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。

具有形状记忆合金弹簧支承的转子系统的动力稳定性研究

提出一个具有形状记忆合金(SMA)弹簧支承的旋转轴转子系统的自由振动分析模型。基于Euler-Bernoulli梁理论建立旋转轴的连续分布弹性振动方程,并且考虑旋转轴材料内阻的影响。采用Brinson模型分析SMA螺旋弹簧的受限回复刚度特性。在振型假设的基础上利用虚功原理得到转子系统的特征方程。通过数值计算分析了SMA弹簧的激励温度和初始应变对转子系统的临界转速和失稳阈的影响规律。研究表明,利用SMA弹簧的受限回复特性调节支承刚度可以提高转子系统的临界转速和失稳阈,从而增强转子系统的动力学稳定性。

CuZnAl形状记忆合金弹簧的应用研制

应用CuZnAl形状记忆合金的感温—驱动原理 ,制作了太阳尾随模拟装置 ,探讨了该系统中形状记忆合金弹簧的设计原理及方法。同时采用定量金相、电子探针、电阻法、X射线衍射等方法 ,研究了加入复合稀土及热处理工艺对CuZnAl形状记忆合金中马氏体稳定化的影响。实验结果表明 ,形状记忆合金弹簧材料的应力—应变曲线是非线性的 ,弹性模量等不是常数 ,而是随温度变化的 ,所以设计原理主要考虑温度的因素。

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。

形状记忆合金尺寸对消防服面料防护性能的影响

为提升嵌入形状记忆合金消防服面料组合的防护性能,构筑了3种形变高度和3种排列方式的面料组合以分析形状记忆合金尺寸对其性能的影响。在高温热接触和低辐射热灾害环境下分别测试不同面料组合的防护性能,研究结果表明:形状记忆合金有效地提高了消防服面料的防护性能,合金弹簧的形变高度影响组合面料层间空气层厚度,从而改变其防护性能;在不同的排列方式下弹簧形变高度也不同,可能与弹簧形变产生的空气层形状及分布有关;在不同的热源条件下,不同排列方式的面料组合其防护性能呈现出不同的规律,即在2种热源条件下,1个合金弹簧中心排列与3个合金弹簧对角排列方式下全高型试样的隔热性能均明显优于减半型,而2个合金弹簧对角排列方式下2种弹簧试样隔热性能的差异较大。

低辐射环境下形状记忆合金对防火面料隔热性能的影响

为提高消防服的热防护性能,将若干形状记忆合金弹簧设置在防护服的防水透气层与隔热层之间,研制出具有动态调节结构功能的智能防火面料组合。采用热防护性能测试仪模拟低辐射热环境,测量处于辐射暴露环境下的各面料层间的温度,从而基于层间温度的变化情况来评价不同排列方式下的形状记忆合金弹簧对防火面料的动态隔热作用。结果表明:形状记忆合金弹簧在辐射环境下弹起后产生的空气层具有良好的动态隔热作用,进而提高面料的热防护性能;采用不同的弹簧排列方式也可影响其隔热性能,其中1个弹簧正中排列及3个弹簧对角线放置的试样隔热效果最明显;在不同的排列方式下,弹簧产生的空气层形状和厚度具有明显差异,从而影响防火面料组合的隔热作用。

复合材料转子-形状记忆合金支承系统的振动特性

研究具有形状记忆合金(SMA)弹簧支承的复合材料轴转子系统的振动特性。基于Brinson热力学本构方程,研究SMA螺旋弹簧的受限回复特性;采用Timoshenko梁理论对复合材料旋转轴进行结构建模,给出特征值问题的求解公式。通过数值计算揭示SMA的激励温度、SMA的初始应变、纤维铺层角、铺层方式以及长径比对转子系统的涡动频率、对数衰减率的以及临界转速的影响规律。

形状记忆合金小型双关节驱动器研究

形状记忆合金作为一种新型的智能材料,具有独特的形状记忆效应,在机器人关节驱动中受到极大的关注。文中在前人研究的基础上,运用有限元与试验的方法初步探讨了形状记忆合金小型双关节驱动器。主要研究内容有以下两个方面:首先,设计了一种新型的形状记忆合金单关节驱动器和一种形状记忆合金小型双关节驱动器作为仿生水下驱动器的关节模型。主要探讨了形状记忆合金小型双关节驱动器模型,从静力学和动力学两个角度论证所设计的形状记忆合金小型双关节驱动器模型的可行性。其次,对双关节的形状记忆合金小型驱动器在空气环境中进行试验研究,测试在不同加热电流幅值和不同冷却方式下的形状记忆合金小型双关节驱动器的摆动周期和偏转角度。

