硕士学位论文开题报告及论文工作计划-一种形状记忆合金驱动器性能实验研究.doc

硕士学位论文开题报告及论文工作计划书课题名称一种形状记忆合金驱动器性能实验研究 学 号 1000601 姓 名 杨 专 业 机械设计及理论 学 院 机械工程与自动化学院 导 师 陈 副导师 选题时间 年 月 日东北大学研究生院 年 月 日20填表说明1、本表一、二、三、四、五项在导师指导下如实填写。2、学生在通过开题后一周内将该材料交到所在学院、研究所。3、学生入学后第三学期应完成论文开题报告，按有关规定，没有完成开题报告的学生不能申请论文答辩。课题来源、选题依据和背景情况、课题研究目的、理论意义和实际应用价值1. 课题来源、选题依据和背景情况微型机器人续航能力是其在设计应用中的重要指标。形状记忆合金驱动器具有瞬间出力大，重量轻的特点。如何实现高效的形状记忆合金的热传导就是一个主要的问题。在一定条件下SMA热管有益于高效的驱动器，通过热管的快速导热实现SMA驱动器频率的提高。形状记忆合金作为一种新型的功能材料,其主要特征是具有形状记忆效应SME(Shape Memory Effect)。具体说就是这类合金经热处理记忆某种形状后,在低温状态下不管将它如何变形,一旦加热到某一特定温度时便又能恢复到所记忆的高温状态,显示某一温度下的“记忆”特性。作为一种新型功能材料，它被人们认识并成为一个独立的学科分支可以追溯到1963年美国海军武器实验室Buehler等发现等原子比Ni-Ti合金具有良好的形状记忆效应。尔后，Waymen和Koval又先后发现了铁基合金具有形状记忆效应。1969年形状记忆合金首次成功地应用于美国海军F-14舰载战斗机的油压关接头中，由此大大激励了国际上形状记忆合金的研究与开发。SMA的恢复率和恢复变形量较小，一般只有2%3%，经热机械训练等处理也不过4%，有文献报告韩国NT Research Inc.已经能将SMA的可恢复变形量提高到4.5%。利用记忆效应，目前这类合金已广泛的应用于医疗器械、工业仪器仪表、航空航天、机器人和能源等诸多领域。热管是一种能快速将热能从一点传至另一点的装置，由于它具有超常的热传导能力 ，而且几乎没有热损耗，因此它被称作传热超导体，其导热系数为铜的数千倍。热管的基本工作原理如图1所示，管的一端为蒸发段(加热段) ，另一端为冷凝段(冷却段) ，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时 ，毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体。液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段 ，如此循环不已 ，热量从热管的一端传至另一端。当热管倾斜或垂直放置时 ，其工质的循环流动将受重力的影响 ，可将蒸发段置于下方 ，则在上方冷凝的液体工质可借助重力而回流到蒸发段，因此可不采用吸液芯，这就是重力热管。重力热管，工质靠重力在热管内回流，无需采用吸液芯，这就减小了热管的加工难度，降低了制造成本，广泛应用于各领域。2. 课题研究目的、理论意义和实际应用价值2.1课题研究目的形状记忆合金是一类具有形状性能的合金，其主要特征是有形状记忆效应。作为一种新型的功能材料，形状记忆合金在理论研究方面，国内外已做了大量的工作，此外，形状记忆合金在驱动器领域的应用，主要是利用了高温相和低温相在相互转变过程中产生的变形或者回复力达到驱动目的。