形状记忆合金线性驱动器的设计及位移特性分析

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形状记忆合金驱动器的研究现状及展望

ｆｏｒｃｅ，ｆａｓｔｍｅｃｈａｎｉｃｌａｒｅｓｐｏｎｓｅａｎｄｃａｎｂｅｐｒｅｃｉｓｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ，ＳＯｉｔｉｓｅｘｐｅｃｔｅｄｔｏｂｅａｎｅｗｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆａｃｔｕａｔｏｒａｎｄｓｅｎｓｏｒ
ｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｓｈａｐｅｍｅｍｏｙｒｌｌａｏｙｉｎｔｅｒｍｓｏｆｔｈｅａｃｔｕａｔｏｒｒｅｓｅａｒｃｈｉｓｓｕｍｍａｉｒｚｅｄａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．
・
机械研究与应用・２０１３年第６期（第２６卷，总第１２８期）
综述
形状记忆合金驱动器的研究现状及展望
徐小兵，邓荆江，
（１．长江大学机械工程学院，湖北荆州４３４０２３；２．江汉石油管理局技术监督处，湖北潜江４３３１２４）
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍａｔｅｉｒｌ；ａＳｈａｐｅＭｅｍｏｒｙＡｌｌｏｙ（ＳＭＡ）；ａｃｔｕａｔｏｒ
பைடு நூலகம்
１前
言
ＭａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＳｈａｐｅＭｅｍｏｙｒＡｌｌｏｙ，ＭＳＭＡ）。

一种形状记忆合金驱动器性能实验研究

硕士学位论文开题报告及论文工作计划书
课题名称一种形状记忆合金驱动器性能实验研究
学号1000601
姓名杨
专业机械设计及理论
学院机械工程与自动化学院
导师陈
副导师
选题时间年月日
东北大学研究生院
年月日
填表说明
1、本表一、二、三、四、五项在导师指导下如实填写。

2、学生在通过开题后一周内将该材料交到所在学院、研究所。

3、学生入学后第三学期应完成论文开题报告，按有关规定，没有完成开题报告的学生不能申请论文答辩。

热管是一种能快速将热能从一点传至另一点的装置，由于它具有超常的热传导能力
东北大学硕士研究生学位论文选题报告评分表。

磁控形状记忆合金驱动器的设计及特性分析

磁控形状记忆合金驱动器的设计及特性分析
曾宇露;黄森林;万家鑫;曹清华;赵冉
【期刊名称】《南昌工程学院学报》
【年(卷),期】2021(40)6
【摘要】针对现有微位移驱动器控制精度低、位移行程小的问题,设计了一种以磁控形状记忆合金材料(MSMA)为驱动元件的新型驱动器。

基于MSMA的磁致伸缩原理设计了驱动器的整体结构,通过计算确定了相关设计参数,采用有限元仿真软件COMSOL对磁路进行仿真。

建立驱动器的位移输出模型,通过计算得到预压力为零时驱动器最大输出位移为1.12 mm。

为验证理论模型的正确性,制作了实物样机并进行性能测试,测试结果表明输出位移最大可以达到1.07 mm,理论模型与实验结果较为相符,表明该装置设计合理,实现了驱动器较大的位移输出,对于拓宽驱动器的应用领域具有研究意义。

【总页数】5页(P78-82)
【作者】曾宇露;黄森林;万家鑫;曹清华;赵冉
【作者单位】南昌工程学院江西省精密驱动与控制重点实验室;中原工学院中原彼得堡航空学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH703
【相关文献】
1.基于混合遗传算法的磁控形状记忆合金驱动器磁滞模型优化
2.磁控形状记忆合金直线驱动器
3.基于磁控形状记忆合金的伺服阀驱动器
4.基于磁控形状记忆合金驱动器伺服阀的建模与仿真
5.基于磁控形状记忆合金驱动器的结构自适应模糊控制
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形状记忆合金(SMA)弹簧驱动器的变形研究

