Nature.com saýtyna gireniňiz üçin sag boluň. Ulanýan brauzeriňiziň wersiýasynda CSS goldawy çäkli. Iň gowy tejribe üçin täzelenen brauzer ulanmagyňyzy maslahat berýäris (ýa-da Internet Explorer-de Gatnaşyklyk Režimini öçüriň). Şol bir wagtyň özünde, yzygiderli goldawy üpjün etmek üçin saýty stillersiz we JavaScript-siz görkezeris.
Aktiwatorlar hemme ýerde ulanylýar we önümçilikde we senagat awtomatlaşdyrmasynda dürli amallary ýerine ýetirmek üçin dogry gyjyndyryjy güýji ýa-da momenti ulanmak arkaly dolandyrylýan hereketi döredýär. Has çalt, kiçi we has netijeli hereketlendirijilere bolan zerurlyk hereketlendirijiniň dizaýnynda innowasiýany öňe sürýär. Formanyň ýatda saklaýan lehimli (SMA) hereketlendirijileri adaty hereketlendirijilere garanyňda birnäçe artykmaçlyklary hödürleýär, şol sanda ýokary güýç-agram gatnaşygy. Bu dissertasiýada biologik ulgamlaryň tüýli myşsalarynyň artykmaçlyklaryny we SMA-laryň özboluşly häsiýetlerini birleşdirýän iki tüýli SMA esasly hereketlendiriji işlenip düzüldi. Bu gözleg bimodal SMA sim gurluşyna esaslanýan täze hereketlendirijiniň matematiki modelini işläp düzmek we ony tejribe arkaly synagdan geçirmek arkaly öňki SMA hereketlendirijilerini öwrenýär we giňeldýär. SMA esasly belli hereketlendirijiler bilen deňeşdirilende, täze hereketlendirijiniň hereketlendiriji güýji azyndan 5 esse ýokary (150 N çenli). Degişli agramyň ýitgisi takmynan 67%. Matematiki modelleriň duýgurlyk seljermesiniň netijeleri dizaýn parametrlerini sazlamak we esasy parametrleri düşünmek üçin peýdalydyr. Bu gözleg dinamikany has-da gowulandyrmak üçin ulanylyp bilinjek köp derejeli N-nji tapgyrly hereketlendirijini has-da hödürleýär. SMA esasyndaky dipvalerat myşsa aktuatorlary gurluşyk awtomatlaşdyrmasyndan başlap, takyk derman eltme ulgamlaryna çenli giň ulanylyş ugurlaryna eýedir.
Biologiki ulgamlar, meselem, süýdemdirijileriň myşsa gurluşlary, köp sanly inçe hereketlendirijileri işjeňleşdirip bilýär1. Süýdemdirijileriň dürli myşsa gurluşlary bar, olaryň her biri belli bir maksada hyzmat edýär. Şeýle-de bolsa, süýdemdirijileriň myşsa dokumalarynyň gurluşynyň köp bölegini iki giň kategoriýa bölmek bolýar: Parallel we pennatly. Atlaryndan görnüşi ýaly, bud muskullarynda we beýleki fleksorlarda parallel myşsalaryň merkezi tendon bilen parallel myşsa süýümleri bar. Myşsa süýümleriniň zynjyry töweregindäki birleşdiriji dokumalar bilen düzülip, ​​funksional taýdan baglanyşyklydyr. Bu myşsalaryň uly ekskursiýa (gysgalanmagyň göterimi) bar diýilse-de, olaryň umumy myşsa güýji örän çäkli. Tersine, triseps baldyr myşsasynda2 (lateral gastroknemius (GL)3, medial gastroknemius (GM)4 we soleus (SOL)) we ekstensor bud myşsasynda (dörd başly myşsa)5,6 pennatly myşsa dokumasy her myşsada7 tapylýar. Pennatly gurluşda iki pennatly myşsadaky myşsa süýümleri merkezi tendonyň iki tarapynda hem egri burçlarda (pennatly burçlar) bar. Pennate latyn dilindäki "penna" sözünden gelip çykýar, bu bolsa "galam" diýmegi aňladýar we 1-nji suratda görkezilişi ýaly, tüý ýaly görnüşe eýedir. Pennate myşsalarynyň süýümleri gysga we myşsanyň uzynlyk okuna burçlydyr. Pennate gurluşy sebäpli bu myşsalaryň umumy hereketliligi peselýär, bu bolsa gysgalmak prosesiniň köndelen we uzynlyk böleklerine getirýär. Beýleki tarapdan, bu myşsalaryň işjeňleşdirilmegi fiziologiki kese-kesiş meýdanynyň ölçenilişi sebäpli umumy myşsa güýjüniň ýokary bolmagyna getirýär. Şonuň üçin, belli bir kese-kesiş meýdany üçin pennate myşsalary has güýçli bolar we parallel süýümleri bolan myşsalara garanyňda has ýokary güýçler döreder. Aýry-aýry süýümler tarapyndan döredilen güýçler şol myşsa dokumasynda makroskopik derejede myşsa güýçlerini döredýär. Mundan başga-da, onuň çalt kiçelmegi, dartgynlyk zyýanyndan goranmagy, ýumşaklyk ýaly özboluşly häsiýetleri bar. Ol myşsa hereket çyzyklary bilen baglanyşykly süýümiň gurluşynyň özboluşly aýratynlyklaryny we geometrik çylşyrymlylygyny ulanmak arkaly süýüm girişi bilen myşsa güýjüniň çykyşynyň arasyndaky gatnaşygy üýtgedýär.
Bimodal myşsa arhitekturasy bilen baglanyşykly bar bolan SMA esasly hereketlendiriji dizaýnlarynyň shematiki diagrammalary görkezilen, mysal üçin (a), SMA simleri bilen hereketlendirilýän el şekilli enjamyň iki tigirli awtonom ykjam robota oturdylan taktil güýjüň özara täsirini görkezýär9,10. , (b) Antagonistik ýerleşdirilen SMA ýazly orbital protezli robot orbital protez. Protez gözüň ýagdaýy gözüň göz myşsasyndan gelýän signal bilen dolandyrylýar11, (c) SMA hereketlendirijileri ýokary ýygylykly jogaby we pes geçirijilik ukyby sebäpli suwasty ulanyşlar üçin idealdyr. Bu konfigurasiýada SMA hereketlendirijileri balyklaryň hereketini simulýasiýa etmek arkaly tolkun hereketini döretmek üçin ulanylýar, (d) SMA hereketlendirijileri 10-njy kanalyň içinde SMA simleriniň hereketi bilen dolandyrylýan inç gurçuk hereket prinsipini ulanyp bilýän mikro turba barlag robotyny döretmek üçin ulanylýar, (e) myşsa süýümleriniň gysylma ugruny we gastroknemius dokumasynda gysylma güýjüni döredýär, (f) pennate myşsa gurluşynda myşsa süýümleri görnüşinde ýerleşdirilen SMA simlerini görkezýär.
Aktiwatorlar giň ulanylyş ugurlary sebäpli mehaniki ulgamlaryň möhüm bölegine öwrüldi. Şonuň üçin kiçi, has çalt we has netijeli hereketlendirijilere bolan zerurlyk örän möhüm bolýar. Artykmaçlyklaryna garamazdan, däp bolan hereketlendirijiler gymmat we tehniki hyzmat etmek üçin wagt talap edýändigi subut edildi. Gidrawlik we pnewmatik hereketlendirijiler çylşyrymly we gymmat bolup, aşynmaga, ýaglama meselelerine we bölekleriň döwülmegine sezewar bolýar. Talaplara jogap hökmünde, akylly materiallara esaslanýan tygşytly, ölçegleri optimizirlenen we ösen hereketlendirijileri işläp düzmäge üns berilýär. Bu zerurlygy kanagatlandyrmak üçin dowam edýän gözlegler şekil ýadynda saklaýan lehimli (SMA) gatlakly hereketlendirijileri öwrenýär. Ierarhiki hereketlendirijiler köp sanly aýry hereketlendirijileri geometrik taýdan çylşyrymly makro ölçegli kiçi ulgamlara birleşdirip, has köp funksiýany üpjün edýändikleri bilen tapawutlanýar. Şu babatda ýokarda beýan edilen adam myşsa dokumasy şeýle köp gatlakly hereketlendirmegiň ajaýyp köp gatlakly mysalyny hödürleýär. Häzirki gözlegde iki modal myşsalarda bar bolan süýüm ugurlaryna laýyk gelýän birnäçe aýry hereketlendiriji elementleri (SMA simleri) bolan köp derejeli SMA hereketlendirijisi beýan edilýär, bu bolsa umumy hereketlendirijiniň işini gowulandyrýar.