自1963年美国海军武器实验室(Naval Ordinance Laboratory)的WJBuehler博士研究小组发现等原子比NickelTitanium(Nin)合金具有良好的形状记忆效应开始受到重视至今，研究人员对形状记忆合金的研究已经走过了40多年的历史，应用领域己涉及电气、机械、运输、化学、医疗、能源、生活用品等。由于SMA合金良好的耐腐蚀性，使得SMA驱动器可用于特种工作环境下的机器人上，例如在海水环境中可获得很好的应用。另外，SMA驱动器简单的结构形式使它在如步行、爬行机器人、微型机器人、医用机器人等方面都有良好的开发前景。由上述可见，SMA驱动器有很大的研究意义和价值。对SMA记忆机制及其驱动器的研究，日本进行的较早，研究成果也较多。而热管是一种利用汽化和冷凝的高潜热、毛细抽吸现象及无需外界动力而能够进行传热的高效节能元件。近年来随着人们对热管技术研究的不断成熟和深入 ,已经广泛应用于建筑、交通、化学、纺织、生产、生活各个领域。但热管技术还存在很大的发展空间 ,它在实现人和自然和谐相处和可持续发展等方面还存在诱人的前景。由于热管具有传热系数高、具有优良的等温性能、环境适应力强、结构简单和运行维修费用低等优点。因此其在各个领域应用极其广泛，在降低了企业的能耗同时，也保护了环境，取得了良好的经济效益和社会效益。2.2理论意义和实际应用价值热管技术是近年来出现的一项先进技术，是在六十年代根据宇航事业的需要而发展起来的。热管技术的研究和应用进展很快，到七十年代其应用已从宇航事业扩大到一般工业。由于热管具有很好的传热性能，故在国内外已成为一项重要的节能技术。目前对热管技术不断提出新的应用课题，应用范围不断扩大。它在化工生产中不仅作为节能技术发挥作用，而且还改进了工艺条件。热管有很多用途：例如在反应装置中利用热管可以维持进行反应所需要的温度。美国在苯醉生产中用热管换热器代替列管换热器，传热面积减小。又如日本和美国在塑料成型金属模中用热管冷却代替传统的水冷却，效果很好。生产效率和产品质量均有显著提高。热管还可用于石油、电子电器、机械和食品等工业 。有人称之为“有热之处就有热管”。 热管的使用温度范围很广可从-200到2200。热管技术的研究仅有十多年的历史，但在这短短的时间里，无论是理论、实验、制造和应用等方面都取得了长足的进展，是一项生命力很强的新技术。传统产业中的应用： 在大体积混凝土建筑中应用重力式热管，能够使混凝土中由于水泥引起的温升减小，温度梯度下降，减少了温度稳定的时间，同时可以使热应力及应变相应减小，从而减少裂缝的产生 ,提高混凝土质量。在新兴产业中的应用：在我国南方的一些城市，气候炎热而相对湿度过大，现有房间空调器在该地区使用时，因除湿量不足，使得房间内的舒适性很差。其根本原因在于，潮湿地区空调的总热负荷中潜热符合所占的比例较大，因而房间内空调效果并不理想健康有着重要意义的一项课题。热管式电磁铁散热器，电磁铁是工矿企业的常用设备 ,在起重 、除铁等领域有广泛的应用 。电磁铁工作时会产生大量的热量，该热量若不及时散掉，整个设备的温度就会逐渐升高 ，使工作性能变坏，甚至使绝缘破坏。电磁铁散热常采用风机强迫冷却的方式，但在粉尘飞扬的场合，为了使电磁铁不受粉尘污染，往往要求采取内部封闭，外界自然冷却的方式。在这种场合下，热管式散热器是最佳的选择。电站锅炉烟气脱硫系统用热管换热器加热排放烟气以解决电厂排烟污染环境的问题。针对大型电站锅炉尾部比较紧凑，改造比较困难，提出采用大型分离式热管作为锅炉空预器，分离式热管空预器加热段与冷凝段可以分开自由布置，有利于管壁温度的调整，可以保证在不改变锅炉尾部任何设备结构的情况下，布置受热面，并且可以大幅度地提高管壁温度，防止露点腐蚀。半导体热管散热器，随着电力电子工业的发展，使得硅整流管、可控硅整流管、巨型晶体管等半导体器件的耗散功率不断增大，体积逐渐小型化，组装模块化，这就给与其匹配的散热器提出了更高的要求。