形状记忆合金(SMA)弹簧驱动器的变形研究许红伟;费燕琼;朱宇航;王绪【摘要】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Clau-sius-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.%A deforming model of shape memory alloy ( SMA) spring actuators applicable to soft robots was built with its undetermined parameters of A1, A2, A3, B1, B2 and B3 being obtained, and some experiments were performed to verify the model.Firstly, the undetermined parameter method was used to build a deforming model of SMA springs based on the Clausius-Clapeyron equation and Taylor expansion , and the nonlinear relations among SMA springs ' deformation, load and temperature were described .Secondly , based on the heat balance equation , a temperature changing model of SMA springs under electric heating was built , and a curve was shown to describe the relationship between the heating time and the spring temperature .Thirdly , the deforming experiment was performed in the con-dition that spring is free .Lastly, the models' validity was verified through specified loadexperiments and specified deformation experiments .The established models were proved to be referential for building the controlling system of soft robots .【期刊名称】《高技术通讯》【年(卷),期】2017(027)006【总页数】5页(P554-558)【关键词】形状记忆合金(SMA);弹簧;变形;弹簧驱动器【作者】许红伟;费燕琼;朱宇航;王绪【作者单位】上海交通大学机器人研究所上海200240;上海交通大学机器人研究所上海200240;上海交通大学机器人研究所上海200240;上海交通大学机器人研究所上海200240【正文语种】中文由于结构限制，传统的刚性机器人对复杂环境的适应性较弱[1]。

形状记忆合金的性质,应用及效应机制

片状马氏体
板条马氏体
针状马氏体
马氏体相变：
它是母相奥氏体（碳在 γ－Fe 中形成的间隙固溶体，面心立方 FCC 点阵）转变为马氏体的过程。
可以恰当而简练的定义为“ 原子联动所引起的切变型点阵相变 ”。母相中的原子，不是处在各自零散状态，而是在保
在逆相变过程中，由于两相之间的点阵对应关系单一，且相变时点阵应变非常小，因而逆相变时母相变体完全固定不变。这样一来，逆相变时必然选取原位向的母相，所以在产生热弹性相变的合金中，形状记忆效应以完全可逆的形式出现。
条件（2）是理所当然的，因为滑移是不可逆过程。也就是说，如果在晶体中出现滑移，由滑移导致的变形即使加热也消除不了。热弹性马氏体相变发生的不是滑移，而是另一种基本的形变机制 — — 孪生。从微观上看，晶体原子排列沿某一特定面镜像对称。那个面叫孪晶面（孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为 " 孪晶 " ，此公共晶面就称孪晶面）。即实际上它是由位向互为孪晶关系的两种马氏体区构成，每一个马氏体和母相点阵之间具有晶体学上等价的特定点阵对应关系。这种具有点阵对应关系的每个马氏体称为对应变体。

差动式形状记忆合金驱动器驱动性能研究

差动式形状记忆合金驱动器驱动性能研究刘俊兵【摘要】设计了一种变体机翼后缘驱动器,对几种常规加热方式进行测试、对比后,选择附着碳纤维丝加热,达到了理想加热效果.并通过升温测试及激励间隔实验,对形状记忆合金卷簧的热响应进行研究,分析了该驱动源在不同激励方式下的温升与散热特性和对输出的影响,实现了通过最优激励方式控制驱动器工作的目的,为该驱动器在后续智能控制设计方面起到了指导作用.【期刊名称】《现代机械》【年(卷),期】2017(000)001【总页数】4页(P4-7)【关键词】形状记忆合金;驱动器;差动;激励【作者】刘俊兵【作者单位】江南机电设计研究所,贵州贵阳550009【正文语种】中文【中图分类】TB381变体机翼飞机在飞行过程中为了适应不同的飞行环境，可以自主地改变机翼的展弦比、机翼面积、后掠角等，从而提高飞机的飞行能力，改善飞行性能[1]。

传统的机翼驱动方式主要有电机驱动、液压驱动、气动驱动等[2]，这些驱动方式往往存在结构笨重，占用空间较大等问题，这就影响了飞机的机动性能和载重，因此寻找一种新型的驱动技术将会明显地提高飞机性能。

形状记忆合金(SMA)是一种具有形状记忆效应的功能型材料，它具有质量小，功重比大、驱动结构简单、响应迅速、工作时无噪声等特点，在变体机翼的驱动方面有着良好的应用前景[3-6]。

