Nature.com сайтына кергәнегез өчен рәхмәт. Сез куллана торган браузер версиясендә CSS ярдәме чикләнгән. Иң яхшы тәҗрибә өчен, без сезгә яңартылган браузер кулланырга киңәш итәбез (яки Internet Explorer'да туры килүчәнлек режимын сүндерегез). Шуңа кадәр, ярдәмне дәвам итү өчен, без сайтны стильләрсез һәм JavaScriptсыз күрсәтәчәкбез.
Актуаторлар һәркайда кулланыла һәм җитештерүдә һәм сәнәгать автоматизациясендә төрле операцияләрне башкару өчен дөрес кузгату көчен яки моментны кулланып, идарә ителә торган хәрәкәт тудыра. Тизрәк, кечерәк һәм нәтиҗәлерәк приводларга ихтыяҗ привод конструкцияләрендә инновацияләрне этәрә. Shape Memory Alloy (SMA) приводлары гадәти приводларга караганда берничә өстенлек бирә, шул исәптән югары көч-авырлык нисбәте. Бу диссертациядә биологик системаларның каурыйлы мускулларының өстенлекләрен һәм SMAларның уникаль үзлекләрен берләштергән ике каурыйлы SMA нигезендәге привод эшләнде. Бу тикшеренүдә яңа приводның математик моделен ике модаль SMA чыбык урнашуына нигезләнеп эшләү һәм аны эксперименталь рәвештә сынап карау юлы белән элеккеге SMA приводлары өйрәнелә һәм киңәйтелә. SMA нигезендәге билгеле приводлар белән чагыштырганда, яңа приводның эш көче ким дигәндә 5 тапкыр югарырак (150 Н кадәр). Тиешле авырлык югалтуы якынча 67% тәшкил итә. Математик модельләрнең сизгерлек анализы нәтиҗәләре проект параметрларын көйләү һәм төп параметрларны аңлау өчен файдалы. Бу тикшеренү динамиканы тагын да яхшырту өчен кулланылырга мөмкин булган күп дәрәҗәле N нче баскыч приводын тәкъдим итә. SMA нигезендәге дипвалерат мускул актуаторлары киң кулланылышка ия, биналарны автоматлаштырудан алып төгәл дару җибәрү системаларына кадәр.
Биологик системалар, мәсәлән, имезүчеләрнең мускул структуралары, күп кенә нечкә хәрәкәтләндергечләрне активлаштыра ала1. Имезүчеләрнең төрле мускул структуралары бар, һәрберсе билгеле бер максатка хезмәт итә. Ләкин имезүчеләрнең мускул тукымасы структурасының күп өлешен ике зур категориягә бүлеп була: Параллель һәм билбау мускуллары. Исеменнән күренгәнчә, арткы бот мускулларында һәм башка бөгелүче мускулларда үзәк сеңергә параллель мускул җепселләре бар. Мускул җепселләре чылбыры алар тирәсендәге тоташтыргыч тукыма белән тезелгән һәм функциональ яктан бәйләнгән. Бу мускулларның зур экскурсиясе (процент кыскаруы) бар диелсә дә, аларның гомуми мускул көче бик чикләнгән. Киресенчә, трицепс балтыр мускулында2 (латераль гастрокнемиус (GL)3, медиаль гастрокнемиус (GM)4 һәм тобен (SOL)) һәм язучы бот мускулында (дүрт башлы мускул)5,6 билбау мускул тукымасы һәр мускулда7 очрый. Белбау мускулында ике башлы мускул җепселләре үзәк сеңернең ике ягында да кыек почмакларда (белбау почмаклары) урнашкан. Пеннат латин теленнән алынган "penna" сүзеннән килеп чыккан, ул "каләм" дигәнне аңлата, һәм, 1 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә, каурыйсыман күренешкә ия. Пеннат мускулларының җепселләре кыскарак һәм мускулның буй күчәренә почмаклы. Пернат структурасы аркасында бу мускулларның гомуми хәрәкәтчәнлеге кими, бу кыскару процессының аркылы һәм буй компонентларына китерә. Икенче яктан, бу мускулларның активлашуы физиологик кисемтә мәйданы үлчәнү ысулы аркасында гомуми мускул көченең югарырак булуына китерә. Шуңа күрә, билгеле бер кисемтә мәйданы өчен пеннат мускуллары көчлерәк булачак һәм параллель җепселләре булган мускулларга караганда югарырак көчләр тудырачак. Аерым җепселләр тарафыннан барлыкка китерелгән көчләр шул мускул тукымасында макроскопик дәрәҗәдә мускул көчләрен тудыра. Моннан тыш, аның тиз кыскару, тартылу зыяныннан саклау, йомшарту кебек уникаль үзенчәлекләре бар. Ул мускулларның эш сызыклары белән бәйле җепселләр урнашуының уникаль үзенчәлекләрен һәм геометрик катлаулылыгын кулланып, җепсел керү һәм мускул көче чыгару арасындагы мөнәсәбәтне үзгәртә.
Күрсәтелгәнчә, бимодаль мускул архитектурасына кагылышлы SMA нигезендәге актуатор конструкцияләренең схематик диаграммалары, мәсәлән (а), SMA чыбыклары белән эшләтелә торган кул формасындагы җайланма ике тәгәрмәчле автоном мобиль роботка урнаштырылган тактиль көчнең үзара бәйләнешен күрсәтә9,10. , (б) Антагонистик урнаштырылган SMA пружиналы орбиталь протезлы робот орбиталь протез. Протез күзнең урнашуы күзнең күз мускулыннан килгән сигнал белән контрольдә тотыла11, (в) SMA актуаторлары югары ешлыклы җавап бирүләре һәм түбән полоса киңлеге аркасында су асты кушымталары өчен идеаль. Бу конфигурациядә SMA актуаторлары балыкларның хәрәкәтен симуляцияләү юлы белән дулкын хәрәкәтен булдыру өчен кулланыла, (г) SMA актуаторлары 10 канал эчендәге SMA чыбыкларының хәрәкәте белән контрольдә тотыла торган дюймлы корт хәрәкәте принцибын куллана алырлык микроторба тикшерү роботын булдыру өчен кулланыла, (д) ​​мускул җепселләренең кыскару юнәлешен һәм балтыр тукымасында кыскару көчен булдыруны күрсәтә, (ф) мускул структурасында мускул җепселләре рәвешендә урнашкан SMA чыбыкларын күрсәтә.
Актуаторлар, киң куллану даирәләре аркасында, механик системаларның мөһим өлешенә әйләнде. Шуңа күрә, кечерәк, тизрәк һәм нәтиҗәлерәк приводларга ихтыяҗ бик мөһим. Өстенлекләренә карамастан, традицион приводлар кыйммәт һәм озак вакыт таләп итә торган хезмәт күрсәтү булып чыкты. Гидравлик һәм пневматик приводлар катлаулы һәм кыйммәт, алар тузуга, майлау проблемаларына һәм компонентларның ватылуына дучар булалар. Сорауга җавап итеп, игътибар акыллы материалларга нигезләнгән, экономияле, зурлык буенча оптимальләштерелгән һәм алдынгы приводлар эшләүгә юнәлтелгән. Дәвамлы тикшеренүләр бу ихтыяҗны канәгатьләндерү өчен форма хәтере эретмәсе (SMA) катламлы приводларны карый. Иерархик приводлар уникаль, чөнки алар күп дискрет приводларны геометрик яктан катлаулы макро масштаблы субсистемаларга берләштереп, функциональлекне арттыра һәм киңәйтә. Бу яктан, югарыда тасвирланган кеше мускул тукымасы мондый күп катламлы приводның бик яхшы күп катламлы үрнәген бирә. Хәзерге тикшеренүдә бимодаль мускулларда булган җепсел ориентацияләренә туры китерелгән берничә аерым привод элементы (SMA чыбыклары) булган күп дәрәҗәле SMA привод сурәтләнә, бу приводның гомуми эшчәнлеген яхшырта.
