Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt đã cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web mà không có kiểu dáng và JavaScript.
Bộ truyền động được sử dụng ở khắp mọi nơi và tạo ra chuyển động được kiểm soát bằng cách áp dụng lực kích thích hoặc mô-men xoắn chính xác để thực hiện nhiều hoạt động khác nhau trong sản xuất và tự động hóa công nghiệp. Nhu cầu về các ổ đĩa nhanh hơn, nhỏ hơn và hiệu quả hơn đang thúc đẩy sự đổi mới trong thiết kế ổ đĩa. Các ổ đĩa Hợp kim nhớ hình (SMA) cung cấp một số lợi thế so với các ổ đĩa thông thường, bao gồm tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao. Trong luận án này, một bộ truyền động dựa trên SMA hai lông vũ đã được phát triển, kết hợp các ưu điểm của các cơ lông vũ của hệ thống sinh học và các đặc tính độc đáo của SMA. Nghiên cứu này khám phá và mở rộng các bộ truyền động SMA trước đây bằng cách phát triển một mô hình toán học của bộ truyền động mới dựa trên sự sắp xếp dây SMA hai phương thức và thử nghiệm nó bằng thực nghiệm. So với các ổ đĩa đã biết dựa trên SMA, lực truyền động của ổ đĩa mới cao hơn ít nhất 5 lần (lên đến 150 N). Giảm trọng lượng tương ứng là khoảng 67%. Kết quả phân tích độ nhạy của các mô hình toán học hữu ích để điều chỉnh các thông số thiết kế và hiểu các thông số chính. Nghiên cứu này trình bày thêm một ổ đĩa giai đoạn N đa cấp có thể được sử dụng để nâng cao hơn nữa động lực học. Bộ truyền động cơ divalerate dựa trên SMA có nhiều ứng dụng, từ tự động hóa tòa nhà đến hệ thống phân phối thuốc chính xác.
Các hệ thống sinh học, chẳng hạn như cấu trúc cơ của động vật có vú, có thể kích hoạt nhiều cơ quan truyền động tinh vi1. Động vật có vú có các cấu trúc cơ khác nhau, mỗi cấu trúc phục vụ một mục đích cụ thể. Tuy nhiên, phần lớn cấu trúc mô cơ của động vật có vú có thể được chia thành hai loại chính. Song song và hình lông chim. Ở gân kheo và các cơ gấp khác, như tên gọi của nó, hệ cơ song song có các sợi cơ song song với gân trung tâm. Chuỗi sợi cơ được xếp thành hàng và được kết nối chức năng bằng mô liên kết xung quanh chúng. Mặc dù các cơ này được cho là có độ dịch chuyển lớn (phần trăm co lại), nhưng sức mạnh cơ tổng thể của chúng rất hạn chế. Ngược lại, ở cơ bắp chân ba đầu2 (cơ bụng chân ngoài (GL)3, cơ bụng chân trong (GM)4 và cơ soleus (SOL)) và cơ duỗi đùi (cơ tứ đầu đùi)5,6 mô cơ hình lông chim được tìm thấy trong mỗi cơ7. Trong cấu trúc hình lông chim, các sợi cơ trong hệ cơ hai lông chim có ở cả hai bên gân trung tâm theo góc xiên (góc lông chim). Pennate bắt nguồn từ tiếng Latin “penna”, có nghĩa là “bút”, và như thể hiện trong hình 1, có hình dạng giống như lông vũ. Các sợi của cơ pennate ngắn hơn và tạo góc với trục dọc của cơ. Do cấu trúc hình lông chim, khả năng vận động tổng thể của các cơ này bị giảm, dẫn đến các thành phần ngang và dọc của quá trình co lại. Mặt khác, việc kích hoạt các cơ này dẫn đến sức mạnh cơ tổng thể cao hơn do cách đo diện tích mặt cắt ngang sinh lý. Do đó, đối với một diện tích mặt cắt ngang nhất định, cơ pennate sẽ khỏe hơn và tạo ra lực lớn hơn so với các cơ có sợi song song. Lực do các sợi riêng lẻ tạo ra tạo ra lực cơ ở cấp độ vĩ mô trong mô cơ đó. Ngoài ra, nó có các đặc tính độc đáo như co rút nhanh, bảo vệ chống lại tổn thương do kéo, đệm. Nó biến đổi mối quan hệ giữa đầu vào của sợi và đầu ra sức mạnh của cơ bằng cách khai thác các đặc điểm độc đáo và độ phức tạp về mặt hình học của sự sắp xếp sợi liên quan đến các đường hoạt động của cơ.
Hiển thị sơ đồ các thiết kế bộ truyền động dựa trên SMA hiện có liên quan đến kiến trúc cơ hai phương thức, ví dụ (a), biểu diễn sự tương tác của lực xúc giác trong đó một thiết bị hình bàn tay được truyền động bởi dây SMA được gắn trên rô-bốt di động tự động hai bánh9,10. , (b) Chân tay giả quỹ đạo rô-bốt với chân tay giả quỹ đạo lò xo SMA được đặt đối diện. Vị trí của mắt giả được điều khiển bởi tín hiệu từ cơ mắt của mắt11, (c) Bộ truyền động SMA lý tưởng cho các ứng dụng dưới nước do đáp ứng tần số cao và băng thông thấp. Trong cấu hình này, bộ truyền động SMA được sử dụng để tạo chuyển động sóng bằng cách mô phỏng chuyển động của cá, (d) Bộ truyền động SMA được sử dụng để tạo ra rô-bốt kiểm tra đường ống siêu nhỏ có thể sử dụng nguyên lý chuyển động sâu inch, được điều khiển bởi chuyển động của dây SMA bên trong kênh 10, (e) hiển thị hướng của các sợi cơ co và tạo ra lực co trong mô cơ bụng chân, (f) hiển thị các dây SMA được sắp xếp theo dạng sợi cơ trong cấu trúc cơ pennate.
Bộ truyền động đã trở thành một phần quan trọng của hệ thống cơ khí do phạm vi ứng dụng rộng rãi của chúng. Do đó, nhu cầu về các ổ đĩa nhỏ hơn, nhanh hơn và hiệu quả hơn trở nên cấp thiết. Mặc dù có nhiều ưu điểm, các ổ đĩa truyền thống đã được chứng minh là tốn kém và mất nhiều thời gian để bảo trì. Các bộ truyền động thủy lực và khí nén phức tạp và đắt tiền, đồng thời dễ bị mài mòn, vấn đề bôi trơn và hỏng linh kiện. Để đáp ứng nhu cầu, trọng tâm là phát triển các bộ truyền động tiên tiến, tối ưu hóa kích thước và tiết kiệm chi phí dựa trên các vật liệu thông minh. Nghiên cứu đang được tiến hành đang xem xét các bộ truyền động nhiều lớp hợp kim nhớ hình (SMA) để đáp ứng nhu cầu này. Các bộ truyền động phân cấp có điểm độc đáo là chúng kết hợp nhiều bộ truyền động rời rạc thành các hệ thống con quy mô vĩ mô phức tạp về mặt hình học để cung cấp chức năng tăng cường và mở rộng. Về mặt này, mô cơ của con người được mô tả ở trên cung cấp một ví dụ đa lớp tuyệt vời về bộ truyền động nhiều lớp như vậy. Nghiên cứu hiện tại mô tả một bộ truyền động SMA nhiều cấp với một số thành phần truyền động riêng lẻ (dây SMA) được căn chỉnh theo hướng sợi có trong các cơ hai phương thức, giúp cải thiện hiệu suất truyền động tổng thể.
