Nature.com saytiga tashrif buyurganingiz uchun tashakkur. Siz foydalanayotgan brauzer versiyasida CSS qo'llab-quvvatlashi cheklangan. Eng yaxshi tajriba uchun sizga yangilangan brauzerdan foydalanishingizni tavsiya qilamiz (yoki Internet Explorer-da moslik rejimini o'chirib qo'ying). Shu bilan birga, uzluksiz qo'llab-quvvatlashni ta'minlash uchun biz saytni uslublar va JavaScriptsiz renderlaymiz.
Aktuatorlar hamma joyda qo'llaniladi va ishlab chiqarish va sanoat avtomatlashtirishda turli operatsiyalarni bajarish uchun to'g'ri qo'zg'alish kuchi yoki momentni qo'llash orqali boshqariladigan harakatni yaratadi. Tezroq, kichikroq va samaraliroq drayvlarga ehtiyoj drayver dizaynida innovatsiyalarni keltirib chiqarmoqda. Shape Memory Alloy (SMA) drayverlari an'anaviy drayverlarga nisbatan bir qator afzalliklarni, jumladan, yuqori quvvat-og'irlik nisbatini taklif etadi. Ushbu dissertatsiyada biologik tizimlarning patli mushaklarining afzalliklari va SMAlarning noyob xususiyatlarini birlashtirgan ikkita patli SMA asosidagi aktuator ishlab chiqildi. Ushbu tadqiqot bimodal SMA simli joylashuviga asoslangan yangi aktuatorning matematik modelini ishlab chiqish va uni eksperimental ravishda sinab ko'rish orqali oldingi SMA aktuatorlarini o'rganadi va kengaytiradi. SMA asosidagi ma'lum drayverlarga nisbatan yangi drayverning harakatlanish kuchi kamida 5 baravar yuqori (150 N gacha). Tegishli vazn yo'qotish taxminan 67% ni tashkil qiladi. Matematik modellarning sezgirlik tahlili natijalari dizayn parametrlarini sozlash va asosiy parametrlarni tushunish uchun foydalidir. Ushbu tadqiqot dinamikani yanada yaxshilash uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan ko'p darajali N-bosqichli drayverni taqdim etadi. SMA asosidagi dipvalerat mushak aktuatorlari qurilish avtomatlashtirishidan tortib, aniq dori yetkazib berish tizimlarigacha keng qo'llanilish doirasiga ega.
Sutemizuvchilarning mushak tuzilmalari kabi biologik tizimlar ko'plab nozik aktuatorlarni faollashtirishi mumkin1. Sutemizuvchilar turli xil mushak tuzilmalariga ega, ularning har biri ma'lum bir maqsadga xizmat qiladi. Biroq, sutemizuvchilar mushak to'qimalarining tuzilishining katta qismini ikkita keng toifaga bo'lish mumkin: Parallel va pensimon. Son tizmalarida va boshqa fleksorlarda, nomidan ko'rinib turibdiki, parallel mushaklar markaziy payga parallel mushak tolalariga ega. Mushak tolalari zanjiri ularning atrofidagi biriktiruvchi to'qima bilan bir qatorga joylashtirilgan va funktsional ravishda bog'langan. Garchi bu mushaklar katta ekskursiyaga ega (foiz qisqarishi) deyishsa-da, ularning umumiy mushak kuchi juda cheklangan. Aksincha, triseps boldir mushaklarida2 (lateral gastrocnemius (GL)3, medial gastrocnemius (GM)4 va soleus (SOL)) va ekstensor son mushaklarida (quadriseps)5,6 pensimon mushak to'qimasi har bir mushakda7 topiladi. Pinsimon tuzilishda ikki pensimon mushaklardagi mushak tolalari markaziy payning ikkala tomonida ham qiyshiq burchaklarda (pinsimon burchaklar) mavjud. Pennate lotincha "penna" so'zidan kelib chiqqan bo'lib, "qalam" degan ma'noni anglatadi va 1-rasmda ko'rsatilganidek, patga o'xshash ko'rinishga ega. Pennate mushaklarining tolalari qisqaroq va mushakning uzunlamasına o'qiga burchak ostida joylashgan. Pinnate tuzilishi tufayli bu mushaklarning umumiy harakatchanligi pasayadi, bu esa qisqarish jarayonining ko'ndalang va uzunlamasına komponentlariga olib keladi. Boshqa tomondan, bu mushaklarning faollashishi fiziologik kesma maydonini o'lchash usuli tufayli umumiy mushak kuchining yuqori bo'lishiga olib keladi. Shuning uchun, ma'lum bir kesma maydoni uchun pennate mushaklari kuchliroq bo'ladi va parallel tolali mushaklarga qaraganda yuqori kuchlarni hosil qiladi. Alohida tolalar tomonidan hosil qilingan kuchlar o'sha mushak to'qimasida makroskopik darajada mushak kuchlarini hosil qiladi. Bundan tashqari, u tez qisqarish, cho'zilish shikastlanishidan himoya qilish, yumshatish kabi noyob xususiyatlarga ega. U mushak harakat chiziqlari bilan bog'liq tola joylashuvining o'ziga xos xususiyatlari va geometrik murakkabligidan foydalanib, tola kirishi va mushak quvvati chiqishi o'rtasidagi munosabatni o'zgartiradi.
Bimodal mushak arxitekturasiga nisbatan mavjud SMA asosidagi aktuator dizaynlarining sxematik diagrammalari ko'rsatilgan, masalan (a), bu ikki g'ildirakli avtonom mobil robotga SMA simlari bilan ishlaydigan qo'l shaklidagi qurilma o'rnatilgan taktil kuchning o'zaro ta'sirini ifodalaydi9,10. , (b) Antagonistik joylashtirilgan SMA prujinali orbital protezli robot orbital protez. Protez ko'zining holati ko'zning ko'z mushaklaridan keladigan signal bilan boshqariladi11, (c) SMA aktuatorlari yuqori chastotali javob va past o'tkazish qobiliyati tufayli suv osti ilovalari uchun idealdir. Ushbu konfiguratsiyada SMA aktuatorlari baliqlarning harakatini simulyatsiya qilish orqali to'lqin harakatini yaratish uchun ishlatiladi, (d) SMA aktuatorlari 10-kanal ichidagi SMA simlarining harakati bilan boshqariladigan dyuymli chuvalchang harakati printsipidan foydalana oladigan mikro quvur tekshiruv robotini yaratish uchun ishlatiladi, (e) mushak tolalarining qisqarish yo'nalishini va gastroknemius to'qimasida qisqarish kuchini hosil qilishni ko'rsatadi, (f) pennate mushak tuzilishida mushak tolalari shaklida joylashtirilgan SMA simlarini ko'rsatadi.
Aktuatorlar keng qo'llanilishi tufayli mexanik tizimlarning muhim qismiga aylandi. Shuning uchun kichikroq, tezroq va samaraliroq drayvlarga ehtiyoj juda muhim ahamiyat kasb etadi. Afzalliklariga qaramay, an'anaviy drayvlar qimmat va texnik xizmat ko'rsatish uchun ko'p vaqt talab etadi. Gidravlik va pnevmatik aktuatorlar murakkab va qimmat bo'lib, aşınma, moylash muammolari va komponentlarning ishdan chiqishiga moyil. Talabga javoban, asosiy e'tibor aqlli materiallarga asoslangan tejamkor, o'lchamlarni optimallashtirish va ilg'or aktuatorlarni ishlab chiqishga qaratilgan. Davom etayotgan tadqiqotlar ushbu ehtiyojni qondirish uchun shakl xotirasi qotishmasi (SMA) qatlamli aktuatorlarni ko'rib chiqmoqda. Ierarxik aktuatorlar noyobdir, chunki ular ko'plab diskret aktuatorlarni geometrik jihatdan murakkab makro miqyosli kichik tizimlarga birlashtirib, funksionallikni oshiradi va kengaytiradi. Shu nuqtai nazardan, yuqorida tavsiflangan inson mushak to'qimasi bunday ko'p qatlamli aktuatsiyaning ajoyib ko'p qatlamli namunasini taqdim etadi. Ushbu tadqiqotda bimodal mushaklarda mavjud bo'lgan tola yo'nalishlariga moslashtirilgan bir nechta individual haydovchi elementlari (SMA simlari) bo'lgan ko'p darajali SMA drayveri tasvirlangan, bu esa haydovchining umumiy ishlashini yaxshilaydi.