Актуаторның төп максаты - электр энергиясен үзгәртү юлы белән көч һәм күчү кебек механик көч чыгару. Форма хәтере эретмәләре - югары температураларда үз формаларын торгыза ала торган "акыллы" материаллар классы. Югары йөкләнешләр астында SMA чыбыгының температурасы арту форманы торгызуга китерә, нәтиҗәдә төрле турыдан-туры бәйләнгән акыллы материаллар белән чагыштырганда югарырак активация энергиясе тыгызлыгы барлыкка килә. Шул ук вакытта, механик йөкләнешләр астында SMAлар сынучан була. Кайбер шартларда циклик йөкләнеш механик энергияне үзенә сеңдерә һәм чыгара ала, кире кайтырлык гистеретик форма үзгәрешләрен күрсәтә. Бу уникаль үзенчәлекләр SMAны сенсорлар, тибрәнүне туктату һәм аеруча актуаторлар өчен идеаль итә12. Моны истә тотып, SMA нигезендәге приводлар буенча күп тикшеренүләр үткәрелде. Шунысын да билгеләп үтәргә кирәк, SMA нигезендәге актуаторлар төрле кушымталар өчен күчерү һәм әйләнү хәрәкәтен тәэмин итү өчен эшләнгән13,14,15. Кайбер әйләнү актуаторлары эшләнгән булса да, тикшеренүчеләр сызыклы актуаторлар белән аеруча кызыксына. Бу сызыклы актуаторларны өч төр актуаторга бүлергә мөмкин: бер үлчәмле, күчү һәм дифференциаль актуаторлар16. Башта гибрид приводлар SMA һәм башка гадәти приводлар белән берлектә булдырылган. SMA нигезендәге гибрид сызыклы приводның шундый бер мисалы - якынча 100 Н чыгыш көче һәм зур күләмдәге күчү тәэмин итү өчен даими ток двигателе белән SMA чыбыгын куллану17.
SMA нигезендәге приводлардагы беренче үсешләрнең берсе SMA параллель привод иде. Берничә SMA чыбыкларын кулланып, SMA нигезендәге параллель привод барлык SMA18 чыбыкларын параллель урнаштыру юлы белән приводның куәт сәләтен арттыру өчен эшләнгән. Актуаторларны параллель тоташтыру күбрәк көч таләп итә генә түгел, ә бер чыбыкның чыгу көчен дә чикли. SMA нигезендәге приводларның тагын бер кимчелеге - алар ирешә алган чикләнгән хәрәкәт. Бу проблеманы хәл итү өчен, күчүне арттыру һәм сызыклы хәрәкәткә ирешү өчен, тайпылган сыгылмалы нурны үз эченә алган SMA кабель нуры булдырылды, ләкин ул югарырак көчләр тудырмады19. Форма хәтере эретмәләренә нигезләнгән роботлар өчен йомшак деформацияләнә торган конструкцияләр һәм тукымалар, нигездә, бәрелү көчәйтү өчен эшләнгән20,21,22. Югары тизлек таләп ителгән кушымталар өчен, микронасослар белән идарә ителә торган кушымталар өчен юка пленкалы SMA кулланып компакт приводлы насослар турында хәбәр ителде23. Юкка пленкалы SMA мембранасының привод ешлыгы привод тизлеген контрольдә тотуда төп фактор булып тора. Шуңа күрә, SMA сызыклы моторлары SMA пружиналы яки таяклы моторларга караганда яхшырак динамик җавап бирә. Йомшак робототехника һәм тоту технологиясе - SMA нигезендәге актуаторларны кулланучы тагын ике кушымта. Мәсәлән, 25 Н киңлек кыскычында кулланылган стандарт актуаторны алыштыру өчен, форма хәтере эретмәсеннән ясалган параллель актуатор 24 эшләнде. Башка очракта, SMA йомшак актуаторы 30 Н максималь тарту көче тудыра алырлык кертелгән матрицасы булган чыбык нигезендә ясалды. Механик үзлекләре аркасында, SMAлар биологик күренешләрне имитацияләүче актуаторлар җитештерү өчен дә кулланыла. Шундый үсешләрнең берсе - ут ачу өчен синусоидаль хәрәкәт тудыру өчен җир суалчанына охшаган организмның SMA белән биомиметикасы булган 12 күзәнәкле робот26,27.
Алдан әйтелгәнчә, гамәлдәге SMA нигезендәге актуаторлардан алынырга мөмкин булган максималь көчнең чиге бар. Бу мәсьәләне хәл итү өчен, бу тикшеренүдә биомиметик бимодаль мускул структурасы тәкъдим ителә. Форма хәтерле эретмә чыбык белән идарә ителә. Ул берничә форма хәтерле эретмә чыбыкларын үз эченә алган классификация системасын тәкъдим итә. Бүгенге көнгә кадәр әдәбиятта охшаш архитектуралы SMA нигезендәге актуаторлар турында хәбәр ителмәгән. SMA нигезендәге бу уникаль һәм яңа система бимодаль мускулларны тигезләү вакытында SMA-ның үз-үзен тотышын өйрәнү өчен эшләнгән. Гамәлдәге SMA нигезендәге актуаторлар белән чагыштырганда, бу тикшеренүнең максаты кечкенә күләмдә күпкә югарырак көчләр тудыру өчен биомиметик дипвалерат актуатор булдыру иде. HVAC бина автоматизациясе һәм идарә итү системаларында кулланыла торган гадәти адымлы мотор белән идарә ителә торган приводлар белән чагыштырганда, тәкъдим ителгән SMA нигезендәге бимодаль привод дизайны привод механизмының авырлыгын 67% ка киметә. Түбәндә "мускул" һәм "привод" терминнары бер-берсен алыштыра. Бу тикшеренүдә мондый приводның мультифизик симуляциясе тикшерелә. Мондый системаларның механик үз-үзен тотышы эксперименталь һәм аналитик ысуллар белән өйрәнелде. 7 В керү көчәнешендә көч һәм температура бүленеше өстәмә рәвештә тикшерелде. Аннары, төп параметрлар һәм чыгу көче арасындагы бәйләнешне яхшырак аңлау өчен параметрик анализ үткәрелде. Ниһаять, иерархик актуаторлар күзалланды һәм протез кушымталары өчен магнит булмаган актуаторлар өчен потенциаль киләчәк өлкәсе буларак иерархик дәрәҗә эффектлары тәкъдим ителде. Югарыда телгә алынган тикшеренүләр нәтиҗәләре буенча, бер баскычлы архитектура куллану хәбәр ителгән SMA нигезендәге актуаторларга караганда ким дигәндә дүрт-биш тапкыр югарырак көчләр тудыра. Моннан тыш, күп дәрәҗәле күп дәрәҗәле привод тарафыннан барлыкка китерелгән шул ук этәргеч көч гадәти SMA нигезендәге приводларга караганда ун тапкырдан артык булуы күрсәтелде. Аннары тикшеренү төрле конструкцияләр һәм керү үзгәрүчәннәре арасындагы сизгерлек анализын кулланып төп параметрлар турында хәбәр итә. SMA чыбыгының башлангыч озынлыгы (\(l_0\)), тишелгән почмак (\(\alpha\)) һәм һәр аерым чылбырдагы аерым чылбырлар саны (n) этәргеч көчнең зурлыгына көчле тискәре йогынты ясый, ә керү көчәнеше (энергия) уңай корреляцияләнгән булып чыкты.