但是以SMA为驱动源的驱动器存在的主要问题是通过加热方式来激励驱动器，其升温、降温的时间较长，这使得驱动器工作频率降低，且无法达到最佳的驱动性能[7]。

针对以上问题，本文以非接触式形状记忆合金平面涡卷弹簧(以下简称SMA卷簧)为驱动源，制作了一种差动式SMA驱动器，采用附着碳纤维的方法达到了理想的加热效果，并测试了SMA卷簧在不同电流加热下的升温速率和散热时间，最后通过实验测得了驱动器的输出扭矩与加热时间间隔的关系，进而得到了驱动器在达到最佳驱动性能时的激励方式，对该种结构驱动器在后续智能控制方面的研究起到了一定的参考及指导作用。

刘玉玺硕士论文-形状记忆合金驱动器的设计与实验分析

分类号：密级：论文编号：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究生: 刘玉玺指导教师：杨岩教授学科专业：机械设计及理论研究方向：现代机械设计理论方法及应用培养单位：重庆汽车学院论文完成时间： 2011年4月20日论文答辩日期： 2011年5月21日Category Number：Level of Secrecy：Serial Number ：Student Number：30808020301Master's Dissertation of Chongqing University of TechnologyExperimental Analysis and Design of Shape Memory Alloy ActuatorPostgraduate: Liu YuxiSupervisor: Prof. Yang YanSpecialty: Mechanical Design and TheoryResearch Direction: Modern Mechanical DesignTheory and ApplicationTraining Unit: Chongqing Institute of AutomobileThesis Deadline: April 20, 2011Oral Defense Date: May 21, 2011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。

形状记忆合金驱动器的研究现状及展望

形状记忆合金驱动器的研究现状及展望徐小兵;邓荆江【摘要】Shape Memory Alloy is a new kind of intelligent materials with the advantages of large magnetic strain, huge driving force, fast mechanical response and can be precise controlled, so it is expected to be a new generation of actuator and sensor materials.The traditional temperature control shape memory alloy is mainly compared with the new type of magnetic shape memory alloy, and the differences of their working principles and their applications in actuator are introduced.Finally the study of the shape memory alloy in terms of the actuator research is summarized and prospected.%形状记忆合金是一种新型智能材料，具有大的磁致应变、驱动迅速、驱动力大、能够精确控制等优点，有望成为新一代驱动与传感材料。

主要类比了传统温控形状记忆合金和新型磁控形状记忆合金的区别，综述了它们的工作原理及在驱动器方面的应用，对它们在驱动器方面的研究进行了总结和展望。

【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2013(000)006【总页数】4页(P187-190)【关键词】智能材料;形状记忆合金;驱动器【作者】徐小兵;邓荆江【作者单位】长江大学机械工程学院，湖北荆州 434023;长江大学机械工程学院，湖北荆州 434023; 江汉石油管理局技术监督处，湖北潜江 433124【正文语种】中文【中图分类】TF641 前言形状记忆合金是一种兼有感知和驱动功能的新型功能材料，具有形状记忆效应、超弹性效应、高阻尼特性、抗疲劳效应、很好的抗腐蚀能力以及生物相容性等优点,在航空、航天、工程、医学、驱动器的感知和驱动等领域得到了广泛的应用[1-4]。

形状记忆合金驱动

能翼研制阶段
现代机器人领域
通过 NiTi SMA丝和偏置弹簧驱动的一自由度SMA机械臂
其他领域
• 建筑工程领域
• 在日常生活中
SMA已显示出具有隔音和探测地震的潜能，在建筑物和桥梁的应用中已得到试验，因此为隔音和损害控制领域的应用提供了新的发展空间。将SMA应用到固定桥梁和道路中，可以有效地避免在地震中断裂甚至造成坍塌，因为SMA可以在地震中适当伸长缓解冲击和在震后能重新恢复。 SMA制成的弹簧放在热水中，弹簧的长度立即伸长，在放到冷水中，它会立即恢复原形。利用SMA弹簧可以控制浴室水管的水温，在热水温度过高时通过记忆功能，调节或关闭供水管道，以免烫伤。还可以制成消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时，SMA制成的弹簧发生形变，启动消防报警装置，达到报警的目的。还可以把用 SMA制成的弹簧放在暖气的阀门内，用以保持暖房的温度，当温度过低或过高时，自动开启或关闭暖气的阀门。
形状记忆合金驱动结构设计及控制研究
机械工程领域
SMA在机械工程领域中常用作阻尼元件和应力驱动元件,且SMA主要以丝、
薄片、梁等形式作为智能材料使用。
形状记忆合金紧固铆钉及其使用示意图
生物医疗器械领域
SMA在生物医疗器械领域扮演着相当重要的角色。
医疗固定器的应用示意图
航空航天工程领域
SMA已被应用到航空和太空装置中,如在航天飞行器有效载荷的分离机构、

