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。

SMA丝缠绕角对扭力驱动器驱动性能影响的试验研究

在智能结构的驱动系统研究中,形状记忆合金(SMA)以其独特的力学性能倍受关注。将含有预拉伸变形的SMA丝与薄壁圆管复合,能够构成具有扭转变形输出或转矩输出功能的驱动器,为飞行器翼面操纵系统等提供新的设计思路。在SMA扭力驱动器中,SMA丝的缠绕角是影响驱动器驱动能力的一个重要参数。针对缠绕角分别为40°、45°、55°、60°和75°的一组驱动器,采用试验手段,获得了自由状态、完全约束状态和弹性约束等三种状态下,上述驱动器的温度—缠绕角—扭转角(或转矩)等多组关系曲线,得到了当缠绕角为60°时,驱动器有最大扭转角和最大转矩的试验结果。研究结果对深入探索SMA扭力驱动器的力学模型和驱动器结构参数的优化具有重要的参考价值。

SMA丝驱动的仿生尾鳍推进器的实验研究

为了研究鱼类尾鳍的推进机理,在研究鱼类尾鳍结构的基础上,研制了形状记忆合金(SMA)丝驱动的仿生尾鳍推进器,并完成了其推进性能试验,得到了动作参数、被动尾鳍形态、尺寸对推进力的影响。为进一步研究其流场机制,研制了基于改性聚四氟乙烯微粉(PTFE)的液面流场显示系统,并在该系统上对尾鳍推进器摆动后的涡环形成过程进行了可视化研究,实验结果验证了文献中鱼类真实尾鳍的游动特点和游动机制,可见所研制的仿生尾鳍推进器仿生性能好,适用于鱼类游动机理研究,并为仿生鱼的研制奠定了基础。

SMA丝驱动的仿象鼻柔性机械手的研究

基于对传统的柔性机械手的研究,模仿象鼻抓取物体的过程,以形状记忆合金丝为驱动材料,研制了一种仿象鼻柔性机械手。建立了柔性机械手的力学模型,设计了控制部分电路,并进行性能测试和数据分析,得到了通电电压、PWM占空比与通电时间对柔性机械手弯曲角度的影响。实验结果证明:仿象鼻机械手动作灵活,呈柔性,可控制仿象鼻机械手的弯曲角度与方向,实现对物体的抓取。

SMA丝驱动的仿生水母伞体推进器设计

以水母为研究对象,模仿其喷水推进方式,设计了SMA丝驱动的仿生伞体喷水推进器。首先研究了水母的形态特征、运动方式及肌肉结构,建立了水母伞体的动作特征和推进力的数学模型。其次对水母伞体的肌肉结构进行了模块化设计,研制了SMA丝驱动的动作单元,并对其驱动特性进行了实验研究。最后设计了6个内嵌式动作单元驱动的仿生水母伞体推进器,利用流体动力学手段对其进行了仿真研究,并在设计硅胶模具的基础上完成了原理样机的制作。

SMA-叠层橡胶复合隔震支座耗能能力的影响因素研究

为研究SMA丝-叠层橡胶支座和SMA绞线-叠层橡胶支座力学性能,基于Auricchio&Sacco本构模型分析形状记忆合金材料的超弹性特性,采用有限元方法分别建立这两种橡胶支座模型,在此基础上以位移幅值和竖向荷载作为主要影响因素,数值模拟分析得出两种橡胶支座的恢复力-位移滞回曲线,建立了位移和荷载变量对支座的等效水平刚度、等效阻尼比和单位循环耗能的关系,进而分析两种橡胶支座的性能差异,为该支座的工程设计和使用提供理论依据。

SMA驱动丝的建模与仿真

研究SMA动力学优化模型,针对形状记忆合金(SMA)驱动丝具有强非线性、迟滞效应等特性,为设计SMA驱动丝的自适应结构,提出建立SMA驱动丝模型并提供高效的仿真方法。采用有限元软件实现了受轴向载荷的SMA驱动丝的仿真建模。对本构模型是根据自由能的一维热-力学耦合模型,可以同时复现形状记忆效应和超弹性。数值仿真能够引起材料相变的非均匀温度和应变分布。仿真结果表明,建立热-力学耦合模型,可为设计SMA驱动丝的自适应结构计算提供可靠依据。

外部安装SMA丝对梁裂缝的修复能力研究

混凝土结构作为一种常见工程结构形式,在建设过程和使用过程中会出现不同程度、不同形式的裂缝,这是一个相当普遍的现象,也是长期困扰着建筑工程技术人员的技术难题。混凝土结构裂缝的控制与修复的研究具有重要的现实意义。为研究外部安装SMA丝对梁裂缝的修复能力,本文采用复合材料(环氧树脂水泥砂浆和硅胶粘土聚合物)代替混凝土,对两种不同材料浇筑的梁进行裂缝修复能力试验研究。试验结果表明,在裂缝修复过程中,SMA丝能够提供持续的回复应力进行裂缝的修复,修复效果显著;外部安装SMA丝的修复方法,对梁的修复效率较高,同时SMA丝可以重复利用,有效的降低了修复成本。