SMA чыбыклары никель-титан (Ni-Ti) эретмәләре гаиләсендә күзәтелгән форма хәтере эффектын (SME) күрсәтә. Гадәттә, SMAлар ике температурага бәйле фаза күрсәтә: түбән температура фазасы һәм югары температура фазасы. Ике фаза да төрле кристалл структуралары булу сәбәпле уникаль үзлекләргә ия. Трансформация температурасыннан югарырак булган аустенит фазасында (югары температура фазасы) материал югары ныклык күрсәтә һәм йөкләнеш астында начар деформацияләнә. Эретмә дат басмас корыч кебек эшли, шуңа күрә ул югарырак эшләтү басымына чыдам. Ni-Ti эретмәләренең бу үзлегеннән файдаланып, SMA чыбыклары актуатор формалаштыру өчен авышлаштырыла. Төрле параметрлар һәм төрле геометрияләр йогынтысында SMAның җылылык үз-үзен тотышының төп механикасын аңлау өчен тиешле аналитик модельләр эшләнә. Эксперименталь һәм аналитик нәтиҗәләр арасында яхшы туры килү табылды.
9а рәсемдә күрсәтелгән прототип өстендә SMA нигезендә бимодаль йөртүченең эшчәнлеген бәяләү өчен эксперименталь тикшеренү үткәрелде. Бу үзенчәлекләрнең икесе, йөртүче тарафыннан барлыкка китерелгән көч (мускул көче) һәм SMA чыбык температурасы (SMA температурасы), эксперименталь рәвештә үлчәнде. Йөрткечтәге чыбыкның бөтен озынлыгы буенча көчәнеш аермасы арткан саен, чыбыкның температурасы Джоуль җылыту эффекты аркасында арта. Керү көчәнеше ике 10 секундлык циклда кулланылды (2а, б рәсемнәрдә кызыл нокталар буларак күрсәтелгән), һәр цикл арасында 15 секундлык суыту чоры белән. Блоклау көче пьезоэлектрик деформация үлчәгече ярдәмендә үлчәнде, һәм SMA чыбыкның температура бүленеше фәнни дәрәҗәдәге югары ачыклыклы LWIR камерасы ярдәмендә реаль вакыт режимында күзәтелде (2 нче таблицада кулланылган җиһазларның характеристикаларын карагыз). Югары көчәнеш фазасында чыбыкның температурасы монотон рәвештә арта, ләкин ток булмаганда, чыбыкның температурасы төшүен дәвам итә. Хәзерге эксперименталь җайланмада, суыту фазасында SMA чыбыгының температурасы төште, ләкин ул барыбер әйләнә-тирә мохит температурасыннан югарырак иде. 2e рәсемдә LWIR камерасыннан алынган SMA чыбыгындагы температураның сурәте күрсәтелгән. Икенче яктан, 2a рәсемдә йөртү системасы тарафыннан барлыкка китерелгән блоклау көче күрсәтелгән. Мускул көче пружинаның торгызу көченнән артып киткәч, хәрәкәтләнүче кул, 9a рәсемдә күрсәтелгәнчә, хәрәкәтләнә башлый. Эшкә кертелү башлануга, хәрәкәтләнүче кул сенсор белән бәйләнешкә керә, 2c, d рәсемнәрендә күрсәтелгәнчә, тән көче барлыкка китерә. Максималь температура \(84\,^{\circ}\hbox {C}\ га якын булганда, күзәтелгән максималь көч 105 Н тәшкил итә.
Графикта SMA чыбык температурасының һәм SMA нигезендәге бимодаль актуатор тарафыннан ике цикл дәвамында барлыкка китерелгән көчнең эксперименталь нәтиҗәләре күрсәтелгән. Керү көчәнеше ике 10 секундлык циклда (кызыл нокталар белән күрсәтелгән) кулланыла, һәр цикл арасында 15 секунд суыну чоры бар. Экспериментлар өчен кулланылган SMA чыбыгы Dynalloy, Inc. компаниясенең 0,51 мм диаметрлы Flexinol чыбыгы иде. (а) Графикта ике цикл дәвамында алынган эксперименталь көч күрсәтелгән, (в, г) PACEline CFT/5 кН пьезоэлектрик көч датчигында хәрәкәтләнүче кул актуаторларының эш итүенең ике бәйсез мисалы күрсәтелгән, (б) графикта ике цикл вакытында бөтен SMA чыбыкның максималь температурасы күрсәтелгән, (д) ​​FLIR ResearchIR программа тәэминаты LWIR камерасы ярдәмендә SMA чыбыкыннан алынган температура сурәте күрсәтелгән. Экспериментларда исәпкә алынган геометрик параметрлар беренче таблицада бирелгән.
Математик модельнең симуляция нәтиҗәләре һәм эксперименталь нәтиҗәләр 5 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә, 7В керү көчәнеше шарты белән чагыштырыла. Параметрик анализ нәтиҗәләренә нигезләнеп һәм SMA чыбыгының артык кызу мөмкинлеген булдырмас өчен, актуаторга 11,2 Вт көч бирелде. Керү көчәнеше буларак 7В бирү өчен программалаштырыла торган даими ток чыганагы кулланылды, һәм чыбык аша 1,6А ток үлчәнде. Ток кулланылганда, привод тарафыннан барлыкка килгән көч һәм SDR температурасы арта. 7В керү көчәнеше белән, беренче циклның симуляция нәтиҗәләреннән һәм эксперименталь нәтиҗәләреннән алынган максималь чыгу көче 78 Н һәм 96 Н тәшкил итә. Икенче циклда симуляция һәм эксперименталь нәтиҗәләрнең максималь чыгу көче 150 Н һәм 105 Н тәшкил итте. Окклюзия көчен үлчәү һәм эксперименталь мәгълүматлар арасындагы аерма окклюзия көчен үлчәү өчен кулланылган ысул белән бәйле булырга мөмкин. Рәсемдә күрсәтелгән эксперименталь нәтиҗәләр. 5a блоклау көчен үлчәүгә туры килә, ул үз чиратында 2s рәсемдә күрсәтелгәнчә, йөртүче валы PACEline CFT/5kN пьезоэлектрик көч үзгәрткеченә тигәндә үлчәнгән. Шуңа күрә, йөртүче валы суыту зонасы башында көч сенсорына тимәгәндә, көч шунда ук нульгә әйләнә, 2d рәсемдә күрсәтелгәнчә. Моннан тыш, киләсе циклларда көч формалашуына тәэсир итүче башка параметрлар - суыту вакыты кыйммәтләре һәм алдагы циклдагы конвектив җылылык тапшыру коэффициенты. 2b рәсемнән күренгәнчә, 15 секундлык суыту чорыннан соң, SMA чыбыгы бүлмә температурасына җитмәгән һәм шуңа күрә икенче йөртү циклында беренче цикл белән чагыштырганда (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)) югарырак башлангыч температурага (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) ия булган. Шулай итеп, беренче цикл белән чагыштырганда, икенче җылыту циклында SMA чыбыгының температурасы башлангыч аустенит температурасына (\(A_s\)) иртәрәк җитә һәм күчеш чорында озаграк кала, бу көч һәм көчкә китерә. Икенче яктан, экспериментлар һәм симуляцияләрдән алынган җылыту һәм суыту цикллары вакытында температура бүленеше термографик анализ мисаллары белән югары сыйфат охшашлыгына ия. Экспериментлар һәм симуляцияләрдән алынган SMA чыбыгының термик мәгълүматларын чагыштырма анализ җылыту һәм суыту цикллары вакытында һәм эксперименталь мәгълүматлар өчен кабул ителә торган түземлекләр эчендә тотрыклылык күрсәтте. Беренче циклның симуляция һәм экспериментлар нәтиҗәләреннән алынган SMA чыбыгының максималь температурасы \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) һәм \(75\,^{\circ }\hbox {C}\), ә икенче циклда SMA чыбыгының максималь температурасы \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) һәм \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Төптән эшләнгән модель форма хәтере эффектының йогынтысын раслый. Бу карауда арыганлык һәм артык җылыну роле каралмаган. Киләчәктә модель SMA чыбыгының көчәнеш тарихын да үз эченә алырлык итеп яхшыртылачак, бу аны инженерлык кушымталары өчен уңайлырак итәчәк. Simulink блогыннан алынган йөртүченең чыгыш көче һәм SMA температура графиклары керү көчәнеше импульсы 7 В шартында эксперименталь мәгълүматларның рөхсәт ителгән юл куючанлыклары эчендә. Бу эшләнгән математик модельнең дөреслеген һәм ышанычлылыгын раслый.