Mục đích chính của bộ truyền động là tạo ra công suất cơ học như lực và độ dịch chuyển bằng cách chuyển đổi năng lượng điện. Hợp kim nhớ hình là một loại vật liệu "thông minh" có thể khôi phục lại hình dạng ở nhiệt độ cao. Dưới tải trọng cao, nhiệt độ của dây SMA tăng sẽ dẫn đến phục hồi hình dạng, tạo ra mật độ năng lượng truyền động cao hơn so với nhiều vật liệu thông minh liên kết trực tiếp khác. Đồng thời, dưới tải trọng cơ học, SMA trở nên giòn. Trong một số điều kiện nhất định, tải trọng tuần hoàn có thể hấp thụ và giải phóng năng lượng cơ học, thể hiện những thay đổi hình dạng trễ có thể đảo ngược. Những đặc tính độc đáo này làm cho SMA trở nên lý tưởng cho các cảm biến, giảm chấn rung và đặc biệt là bộ truyền động12. Với suy nghĩ này, đã có rất nhiều nghiên cứu về các ổ đĩa dựa trên SMA. Cần lưu ý rằng bộ truyền động dựa trên SMA được thiết kế để cung cấp chuyển động tịnh tiến và quay cho nhiều ứng dụng khác nhau13,14,15. Mặc dù một số bộ truyền động quay đã được phát triển, các nhà nghiên cứu đặc biệt quan tâm đến bộ truyền động tuyến tính. Các bộ truyền động tuyến tính này có thể được chia thành ba loại bộ truyền động: bộ truyền động một chiều, bộ truyền động dịch chuyển và bộ truyền động vi sai 16 . Ban đầu, các ổ đĩa lai được tạo ra kết hợp với SMA và các ổ đĩa thông thường khác. Một ví dụ về bộ truyền động tuyến tính lai dựa trên SMA là việc sử dụng dây SMA với động cơ DC để cung cấp lực đầu ra khoảng 100 N và độ dịch chuyển đáng kể17.
Một trong những phát triển đầu tiên trong các bộ truyền động hoàn toàn dựa trên SMA là bộ truyền động song song SMA. Sử dụng nhiều dây SMA, bộ truyền động song song dựa trên SMA được thiết kế để tăng khả năng cung cấp điện của bộ truyền động bằng cách đặt tất cả các dây SMA18 song song. Kết nối song song các bộ truyền động không chỉ đòi hỏi nhiều điện năng hơn mà còn hạn chế công suất đầu ra của một dây duy nhất. Một nhược điểm khác của bộ truyền động dựa trên SMA là hành trình hạn chế mà chúng có thể đạt được. Để giải quyết vấn đề này, một dầm cáp SMA đã được tạo ra có chứa một dầm mềm dẻo lệch để tăng độ dịch chuyển và đạt được chuyển động tuyến tính, nhưng không tạo ra lực cao hơn19. Các cấu trúc và vải mềm biến dạng cho rô bốt dựa trên hợp kim nhớ hình đã được phát triển chủ yếu để khuếch đại tác động20,21,22. Đối với các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao, các máy bơm dẫn động nhỏ gọn đã được báo cáo sử dụng SMA màng mỏng cho các ứng dụng dẫn động bằng máy bơm siêu nhỏ23. Tần số truyền động của màng SMA màng mỏng là yếu tố chính trong việc kiểm soát tốc độ của bộ truyền động. Do đó, động cơ tuyến tính SMA có phản ứng động tốt hơn so với động cơ lò xo hoặc thanh SMA. Robot mềm và công nghệ kẹp là hai ứng dụng khác sử dụng bộ truyền động dựa trên SMA. Ví dụ, để thay thế bộ truyền động tiêu chuẩn được sử dụng trong kẹp không gian 25 N, một bộ truyền động song song hợp kim nhớ hình 24 đã được phát triển. Trong một trường hợp khác, một bộ truyền động mềm SMA đã được chế tạo dựa trên một sợi dây có ma trận nhúng có khả năng tạo ra lực kéo tối đa là 30 N. Do các đặc tính cơ học của chúng, SMA cũng được sử dụng để sản xuất các bộ truyền động mô phỏng các hiện tượng sinh học. Một trong những phát triển như vậy bao gồm một rô-bốt 12 ô là một sinh vật mô phỏng sinh học của một sinh vật giống giun đất với SMA để tạo ra chuyển động hình sin để bắn26,27.
Như đã đề cập trước đó, có một giới hạn đối với lực tối đa có thể thu được từ các bộ truyền động dựa trên SMA hiện có. Để giải quyết vấn đề này, nghiên cứu này trình bày một cấu trúc cơ lưỡng phương mô phỏng sinh học. Được điều khiển bởi dây hợp kim nhớ hình. Nó cung cấp một hệ thống phân loại bao gồm một số dây hợp kim nhớ hình. Cho đến nay, không có bộ truyền động dựa trên SMA nào có kiến trúc tương tự được báo cáo trong tài liệu. Hệ thống độc đáo và mới lạ này dựa trên SMA được phát triển để nghiên cứu hành vi của SMA trong quá trình căn chỉnh cơ lưỡng phương. So với các bộ truyền động dựa trên SMA hiện có, mục tiêu của nghiên cứu này là tạo ra một bộ truyền động dipvalerate sinh học để tạo ra lực cao hơn đáng kể trong một thể tích nhỏ. So với các bộ truyền động dẫn động bằng động cơ bước thông thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển và tự động hóa tòa nhà HVAC, thiết kế bộ truyền động lưỡng phương dựa trên SMA được đề xuất giúp giảm 67% trọng lượng của cơ cấu truyền động. Sau đây, các thuật ngữ "cơ" và "bộ truyền động" được sử dụng thay thế cho nhau. Nghiên cứu này điều tra mô phỏng đa vật lý của bộ truyền động như vậy. Hành vi cơ học của các hệ thống như vậy đã được nghiên cứu bằng các phương pháp thực nghiệm và phân tích. Phân bố lực và nhiệt độ được nghiên cứu sâu hơn ở điện áp đầu vào là 7 V. Sau đó, một phân tích tham số được thực hiện để hiểu rõ hơn mối quan hệ giữa các thông số chính và lực đầu ra. Cuối cùng, các bộ truyền động phân cấp đã được hình dung và các hiệu ứng cấp độ phân cấp đã được đề xuất như một lĩnh vực tiềm năng trong tương lai cho các bộ truyền động phi từ tính cho các ứng dụng chân tay giả. Theo kết quả của các nghiên cứu đã đề cập ở trên, việc sử dụng kiến trúc một tầng tạo ra lực cao hơn ít nhất bốn đến năm lần so với các bộ truyền động dựa trên SMA đã báo cáo. Ngoài ra, cùng một lực truyền động do bộ truyền động đa cấp đa cấp tạo ra đã được chứng minh là lớn hơn mười lần so với các bộ truyền động dựa trên SMA thông thường. Sau đó, nghiên cứu báo cáo các thông số chính bằng cách sử dụng phân tích độ nhạy giữa các thiết kế khác nhau và các biến đầu vào. Chiều dài ban đầu của dây SMA (\(l_0\)), góc lông chim (\(\alpha\)) và số sợi đơn (n) trong mỗi sợi riêng lẻ có tác động tiêu cực mạnh đến độ lớn của lực truyền động. sức mạnh, trong khi điện áp đầu vào (năng lượng) lại có tương quan tích cực.