Aktuatorning asosiy maqsadi elektr energiyasini konvertatsiya qilish orqali kuch va siljish kabi mexanik quvvat chiqishini yaratishdir. Shakl xotirasi qotishmalari yuqori haroratlarda o'z shaklini tiklay oladigan "aqlli" materiallar sinfidir. Yuqori yuklar ostida SMA simining haroratining oshishi shaklning tiklanishiga olib keladi, natijada turli to'g'ridan-to'g'ri bog'langan aqlli materiallarga nisbatan yuqori faollik energiyasi zichligi paydo bo'ladi. Shu bilan birga, mexanik yuklar ostida SMAlar mo'rt bo'lib qoladi. Muayyan sharoitlarda tsiklik yuk mexanik energiyani yutishi va chiqarishi mumkin, bu esa qaytariladigan histeretik shakl o'zgarishlarini ko'rsatadi. Bu noyob xususiyatlar SMA ni sensorlar, tebranishlarni susaytirish va ayniqsa aktuatorlar uchun ideal qiladi12. Shuni yodda tutgan holda, SMA asosidagi drayvlar bo'yicha ko'plab tadqiqotlar olib borildi. Shuni ta'kidlash kerakki, SMA asosidagi aktuatorlar turli xil ilovalar uchun translyatsion va aylanma harakatni ta'minlash uchun mo'ljallangan13,14,15. Ba'zi aylanma aktuatorlar ishlab chiqilgan bo'lsa-da, tadqiqotchilar chiziqli aktuatorlarga ayniqsa qiziqishmoqda. Ushbu chiziqli aktuatorlarni uch turdagi aktuatorlarga bo'lish mumkin: bir o'lchovli, siljish va differentsial aktuatorlar16. Dastlab, gibrid drayvlar SMA va boshqa an'anaviy drayvlar bilan birgalikda yaratilgan. SMA asosidagi gibrid chiziqli aktuatorning bunday misollaridan biri taxminan 100 N chiqish kuchini va sezilarli siljishni ta'minlash uchun SMA simini doimiy tok motori bilan ishlatishdir17.
To'liq SMA ga asoslangan drayverlardagi dastlabki ishlanmalardan biri SMA parallel drayveri edi. Bir nechta SMA simlaridan foydalangan holda, SMA asosidagi parallel drayver barcha SMA18 simlarini parallel joylashtirish orqali drayverning quvvat qobiliyatini oshirish uchun mo'ljallangan. Aktuatorlarning parallel ulanishi nafaqat ko'proq quvvatni talab qiladi, balki bitta simning chiqish quvvatini ham cheklaydi. SMA asosidagi aktuatorlarning yana bir kamchiligi - ular erisha oladigan cheklangan harakatlanishdir. Ushbu muammoni hal qilish uchun siljishni oshirish va chiziqli harakatga erishish uchun egilgan egiluvchan nurni o'z ichiga olgan SMA kabel nuri yaratildi, ammo u yuqori kuchlarni yaratmadi19. Shakl xotirasi qotishmalariga asoslangan robotlar uchun yumshoq deformatsiyalanadigan konstruksiyalar va matolar asosan zarba kuchaytirish uchun ishlab chiqilgan20,21,22. Yuqori tezlik talab qilinadigan ilovalar uchun mikronasos bilan boshqariladigan ilovalar uchun yupqa plyonkali SMA lardan foydalangan holda ixcham boshqariladigan nasoslar haqida xabar berilgan23. Yupqa plyonkali SMA membranasining haydovchi chastotasi drayverning tezligini boshqarishda asosiy omil hisoblanadi. Shuning uchun, SMA chiziqli motorlari SMA prujinali yoki sterjenli motorlarga qaraganda yaxshiroq dinamik javobga ega. Yumshoq robototexnika va ushlash texnologiyasi SMA asosidagi aktuatorlardan foydalanadigan yana ikkita qo'llanmadir. Masalan, 25 N bo'shliq qisqichida ishlatiladigan standart aktuatorni almashtirish uchun shakl xotirasi qotishmasidan yasalgan parallel aktuator 24 ishlab chiqildi. Boshqa bir holatda, maksimal 30 N tortish kuchini ishlab chiqarishga qodir bo'lgan o'rnatilgan matritsali sim asosida SMA yumshoq aktuatori ishlab chiqarildi. Mexanik xususiyatlari tufayli SMAlar biologik hodisalarni taqlid qiluvchi aktuatorlarni ishlab chiqarish uchun ham ishlatiladi. Bunday ishlanmalardan biri sinusoidal otish harakatini yaratish uchun SMA bilan yer chuvalchangiga o'xshash organizmning biomimetikasi bo'lgan 12 hujayrali robotni o'z ichiga oladi26,27.
Avval aytib o'tilganidek, mavjud SMA asosidagi aktuatorlardan olinishi mumkin bo'lgan maksimal kuchning chegarasi mavjud. Ushbu muammoni hal qilish uchun ushbu tadqiqot biomimetik bimodal mushak tuzilishini taqdim etadi. Shakl xotirasi qotishma simi bilan boshqariladi. U bir nechta shakl xotirasi qotishma simlarini o'z ichiga olgan tasniflash tizimini taqdim etadi. Bugungi kunga qadar adabiyotlarda shunga o'xshash arxitekturaga ega SMA asosidagi aktuatorlar haqida xabar berilmagan. SMA asosidagi ushbu noyob va yangi tizim bimodal mushaklarni tekislash paytida SMA xatti-harakatlarini o'rganish uchun ishlab chiqilgan. Mavjud SMA asosidagi aktuatorlar bilan taqqoslaganda, ushbu tadqiqotning maqsadi kichik hajmda sezilarli darajada yuqori kuchlarni hosil qilish uchun biomimetik dipvalerat aktuator yaratish edi. HVAC bino avtomatlashtirish va boshqarish tizimlarida ishlatiladigan an'anaviy qadam motori bilan boshqariladigan drayvlar bilan taqqoslaganda, taklif qilingan SMA asosidagi bimodal drayv dizayni drayv mexanizmining og'irligini 67% ga kamaytiradi. Quyida "mushak" va "drayv" atamalari bir-birining o'rnida ishlatiladi. Ushbu tadqiqot bunday drayverning multifizik simulyatsiyasini o'rganadi. Bunday tizimlarning mexanik xatti-harakati eksperimental va analitik usullar bilan o'rganilgan. Kuch va harorat taqsimoti 7 V kirish kuchlanishida qo'shimcha o'rganildi. Keyinchalik, asosiy parametrlar va chiqish kuchi o'rtasidagi bog'liqlikni yaxshiroq tushunish uchun parametrik tahlil o'tkazildi. Nihoyat, ierarxik aktuatorlar tasavvur qilindi va protez qo'llanmalari uchun magnit bo'lmagan aktuatorlar uchun potentsial kelajakdagi soha sifatida ierarxik darajadagi effektlar taklif qilindi. Yuqorida aytib o'tilgan tadqiqotlar natijalariga ko'ra, bir bosqichli arxitekturadan foydalanish xabar qilingan SMA asosidagi aktuatorlarga qaraganda kamida to'rt-besh baravar yuqori kuchlarni ishlab chiqaradi. Bundan tashqari, ko'p darajali ko'p darajali haydovchi tomonidan hosil qilingan bir xil harakatlantiruvchi kuch an'anaviy SMA asosidagi drayvlarga qaraganda o'n baravar ko'p ekanligi ko'rsatildi. Keyin tadqiqot turli dizaynlar va kirish o'zgaruvchilari o'rtasidagi sezgirlik tahlili yordamida asosiy parametrlarni xabar qiladi. SMA simining boshlang'ich uzunligi (\(l_0\)), pinnate burchagi (\(\alfa\)) va har bir alohida zanjirdagi bitta zanjirlar soni (n) harakatlantiruvchi kuchning kattaligiga kuchli salbiy ta'sir ko'rsatadi. kuch, kirish kuchlanishi (energiya) esa ijobiy korrelyatsiyaga ega ekanligi ma'lum bo'ldi.
