刘玉玺硕士论文-形状记忆合金驱动器的设计与实验分析

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Level of Secrecy： Student Number：30808020301
Master's Dissertation of Chongqing University of Technology
Experimental Analysis and Design of Shape Memory Alloy Actuator
Postgraduate: Supervisor: Specialty:
Liu Yuxi Prof. Yang Yan Mechanical Design and Theory
分 类 号： 论文编号：
密 级： 学 号：30808020301
重庆理工大学硕士学位论文
形状记忆合金驱动器的 设计与实验分析
研 指 学 研 培
究
生:
刘 玉 玺 杨 岩 教授
导 教 师： 科 专 业： 究 方 向： 养 单 位：
机械设计及理论 现代机械设计理论方法及应用 重庆汽车学院 2011 年 4 月 20 日 2011 年 5 月 21 日
重庆理工大学 学位论文原创性声明
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形状记忆合金驱动器的设计与实验分析
摘
要
形状记忆合金（Shape Memory Alloy, 简称SMA）是指具有一定初始形状的合金 在低温下经塑性形变并固定成另一种形变后， 当加热到某一临界温度以上时又可以恢 复到初始状态的一类合金。其优良特性：形状记忆效应(Shape Memory Effect，简称 SME)与相变伪弹性。SMA集感知和驱动于一体，通过加热和冷却可使SMA材料/结 构具有感知、判断、执行和自适应的能力。根据文献调研，形状记忆合金螺旋弹簧因 能输出较大的力、较大的驱动位移等优点,使其在微型机器人及微驱动系统等领域具 有独特的应用前景。因此，对SMA螺旋弹簧力学特性和SMA驱动器的研究，有助于 促进SMA材料在工程中更广泛的应用。 论文的主要研究工作： 1) 通过对国内外研究成果的收集，以及对SMA的特性及SMA驱动器的研究现状 进行分析，并分别从宏观和微观两个角度对SMA的形状记忆特性进行研究。 2) 在Brinson形状记忆合金一维本构模型及前人研究的基础上，并结合普通弹簧 的计算公式，得到了SMA螺旋弹簧驱动元件的负载、温度和变形量之间关系的力学 方程。 3) 在对SMA螺旋弹簧力学特性分析的基础上，对其设计方法进行对比，并给出 了SMA圆柱拉伸、压缩弹簧的设计计算过程。 4) 设计并制作了用于测试SMA螺旋弹簧力学特性的实验装置。首先，采用电加 热的方式，对NiTi-SMA拉伸和压缩弹簧的力学特性进行实验分析；其次，把所得到 的SMA螺旋弹簧力学方程在MATLAB7.0中进行仿真， 并与实验结果进行对比、 分析， 验证了其力学方程的正确性。 5) 对SMA螺旋弹簧的驱动特性及双程SMA驱动器的动作原理进行分析，给出了 电热SMA螺旋弹簧双程驱动器的一般设计方法。 6) 设计了一种直线式电热SMA驱动器，对其运动分析，并建立了适用于本驱动 器的驱动力学方程。然后对驱动器进行测试，并与所建立的驱动力学方程在 MATLAB7.0中的理论结果进行对比、分析，验证了所建立的驱动力学方程的可行性。 关键词：SMA，形状记忆效应，SMA 螺旋弹簧，驱动力学方程，电热驱动器，脉宽 调制电流，驱动元件，剪切模量
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Research Direction: Modern Mechanical Design Theory and Application Training Unit: Thesis Deadline: Oral Defense Date: Chongqing Institute of Automobile April 20, 2011 May 21, 2011
I
重庆理工大学硕士学位论文
II
形状记忆合金驱动器的设计与实验分析
Abstract
Shape memory alloy (SMA) is an alloy with a certain initial shape at low temperature by plastic deformation and fixed into another deformed, which can return to the initial state when heating to a critical temperature. Its prominent feature are shape memory effect (SME) and pseudo-elastic phase transition. Because of its ability of unifying perception and driving, SMA material/structure is able to perception, judgments, execution and adaptive capacity by heating and cooling.According to the research of literatures, Shape Memory Alloy helical spring in the micro-robots, micro-drive systems and other fields will have broad application prospects, because of its advantages of outputting a stronger power, longer driving distance.Therefore, to the research of SMA helical spring and SMA helical spring actuator have certain significance for a wide applications of SMA. The main works in this dissertation are as follows: 1) Through collection to domestic and foreign research results, the characteristics of the SMA and the SMA Actuator were analyzed, and shape memory characteristics were researched both from macro aspect and micro aspect. 2) Based on SMA One-dimensional constitutive model of Brinson and research results of others, and combined with ordinary spring formula. Mechanical equation of SMA spring drive components which include load, temperature and deformation was obtained. 3) Based on the analysis of mechanical properties of SMA helical spring, and compared its design. The design calculation processes of SMA cylindrical helical tensile spring and compression helical were given. 4) Experimental apparatus which is used to testing the mechanical properties of SMA helical spring was designed and fabricated.First, by way of electric heating, mechanical properties of NiTi-SMA spring tension and compression spring were analysed experimentally; Second, the mechanical equation of SMA helical spring was simulated in MATLAB7.0, and compared with the experimental results.Then the correctness of the mechanical equation was verified. 5) By analyzing the driving characteristics of SMA helical spring and the action principle of two-way SMA actuator were analysed, and the general design method of electric two-way SMA helical spring actuator was obtained. 6) A linear electric SMA actuator was designed; its motion was analyzed, and its drive