Dây SMA thể hiện hiệu ứng nhớ hình dạng (SME) được thấy trong họ hợp kim niken-titan (Ni-Ti). Thông thường, SMA thể hiện hai pha phụ thuộc nhiệt độ: pha nhiệt độ thấp và pha nhiệt độ cao. Cả hai pha đều có các tính chất riêng biệt do sự hiện diện của các cấu trúc tinh thể khác nhau. Trong pha austenit (pha nhiệt độ cao) tồn tại trên nhiệt độ biến đổi, vật liệu thể hiện độ bền cao và ít bị biến dạng dưới tải. Hợp kim hoạt động giống như thép không gỉ, do đó có thể chịu được áp suất tác động cao hơn. Tận dụng đặc tính này của hợp kim Ni-Ti, các dây SMA được nghiêng để tạo thành bộ tác động. Các mô hình phân tích thích hợp được phát triển để hiểu cơ học cơ bản về hành vi nhiệt của SMA dưới ảnh hưởng của nhiều thông số và nhiều hình học khác nhau. Đã đạt được sự thống nhất tốt giữa kết quả thực nghiệm và phân tích.
Một nghiên cứu thực nghiệm đã được tiến hành trên nguyên mẫu được hiển thị trong Hình 9a để đánh giá hiệu suất của ổ đĩa bimodal dựa trên SMA. Hai trong số các đặc tính này, lực tạo ra bởi ổ đĩa (lực cơ) và nhiệt độ của dây SMA (nhiệt độ SMA), đã được đo bằng thực nghiệm. Khi chênh lệch điện áp tăng dọc theo toàn bộ chiều dài của dây trong ổ đĩa, nhiệt độ của dây tăng do hiệu ứng làm nóng Joule. Điện áp đầu vào được áp dụng trong hai chu kỳ 10 giây (được hiển thị dưới dạng các chấm đỏ trong Hình 2a, b) với thời gian làm mát 15 giây giữa mỗi chu kỳ. Lực chặn được đo bằng máy đo ứng suất áp điện và phân bố nhiệt độ của dây SMA được theo dõi theo thời gian thực bằng camera LWIR độ phân giải cao cấp khoa học (xem các đặc điểm của thiết bị được sử dụng trong Bảng 2). cho thấy rằng trong pha điện áp cao, nhiệt độ của dây tăng đơn điệu, nhưng khi không có dòng điện chạy qua, nhiệt độ của dây tiếp tục giảm. Trong thiết lập thử nghiệm hiện tại, nhiệt độ của dây SMA giảm trong giai đoạn làm mát, nhưng vẫn cao hơn nhiệt độ môi trường. Hình 2e cho thấy ảnh chụp nhanh nhiệt độ trên dây SMA được chụp từ camera LWIR. Mặt khác, hình 2a cho thấy lực chặn do hệ thống truyền động tạo ra. Khi lực cơ vượt quá lực phục hồi của lò xo, cánh tay chuyển động, như thể hiện trong Hình 9a, bắt đầu chuyển động. Ngay khi bắt đầu truyền động, cánh tay chuyển động tiếp xúc với cảm biến, tạo ra lực thân, như thể hiện trong hình 2c, d. Khi nhiệt độ tối đa gần \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), lực quan sát được tối đa là 105 N.
Biểu đồ cho thấy kết quả thực nghiệm về nhiệt độ của dây SMA và lực tạo ra bởi bộ truyền động bimodal dựa trên SMA trong hai chu kỳ. Điện áp đầu vào được áp dụng trong hai chu kỳ 10 giây (hiển thị dưới dạng các chấm đỏ) với thời gian làm mát 15 giây giữa mỗi chu kỳ. Dây SMA được sử dụng cho các thí nghiệm là dây Flexinol đường kính 0,51 mm từ Dynalloy, Inc. (a) Biểu đồ cho thấy lực thực nghiệm thu được trong hai chu kỳ, (c, d) cho thấy hai ví dụ độc lập về tác động của bộ truyền động cánh tay chuyển động trên bộ chuyển đổi lực áp điện PACEline CFT/5kN, (b) biểu đồ cho thấy nhiệt độ tối đa của toàn bộ dây SMA trong thời gian hai chu kỳ, (e) cho thấy ảnh chụp nhanh nhiệt độ được lấy từ dây SMA bằng camera LWIR của phần mềm FLIR ResearchIR. Các thông số hình học được tính đến trong các thí nghiệm được đưa ra trong Bảng. một.