Математик модель MathWorks Simulink R2020b мохитендә "Методлар" бүлегендә тасвирланган төп тигезләмәләр кулланып эшләнгән. 3b рәсемдә Simulink математик моделенең блок-схемасы күрсәтелгән. Модель 2a, b рәсемнәрендә күрсәтелгәнчә, 7V керү көчәнеше импульсы өчен симуляцияләнгән. Симуляциядә кулланылган параметрларның кыйммәтләре 1 нче таблицада күрсәтелгән. Күчеш процессларын симуляцияләү нәтиҗәләре 1 һәм 1 нче рәсемнәрдә күрсәтелгән. 3a һәм 4 нче рәсемнәрдә. 4a, b рәсемнәрдә SMA чыбыгындагы индукцияләнгән көчәнеш һәм вакыт функциясе буларак актуатор тарафыннан барлыкка китерелгән көч күрсәтелгән. Кире трансформация (җылыту) вакытында, SMA чыбык температурасы, \(T < A_s^{\prime}\) (көчәнеш белән модификацияләнгән аустенит фазасы башлангыч температурасы) булганда, мартенсит күләм өлешенең үзгәрү тизлеге (\(\dot{\xi}\)) нульгә тигез булачак. Кире трансформация (җылыту) вакытында, SMA чыбык температурасы, \(T < A_s^{\prime}\) (көчәнеш белән модификацияләнгән аустенит фазасы башлану температурасы) булганда, мартенсит күләм өлешенең үзгәрү тизлеге (\(\dot{\ xi}\)) нульгә тигез булачак. Во время обратного превращения (нагрева), когда адя проволоки СМА, \ (Т <А_с ^ {\ премьер} \) будет равно нулю. Кире трансформация (җылыту) вакытында, SMA чыбыгының температурасы, \(T < A_s^{\prime}\) (көчәнеш белән модификацияләнгән аустенит башлану температурасы) булганда, мартенсит күләм өлешенең үзгәрү тизлеге (\(\dot{\ xi}\)) нульгә тигез булачак.MA SMA 线温度 \ (T (. 反向 ((t (t При обратном превращении (нагреве) при провококи СПФ \ (Т <А_с ^ {\ премьер} \) нулю. SMA чыбыгы температурасында (аустенит фазасы төшү температурасы, көчәнешне исәпкә алып) кире трансформация (җылыту) вакытында мартенситның күләм өлешендәге үзгәрү тизлеге (\( \dot{\ xi }\)) нульгә тигез булачак.Шуңа күрә, көчәнеш үзгәрү тизлеге (\(\dot{\sigma}\)) деформация тизлегенә (\(\dot{\epsilon}\)) һәм температура градиентына (\(\dot{T} \)) (1 нче тигезләмәне кулланып кына бәйле булачак. Ләкин, SMA чыбыгы температурасы артканда һәм (\(A_s^{\prime}\)) кисешкәндә, аустенит фазасы формалаша башлый, һәм (\(\dot{\xi}\)) (3) тигезләмәсенең бирелгән кыйммәте буларак алына. Шуңа күрә, көчәнеш үзгәрү тизлеге (\(\dot{\sigma}\)) бергәләп \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) һәм \(\dot{\xi}\) белән контрольдә тотыла, алар (1) формуласында бирелгәнгә тигез булырга тиеш. Бу җылыту циклы вакытында вакыт белән үзгәрүче көчәнеш һәм көч карталарында күзәтелгән градиент үзгәрешләрен аңлата, 4а, b рәсемнәрендә күрсәтелгәнчә.
(a) SMA нигезендәге ике катламлы актуаторда температура бүленешен һәм көчәнеш китереп чыгарган тоташу температурасын күрсәтүче симуляция нәтиҗәсе. Җылыту этабында чыбык температурасы аустенит күчеш температурасын кисеп узгач, үзгәртелгән аустенит күчеш температурасы арта башлый, һәм шулай ук, чыбык таяк температурасы суыту этабында мартенсит күчеш температурасын кисеп узгач, мартенсит күчеш температурасы кими. Эшкә төшерү процессын аналитик модельләштерү өчен SMA. (Simulink моделенең һәр подсистемасының җентекле күренеше өчен өстәмә файлның кушымта бүлеген карагыз.)
Төрле параметрлар бүленешен анализлау нәтиҗәләре 7В керү көчәнешенең ике циклы өчен күрсәтелгән (10 секунд җылыну циклы һәм 15 секунд суыту циклы). (ac) һәм (e) вакыт эчендә бүленешне күрсәтсә, икенче яктан, (d) һәм (f) температура белән бүленешне күрсәтә. Тиешле керү шартлары өчен, күзәтелгән максималь көчәнеш 106 МПа (345 МПа дан кимрәк, чыбыкның агып тору көче), көч 150 Н, максималь күчү 270 мкм, ә минималь мартенсит күләм өлеше 0,91 тәшкил итә. Икенче яктан, көчәнеш үзгәреше һәм мартенситның күләм өлешенең температура белән үзгәреше гистерезис характеристикаларына охшаш.
Шул ук аңлатма аустенит фазасыннан мартенсит фазасына турыдан-туры трансформациягә (суытуга) кагыла, монда SMA чыбык температурасы (T) һәм көчәнеш белән модификацияләнгән мартенсит фазасының (\(M_f^{\prime}\ )) ахыргы температурасы бик яхшы. 4d,f рәсемнәрендә SMA чыбыгындагы индукцияләнгән көчәнешнең (\(\sigma\)) һәм мартенситның күләм өлешендәге (\(\xi\)) үзгәрүе ике йөртү циклы өчен дә SMA чыбык температурасы үзгәрү функциясе буларак күрсәтелгән (T). 3a рәсемдә керү көчәнеше импульсына карап, SMA чыбык температурасының вакыт белән үзгәрүе күрсәтелгән. Рәсемнән күренгәнчә, чыбык температурасы нуль көчәнештә җылылык чыганагы бирү һәм аннан соң конвектив суыту аркасында арта бара. Җылыту вакытында, SMA чыбык температурасы (T) көчәнеш белән төзәтелгән аустенит нуклеация температурасын (\(A_s^{\prime}\)) кисеп үткәндә, мартенситның аустенит фазасына ретрансформациясе башлана. Бу фазада SMA чыбык кысыла һәм актуатор көч барлыкка китерә. Шулай ук ​​суыту вакытында, SMA чыбык температурасы (T) көчәнеш белән үзгәртелгән мартенсит фазасының (\(M_s^{\prime}\)) нуклеация температурасын кисеп үткәндә, аустенит фазасыннан мартенсит фазасына уңай күчү була. Эткәргеч көч кими.