SMA simi nikel-titan (Ni-Ti) qotishmalar oilasida kuzatiladigan shakl xotirasi effektini (SME) namoyish etadi. Odatda, SMAlar haroratga bog'liq ikkita fazani namoyish etadi: past harorat fazasi va yuqori harorat fazasi. Ikkala faza ham turli kristall tuzilmalarining mavjudligi tufayli noyob xususiyatlarga ega. Transformatsiya haroratidan yuqori bo'lgan ostenit fazasida (yuqori harorat fazasi) material yuqori mustahkamlikni namoyish etadi va yuk ostida yomon deformatsiyalanadi. Qotishma zanglamaydigan po'lat kabi ishlaydi, shuning uchun u yuqori ishga tushirish bosimiga bardosh bera oladi. Ni-Ti qotishmalarining bu xususiyatidan foydalanib, SMA simlari aktuator hosil qilish uchun qiyaliklanadi. Turli parametrlar va turli geometriyalar ta'sirida SMA ning termal xatti-harakatlarining asosiy mexanikasini tushunish uchun tegishli analitik modellar ishlab chiqilgan. Eksperimental va analitik natijalar o'rtasida yaxshi kelishuvga erishildi.
9a-rasmda ko'rsatilgan prototipda SMA asosidagi bimodal haydovchining ishlashini baholash uchun eksperimental tadqiqot o'tkazildi. Ushbu xususiyatlardan ikkitasi, haydovchi tomonidan hosil bo'lgan kuch (mushak kuchi) va SMA simining harorati (SMA harorati) eksperimental ravishda o'lchandi. Drayvdagi simning butun uzunligi bo'ylab kuchlanish farqi oshgani sayin, simning harorati Joule isitish effekti tufayli oshadi. Kirish kuchlanishi ikkita 10 soniyali siklda (2a, b-rasmlarda qizil nuqta sifatida ko'rsatilgan) qo'llanildi, har bir sikl orasida 15 soniyali sovutish davri mavjud edi. Bloklash kuchi pyezoelektrik kuchlanish o'lchagich yordamida o'lchandi va SMA simining harorat taqsimoti ilmiy darajadagi yuqori aniqlikdagi LWIR kamerasi yordamida real vaqt rejimida kuzatildi (2-jadvalda ishlatilgan uskunaning xususiyatlariga qarang). Yuqori kuchlanish fazasida simning harorati monoton ravishda oshishini, ammo tok oqmaganda simning harorati pasayishda davom etishini ko'rsatadi. Joriy eksperimental sozlashda, SMA simining harorati sovutish bosqichida pasaygan, ammo u hali ham atrof-muhit haroratidan yuqori bo'lgan. 2e-rasmda LWIR kamerasidan olingan SMA simidagi haroratning surati ko'rsatilgan. Boshqa tomondan, 2a-rasmda qo'zg'aysan tizimi tomonidan hosil bo'lgan blokirovka kuchi ko'rsatilgan. Mushak kuchi prujinaning tiklash kuchidan oshib ketganda, 9a-rasmda ko'rsatilgandek, harakatlanuvchi qo'l harakatlana boshlaydi. Ishga tushirish boshlanishi bilan, harakatlanuvchi qo'l sensor bilan aloqa qiladi va 2c, d-rasmda ko'rsatilgandek, tana kuchini hosil qiladi. Maksimal harorat \(84\,^{\circ}\hbox {C}\ ga yaqin bo'lganda, kuzatilgan maksimal kuch 105 N ni tashkil qiladi.
Grafikda SMA simining harorati va SMA asosidagi bimodal aktuator tomonidan ikki sikl davomida hosil bo'lgan kuchning eksperimental natijalari ko'rsatilgan. Kirish kuchlanishi har bir sikl orasida 15 soniya sovutish davri bilan ikkita 10 soniyali siklda (qizil nuqtalar sifatida ko'rsatilgan) qo'llaniladi. Tajribalar uchun ishlatilgan SMA simi Dynalloy, Inc. kompaniyasining 0,51 mm diametrli Flexinol simi edi. (a) Grafikda ikki sikl davomida olingan eksperimental kuch ko'rsatilgan, (c, d) PACEline CFT/5kN piezoelektrik kuch o'tkazgichida harakatlanuvchi qo'l aktuatorlarining ta'sirining ikkita mustaqil misoli ko'rsatilgan, (b) grafikda ikki sikl davomida butun SMA simining maksimal harorati ko'rsatilgan, (e) FLIR ResearchIR dasturiy ta'minoti LWIR kamerasi yordamida SMA simidan olingan harorat surati ko'rsatilgan. Tajribalarda hisobga olingan geometrik parametrlar 1-jadvalda keltirilgan.