Aktiwatoryň esasy maksady elektrik energiýasyny öwürmek arkaly güýç we süýşme ýaly mehaniki güýç çykarmakdyr. Şekil ýatda saklaýan erginler ýokary temperaturada öz görnüşini dikeldip bilýän "akylly" materiallaryň bir klasydyr. Ýokary ýükleriň aşagynda SMA siminiň temperaturasynyň ýokarlanmagy görnüşiň dikeldilmegine getirýär, bu bolsa dürli gönüden-göni baglanyşykly akylly materiallara garanyňda has ýokary işjeňlik energiýasynyň dykyzlygyna getirýär. Şol bir wagtyň özünde, mehaniki ýükleriň aşagynda SMA-lar döwülýär. Käbir şertlerde siklik ýük mehaniki energiýany özüne siňdirip we goýberip biler, yzyna gaýtýan gisteretiki görnüş üýtgeşmelerini görkezýär. Bu özboluşly häsiýetler SMA-ny sensorlar, titreme söndüriji we esasanam aktiwatorlar üçin ideal edýär12. Şuny göz öňünde tutup, SMA esasly hereketlendirijiler boýunça köp gözleg geçirildi. SMA esasly hereketlendirijileriň dürli ulanyşlar üçin terjime we aýlanma hereketini üpjün etmek üçin döredilendigini bellemek gerek13,14,15. Käbir aýlanma hereketlendirijileri işlenip düzülse-de, ylmy işgärler aýratyn çyzykly hereketlendirijilere gyzyklanýarlar. Bu çyzykly hereketlendirijileri üç görnüşli hereketlendirijilere bölmek bolýar: bir ölçegli, süýşme we differensial hereketlendirijiler 16. Ilki başda gibrid hereketlendirijiler SMA we beýleki adaty hereketlendirijiler bilen utgaşdyrylyp döredildi. SMA esasyndaky gibrid çyzykly hereketlendirijiniň şeýle mysallarynyň biri, takmynan 100 N çykyş güýji we uly göwrümli ýerini üpjün etmek üçin DC motory bilen SMA simini ulanmakdyr17.
Doly SMA-a esaslanýan sürüjileriň ilkinji ösüşleriniň biri SMA parallel sürüji boldy. Birnäçe SMA simlerini ulanyp, SMA-a esaslanýan parallel sürüji ähli SMA18 simlerini parallel ýerleşdirmek arkaly sürüjiniň güýç ukybyny artdyrmak üçin niýetlenendir. Aktiwatorlaryň parallel birikmesi diňe bir has köp güýç talap etmeýär, eýsem bir simiň çykyş güýjüni hem çäklendirýär. SMA-a esaslanýan hereketlendirijileriň başga bir kemçiligi, olaryň gazanyp biljek çäkli hereketidir. Bu meseläni çözmek üçin, süýşmäni artdyrmak we çyzykly herekete ýetmek üçin egrilen çeýe şöhleni öz içine alýan SMA kabel şöhlesi döredildi, ýöne has ýokary güýçleri döretmedi19. Forma ýadygärligi erginlerine esaslanýan robotlar üçin ýumşak deformasiýa bolýan gurluşlar we matalar, esasan, zarba güýçlendirmek üçin işlenip düzüldi20,21,22. Ýokary tizlik talap edilýän ulanylyşlar üçin, mikronasos bilen dolandyrylýan ulanylyşlar üçin inçe plýonkaly SMA-lary ulanyp, ykjam hereketlendirilýän nasoslar barada habar berildi23. Inçe plýonkaly SMA membranasynyň hereketlendiriji ýygylygy sürüjiniň tizligini dolandyrmakda esasy faktor bolup durýar. Şonuň üçin, SMA çyzykly hereketlendirijileri SMA ýazly ýa-da sterženli hereketlendirijilere garanyňda has gowy dinamiki jogap berýärler. Ýumşak robototehnika we tutma tehnologiýasy SMA esasly aktuatorlary ulanýan başga iki ulgamdyr. Mysal üçin, 25 N giňişlik gysgyjynda ulanylýan standart aktuatoryň ornuny tutmak üçin, şekil ýadynda saklaýan lehimli parallel aktuator 24 işlenip düzüldi. Başga bir ýagdaýda, SMA ýumşak aktuatory 30 N maksimum çekiş güýjüni öndürip bilýän içine ýerleşdirilen matrisaly sim esasynda öndürildi. Mehaniki häsiýetlerine görä, SMA-lar biologik hadysalary gaýtalaýan aktuatorlary öndürmek üçin hem ulanylýar. Şeýle ösüşleriň biri ot almak üçin sinusoidal hereket döretmek üçin SMA bilen gurçuk ýaly organizmiň biomimetiki bolan 12 öýjükli roboty öz içine alýar26,27.
Öň belläp geçişimiz ýaly, bar bolan SMA esasly hereketlendirijilerden alnyp bilinjek iň ýokary güýjüň çägi bar. Bu meseläni çözmek üçin bu gözleg biomimetik bimodal myşsa gurluşyny hödürleýär. Şekil ýady bilen işleýän lehimli sim bilen hereketlendirilýär. Ol birnäçe şekil ýady bilen işleýän lehimli simleri öz içine alýan klassifikasiýa ulgamyny hödürleýär. Şu güne çenli edebiýatda meňzeş arhitekturaly SMA esasly hereketlendirijiler habar berilmedi. SMA esasly bu özboluşly we täze ulgam bimodal myşsa deňleşdirilişi wagtynda SMA-nyň özüni alyp barşyny öwrenmek üçin işlenip düzüldi. Bar bolan SMA esasly hereketlendirijiler bilen deňeşdirilende, bu gözlegiň maksady kiçi göwrümde has ýokary güýçleri döretmek üçin biomimetik dipwalerat hereketlendiriji döretmekdi. HVAC bina awtomatlaşdyrmasynda we dolandyryş ulgamlarynda ulanylýan adaty ädim hereketlendirijisi bilen işleýän hereketlendirijiler bilen deňeşdirilende, teklip edilýän SMA esasly bimodal hereketlendiriji dizaýny hereketlendiriji mehanizminiň agramyny 67% azaldýar. Aşakda "myşsa" we "hereketlendiriji" adalgalary bir-biriniň ornuny tutýar. Bu gözleg şeýle hereketlendirijiniň köpfiziki simulýasiýasyny öwrenýär. Şeýle ulgamlaryň mehaniki özüni alyp barşy eksperimental we analitik usullar bilen öwrenildi. Güýç we temperatura paýlanyşy 7 V giriş naprýaženiýesinde has giňişleýin öwrenildi. Soňra esasy parametrler bilen çykyş güýjüniň arasyndaky gatnaşygy has gowy düşünmek üçin parametrik seljerme geçirildi. Ahyrsoňy, iýerarhik hereketlendirijiler göz öňünde tutuldy we protez ulanylyşlary üçin magnit däl hereketlendirijiler üçin geljekki mümkin bolan ugur hökmünde iýerarhik derejeli täsirler teklip edildi. Ýokarda agzalan gözlegleriň netijelerine görä, bir tapgyrly arhitekturanyň ulanylmagy habar berlen SMA esasly hereketlendirijilerden azyndan dört-bäş esse ýokary güýçleri döredýär. Mundan başga-da, köp derejeli köp derejeli hereketlendiriji tarapyndan döredilen şol bir hereketlendiriji güýjüň adaty SMA esasly hereketlendirijilerden on esse köp bolandygy görkezildi. Soňra gözleg dürli dizaýnlar we giriş üýtgeýjileri arasyndaky duýgurlyk seljermesini ulanyp, esasy parametrleri habar berýär. SMA siminiň başlangyç uzynlygy (\(l_0\)), pinnate burç (\(\alfa\)) we her bir aýratyn zynjyrdaky ýeke zynjyrlaryň sany (n) hereketlendiriji güýjüň ululygyna güýçli ýaramaz täsir edýär, giriş naprýaženiýesi (energiýa) bolsa oňyn baglanyşykly bolup çykdy.
