳдудиятҳои ин тарҳи миниатюрӣ дар он аст, ки бо афзоиши иерархия, ҳаракат ба таври назаррас коҳиш меёбад ва мураккабии раванди истеҳсоли диск меафзояд.
(а) Системаи фаъолкунандаи хаттии думарҳилаӣ (\(N=2\)) бо хотираи шакли қабатӣ дар конфигуратсияи думодалӣ нишон дода шудааст. Модели пешниҳодшуда бо иваз кардани сими SMA дар фаъолкунандаи қабатии марҳилаи аввал бо фаъолкунандаи қабатии якмарҳилаии дигар ба даст оварда мешавад. (в) Конфигуратсияи деформатсияи фаъолкунандаи бисёрқабата марҳилаи дуюм. (б) Тақсимоти қувваҳо ва ҷойивазкунӣ вобаста ба шумораи сатҳҳо тавсиф шудааст. Муайян карда шуд, ки қувваи қуллаи фаъол бо сатҳи миқёс дар график бо коррелятсияи мусбат, дар ҳоле ки зарба бо сатҳи миқёс бо коррелятсияи манфӣ дорад. Ҷараён ва пешшиддат дар ҳар як сим дар ҳама сатҳҳо доимӣ боқӣ мемонанд. (г) Дар ҷадвал шумораи ламсҳо ва дарозии сими SMA (нах) дар ҳар як сатҳ нишон дода шудааст. Хусусиятҳои симҳо бо индекси 1 нишон дода шудаанд ва шумораи шохаҳои дуюмдараҷа (яке, ки ба пои асосӣ пайваст аст) бо рақами калонтарин дар зеринф нишон дода шудааст. Масалан, дар сатҳи 5, \(n_1\) ба шумораи симҳои SMA, ки дар ҳар як сохтори бимодалӣ мавҷуданд, ва \(n_5\) ба шумораи пойҳои ёрирасон (яке ба пойи асосӣ пайвастшуда) ишора мекунад.
Бисёре аз муҳаққиқон усулҳои гуногунро барои моделсозии рафтори SMA-ҳо бо хотираи шакл пешниҳод кардаанд, ки аз хосиятҳои термомеханикӣ, ки бо тағйироти макроскопӣ дар сохтори кристаллӣ алоқаманданд, вобастаанд. Тарҳбандии усулҳои конститутсионӣ табиатан мураккаб аст. Модели феноменологии маъмултарин аз ҷониби Tanaka28 пешниҳод шудааст ва дар замимаҳои муҳандисӣ васеъ истифода мешавад. Модели феноменологии пешниҳодшуда аз ҷониби Tanaka [28] фарз мекунад, ки ҳиссаи ҳаҷмии мартенсит функсияи экспоненсиалии ҳарорат ва фишор аст. Баъдтар, Лян ва Роҷерс29 ва Бринсон30 моделеро пешниҳод карданд, ки дар он динамикаи гузариши фаза ҳамчун функсияи косинуси шиддат ва ҳарорат бо тағироти ночиз ба модел тахмин карда шуд. Беккер ва Бринсон модели кинетикии асоси диаграммаи фазаро пешниҳод карданд, то рафтори маводҳои SMA-ро дар шароити боркунии худсарона ва инчунин гузаришҳои қисман моделсозӣ кунанд. Banerjee32 усули динамикаи диаграммаи фазаи Беккер ва Бринсон31-ро барои моделсозии манипулятори ягонаи озодӣ, ки аз ҷониби Элаҳиния ва Аҳмадиан33 таҳия шудааст, истифода мебарад. Усулҳои кинетикӣ, ки ба диаграммаҳои фаза асос ёфтаанд ва тағйироти ғайримонотонии шиддатро бо ҳарорат ба назар мегиранд, дар татбиқи муҳандисӣ душворанд. Элахиния ва Аҳмадиён ба ин камбудиҳои моделҳои феноменологии мавҷуда таваҷҷӯҳ зоҳир мекунанд ва модели васеъшудаи феноменологиро барои таҳлил ва муайян кардани рафтори хотираи шакл дар ҳама гуна шароити мураккаби боркунӣ пешниҳод мекунанд.