Matematik modelning simulyatsiya natijalari va eksperimental natijalar 5-rasmda ko'rsatilgandek, 7V kirish kuchlanishi sharti bilan taqqoslanadi. Parametrik tahlil natijalariga ko'ra va SMA simining qizib ketish ehtimolini oldini olish uchun aktuatorga 11,2 Vt quvvat berildi. Kirish kuchlanishi sifatida 7V ni ta'minlash uchun dasturlashtiriladigan doimiy tok manbai ishlatildi va sim bo'ylab 1,6A tok o'lchandi. Tok qo'llanilganda haydovchi tomonidan hosil bo'lgan kuch va SDR harorati ortadi. 7V kirish kuchlanishi bilan birinchi siklning simulyatsiya natijalari va eksperimental natijalaridan olingan maksimal chiqish kuchi mos ravishda 78 N va 96 N ni tashkil qiladi. Ikkinchi siklda simulyatsiya va eksperimental natijalarning maksimal chiqish kuchi mos ravishda 150 N va 105 N ni tashkil etdi. Okklyuziya kuchini o'lchash va eksperimental ma'lumotlar o'rtasidagi tafovut okklyuziya kuchini o'lchash uchun ishlatiladigan usul bilan bog'liq bo'lishi mumkin. 1-rasmda ko'rsatilgan eksperimental natijalar. 5a qulflash kuchini o'lchashga mos keladi, bu esa o'z navbatida 2s-rasmda ko'rsatilgandek, haydovchi val PACEline CFT/5kN piezoelektrik kuch o'tkazgichi bilan aloqada bo'lganida o'lchangan. Shuning uchun, haydovchi val sovutish zonasining boshida kuch sensori bilan aloqada bo'lmaganda, kuch darhol nolga teng bo'ladi, 2d-rasmda ko'rsatilgandek. Bundan tashqari, keyingi sikllarda kuch hosil bo'lishiga ta'sir qiluvchi boshqa parametrlar sovutish vaqtining qiymatlari va oldingi sikldagi konvektiv issiqlik uzatish koeffitsientidir. 2b-rasmdan ko'rinib turibdiki, 15 soniyali sovutish davridan so'ng, SMA simi xona haroratiga yetmagan va shuning uchun ikkinchi haydash siklida birinchi siklga (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)) nisbatan yuqori boshlang'ich haroratga (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) ega bo'lgan. Shunday qilib, birinchi sikl bilan solishtirganda, ikkinchi isitish siklidagi SMA simining harorati dastlabki ostenit haroratiga (\(A_s\)) oldinroq yetadi va o'tish davrida uzoqroq qoladi, bu esa kuchlanish va kuchga olib keladi. Boshqa tomondan, tajribalar va simulyatsiyalardan olingan isitish va sovutish sikllari davomida harorat taqsimoti termografik tahlil misollariga yuqori sifatli o'xshashlikka ega. Tajribalar va simulyatsiyalardan olingan SMA simining termal ma'lumotlarining qiyosiy tahlili isitish va sovutish sikllari davomida va eksperimental ma'lumotlar uchun maqbul tolerantliklar doirasida izchillikni ko'rsatdi. Birinchi siklning simulyatsiya va tajribalari natijalaridan olingan SMA simining maksimal harorati mos ravishda \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) va \(75\,^{\circ }\hbox {C }\) ni tashkil qiladi, ikkinchi siklda esa SMA simining maksimal harorati \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) va \(83\,^{\circ }\hbox {C}\) ni tashkil qiladi. Asosan ishlab chiqilgan model shakl xotirasi effektining ta'sirini tasdiqlaydi. Ushbu sharhda charchoq va qizib ketishning roli ko'rib chiqilmagan. Kelajakda model SMA simining kuchlanish tarixini o'z ichiga olgan holda takomillashtiriladi, bu esa uni muhandislik qo'llanmalari uchun yanada moslashtiradi. Simulink blokidan olingan haydovchi chiqish kuchi va SMA harorat grafiklari kirish kuchlanish impulsi 7 V sharti bilan eksperimental ma'lumotlarning ruxsat etilgan tolerantliklari doirasida. Bu ishlab chiqilgan matematik modelning to'g'riligi va ishonchliligini tasdiqlaydi.
Matematik model MathWorks Simulink R2020b muhitida "Usullar" bo'limida tasvirlangan asosiy tenglamalar yordamida ishlab chiqilgan. 3b-rasmda Simulink matematik modelining blok-sxemasi ko'rsatilgan. Model 2a, b-rasmlarda ko'rsatilganidek, 7V kirish kuchlanish impulsi uchun simulyatsiya qilingan. Simulyatsiyada ishlatilgan parametrlarning qiymatlari 1-jadvalda keltirilgan. O'tish jarayonlarini simulyatsiya qilish natijalari 1 va 1-rasmlarda keltirilgan. 3a va 4-rasmlarda. 4a, b-rasmlarda SMA simidagi induktsiyalangan kuchlanish va aktuator tomonidan vaqt funksiyasi sifatida hosil bo'lgan kuch ko'rsatilgan. Teskari transformatsiya (isitish) paytida, SMA sim harorati, \(T < A_s^{\prime}\) (kuchlanish bilan o'zgartirilgan ostenit fazasining boshlang'ich harorati), martensit hajm ulushining o'zgarish tezligi (\(\dot{\xi }\)) nolga teng bo'ladi. Teskari transformatsiya (isitish) paytida, SMA sim harorati, \(T < A_s^{\prime}\) (kuchlanish bilan modifikatsiyalangan ostenit fazasining boshlang'ich harorati), martensit hajm ulushining o'zgarish tezligi (\(\dot{\ xi }\)) nolga teng bo'ladi. Vo vremya obratnogo prevrashcheniya (nagreva), kogda harorat provoloki SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura nachala austenitnoy fazy, modifitsirovannaya napryajeniem), skorost ravemya ob'emnoy doli martensita (\(\dot{\) nuetno. Teskari transformatsiya (isitish) paytida, SMA simining harorati, \(T < A_s^{\prime}\) (kuchlanish bilan modifikatsiyalangan ostenitning boshlang'ich harorati), martensit hajm ulushining o'zgarish tezligi (\(\dot{\ xi }\)) nolga teng bo'ladi.chàngāngāngījīngjīngjījīnī, smīngīngjī, smēngjījīng\(T < A_s^{\prime}\)（dàngāngāngāngāngāngāngāngāngīngāngāngāngāngāngīngāngīngāngīngīngīngīngīngīngīngjīngīdīdīngjīdjīngīdīn（\)(\t{\prime}\) shíngín.chài chàng yàngín （yāngāī） yān ） ， chàng chàng yín y yìjín \ (t
(a) SMA asosidagi ikkilamchi aktuatorda harorat taqsimoti va kuchlanish keltirib chiqaradigan birikma haroratini ko'rsatadigan simulyatsiya natijasi. Isitish bosqichida sim harorati ostenit o'tish haroratidan o'tganda, o'zgartirilgan ostenit o'tish harorati ko'tarila boshlaydi va shunga o'xshash, sim tayoqchasi harorati sovutish bosqichida martensit o'tish haroratidan o'tganda, martensit o'tish harorati pasayadi. Ishga tushirish jarayonini analitik modellashtirish uchun SMA. (Simulink modelining har bir quyi tizimining batafsil ko'rinishi uchun qo'shimcha faylning ilova bo'limiga qarang.)
Turli parametr taqsimotlari uchun tahlil natijalari 7V kirish kuchlanishining ikki sikli uchun ko'rsatilgan (10 soniyali qizdirish sikllari va 15 soniyali sovutish sikllari). (ac) va (e) vaqt o'tishi bilan taqsimotni tasvirlasa, (d) va (f) harorat bilan taqsimotni tasvirlaydi. Tegishli kirish sharoitlari uchun kuzatilgan maksimal kuchlanish 106 MPa (345 MPa dan kam, simning oqim kuchi), kuch 150 N, maksimal siljish 270 µm va minimal martensit hajm ulushi 0,91 ga teng. Boshqa tomondan, kuchlanishning o'zgarishi va martensitning harorat bilan hajm ulushining o'zgarishi gisterezis xususiyatlariga o'xshash.
Xuddi shu tushuntirish ostenit fazasidan martensit fazasiga to'g'ridan-to'g'ri o'tishga (sovutishga) ham tegishli bo'lib, bu yerda SMA simining harorati (T) va kuchlanish bilan modifikatsiyalangan martensit fazasining (\(M_f^{\prime}\ )) oxirgi harorati juda yaxshi. 4d,f-rasmda SMA simidagi induktsiyalangan kuchlanishning (\(sigma\)) va martensitning hajm ulushining (\(xi\)) o'zgarishi ikkala haydash sikli uchun SMA simining (T) haroratining o'zgarishi funksiyasi sifatida ko'rsatilgan. 3a-rasmda kirish kuchlanish impulsiga qarab vaqt o'tishi bilan SMA simining haroratining o'zgarishi ko'rsatilgan. Rasmdan ko'rinib turibdiki, simning harorati nol kuchlanishda issiqlik manbai va keyinchalik konvektiv sovutish orqali oshib boraveradi. Isitish jarayonida martensitning ostenit fazasiga qayta o'zgarishi SMA simining harorati (T) kuchlanish bilan tuzatilgan ostenit yadrolanish haroratidan (\(A_s^{\prime}\)) o'tganda boshlanadi. Bu fazada SMA simi siqiladi va aktuator kuch hosil qiladi. Shuningdek, sovutish jarayonida SMA simining harorati (T) kuchlanish bilan o'zgartirilgan martensit fazasining (\(M_s^{\prime}\)) yadrolanish haroratidan o'tganda, ostenit fazasidan martensit fazasiga ijobiy o'tish sodir bo'ladi. Qo'zg'atuvchi kuch kamayadi.