SMA simi nikel-titan (Ni-Ti) ergin maşgalasynda görülýän şekil ýatda saklamak effektini (SME) görkezýär. Adatça, SMA-lar iki temperatura bagly fazany görkezýär: pes temperatura fazasy we ýokary temperatura fazasy. Iki faza hem dürli kristal gurluşlarynyň bolmagy sebäpli özboluşly häsiýetlere eýedir. Öwrüliş temperaturasyndan ýokarda bolan austenit fazasynda (ýokary temperatura fazasy) material ýokary berkligi görkezýär we ýük astynda gowşak deformasiýa bolýar. Ergin poslamaýan polat ýaly hereket edýär, şonuň üçin ol ýokary hereket basyşlaryna çydap bilýär. Ni-Ti erginleriniň bu häsiýetinden peýdalanyp, SMA simleri hereketlendiriji emele getirmek üçin egrilenýär. Dürli parametrleriň we dürli geometriýalaryň täsiri astynda SMA-nyň termal häsiýetiniň esasy mehanikasyny düşünmek üçin degişli analitiki modeller işlenip düzüldi. Eksperimental we analitiki netijeleriň arasynda gowy ylalaşyk gazanyldy.
9a-njy suratda görkezilen prototipde SMA esasynda bimodal sürüjiniň işini bahalandyrmak üçin eksperimental gözleg geçirildi. Bu häsiýetleriň ikisi, sürüji tarapyndan döredilýän güýç (myşsa güýji) we SMA siminiň temperaturasy (SMA temperaturasy), eksperimental taýdan ölçeldi. Sürüjide simiň tutuş uzynlygy boýunça naprýaženiýe tapawudy artanda, Joul gyzdyryş täsiri sebäpli simiň temperaturasy ýokarlanýar. Giriş naprýaženiýesi iki 10 sekuntlyk siklde (2a, b-nji suratlarda gyzyl nokatlar hökmünde görkezilen), her sikl arasynda 15 sekuntlyk sowadyş döwri bilen ulanyldy. Blokirleýji güýç pýezoelektrik dartgynlylyk ölçeýjisi arkaly ölçeldi we SMA siminiň temperatura paýlanyşy ylmy derejeli ýokary çözgütli LWIR kamerasy arkaly real wagt režiminde gözegçilik edildi (2-nji tablisada ulanylan enjamlaryň häsiýetnamalaryna serediň). Ýokary naprýaženiýe fazasynda simiň temperaturasynyň monoton ýokarlanýandygyny, ýöne tok akmadyk mahaly simiň temperaturasynyň pese gaçmagyny dowam etdirýändigini görkezýär. Häzirki synag gurnamasynda, SMA siminiň temperaturasy sowadyş tapgyrynda aşaklady, ýöne ol henizem daşky gurşawyň temperaturasyndan ýokarydy. 2e-nji suratda LWIR kamerasyndan alnan SMA siminiň temperaturasynyň suraty görkezilýär. Beýleki tarapdan, 2a-njy suratda hereketlendiriji ulgam tarapyndan döredilýän blokirleýji güýç görkezilýär. Myşsa güýji ýazyň dikeldiş güýjünden geçende, 9a-njy suratda görkezilişi ýaly, hereket edýän gol herekete başlaýar. Işe girizilmegi başlan badyna, hereket edýän gol datçige degýär we 2c, d-nji suratlarda görkezilişi ýaly, beden güýji döredýär. Maksimum temperatura \(84\,^{\circ}\hbox {C}\-e golaý bolanda, synlanan iň ýokary güýç 105 N-dir.
Grafikde SMA siminiň temperaturasynyň we SMA esasly bimodal hereketlendiriji tarapyndan iki sikl dowamynda döredilen güýjüň tejribe netijeleri görkezilýär. Giriş naprýaženiýesi iki 10 sekuntlyk siklde (gyzyl nokatlar hökmünde görkezilýär) berilýär we her sikl arasynda 15 sekuntlyk sowama döwri berilýär. Synaglar üçin ulanylan SMA simi Dynalloy, Inc. kompaniýasynyň 0,51 mm diametrli Flexinol simi boldy. (a) Grafikde iki sikl dowamynda alnan tejribe güýji görkezilýär, (c, d) PACEline CFT/5kN pýezoelektrik güýç öwrüjisinde hereket edýän gol hereketlendirijileriniň hereketiniň iki garaşsyz mysaly görkezilýär, (b) grafikde iki sikl dowamynda tutuş SMA siminiň iň ýokary temperaturasy görkezilýär, (e) FLIR ResearchIR programma üpjünçiligi LWIR kamerasyny ulanyp, SMA siminden alnan temperatura suraty görkezilýär. Synaglarda göz öňünde tutulan geometrik parametrler 1-nji tablisada berilýär.
Matematiki modeliň simulýasiýa netijeleri we tejribe netijeleri, 5-nji suratda görkezilişi ýaly, giriş naprýaženiýesi 7V şertinde deňeşdirilýär. Parametrik analiziň netijelerine görä we SMA siminiň gyzmagynyň öňüni almak üçin hereketlendirijä 11,2 W güýç berildi. Giriş naprýaženiýesi hökmünde 7V üpjün etmek üçin programmalaşdyrylýan DC güýç çeşmesi ulanyldy we sim boýunça 1,6A tok ölçeldi. Tok berlende hereketlendiriji tarapyndan döredilen güýç we SDR-iň temperaturasy artýar. Giriş naprýaženiýesi 7V bilen, birinji sikliň simulýasiýa netijelerinden we tejribe netijelerinden alnan iň ýokary çykyş güýji degişlilikde 78 N we 96 N boldy. Ikinji sikliň dowamynda simulýasiýa we tejribe netijeleriniň iň ýokary çykyş güýji degişlilikde 150 N we 105 N boldy. Okklýuziý güýjüniň ölçegleri bilen tejribe maglumatlarynyň arasyndaky tapawut okklýuziý güýjüni ölçemek üçin ulanylýan usul bilen baglanyşykly bolup biler. Şekilde görkezilen tejribe netijeleri. 5a gulplama güýjüniň ölçegine gabat gelýär, ol bolsa öz gezeginde hereketlendiriji wal PACEline CFT/5kN pýezoelektrik güýç öwrüjisi bilen aragatnaşykda bolanda ölçeldi, 2s-nji suratda görkezilişi ýaly. Şonuň üçin, hereketlendiriji wal sowadyş zolagynyň başynda güýç datçigi bilen aragatnaşykda bolmadyk wagty, güýç derrew nola öwrülýär, 2d-nji suratda görkezilişi ýaly. Mundan başga-da, indiki sikllerde güýjüň emele gelmegine täsir edýän beýleki parametrler sowadyş wagtynyň gymmatlyklary we öňki sikldäki konwektiw ýylylyk geçirijiliginiň koeffisiýentidir. 2b-nji suratdan, 15 sekuntlyk sowadyş döwründen soň, SMA siminiň otagyň temperaturasyna ýetmändigini we şonuň üçin ikinji hereketlendiriji siklde birinji sikl bilen deňeşdirilende (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)) has ýokary başlangyç temperatura (\(40\,^{\circ}\hbox {C}\)) bolandygyny görmek bolýar. Şeýlelik bilen, birinji sikl bilen deňeşdirilende, ikinji gyzdyryş siklindäki SMA siminiň temperaturasy başlangyç austenitin temperaturasyna (\(A_s\)) ir ýetýär we geçiş döwründe has uzak galýar, bu bolsa stres we güýç döredýär. Beýleki tarapdan, tejribelerden we simulýasiýalardan alnan gyzdyryş we sowadyş sikllerindäki temperatura paýlanyşlary termografik analizden alnan mysallara ýokary hilli meňzeşlige eýedir. Tejribelerden we simulýasiýalardan alnan SMA siminiň termal maglumatlarynyň deňeşdirme analizi gyzdyryş we sowadyş sikllerindäki yzygiderliligi we tejribe maglumatlary üçin kabul ederlikli çydamlylyklaryň çäginde görkezdi. Birinji sikliň simulýasiýa we tejribeleriniň netijelerinden alnan SMA siminiň iň ýokary temperaturasy degişlilikde \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) we \(75\,^{\circ }\hbox {C }\), ikinji siklde bolsa SMA siminiň iň ýokary temperaturasy \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) we \(83\,^{\circ }\hbox {C}\) bolýar. Esasan işlenip düzülen model şekil ýadynyň täsirini tassyklaýar. Bu synymda ýadawlygyň we gyzgynlygyň roly göz öňünde tutulmady. Geljekde model SMA siminiň dartgynlyk taryhyny öz içine almak üçin kämilleşdiriler, bu bolsa ony inženerçilik ulanylyşlary üçin has amatly eder. Simulink blokundan alnan hereketlendirijiniň çykyş güýji we SMA temperatura grafikleri giriş naprýaženiýe impulsy 7 V şertinde tejribe maglumatlarynyň rugsat berilýän çydamlylyk çäklerindedir. Bu işlenip düzülen matematiki modeliň dogrulygyny we ygtybarlylygyny tassyklaýar.