SMA нигезендәге бимодаль йөртүнең төп сыйфат аспектларын симуляция нәтиҗәләреннән алырга мөмкин. Көчәнеш импульсы керү очрагында, SMA чыбыгының температурасы Джоуль җылыту эффекты аркасында арта. Мартенсит күләм өлешенең башлангыч кыйммәте (\(\xi\)) 1 гә куела, чөнки материал башта тулысынча мартенсит фазасында була. Чыбык җылынуын дәвам иткәндә, SMA чыбыгының температурасы көчәнеш белән төзәтелгән аустенит нуклеация температурасыннан \(A_s^{\prime}\) артып китә, ​​нәтиҗәдә мартенсит күләм өлеше кими, бу 4c рәсемдә күрсәтелгәнчә. Моннан тыш, 4e рәсемдә актуаторның вакыт эчендәге хәрәкәтләренең бүленеше күрсәтелгән, ә 5 нче рәсемдә - вакыт функциясе буларак хәрәкәтләндергеч көч. Бәйле тигезләмәләр системасына температура, мартенсит күләм өлеше һәм чыбыкта барлыкка килгән көч керә, бу SMA чыбыгының кыскаруына һәм актуатор тарафыннан барлыкка китерелгән көчкә китерә. Рәсемдә күрсәтелгәнчә, 4 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә. 4d,f, температура белән көчәнеш үзгәреше һәм мартенсит күләм өлешенең температура белән үзгәреше 7 В симуляцияләнгән очракта SMA гистерезис үзенчәлекләренә туры килә.
Йөртү параметрларын чагыштыру экспериментлар һәм аналитик исәпләүләр ярдәмендә алынды. Чыбыклар 10 секунд дәвамында 7 В импульслы керү көчәнешенә дучар ителде, аннары ике цикл дәвамында 15 секунд суытылды (суыту фазасы). Тирән почмагы \(40^{\circ}\) итеп билгеләнде һәм һәр бер штифт аягындагы SMA чыбыгының башлангыч озынлыгы 83 мм итеп билгеләнде. (а) Йөк элементы белән хәрәкәтләндерү көчен үлчәү (б) Термик инфракызыл камера белән чыбык температурасын күзәтү.
Физик параметрларның җайланма тарафыннан җитештерелгән көчкә йогынтысын аңлау өчен, сайланган физик параметрларга математик модельнең сизгерлеге анализы үткәрелде һәм параметрлар аларның йогынтысы буенча рейтингланды. Башта модель параметрларын сайлап алу бердәм бүленешкә ияргән эксперименталь проектлау принципларын кулланып башкарылды (Сезгерлек анализы буенча өстәмә бүлекне карагыз). Бу очракта, модель параметрларына керү көчәнеше (\(V_{in}\)), башлангыч SMA чыбык озынлыгы (\(l_0\)), өчпочмак почмагы (\(\alpha\)), тайпылыш пружинасы даимисе (\(K_x\)), конвектив җылылык тапшыру коэффициенты (\(h_T\)) һәм унимодаль тармаклар саны (n) керә. Киләсе адымда тикшеренү дизайны таләбе буларак мускул көченең пик ноктасы сайланды һәм һәр үзгәрүчәннәр җыелмасының көчкә параметрик йогынтысы алынды. Сизгерлек анализы өчен торнадо графиклары һәр параметр өчен корреляция коэффициентларыннан алынды, 6а рәсемдә күрсәтелгәнчә.
(a) Модель параметрларының корреляция коэффициенты кыйммәтләре һәм аларның югарыдагы модель параметрларының 2500 уникаль төркеменең максималь чыгыш көченә йогынтысы торнадо графигында күрсәтелгән. График берничә индикаторның ранг корреляциясен күрсәтә. \(V_{in}\) уңай корреляциягә ия булган бердәнбер параметр, ә \(l_0\) иң югары тискәре корреляциягә ия булган параметр икәне ачык. Төрле комбинацияләрдәге төрле параметрларның пик мускул көченә йогынтысы (b, c) графигында күрсәтелгән. \(K_x\) 400 дән 800 Н/м га кадәр, ә n 4 дән 24 кә кадәр. Көчәнеш (\(V_{in}\) 4В дан 10В га кадәр үзгәрде, чыбык озынлыгы (\(l_{0} \)) 40тан 100 мм га кадәр үзгәрде, ә койрык почмагы (\ (\alpha \)) \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\) дан үзгәрде.
6а рәсемдә һәр параметр өчен төрле корреляция коэффициентларының торнадо графигы күрсәтелгән, алар пик көч проектлау таләпләренә туры килә. 6а рәсемнән күренгәнчә, көчәнеш параметры (\(V_{in}\)) максималь чыгыш көче белән турыдан-туры бәйле, һәм конвектив җылылык тапшыру коэффициенты (\(h_T\)), ялкын почмагы (\(\alpha\)), күчү пружинасы даимисе (\(K_x\)) чыгыш көче һәм SMA чыбыгының башлангыч озынлыгы (\(l_0\)) белән тискәре корреляциядә, һәм унимодаль тармаклар саны (n) көчле кире корреляция күрсәтә. Туры корреляция очрагында, көчәнеш корреляция коэффициентының югарырак кыйммәте булганда (\(V_{in}\)) бу параметрның чыгару куәтенә иң зур йогынты ясавын күрсәтә. Тагын бер охшаш анализ пик көчен ике исәпләү киңлегенең төрле комбинацияләрендә төрле параметрларның йогынтысын бәяләп үлчи, 6b, c рәсемнәрендә күрсәтелгәнчә. \(V_{in}\) һәм \(l_0\), \(\alpha\) һәм \(l_0\) охшаш үрнәкләргә ия, һәм график \(V_{in}\) һәм \(\alpha\) һәм \(\alpha\) охшаш үрнәкләргә ия булуын күрсәтә. \(l_0\) ның кечерәк кыйммәтләре югарырак пик көчләренә китерә. Башка ике график 6а рәсеменә туры килә, анда n һәм \(K_x\) тискәре корреляцияләнгән, ә \(V_{in}\) уңай корреляцияләнгән. Бу анализ йөртү системасының чыгыш көчен, йөрешен һәм нәтиҗәлелеген таләпләргә һәм куллануга җайлаштырырга мөмкин булган йогынты ясаучы параметрларны билгеләргә һәм көйләргә ярдәм итә.