单程形状记忆合金驱动器设计方法

器的输出功都为
零. 为保证输出功不为零, 载荷必须满足: 0< N ( x )
< Fmax . 在 SM A 元件残余变形恢复过程中, 若 N ( x ) < f A ( 残余 - x ) , 0 ≤ x ≤ x max
( 其中, f A ( 残余 - x ) 为 SM A 元件残余变形恢复 x
力和温度之间的关系并遵守 Cl ausius-Clapey ron 方程[ 4] . 故可得:
Ql = r V ! T l
( 10)
式中: V 为 SM A 元件的体积; !为 SM A 元件在应力
第 2 期
李明东, 等: 一种基于功/ 能转换效率最高原则的单程形状记忆合金驱动器设计方法 371
合理的.
1 单程 SMA 驱动器工作机理
图 1 为单程 SM A 驱动器的原理图. 图中 f M 和 f A 分别为 SM A 元件在低温马氏体状态时的变形力和高温奥氏体状态时的相变回复力, K M 和 K A 分别为它们的弹性系数.
为逆相变开始时
SM A
元件
所受应力, 单程 SM A 驱动器中, 若加热前无载荷,
则取为零.
图 3 应力对相变温度的影响 F ig . 3 T he effect of str ess o n tra nsfo rmation temper ature
计算热量的消耗时应考虑应力的影响, 潜热、应
2. 1 能量转换模型
SM A 驱动器欲将预变形产生的化学能转化为
势能并对外做功, 必须在热量的驱动下发生相变. 图
2 为单程 SMA 驱动器工作前后 SM A 元件的形状、
相态变化与功/ 能/ 热的转换关系. 环境输入热量 Q in

形状记忆合金位置控制系统数值分析与研究

形状记忆合金位置控制系统数值分析与研究刘畅;阎石;王伟【摘要】本文提出一种利用形状记忆合金(SMA)驱动性质并结合模糊逻辑算法进行结构位置控制的方法.首先,介绍利用常温下马氏体形状记忆镍钛合金(Nitino1)的驱动特性制成的位置控制装置的基本原理.采用电加热的方法改变Nitinol的温度,从而驱动控制对象发生位置变化.采用与温度变化相关的输出位移作为反馈信号,设计出基于反馈控制的自调节控制系统.其次,进行基于模糊逻辑的控制器设计.根据SMA自身的物理特性具有非线性,温度滞后,时变等特性,采用了不依赖于SMA数学模型的模糊控制系统.然后,进行数值仿真分析.在仿真前,对模糊控制模块进行编辑,根据Matlab提供的模糊逻辑编辑器对模糊控制器进行编译.最后,进行试验验证.试验在实验室中完成.试验采用马氏体Nitinol丝材,通过电加热的方法控制物块的移动位置.通过热电偶反馈Nitinol的温度信号,利用电加热控制作动器的运动,利用LVDT监测物块的位置.仿真分析和实验结果均表明,该控制器控制精度高,响应速度快,稳定性好等特点.【期刊名称】《土木工程与管理学报》【年(卷),期】2008(025)004【总页数】4页(P305-308)【关键词】形状记忆合金(SMA);位置控制;模糊算法;试验研究【作者】刘畅;阎石;王伟【作者单位】沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁,沈阳,110168;沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁,沈阳,110168;沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁,沈阳,110168【正文语种】中文【中图分类】TGL39+.6形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）作为一种新型的智能材料，在土木工程等许多领域有着广泛的应用，有着广泛的前景。