Matematiki model MathWorks Simulink R2020b gurşawynda Usullar bölüminde beýan edilen esasy deňlemeleri ulanyp işlenip düzüldi. 3b-nji suratda Simulink matematika modeliniň blok-diagrammasy görkezilen. Model 2a, b-nji suratlarda görkezilişi ýaly 7V giriş naprýaženiýe impulsy üçin modelleşdirildi. Simulýasiýada ulanylan parametrleriň gymmatlyklary 1-nji tablisada görkezilen. Geçiji prosesleriň simulýasiýasynyň netijeleri 1-nji we 1-nji suratlarda görkezilen. 3a we 4-nji suratlarda görkezilen. 4a, b-nji suratda SMA simindäki induksiýa naprýaženiýesi we hereketlendiriji tarapyndan wagtyň funksiýasy hökmünde döredilen güýç görkezilýär. Ters öwrülişik (gyzdyrma) wagtynda, SMA siminiň temperaturasy, \(T < A_s^{\prime}\) (stres bilen modifisirlenen austenit fazasynyň başlangyç temperaturasy), martensit göwrüm böleginiň üýtgeme tizligi (\(\dot{\xi }\)) nola deň bolanda. Ters öwrülişik (gyzdyrma) wagtynda, SMA siminiň temperaturasy, \(T < A_s^{\prime}\) (stres bilen modifisirlenen austenit fazasynyň başlangyç temperaturasy), martensit göwrüm böleginiň üýtgeme tizligi (\(\dot{\ xi }\)) nola deň bolanda. Во время обратного превращения (нагрева), когда ада проволоки SMA, \ (T Ters öwrüliş (gyzdyryş) wagtynda, SMA siminiň temperaturasy, \(T < A_s^{\prime}\) (stres bilen modifisirlenen austenidiň başlangyç temperaturasy) bolanda, martensit göwrüm böleginiň (\(\dot{\ xi}\) üýtgeme tizligi nola deň bolar.在反向转变（加热）过程中，当 SMA 线温度 \ (T 在 反向 转变 (t (t При обратном превращении (нагреве) при провококи СПФ \ (T SMA siminiň temperaturasynda ters öwrüliş (gyzdyryş) wagtynda (austenit fazasynyň ýadrolanma temperaturasy, stres üçin düzedilen), martensitiň göwrüm paýynyň üýtgeme tizligi (\( \dot{\ xi }\)) nola deň bolar.Şonuň üçin, stres üýtgeme tizligi (\(\dot{\sigma}\)) diňe (1) deňleme ulanylyp, stres tizligine (\(\dot{\epsilon}\)) we temperatura gradientine (\(\dot{T} \)) bagly bolar. Şeýle-de bolsa, SMA siminiň temperaturasy ýokarlananda we (\(A_s^{\prime}\)) kesilende, awstenit fazasy emele gelip başlaýar we (\(\dot{\xi}\)) (3) deňlemesiniň berlen gymmaty hökmünde kabul edilýär. Şonuň üçin, naprýaženiýe üýtgeme tizligi (\(\dot{\sigma}\)) bilelikde \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) we \(\dot{\xi}\) formulada (1) berlene deň bolmagy bilen dolandyrylýar. Bu, 4a, b suratlarda görkezilişi ýaly, gyzdyryş sikliniň dowamynda wagt boýunça üýtgeýän stres we güýç kartalarynda syn edilýän gradient üýtgemelerini düşündirýär.
(a) SMA esasly ikitaraplaýyn hereketlendirijide temperatura paýlanyşyny we stres sebäpli birleşýän temperaturany görkezýän simulýasiýa netijesi. Simiň temperaturasy gyzdyryş tapgyrynda austenidiň geçiş temperaturasyndan geçende, üýtgedilen austenidiň geçiş temperaturasy ýokarlanmaga başlaýar we şonuň ýaly-da, sim sterženisiniň temperaturasy sowadyş tapgyrynda martensit geçiş temperaturasyndan geçende, martensit geçiş temperaturasy peselýär. Işletme prosesiniň analitiki modelleşdirmesi üçin SMA. (Simulink modeliniň her bir kiçi ulgamynyň jikme-jik görnüşi üçin goşmaça faýlyň goşundy bölümine serediň.)
Dürli parametr paýlanyşlary üçin seljermäniň netijeleri 7V giriş naprýaženiýesiniň iki sikli üçin görkezilýär (10 sekuntlyk gyzdyrma sikli we 15 sekuntlyk sowama sikli). (ac) we (e) wagtyň dowamyndaky paýlanyşy görkezse, (d) we (f) temperatura bilen paýlanyşy görkezýär. Degişli giriş şertleri üçin synlanan iň ýokary stres 106 MPa (345 MPa-dan az, simiň akym güýji), güýç 150 N, iň ýokary süýşme 270 µm we iň pes martensit göwrüm bölegi 0,91-dir. Beýleki tarapdan, stresdäki üýtgeşme we martensitiň göwrüm böleginiň temperatura bilen üýtgemegi gisterezis häsiýetlerine meňzeşdir.
Şol bir düşündiriş austenit fazasyndan martensit fazasyna gönüden-göni öwrülişik (sowadyş) üçin hem degişlidir, bu ýerde SMA siminiň temperaturasy (T) we dartgynlylyk bilen üýtgedilen martensit fazasynyň (\(M_f^{\prime}\ )) soňky temperaturasy ajaýypdyr. 4d,f suratda SMA siminde induksiýa edilen dartgynlylygyň (\(sigma\)) we martensitiň göwrüm böleginiň (\(xi\)) üýtgemegi iki hereketlendiriji sikl üçin hem SMA siminiň temperaturasynyň üýtgemeginiň funksiýasy hökmünde görkezilýär (T). 3a suratda giriş naprýaženiýe impulsyna baglylykda SMA siminiň temperaturasynyň wagtyň geçmegi bilen üýtgemegi görkezilýär. Suratdan görnüşi ýaly, simiň temperaturasy nol naprýaženiýede ýylylyk çeşmesini we soňraky konwektiw sowadyşy üpjün etmek arkaly ýokarlanmagyny dowam etdirýär. Gyzdyryş wagtynda, SMA siminiň temperaturasy (T) stres bilen düzedilen awstenit ýadrolanma temperaturasyndan (\(A_s^{\prime}\) geçende, martensitiň awstenit fazasyna gaýtadan öwrülmegi başlaýar. Bu fazada SMA simi gysylýar we hereketlendiriji güýç döredýär. Şeýle hem, sowama wagtynda, SMA siminiň temperaturasy (T) stres bilen üýtgedilen martensit fazasynyň (\(M_s^{\prime}\)) ýadrolanma temperaturasyndan geçende, awstenit fazasyndan martensit fazasyna oňyn geçiş bolýar. hereketlendiriji güýç azalýar.