Хәзерге тикшеренү эше N дәрәҗәле иерархик дискларны кертә һәм тикшерә. 7a рәсемдә күрсәтелгәнчә, ике дәрәҗәле иерархиядә, беренче дәрәҗәле актуаторның һәр SMA чыбыгы урынына, 9e рәсемдә күрсәтелгәнчә, бимодаль урнашуга ирешелә. 7c рәсемдә SMA чыбыгының ничек озынлык юнәлешендә генә хәрәкәт итүче хәрәкәтләнүче кул (ярдәмче кул) тирәли уралганлыгы күрсәтелгән. Ләкин, беренчел хәрәкәтләнүче кул 1 нче баскычлы күп баскычлы актуаторның хәрәкәтләнүче кулы кебек үк хәрәкәт итүен дәвам итә. Гадәттә, N-баскычлы диск \(N-1\) баскычлы SMA чыбыгын беренче баскычлы диск белән алыштыру юлы белән булдырыла. Нәтиҗәдә, һәр тармак, чыбыкның үзен тоткан тармактан кала, беренче баскычлы дискны имитацияли. Шулай итеп, беренчел дискларның көчләреннән берничә тапкыр зуррак көчләр тудыручы эчке структуралар барлыкка килергә мөмкин. Бу тикшеренүдә, һәр дәрәҗә өчен, 7d рәсемдә таблица форматында күрсәтелгәнчә, 1 м гомуми эффектив SMA чыбык озынлыгы исәпкә алынды. Һәр унимодаль конструкциядәге һәр чыбык аша үткән ток һәм һәр SMA чыбык сегментындагы алдан көчәнеш һәм көчәнеш һәр дәрәҗәдә бер үк. Безнең аналитик моделебез буенча, чыгу көче дәрәҗә белән уңай корреляцияләнгән, ә күчү тискәре корреляцияләнгән. Шул ук вакытта күчү һәм мускул көче арасында компромисс булган. 7b рәсемдә күренгәнчә, максималь көч иң күп катламнарда ирешелсә, иң зур күчү иң түбән катламда күзәтелә. Иерархия дәрәҗәсе \(N=5\) итеп билгеләнгәч, 2 күзәтелгән \(\upmu\)m хәрәкәт белән 2,58 кН пик мускул көче табылган. Икенче яктан, беренче баскычлы этәргеч 277 \(\upmu\)m хәрәкәт белән 150 Н көч тудыра. Күп дәрәҗәле актуаторлар чын биологик мускулларны имитацияли ала, ә форма хәтере эретмәләренә нигезләнгән ясалма мускуллар төгәл һәм нечкә хәрәкәтләр белән күпкә югарырак көчләр тудыра ала. Бу миниатюризацияләнгән дизайнның чикләүләре шунда ки, иерархия арткан саен, хәрәкәт сизелерлек кими һәм привод җитештерү процессының катлаулылыгы арта.
(a) Ике баскычлы (\(N=2\)) катламлы форма хәтерле эретмә сызыклы актуатор системасы бимодаль конфигурациядә күрсәтелгән. Тәкъдим ителгән модель беренче баскычлы катламлы актуатордагы SMA чыбыгын башка бер баскычлы катламлы актуатор белән алыштыру юлы белән тормышка ашырыла. (c) Икенче баскычлы күп катламлы актуаторның деформацияләнгән конфигурациясе. (b) Көчләр һәм күчешләрнең дәрәҗәләр санына карап бүленеше сурәтләнә. Актуаторның пик көче графиктагы масштаб дәрәҗәсе белән уңай корреляцияләнгән, ә хәрәкәт масштаб дәрәҗәсе белән тискәре корреляцияләнгән. Һәр чыбыктагы ток һәм алдан көчәнеш барлык дәрәҗәләрдә дә даими булып кала. (d) Таблицада һәр дәрәҗәдәге SMA чыбыгының (җепсел) тыкрыклар саны һәм озынлыгы күрсәтелгән. Чыбыкларның характеристикалары 1 индексы белән күрсәтелгән, ә икенчел тармаклар саны (беренчел аякка тоташкан) аскы индекстагы иң зур сан белән күрсәтелгән. Мәсәлән, 5 нче дәрәҗәдә, \(n_1\) һәр бимодаль структурада булган SMA чыбыклары санын күрсәтә, ә \(n_5\) ярдәмче аяклар санын (берсе төп аякка тоташкан) күрсәтә.
Күп кенә тикшеренүчеләр форма хәтере булган SMAларның үз-үзен тотышын модельләштерү өчен төрле ысуллар тәкъдим иттеләр, алар фаза күчүе белән бәйле кристалл структурасындагы макроскопик үзгәрешләргә бәйле термомеханик үзенчәлекләргә бәйле. Конститутив ысулларның формуласы бик катлаулы. Иң еш кулланыла торган феноменологик модель Tanaka28 тарафыннан тәкъдим ителә һәм инженерлык кушымталарында киң кулланыла. Tanaka [28] тарафыннан тәкъдим ителгән феноменологик модель мартенситның күләм өлеше температура һәм көчәнешнең экспоненциаль функциясе дип фаразлый. Соңрак, Лян, Роджерс29 һәм Бринсон30 фаза күчү динамикасы көчәнеш һәм температураның косинус функциясе дип кабул ителгән модель тәкъдим иттеләр, модельгә бераз үзгәрешләр керттеләр. Беккер һәм Бринсон SMA материалларының теләсә нинди йөкләнеш шартларында, шулай ук ​​өлешчә күчүләрдә үз-үзен тотышын модельләштерү өчен фаза диаграммасына нигезләнгән кинетик модель тәкъдим иттеләр. Banerjee32, Элахиния һәм Ахмадиан33 тарафыннан эшләнгән бер ирек дәрәҗәсе манипуляторын модельләштерү өчен Беккер һәм Бринсон31 фаза диаграммасы динамикасы ысулын куллана. Фаза диаграммаларына нигезләнгән кинетик ысулларны, температура белән көчәнешнең монотон булмаган үзгәрешен исәпкә алып, инженерлык кушымталарында куллану авыр. Элахиния һәм Әхмәдиан гамәлдәге феноменологик модельләрнең бу кимчелекләренә игътибар итәләр һәм теләсә нинди катлаулы йөкләү шартларында форма хәтеренең үз-үзен тотышын анализлау һәм билгеләү өчен киңәйтелгән феноменологик модель тәкъдим итәләр.
SMA чыбыгының структураль моделе SMA чыбыгының көчәнешен (\(сигма\)), деформациясен (\(эпсилон\)), температурасын (T) һәм мартенсит күләм өлешен (\(xi\)) бирә. Феноменологик конститутив модельне беренче тапкыр Танака28 тәкъдим итте, соңрак Лян29 һәм Бринсон30 кабул итте. Тигезләмәнең чыгарылмасы түбәндәге формада:
монда E - фазага бәйле SMA Янг модуле, ул \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi)E_A\) һәм \(E_A\) һәм \(E_M\) ярдәмендә алынган, Янг модулен күрсәтүче \(E_A\) һәм \(E_M\), тиешенчә аустенит һәм мартенсит фазалары, һәм җылылык киңәю коэффициенты \(\theta_T\) белән күрсәтелә. Фаза күчешенә өлеш кертү коэффициенты \(\Omega = -E \epsilon_L\) һәм \(\epsilon_L\) - SMA чыбыгындагы максималь торгызыла торган деформация.
Фаза динамикасының тигезләмәсе Liang29 тарафыннан эшләнгән һәм соңрак Tanaka28 тарафыннан тәкъдим ителгән экспоненциаль функция урынына Brinson30 тарафыннан кабул ителгән косинус функциясе белән туры килә. Фаза күчеш моделе - Elakhinia һәм Ahmadian34 тарафыннан тәкъдим ителгән һәм Liang29 һәм Brinson30 тарафыннан бирелгән фаза күчеш шартлары нигезендә үзгәртелгән модельнең киңәйтүе. Бу фаза күчеш моделе өчен кулланылган шартлар катлаулы термомеханик йөкләнешләр астында гамәлдә. Вакытның һәр моментында, конститутив тигезләмәне модельләштергәндә, мартенситның күләм өлешенең кыйммәте исәпләнә.