Kết quả mô phỏng của mô hình toán học và kết quả thực nghiệm được so sánh trong điều kiện điện áp đầu vào là 7V, như thể hiện trong Hình 5. Theo kết quả phân tích tham số và để tránh khả năng quá nhiệt của dây SMA, công suất 11,2 W đã được cung cấp cho bộ truyền động. Nguồn điện DC có thể lập trình được đã được sử dụng để cung cấp 7V làm điện áp đầu vào và dòng điện 1,6A đã được đo trên dây. Lực tạo ra bởi bộ truyền động và nhiệt độ của SDR tăng lên khi có dòng điện được áp dụng. Với điện áp đầu vào là 7V, lực đầu ra cực đại thu được từ kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm của chu kỳ đầu tiên lần lượt là 78 N và 96 N. Ở chu kỳ thứ hai, lực đầu ra cực đại của kết quả mô phỏng và thực nghiệm lần lượt là 150 N và 105 N. Sự khác biệt giữa phép đo lực chặn và dữ liệu thực nghiệm có thể là do phương pháp được sử dụng để đo lực chặn. Kết quả thực nghiệm thể hiện trong hình. 5a tương ứng với phép đo lực khóa, lần lượt được đo khi trục truyền động tiếp xúc với bộ chuyển đổi lực áp điện PACEline CFT/5kN, như thể hiện trong hình 2s. Do đó, khi trục truyền động không tiếp xúc với cảm biến lực khi bắt đầu vùng làm mát, lực ngay lập tức bằng 0, như thể hiện trong hình 2d. Ngoài ra, các thông số khác ảnh hưởng đến sự hình thành lực trong các chu kỳ tiếp theo là giá trị thời gian làm mát và hệ số truyền nhiệt đối lưu trong chu kỳ trước. Từ hình 2b, có thể thấy rằng sau thời gian làm mát 15 giây, dây SMA không đạt đến nhiệt độ phòng và do đó có nhiệt độ ban đầu cao hơn (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) trong chu kỳ truyền động thứ hai so với chu kỳ đầu tiên (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Như vậy, so với chu kỳ đầu tiên, nhiệt độ của dây SMA trong chu kỳ nung thứ hai đạt đến nhiệt độ austenit ban đầu (\(A_s\)) sớm hơn và duy trì trong giai đoạn chuyển tiếp lâu hơn, dẫn đến ứng suất và lực. Mặt khác, phân bố nhiệt độ trong các chu kỳ nung và làm nguội thu được từ các thí nghiệm và mô phỏng có tính tương đồng về mặt định tính cao với các ví dụ từ phân tích nhiệt. Phân tích so sánh dữ liệu nhiệt của dây SMA từ các thí nghiệm và mô phỏng cho thấy tính nhất quán trong các chu kỳ nung và làm nguội và nằm trong phạm vi dung sai chấp nhận được đối với dữ liệu thực nghiệm. Nhiệt độ tối đa của dây SMA, thu được từ kết quả mô phỏng và thí nghiệm của chu kỳ đầu tiên, lần lượt là \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) và \(75\,^{\circ }\hbox { C }\), và trong chu kỳ thứ hai, nhiệt độ tối đa của dây SMA là \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) và \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\). Mô hình được phát triển cơ bản xác nhận hiệu ứng của hiệu ứng nhớ hình dạng. Vai trò của mỏi và quá nhiệt không được xem xét trong bài đánh giá này. Trong tương lai, mô hình sẽ được cải thiện để bao gồm lịch sử ứng suất của dây SMA, khiến nó phù hợp hơn với các ứng dụng kỹ thuật. Lực đầu ra truyền động và biểu đồ nhiệt độ SMA thu được từ khối Simulink nằm trong phạm vi dung sai cho phép của dữ liệu thực nghiệm trong điều kiện xung điện áp đầu vào là 7 V. Điều này xác nhận tính đúng đắn và độ tin cậy của mô hình toán học được phát triển.
Mô hình toán học được phát triển trong môi trường MathWorks Simulink R2020b bằng cách sử dụng các phương trình cơ bản được mô tả trong phần Phương pháp. Trên hình 3b cho thấy sơ đồ khối của mô hình toán học Simulink. Mô hình được mô phỏng cho xung điện áp đầu vào 7V như thể hiện trong Hình 2a, b. Các giá trị của các tham số được sử dụng trong mô phỏng được liệt kê trong Bảng 1. Kết quả mô phỏng các quá trình thoáng qua được trình bày trong Hình 1 và 1. Hình 3a và 4. Trong hình 4a, b cho thấy điện áp cảm ứng trong dây SMA và lực do bộ truyền động tạo ra theo hàm số của thời gian. Trong quá trình biến đổi ngược (gia nhiệt), khi nhiệt độ dây SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (nhiệt độ bắt đầu pha austenit biến đổi ứng suất), tốc độ thay đổi của phần thể tích martensit (\(\dot{\xi }\)) sẽ bằng không. Trong quá trình biến đổi ngược (gia nhiệt), khi nhiệt độ dây SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (nhiệt độ bắt đầu pha austenit biến đổi ứng suất), tốc độ thay đổi của phần thể tích martensit (\(\dot{\ xi }\)) sẽ bằng không. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитной фазы, bạn có thể sử dụng nó), bạn có thể sử dụng công cụ này để tìm kiếm các tùy chọn (\(\dot{\ xi }\)) bạn có thể sử dụng nó. Trong quá trình biến đổi ngược (gia nhiệt), khi nhiệt độ của dây SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (nhiệt độ bắt đầu biến đổi ứng suất của austenit), tốc độ thay đổi của phần thể tích martensit (\(\dot{\ xi }\ )) sẽ bằng không.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\)) 将为零。在 反向 转变 （加热) 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Kết quả mô phỏng cho thấy sự phân bố nhiệt độ và nhiệt độ mối nối do ứng suất gây ra trong bộ truyền động divalerate dựa trên SMA. Khi nhiệt độ dây vượt qua nhiệt độ chuyển tiếp austenit trong giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ chuyển tiếp austenit đã sửa đổi bắt đầu tăng và tương tự, khi nhiệt độ thanh dây vượt qua nhiệt độ chuyển tiếp martensitic trong giai đoạn làm nguội, nhiệt độ chuyển tiếp martensitic giảm. SMA để lập mô hình phân tích quá trình truyền động. (Để biết chế độ xem chi tiết của từng hệ thống con trong mô hình Simulink, hãy xem phần phụ lục của tệp bổ sung.)
Kết quả phân tích cho các phân phối tham số khác nhau được hiển thị cho hai chu kỳ của điện áp đầu vào 7V (chu kỳ làm nóng 10 giây và chu kỳ làm mát 15 giây). Trong khi (ac) và (e) mô tả phân phối theo thời gian, mặt khác, (d) và (f) minh họa phân phối theo nhiệt độ. Đối với các điều kiện đầu vào tương ứng, ứng suất quan sát được tối đa là 106 MPa (nhỏ hơn 345 MPa, độ bền kéo của dây), lực là 150 N, độ dịch chuyển tối đa là 270 µm và phân số thể tích martensitic tối thiểu là 0,91. Mặt khác, sự thay đổi ứng suất và sự thay đổi phân số thể tích của martensitic theo nhiệt độ tương tự như các đặc tính trễ.
Giải thích tương tự áp dụng cho quá trình biến đổi trực tiếp (làm nguội) từ pha austenit sang pha martensit, trong đó nhiệt độ dây SMA (T) và nhiệt độ cuối của pha martensit biến tính ứng suất (\(M_f^{\prime}\ )) là tuyệt vời. Trên hình 4d, f cho thấy sự thay đổi trong ứng suất cảm ứng (\(\sigma\)) và phần thể tích của martensit (\(\xi\)) trong dây SMA theo hàm số của sự thay đổi nhiệt độ của dây SMA (T), cho cả hai chu kỳ truyền động. Trên hình 3a cho thấy sự thay đổi nhiệt độ của dây SMA theo thời gian tùy thuộc vào xung điện áp đầu vào. Như có thể thấy từ hình, nhiệt độ của dây tiếp tục tăng bằng cách cung cấp nguồn nhiệt ở điện áp bằng không và làm mát đối lưu sau đó. Trong quá trình gia nhiệt, quá trình chuyển đổi lại của martensite thành pha austenite bắt đầu khi nhiệt độ dây SMA (T) vượt qua nhiệt độ hình thành hạt austenite đã hiệu chỉnh ứng suất (\(A_s^{\prime}\)). Trong pha này, dây SMA bị nén và bộ truyền động tạo ra lực. Cũng trong quá trình làm nguội, khi nhiệt độ của dây SMA (T) vượt qua nhiệt độ hình thành hạt của pha martensite đã hiệu chỉnh ứng suất (\(M_s^{\prime}\)) thì có sự chuyển đổi tích cực từ pha austenite sang pha martensite. lực truyền động giảm.
