發布時間：2020-04-10所屬分類：建筑師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要 ：為克服傳 統帶有偏 置裝 置形狀記憶合金驅動器結構 復雜 、響應速度慢 的缺 點，利用形狀記憶合金(Shapememo~alloy， SMA)的單程形狀記憶效應，設計并制造一種不帶偏置裝置且可實現雙程運動的線性驅動器，該驅動器由兩根形狀記憶合金絲、滑輪、部件、
摘要 ：為克服傳 統帶有偏 置裝 置形狀記憶合金驅動器結構 復雜 、響應速度慢 的缺 點，利用形狀記憶合金(Shapememo~alloy， SMA)的單程形狀記憶效應，設計并制造一種不帶偏置裝置且可實現雙程運動的線性驅動器，該驅動器由兩根形狀記憶合金絲、滑輪、部件、導軌、支座及固定螺釘組成。接著基于 Brinson一維本構方程及轉換方程，推導出兩根 SMA絲在不同條件下的應變表達式;提出將馬氏體相變應力看作體力，分析溫度變化與驅動器位移的關系及外載荷變化對驅動器最大位移的影響。對計算結果進行試 驗驗證，結果表明，所 設計 驅動器可 實現往復雙程運動 ;隨著 SMA 絲溫度的升高所 獲得 的位 移呈非線性增大，當溫度超過奧氏體轉變結束溫度 Af，位移達到最大，而初始化過程獲得的最大位移為正常運動的一半;增大載荷，驅動器 的最大位移逐漸減小 ，當載荷達到 51.0N時，驅動器停止運動，即位移減 小為零 。
關鍵詞 ：形狀記憶合金 驅動器 特性 本構方程
前言
將合金在M.(馬氏體轉變開始溫度)以下某一溫度施加外力使已轉變的馬氏體位向單一化，并產生塑性變形;或在M，以上某一溫度施加外力使之發生馬氏體轉變，并產生塑性變形。隨后對產生塑性變形的合金加熱使馬氏體發生逆轉變，產生的塑性變形即行消失，合金恢復到原來的形狀，這種效應叫做形狀記憶效應，具有形狀記憶效應的合金叫做形狀記憶合金(Shape memor alloy，sMA)。自形狀記憶合金被發現以后，眾多學者對其內部機理、性能及其影響因素進行了研究，其中PATOOR等[1)對形狀記憶合金的形狀記憶效應、偽彈性、阻尼特性及疲勞壽命等基本性能做了深入的分析;WADA等[2)用試驗的方法揭示雙程形狀記憶效應的內部機制：KOCICH等3)研究了外加應變對形狀記憶合金的微觀結構及相變特性的影響;YANG等[研究了鉭元素對形狀記憶效應的影響;商澤進等[)對形狀記憶合金梁的力學性能做了詳細分析。隨著研究工作的不斷深入，對性能的研究也從定性向定量發展，其中對本構模型的研究是該領域一個重要分支，研究范圍從開始的一維模型發展到三維模型(68)，本構模型的不斷完善使其更能準確地描述形狀記憶合金的相變過程和力學行為，為形狀記憶合金驅動器的設計提供了有力的理論支持，干曉安等[)]在本構模型的基礎上提出了對形狀記憶合金進行有限元分析的方法。
在應用研究方面，以形狀記憶合金為驅動元件的驅動器因具有高的輸出功率/重量比、結構簡單緊湊、不產生廢氣和噪聲等優點，吸引眾多科研工作者的注意，其應用領域涵蓋醫學、建筑、航空航天等。付宜利等11研究了形狀記憶合金自主導管導向機器人在血管手術方面的應用：SONG等[1探討了形狀記憶合金在建筑結構方面的應用：HARTL等([12)
對形狀記憶合金在航空航天領域的應用做了較全面的論述。各種SMA驅動器主要是利用單程形狀記憶效應具有大的恢復力和位移的特點，即通過對預應變的SMA絲加熱產生收縮變形獲得驅動效果。再通過外加偏置力使收縮后SMA絲返回預應變狀態，為下次驅動做好準備。但利用偏置裝置使SMA回復到預應變狀態需要在其冷卻后內部組織轉變為塑性較好的馬氏體才能完成，存在響應時間慢的缺點，且引入機械裝置，導致結構復雜、效率降低。