传统的铝型材散热器，由于等温性能差，传热效率低，为了使热阻减小一半，往往要将其体积重量增加四倍，已逐渐不能满足生产的要求。在这种情况下，热管式散热器用于半导体器件的散热就具有非常广阔的发展前途。热管式感应荧光灯散热器，感应荧光灯虽一种国际流行的新型的光源，其光色好，发光效率高，寿命长 。荧光灯虽然是一种冷光源，但因这种荧光灯的发光强度高，在工作过程中 ，会产生大量热量，需要及时散掉。热管是解决这个问题的最佳选择。鉴于荧光灯在空间的安装位置是任意的，必须考虑热端在上，冷端在下的最苛刻的条件，因此宜采用吸液芯热管。该产品已完成模拟测试，测试结果表明热管的温度特性完全满足从灯泡腔内灯头座和热沉导走热量的要求，可以保证感应荧光灯能够正常工作。二、文献综述国内外研究现状、发展动态；所阅文献的查阅范围及手段1.国内外研究现状、发展动态1.1国内外研究现状1.1.1国内研究现状70年代初期我国的科研单位和高等院校开始对热管技术进行研究，最早研究的单位有中科院、重大、航天部、东工、哈工大等。全国第一届热管会议于1983年在哈尔滨召开；第二届于1988年在湖南大庸召开；1991年8月在四川都江堰市召开了第三届热管会议。每届会议上都交流了数十篇学术论文，内容涉及到热管理论、设计计算方法、制作工艺及在各方面的应用等，显示出我国热管技术的进展有如后起之秀，正在逐步缩短和世界先进水平的差距。我国于1970年开始的热管研制工作，先是为航天技术发展的需要而进行的。1976年12月7日，在卫星上首次应用热管取得了成功。热管用于将温度较高仪器的热量快速传递给温度偏低的仪器，在未装热管前两仪器温度分别为16及3，安装热管后使两者温度均为7 ，有效地组织了卫星内部各仪器之间的换热，提高了卫星的热控水平。此外，热管还将卫星壳体温度拉平，造成一个较好的环境。该系统连续在7颖卫星上应用均取得成功。热管于1984年 6 月又一次应用于同步通讯卫星，除用于个别仪器散热外，主要用于关键部位的散热。热管在轨道上运行6年多性能无衰退，这是热管在卫星上运行的最长记录。1984年后又发射了4颗同步通讯卫星，应用热管工作至今，均十分成功。我国气象卫星也应用了热管，取得了预期的效果。2.所阅文献的查阅范围及手段通过在中国学术期刊网站，重庆维普全文数据库和IEL（IEEE/IEE Electronic Library 美国电气电子工程师学会和英国电气工程师学会出版）等全文期刊数据库中检索“SMA”“记忆合金驱动器”“热管”，“HEAT PIPE”等关键字检索出相关资料，在百度、Google、维基百科等搜索引擎上对关键字进行搜索，并且查找阅读相关书籍。主要参考文献:1 陈名武，陈明显. 经导管Amplatzer房间隔缺损堵塞装置的研究现状J. 蚌埠医学院学报, 2002，(02)2 李永赞，胡明辅，李勇仿. 热管技术的研究进展及其工程应用J，应用能源技术，2008（6）：45-483 孙国光，张玉新，刘文西，陈金铭. 热循环训练对FeMnSiCrNi合金记忆效应的影响J. 兵器材料科学与工程，2005，(02) .4 姜政，丁桂甫，张东梅. 一种快速响应双稳态热执行器的结构设计J. 微纳电子技术, 2005,(10) . 4 张文彦，江雷，奚正平. 基于MEMS的TiNi形状记忆合金薄膜研究进展J. 微纳电子技术, 2006,(05) . 5 姜卫利，王将魁，张平之. 一种新型的火灾传感器J. 北方交通大学学报，1998，(01) .6 孙世清，郭志猛，殷声. 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Applied Thermal Engineering，2003，23 ( 16) : 497 510三、研究内容1.