【《形状记忆合金的驱动形式设计案例概述》5800字】

PAGE30哈尔滨学院学士学位论文形状记忆合金的驱动形式设计案例概述目录TOC\o"1-3"\h\u15102形状记忆合金的驱动形式设计案例概述 1296071.1SMA运动机理分析 1260001.1.1SMA简介 1268431.1.2形状记忆原理 335431.1.3SMA的力学特性 493351.2现有驱动方法研究 6228591.3加热方法设计 7297921.4冷却方法设计 10192961.5综合系统设计 1237981.5.1控制与测量模块 12265031.5.2储能与传输模块 13161071.5.3动作模块 14以电阻产热原理为基础，探索驱动合金变形的技术。研究形状记忆合金的形变和运动机理，从比热容、变形速度、驱动效率等参数出发，计算出符合预期性能的参数，比如电阻大小，布置数量，供电形式等，以第三章所建立的水母运动模型为基础，形成从输入功率到形变到驱动性能的完整研究路径。1.1SMA运动机理分析1.1.1SMA简介形状记忆合金（SMA）是一种在特定温度条件下记住并恢复变形的智能材料。形状记忆效应(SME)是一种特殊的现象，即合金在低于晶体相变温度的条件下受到有限塑性变形的作用，通过适当的加热，合金可以恢复至变形前形态。此外，其还具有拟弹性或超弹性。这些特性都是普通材料不具备的。图1.1单程与双程形状记忆合金示意图由于形状记忆合金的独特的材料特性，在各大前沿领域有着较为广泛的应用和探索。在航空航天领域：在大多数场景下，卫星、空间站等天基航行器的主要能量来源是太空中的太阳能，因此我们需要将巨大的太阳能帆板安装在卫星上，由于其体积较大，而火箭发射时有需要考虑整流、成本等因素，是不可能直接将其原样发射的。形状记忆合金可以解决这个问题，我们采用SMA作为太阳能帆板的主要结构制造材料，在地面上不影响其结构稳定的情况下，对其进行折叠，变成较小体积的装置，方便装载进入火箭发射仓，发射完成卫星入轨后，即可采用加热的方式使其展开为原有形状。为火箭的设计与发射节约了较大的成本。图1.2人造卫星天线在生物医疗领域：以拥有形状记忆功能的镍钛合金为原材料，可以将其制造为的医用支架，通过血管进入人体后，血液的温度会使其发生相变，进而恢复为原来的设计形状，对相关目标区域产生支撑作用。1.1.2形状记忆原理对材料施加外力使其发生塑性变形，并加热特定的温度，不论外力的加载过程如何，某些材料都可以恢复到原有的形状，研究者们将这种现象称为形状记忆效应（SME）。图1.3普通金属与形状记忆合金的应力应变曲线区别如图1.3所示[14]，对于大部分一般材料而言，在弹性区域内施加应力，卸载后材料的形状会完全恢复，但是当经过弹性形变极限后继续加载，即便外力卸载，材料也会发生塑性形变，也就是不可逆的永久变形。而对于形状记忆合金而言，发生塑性形变并不意味着其不能完全恢复，通过对材料进行加热，其仍然能从塑性形变状态恢复至初始状态，这就是形状记忆效应的体现。形状记忆效应的发生，来自于形状记忆合金材料的相变状态的变化。在大部分场景下，我们称高温状态下的相为母相，其主要晶体结构为奥氏体，形状为体心立方结构，类似于正方形；反之，低温状态下被称为子项，也即马氏体，其晶体结构为斜立方体，类似于平行四边形。在材料的冷却过程中，母相奥氏体发生相变，转变为子项马氏体，此过程被称为马氏体相变，其是一种移位型相变，只发生了局部的原子重新排列过程，排列为更加稳定的晶体结构，其材料成分没有发生变化。此时的马氏体相晶体在外部载荷的作用下，发生了晶体结构滑移，在加热过程中，转换为立方晶格形式的奥氏体相，这就是从晶体学角度理解形状记忆效应的过程。SME是一个统称，其还可以按照恢复情况分为三大类：加热时形变，冷却时无法自行恢复的单程记忆效应、冷却时壳自行恢复原形的双程记忆效应、冷却时恢复至原形状相反形状的全程记忆效应。图1.4不同恢复特性的形状记忆效应图示1.1.3SMA的力学特性SMA的形状记忆效应是其能够应用于机器人驱动器设计的主要原因，此外还因为其具有一部分特殊的材料性能：在常温（低于Mf）下，材料处于马氏体相时，屈服应力较小，合金的硬度也较小，因此可以将合金构造为需要的形状；随着合金材料温度的升高，其屈服应力也在相应的增大。完成奥氏体相变时，合金材料的屈服应力曲线出现了峰值，此时刻的材料能够增加足够的驱动力。