近年來SOFLA等[1)提出了利用單程形狀記憶效應設計可實現雙程運動的擷抗式SMA驅動器，并進行了應用方面的探索。由于擷抗式驅動器的正、反運動均通過對SMA加熱激勵獲得，對冷卻速度的依賴程度較小，在提高響應速度方面具有明顯優勢，是應用領域關注的重點。基于撤抗的方法，于東等11提出了旋轉驅動器的設計方法;楊媛等[1利用形狀記憶合金實現機翼彎曲變形。但現有的各種SMA驅動機構多以實現旋轉和彎曲運動為主要目的，對直接利用SMA設計雙程線性驅動器并進行性能研究的鮮有報道，影響了SMA驅動器的應用發展。
針對上述研究現狀及應用需求，本文首先闡述了SMA雙程線性驅動器的設計原理及方法;接著基于Brinson一維本構方程及相變轉換方程，提出將馬氏體相變應力看作體力，分析了SMA溫度變化與位移的關系;然后計算了載荷變化與驅動器最大位移的關系;在此基礎上，利用制作的SMA雙程線性驅動器進行了試驗驗證。獲得結論為SMA雙程線性驅動器的設計及應用奠定了一定的理論和試驗基礎。
1 SMA雙程線性驅動器設計
1.1 設計原理
SMA雙程線性驅動器在設計時主要利用形狀記憶合金的三個特性：單程形狀記憶效應，應力誘發馬氏體，奧氏體彈性模量大于馬氏體彈性模量。
單程形狀記憶效應即通常所說的形狀記憶效應，其原理可用圖1進行解釋。對處于低溫相的馬氏體施加外力，使其發生彈性變形，隨著外力的增大，馬氏體從李生轉變為非李生馬氏體，并產生大的應變(曲線1)。卸除載荷，除小部分彈性應變恢復外，合金殘留有大的應變(曲線2)，對變形的馬氏體加熱，當超過A，點(奧氏體轉變開始溫度)，馬氏體開始向奧氏體轉變，合金發生收縮，超過A，點(奧氏體轉變結束溫度)后，馬氏體全部轉變為奧氏體，表現為合金恢復到變形前的狀態(曲線3)。對處于奧氏體狀態的合金降溫，當溫度降到M，點(馬氏體轉變開始溫度)，馬氏體開始形成，降至M點(馬氏轉變結束溫度后，奧氏體全部轉變為馬氏體(曲線4)，在這個過程中沒有形狀的改變，所形成的馬氏體為李生馬氏體。
應力誘發馬氏體是該驅動器設計時的第二個主要因素。馬氏體的形成有兩種方式：通過溫度變化形成的熱彈性馬氏體和通過施加外力形成的應力誘發馬氏體。圖2表示了兩種不同馬氏體轉變過程中應力與溫度之間的關系。M，表示在應力為零時產生馬氏體的臨界溫度，即等同于熱彈性馬氏體的轉變開始溫度。M，表示在非零應力條件下，應力誘發馬氏體的臨界轉變溫度。0"表示對于給定溫度，馬氏體相變開始的臨界應力。M，為奧氏體屈服強度的溫度，M，為相變的上限溫度。可看出當溫度低于M，時，無需外力即可發生奧氏體向馬氏體的轉變，產生的馬氏體為熱彈性馬氏體;溫度在M與M，之間且外力大于臨界應力。M時，發生奧氏體向馬氏體的轉變，產生的馬氏體即為應力誘發馬氏體，且此時臨界應力隨相變溫度的升高線性增大。溫度在M，與M，之間，施加外力則奧氏體產生塑性變形，奧氏體的彈性模量大于馬氏體彈性模量是設計時需要考慮的第三個條件。相關研究表明，通常奧氏體的彈性模量約為馬氏體彈性模量的三倍甚至更大"，。因此使處于兩種不同狀態的SMA絲，產生相等應變，奧氏體所需的力大于馬氏體所需的力。或者說，奧氏體收縮一定長度產生的力大于馬氏體伸長同樣長度所需的力。
1.2 設計方法
該驅動器由底座、導軌、滑輪、部件、SMA絲1、SMA絲2及固定螺釘組成，原理如圖3所示。其中底座為驅動器的基礎;SMA絲為驅動元件;部件是SMA絲所驅動的物體;導軌是保證驅動時部件沿一定的方向運動;滑輪用來改變SMA絲2的驅動方向;螺釘用來固定SMA絲。在裝配前首先對SMA絲進行退火處理，消除原材料中的應力，然后利用冷熱循環方法對SMA絲的性能進行穩定化處理，最后進行預拉伸處理，預拉伸應變為最大可回復應變的1/2，裝配時不僅要求SMA絲具有一定的張力，而且要保證SMA絲與其接觸部件的絕緣。對SMA絲1、SMA絲2交替通電加熱，即可實現部件沿導軌的往復運動。
2位移特性分析2.1本構模型
