退火和变形温度对Ti-Ni-Cr形状记忆合金弹簧低温超弹性的影响

利用拉伸试验研究了350~800℃退火态Ti-50.8Ni-0.3Cr合金弹簧在-20~20℃温度范围变形时的低温超弹性。结果表明,在350~800℃温度范围退火时,随退火温度升高,该合金弹簧对外输出应力先降低再升高,而后趋于稳定。在-20~20℃温度范围变形时,随变形温度升高,该合金弹簧对外输出应力增大。要使该合金弹簧在-20℃下获得残余应变较小的超弹性,可对其进行350~400℃或550~800℃退火处理;要使该合金弹簧在-10~20℃下获得残余应变较小的超弹性,可对其进行350~500℃退火处理;要使该合金弹簧在-20~20℃下获得较大的能耗,可对其进行450~800℃退火处理。随退火温度升高,该合金弹簧的应变恢复率降低;随应力-应变循环次数增加,该合金弹簧的应变恢复率先降低后趋于稳定。预循环训练能明显提高该合金弹簧应变恢复率的稳定性。

富氢环境下镍钛形状记忆合金弹簧变形行为的实验和理论研究

镍钛形状记忆合金器件在某些特定服役环境下不可避免地与氢接触,导致其力学性能发生改变.实验研究方面,通过对两种构型(弹簧指数为8.5和11.7)的镍钛合金弹簧进行异位电解充氢,随后对充氢和未充氢镍钛合金弹簧进行不同幅值的拉伸-卸载实验,揭示了氢对超弹性镍钛合金弹簧变形行为的影响.结果表明,氢会显著影响弹簧的相变硬化行为,并且使马氏体相变临界力下降地更为迅速.理论研究方面,基于实验结果,在不可逆热力学框架下构建了镍钛形状记忆合金力-扩散耦合本构模型.在该本构模型中,考虑了与弹性,马氏体相变和氢致膨胀相关的应变和氢浓度场对马氏体相变的影响.通过建立的Helmholtz自由能推导出相变行为的热力学驱动力.基于质量守恒定律和Fick定律,得到氢浓度场的演化方程.为了准确地描述充氢和未充氢镍钛合金弹簧的变形行为,在建立的本构模型基础上,进一步发展了描述弹簧力-扩散耦合变形行为并考虑其扭转、弯曲变形模式的半解析模型.通过与实验结果的对比,可以发现,提出的半解析理论模型能够很好地预测富氢环境下超弹性镍钛合金弹簧的变形行为.

形状记忆合金驱动的人工逼尿肌系统

针对神经源性、肌源性膀胱缺乏有效治疗手段的现状,从工程学角度提出了一种新的解决方案——人工逼尿肌系统。基于形状记忆合金(SMA)弹簧的形状记忆效应,设计了由无线能量传输模块、控制模块、反馈模块和执行模块组成的系统结构,旨在实现符合人体尿动力学规律的辅助排尿。文中首先建立了人体膀胱的有限元模型,仿真分析了人体膀胱的储尿和辅助排尿过程,在仿真结果的基础上结合SMA弹簧的数学模型,对SMA弹簧致动器的结构参数进行了优化设计;其次,结合实验数据推导了SMA弹簧温度-自由高度方程;然后,结合热力学公式和弹簧数学模型推导了系统控制方程,并在此基础上提出了系统开环控制策略;最后,基于系统的反馈模块,设计了比例积分微分(PID)闭环控制策略,并搭建模拟实验平台研究了系统的尿流率特性。结果表明:系统原理可行,辅助排尿过程连续可控,在应对不同尿液容量时两种控制策略均能实现符合人体尿动力学规律的辅助排尿。文中结果可为设计适用于临床的人工逼尿肌系统提供指导,也可为其他以SMA弹簧作为致动器的植入装置的设计提供借鉴和参考。