基于K-型热电偶与热成像仪的SMA丝温度精确测量研究

由于形状记忆合金(SMA)丝相变过程中潜热效应的影响以及环境温度、驱动参数强度的不同,传统的热电偶测温方法无法精确测量SMA丝在加热过程中的真实温度,对SMA丝的实时驱动控制造成了极大的困难。为了精确测量SMA丝的实时温度,提出了一种基于红外热像仪校准的热电偶测温方法。实验结果与理论分析吻合良好。

SMA丝驱动的手指康复机器人设计及实验研究

为了研制一种轻便、可穿戴的仿生手指康复机器人,在分析手指肌肉骨骼生物参数及致动机理的基础上,设计了一种形状记忆合金丝(SMA)驱动的软体柔性手指康复机器人,建立了其运动学和力学模型;以手套为结构设计的原型,通过控制SMA丝的收缩来模拟手指肌肉肌腱的收缩,从而实现辅助手指屈曲伸展运动的功能;试验研究了手指康复机器人的运动性能和抓握性能;试验结果表明,手指柔性康复机器人最大弯曲角度接近正常人手关节角度,最大指尖力可达18N,能完成日常所需的屈曲伸展以及抓握功能。

SMA驱动柔性机械臂BP神经网络PID控制方法研究

针对形状记忆合金(SMA)丝驱动软体仿生柔性臂弯曲角度难以精确控制的问题,文中提出一种BP神经网络PID控制算法。该方法基于仿生柔性臂的运动学模型和驱动模型,利用电阻映射的弯曲角度反馈,采用BP神经网络优化PID参数实现位置控制。然后,搭建仿生柔性臂实验测试平台,利用不同驱动电压条件下弯曲实验测试数据确立初始PID参数,分别采用传统PID方法、模糊PID控制方法和BP神经网络PID控制算法对仿生柔性机械臂进行位置控制实验。结果表明,与其他两种方法相比,BP神经网络PID控制方法能在5 s内达到期望角度,调节时间更短,位置误差仅为2°,并且在外界扰动条件下2 s内可完成自适应调节,具有较强的鲁棒性,能够更好地补偿SMA相变过程中的迟滞问题,证明了所提方法的有效性。

双程SMA丝驱动的柔性弯曲关节设计与测试

本文设计了一种柔性弯曲关节,由铝合金圆环、超弹性形状记忆合金(SMA)以及双程形状记忆合金丝构成,其中超弹性SMA作为支撑杆,双程SMA丝作为驱动机构,通过电流驱动双程SMA收缩,实现了柔性关节自主弯曲,电流卸载后关节可恢复至初始状态。搭建了双程SMA丝驱动收缩特性测试平台,当电流为2.1 A时,收缩率为4.02%,建立了ABAQUS模型仿真。建立了弯曲关节的3D运动学模型,获得了不同加载条件下,两段关节弯曲角度的理论值。通过对比理论模型和实验结果,表明:采用超弹性SMA可有效增加弯曲角度,两段关节最大弯曲角度分别为43.1°与22°。

压痕SMA丝复合材料界面本构与性能分析

基于混杂形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称“SMA”)驱动器的自适应可变形复合材料结构正常服役的前提是界面性能良好。研究表明在光圆SMA丝上引入细压痕可显著提升界面性能。进一步研究压痕SMA丝复合材料的本构是开展混杂压痕SMA丝复合材料结构设计、应用的基础。本文通过圆柱拉拔试验,基于搭建的粘结-滑移测试系统,采集到了载荷-滑移数据,结合理论分析,建立了界面的粘结-滑移本构模型,并通过分析得出了基于区域平均准则思想的界面临界失效剪应力强度值。

双向耗能钢板-形状记忆合金丝阻尼器性能有限元分析

提出了一种双向耗能钢板-形状记忆合金(SSMA)丝阻尼器,用于解决传统钢板阻尼器塑性变形不可恢复的问题。该阻尼器是一种结合了耗能钢板和超弹性SMA丝的复合阻尼器,结合了两种耗能机制,具有双向耗能能力和可恢复性,其性能优于传统单一类型的钢板阻尼器和SMA丝阻尼器。编写了Ni-Ti超弹性SMA丝的本构关系子程序并将该子程序与ABAQUS软件进行对接;利用ABAQUS有限元软件对未附加SMA丝的钢板阻尼器和SMA丝组分别进行模拟,SMA本构模型为双旗型本构模型;然后,对复合阻尼器SSMA进行模拟分析,深入研究SSMA的力学性能并给出其恢复力模型与设计建议。有限元分析结果表明,复合阻尼器SSMA具有饱满的滞回曲线、良好的耗能能力和良好的可恢复性。