由于該驅動器的工作過程中包含了馬氏體的兩種轉變方式，因此在進行位移分析時采用了包含這兩種轉變方式的Brinson一維本構模型，該模型中馬氏體體積分數 由兩部分組成，即4=4，+4，式中，4，為溫度變化產生的馬氏體體積分數，4，為應力誘發產生的馬氏體體積分數。
Brinson本構模型包括本構方程及馬氏體相變方程，其中本構方程描述了應力與應變、馬氏體體積分數、溫度及初始狀態的關系，方程如式(1)所示
3試驗
為了驗證計算結果的準確性，進行了相應的試驗，試驗裝置如圖4所示。測試時溫度的控制通過設計的控制系統實現，該控制系統包括數字信號處理器控制電路及可編程控制芯片，通過對輸出脈沖寬度調制波信號占空比的調節，實現對SMA絲溫度的控制。溫度利用熱電偶測量并通過熱譜儀記錄和顯示。位移用激光位移傳感器測量。載荷大小的改變利用砝碼實現，載荷變化的試驗裝置如圖5所示。
裝配完成的驅動器中SMA絲1和SMA絲2均處于預拉伸狀態，預拉伸應變均為0.56，4%，此時部件位于位移變化范圍的中間位置。試驗時首先對SMA絲1通電加熱，SMA絲2不加熱，即過程一。
當SMA絲1的溫度超過A，時產生收縮變形，而SMA絲2則繼續被拉伸，部件開始運動。在此過程中利用激光位移傳感器可獲得SMA絲1在不同溫度(溫度值由熱譜儀顯示)時對應的位移值，選取的溫度與計算中的一致。當兩根絲的力達到平衡，部件停止運動則停止通電加熱。
過程2，對SMA絲2加熱，SMA絲1自然冷卻。當SMA絲2的溫度超過As時開始收縮，SMA絲1則被拉伸，同時部件向相反方向運動。同樣利用激光位移傳感器測量對應溫度下的位移值。很明顯此過程中有1>A，，A，24>M，.
過程3，將載荷加在SMA絲2上，即載荷力的方向與SMA絲2的收縮方向相反。首先對與SMA絲2加熱，當部件運動停止時，測量其最大位移值，并記錄此時的載荷值。然后對SMA絲1加熱，使部件返回初始位置后，并增加載荷，再重復以上過程。當載荷達到一定值，對SMA絲2通電加熱部件不產生運動，則停止加載試驗。
4結果與討論
為便于比較，將計算值與試驗值繪制在同一曲線圖中，圖6為過程一中位移與SMA絲1溫度的關系曲線。從圖6中可以看出，隨著溫度的升高，位移呈非線性逐漸增大，當溫度達到78℃時，所獲得的位移達到最大值7mm，部件停止運動。圖7為過程2中位移與SMA絲2溫度的關系曲線，其變化趨勢與圖6相同，但所獲得的最大位移為13.7 mm，約為過程1最大位移值的2倍。還可看出兩圖中理論值均比試驗值小，其原因可能是測量溫度時，熱電偶貼放在SMA絲表層，導致所測溫度值低于實際溫度值，從而引起試驗值大于理論值 ，但兩者總的趨勢是_致的
圖 8為過程三中載荷變化與部件最大位移的關系 曲線。從圖 8中可 以看出，隨著載荷的增大，最大位移呈非線性減小 。開始時位移 以較小的速度逐漸減小;當載荷超過 39.2N 時，則以較大速度減小 。當載荷增大到 51.0N 時，最大位移減為零，即該 SMA線性驅動器能驅動 的最大載荷不大于 51.0N。圖 8中試驗值小于理論值 ，這是 由于驅動器在運動過程中，SMA 絲的驅動力除要承受載荷力(即砝碼重力)外 ，還需要克服部件之 間的摩擦力如滑輪與旋轉軸之間、滑輪與 SMA 絲之間以及滑塊與導軌之間，因此 SMA絲實際承受的載荷大于標示載荷f即砝碼 重力)，從而導致最大位移的試驗 值小于理 論值 。要獲得準確的理論值，需要對計算方法及過程做修正，并進行多次計算，也是今后需要進一步研究的內容 。
相關期刊推薦：《機械工程學報》(Journal of Mechanical Engineering)是由中國科學技術協會主管、中國機械工程學會主辦的學術性期刊。主要刊登：登機械工程方面的基礎理論、科研設計和制造工藝等方面的學術論文，報道自然科學基金項目論文和國外學者的論文反映本學科的最新發展和最新科研成果。有投稿需求的作者，可以咨詢期刊天空在線編輯。
SCISSCIAHCI