SMA esasynda bimodal hereketlendirijiniň esasy hil taýdan aýratynlyklaryny simulýasiýa netijelerinden alyp bolýar. Göwrüm impulsy girişinde, Joul gyzdyryş täsiri sebäpli SMA siminiň temperaturasy ýokarlanýar. Martensit göwrüm böleginiň başlangyç gymmaty (\(\xi\)) 1-e deňdir, sebäbi material ilki başda doly martensit fazasynda bolýar. Sim gyzmagyny dowam etdirende, SMA siminiň temperaturasy stres bilen düzedilen austenitin ýadrolanma temperaturasyndan geçýär \(A_s^{\prime}\), bu bolsa martensit göwrüm böleginiň peselmegine getirýär, bu 4c suratda görkezilişi ýaly. Mundan başga-da, 4e suratda hereketlendirijiniň urgularynyň wagt boýunça paýlanyşy, 5-nji suratda bolsa - hereketlendiriji güýji wagtyň funksiýasy hökmünde görkezilýär. Deňlemeleriň degişli ulgamy temperatura, martensit göwrüm böleginiň we simde döreýän stresden ybarat bolup, SMA siminiň kiçelmegine we hereketlendiriji tarapyndan döredilýän güýje getirýär. Suratda görkezilişi ýaly. 4d,f, temperatura bilen naprýaženiýe üýtgemesi we martensit göwrüm bölegi temperatura bilen üýtgemesi 7 V-da simulýasiýa edilen ýagdaýda SMA-nyň gisterezis häsiýetlerine laýyk gelýär.
Sürüji parametrleriniň deňeşdirilmegi tejribeler we analitik hasaplamalar arkaly alnyp baryldy. Simler 10 sekuntlap ​​7 V impulsly giriş naprýaženiýesine sezewar edildi, soňra iki siklde 15 sekuntlap ​​(sowadyş fazasy) sowadyldy. Pinnate burçy \(40^{\circ}\) diýlip kesgitlendi we her bir pin aýagyndaky SMA siminiň başlangyç uzynlygy 83 mm diýlip kesgitlendi. (a) Ýük öýjük bilen hereketlendiriji güýji ölçemek (b) Termal infragyzyl kamera bilen simiň temperaturasyny gözegçilik etmek.
Fiziki parametrleriň hereketlendiriji tarapyndan öndürilýän güýje täsirini düşünmek üçin, saýlanan fiziki parametrlere matematiki modeliň duýgurlygynyň seljermesi geçirildi we parametrler täsirine görä reýtingleşdirildi. Ilki bilen, model parametrleriniň nusgalary deň paýlanyşa eýerýän tejribe dizaýn ýörelgelerini ulanmak arkaly geçirildi (duýgurlyk seljermesi baradaky goşmaça bölüme serediň). Bu ýagdaýda, model parametrlerine giriş naprýaženiýesi (\(V_{in}\)), başlangyç SMA sim uzynlygy (\(l_0\)), üçburçluk burçy (\(\alpha\)), egiliş ýazynyň hemişelikligi (\(K_x\)), konwektiw ýylylyk geçirijilik koeffisiýenti (\(h_T\)) we unimodal şahalaryň sany (n) girýär. Indiki ädimde, gözleg dizaýn talaby hökmünde iň ýokary myşsa güýji saýlanyldy we her bir üýtgeýänleriň toplumynyň güýje parametrik täsirleri alyndy. Duýgurlyk seljermesi üçin tornado diagrammalary 6a-njy suratda görkezilişi ýaly, her bir parametr üçin korrelýasiýa koeffisiýentlerinden alyndy.
(a) Model parametrleriniň korrelýasiýa koeffisiýentiniň gymmatlyklary we olaryň ýokardaky model parametrleriniň 2500 özboluşly toparynyň iň ýokary çykyş güýjüne täsiri tornado diagrammasynda görkezilen. Grafik birnäçe görkezijileriň dereje korrelýasiýasyny görkezýär. \(V_{in}\) oňyn korrelýasiýasy bolan ýeke-täk parametr, \(l_0\) bolsa iň ýokary negatiw korrelýasiýasy bolan parametrdigi aýdyňdyr. Dürli kombinasiýalardaky dürli parametrleriň iň ýokary myşsa güýjüne täsiri (b, c)-de görkezilen. \(K_x\) 400-den 800 N/m-e çenli we n 4-den 24-e çenli üýtgeýär. Voltaž (\(V_{in}\)) 4V-dan 10V-a çenli üýtgedi, simiň uzynlygy (\(l_{0} \)) 40-dan 100 mm-e çenli üýtgedi we guýruk burçy (\ (\alfa \)) \ (20 – 60 \, ^ {\circ}\) aralygynda üýtgedi.
6a-njy suratda her bir parametr üçin dürli korrelýasiýa koeffisiýentleriniň tornado diagrammasy görkezilen, olaryň iň ýokary hereketlendiriji güýjüniň dizaýn talaplary bar. 6a-njy suratdan naprýaženiýe parametriniň (\(V_{in}\)) iň ýokary çykyş güýji bilen gönüden-göni baglanyşyklydygyny we konwektiw ýylylyk geçirijilik koeffisiýentiniň (\(h_T\)), alaw burçynyň (\(alpha\)), süýşme ýazynyň yzygiderliliginiň (\(K_x\)) çykyş güýji we SMA siminiň başlangyç uzynlygy (\(l_0\)) bilen negatiw baglanyşyklydygyny we unimodal şahalaryň sanynyň (n) güýçli ters korrelýasiýany görkezýändigini görmek bolýar. Göni korrelýasiýa ýagdaýynda naprýaženiýe korrelýasiýa koeffisiýentiniň (\(V_ {in}\)) has ýokary gymmaty ýagdaýynda bu parametriň kuwwatlylyga iň uly täsir edýändigini görkezýär. Başga bir meňzeş seljerme, 6b, c suratlarynda görkezilişi ýaly, iki hasaplama giňişliginiň dürli kombinasiýalaryndaky dürli parametrleriň täsirini bahalandyrmak arkaly iň ýokary güýji ölçeýär. \(V_{in}\) we \(l_0\), \(\alpha\) we \(l_0\) meňzeş şablonlara eýedir we grafik \(V_{in}\) we \(\alpha\) hem-de \(\alpha\) meňzeş şablonlara eýedigini görkezýär. \(l_0\)-iň kiçi gymmatlyklary ýokary pik güýçlerine getirýär. Beýleki iki grafik 6a-njy surat bilen gabat gelýär, bu ýerde n we \(K_x\) negatiw, \(V_{in}\) bolsa oňyn baglanyşyklydyr. Bu seljerme hereketlendiriji ulgamynyň çykyş güýjüni, urgusyny we netijeliligini talaplara we ulanylyşa uýgunlaşdyryp boljak täsir ediji parametrleri kesgitlemäge we sazlamaga kömek edýär.