Җылыту шартларында мартенситның аустенитка әверелүе белән белдерелгән ретрансформация тигезләмәсе түбәндәгечә:
монда \(\xi\) - мартенситның күләм өлеше, \(\xi _M\) - җылыту алдыннан алынган мартенситның күләм өлеше, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) һәм \(C_A\) - кәкре якынлашу параметрлары, T - SMA чыбык температурасы, \(A_s\) һәм \(A_f\) - аустенит фазасының башы һәм ахыры, тиешенчә, температура.
Суыту шартларында аустенитның мартенситка фазалы трансформациясе белән күрсәтелгән туры трансформацияне контрольдә тоту тигезләмәсе:
монда \(xi_A\) - суыту алдыннан алынган мартенситның күләм өлеше, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) һәм \(C_M\) - кәкре туры килү параметрлары, T - SMA чыбык температурасы, \(M_s\) һәм \(M_f\) - мартенситның башлангыч һәм соңгы температуралары.
(3) һәм (4) тигезләмәләр дифференциацияләнгәннән соң, кире һәм туры үзгәртү тигезләмәләре түбәндәге формага гадиләштерелә:
Алга һәм кирегә үзгәртүләр вакытында \(\eta _{\sigma}\) һәм \(\eta _{T}\) төрле кыйммәтләр ала. \(\eta _{\sigma}\) һәм \(\eta _{T}\) белән бәйле төп тигезләмәләр өстәмә бүлектә чыгарылды һәм җентекләп тикшерелде.
SMA чыбык температурасын күтәрү өчен кирәкле җылылык энергиясе Джоуль җылыту эффектыннан килә. SMA чыбык тарафыннан йотылган яки бүленеп чыгарылган җылылык энергиясе трансформациянең яшерен җылылыгы белән күрсәтелә. SMA чыбыкындагы җылылык югалту мәҗбүри конвекция аркасында була, һәм нурланышның әһәмиятсез йогынтысын исәпкә алып, җылылык энергиясе балансы тигезләмәсе түбәндәгечә:
Монда \(m_{wire}\) - SMA чыбыгының гомуми массасы, \(c_{p}\) - SMAның чагыштырма җылылык сыйдырышлыгы, \(V_{in}\) - чыбыкка бирелгән көчәнеш, \(R_{ohm} \ ) - фазага бәйле каршылык SMA, түбәндәгечә билгеләнә: \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-xi )r_A]\ ) монда \(r_M\) һәм \(r_A\) - мартенсит һәм аустениттагы SMA фаза каршылыгы, \(A_{c}\) - SMA чыбыгының өслек мәйданы, \(\Delta H\) - форма хәтере корычмасы. Чыбыкның яшерен күчү җылылыгы, T һәм \(T_{\infty}\) - SMA чыбыгының һәм мохитнең температуралары.
Форма хәтере эретмәсеннән ясалган чыбык эшләтеп җибәрелгәндә, чыбык кысыла, бу бимодаль конструкциянең һәр тармагында җепсел көче дип аталган көч барлыкка китерә. SMA чыбыгының һәр җебендәге җепселләрнең көчләре бергәләп эшләтү өчен мускул көчен булдыра, 9e рәсемдә күрсәтелгәнчә. Ияртүче пружинаның булуы аркасында, Nth күп катламлы актуаторның гомуми мускул көче түбәндәгечә:
(7) тигезләмәсенә \(N = 1\) куеп, беренче этап бимодаль йөртү прототибының мускул көчен түбәндәгечә алырга мөмкин:
монда n - унимодаль аяклар саны, \(F_m\) - привод тарафыннан барлыкка китерелгән мускул көче, \(F_f\) - SMA чыбыгындагы җепсел ныклыгы, \(K_x\) - пружинаның тайпылыш катылыгы, \(\альфа\) - өчпочмакның почмагы, \(x_0\) - SMA кабелен алдан тартылган хәлдә тоту өчен тайпылыш пружинаның башлангыч тайпылышы, һәм \(\Дельта x\) - актуатор хәрәкәте.
N нче этапның SMA чыбыгындагы көчәнешкә (\(\sigma\)) һәм деформациягә (\(\epsilon\)) карап, приводның гомуми күчүе яки хәрәкәте (\(\Delta x\)), привод (чыгышның өстәмә өлешен карагыз, рәсем):
Кинематик тигезләмәләр йөртү деформациясе (\(\epsilon\)) һәм күчү яки күчү (\(\Delta x\) арасындагы бәйләнешне бирә. Бер унимодаль тармакта теләсә кайсы вакытта t вакытында башлангыч Arb чыбык озынлыгына (\(l_0\)) һәм чыбык озынлыгына (l) бәйле рәвештә Arb чыбык деформациясе түбәндәгечә:
монда \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) косинус формуласын \(\Delta\)ABB ' системасында куллану юлы белән алына, 8 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә. Беренче этаплы йөртү өчен (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) \(\Delta x\), ә \(\alpha _1\) \(\alpha \), күрсәтелгәнчә. 8 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә, (11) тигезләмәдән вакытны дифференциацияләп һәм l кыйммәтен куеп, деформация тизлеген түбәндәгечә язарга мөмкин:
монда \(l_0\) - SMA чыбыгының башлангыч озынлыгы, l - бер унимодаль тармактагы теләсә нинди t вакытындагы чыбыкның озынлыгы, \(\epsilon\) - SMA чыбыгында үсеш алган деформация, һәм \(\alpha\) - өчпочмакның почмагы, \(\Delta x\) - йөртүченең тайпылышы (8 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә).
Барлык n бер пиклы структуралар (бу рәсемдә \(n=6\) керү көчәнеше буларак \(V_{in}\) белән бер-бер артлы тоташтырылган. I этап: Нуль көчәнеш шартларында бимодаль конфигурациядә SMA чыбыгының схемасы II этап: Кызыл сызык белән күрсәтелгәнчә, SMA чыбыгы кире конверсия аркасында кысылган идарә ителә торган структура күрсәтелгән.
Концепциянең дәлиле буларак, эксперименталь нәтиҗәләр белән нигез тигезләмәләрнең симуляцияләнгән чыгарылышын тикшерү өчен SMA нигезендәге бимодаль привод эшләнде. Бимодаль сызыклы приводның CAD моделе 9а рәсемдә күрсәтелгән. Икенче яктан, 9в рәсемдә бимодаль структуралы ике яссылыклы SMA нигезендәге привод кулланып әйләнү призматик тоташу өчен тәкъдим ителгән яңа дизайн күрсәтелгән. Привод компонентлары Ultimaker 3 Extended 3D принтерында өстәмә җитештерү ярдәмендә ясалган. Компонентларны 3D бастыру өчен кулланылган материал - поликарбонат, ул җылылыкка чыдам материаллар өчен яраклы, чөнки ул нык, чыдам һәм югары пыяла күчү температурасына ия (110-113 C). Моннан тыш, экспериментларда Dynalloy, Inc. Flexinol формасындагы хәтерле эретмә чыбыгы кулланылды, һәм симуляцияләрдә Flexinol чыбыгына туры килә торган материал үзлекләре кулланылды. Күп катламлы приводлар тарафыннан җитештерелгән югары көчләрне алу өчен, 9b, d рәсемнәрендә күрсәтелгәнчә, берничә SMA чыбыгы мускулларның бимодаль урнашуында булган җепселләр рәвешендә урнаштырылган.