温度对铁基形状记忆合金回复应力与力学性能的影响

为研究温度对铁基形状记忆合金(Fe-SMA)回复应力的影响与力学特性,开展了Fe-SMA温度相关力学性能实验及其影响规律研究。首先,通过预拉伸、激活实验研究了不同激活温度对Fe-SMA棒材回复应力的影响规律,并在实验研究的基础上,建立了Fe-SMA回复应力-温度的经验本构模型;其次,进行二次加热实验研究了不同激活温度、附加荷载和暴露温度对Fe-SMA棒材回复应力的影响;最后,通过高温后的Fe-SMA棒材单调拉伸实验,研究其高温后的力学性能。研究结果表明,建立的Fe-SMA回复应力-温度的模型,可以有效地模拟Fe-SMA的回复应力与温度的关系;在二次加热过程中,当激活温度低于200℃时,Fe-SMA具有较高的应力保持比。Fe-SMA棒材的应力损失随着附加荷载和暴露温度的增加有所增大;在经历高温后,剩余的形状记忆效应使得Fe-SMA棒材的应力高于初始应力,并且其弹性模量和极限强度保持相对稳定,而屈服强度随着暴露温度的升高而略微增加。该研究可为Fe-SMA构件的抗火设计与应用提供参考依据。

基于新型冷却方式的形状记忆合金驱动系统

为了解决热积累对于形状记忆合金(SMA)驱动器响应频率的限制问题,提出一种基于新型冷却方式的SMA弹簧差动式驱动器。在传统风冷的基础上加入微孔雾化片装置,通过产生水雾提高风冷系统的冷却效率;设计了可控风道系统,可在SMA弹簧加热和冷却过程分别关闭和打开相应风道,进而提高响应速度和能量利用率。进一步,建立了系统理论模型,通过仿真得到不同条件下SMA弹簧的驱动时间。实验结果证明,相比传统风冷,新型冷却方式在低风速时使得SMA驱动器运动频率提升了26.7%,在高风速时运动频率提升了9.5%。最后,将该系统应用在一款仿生手指上,通过实验证明了应用新型冷却方式的SMA驱动系统能有效提高仿生手指的运动性能。

形状记忆合金弹簧隔振系统主动控制实验设计

为探索振动系统在结构和参数变化时的实验现象和实验特征,基于被动隔振实验台,设计了具有弹簧温度和激振频率自动采集功能的形状记忆合金弹簧变阻尼主动控制系统,对形状记忆合金弹簧的刚度和阻尼随温度变化的振动特性进行分析。结果表明,在不同激振频率下,形状记忆合金弹簧阻尼比随着温度的升高而增大,刚度随着温度的升高而降低。通过弹簧温度自动调节对隔振系统进行控制,从而实现形状记忆合金弹簧的变频动态减振。该研究结果可用于形状记忆合金弹簧在特定载荷下的减振特性标定。

轴向运动形状记忆合金层合梁的参强联合共振

该研究探讨了轴向变速运动形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)层合梁在简谐激励下的参强联合共振问题。基于SMA的Falk多项式本构模型,结合Timoshenko梁理论推导了轴向运动SMA层合梁的非线性振动方程。利用伽辽金积分法对其进行时间变量和空间变量的离散,用多尺度法以及坐标变换的方法推导系统参强联合共振的幅频响应方程。通过算例分析,得到不同物理参数变化时的幅频响应曲线图和振幅-参数曲线图,分析了轴向速度、温度及强迫激励对系统参强联合共振特性的影响。结果表明,系统呈现典型的非线性振动特征和复杂的动力学行为。

形状记忆合金(SMA)弹簧动作器的设计研究

利用示差扫描热分析(DSC)的方法研究了形状记忆合金(SMA)的相变特性,并对其热力学性能进行了测试分析,获得了马氏体和奥氏体状态下的弹性模量,采用表观设计法设计了形状记忆合金弹簧动作器,为形状记忆合金弹簧动作器驱动的结构设计和分析提供理论基础。