Häzirki ylmy-barlag işleri N derejeli ierarhiki sürüjileri tanyşdyrýar we derňeýär. 7a-njy suratda görkezilişi ýaly, iki derejeli ierarhiki ulgamda, birinji derejeli hereketlendirijiniň her bir SMA siminiň ýerine, 9e-nji suratda görkezilişi ýaly, iki modal tertip gazanylýar. 7c-nji suratda SMA siminiň diňe uzynlyk ugry boýunça hereket edýän hereketlenýän goluň (kömekçi goluň) daşyna nähili saralýandygy görkezilýär. Şeýle-de bolsa, esasy hereketlenýän gol 1-nji basgançakly köp basgançakly hereketlendirijiniň hereketlenýän goly bilen birmeňzeş hereket etmegini dowam etdirýär. Adatça, N-basgançakly hereketlendiriji \(N-1\) basgançakly SMA simini birinji basgançakly hereketlendiriji bilen çalşyrmak arkaly döredilýär. Netijede, her şaha, simiň özüni saklaýan şahadan başga, birinji basgançakly hereketlendirijini gaýtalaýar. Şeýlelik bilen, esasy hereketlendirijileriň güýçlerinden birnäçe esse uly güýçleri döredýän iç-içe gurluşlar emele getirilip bilner. Bu gözlegde, her dereje üçin, 7d-nji suratda tablisa görnüşinde görkezilişi ýaly, 1 m umumy netijeli SMA sim uzynlygy hasaba alyndy. Her bir unimodal dizaýndaky her bir simden geçýän tok we her bir SMA sim segmentinde emele gelen öňünden dartgynlyk we naprýaženiýe her derejede birmeňzeşdir. Analitik modelimize görä, çykyş güýji dereje bilen oňyn baglanyşykly, süýşme bolsa negatiw baglanyşyklydyr. Şol bir wagtyň özünde, süýşme we myşsa güýjüniň arasynda özara täsir bardy. 7b-nji suratda görkezilişi ýaly, iň köp güýç iň köp gatlakda gazanylsa-da, iň uly süýşme iň aşaky gatlakda syn edilýär. Ierarhiýa derejesi \(N=5\)-e kesgitleneninde, 2 synlanan urguda \(\upmu\)m bilen 2,58 kN iň ýokary myşsa güýji tapyldy. Beýleki tarapdan, birinji basgançak hereketlendirijisi 277 \(\upmu\)m urguda 150 N güýç döredýär. Köp derejeli hereketlendirijiler hakyky biologik myşsalary gaýtalap bilýärler, bu ýerde şekil ýadynda saklaýan erginlere esaslanýan emeli myşsalar takyk we inçe hereketler bilen has ýokary güýçleri döredip bilýärler. Bu kiçi dizaýnyň çäklendirmeleri, ierarhiýa artdygyça, hereketiň ep-esli azalýandygy we hereketlendirijiniň öndüriş prosesiniň çylşyrymlylygynyň artýandygydyr.
(a) Iki tapgyrly (\(N=2\)) gatlakly şekilli ýatda saklaýan lehimli çyzykly hereketlendiriji ulgamy bimodal konfigurasiýada görkezilýär. Teklip edilýän model birinji tapgyrly gatlakly hereketlendirijidäki SMA simini başga bir tapgyrly gatlakly hereketlendiriji bilen çalşyrmak arkaly gazanylýar. (c) Ikinji tapgyrly köp gatlakly hereketlendirijiniň deformasiýa edilen konfigurasiýasy. (b) Derejeleriň sanyna baglylykda güýçleriň we süýşmeleriň paýlanyşy beýan edilýär. Hereketlendirijiniň iň ýokary güýjüniň grafikdäki ölçeg derejesi bilen oňyn baglanyşyklydygy, hereketiň bolsa ölçeg derejesi bilen negatiw baglanyşyklydygy anyklanyldy. Her simdäki tok we öňünden naprýaženiýe ähli derejelerde üýtgewsiz galýar. (d) Tablisa her derejedäki kranlaryň sanyny we SMA siminiň (süýümiň) uzynlygyny görkezýär. Simleriň häsiýetnamalary 1-nji indeks bilen görkezilýär, ikinji şahalaryň sany bolsa (esasy aýaga birikdirilen biri) aşaky indeksdäki iň uly san bilen görkezilýär. Mysal üçin, 5-nji derejede, \(n_1\) her bir bimodal gurluşda bar bolan SMA simleriniň sanyny, \(n_5\) bolsa kömekçi aýaklaryň (esasy aýaga birikdirilen biri) sanyny aňladýar.
Faza geçişi bilen baglanyşykly kristal gurluşyndaky makroskopik üýtgeşmelere bagly bolan görnüş ýady bilen SMA-laryň özüni alyp barşyny modelleşdirmek üçin köp sanly ylmy işgärler tarapyndan dürli usullar teklip edildi. Konstitutiw usullaryň formulasiýasy öz-özünden çylşyrymlydyr. Iň köp ulanylýan fenomenologiki model Tanaka28 tarapyndan teklip edilýär we inženerçilik ulanylyşlarynda giňden ulanylýar. Tanaka [28] tarapyndan teklip edilen fenomenologiki model martensitiň göwrüm böleginiň temperatura we stres eksponensial funksiýasydygyny çaklaýar. Soňra Liang we Rogers29 hem-de Brinson30 faza geçiş dinamikasynyň naprýaženiýe we temperatura kosinus funksiýasy hökmünde kabul edilýän modeli teklip etdiler, modelde kiçi üýtgetmeler girizildi. Bekker we Brinson SMA materiallarynyň islendik ýüklenme şertlerinde, şeýle hem bölekleýin geçişlerde özüni alyp barşyny modelleşdirmek üçin faza diagrammasyna esaslanýan kinetiki modeli teklip etdiler. Banerjee32 Elahinia we Ahmadian33 tarapyndan işlenip düzülen ýeke-täk erkinlik derejesi manipulýatoryny modelirlemek üçin Bekker we Brinson31 faza diagrammasynyň dinamika usulyny ulanýar. Temperatura bilen naprýaženiýedäki monoton däl üýtgemeleri hasaba alýan faza diagrammalaryna esaslanýan kinetik usullary inženerçilik ulanylyşlarynda ornaşdyrmak kyn. Elakhinia we Ahmadian bar bolan fenomenologiki modelleriň bu kemçiliklerine ünsi çekýärler we islendik çylşyrymly ýükleme şertlerinde şekil ýadynyň özüni alyp barşyny seljermek we kesgitlemek üçin giňeldilen fenomenologiki modeli teklip edýärler.
SMA siminiň gurluş modeli SMA siminiň dartgynlylygyny (\(sigma\)), deformasiýasyny (\(epsilon\)), temperaturasyny (T) we martensit göwrüm paýyny (\(xi\)) berýär. Fenomenologiki konstitutiw model ilki Tanaka28 tarapyndan teklip edildi we soňra Liang29 we Brinson30 tarapyndan kabul edildi. Deňlemäniň türewi aşakdaky görnüşe eýedir:
bu ýerde E - faza bagly SMA Ýang moduly, \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) we \(E_A\) ulanylyp alynýar, Ýang modulyny görkezýän \(E_A\) we \(E_M\) degişlilikde awstenit we martensit fazalarydyr we termal giňelme koeffisiýenti \(\theta_T\) bilen görkezilýär. Faza geçişiniň goşant faktory \(\Omega = -E \epsilon_L\) we \(\epsilon_L\) SMA siminde dikeldilip bilinýän iň ýokary dartgynlykdyr.
Faza dinamikasynyň deňlemesi Liang29 tarapyndan işlenip düzülen we soňra Tanaka28 tarapyndan teklip edilen eksponensial funksiýanyň ýerine Brinson30 tarapyndan kabul edilen kosinus funksiýasy bilen gabat gelýär. Faza geçiş modeli Elahinia we Ahmadian34 tarapyndan teklip edilen we Liang29 we Brinson30 tarapyndan berlen faza geçiş şertlerine esaslanyp üýtgedilen modeliň giňeldilmesidir. Bu faza geçiş modeli üçin ulanylan şertler çylşyrymly termomehaniki ýüklerde geçerlidir. Wagtyň her bir pursatynda, konstitutiw deňleme modelleşdirilende martensitiň göwrüm böleginiň gymmaty hasaplanýar.