SMA asosidagi bimodal haydovchining asosiy sifat jihatlarini simulyatsiya natijalaridan olish mumkin. Kuchlanish impulsi kirish holatida, Joule isitish effekti tufayli SMA simining harorati oshadi. Martensit hajm ulushining boshlang'ich qiymati (\(\xi\)) 1 ga o'rnatiladi, chunki material dastlab to'liq martensit fazasida bo'ladi. Sim qizib borishda davom etar ekan, SMA simining harorati kuchlanish bilan tuzatilgan ostenit yadrolanish harorati \(A_s^{\prime}\) dan oshib ketadi, natijada martensit hajm ulushi pasayadi, bu 4c-rasmda ko'rsatilgan. Bundan tashqari, 4e-rasmda aktuatorning zarbalarining vaqt bo'yicha taqsimlanishi va 5-rasmda - harakatlantiruvchi kuch vaqt funksiyasi sifatida ko'rsatilgan. Tegishli tenglamalar tizimiga harorat, martensit hajm ulushi va simda paydo bo'ladigan kuchlanish kiradi, bu esa SMA simining qisqarishiga va aktuator tomonidan hosil bo'ladigan kuchga olib keladi. 1-rasmda ko'rsatilganidek. 4d,f, haroratga qarab kuchlanish o'zgarishi va martensit hajm ulushining haroratga qarab o'zgarishi 7 V da simulyatsiya qilingan holatda SMA ning gisterezis xususiyatlariga mos keladi.
Haydash parametrlarini taqqoslash tajribalar va analitik hisob-kitoblar orqali olingan. Simlar 10 soniya davomida 7 V impulsli kirish kuchlanishiga duchor qilingan, so'ngra ikki sikl davomida 15 soniya davomida (sovutish fazasi) sovutilgan. Pinnate burchagi \(40^{\circ}\) ga o'rnatilgan va har bir pin oyog'idagi SMA simining boshlang'ich uzunligi 83 mm ga o'rnatilgan. (a) Yuk xujayrasi yordamida harakatlantiruvchi kuchni o'lchash (b) Termal infraqizil kamera yordamida sim haroratini kuzatish.
Fizik parametrlarning haydovchi tomonidan ishlab chiqarilgan kuchga ta'sirini tushunish uchun tanlangan fizik parametrlarga matematik modelning sezgirligi tahlili o'tkazildi va parametrlar ularning ta'siriga qarab tartiblandi. Birinchidan, model parametrlarining namunalari bir xil taqsimotga amal qilgan eksperimental dizayn tamoyillari yordamida amalga oshirildi (sezgirlik tahlili bo'yicha qo'shimcha bo'limga qarang). Bu holda, model parametrlari kirish kuchlanishi (\(V_{in}\)), boshlang'ich SMA sim uzunligi (\(l_0\)), uchburchak burchagi (\(\alpha\)), egilish prujinasi doimiysi (\(K_x\)), konvektiv issiqlik uzatish koeffitsienti (\(h_T\)) va unimodal shoxchalar sonini (n) o'z ichiga oladi. Keyingi bosqichda, tadqiqot dizayni talabi sifatida eng yuqori mushak kuchi tanlandi va har bir o'zgaruvchilar to'plamining kuchga parametrik ta'siri olindi. Sezgirlik tahlili uchun tornado grafiklari 6a-rasmda ko'rsatilgandek, har bir parametr uchun korrelyatsiya koeffitsientlaridan olingan.
(a) Model parametrlarining korrelyatsiya koeffitsienti qiymatlari va ularning yuqoridagi model parametrlarining 2500 ta noyob guruhlarining maksimal chiqish kuchiga ta'siri tornado diagrammasida ko'rsatilgan. Grafik bir nechta ko'rsatkichlarning daraja korrelyatsiyasini ko'rsatadi. \(V_{in}\) musbat korrelyatsiyaga ega bo'lgan yagona parametr va \(l_0\) eng yuqori salbiy korrelyatsiyaga ega parametr ekanligi aniq. Turli kombinatsiyalardagi turli parametrlarning cho'qqi mushak kuchiga ta'siri (b, c) da ko'rsatilgan. \(K_x\) 400 dan 800 N/m gacha va n 4 dan 24 gacha. Voltaj (\(V_{in}\)) 4V dan 10V gacha, sim uzunligi (\(l_{0 } \)) 40 dan 100 mm gacha o'zgargan va quyruq burchagi (\ (\alfa \)) \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\) dan o'zgargan.
6a-rasmda har bir parametr uchun eng yuqori qo'zg'atuvchi kuchni loyihalash talablariga ega bo'lgan turli xil korrelyatsiya koeffitsientlarining tornado grafigi ko'rsatilgan. 6a-rasmdan ko'rinib turibdiki, kuchlanish parametri (\(V_{in}\)) maksimal chiqish kuchiga bevosita bog'liq va konvektiv issiqlik uzatish koeffitsienti (\(h_T\)), alanga burchagi (\ ( \alpha\)), siljish prujinasi doimiysi (\(K_x\)) SMA simining chiqish kuchi va boshlang'ich uzunligi (\(l_0\)) bilan manfiy korrelyatsiyalangan va unimodal shoxchalar soni (n) kuchli teskari korrelyatsiyani ko'rsatadi. To'g'ridan-to'g'ri korrelyatsiya holatida kuchlanish korrelyatsiya koeffitsientining (\(V_ {in}\)) yuqori qiymati holatida bu parametr quvvat chiqishiga eng katta ta'sir ko'rsatishini ko'rsatadi. Yana bir shunga o'xshash tahlil 6b, c-rasmlarda ko'rsatilgandek, ikkita hisoblash maydonining turli kombinatsiyalaridagi turli parametrlarning ta'sirini baholash orqali eng yuqori kuchni o'lchaydi. \(V_{in}\) va \(l_0\), \(\alpha\) va \(l_0\) o'xshash naqshlarga ega va grafik shuni ko'rsatadiki, \(V_{in}\) va \(\alpha\) hamda \(\alpha\) o'xshash naqshlarga ega. \(l_0\) ning kichikroq qiymatlari yuqori cho'qqi kuchlariga olib keladi. Qolgan ikkita grafik 6a-rasmga mos keladi, bu yerda n va \(K_x\) manfiy va \(V_{in}\) musbat korrelyatsiyalangan. Ushbu tahlil haydovchi tizimining chiqish kuchi, zarbasi va samaradorligini talablar va qo'llanilishga moslashtirish mumkin bo'lgan ta'sir parametrlarini aniqlash va sozlashga yordam beradi.