基于柔性鳍单元的尾鳍推进微型机器鱼设计研究

论述了一种微型机器鱼.首先对亚鲹科、鲹科和鳐科模式游动动作进行了简化和抽象,确定柔性弯曲是这三种模式的一种简化的游动动作.然后从乌贼鳍的肌肉性静水骨骼鳍的结构得出灵感,提出并研制了能够实现柔性弯曲的柔性鳍单元;它应用动物弹性机制,由形状记忆合金(shape memory alloy,简称SMA)丝驱动.再对SMA丝进行了热力学分析,从而优化其驱动.最后,基于柔性鳍单元,设计了无线遥控的尾鳍推进微型机器鱼,并进行了游动试验;实现了亚鲹科和鲹科模式游动动作.该机器鱼无任何转动、滑动部件,能够实现快速、安静的隐蔽性游动.

形状记忆合金丝驱动的柔性机械臂建模与实验

针对传统机械臂在水下特殊环境中柔性不能满足应用需求的问题,在分析章鱼腕生物学肌肉组织结构的基础上,设计形状记忆合金(SMA)丝驱动的柔性机械臂.建立柔性机械臂的力学模型、SMA丝的热力学模型和本构模型.通过实验研究不同驱动电压和脉宽调制(PWM)方波的占空比对SMA丝电阻和柔性机械臂弯曲角度的影响.实验结果表明,柔性机械臂能够实现连续的柔性弯曲运动,最大弯曲角度为60°,驱动电压、PWM占空比、SMA电阻和柔性机械臂弯曲角度关系的实验结果与理论分析结果吻合较好.

形状记忆合金丝训练测试系统的研制

为给形状记忆合金丝提供自动训练装置,并能实时测量其动作过程中应力、应变及内部电阻的变化,研制了基于LabVIEW和研华数据采集卡的步进电机驱动的形状记忆合金丝训练测试系统。该训练测试系统能够方便地实现不同型号形状记忆合金丝的自动训练过程,并能测试形状记忆合金丝在不同通电条件和外力条件下的性能。实验结果表明,采集到的形状记忆合金丝的数据准确性较高,并能实时地显示和存储,为形状记忆合金丝的进一步应用和控制提供了实验数据基础。

形状记忆合金丝驱动的仿生双尾鳍推进器的仿真和实验研究

单尾鳍推进的仿生鱼会产生周期性的、较大幅度的侧向力,使得鱼体产生横向振荡和偏摆,不利于游动的稳定性。为了消除侧向力的影响,提出一种双尾鳍摆动推进的策略,通过双尾鳍的对称摆动来抵消摆动时产生的侧向力。研制了形状记忆合金丝驱动的仿生双尾鳍推进器,并通过仿真和实验的方法对双尾鳍的推进性能进行分析。

形状记忆合金丝驱动仿生波动鳍推进器设计与实验研究

研究了一种形状记忆合金(SMA)丝驱动的仿生波动鳍推进器。在分析墨鱼鳍肌肉结构和运动机制的基础上,建立了鳍波动运动学模型,研制了基于SMA丝驱动柔性鳍单元的仿生波动鳍推进器,并进行了试验研究。结果表明,仿生推进器能实现与墨鱼鳍相似的柔性运动,波幅和推进力随SMA丝的驱动脉冲宽度的增加而增大,鳍波动推进力呈周期性变化,瞬时推力在驱动脉冲宽度80ms时达到最大值180mN。

形状记忆合金驱动手指功能康复外骨骼设计

为了研制适应关节黏弹特性、轻便、可穿戴的手指功能康复装置,在分析手指关节、肌腱运动机理的基础上,设计形状记忆合金(SMA)丝驱动的手指功能康复装置.建立该装置的运动学模型和SMA驱动模型,提出基于SMA丝电阻反馈的模糊神经网络PID控制方法,研制手指功能康复外骨骼样机,进行样机的运动性能和控制性能实验.结果表明,仿生外骨骼实现了预期的手指被动康复运动,拇指、食指和中指的最大弯曲角度与人体手指的弯曲角度相近,分别为130.5°、236.4°、242.5°;仿生外骨骼能够辅助手指完成日常抓握动作;模糊神经网络PID相比于传统PID控制,有效缩短了仿生外骨骼的响应时间,手指的屈伸康复频率为6次/min.