由于SMA具有形状记忆效应（Shape Memory Effect，简称SME）、超弹性（Psudoelasticity，简称PE）、高阻尼、抗疲劳性能好等特殊性能，使其在功能材料的研究中倍受重视[1]。

形状记忆合金驱动主动变形结构的设计与制作

工学硕士学位论文形状记忆合金驱动主动变形结构的设计与制作王晓宏哈尔滨工业大学2006年6月国内图书分类号：TB381国际图书分类号: 620工学硕士学位论文形状记忆合金驱动主动变形结构的设计与制作硕士研究生：王晓宏导师：杜善义教授副导师：张博明教授申请学位：工学硕士学科、专业：材料学所在单位：航天工程与力学系答辩日期：2006年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index：TB381U.D.C.: 620Dissertation for the Master Degree in Engineering THE DESIGN AND FABRICATIONOF INITIATIVE DISTORTION STRUCTURE DRIVEN BY SHAPE MEMORY ALLOYSCandidate:Supervisor:Associate Supervisor: Academic Degree Applied for: Specialty:Affiliation：Date of Defence:Degree-Conferring-Institution: Wang XiaohongProf. Du ShangyiProf. Zhang BomingMaster of Engineering Material Science Department of Astronautic Engineering and Mechanics June, 2006Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要在航空飞行器结构的研究领域，翼面的气动弹性设计是重要的研究内容之一。