研究构想与思路、主要研究内容及拟解决的关键技术1.1 研究构想与思路形状记忆合金是一种新型的功能材料，将已在高温下定型的形状记忆合金置于低温或常温下使其产生变形，当环境温度升高到临界温度(相变点)时，合金的变形消失并可恢复到定型时的原始状态。在恢复过程中，合金能产生与温度呈函数关系的位移和力，其能量来自于相变驱动力，形状记忆合金驱动器具有瞬间出力大，重量轻的特点，如何实现高效的形状记忆合金的热传导，这里提出了一种记忆合金热管。通过热管的热量的快速传导，来提高记忆合金的频率。分析热管起动和作用的机理，对不同条件下的热管进行实验。用格子Boltzmann进行热管的模型仿真与研究，分析工质的运行模式。研究记忆合金性能，探究记忆合金的本构模型，在此基础上研究热管记忆合金趋动器的设计及控制，从而改善记忆合金驱动器的性能，实现比较高频的记忆合金驱动器。1.2 主要研究内容(1) 形状记忆合金的相关问题研究形状记忆效应将已在高温下定型的形状记忆合金置于低温或常温下使其产生变形，当环境温度升高到临界温度(相变点)时，合金的变形消失并可恢复到定型时的原始状态。还有形状记忆效应的超弹性和宏观表象。(2)形状记忆合金的本构模型了解宏观唯象学记忆合金本构模型，以热力学定律为基本出发点，借助于热动力学理论和相变动力学理论来描述材料的宏观行为的唯象学SMA模型，大致分为4类，第1类是基于自由能驱动力概念建立的anaka、Liang和Brinson系列本构模型；第2类是基于自由能和耗散势概念的boyd 和lagoudas本构模型。第3类是从纯热力学理论出发建立的Ivshi-Pence本构模型。第4类则是描述超弹性和单双程形状记忆Auriccio本构模型。并在第四种本构模型基础上结合实验系统的研究记忆合金热管。了解细观力学模型，细观力学模型仍然以热力学为基础描述，用相变过程中能量的变化来描述形状记忆合金材料的相变过程，所不同的是它采用细观力学的方法来描述形状记忆合金在相变过程中两种组织的相互作用能。(3)热管的工作原理和基本特性分析热管的工作原理，建立热管实验台，做热管实验研究热管在不同工质、充灌率、管内径、倾斜角、管弯数、热管材料等条件下的传热效率。脉动热管、微脉动热管、微槽平板热管、回路热管、平板热管、旋转热管等不同热管的传热特点。还有热管的特性和应用。并用格子Boltzmann来研究热管模型，从而得出热流量与质量流量之间的关系。(4) 形状记忆合驱动器设计及其控制SMA致动器可制成螺旋弹簧、丝状、扭簧、薄板、碟状等多种形状，也可以和其它元件如偏压弹簧等组成致动器，有直线运动型和转动型，结构简单,动作迅速，工作时无噪声，可代替电机、液压、气动等执行装置。SMA的控制可以通过快速加热快速制冷而实现，可以通过热管的高效热传导控制；也可以通过迅速加冷水域或热水域来控制。关于记忆合金驱动器研究的几个方面：记忆合金结构设计改进，比如用板式的记忆合金板或管式的记忆合金；驱动器及形状记忆合金元件设计；驱动器设计存在的问题；(3)？ 热管记忆合金驱动器关于记忆合金驱动器研究的几个方面：一、热管式SMA驱动器的设计，用记忆合金材料做的热管，以加快热量传导；二、SMA材料反馈的选择；三、SMA驱动器工作响应；1.3 拟解决的关键技术：(1)记忆合金本构模型的建立与应用，怎么选用最佳的记忆合金本构模型，用什么样的模型最符合研究的记忆合金。首先要研究好记忆合金模型。(2)热管的实验研究，通过实验发现热管最佳传热方式，在工质、充灌率、管内径、倾斜角、管弯数、热管材料等不同条件下寻找最佳传热效率。(3)热管实验实验台的设计，用比较简易的设计来对热管进行实验。