Các khía cạnh định tính chính của truyền động bimodal dựa trên SMA có thể thu được từ kết quả mô phỏng. Trong trường hợp đầu vào xung điện áp, nhiệt độ của dây SMA tăng do hiệu ứng gia nhiệt Joule. Giá trị ban đầu của phân số thể tích martensit (\(\xi\)) được đặt thành 1, vì vật liệu ban đầu ở pha martensit hoàn toàn. Khi dây tiếp tục nóng lên, nhiệt độ của dây SMA vượt quá nhiệt độ hình thành hạt austenit đã hiệu chỉnh ứng suất \(A_s^{\prime}\), dẫn đến giảm phân số thể tích martensit, như thể hiện trong Hình 4c. Ngoài ra, trong hình 4e cho thấy sự phân bố các hành trình của bộ truyền động theo thời gian và trong hình 5 – lực truyền động theo hàm số của thời gian. Một hệ phương trình liên quan bao gồm nhiệt độ, phân số thể tích martensit và ứng suất phát triển trong dây, dẫn đến sự co lại của dây SMA và lực do bộ truyền động tạo ra. Như thể hiện trong hình. 4d,f, sự thay đổi điện áp theo nhiệt độ và sự thay đổi phân số thể tích martensit theo nhiệt độ tương ứng với đặc tính trễ của SMA trong trường hợp mô phỏng ở 7 V.
So sánh các thông số truyền động được thực hiện thông qua các thí nghiệm và tính toán phân tích. Các dây được đưa vào điện áp đầu vào xung 7 V trong 10 giây, sau đó làm mát trong 15 giây (giai đoạn làm mát) trong hai chu kỳ. Góc lông chim được đặt thành \(40^{\circ}\) và chiều dài ban đầu của dây SMA trong mỗi chân chốt đơn được đặt thành 83mm. (a) Đo lực truyền động bằng cảm biến lực (b) Theo dõi nhiệt độ dây bằng camera hồng ngoại nhiệt.
Để hiểu được ảnh hưởng của các thông số vật lý đến lực do truyền động tạo ra, một phân tích về độ nhạy của mô hình toán học đối với các thông số vật lý đã chọn đã được thực hiện và các thông số được xếp hạng theo ảnh hưởng của chúng. Đầu tiên, việc lấy mẫu các thông số mô hình được thực hiện bằng cách sử dụng các nguyên tắc thiết kế thử nghiệm tuân theo phân phối đồng đều (xem Phần bổ sung về Phân tích độ nhạy). Trong trường hợp này, các thông số mô hình bao gồm điện áp đầu vào (\(V_{in}\)), chiều dài dây SMA ban đầu (\(l_0\)), góc tam giác (\(\alpha\)), hằng số lò xo phân cực (\( K_x\ )), hệ số truyền nhiệt đối lưu (\(h_T\)) và số nhánh đơn thức (n). Ở bước tiếp theo, sức mạnh cơ bắp cực đại được chọn làm yêu cầu thiết kế nghiên cứu và các hiệu ứng tham số của từng bộ biến đối với sức mạnh đã được thu được. Các biểu đồ lốc xoáy để phân tích độ nhạy được lấy từ các hệ số tương quan cho từng thông số, như thể hiện trong Hình 6a.
(a) Các giá trị hệ số tương quan của các tham số mô hình và tác động của chúng lên lực đầu ra cực đại của 2500 nhóm duy nhất của các tham số mô hình trên được thể hiện trong biểu đồ lốc xoáy. Biểu đồ cho thấy tương quan thứ hạng của một số chỉ số. Rõ ràng là \(V_{in}\) là tham số duy nhất có tương quan dương và \(l_0\) là tham số có tương quan âm cao nhất. Tác động của các tham số khác nhau trong các kết hợp khác nhau lên sức mạnh cơ đỉnh được thể hiện trong (b, c). \(K_x\) nằm trong khoảng từ 400 đến 800 N/m và n nằm trong khoảng từ 4 đến 24. Điện áp (\(V_{in}\)) thay đổi từ 4V đến 10V, chiều dài dây (\(l_{0 } \)) thay đổi từ 40 đến 100 mm và góc đuôi (\ (\alpha \)) thay đổi từ \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Trên hình 6a cho thấy một sơ đồ lốc xoáy của các hệ số tương quan khác nhau cho mỗi tham số với các yêu cầu thiết kế lực truyền động cực đại. Từ hình 6a, có thể thấy rằng tham số điện áp (\(V_{in}\)) liên quan trực tiếp đến lực đầu ra cực đại và hệ số truyền nhiệt đối lưu (\(h_T\)), góc ngọn lửa (\ ( \alpha\)), hằng số lò xo dịch chuyển ( \(K_x\)) có tương quan âm với lực đầu ra và chiều dài ban đầu (\(l_0\)) của dây SMA và số nhánh đơn thức (n) cho thấy mối tương quan nghịch đảo mạnh Trong trường hợp tương quan trực tiếp Trong trường hợp giá trị cao hơn của hệ số tương quan điện áp (\(V_ {in}\)) cho biết tham số này có tác động lớn nhất đến công suất đầu ra. Một phân tích tương tự khác đo lực cực đại bằng cách đánh giá tác động của các tham số khác nhau trong các kết hợp khác nhau của hai không gian tính toán, như thể hiện trong Hình 6b, c. \(V_{in}\) và \(l_0\), \(\alpha\) và \(l_0\) có các mẫu tương tự, và đồ thị cho thấy \(V_{in}\) và \(\alpha\ ) và \(\alpha\) có các mẫu tương tự. Các giá trị \(l_0\) nhỏ hơn dẫn đến lực đỉnh cao hơn. Hai biểu đồ còn lại phù hợp với Hình 6a, trong đó n và \(K_x\) có tương quan âm và \(V_{in}\) có tương quan dương. Phân tích này giúp xác định và điều chỉnh các tham số ảnh hưởng mà theo đó lực đầu ra, hành trình và hiệu suất của hệ thống truyền động có thể được điều chỉnh theo các yêu cầu và ứng dụng.