形状记忆合金(SMA)弹簧驱动器的变形研究

建立了可作为软体机器人中的形状记忆合金(SMA)弹簧驱动器的变形模型,获得了模型的待定参数A1、A2、A3、B1、B2、B3,并对该模型进行了实验验证。首先基于Clausius-Clapeyron方程和泰勒展开式,使用待定参数法建立了SMA弹簧的变形模型,描述了SMA弹簧的变形量、负载和温度之间的非线性关系;然后根据热平衡方程建立了电加热情况下的SMA弹簧温度变化模型,并获得了加热时间与弹簧温度的关系曲线;继而进行了零负载状态下的变形实验,根据实验结果计算出变形模型中的待定参数;最后通过定长通电驱动和定载荷通电驱动实验,验证了模型的正确性。所建模型能够为软体机器人中的SMA弹簧驱动器的控制方案建立提供参考。

基于形状记忆合金的仿生假手设计

目前假肢手大多由电机驱动,其体积大、质量大不够便携,为此本文设计了一种基于形状记忆合金驱动的模块化仿生手,整体质量为188 g,每根手指可独立驱动控制。通过滑轮组绕线的方式增大SMA丝的有效长度。绘制了假肢手的三维模型并对手指7连杆机构进行运动学分析及仿真,利用MATLAB验证了其关节角度和指尖轨迹曲线,以STM32单片机作为控制器结合多传感器设计了控制系统。并通过实验验证假手指的运动状态,结果表明,SMA驱动器的输出位移可以达到假手指所需的驱动行程,假手指的指尖轨迹与理论值相符合,可以达到设计的预期目标。研究结果解决了SMA驱动位移较小的问题,为形状记忆合金材料作为仿生假手的新型驱动器以及仿生手的机械结构提供了设计思路。

热处理及训练对NiTi形状记忆合金弹簧双向记忆效应的影响

形状记忆合金作为双程驱动元件时通常是与一偏压元件同时使用来实现双程驱动[1,2 ] 。本文通过不同热处理制度对Ti Ni形状记忆合金的弹簧相变点和形状恢复率的影响以及训练次数对形状恢复率的影响研究 ,以期获得性能良好的双向记忆合金弹簧单独作为双向驱动元件的最佳处理条件。结果表明经 4 5 0℃热处理并经过 2

超弹性形状记忆合金螺旋弹簧恢复力的数值模拟

形状记忆合金(SMAs)在土木工程被动控制领域的研究近年来得到了极大的关注。研究人员已经提出了多种含有SMA丝的隔震器和阻尼器,大尺寸SMA超弹性螺旋弹簧是一种可输出较大位移的阻尼器。由于以往在结构防震减灾领域有关SMA螺旋弹簧力学性能的研究较少,因此在Liang和Rogers提出的SMA应力-应变本构模型的基础上,针对SMA螺旋弹簧恢复力特性建立了一种便于工程应用的新型宏观模型,并利用MATLAB程序进行了数值模拟以验证所提出模型的适用性和正确性。研究结果表明:SMA螺旋弹簧具有较好的复位和耗能能力;同时,根据该宏观模型得到的数值模拟结果与其他学者的试验研究结果吻合较好。总的来看,数值模拟方法可较准确描述超弹性弹簧的力学行为,且方便在现有常规结构软件中实现。

形状记忆合金螺旋弹簧的设计方法

介绍了形状记忆合金螺旋弹簧的设计原理、方法及发展现状，对三种常用的设计方法进行了讨论。

形状记忆合金耗能弹簧的力学性能研究

从Helmholt自由能出发,建立了SMA材料在复杂应力状态下的热力学本构关系,并由此推导出SMA耗能弹簧的热力学本构关系;在Brinson相变发展方程的基础上,引入等效应力的概念后,建立了内变量马氏体百分数的发展方程。利用上述理论,结合普通金属弹簧的设计方法,建立了SMA耗能弹簧的设计方法;利用MATLAB编写的计算机程序进行了仿真计算。研究结果表明SMA耗能弹簧具有较好的耗能能力。本文建立的计算理论较好地吻合了其他学者的研究结果,适用于实际工程问题的理论分析,具有较大的适用价值。