Модели сохтории сими SMA шиддат (\(сигма)), деформатсия (\(эпсилон)), ҳарорат (T) ва ҳиссаи ҳаҷми мартенсит (\(xi))-и сими SMA-ро медиҳад. Модели конститутивии феноменологӣ аввал аз ҷониби Танака28 пешниҳод шуда, баъдтар аз ҷониби Лянг29 ва Бринсон30 қабул карда шудааст. Ҳосилаи муодила шакли зеринро дорад:
ки дар он E модули SMA Янг вобаста ба фаза аст, ки бо истифода аз \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) ва \(E_A\) ва \(E_M\), ки модули Янгро ифода мекунанд, ба даст оварда шудааст ва мутаносибан фазаҳои аустенитӣ ва мартенситӣ мебошанд ва коэффитсиенти васеъшавии гармӣ бо \(\theta_T\) ифода карда мешавад. Омили саҳми гузариши фаза \(\Omega = -E \epsilon_L\) аст ва \(\epsilon_L\) шиддати максималии барқароршаванда дар сими SMA мебошад.
Муодилаи динамикаи фаза бо функсияи косинус, ки аз ҷониби Liang29 таҳия шудааст ва баъдтар аз ҷониби Brinson30 ба ҷои функсияи экспоненсиалии пешниҳодшуда аз ҷониби Tanaka28 қабул шудааст, мувофиқат мекунад. Модели гузариши фаза васеъкунии модели пешниҳодшуда аз ҷониби Elahinia ва Ahmadian34 буда, дар асоси шароити гузариши фаза, ки аз ҷониби Liang29 ва Brinson30 дода шудаанд, тағйир дода шудааст. Шартҳое, ки барои ин модели гузариши фаза истифода мешаванд, дар зери борҳои мураккаби термомеханикӣ эътибор доранд. Дар ҳар як лаҳзаи вақт, арзиши ҳиссаи ҳаҷмии мартенсит ҳангоми моделсозии муодилаи конститутивӣ ҳисоб карда мешавад.
Муодилаи идоракунии ретрансформация, ки бо табдилёбии мартенсит ба аустенит дар шароити гармкунӣ ифода карда мешавад, чунин аст:
ки дар он \(xi\) қисми ҳаҷмии мартенсит аст, \(xi_M\) қисми ҳаҷмии мартенсит аст, ки пеш аз гармкунӣ ба даст оварда шудааст, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) ва \(C_A\) – параметрҳои тақрибии каҷ, T – ҳарорати сими SMA, \(A_s\) ва \(A_f\) – мутаносибан ҳарорат оғоз ва анҷоми фазаи аустенит.
Муодилаи идоракунии табдили мустақим, ки бо табдили фазавии аустенит ба мартенсит дар шароити хунуккунӣ ифода меёбад, чунин аст:
ки дар он \(xi_A\) ҳиссаи ҳаҷмии мартенсит пеш аз хунуккунӣ ба даст оварда шудааст, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) ва \ (C_M \) – параметрҳои мувофиқати каҷ, T – ҳарорати сими SMA, \(M_s\) ва \(M_f\) – мутаносибан ҳарорати ибтидоӣ ва ниҳоии мартенсит.
Пас аз фарқ кардани муодилаҳои (3) ва (4), муодилаҳои табдили баръакс ва мустақим ба шакли зерин содда карда мешаванд:
Ҳангоми табдилдиҳии пеш ва қафо \(\eta _{\sigma}\) ва \(\eta _{T}\) арзишҳои гуногун мегиранд. Муодилаҳои асосии марбут ба \(\eta _{\sigma}\) ва \(\eta _{T}\) дар бахши иловагӣ гирифта ва муфассал баррасӣ шудаанд.