Công trình nghiên cứu hiện tại giới thiệu và điều tra các ổ đĩa phân cấp với N cấp. Trong một hệ thống phân cấp hai cấp, như thể hiện trong Hình 7a, trong đó thay vì mỗi dây SMA của bộ truyền động cấp một, một sự sắp xếp hai phương thức đạt được, như thể hiện trong hình 9e. Trên hình 7c cho thấy cách dây SMA được quấn quanh một cánh tay di chuyển (cánh tay phụ) chỉ di chuyển theo hướng dọc. Tuy nhiên, cánh tay di chuyển chính tiếp tục di chuyển theo cùng một cách như cánh tay di chuyển của bộ truyền động nhiều cấp giai đoạn 1. Thông thường, ổ đĩa N cấp được tạo ra bằng cách thay thế dây SMA giai đoạn \(N-1\) bằng ổ đĩa giai đoạn một. Do đó, mỗi nhánh mô phỏng ổ đĩa giai đoạn một, ngoại trừ nhánh giữ chính dây. Theo cách này, có thể hình thành các cấu trúc lồng nhau tạo ra lực lớn hơn nhiều lần so với lực của các ổ đĩa chính. Trong nghiên cứu này, đối với mỗi mức, tổng chiều dài dây SMA hiệu dụng là 1 m đã được tính đến, như thể hiện ở dạng bảng trong Hình 7d. Dòng điện chạy qua mỗi dây trong mỗi thiết kế đơn thức và ứng suất trước và điện áp thu được trong mỗi đoạn dây SMA là như nhau ở mỗi mức. Theo mô hình phân tích của chúng tôi, lực đầu ra có tương quan dương với mức, trong khi độ dịch chuyển có tương quan âm. Đồng thời, có sự đánh đổi giữa độ dịch chuyển và sức mạnh cơ. Như thể hiện trong hình 7b, trong khi lực tối đa đạt được ở số lớp lớn nhất, độ dịch chuyển lớn nhất được quan sát thấy ở lớp thấp nhất. Khi mức phân cấp được đặt thành \(N=5\), lực cơ cực đại là 2,58 kN đã được tìm thấy với 2 lần tác động \(\upmu\)m được quan sát. Mặt khác, ổ đĩa giai đoạn đầu tiên tạo ra lực 150 N ở lần tác động 277 \(\upmu\)m. Bộ truyền động đa cấp có thể mô phỏng các cơ sinh học thực sự, trong khi các cơ nhân tạo dựa trên hợp kim nhớ hình có thể tạo ra lực cao hơn đáng kể với các chuyển động chính xác và tinh tế hơn. Hạn chế của thiết kế thu nhỏ này là khi hệ thống phân cấp tăng lên, chuyển động giảm đi đáng kể và độ phức tạp của quy trình sản xuất ổ đĩa tăng lên.
(a) Hệ thống truyền động tuyến tính hợp kim nhớ hình hai lớp (\(N=2\)) được thể hiện trong cấu hình bimodal. Mô hình đề xuất đạt được bằng cách thay thế dây SMA trong bộ truyền động nhiều lớp giai đoạn đầu tiên bằng một bộ truyền động nhiều lớp giai đoạn đơn khác. (c) Cấu hình biến dạng của bộ truyền động nhiều lớp giai đoạn thứ hai. (b) Mô tả sự phân bố lực và độ dịch chuyển tùy thuộc vào số lượng mức. Người ta thấy rằng lực cực đại của bộ truyền động có tương quan dương với mức thang trên đồ thị, trong khi hành trình có tương quan âm với mức thang. Dòng điện và điện áp trước trong mỗi dây vẫn không đổi ở mọi mức. (d) Bảng hiển thị số lượng vòi và chiều dài của dây SMA (sợi) ở mỗi mức. Các đặc điểm của dây được chỉ ra bằng chỉ số 1 và số nhánh thứ cấp (một nhánh được kết nối với nhánh chính) được chỉ ra bằng số lớn nhất trong chỉ số dưới. Ví dụ, ở cấp độ 5, \(n_1\) đề cập đến số lượng dây SMA có trong mỗi cấu trúc hai phương thức và \(n_5\) đề cập đến số lượng chân phụ (một chân được kết nối với chân chính).
Nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều phương pháp khác nhau để mô hình hóa hành vi của SMA với bộ nhớ hình dạng, phụ thuộc vào các đặc tính nhiệt cơ học đi kèm với những thay đổi vĩ mô trong cấu trúc tinh thể liên quan đến quá trình chuyển pha. Việc xây dựng các phương pháp cấu thành vốn phức tạp. Mô hình hiện tượng học được sử dụng phổ biến nhất được Tanaka28 đề xuất và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng kỹ thuật. Mô hình hiện tượng học do Tanaka [28] đề xuất giả định rằng phần thể tích của martensit là một hàm mũ của nhiệt độ và ứng suất. Sau đó, Liang và Rogers29 và Brinson30 đề xuất một mô hình trong đó động lực học chuyển pha được coi là một hàm cosin của điện áp và nhiệt độ, với một số sửa đổi nhỏ đối với mô hình. Becker và Brinson đề xuất một mô hình động học dựa trên sơ đồ pha để mô hình hóa hành vi của vật liệu SMA trong điều kiện tải tùy ý cũng như các quá trình chuyển pha một phần. Banerjee32 sử dụng phương pháp động lực học sơ đồ pha của Bekker và Brinson31 để mô phỏng một bộ điều khiển một bậc tự do do Elahinia và Ahmadian33 phát triển. Các phương pháp động học dựa trên biểu đồ pha, có tính đến sự thay đổi không đơn điệu của điện áp theo nhiệt độ, rất khó triển khai trong các ứng dụng kỹ thuật. Elakhinia và Ahmadian lưu ý đến những thiếu sót này của các mô hình hiện tượng học hiện có và đề xuất một mô hình hiện tượng học mở rộng để phân tích và xác định hành vi nhớ hình dạng trong bất kỳ điều kiện tải phức tạp nào.
Mô hình cấu trúc của dây SMA đưa ra ứng suất (\(\sigma\)), biến dạng (\(\epsilon\)), nhiệt độ (T) và phân số thể tích martensite (\(\xi\)) của dây SMA. Mô hình cấu thành hiện tượng học đầu tiên được đề xuất bởi Tanaka28 và sau đó được Liang29 và Brinson30 áp dụng. Đạo hàm của phương trình có dạng:
trong đó E là mô đun Young của SMA phụ thuộc pha thu được bằng cách sử dụng \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) và \(E_A\) và \(E_M\) biểu diễn mô đun Young lần lượt là pha austenit và pha martensit, và hệ số giãn nở nhiệt được biểu diễn bằng \(\theta _T\). Hệ số đóng góp chuyển pha là \(\Omega = -E \epsilon _L\) và \(\epsilon _L\) là độ biến dạng có thể phục hồi tối đa trong dây SMA.
Phương trình động lực học pha trùng với hàm cosin do Liang29 phát triển và sau đó được Brinson30 áp dụng thay cho hàm mũ do Tanaka28 đề xuất. Mô hình chuyển pha là phần mở rộng của mô hình do Elakhinia và Ahmadian34 đề xuất và được sửa đổi dựa trên các điều kiện chuyển pha do Liang29 và Brinson30 đưa ra. Các điều kiện được sử dụng cho mô hình chuyển pha này có hiệu lực dưới các tải nhiệt cơ học phức tạp. Tại mỗi thời điểm, giá trị của phần thể tích của martensite được tính toán khi mô hình hóa phương trình cấu thành.
Phương trình chuyển đổi lại chi phối, được thể hiện bằng sự chuyển đổi martensit thành austenit trong điều kiện nung nóng, như sau:
trong đó \(\xi\) là phần thể tích của martensit, \(\xi _M\) là phần thể tích của martensit thu được trước khi nung, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) và \(C_A\) – các tham số xấp xỉ đường cong, T – nhiệt độ dây SMA, \(A_s\) và \(A_f\) – nhiệt độ bắt đầu và kết thúc của pha austenit.
