SMA丝辅助气动变刚度驱动器仿真与实验

为解决软体驱动器负载能力差、刚度不可变的问题,文中设计了一种嵌入SMA丝的气动变刚度驱动器。首先,通过分析驱动器弯曲时的力矩平衡方程,建立驱动器弯曲理论模型和刚度理论模型。其次,通过数学模型和Abaqus有限元仿真分析气腔长度、气腔厚度和限制层壁厚3个参数对弯曲性能的影响,得到在规定范围内弯曲性能最佳的最优尺寸组合。然后,通过有限元仿真与实验,验证了限制层嵌入SMA丝提高了气动软体驱动器的刚度。最后,对比理论模型、有限元仿真结果与样机实验的数据。仿真结果与实验结果表明,上述3个分析参数对弯曲影响的趋势保持一致,以及嵌入SMA丝几乎不影响驱动器的弯曲性能,同时能够有效地提高气动软体驱动器的刚度。

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。

差动式电热SMA驱动器设计及驱动性能研究

根据NiTi形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)的记忆效应,设计制作了差动式电热SMA驱动器,并建立了差动式电热SMA驱动器的力学方程。在无负载状态下,实验测得驱动器驱动位移为2mm时,驱动电流随时间的变化关系。结果表明,当电流<2.5A时,随着电流的增加,驱动速率相对较低;当电流>2.5A时,随着电流的增加,驱动速率明显增加。通过对不同温度下驱动位移的测试结果及驱动器力学模型计算结果对比分析可知,只有当温度达到奥氏体相变开始温度时,才会有驱动位移。并且理论计算结果和实测结果趋于一致,从而说明了所建立的差动式双向SMA驱动器驱动力模型的正确性,可为差动式SMA驱动器的设计提供理论指导。

形状记忆合金驱动的曲柄滑块机构多目标优化设计

提出了一种应用于水下机器人方向舵、滑块为原动件的曲柄滑块传动机构,形状记忆合金差动驱动是该机构的突出特点。分析了形状记忆合金差动驱动的曲柄滑块机构运动机理,基于形状记忆合金驱动器的变形能力和力学性能,采用多目标优化设计理论和算法,对形状记忆合金差动驱动的滑块行程和作用在滑块上的初始驱动力进行了综合优化,得到了曲柄滑块机构的结构优化参数,同时为形状记忆合金差动驱动器的性能参数设计提供了理论依据和设计准则。虚拟样机仿真试验验证了机构良好的驱动和传动性能。

提高形状记忆合金直线驱动器工作频率研究

提出基于位移累加原理的直线驱动器,采用形状记忆合金作为驱动元件,能提供较大的力和位移,但其工作频率受加热和冷却方式的影响。就几种不同加热、冷却方式所测得的结果进行分析比较,提出最优的加热、冷却方式,并提出基于PIC单片机的加热冷却控制方法。

形状记忆合金驱动可变形机翼的设计优化

传统方法设计的机翼气动性能对飞行条件的依赖性较强,针对该问题,设计一种由形状记忆合金(SMA,shape memory alloy)丝驱动的可变形机翼机构。该机构可根据不同的飞行状态自动调整机翼形状,实时优化机翼气动性能。首先,将SMA驱动器驱动点连接到翼型内侧的桁条上,驱动桁条上下移动从而使柔性蒙皮变形;其次,利用优化集成平台Isight,对机翼进行建模及流体力学分析,以实现可变形机翼的优化设计;最后基于优化设计结果,结合SMA本构关系,确定满足优化设计要求的可变形机翼驱动结构方案。研究结果表明,SMA驱动器能够实现可变形机翼的变形驱动,通过30~140℃温度控制,可实现机翼上下蒙皮0~8 mm的变形量,翼型升阻比最大可提高21.87%。