Энергияи гармии зарурӣ барои баланд бардоштани ҳарорати сими SMA аз таъсири гармии Ҷоул ба даст меояд. Энергияи гармии ҷаббидашуда ё раҳошуда аз ҷониби сими SMA бо гармии пинҳонии табдилёбӣ ифода карда мешавад. Талафоти гармӣ дар сими SMA аз сабаби конвексияи маҷбурӣ ба амал меояд ва бо назардошти таъсири ночизи радиатсия, муодилаи тавозуни энергияи гармӣ чунин аст:
Дар ин ҷо \(m_{wire}\) массаи умумии сими SMA, \(c_{p}\) иқтидори гармии хоси SMA, \(V_{in}\) шиддатест, ки ба сим татбиқ мешавад, \(R_{ohm} \ ) – муқовимати SMA вобаста ба фаза, ки чунин муайян карда мешавад; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) ки дар он \(r_M\) ва \(r_A\) мутаносибан муқовимати фазаи SMA дар мартенсит ва аустенит мебошанд, \(A_{c}\) масоҳати сатҳи сими SMA аст, \(\Delta H\) хӯлаи хотираи шакл аст. Гармии гузариши пинҳонии сим, T ва \(T_{\infty}\) мутаносибан ҳарорати сими SMA ва муҳит мебошанд.
Вақте ки сими хӯлаи хотираи шакл ба кор медарояд, сим фишурда мешавад ва дар ҳар як шохаи тарҳи бимодалӣ қувваеро ба вуҷуд меорад, ки қувваи нахӣ номида мешавад. Қувваҳои нахҳо дар ҳар як риштаи сими SMA якҷоя қувваи мушакҳоро барои ба кор андохтан ба вуҷуд меоранд, чунон ки дар расми 9e нишон дода шудааст. Аз сабаби мавҷуд будани пружинаи каҷкунанда, қувваи умумии мушакҳои фаъолкунандаи бисёрқабата Nth чунин аст:
Бо гузоштани \(N = 1\) ба муодилаи (7), қувваи мушакҳои прототипи гардонандаи думодалии марҳилаи аввалро чунин ба даст овардан мумкин аст:
ки дар он n шумораи пойҳои якмодалӣ, (F_m) қувваи мушакҳоест, ки аз ҷониби гардонанда ба вуҷуд меояд, (F_f) қувваи нах дар сими SMA, (K_x) сахтии пружинаи каҷравӣ, (alpha) кунҷи секунҷа, (x_0) ҷойивазкунии ибтидоии пружинаи каҷравӣ барои нигоҳ доштани сими SMA дар ҳолати пешакӣ шиддатёфта ва (Delta x) ҳаракати фаъолкунанда аст.
Ҷойивазкунии умумӣ ё ҳаракати гардонанда (\(\Delta x\)) вобаста ба шиддат (\(\sigma\)) ва шиддат (\(\epsilon\)) дар сими SMA-и марҳилаи N, гардонанда ба ин муқаррар карда мешавад (нигаред ба расми қисми иловагии баромад):
Муодилаҳои кинематикӣ робитаи байни деформатсияи гардонанда (\(\epsilon\)) ва ҷойивазкунӣ ё ҷойивазкунӣ (\(\Delta x\))-ро нишон медиҳанд. Деформатсияи сими Arb ҳамчун функсияи дарозии ибтидоии сими Arb (\(l_0\)) ва дарозии сим (l) дар ҳар вақти t дар як шохаи унимодалӣ чунин аст:
ки дар он \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) бо истифода аз формулаи косинус дар \(\Delta\)ABB ', тавре ки дар расми 8 нишон дода шудааст, ба даст оварда мешавад. Барои гардонандаи марҳилаи аввал (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) \(\Delta x\) аст ва \(\alpha _1\) \(\alpha \) аст, чунон ки дар расми 8 нишон дода шудааст, бо фарқ кардани вақт аз муодилаи (11) ва иваз кардани арзиши l, суръати шиддатро метавон чунин навишт:
ки дар он \(l_0\) дарозии ибтидоии сими SMA, l дарозии сим дар вақти дилхоҳ t дар як шохаи унимодалӣ, \(\epsilon\) деформатсияи дар сими SMA инкишофёфта ва \(\alpha\) кунҷи секунҷа, \(\Delta x\) ҷойивазкунии гардонанда аст (чунон ки дар расми 8 нишон дода шудааст).