Phương trình điều khiển chuyển đổi trực tiếp, được biểu diễn bằng sự chuyển đổi pha của austenit thành martensit trong điều kiện làm mát, là:
trong đó \(\xi _A\) là phần thể tích của martensit thu được trước khi làm nguội, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) và \ ( C_M \) – các thông số khớp đường cong, T – nhiệt độ dây SMA, \(M_s\) và \(M_f\) – nhiệt độ martensit ban đầu và cuối cùng.
Sau khi các phương trình (3) và (4) được phân biệt, các phương trình biến đổi ngược và thuận được đơn giản hóa thành dạng sau:
Trong quá trình biến đổi tiến và lùi, \(\eta _{\sigma}\) và \(\eta _{T}\) có các giá trị khác nhau. Các phương trình cơ bản liên quan đến \(\eta _{\sigma}\) và \(\eta _{T}\) đã được suy ra và thảo luận chi tiết trong phần bổ sung.
Năng lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của dây SMA xuất phát từ hiệu ứng làm nóng Joule. Năng lượng nhiệt được hấp thụ hoặc giải phóng bởi dây SMA được biểu diễn bằng nhiệt ẩn của quá trình biến đổi. Nhiệt bị mất trong dây SMA là do đối lưu cưỡng bức và với tác động không đáng kể của bức xạ, phương trình cân bằng năng lượng nhiệt như sau:
Trong đó \(m_{wire}\) là tổng khối lượng của dây SMA, \(c_{p}\) là nhiệt dung riêng của SMA, \(V_{in}\) là điện áp đặt vào dây, \(R_{ohm} \ ) – điện trở phụ thuộc pha SMA, được định nghĩa là; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) trong đó \(r_M\ ) và \(r_A\) là điện trở suất pha SMA trong martensit và austenit, \(A_{c}\) là diện tích bề mặt của dây SMA, \(\Delta H \) là hợp kim nhớ hình. Nhiệt chuyển tiếp ẩn của dây, T và \(T_{\infty}\) lần lượt là nhiệt độ của dây SMA và môi trường.
Khi dây hợp kim nhớ hình được kích hoạt, dây sẽ nén lại, tạo ra lực ở mỗi nhánh của thiết kế bimodal được gọi là lực sợi. Lực của các sợi ở mỗi sợi của dây SMA kết hợp lại tạo ra lực cơ để kích hoạt, như thể hiện trong Hình 9e. Do có lò xo định hướng, tổng lực cơ của bộ truyền động nhiều lớp thứ N là:
Thay \(N = 1\) vào phương trình (7), sức mạnh cơ của nguyên mẫu truyền động hai phương thức giai đoạn đầu tiên có thể thu được như sau:
trong đó n là số chân đơn thức, \(F_m\) là lực cơ tạo ra bởi bộ truyền động, \(F_f\) là độ bền của sợi trong dây SMA, \(K_x\) là độ cứng của lò xo thiên vị, \(\alpha\) là góc của tam giác, \(x_0\) là độ lệch ban đầu của lò xo thiên vị để giữ cáp SMA ở vị trí căng trước và \(\Delta x\) là hành trình của bộ truyền động.
Tổng độ dịch chuyển hoặc chuyển động của ổ đĩa (\(\Delta x\)) tùy thuộc vào điện áp (\(\sigma\)) và độ biến dạng (\(\epsilon\)) trên dây SMA của tầng thứ N, ổ đĩa được đặt thành (xem phần bổ sung của đầu ra trong Hình):
Các phương trình động học đưa ra mối quan hệ giữa biến dạng truyền động (\(\epsilon\)) và độ dịch chuyển hoặc độ dịch chuyển (\(\Delta x\)). Biến dạng của dây Arb như một hàm của chiều dài dây Arb ban đầu (\(l_0\)) và chiều dài dây (l) tại bất kỳ thời điểm t nào trong một nhánh đơn thức như sau:
trong đó \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) thu được bằng cách áp dụng công thức cosin trong \(\Delta\)ABB ', như thể hiện trong Hình 8. Đối với ổ đĩa giai đoạn đầu tiên (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) là \(\Delta x\), và \(\alpha _1\) là \(\alpha \) như thể hiện trong Như thể hiện trong Hình 8, bằng cách lấy vi phân thời gian từ Phương trình (11) và thay thế giá trị của l, tốc độ biến dạng có thể được viết thành:
trong đó \(l_0\) là chiều dài ban đầu của dây SMA, l là chiều dài của dây tại bất kỳ thời điểm t nào trong một nhánh đơn thức, \(\epsilon\) là biến dạng phát triển trong dây SMA và \(\alpha \) là góc của tam giác, \(\Delta x\) là độ lệch truyền động (như thể hiện trong Hình 8).
Tất cả n cấu trúc đỉnh đơn (\(n=6\) trong hình này) được kết nối nối tiếp với \(V_{in}\) là điện áp đầu vào. Giai đoạn I: Sơ đồ dây SMA trong cấu hình bimodal trong điều kiện điện áp bằng không Giai đoạn II: Một cấu trúc được điều khiển được hiển thị trong đó dây SMA bị nén do chuyển đổi ngược, như được thể hiện bằng đường màu đỏ.
Để chứng minh khái niệm, một bộ truyền động bimodal dựa trên SMA đã được phát triển để kiểm tra quá trình mô phỏng các phương trình cơ bản với kết quả thực nghiệm. Mô hình CAD của bộ truyền động tuyến tính bimodal được thể hiện trong hình 9a. Mặt khác, trong hình 9c cho thấy một thiết kế mới được đề xuất cho kết nối lăng trụ quay sử dụng bộ truyền động dựa trên SMA hai mặt phẳng với cấu trúc bimodal. Các thành phần truyền động được chế tạo bằng phương pháp sản xuất bồi đắp trên máy in 3D Ultimaker 3 Extended. Vật liệu được sử dụng để in 3D các thành phần là polycarbonate, phù hợp với các vật liệu chịu nhiệt vì nó bền, chắc và có nhiệt độ chuyển thủy tinh cao (110-113 \(^{\circ }\) C). Ngoài ra, dây hợp kim nhớ hình Flexinol của Dynalloy, Inc. đã được sử dụng trong các thí nghiệm và các đặc tính vật liệu tương ứng với dây Flexinol đã được sử dụng trong các mô phỏng. Nhiều dây SMA được sắp xếp thành các sợi có trong sự sắp xếp bimodal của các cơ để thu được lực cao do các bộ truyền động nhiều lớp tạo ra, như thể hiện trong Hình 9b, d.