Martensitiň gyzdyryş şertlerinde austenite öwrülmegi bilen aňladylýan dolandyryş retransformasiýa deňlemesi aşakdaky ýaly:
bu ýerde \(\xi\) martensitiň göwrüm bölegi, \(\xi _M\) gyzdyrmazdan öň alnan martensitiň göwrüm bölegi, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) we \(C_A\) – egri ýakynlaşma parametrleri, T – SMA sim temperaturasy, \(A_s\) we \(A_f\) – degişlilikde austenit fazasynyň başlangyjy we soňy, temperatura.
Sowadyjy şertlerde austenidiň martensite faza öwrülmegi bilen görkezilen göni öwrüliş dolandyryş deňlemesi şeýle:
bu ýerde \(xi _A\) sowatmazdan öň alnan martensitiň göwrüm bölegi, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) we \ (C_M \) – egri gabat gelýän parametrler, T – SMA siminiň temperaturasy, \(M_s\) we \(M_f\) – degişlilikde başlangyç we soňky martensit temperaturalary.
(3) we (4) deňlemeler tapawutlandyrylandan soň, ters we göni özgertme deňlemeleri aşakdaky görnüşe ýönekeýleşdirilýär:
Öňe we yza öwrüliş wagtynda \(\eta _{\sigma}\) we \(\eta _{T}\) dürli bahalary alýar. \(\eta _{\sigma}\) we \(\eta _{T}\) bilen baglanyşykly esasy deňlemeler çykaryldy we goşmaça bölümde jikme-jik ara alnyp maslahatlaşyldy.
SMA siminiň temperaturasyny ýokarlandyrmak üçin zerur bolan ýylylyk energiýasy Joul gyzdyryş täsirinden gelip çykýar. SMA simi tarapyndan siňdirilen ýa-da bölünip çykýan ýylylyk energiýasy üýtgemeleriň gizlin ýylylygy bilen görkezilýär. SMA simindäki ýylylyk ýitgisi mejbury konweksiýa sebäpli bolýar we radiasiýanyň az täsirini göz öňünde tutup, ýylylyk energiýasynyň deňlemesi aşakdaky ýaly:
Bu ýerde \(m_{wire}\) SMA siminiň umumy massasy, \(c_{p}\) SMA-nyň hususy ýylylyk kuwwaty, \(V_{in}\) sime berilýän naprýaženiýe, \(R_{ohm} \ ) – faza bagly garşylyk SMA, şeýle kesgitlenýär: \(R_{ohm} = (l/A_{kross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) bu ýerde \(r_M\) we \(r_A\) degişlilikde martensitde we austenitde SMA faza garşylygy, \(A_{c}\) SMA siminiň ýüz meýdany, \(\Delta H\) bolsa şekil ýadynda saklaýan garyndydyr. Simiň gizlin geçiş ýylylygy T we \(T_{\infty}\) degişlilikde SMA siminiň we daşky gurşawyň temperaturalarydyr.
Şekil ýadynda saklaýan legir sim herekete getirilende, sim gysylýar we bimodal dizaýnyň her şahasynda süýüm güýji diýilýän güýç döredýär. SMA siminiň her bir zynjyryndaky süýümleriň güýçleri bilelikde herekete getirmek üçin myşsa güýjüni döredýär, 9e suratda görkezilişi ýaly. Egri ýazyň bolmagy sebäpli, N-nji köp gatlakly hereketlendirijiniň umumy myşsa güýji:
(7) deňlemesine \(N = 1\) goýup, birinji tapgyrdaky bimodal hereketlendiriji prototipiniň myşsa güýjüni aşakdaky ýaly alyp bolýar:
bu ýerde n birmodal aýaklaryň sany, \(F_m\) hereketlendiriji tarapyndan döredilýän myşsa güýji, \(F_f\) SMA simindäki süýümiň güýji, \(K_x\) egrilik berkligi. ýaz, \(\alfa\) üçburçlugyň burçy, \(x_0\) SMA kabelini öňünden dartgynly ýagdaýda saklamak üçin egrilik ýazynyň başlangyç süýşürilişi we \(\Delta x\) hereketlendirijiniň hereketidir.
N-nji tapgyryň SMA simindäki naprýaženiýe (\(\sigma\)) we dartgynlylyga (\(\epsilon\)) baglylykda sürüjiniň umumy süýşmesi ýa-da hereketi (\(\Delta x\)), sürüji (çykyşyň goşmaça bölegine serediň. Şekil) şeýle sazlanýar:
Kinematik deňlemeler hereketlendiriji deformasiýa (\(\epsilon\)) bilen süýşme ýa-da süýşme (\(\Delta x\) arasyndaky gatnaşygy berýär. Bir unimodal şahada islendik t wagtda Arb siminiň başlangyç Arb siminiň uzynlygyna (\(l_0\)) we simiň uzynlygyna (l) görä Arb siminiň deformasiýa aşakdaky ýaly:
bu ýerde \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) kosinus formulasyny \(\Delta\)ABB '-de ulanmak arkaly alynýar, 8-nji suratda görkezilişi ýaly. Birinji tapgyrly hereketlendiriji üçin (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) \(\Delta x\) we \(\alpha _1\) \(\alpha \)-dir, 8-nji suratda görkezilişi ýaly, (11) deňlemeden wagty tapawutlandyrmak we l-iň bahasyny goýmak arkaly dartgynlyk tizligini şeýle ýazyp bolýar:
bu ýerde \(l_0\) SMA siminiň başlangyç uzynlygy, l simiň bir unimodal şahada islendik wagt t-däki uzynlygy, \(\epsilon\) SMA siminde ösen deformasiýa we \(\alpha\) üçburçlugyň burçy, \(\Delta x\) hereketlendirijiniň üýtgemegidir (8-nji suratda görkezilişi ýaly).
Ähli n sany bir depeli gurluşlar (bu suratda \(n=6 \) giriş naprýaženiýesi hökmünde \(V_{in} \) bilen yzygiderli birikdirilen. I tapgyr: Nol naprýaženiýe şertlerinde bimodal konfigurasiýada SMA siminiň shematiki diagrammasy II tapgyr: Gyzyl çyzyk bilen görkezilişi ýaly, SMA siminiň ters öwrülme sebäpli gysylan gözegçilik edilýän gurluş görkezilýär.
Konsepsiýanyň subutnamasy hökmünde, esasy deňlemeleriň simulýasiýa edilen çykarylyşyny eksperimental netijeler bilen synagdan geçirmek üçin SMA esasly bimodal hereketlendiriji işlenip düzüldi. Bimodal çyzykly hereketlendirijiniň CAD modeli 9a suratda görkezilen. Beýleki tarapdan, 9c suratda bimodal gurluşly iki tekizlikli SMA esasly hereketlendirijini ulanyp aýlanýan prizmatik baglanyşyk üçin teklip edilýän täze dizaýn görkezilýär. Hereketlendiriji bölekleri Ultimaker 3 Extended 3D printerinde goşmaça önümçilik ulanylyp öndürildi. Komponentleriň 3D çap edilmegi üçin ulanylýan material polikarbonat bolup, ol berk, çydamly we ýokary aýna geçiş temperaturasyna eýe bolany üçin ýylylyga çydamly materiallar üçin amatlydyr (110-113 \(^{\circ }\) C). Mundan başga-da, tejribelerde Dynalloy, Inc. Flexinol şekilli ýatda saklaýan legir sim ulanyldy we simulýasiýalarda Flexinol simine laýyk gelýän material häsiýetleri ulanyldy. 9b, d suratlarda görkezilişi ýaly, köp gatlakly hereketlendirijiler tarapyndan öndürilýän ýokary güýçleri almak üçin köp SMA simleri myşsalaryň bimodal düzülişinde bolan süýümler hökmünde ýerleşdirilen.