Ҳамаи n сохторҳои якқулла (\(n=6\) дар ин расм) бо \(V_{in}\) ҳамчун шиддати вурудӣ ба таври пайдарпай пайваст карда шудаанд. Марҳилаи I: Диаграммаи схемавии сими SMA дар конфигуратсияи бимодалӣ дар шароити шиддати сифр Марҳилаи II: Сохтори идорашаванда нишон дода шудааст, ки дар он сими SMA аз ҳисоби табдили баръакс фишурда мешавад, чунон ки бо хати сурх нишон дода шудааст.
Ҳамчун исботи консепсия, як гардонандаи думодалии SMA барои санҷиши ҳосилаи симулятсияшудаи муодилаҳои асосӣ бо натиҷаҳои таҷрибавӣ таҳия карда шуд. Модели CAD-и фаъолкунандаи хаттии думодалӣ дар расми 9a нишон дода шудааст. Аз тарафи дигар, дар расми 9c тарҳи нави пешниҳодшуда барои пайвасти призматикии гардишӣ бо истифода аз фаъолкунандаи дуҳамвори SMA бо сохтори думодалӣ нишон дода шудааст. Ҷузъҳои гардонанда бо истифода аз истеҳсоли иловагиҳо дар принтери 3D Extended Ultimaker 3 сохта шудаанд. Маводи истифодашуда барои чопи 3D-и ҷузъҳо поликарбонат аст, ки барои маводҳои ба гармӣ тобовар мувофиқ аст, зеро он қавӣ, пойдор ва ҳарорати баланди гузариши шишагӣ дорад (110-113 \(^{\circ }\) C). Илова бар ин, дар таҷрибаҳо сими хӯлаи хотираи шакли флексинол аз Dynalloy, Inc. истифода шуд ва хосиятҳои маводе, ки ба сими флексинол мувофиқанд, дар симулятсияҳо истифода шуданд. Симҳои сершумори SMA ҳамчун нахҳое ҷойгир карда шудаанд, ки дар тартиби думодалии мушакҳо мавҷуданд, то қувваҳои баланди тавлидшуда аз ҷониби фаъолкунандаҳои бисёрқабата ба даст оварда шаванд, тавре ки дар расми 9b, d нишон дода шудааст.
Тавре ки дар расми 9a нишон дода шудааст, кунҷи тезе, ки аз ҷониби сими SMA дастаки ҳаракаткунанда ташкил карда мешавад, кунҷ (\(\alpha\)) номида мешавад. Бо фишангҳои терминалӣ, ки ба фишангҳои чап ва рост пайваст карда шудаанд, сими SMA дар кунҷи бимодалии дилхоҳ нигоҳ дошта мешавад. Дастгоҳи пружинаи таассубӣ, ки дар пайвасткунандаи пружинӣ нигоҳ дошта мешавад, барои танзими гурӯҳҳои гуногуни васеъкунии пружинаи таассубӣ мувофиқи шумораи (n) нахҳои SMA тарҳрезӣ шудааст. Илова бар ин, ҷойгиршавии қисмҳои ҳаракаткунанда тавре тарҳрезӣ шудааст, ки сими SMA барои хунуккунии конвексияи маҷбурӣ ба муҳити беруна дучор шавад. Пластинаҳои боло ва поёнии васлкунии ҷудошаванда бо буришҳои экструзишуда, ки барои кам кардани вазн тарҳрезӣ шудаанд, ба хунук нигоҳ доштани сими SMA мусоидат мекунанд. Илова бар ин, ҳарду нӯги сими CMA мутаносибан ба терминалҳои чап ва рост бо ёрии фишанг мустаҳкам карда мешаванд. Барои нигоҳ доштани фосила байни плитаҳои боло ва поёнӣ ба як нӯги васлкунии ҳаракаткунанда поршен пайваст карда шудааст. Поршен инчунин барои татбиқи қувваи басташавӣ ба сенсор тавассути контакт барои чен кардани қувваи басташавӣ ҳангоми фаъол шудани сими SMA истифода мешавад.