9а рәсемдә күрсәтелгәнчә, хәрәкәтләнүче куллы SMA чыбык белән барлыкка килгән кискен почмак почмак (\(\альфа\)) дип атала. Сул һәм уң кыскычларга терминал кыскычлары беркетелгән очракта, SMA чыбык кирәкле бимодаль почмакта тотыла. Пружина тоташтыргычында тотыла торган тайпылыш пружинасы җайланмасы SMA җепселләре санына (n) карап төрле тайпылыш пружинасы озайту төркемнәрен көйләү өчен эшләнгән. Моннан тыш, хәрәкәтләнүче өлешләрнең урнашуы SMA чыбыкының мәҗбүри конвекция суыту өчен тышкы мохиткә ачык калуы өчен эшләнгән. Аерылучы җыелманың өске һәм аскы пластиналары авырлыкны киметү өчен эшләнгән экструдированиеле кисемтәләр белән SMA чыбыгын салкын тотарга ярдәм итә. Моннан тыш, CMA чыбыгының ике очы да, кыскыч ярдәмендә, сул һәм уң терминалларга беркетелгән. Өске һәм аскы пластиналар арасындагы араны саклап калу өчен, хәрәкәтләнүче җыелманың бер очына поршень беркетелгән. Поршень шулай ук ​​сенсорга контакт аша блоклау көче бирү өчен кулланыла, SMA чыбык эшләтелгәндә блоклау көчен үлчәү өчен.
SMA бимодаль мускул структурасы электр белән бер-бер артлы тоташтырылган һәм керү импульс көчәнеше белән эшли. Көчәнеш импульс циклы вакытында, көчәнеш кулланылганда һәм SMA чыбыгы аустенитның башлангыч температурасыннан югарырак җылытылганда, һәр чылбырдагы чыбыкның озынлыгы кыскара. Бу тартылу хәрәкәтләнүче кул җыелмасын активлаштыра. Шул ук циклда көчәнеш нульгә тигезләнгәндә, җылытылган SMA чыбыгы мартенсит өслеге температурасыннан түбәнрәк суытыла, шуның белән башлангыч торышына кайта. Нуль көчәнеш шартларында, SMA чыбыгы башта пассив рәвештә тайпылышлы пружинасы белән сузыла, ачыкланган мартенсит халәтенә җитә. SMA чыбыгы үткән винт, SMA чыбыгына көчәнеш импульсы куллану нәтиҗәсендә барлыкка килгән кысылу аркасында хәрәкәтләнә (SPA аустенит фазасына җитә), бу хәрәкәтләнүче рычагның эшләвенә китерә. SMA чыбыгы тартылганда, тайпылышлы пружинасы пружинаны тагын да сузып, каршы көч барлыкка китерә. Импульс көчәнешендәге көчәнеш нульгә җиткәч, SMA чыбыгы мәҗбүри конвекция суыну аркасында озыная һәм формасын үзгәртә, икеләтә мартенсит фазасына җитә.
Тәкъдим ителгән SMA нигезендәге сызыклы актуатор системасы SMA чыбыклары почмаклы булган бимодаль конфигурациягә ия. (а) прототипның CAD моделен сурәтли, анда кайбер компонентлар һәм аларның прототип өчен мәгънәләре искә алына, (b, d) эшләнгән эксперименталь прототипны күрсәтә35. (b) электр тоташулары, тайпылыш пружиналар һәм деформация үлчәгечләре кулланылган прототипның өске күренешен күрсәтсә, (d) җайланманың перспектива күренешен күрсәтә. (e) SMA чыбыклары теләсә кайсы t вакытында бимодаль рәвештә урнаштырылган сызыклы актуация системасының схемасы, җепселнең юнәлешен һәм курсын һәм мускул көчен күрсәтә. (c) Ике яссылыклы SMA нигезендәге актуаторны урнаштыру өчен 2-DOF әйләнү призматик тоташу тәкъдим ителде. Күрсәтелгәнчә, звено аскы приводтан өске кулга сызыклы хәрәкәтне тапшыра, әйләнү тоташуы булдыра. Икенче яктан, призмалар парының хәрәкәте күп катламлы беренче баскыч приводының хәрәкәте белән бер үк.
9б рәсемдә күрсәтелгән прототип өстендә SMA нигезендәге бимодаль йөртүченең эшчәнлеген бәяләү өчен эксперименталь тикшеренү үткәрелде. 10а рәсемдә күрсәтелгәнчә, эксперименталь җайланма SMA чыбыкларына керү көчәнешен тәэмин итү өчен программалаштырыла торган даими ток чыганагыннан торды. 10б рәсемдә күрсәтелгәнчә, Graphtec GL-2000 мәгълүмат теркәгече ярдәмендә блоклау көчен үлчәү өчен пьезоэлектрик деформация үлчәгече (PACEline CFT/5kN) кулланылды. Мәгълүматлар хуҗа тарафыннан алга таба өйрәнү өчен теркәлә. Деформация үлчәгечләре һәм заряд көчәйткечләре көчәнеш сигналын булдыру өчен даими электр чыганагы таләп итә. Тиешле сигналлар пьезоэлектрик көч сенсорының сизгерлегенә һәм 2 нче таблицада тасвирланган башка параметрларга туры китереп көч чыгаруларына әйләндерелә. Көчәнеш импульсы кулланылганда, SMA чыбыгының температурасы арта, SMA чыбыгының кысылуына китерә, бу исә җайланманың көч тудыруына китерә. 7 В керү көчәнеш импульсы белән мускул көчен чыгаруның эксперименталь нәтиҗәләре 2а рәсемдә күрсәтелгән.
(a) Экспериментта SMA нигезендәге сызыклы актуатор системасы актуатор тарафыннан барлыкка китерелгән көчне үлчәү өчен урнаштырылган. Йөкләү элементы блоклау көчен үлчи һәм 24 В даими ток чыганагы белән эшли. GW Instek программалаштырыла торган даими ток чыганагы ярдәмендә кабельнең бөтен озынлыгы буенча 7 В көчәнеш төшүе кулланылган. SMA чыбыгы җылылык аркасында кыскара, һәм хәрәкәтләнүче кул йөкләү элементына тиеп, блоклау көчен күрсәтә. Йөкләү элементы GL-2000 мәгълүмат теркәгеченә тоташтырылган һәм мәгълүматлар алга таба эшкәртү өчен хостта саклана. (b) Мускул көчен үлчәү өчен эксперименталь җайланма компонентлары чылбырын күрсәтүче схема.
Форма хәтере эретмәләре җылылык энергиясе белән кузгатыла, шуңа күрә температура форма хәтере күренешен өйрәнү өчен мөһим параметрга әйләнә. Эксперименталь рәвештә, 11а рәсемдә күрсәтелгәнчә, термик сурәтләү һәм температура үлчәүләре SMA нигезендәге ике катламлы актуатор прототибында башкарылды. Программалаштырыла торган даими ток чыганагы эксперименталь җайланмадагы SMA чыбыкларына керү көчәнешен бирде, 11b рәсемдә күрсәтелгәнчә. SMA чыбыгының температура үзгәреше югары ачыклыклы LWIR камерасы (FLIR A655sc) ярдәмендә реаль вакыт режимында үлчәнде. Хост алга таба эшкәртү өчен мәгълүматларны теркәү өчен ResearchIR программасын куллана. Көчәнеш импульсы кулланылганда, SMA чыбыгының температурасы арта, бу SMA чыбыгының кыскаруына китерә. 2b рәсемдә 7В керү көчәнеше импульсы өчен SMA чыбыгы температурасының вакытка карата эксперименталь нәтиҗәләре күрсәтелгән.