基于形状记忆合金驱动的柔性机械臂研究

提出了一种基于形状记忆合金(SMA)弹簧驱动的柔性驱动模块,柔性驱动模块能够实现三维空间弯曲变形运动。以柔性驱动模块为模块单元,模块化组装了四关节柔性机械臂。基于SMA电阻变化特性,建立了SMA电阻自反馈控制系统,开展了柔性驱动器变形的参数化分析。进一步建立了柔性机械臂的多模态运动控制系统,实现了柔性机械臂的空间蜷缩抓取运动,通过实验验证了柔性机械臂灵活的空间运动能力。

形状记忆合金热机驱动器的研制

选用一定规格的形状记忆合金弹簧和普通弹簧来设计一台形状记忆合金热机驱动器,并以形状记忆合金弹簧作为驱动力。该形状记忆合金热机驱动器由热循环系统、动滑轮机构、齿形皮带传动机构三部分组成,具有机械结构简单、输出位移大等优点。

热灾害环境对形状记忆消防服面料防护性能的影响

消防员或应急救援人员需要穿着特定的热防护服以保障人身安全。在防水透气层与舒适层之间设置若干形状记忆合金弹簧,构筑动态隔热消防服面料组合。采用热平板仪和热防护性能测试仪分别模拟高温热接触和低辐射热灾害,测量分布于各面料层间的温度。对处于两种不同环境下的形状记忆合金弹簧形成的空气层对热防护织物的动态隔热作用进行分析比较,发现采用一个弹簧正中排列及3个弹簧对角线放置的隔热效果最为显著,可适用于两种热环境。研究结果可为优化形状记忆合金弹簧排布方式从而设计性能优越的智能消防服提供科学依据。

单出杆式磁流变阻尼器弹簧活塞蓄能器的设计与研究

与双出杆阻尼器相比,单出杆阻尼器有较大的行程,更适合应用于安装空间有限的领域。设计用于平衡活塞杆进出缸体而造成缸体内体积变化的蓄能器是设计单出杆阻尼器的关键技术之一。首先推导了含有弹簧活塞蓄能器的单出杆磁流变阻尼器的阻力计算公式,并分析了阻力的性能特征;而后,讨论了普通弹簧活塞蓄能器的主要参数确定方法与在体积补偿过程中所存在的主要缺陷;最后结合形状记忆合金的超弹性特性,提出了基于超弹性形状记忆合金弹簧的活塞蓄能器,并给出了相关设计方法。

基于SMA弹簧紧凑型柔性电机的设计与研制

介绍了一种基于SMA弹簧的紧凑型柔性电机结构。三只SMA弹簧偏心嵌入室温硫化的双组分硅胶棒中,弹簧与丝除在端部通过两个固定片连接外,其他部分可自由地相对运动。通过占空比可调的电流脉冲加热SMA弹簧,控制其收缩变形,可实现电机的柔性空间运行。这一低功耗、高功率重量比、可直接驱动的紧凑型柔性电机,可望在拟人机械手及其他微小型机器人系统中得到实用。本文分析了弹性棒在集中与分布载荷作用下的形变理论,对硅胶棒与SMA弹簧的关键参数进行了研究并详细推导了二者的设计过程。最后,进行了样机研制的工艺探讨并制作了样机,对样机进行的实验研究,验证了设计电机的性能。

模块化连续体机器人设计及实验分析

分析国内外连续体机器人类型,结合象鼻运动时内部肌肉组织结构变化特点,提出一种模块化连续体机器人。该机器人整体结构通过单元模块串联组成,可以完成二维平面内的弯曲和伸展动作,实现不同的包络形态。通过建立机器人相邻模块静力学模型,推导出相邻模块张角大小与驱动力的函数关系。进而组装搭建连续体机器人控制系统,通过实物包络实验,验证新型模块化连续体机器人包络机构的可行性。