Сохтори мушакҳои думодалии SMA ба таври барқӣ пай дар пай пайваст карда мешавад ва аз ҷониби шиддати импулси вурудӣ кор мекунад. Дар давраи импулси шиддат, вақте ки шиддат дода мешавад ва сими SMA аз ҳарорати ибтидоии аустенит болотар гарм карда мешавад, дарозии сим дар ҳар як ришта кӯтоҳ мешавад. Ин кашиш зермаҷмӯи бозуи ҳаракаткунандаро фаъол мекунад. Вақте ки шиддат дар ҳамон давра ба сифр баробар карда шуд, сими гармшудаи SMA аз ҳарорати сатҳи мартенсит пасттар хунук карда шуд ва бо ин васила ба мавқеи аввалаи худ бармегардад. Дар шароити шиддати сифр, сими SMA аввал бо пружинаи таассуб пассивӣ кашида мешавад, то ба ҳолати мартенситии муайяншуда бирасад. Винте, ки аз он сими SMA мегузарад, аз сабаби фишурдашавӣ, ки бо истифода аз импулси шиддат ба сими SMA ба вуҷуд омадааст (SPA ба фазаи аустенит мерасад), ки боиси фаъол шудани фишанги ҳаракаткунанда мегардад, ҳаракат мекунад. Вақте ки сими SMA кашида мешавад, пружинаи таассуб бо дароз кардани минбаъдаи пружин қувваи муқобилро ба вуҷуд меорад. Вақте ки шиддат дар шиддати импулс ба сифр мерасад, сими SMA дароз мешавад ва шакли худро аз сабаби хунуккунии конвексияи маҷбурӣ тағйир медиҳад ва ба фазаи дукарата мартенсит мерасад.
Системаи пешниҳодшудаи фаъолкунандаи хаттии SMA дорои конфигуратсияи думодалӣ мебошад, ки дар он симҳои SMA кунҷ доранд. (а) модели CAD-и прототипро тасвир мекунад, ки дар он баъзе аз ҷузъҳо ва маъноҳои онҳо барои прототип зикр шудаанд, (b, d) прототипи таҷрибавии таҳияшударо ифода мекунад35. Дар ҳоле ки (b) намуди болоии прототипро бо пайвастҳои барқӣ ва пружинаҳои каҷ ва андозагирҳои шиддат нишон медиҳад, (d) намуди перспективии насбро нишон медиҳад. (e) Диаграммаи системаи фаъолкунии хаттӣ бо симҳои SMA, ки дар вақти дилхоҳ t ба таври думодалӣ ҷойгир карда шудаанд, ки самт ва самти нах ва қувваи мушакҳоро нишон медиҳад. (c) Пайвасти призматикии гардиши 2-DOF барои ҷойгиркунии фаъолкунандаи дуҳамвории SMA пешниҳод шудааст. Тавре ки нишон дода шудааст, пайванд ҳаракати хаттиро аз гардонандаи поёнӣ ба бозуи болоӣ интиқол медиҳад ва пайвасти гардишӣ эҷод мекунад. Аз тарафи дигар, ҳаракати ҷуфт призмаҳо бо ҳаракати гардонандаи марҳилаи аввали бисёрқабата якхела аст.