Như thể hiện trong Hình 9a, góc nhọn tạo bởi dây SMA cánh tay di động được gọi là góc (\(\alpha\)). Với kẹp đầu cuối gắn vào kẹp bên trái và bên phải, dây SMA được giữ ở góc bimodal mong muốn. Thiết bị lò xo phân cực được giữ trên đầu nối lò xo được thiết kế để điều chỉnh các nhóm kéo dài lò xo phân cực khác nhau theo số lượng (n) sợi SMA. Ngoài ra, vị trí của các bộ phận chuyển động được thiết kế sao cho dây SMA tiếp xúc với môi trường bên ngoài để làm mát đối lưu cưỡng bức. Các tấm trên cùng và dưới cùng của cụm có thể tháo rời giúp giữ cho dây SMA mát bằng các đường cắt đùn được thiết kế để giảm trọng lượng. Ngoài ra, cả hai đầu của dây CMA đều được cố định vào các đầu cuối bên trái và bên phải tương ứng, bằng cách sử dụng một kẹp uốn. Một pít-tông được gắn vào một đầu của cụm di động để duy trì khoảng hở giữa các tấm trên cùng và dưới cùng. Pít-tông cũng được sử dụng để tác dụng lực chặn vào cảm biến thông qua một tiếp điểm để đo lực chặn khi dây SMA được kích hoạt.
Cấu trúc cơ bimodal SMA được kết nối điện theo chuỗi và được cấp nguồn bằng điện áp xung đầu vào. Trong chu kỳ xung điện áp, khi điện áp được áp dụng và dây SMA được nung nóng trên nhiệt độ ban đầu của austenite, chiều dài của dây trong mỗi sợi sẽ ngắn lại. Sự co lại này kích hoạt cụm cánh tay di chuyển. Khi điện áp bằng không trong cùng chu kỳ, dây SMA được nung nóng được làm mát dưới nhiệt độ của bề mặt martensitic, do đó trở về vị trí ban đầu. Trong điều kiện ứng suất bằng không, dây SMA đầu tiên được kéo căng thụ động bằng lò xo phân cực để đạt đến trạng thái martensitic tách đôi. Vít, mà dây SMA đi qua, di chuyển do lực nén được tạo ra bằng cách áp dụng xung điện áp vào dây SMA (SPA đạt đến pha austenite), dẫn đến việc kích hoạt đòn bẩy di chuyển. Khi dây SMA được rút lại, lò xo phân cực tạo ra lực đối nghịch bằng cách kéo căng lò xo hơn nữa. Khi ứng suất trong điện áp xung bằng không, dây SMA dài ra và thay đổi hình dạng do làm mát đối lưu cưỡng bức, đạt đến pha martensitic kép.
Hệ thống truyền động tuyến tính dựa trên SMA được đề xuất có cấu hình hai phương thức trong đó các dây SMA được tạo góc. (a) mô tả mô hình CAD của nguyên mẫu, trong đó đề cập đến một số thành phần và ý nghĩa của chúng đối với nguyên mẫu, (b, d) thể hiện nguyên mẫu thử nghiệm đã phát triển35. Trong khi (b) hiển thị chế độ xem từ trên xuống của nguyên mẫu với các kết nối điện và lò xo lệch và máy đo ứng suất được sử dụng, (d) hiển thị chế độ xem phối cảnh của thiết lập. (e) Sơ đồ hệ thống truyền động tuyến tính với các dây SMA được đặt hai phương thức tại bất kỳ thời điểm t nào, hiển thị hướng và hướng đi của sợi và sức mạnh của cơ. (c) Kết nối lăng trụ quay 2 bậc tự do đã được đề xuất để triển khai bộ truyền động dựa trên SMA hai mặt phẳng. Như được hiển thị, liên kết truyền chuyển động tuyến tính từ bộ truyền động dưới cùng đến cánh tay trên cùng, tạo ra kết nối quay. Mặt khác, chuyển động của cặp lăng trụ giống như chuyển động của bộ truyền động giai đoạn đầu tiên nhiều lớp.
Một nghiên cứu thực nghiệm đã được tiến hành trên nguyên mẫu được hiển thị trong Hình 9b để đánh giá hiệu suất của ổ đĩa bimodal dựa trên SMA. Như thể hiện trong Hình 10a, thiết lập thử nghiệm bao gồm nguồn điện DC có thể lập trình để cung cấp điện áp đầu vào cho các dây SMA. Như thể hiện trong hình 10b, một máy đo ứng suất áp điện (PACEline CFT/5kN) đã được sử dụng để đo lực chặn bằng bộ ghi dữ liệu Graphtec GL-2000. Dữ liệu được ghi lại bởi máy chủ để nghiên cứu thêm. Máy đo ứng suất và bộ khuếch đại điện tích yêu cầu nguồn điện không đổi để tạo ra tín hiệu điện áp. Các tín hiệu tương ứng được chuyển đổi thành đầu ra công suất theo độ nhạy của cảm biến lực áp điện và các thông số khác như mô tả trong Bảng 2. Khi áp dụng xung điện áp, nhiệt độ của dây SMA tăng lên, khiến dây SMA bị nén, khiến bộ truyền động tạo ra lực. Kết quả thực nghiệm về đầu ra của sức mạnh cơ bằng xung điện áp đầu vào 7 V được thể hiện trong hình 2a.
(a) Một hệ thống truyền động tuyến tính dựa trên SMA đã được thiết lập trong thí nghiệm để đo lực do bộ truyền động tạo ra. Cảm biến lực đo lực chặn và được cấp nguồn bằng nguồn điện DC 24 V. Một điện áp giảm 7 V được áp dụng dọc theo toàn bộ chiều dài của cáp bằng cách sử dụng nguồn điện DC có thể lập trình GW Instek. Dây SMA co lại do nhiệt và cánh tay di chuyển tiếp xúc với cảm biến lực và tạo ra lực chặn. Cảm biến lực được kết nối với bộ ghi dữ liệu GL-2000 và dữ liệu được lưu trữ trên máy chủ để xử lý thêm. (b) Sơ đồ cho thấy chuỗi các thành phần của thiết lập thử nghiệm để đo sức mạnh cơ.
Hợp kim nhớ hình được kích thích bởi năng lượng nhiệt, do đó nhiệt độ trở thành một thông số quan trọng để nghiên cứu hiện tượng nhớ hình. Theo thực nghiệm, như thể hiện trong Hình 11a, các phép đo nhiệt độ và hình ảnh nhiệt đã được thực hiện trên một bộ truyền động divalerate nguyên mẫu dựa trên SMA. Một nguồn DC có thể lập trình được đã áp dụng điện áp đầu vào cho các dây SMA trong thiết lập thử nghiệm, như thể hiện trong Hình 11b. Sự thay đổi nhiệt độ của dây SMA được đo theo thời gian thực bằng camera LWIR có độ phân giải cao (FLIR A655sc). Máy chủ sử dụng phần mềm ResearchIR để ghi lại dữ liệu để xử lý hậu kỳ thêm. Khi áp dụng xung điện áp, nhiệt độ của dây SMA tăng lên, khiến dây SMA co lại. Trên Hình 2b cho thấy kết quả thử nghiệm của nhiệt độ dây SMA theo thời gian đối với xung điện áp đầu vào 7V.
Thời gian đăng: 28-09-2022