以改变形状记忆合金温度的方法为基础，利用其奥氏体状态下较硬、马氏体状态下较软的力学性能以及材料的单程记忆效应，研究者们设计出了单程驱动器；进一步地，利用外部机构地恢复力，或者材料的双程记忆效应，可以设计出双程驱动器，应用于更多的使用场景；钛镍合金的力学性能变化会随循环次数的变化而变化，应力应变曲线随循环次数的变化如图1.5所示。从图中可以看到，在循环次数N逐渐增加的趋势下，我们所得到的应力应变曲线越发平顺。进一步研究可知，当N达到5次以上时，材料卸载的应力应变曲线循环会逐渐变得稳定；当N达到20以上后，加载过程也变得更加稳定。根据这个结论，在对形状记忆合金进行控制前，我们采用多次加载卸载的方法，用以稳定合金的材料性能，便于我们更精确和稳定地控制。图1.5循环次数对力学性能的影响综上所述，形状记忆合金的应力应变曲线表现出较为地复杂的非线性关系。值得注意的是，由于形状记忆合金独特的温度特性，温度时影响此曲线的一个重要因素；SMA的应力应变特征曲线在加载和卸载过程中，材料本身存在较大的电压以及温度延迟性，在狭窄的温度波动范围内，SMA弹性模量会发生了显著的变化，因此在卸载时，形状回复比较快速。形状记忆合金弹簧的材料力学状态可用下式表示τ=τ(γ,T)#其中τ为剪切力，γ为剪切应变，T为温度根据上文曲线，我们知道形状记忆合金的应力应变曲线具有非线性特征，所以其剪切模量G不是一个定值，而是在随着温度的变化而发生波动。1.2现有驱动方法研究目前主流研究的驱动方法主要有，磁控和温控。关于温控形状记忆合金的原理，在本文的1.1.2节有较多的阐述，此部分将主要介绍磁控形状记忆合金的基本原理和材料特性。磁控形状记忆合金产生形状记忆效应的主要原因仍然是发生了马氏体相变，不同的是，其诱发原因是外部的磁场变化。从材料性能来讲，其具有输出应力大、控制精度高、响应频率高、恢复应变大等优点[14]。表1.1形状记忆合金与其他材料性能对照[14]材料应变(%)频率(Hz)能量密度(kJm^3)磁控形状记忆合金<61000<90温控形状记忆合金<81<3000磁致伸缩材料0.14~0.21000<27压电材料0.04~0.071000<2以磁控形状记忆合金为主要材料，所制作成的驱动器被称为磁控形状记忆合金驱动器，其主要触发因素是外部的磁场变化或者温度变化，引发材料相变，产生较大的恢复力，此力可以施加给外部，进而完成驱动目的。此类型驱动器的基本结构如下，在形状记忆合金两侧一个有一块电磁铁，其所产生的磁场大小以及方向可以通过外部电流进行调节控制。当通电时，合金处于磁场环境中，产生相变，体现在形态上就是合金伸长，挤压弹簧，储蓄弹性势能，当撤销磁场后弹簧弹出，帮助合金恢复形变。实现往返驱动的设计目标。图1.6磁控形状记忆合金的驱动原理磁控形状记忆合金的某些特性还不够理想，比如工作温度范围太窄、易受外部磁场干扰等，因此目前仍处于探索阶段，相比而言，温控形状记忆合金有着更为深入和成熟的应用。因此本文以温控形状记忆合金作为驱动器设计的基础材料。对于温控形状记忆合金而言，驱动形状记忆合金的最主要原因是温度，可以通过控制其温度的变化来控制相变，从而进一步达到控制形变的目的，进而控制整个驱动器。由于我们要模仿水母的运动，因此主要从运动幅度和运动频率两个方向进行设计。对于运动幅度，我们可以从温度变化幅度和合金长度的角度去进行控制，在探索清楚应变和温度的关系后，设计较为简单。而对于频率控制，其主要表现是形状记忆合金的形变速度，进而取决于加热速度（动作速度）和冷却速度（回复速度）。因此形状记忆合金驱动器的设计，对于温控合金而言，在本质上是关于材料冷却和加热的方法设计，其控制对象本质上就是温度。1.3加热方法设计这考虑到模型的使用场景，即水下场景，我们对理想的加热方法有如下期待：安全可靠、加热可控、能量效率高、加热速度快、装置体积较小、易于制造。前两个是基本要求，后三个是进阶要求，也是形状记忆合金驱动器区别于传统驱动器的优势点所在。传统加热方式有：固体接触加热、热辐射加热、气体对流加热、电阻加热等[14]。由于我们所设计的机器人工作环境为水下，如果需要采用气体加热，不仅需要设计一个加热气体的机构，更需要维护一个封闭的空腔环境，不利于机构的简化和小型化，因此基本可以排除气体对流加热的方法；同时，热辐射也不可取，如果不是密闭环境，海水会充入腔体，辐射将被海水所大幅吸收；因此经过初步筛选，我们可以考虑固体接触传热和通电电阻产热。固体接触传热和通电电阻产热的本质区别是前者是外部加热，后者是内部加热[14]。