Hozirgi tadqiqot ishlari N darajali ierarxik drayverlarni joriy etadi va o'rganadi. 7a-rasmda ko'rsatilgandek, ikki darajali ierarxiyada, birinchi darajali aktuatorning har bir SMA simining o'rniga, 9e-rasmda ko'rsatilgandek, bimodal tartibga erishiladi. 7c-rasmda SMA simining faqat bo'ylama yo'nalishda harakatlanadigan harakatlanuvchi qo'l (yordamchi qo'l) atrofida qanday o'ralganligi ko'rsatilgan. Biroq, asosiy harakatlanuvchi qo'l 1-bosqichli ko'p bosqichli aktuatorning harakatlanuvchi qo'li bilan bir xil tarzda harakatlanishda davom etadi. Odatda, N-bosqichli drayver \(N-1\) bosqichli SMA simini birinchi bosqichli drayver bilan almashtirish orqali yaratiladi. Natijada, har bir tarmoq simning o'zini ushlab turadigan tarmoqdan tashqari, birinchi bosqichli drayverni taqlid qiladi. Shu tarzda, asosiy drayverlarning kuchlaridan bir necha baravar katta kuchlarni yaratadigan ichki tuzilmalar hosil bo'lishi mumkin. Ushbu tadqiqotda har bir daraja uchun 7d-rasmda jadval shaklida ko'rsatilganidek, 1 m umumiy samarali SMA sim uzunligi hisobga olindi. Har bir unimodal dizayndagi har bir sim orqali o'tadigan tok va har bir SMA sim segmentidagi hosil bo'lgan oldingi kuchlanish va kuchlanish har bir darajada bir xil. Bizning analitik modelimizga ko'ra, chiqish kuchi daraja bilan musbat, siljish esa manfiy korrelyatsiyaga ega. Shu bilan birga, siljish va mushak kuchi o'rtasida murosa mavjud edi. 7b-rasmda ko'rinib turibdiki, maksimal kuch eng ko'p qatlamlarda erishilgan bo'lsa, eng katta siljish eng past qatlamda kuzatiladi. Ierarxiya darajasi \(N=5\) ga o'rnatilganda, 2 ta kuzatilgan zarba \(\upmu\)m bilan 2,58 kN cho'qqi mushak kuchi topildi. Boshqa tomondan, birinchi bosqichli qo'zg'alish 277 \(\upmu\)m zarbada 150 N kuch hosil qiladi. Ko'p darajali aktuatorlar haqiqiy biologik mushaklarni taqlid qila oladi, bunda shakl xotirasi qotishmalariga asoslangan sun'iy mushaklar aniq va nozik harakatlar bilan ancha yuqori kuchlarni yaratishga qodir. Ushbu miniatyuralashtirilgan dizaynning cheklovlari shundaki, ierarxiya oshgani sayin, harakat sezilarli darajada kamayadi va haydovchi ishlab chiqarish jarayonining murakkabligi oshadi.
(a) Ikki bosqichli (\(N=2\)) qatlamli shaklli xotira qotishmasidan yasalgan chiziqli aktuator tizimi bimodal konfiguratsiyada ko'rsatilgan. Taklif etilgan model birinchi bosqichli qatlamli aktuatordagi SMA simini boshqa bir bosqichli qatlamli aktuator bilan almashtirish orqali erishiladi. (c) Ikkinchi bosqichli ko'p qatlamli aktuatorning deformatsiyalangan konfiguratsiyasi. (b) Darajalar soniga qarab kuchlar va siljishlarning taqsimlanishi tasvirlangan. Aktuatorning eng yuqori kuchi grafikdagi shkala darajasi bilan musbat, zarba esa shkala darajasi bilan manfiy bog'liqligi aniqlandi. Har bir simdagi tok va oldindan kuchlanish barcha darajalarda doimiy bo'lib qoladi. (d) Jadvalda har bir darajadagi SMA simining (tola) musluklar soni va uzunligi ko'rsatilgan. Simlarning xususiyatlari 1-indeks bilan, ikkinchi darajali tarmoqlar soni (birlamchi oyoqqa ulangan) esa pastki indeksdagi eng katta raqam bilan ko'rsatilgan. Masalan, 5-darajada, \(n_1\) har bir bimodal strukturada mavjud bo'lgan SMA simlari sonini va \(n_5\) yordamchi oyoqlar sonini (asosiy oyoqqa ulangan bitta) anglatadi.
Shakl xotirasiga ega SMAlarning xatti-harakatlarini modellashtirish uchun ko'plab tadqiqotchilar tomonidan turli usullar taklif qilingan, ular fazaviy o'tish bilan bog'liq kristall tuzilishidagi makroskopik o'zgarishlarga hamroh bo'lgan termomekanik xususiyatlarga bog'liq. Konstitutiv usullarning formulasi o'z-o'zidan murakkab. Eng ko'p ishlatiladigan fenomenologik model Tanaka28 tomonidan taklif qilingan va muhandislik qo'llanmalarida keng qo'llaniladi. Tanaka [28] tomonidan taklif qilingan fenomenologik model martensitning hajm ulushi harorat va kuchlanishning eksponensial funktsiyasi ekanligini taxmin qiladi. Keyinchalik, Liang va Rogers29 hamda Brinson30 modelga ozgina o'zgartirishlar kiritilgan holda, fazaviy o'tish dinamikasi kuchlanish va haroratning kosinus funktsiyasi deb taxmin qilingan modelni taklif qilishdi. Becker va Brinson SMA materiallarining o'zboshimchalik bilan yuklanish sharoitida, shuningdek, qisman o'tishlarda xatti-harakatlarini modellashtirish uchun fazaviy diagrammaga asoslangan kinetik modelni taklif qilishdi. Banerjee32 Elahinia va Ahmadian33 tomonidan ishlab chiqilgan bitta erkinlik darajasi manipulyatorini simulyatsiya qilish uchun Bekker va Brinson31 fazaviy diagramma dinamikasi usulidan foydalanadi. Fazali diagrammalarga asoslangan kinetik usullar, harorat bilan kuchlanishning monoton bo'lmagan o'zgarishini hisobga oladi, muhandislik qo'llanmalarida qo'llash qiyin. Elaxinia va Ahmadian mavjud fenomenologik modellarning bu kamchiliklariga e'tibor qaratadilar va har qanday murakkab yuklanish sharoitida shakl xotirasi xatti-harakatlarini tahlil qilish va aniqlash uchun kengaytirilgan fenomenologik modelni taklif qiladilar.
SMA simining strukturaviy modeli SMA simining kuchlanishini (\(sigma\)), deformatsiyasini (\(epsilon\)), haroratini (T) va martensit hajm ulushini (\(xi\)) beradi. Fenomenologik konstitutiv model birinchi marta Tanaka28 tomonidan taklif qilingan va keyinchalik Liang29 va Brinson30 tomonidan qabul qilingan. Tenglamaning hosilasi quyidagi shaklga ega:
bu yerda E - fazaga bog'liq SMA Young moduli, \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) va \(E_A\) yordamida olingan, Young modulini ifodalovchi \(E_A\) va \(E_M\) mos ravishda ostenit va martensit fazalari bo'lib, issiqlik kengayish koeffitsienti \(\theta_T\) bilan ifodalanadi. Faza o'tishiga hissa qo'shish koeffitsienti \(\Omega = -E \epsilon_L\) va \(\epsilon_L\) - SMA simidagi maksimal tiklanadigan kuchlanish.
Faza dinamikasi tenglamasi Liang29 tomonidan ishlab chiqilgan va keyinchalik Tanaka28 tomonidan taklif qilingan eksponensial funksiya o'rniga Brinson30 tomonidan qabul qilingan kosinus funksiyasi bilan mos keladi. Faza o'tish modeli Elaxinia va Ahmadian34 tomonidan taklif qilingan va Liang29 va Brinson30 tomonidan berilgan faza o'tish shartlari asosida o'zgartirilgan modelning kengaytmasi hisoblanadi. Ushbu faza o'tish modeli uchun ishlatiladigan shartlar murakkab termomekanik yuklar ostida amal qiladi. Vaqtning har bir momentida, konstitutiv tenglamani modellashtirishda martensitning hajm ulushi qiymati hisoblanadi.
Martensitning qizdirish sharoitida ostenitga aylanishi bilan ifodalangan boshqaruvchi retransformatsiya tenglamasi quyidagicha:
bu yerda \(xi\) martensitning hajm ulushi, \(xi _M\) qizdirishdan oldin olingan martensitning hajm ulushi, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) va \(C_A\) – egri chiziq yaqinlashuv parametrlari, T – SMA sim harorati, \(A_s\) va \(A_f\) – mos ravishda ostenit fazasining boshlanishi va oxiri, harorat.