用板式的热管，如何对管进行良好的封装，怎么样能在注液时保持真空状态。(4)用格子Boltzmann分析热管工质的流动模型。2.拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析2.1 拟采取的研究方法、技术路线和实施方案2.1.1通过热管的实验研究最佳传热方式，用格子Boltzmann分析热管工质运行机理；对记忆合金进行本构模型研究，从而进行形状记忆合金驱动器设计及其控制。再做热管记忆合金驱动器，提高记忆合金驱动器的效果。2.2 可行性分析形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）是指具有形状记忆效应（Shape Memory Effect，简称SME）的合金。它是一种集传感、驱动功能于一身的多功能智能材料，输入热量就可以对外做功，在工程技术、医学领域中有广泛的应用前景。形状记忆合金驱动器具有瞬间出力大，重量轻的特点。形状记忆合金本构模型分四类：第1类是基于自由能驱动力概念建立的anaka、Liang和Brinson系列本构模型；第2类是基于自由能和耗散势概念的boyd 和lagoudas本构模型。第3类是从纯热力学理论出发建立的Ivshi-Pence本构模型。第4类则是描述超弹性和单双程形状记忆Auriccio本构模型。细观力学模型，细观力学模型仍然以热力学为基础描述，用相变过程中能量的变化来描述形状记忆合金材料的相变过程。通过选取合适的本构模型，来分析研究形状记忆合金。研究热管的有效传热方式，目前对热管技术不断提出新的应用课题,应用范围不断扩大。它在化工生产中不仅作为节能技术发挥作用,而且还改进了工艺条件。例如在反应装置中利用热管可以维持进行反应所需要的温度。热管按其使用温度可分为低温、中温及高温热管。按结构类型可分为吸液芯热管、重力式热管、旋转热管及可控热管等。目前对热管技术理论研究和应用研究热点是微型热管 ,而如何将热管技术研究的重心从理论研究转移到应用研究仍然是人们关注的重点。热管通常是一个封闭的高真空金属管，管内有一定数量的蒸汽工质，管内壁覆盖有多孔材料构成的管芯(毛细吸液芯)其中吸满液态工质，管芯的用是回送冷凝液，管外壁根据传热需要可设置不同形式的翅片，常用的热管管壳截面为圆形。用格子玻尔兹曼来分析热管内流体的流动。格子玻尔兹曼方法是用简单的介观模型来模拟流体宏观行为的一种动力学方法。与传统的宏观数值计算方法截然不同，格子玻尔兹曼方法从非平衡态统计力学的观点出发，将时间、空间和速度相空间完全离散的动力学格子模型同Boltzmann方程相结合，实现不直接求解Naiver-Stokes方程组而描述流体运动规律的目的。格子玻尔兹曼方法具有编程简单、易于并行处理和边界条件处理简单等优点，在最近十几年得到了重视和迅速发展，逐渐拓宽了其应用领域。Naiver-Stokes方程组而描述流体运动规律的目的。格子玻尔兹曼方法具有编程简单、易于并行处理和边界条件处理简单等优点，在最近十几年得到了重视和迅速发展，逐渐拓宽了其应用领域。从建模思想的角度看，它从微观粒子角度进行模拟，因而可以比较方便地处理不同组分、不同流体界面间的复杂相互作用，不需要借助经验和半经验公式。从计算角度看，相对于N-S方程的非线性对流项，LBM相空间对流过程是线性的，求解更容易，演化过程更清晰；另一方面压力用状态方程表示，无需与速度迭代求解，算法比较简单。最初提出的LBM只能用来求解等温流动场，后来McNamara等首先采用多速热流体模型成功实现了LBM对传热问题的模拟。目前对换热问题的求解思路大致有以下三种： (1) 采用多速度(MtatiSpeed，筒记为MS)模型，将内能融合在