Таҳқиқоти таҷрибавӣ дар прототипи дар расми 9b нишондодашуда барои арзёбии кори гардонандаи думодалӣ дар асоси SMA гузаронида шуд. Тавре ки дар расми 10a нишон дода шудааст, насби таҷрибавӣ аз манбаи барқи DC-и барномарезишаванда барои таъмини шиддати вуруд ба симҳои SMA иборат буд. Тавре ки дар расми 10b нишон дода шудааст, барои чен кардани қувваи басташавӣ бо истифода аз сабткунандаи маълумоти Graphtec GL-2000, ченаки шиддати пьезоэлектрикӣ (PACEline CFT/5kN) истифода шуд. Маълумот аз ҷониби мизбон барои омӯзиши минбаъда сабт карда мешавад. Андозагирҳои шиддат ва тақвиятдиҳандаҳои заряд барои тавлиди сигнали шиддат ба манбаи барқи доимӣ ниёз доранд. Сигналҳои мувофиқ мувофиқи ҳассосияти сенсори қувваи пьезоэлектрикӣ ва дигар параметрҳо, ки дар Ҷадвали 2 тавсиф шудаанд, ба баромади қувва табдил дода мешаванд. Вақте ки импулси шиддат татбиқ карда мешавад, ҳарорати сими SMA меафзояд, ки боиси фишурдани сими SMA мегардад, ки боиси тавлиди қувва мегардад. Натиҷаҳои таҷрибавии баромади қувваи мушакҳо аз ҷониби импулси шиддати вурудии 7 В дар расми 2a нишон дода шудаанд.
(а) Дар таҷриба барои чен кардани қувваи тавлидшуда аз ҷониби иҷрокунанда системаи фаъолкунандаи хаттӣ дар асоси SMA таъсис дода шуд. Камераи боркунӣ қувваи басташавиро чен мекунад ва аз манбаи барқи 24 В DC кор мекунад. Дар тамоми дарозии кабел бо истифода аз манбаи барқи DC-и барномарезишавандаи GW Instek, коҳиши шиддати 7 В татбиқ карда шуд. Сими SMA аз сабаби гармӣ хурд мешавад ва дасти ҳаракаткунанда бо камераи боркунӣ тамос мегирад ва қувваи басташавиро ба вуҷуд меорад. Камераи боркунӣ ба сабткунандаи маълумоти GL-2000 пайваст карда шудааст ва маълумот барои коркарди минбаъда дар мизбон нигоҳ дошта мешавад. (б) Диаграмма, ки занҷири ҷузъҳои дастгоҳи таҷрибавиро барои чен кардани қувваи мушакҳо нишон медиҳад.
Хӯлаҳои хотираи шакл аз ҷониби энергияи гармӣ ангехта мешаванд, аз ин рӯ, ҳарорат параметри муҳим барои омӯзиши падидаи хотираи шакл мегардад. Дар таҷриба, тавре ки дар расми 11a нишон дода шудааст, тасвири гармӣ ва андозагирии ҳарорат дар прототипи фаъолкунандаи дувалератӣ дар асоси SMA анҷом дода шуданд. Манбаи DC-и барномарезишаванда шиддати вурудро ба симҳои SMA дар танзимоти таҷрибавӣ татбиқ кард, чунон ки дар расми 11b нишон дода шудааст. Тағйирёбии ҳарорати сими SMA дар вақти воқеӣ бо истифода аз камераи LWIR бо қарори баланд (FLIR A655sc) чен карда шуд. Хост нармафзори ResearchIR-ро барои сабти маълумот барои коркарди минбаъдаи баъдӣ истифода мебарад. Вақте ки импулси шиддат татбиқ карда мешавад, ҳарорати сими SMA меафзояд ва боиси кам шудани сими SMA мегардад. Дар расми 2b натиҷаҳои таҷрибавии ҳарорати сими SMA нисбат ба вақт барои импулси шиддати вурудии 7V нишон дода шудааст.