Sovutish sharoitida ostenitning martensitga fazaviy o'zgarishi bilan ifodalangan to'g'ridan-to'g'ri transformatsiyani boshqarish tenglamasi quyidagicha:
bu yerda \(xi_A\) sovutishdan oldin olingan martensitning hajm ulushi, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) va \ (C_M \) – egri chiziqqa moslashish parametrlari, T – SMA sim harorati, \(M_s\) va \(M_f\) – mos ravishda boshlang'ich va oxirgi martensit harorati.
(3) va (4) tenglamalar farqlangandan so'ng, teskari va to'g'ridan-to'g'ri transformatsiya tenglamalari quyidagi shaklga soddalashtiriladi:
Oldinga va orqaga o'zgartirishlar kiritish jarayonida \(\eta _{\sigma}\) va \(\eta _{T}\) turli qiymatlarni oladi. \(\eta _{\sigma}\) va \(\eta _{T}\) bilan bog'liq asosiy tenglamalar qo'shimcha bo'limda olingan va batafsil muhokama qilingan.
SMA simining haroratini ko'tarish uchun zarur bo'lgan issiqlik energiyasi Joule isitish effektidan kelib chiqadi. SMA simi tomonidan yutilgan yoki chiqarilgan issiqlik energiyasi transformatsiyaning yashirin issiqligi bilan ifodalanadi. SMA simidagi issiqlik yo'qotilishi majburiy konveksiya tufayli yuzaga keladi va nurlanishning ahamiyatsiz ta'sirini hisobga olgan holda, issiqlik energiyasi balansi tenglamasi quyidagicha:
Bu yerda \(m_{wire}\) SMA simining umumiy massasi, \(c_{p}\) SMA ning solishtirma issiqlik sig'imi, \(V_{in}\) simga qo'llaniladigan kuchlanish, \(R_{ohm} \ ) – fazaga bog'liq qarshilik SMA, quyidagicha aniqlanadi: \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) bu yerda \(r_M\) va \(r_A\) mos ravishda martensit va ostenitdagi SMA faza qarshiligi, \(A_{c}\) SMA simining sirt maydoni, \(\Delta H\) shakl xotirasi qotishmasi. Simning yashirin o'tish issiqligi T va \(T_{\infty}\) mos ravishda SMA simining va atrof-muhitning haroratidir.
Shakl xotirasi qotishma simi ishga tushirilganda, sim siqiladi va bimodal dizaynning har bir tarmog'ida tola kuchi deb ataladigan kuch hosil qiladi. SMA simining har bir zanjiridagi tolalarning kuchlari birgalikda 9e-rasmda ko'rsatilgandek, harakatga keltirish uchun mushak kuchini hosil qiladi. Eğimli prujinaning mavjudligi tufayli N-chi ko'p qatlamli aktuatorning umumiy mushak kuchi quyidagicha:
(7) tenglamaga \(N = 1\) ni qo'yib, birinchi bosqich bimodal haydovchi prototipining mushak kuchini quyidagicha olish mumkin:
bu yerda n - unimodal oyoqlar soni, \(F_m\) - qo'zg'atuvchi tomonidan hosil qilingan mushak kuchi, \(F_f\) - SMA simidagi tolaning mustahkamligi, \(K_x\) - prujinaning qattiqligi, \(\alfa\) - uchburchakning burchagi, \(x_0\) - SMA kabelini oldindan taranglashgan holatda ushlab turish uchun prujinaning boshlang'ich siljishi va \(\Delta x\) - aktuatorning harakatlanishi.
N-bosqichning SMA simidagi kuchlanish (\(\sigma\)) va kuchlanish (\(\epsilon\)) ga qarab, drayverning umumiy siljishi yoki harakati (\(\Delta x\)) quyidagicha o'rnatiladi (chiqishning qo'shimcha qismiga qarang - rasm):
Kinematik tenglamalar haydovchi deformatsiyasi (\(\epsilon\)) va siljish yoki siljish (\(\Delta x\)) o'rtasidagi bog'liqlikni beradi. Arb simining boshlang'ich Arb simining uzunligi (\(l_0\)) va sim uzunligining (l) funksiyasi sifatida bitta unimodal tarmoqdagi istalgan vaqtda t deformatsiyasi quyidagicha:
bu yerda \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) 8-rasmda ko'rsatilgandek, \(\Delta\)ABB ' dagi kosinus formulasini qo'llash orqali olinadi. Birinchi bosqichli haydovchi uchun (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) \(\Delta x\) va \(\alpha _1\) \(\alpha \) ga teng, bunda ko'rsatilgan. 8-rasmda ko'rsatilganidek, (11) tenglamadan vaqtni differentsiallash va l qiymatini qo'yish orqali kuchlanish tezligi quyidagicha yozilishi mumkin:
bu yerda \(l_0\) SMA simining boshlang'ich uzunligi, l simning bitta unimodal tarmoqdagi istalgan t vaqtidagi uzunligi, \(\epsilon\) SMA simida rivojlangan deformatsiya va \(\alpha\) uchburchakning burchagi, \(\Delta x\) haydovchi siljishi (8-rasmda ko'rsatilganidek).
Barcha n ta bitta cho'qqili tuzilmalar (\(n=6\) ushbu rasmda) kirish kuchlanishi sifatida \(V_{in}\) bilan ketma-ket ulangan. I bosqich: Nol kuchlanish sharoitida bimodal konfiguratsiyadagi SMA simining sxematik diagrammasi II bosqich: Qizil chiziq bilan ko'rsatilganidek, SMA simining teskari konvertatsiya tufayli siqilgan boshqariladigan tuzilma ko'rsatilgan.
Kontseptsiyaning isboti sifatida, eksperimental natijalar bilan asosiy tenglamalarning simulyatsiya qilingan hosilasini sinab ko'rish uchun SMA asosidagi bimodal haydovchi ishlab chiqildi. Bimodal chiziqli aktuatorning CAD modeli 9a-rasmda ko'rsatilgan. Boshqa tomondan, 9c-rasmda bimodal tuzilishga ega ikki tekislikli SMA asosidagi aktuator yordamida aylanma prizmatik ulanish uchun taklif qilingan yangi dizayn ko'rsatilgan. Haydash komponentlari Ultimaker 3 Extended 3D printerida qo'shimcha ishlab chiqarish yordamida ishlab chiqarilgan. Komponentlarni 3D bosib chiqarish uchun ishlatiladigan material polikarbonat bo'lib, u issiqlikka chidamli materiallar uchun mos keladi, chunki u mustahkam, bardoshli va yuqori shisha o'tish haroratiga ega (110-113 \(^{\circ }\) C). Bundan tashqari, tajribalarda Dynalloy, Inc. Flexinol shaklli xotira qotishma simidan foydalanilgan va simulyatsiyalarda Flexinol simiga mos keladigan material xususiyatlari ishlatilgan. 9b, d-rasmlarda ko'rsatilgandek, ko'p qatlamli aktuatorlar tomonidan ishlab chiqarilgan yuqori kuchlarni olish uchun bir nechta SMA simlari mushaklarning bimodal joylashuvida mavjud bo'lgan tolalar sifatida joylashtirilgan.