多年来飞机设计师一直期望不用舵面，直接依靠机翼变形来改变空气动力进行飞行操纵，以获得最佳的气动性能。

故提出了自适应机翼的概念：这是一种外形及弯度可根据任务需要而改变的一种柔性机翼，这种柔性机翼的驱动材料一般使用形状记忆合金。

一种形状记忆合金扭转驱动器的制备与测试

一种形状记忆合金扭转驱动器的制备与测试吴佳俊王帮峰芦吉云张勇南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室,南京,210016摘要:研究了一种以镍钛(N i T i)形状记忆合金带材为基本驱动材料的平面涡卷式扭转驱动器㊂该驱动器利用N i T i 合金的单程形状记忆效应与回复弹簧的相互作用,实现驱动器在高低温状态下正反两向的扭矩输出㊂分析了驱动器的基本结构形式和驱动原理,探讨了N i T i 合金驱动部件的设计方法和基本制备工艺㊂设计制作了驱动器原理样机,并测试了驱动器的输入输出特性㊂测试结果表明,该驱动器在给定的高低温环境(10~60℃)下能够在正反两个方向连续稳定地输出扭矩,最大行程范围为0~175°,最大输出扭矩达到0.33N ㊃m ㊂实测结果证明了驱动器设计方案与制备工艺的可行性㊂关键词:形状记忆合金;平面涡卷弹簧;驱动器;结构设计中图分类号:T B 381 D O I :10.3969/j.i s s n .1004-132X.2014.12.006D e s i gna n dT e s t o f aK i n do f S M AT o r s i o n a l A c t u a t o r W u J i a j u n W a n g B a n g f e n g L u J i y u n Z h a n g Y o n gS t a t eK e y L a b o r a t o r y ofM e c h a n i c s a n dC o n t r o l o fM e c h a n i c a l S t r u c t u r e s ,N a n j i n g U n i v e r s i t y o fA e r o a n dA s t r o ,N a n j i n g,210016A b s t r a c t :O n ek i n do f p l a n e t u r b i n a t i o nt o r q u eo u t p u ta c t u a t o rb a s e do n N i ‐T iS MA w a s i n t r o -d u ce dh e r e i n .T h i sd e v i c ec o u l da c h i e v ef o r w a r da n dr e v e r s e t o r q u eo u t p u t c o r r e s p o n d i ng t oth ehi g h a n d l o wt e m p e r a t u r e s t a t ew i t h t h e i n t e r a c t i o no f t h e s i n g l e t r i p m e m o r y e f f e c t o fN i T i a l l o y a n d t h e r e c o v e r y s p r i n g .F i r s t t h eb a s i cs t r u c t u r ea n da c t i o n p r i n c i p l ew e r ed e c l a r e da n dt h ed e s i g na p p r o a c h a n d i t sb a s i c p r e p a r a t i o n t e c h n o l o g y o f S MAa c t i n gp a r tw e r e d i s c u s s e d .T h e n t h e p r i n c i p l e p r o t o t y p e w a sd e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e d .T h e i n p u t ‐o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c t e s tw a s p r o c e s s e d .T e s t i n g re s u l t s s h o wt h a t ,t h e d e v i c e c o u l d c o n t i n u o u s l y a n d s t a b l y o u t p u t t o r q u e s u n d e r t h e c o n d i t i o n of t e m pe r a t u r e s t a t ef r o m 10~60℃.T h e m a x i m u m s t r o k er a ng ei sa s0~175°,a n dth e m a xi m u m t o r qu ei s 0.33N ㊃m.T h e r e s u l t s v e r i f y t h e f e a s i b i l i t y o f t h ed e s i g na n d p r e pa r a t i o n p r o c e s s o f t h i s d e v i c e .K e y wo r d s :s h a p em e m o r y a l l o y (S MA );f l a t s p i r a l s p r i n g ;a c t u a t o r ;s t r u c t u r e d e s i g n 收稿日期:2013 01 18基金项目:国家自然科学基金资助项目(51075207);航空科学基金资助项目(2011Z