9a-njy suratda görkezilişi ýaly, hereketlenýän gol SMA siminiň emele getiren ýiti burçuna burç (\(\alfa\)) diýilýär. Çep we sag gysgyçlara terminal gysgyçlary berkidilen SMA simi islenýän bimodal burçda saklanýar. Ýaz birleşdirijisinde saklanýan egri ýaz enjamy SMA süýümleriniň sanyna (n) görä dürli egri ýaz uzaldyş toparlaryny sazlamak üçin niýetlenendir. Mundan başga-da, hereketlenýän bölekleriň ýerleşýän ýeri SMA siminiň mejbury konweksiýa sowadylmagy üçin daşarky gurşawa açyk bolmagy üçin niýetlenendir. Aýrylyp bilinýän gurluşyň ýokarky we aşaky plitalary agramy azaltmak üçin niýetlenen ekstrudirlenen kesikler bilen SMA simini sowuk saklamaga kömek edýär. Mundan başga-da, CMA siminiň iki ujy hem degişlilikde çep we sag terminallara gysgyç arkaly berkidilýär. Ýokarky we aşaky plitalaryň arasyndaky boşlugy saklamak üçin hereketlenýän gurluşyň bir ujuna porşen berkidilýär. Porşen, SMA simi herekete girizilende blokirleme güýjüni ölçemek üçin kontakt arkaly sensora blokirleme güýjüni bermek üçin hem ulanylýar.
Bimodal myşsa gurluşy SMA elektrik taýdan yzygiderli birikdirilýär we giriş impuls naprýaženiýesi bilen işleýär. Naprýaženiýe impuls sikliniň dowamynda, naprýaženiýe berlende we SMA simi austenidiň başlangyç temperaturasyndan ýokary gyzdyrylanda, her bir zynjyrdaky simiň uzynlygy gysgalýar. Bu yza çekilme hereket edýän gol kiçi toplumyny işjeňleşdirýär. Şol bir siklde naprýaženiýe nol edilende, gyzdyrylan SMA simi martensit ýüzüniň temperaturasyndan aşak sowadyldy we şeýlelik bilen asyl ýagdaýyna gaýdyp geldi. Nol naprýaženiýe şertlerinde, SMA simi ilki bilen aýrylan martensit ýagdaýyna ýetmek üçin egri ýaz bilen passiw dartylýar. SMA siminiň geçýän winti, SMA simine naprýaženiýe impulsyny bermek bilen döredilen gysyşma sebäpli hereket edýär (SPA austenitit fazasyna ýetýär), bu bolsa hereket edýän ryçagyň herekete gelmegine getirýär. SMA simi yza çekilende, egri ýaz ýazy ýaýy has-da dartyp, garşylykly güýç döredýär. Impuls naprýaženiýesindäki naprýaženiýe nola öwrülende, SMA simi mejbury konweksiýa sowadyşy sebäpli uzalyp, görnüşini üýtgedýär we goşa martensit fazasyna ýetýär.
Teklip edilýän SMA esasly çyzykly hereketlendiriji ulgamy SMA simleriniň burçly bolan bimodal konfigurasiýa eýedir. (a) prototipiň käbir böleklerini we olaryň prototip üçin manylaryny agzaýan CAD modelini suratlandyrýar, (b, d) işlenip düzülen synag prototipini görkezýär35. (b) elektrik birikmeleri we egrilik ýazlary we dartgynlylyk ölçeýjileri ulanylan prototipiň ýokarky görnüşini görkezse-de, (d) gurnamanyň perspektiwa görnüşini görkezýär. (e) SMA simleri islendik wagtda bimodal ýerleşdirilen, süýümiň ugruny we ugruny hem-de myşsa güýjüni görkezýän çyzykly hereketlendiriji ulgamynyň diagrammasy. (c) Iki tekizlikli SMA esasly hereketlendirijini ýerleşdirmek üçin 2-DOF aýlawly prizmatik birikme teklip edildi. Görkezilişi ýaly, baglanyşyk aşaky hereketlendirijiden ýokarky gola çyzykly hereketi geçirýär we aýlawly baglanyşyk döredýär. Beýleki tarapdan, prizma jübütleriniň hereketi köp gatlakly birinji basgançakly hereketlendirijiniň hereketi bilen birmeňzeşdir.
9b-nji suratda görkezilen prototipde SMA esasynda bimodal sürüjiniň işini bahalandyrmak üçin eksperimental gözleg geçirildi. 10a-njy suratda görkezilişi ýaly, eksperimental gurluş SMA simlerine giriş naprýaženiýesini bermek üçin programmalaşdyrylýan DC elektrik üpjünçiliginden ybaratdy. 10b-nji suratda görkezilişi ýaly, Graphtec GL-2000 maglumat ýazyjysyny ulanyp blokirleme güýjüni ölçemek üçin pýezoelektrik dartgynlylyk ölçeýjisi (PACEline CFT/5kN) ulanyldy. Maglumatlar has giňişleýin öwrenmek üçin eýe tarapyndan ýazylýar. Gyjyndyryş ölçeýjileri we zarýad güýçlendirijileri naprýaženiýe signalyny öndürmek üçin hemişelik elektrik üpjünçiligini talap edýär. Degişli signallar pýezoelektrik güýç datçiginiň duýgurlygyna we 2-nji tablisada beýan edilişi ýaly beýleki parametrlere laýyklykda güýç çykyşlaryna öwrülýär. Naprýaženiýe impulsy ulanylanda, SMA siminiň temperaturasy ýokarlanýar, bu bolsa SMA siminiň gysylmagyna sebäp bolýar, bu bolsa hereketlendirijiniň güýç döretmegine sebäp bolýar. 7 V giriş naprýaženiýe impulsy bilen myşsa güýjüniň çykmagynyň eksperimental netijeleri 2a-njy suratda görkezilen.
(a) Synagda SMA esasly çyzykly hereketlendiriji ulgamy hereketlendiriji tarapyndan döredilýän güýji ölçemek üçin döredildi. Ýük öýjük blokirleme güýjüni ölçeýär we 24 V DC elektrik üpjünçiligi bilen işleýär. GW Instek programmalaşdyrylýan DC elektrik üpjünçiligini ulanyp, kabeliň tutuş uzynlygyna 7 V naprýaženiýe düşüşi berildi. SMA simi gyzgynlyk sebäpli kiçelýär we hereket edýän gol ýük öýjük bilen degýär we blokirleme güýjüni döredýär. Ýük öýjük GL-2000 maglumat ýazgy enjamyna birikdirilendir we maglumatlar mundan beýläk işlemek üçin kompýuterde saklanýar. (b) Myşsa güýjüni ölçemek üçin tejribe gurluşynyň bölekleriniň zynjyryny görkezýän diagramma.
Şekil ýadynda galýan garyndylar termal energiýa bilen gyjyndyrylýar, şonuň üçin temperatura şekil ýadynda galýan hadysany öwrenmek üçin möhüm parametre öwrülýär. 11a-njy suratda görkezilişi ýaly, termal suratlandyrma we temperatura ölçegleri prototip SMA esasly iki walerat aktuatorda geçirildi. 11b-nji suratda görkezilişi ýaly, programmalaşdyrylyp bilinýän DC çeşmesi synag gurnamasyndaky SMA simlerine giriş naprýaženiýesini berdi. SMA siminiň temperatura üýtgemesi ýokary çözgütli LWIR kamerasy (FLIR A655sc) arkaly real wagtda ölçendi. Host mundan beýläk gaýtadan işlemek üçin maglumatlary ýazga almak üçin ResearchIR programma üpjünçiligini ulanýar. Naprýaženiýe impulsy ulanylanda, SMA siminiň temperaturasy ýokarlanýar we SMA siminiň kiçelmegine sebäp bolýar. 2b-nji suratda 7V giriş naprýaženiýe impulsy üçin SMA siminiň temperaturasynyň wagtyň täsirine görä synag netijeleri görkezilýär.