9a-rasmda ko'rsatilgandek, harakatlanuvchi qo'lli SMA simi tomonidan hosil qilingan o'tkir burchak burchak (\(\alfa\)) deb ataladi. Chap va o'ng qisqichlarga terminal qisqichlari biriktirilgan holda, SMA simi kerakli bimodal burchakda ushlab turiladi. Prujina ulagichida ushlab turiladigan egilish prujinasi qurilmasi SMA tolalari soniga (n) muvofiq turli egilish prujinasi kengaytma guruhlarini sozlash uchun mo'ljallangan. Bundan tashqari, harakatlanuvchi qismlarning joylashuvi SMA simining majburiy konveksiya sovutish uchun tashqi muhitga ta'sir qilishi uchun mo'ljallangan. Ajratiladigan yig'ilishning yuqori va pastki plitalari og'irlikni kamaytirish uchun mo'ljallangan ekstruziya qilingan kesmalar bilan SMA simini salqin saqlashga yordam beradi. Bundan tashqari, CMA simining ikkala uchi ham mos ravishda chap va o'ng terminallarga qisqich yordamida mahkamlanadi. Yuqori va pastki plitalar orasidagi bo'shliqni saqlab qolish uchun harakatlanuvchi yig'ilishning bir uchiga piston biriktirilgan. Porşen, shuningdek, SMA simi ishga tushirilganda blokirovka kuchini o'lchash uchun kontakt orqali sensorga blokirovka kuchini qo'llash uchun ishlatiladi.
Bimodal mushak tuzilishi SMA ketma-ket elektr bilan ulangan va kirish impuls kuchlanishi bilan quvvatlanadi. Kuchlanish impuls sikli davomida, kuchlanish qo'llanilganda va SMA simi ostenitning boshlang'ich haroratidan yuqori qizdirilganda, har bir zanjirdagi simning uzunligi qisqaradi. Bu tortish harakatlanuvchi qo'l pastki yig'ilishini faollashtiradi. Xuddi shu siklda kuchlanish nolga tenglashtirilganda, qizdirilgan SMA simi martensit yuzasi haroratidan pastroq sovutiladi va shu bilan asl holatiga qaytadi. Nol kuchlanish sharoitida, SMA simi avval passiv ravishda aniqlangan martensit holatiga yetish uchun egilish prujinasi bilan cho'ziladi. SMA simi o'tadigan vint, SMA simiga kuchlanish impulsini qo'llash natijasida hosil bo'lgan siqilish tufayli harakatlanadi (SPA ostenit fazasiga yetadi), bu esa harakatlanuvchi dastakning ishga tushirilishiga olib keladi. SMA simi tortilganda, egilish prujinasi prujinani yanada cho'zish orqali qarama-qarshi kuch hosil qiladi. Impuls kuchlanishidagi kuchlanish nolga tenglashganda, SMA simi majburiy konveksiya sovutilishi tufayli cho'zilib, shaklini o'zgartiradi va qo'shaloq martensit fazasiga yetadi.
Taklif etilayotgan SMA asosidagi chiziqli aktuator tizimi SMA simlari burchak ostida joylashgan bimodal konfiguratsiyaga ega. (a) prototipning CAD modelini tasvirlaydi, unda ba'zi komponentlar va ularning prototip uchun ma'nolari eslatib o'tilgan, (b, d) ishlab chiqilgan eksperimental prototipni ifodalaydi35. (b) elektr ulanishlari va egilish prujinalari va kuchlanish o'lchagichlari ishlatilgan prototipning yuqori ko'rinishini ko'rsatsa, (d) o'rnatishning perspektiv ko'rinishini ko'rsatadi. (e) SMA simlari istalgan vaqtda t da bimodal joylashtirilgan chiziqli aktuator tizimining diagrammasi, tolaning yo'nalishi va yo'nalishini hamda mushak kuchini ko'rsatadi. (c) Ikki tekislikli SMA asosidagi aktuatorni joylashtirish uchun 2-DOF aylanma prizmatik ulanish taklif qilingan. Ko'rsatilganidek, bog'lanish chiziqli harakatni pastki qo'zg'atuvchidan yuqori qo'lga uzatadi va aylanma ulanishni yaratadi. Boshqa tomondan, prizmalar juftligining harakati ko'p qatlamli birinchi bosqichli qo'zg'atuvchining harakati bilan bir xil.
9b-rasmda ko'rsatilgan prototip ustida SMA asosidagi bimodal haydovchining ishlashini baholash uchun eksperimental tadqiqot o'tkazildi. 10a-rasmda ko'rsatilganidek, eksperimental qurilma SMA simlariga kirish kuchlanishini ta'minlash uchun dasturlashtiriladigan doimiy tok quvvat manbaidan iborat edi. 10b-rasmda ko'rsatilganidek, Graphtec GL-2000 ma'lumotlar ro'yxatga oluvchisi yordamida blokirovka kuchini o'lchash uchun pyezoelektrik kuchlanish o'lchagichi (PACEline CFT/5kN) ishlatilgan. Ma'lumotlar qo'shimcha o'rganish uchun xost tomonidan qayd etiladi. Kuchlanish o'lchagichlari va zaryad kuchaytirgichlari kuchlanish signalini ishlab chiqarish uchun doimiy quvvat manbaini talab qiladi. Tegishli signallar pyezoelektrik kuch sensori sezgirligiga va 2-jadvalda tasvirlangan boshqa parametrlarga muvofiq quvvat chiqishlariga aylantiriladi. Kuchlanish impulsi qo'llanilganda, SMA simining harorati ko'tariladi, bu esa SMA simining siqilishiga olib keladi, bu esa aktuatorning kuch hosil qilishiga olib keladi. 7 V kirish kuchlanish impulsi tomonidan mushak kuchining chiqishining eksperimental natijalari 2a-rasmda ko'rsatilgan.
(a) Tajribada aktuator tomonidan ishlab chiqarilgan kuchni o'lchash uchun SMA asosidagi chiziqli aktuator tizimi o'rnatildi. Yuk xujayrasi blokirovka kuchini o'lchaydi va 24 V doimiy tok quvvat manbai bilan ishlaydi. GW Instek dasturlashtiriladigan doimiy tok quvvat manbai yordamida kabelning butun uzunligi bo'ylab 7 V kuchlanish pasayishi qo'llanildi. SMA simi issiqlik tufayli qisqaradi va harakatlanuvchi qo'l yuk xujayrasi bilan aloqa qiladi va blokirovka kuchini qo'llaydi. Yuk xujayrasi GL-2000 ma'lumotlar ro'yxatga olish qurilmasiga ulangan va ma'lumotlar keyingi ishlov berish uchun xostda saqlanadi. (b) Mushak kuchini o'lchash uchun eksperimental qurilmaning komponentlar zanjirini ko'rsatuvchi diagramma.
Shakl xotirasi qotishmalari issiqlik energiyasi bilan qo'zg'aladi, shuning uchun harorat shakl xotirasi hodisasini o'rganish uchun muhim parametrga aylanadi. Eksperimental ravishda, 11a-rasmda ko'rsatilgandek, SMA asosidagi ikki valeratli aktuator prototipida termal tasvirlash va harorat o'lchovlari amalga oshirildi. Dasturlashtiriladigan doimiy tok manbai 11b-rasmda ko'rsatilgandek, eksperimental o'rnatishda SMA simlariga kirish kuchlanishini qo'lladi. SMA simining harorat o'zgarishi yuqori aniqlikdagi LWIR kamerasi (FLIR A655sc) yordamida real vaqt rejimida o'lchandi. Xost keyingi ishlov berish uchun ma'lumotlarni yozib olish uchun ResearchIR dasturidan foydalanadi. Kuchlanish impulsi qo'llanilganda, SMA simining harorati ko'tariladi, bu esa SMA simining qisqarishiga olib keladi. 2b-rasmda 7V kirish kuchlanish impulsi uchun SMA simining harorati va vaqtga bog'liqligining eksperimental natijalari ko'rsatilgan.
Nashr vaqti: 2022-yil 28-sentabr