当然我们也可以考虑讲产热固体物内置于合金结构体内，但是此方法不仅破环了形状记忆合金原有均匀实体结构，增加了结构力学性能风险，在未经充分的研究论证下，容易产生不可预知的风险，更给结构的设计和制造造成了较大的困难，不符合第五点要求。图1.7SMA电阻加热方法示意图目前看来电阻产热是唯一符合我们使用要求的方法，进一步思考下其优缺点。形状记忆合金相比于其他种类合金，具有更高的电阻。电阻产热加热利用合金自身的电阻产热，不会附着、内嵌其他材料，保证了了材料的均匀性，进而保证了材料基本的力学性质和性能不发生变化，对其运动性能的刻画利用现有的成熟研究数据即可实现。其二，电阻产热速率有成熟的定律表征，也比较容易容易控制。这一点符合我们的基本要求即加热可控、加热装置体积较小。同时，电阻产热效率较高，从内部产热，加热均匀，不会出现表面温度高，内部温度低的场景，形成内外应变差，进而产生裂纹，此情况不利于维护形状记忆合金的长寿命[12]。下面我们通过简单的计算来确定论证加热方法可行性。根据能量守恒原理，焦耳效应与物体吸热量相等，再次由于加热时间较短，在粗略计算的情况下，我们暂时忽略热对流，有cm其中c为被加热物体（SMA）的比热容，m为形状记忆合金丝的质量，t为加热过程的通电时间，ΔT为合金在此过程中所升高的温度，R为形状记忆合金丝的电阻，Im=pV=pSl=pR=其中l为合金的长度，r为其半径，p为密度，γ为电阻率。即cp所以I=表1.2材料参数SMA长度150mm比热容837J(kg.℃)SMA半径0.5mm奥氏体初始温度80℃杨氏模量(奥氏体)78GPa奥氏体结束温度108℃杨氏模量(马氏体)23GPa马氏体初始温度78℃密度6.5g/c马氏体结束温度60℃电阻率11.6*10−7相变温度变化跨度40℃比热容为7.14J/Kg*K，密度为6.5*103kg/m3，温度变化为40K，电阻率取11.6*10−7I=3.14∗I=34A#电流不小，但也不是不可以实现，我们需要采用一些特殊的方法来提供这样一个大电流。1.4冷却方法设计加热方式的设计直接着影响形状记忆合金驱动器的作动速度，冷却方式的设计则在影响形状记忆合金驱动器的回复速度。同样，我们对冷却方法的常规要求是：冷却速度较快、冷却装置体积较小、冷却状态可控。目前使用较多的冷却方法有：风冷，水冷，固体接触制冷；风冷范围较为广泛，主要可以分为在空气中自然冷却、以及机械风机作用下的受迫冷却。前者冷却速度是几种方法中最慢的，靠自然空气对流冷却，受环境温度影响较大，在我们的水下环境中无法实现。利用风机进行受迫冷却其实是可行的，不过和热风加热一样，我们还需要维护一个封闭的环境，以及对应的吹风动力结构，气源管理等等，成本较高，且会引入转动机构，增加了噪声，得不偿失。图1.8风机作用下的受迫风冷装置示意图固体接触制冷，主要考虑利用半导体制冷片接触SMA进而发生热量交换，从而降低SMA的温度。半导体制冷片制冷速度快且可控，不容易受环境的干扰，但是其设计方法较为复杂，比如如何保证SMA的在形变过程中仍然能与制冷片保持充分接触？这个问题到目前没有很好的解决办法，严重制约了制冷片方法的应用，目前大多采用曲线救国方法，也就是不直接接触，将半导体制冷和风冷/水冷结合起来，驱动低温流体去与SMA发生接触，进而完成热量交换。显然，此种方法效果虽好，但对于我们的模型来讲，过于复杂，水下环境也难以维护。图1.9半导体制冷器风冷方法示意图水冷，水冷是利用具有较低温的液体（水）与SMA接触，利用温差完成热量的自然对流，从而降低SMA的温度。当然，为了提高冷却效率，还可以在外部加入动力机构驱动制冷液体流动，即受迫制冷。显然，我们的模型在水下环境运行，利用水冷进行降温有着原生优势，海水取之不尽用之不竭，参考水母的运动情况，我们可以发现，其动作时较快，回复时较慢，也就是说冷却速度并不需要加热速度那么快，我们可以考虑使用海水的自然冷却方法。1.5综合系统设计如下图所示，整体系统分为三大模块，即控制与测量模块、储能与传输模块、动作模块，蓝色线条为信号流，红色线条为干路电流。图1.10综合系统设计1.5.1控制与测量模块控制与测量模块主要处理系统中的信号电流，包含指令的接受：控制指令，电阻、温度等反馈信号；单片机控制器处理。功率驱动电路主要完成升压功能，为了保证系统的安全性，我们的系统电源将不会采用较高的电压，因此驱动电路的作用就是将低压的系统电源电压升高为与电容工作电压适配的高电压；其中还包括电阻测量和温度测量子模