形状记忆合金弹簧力学性能分析

利用直杆的扭转理论对形状记忆合金密圈螺旋弹簧的力学性能进行了理论分析,给出了弹簧加载力和变形量的全程非线形力与变形关系,特别是形状记忆合金相变过程对弹簧刚度的影响.虽然形状记忆合金材料的相变本构为简单的三线性平台型模型,在加卸载过程中,相变区和相变体积分数随载荷而改变,因此形状记忆合金弹簧的刚度也随载荷发生非线性变化.在加载过程中,相变从外层开始向内扩展,但不能到达最内层.而卸载时的反向相变从中间开始向内外扩展.

用于微系统驱动的形状记忆合金弹簧特性实验研究

研究了形状记忆合金（ＳＭＡ）用作微机械电子系统执行元件时的几个问题。在实验的基础上建立了实用化的ＳＭＡ热机转换模型。分析了影响其动作频率的主要因素并提出了改善频率特性的措施。利用几何敏感度的概念，对ＳＭＡ驱动性能受尺寸微型化的影响进行了探讨。

形状记忆合金弹簧变形速度的研究

形状记忆合金 (SMA)弹簧具有形状记忆功能 ,电热驱动时的相变过程中有回复力输出。这种弹簧的回复变形速度先随回复位移的增加而逐渐增加 ,当回复位移接近中间位置时速度达到最大值 ,并在一段位移内保持最大速度不变。此后 ,随回复位移的增加而减小 ,达到记忆长度时速度为零。通过控制电流可控制SMA弹簧的回复变形速度 ,但不能选择过高或过低的电流 ,否则会破坏其记忆功能。在使用SMA弹簧时应选择合适的载荷和拉伸变形长度 ,过大的载荷不仅使其回复变形速度变得很慢 ,而且还会使弹簧产生不完全回复变形 ,从而降低SMA弹簧的循环工作寿命。过大的拉伸变形长度 ,同样也会降低其循环工作寿命。

NiTi形状记忆合金弹簧电热驱动特性

测定了 Ni Ti形状记忆合金弹簧在电热作用下的动态回复变形速度和电阻的特性曲线。结果表明 ,电流是影响 SMA弹簧电热驱动性能的主要因素 ,通过选择合适的电流可控制 SMA弹簧的回复变形过程。

形状记忆合金弹簧元件的计算机辅助设计

系统地分析了形状记忆合金弹簧的力学特性,并建立了数学模型:■从该模型出发,并考虑到形状记忆效应最佳时的临界变形量,编制了计算机软件对形状记忆合金弹簧元件进行辅助设计。该软件具有广泛的适用性,可模拟各种特性曲线,如P～T,δ～T,P～δ等曲线;根据弹簧特定的工作条件,还可给出弹簧的尺寸。理论预测与实验能较好地吻合。

环境介质对形状记忆合金弹簧记忆回复效应的影响

针对SMA电火花加工机器人加工时常用的 3种工作介质水、煤油和乳化液 ,研究了SMA弹簧的记忆恢复变形特性和变形规律。结果表明 ,对应不同的环境介质 ,SMA弹簧的记忆回复变形量与驱动电流间存在一一对应关系 ,通过控制驱动电流可控制记忆回复变形量。在不同环境介质中SMA弹簧的记忆回复变形速度的变化趋势是一致的 ,都是先随着回复位移的增加而增加 ,在接近中间段时达到最大 ,然后随着位移的增加而减小。驱动电流是对SMA弹簧动态变形速度影响最明显的参数 ,通过选择合适的驱动电流可有效地控制SMA弹簧的回复变形速度。