SMA弹簧-摩擦支座滞回性能试验研究

通过试验研究了一种新型SMA弹簧-摩擦支座(SMA Spring-Friction Bearing,简称SFB)的滞回性能。首先,研制了大尺寸NiTi记忆合金(NiTi SMA)螺旋弹簧。在此基础上,加工制作了SFB试件实物模型,对其进行了拟静力试验研究。考察了竖向压力、位移幅值和加载频率对SFB的恢复力-位移曲线以及等效刚度、单位循环耗能、等效阻尼比和等效动摩擦系数的影响。研究结果表明:SFB在水平方向呈现独特的恢复力-位移曲线;SFB的滞回曲线饱满、耗能能力较好,且具有一定的复位能力;竖向压力、位移幅值对SFB力学参数有一定影响,而在试验加载频率区间其力学参数较为稳定。

Ti_(49.4)Ni_(50.6)超弹性弹簧的相变和形变特性

用示差扫描量热仪、拉伸实验和应力-应变循环实验系统研究了退火温度、变形温度以及热循环和室温应力-应变循环对Ti_(49.4)Ni_(50.6)超弹性(SE)弹簧的相变和形变特性的影响,冷加工加中温退火态Ti_(49.4)Ni_(50.6)合金冷却加热时的相变类型为母相B2R相马氏体B19’,随退火温度升高,马氏体转变温度升高,R相转变温度降低,623-773K退火态Ti_(49.4)Ni_(50.6)弹簧室温下可获得SE特性,随变形温度升高,SE弹簧刚度增加;当退火温度超过823K后,SE特性变差,热循环时SE弹簧的切变量取值越小,其应变恢复率越高,预循环训练可增强SE的稳定性。

行业动态(新技术)

南京航空航天大学提出基于形状记忆合金弹簧的仿壁虎机器人近日,南京航空航天大学机电学院运动仿生与智能机器人实验室吉爱红教授课题组提出了一种基于形状记忆合金弹簧驱动的具有柔性脊柱的仿壁虎机器人,该机器人在整体结构和几何比例上均与大壁虎的身体特征非常相似。该项研究得到中国国家重点研发项目(2019YFB1309600)和国家自然科学基金(编号No.51861135306)的资助,相关研究成果以“A Gecko-inspired Robot with a Flexible Spine Driven by Shape Memory Alloy Springs”为题,发表在期刊《Soft Robotics》上。

一种冷热交变环境下太阳帆应力保持方法

针对冷热交变环境导致太阳帆内部应力剧烈变化的问题,基于形状记忆合金(SMA)弹簧提出了太阳帆的张拉方案和薄膜应力保持恒定的方法,该方法利用形状记忆合金在高低温下的刚度非线性特性,有效补偿薄膜和支撑杆之间的间隙变化,以使薄膜内部应力基本保持恒定。针对六边形构型太阳帆开展了数值仿真,首先建立了太阳帆的热分析模型和力学分析模型,获取了高低温工况下的温度场。然后通过热致变形分析得到薄膜与支撑杆在高低温工况下的间隙变化,据此确定形状记忆合金弹簧的参数。最后对太阳帆在高低温工况下的薄膜内部应力进行了验证。

SMA汽车风扇离合器传递转矩分析

介绍了形状记忆合金离合器的工作原理.分析了SMA弹簧的驱动力,并建立了SMA汽车风扇离合器传递转矩的计算公式.研究结果表明:对于某N iTi基SMA弹簧,在加热过程中,当温度达到77℃时,主从动盘开始接合,转矩逐渐增加;当温度高于96℃时,驱动力达到最大值,离合器完全接合;在冷却过程中,当温度低于72℃时,SMA离合器脱离,风扇以很低的转速空转.

圆盘式磁流变液变面积传动性能研究

提出一种由形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)驱动通过改变磁流变液的工作面积来改变传递转矩的传动方法;介绍了其工作原理,分析了变面积的过程;基于磁路理论,进行传动装置的磁路计算;应用ANSYS软件进行了磁路建模和有限元仿真,得到不同面积比下的磁感应强度分布云图;最后对比分析了不同面积比下传递转矩的能力。结果表明:随着磁流变液的面积比增大,传递的转矩先增大后减小,传动能力得到提升。