A 52013);江苏高校优势学科建设工程资助项目0 引言N i T i 形状记忆合金是最早发现的记忆合金,其制备工艺成熟㊁变形及驱动力大,成为智能材料驱动领域中的一个重点研究对象[1‐5]㊂N i T i 合金的形状记忆效应的基本原理是在温度变化和应力的综合作用下,材料内部的热弹性马氏体与奥氏体相互转变的过程㊂其基本过程可以简述如下:材料在马氏体相变起始温度M S 以下受到外力加载形成马氏体单晶,出现宏观变形;之后在去除外力状态下,将温度升至高于奥氏体相变终止温度A f 时,马氏体通过逆相变回复到原本奥氏体状态,材料宏观恢复原有形状[6]㊂应用形状记忆合金的形状记忆效应,研究人员设计研发了多种驱动器,其中一大类就是扭矩输出式驱动器[7]㊂现有的扭矩输出式驱动器均以N i T i 合金丝的直线变形转化为转矩输出,而本文提出的扭转驱动器使用带材而非丝材作为基础材料,以平面涡卷缩放形式而非直线拉伸形式作为驱动方式,实现了扭矩的直接输出,省去了现有扭力输出驱动器中的运动转换机构,使其结构更为紧凑㊂同时,由于本驱动器的驱动机理是利用带材的弯曲变形回复而非丝材的拉伸形变回复,故驱动器的行程也有所增大㊂1 驱动器的设计与制作1.1 驱动器的基本结构驱动器的基本形式如图1所示㊂将N i T i 合金带状材料制备成为平面涡卷形式,与回复卷簧同轴布置㊂低温状态下,S MA 卷簧在回复卷簧的预紧作用下发生变形㊂温度升高后,由于形状记忆效应,S MA 卷簧克服回复卷簧的预紧扭矩,驱动转轴转动对外输出扭矩㊂温度下降后,S MA 弹性模量数值减小,回复卷簧的预紧力克服S MA 卷簧的弹性作用力使驱动转轴反向转动,对外输出反向扭矩㊂如此往复,从而实现了对温度变化响应的双向扭矩输出㊂1.2 驱动器的性能计算本驱动器中N i T i 合金卷簧分别在高低温状㊃1951㊃一种形状记忆合金扭转驱动器的制备与测试吴佳俊王帮峰芦吉云等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图1 驱动器结构示意图态下的抗扭刚度㊁回复卷簧的抗扭刚度以及N i T i 合金卷簧与回复卷簧之间的预紧角度是影响驱动器性能的主要参数㊂本文研究的驱动器的性能主要是指高低温状态下扭矩输出以及最大行程㊂驱动器的性能计算方式如图2所示:N i T i卷簧在高温态下的抗扭刚度曲线用函数曲线M H(θ)表示; S MA卷簧在低温态下的抗扭刚度曲线用函数曲线M L(θ)表示;回复卷簧的抗扭刚度用函数曲线M S(θ)表示㊂M H(θ)与M S(θ)相交于点a(M a,θa),M L(θ)与M S(θ)相交于点b(M b,θb)㊂图2 驱动器性能设计示意图以受高温激励情况下输出的扭矩方向为正向,驱动器的相关性能参数如下㊂双向最大转角行程为θm a x=θb-θa高温激励状态下,扭矩输出为M(θ)=M H(θ)-M S(θ) θa≤θ≤θb低温状态下,扭矩输出为M(θ)=M L(θ)-M S(θ)图2中,M H(θ)和M L(θ)的真实数值曲线可由下文中的测试方式获取㊂分析图2可知,使用低刚度的回复卷簧以及较大的预紧角度能使驱动器的扭矩输出以及最大转角行程增大㊂1.3 N i T i卷簧的制备工艺依据受高温激励状态下工作方式的不同, N i T i合金卷簧可分为以下3种:①舒张式㊂舒张式是指将带材在大曲率半径,甚至平直㊁反曲率半径方向的状态下经过热处理定形,随后在回复卷簧的预紧作用下变形成为小曲率半径形状㊂在驱动器受到高温激励的条件下,由于形状记忆效应, S MA的卷簧舒张后涡线距变大,对外输出扭矩㊂为了便于装配,舒张式卷簧部件在存放时应使用夹具保持收紧状态,防止温度变化引起N i T i合金卷簧变形㊂②收紧式㊂收紧式是指将带材冷加工成可用最紧涡卷状态后进行热处理定形,装配上驱动器机架后在回复卷簧的作用下S MA卷簧舒张涡线距变大㊂受高温激励后由于形状记忆效应,N i T i卷簧收紧涡线距变小,带动转轴转动对外输出扭矩㊂③双向式㊂双向式类似于非接触卷簧,其热定形状态下涡线距远大于带材厚度㊂工作方式依据外力状态可以既为收紧式又为舒张式㊂以舒张式N i T i合金卷簧为例,介绍该零件的制备过程㊂N i T i合金卷簧的基本材料选用冷轧型镍钛带材,基本成分原子比为50∶50㊂驱动部件的制备流程如下:(1)截取适当长度带材,将其以较大曲率绕制卷簧,固定外形后放入马弗炉内进行热处理㊂(2)热处理工艺以中温定型为主,将马弗炉温度设定在450℃,保温1h后随炉冷却㊂(3)将热处理完毕的N i T i合金卷簧取出后,收紧至最小,并用夹具固定,防止在装配前受到温度变化而变形㊂制备所得零件如图3所示㊂图3 N i T i合金卷簧样件2 N i T i合金卷簧与驱动器的性能测试本文对一个舒张式N i T i合金卷簧的高低温抗扭钢度进行测试,并对以此合金卷簧为基础的驱动器进行性能测试㊂测试对象N i T i合金卷簧的基本材料为冷轧型带材,基本成分原子比例为50∶50㊂材料厚度为0.5mm,宽度为5mm,长度为220mm㊂定型处理前奥氏体相变起始温度A s=10℃,奥氏体相变终止温度A f=35℃㊂中温定型曲率半径为15c m㊂低温保存状态最大外径为40mm,安装用芯轴内径为16mm㊂在测试中,将低温态温度定为10℃,将高温态温度定为60℃㊂㊃2951㊃中国机械工程第25卷第12期2014年6月下半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.2.1 测试系统简介激励温度㊁驱动器转角位置以及扭矩输出,是定量描述本驱动器性能的3个主要参数㊂为了准确采集这3个参数,建立了一套专用的测试系统,如图4所示㊂图4 控温水浴扭矩测试系统使用恒温水浴锅和水泵以循环水流对测试对象进行可控温水浴㊂测试对象的扭矩输出端安装一转轮,通过拉索将测试对象的扭矩输出转化为直线拉力输出,并由H F5型拉力计记录,扭矩输出另一端连接旋转编码器作为角度位移传感器㊂测试对象的转角位移位置由螺杆升降机构控制㊂在测试过程中转动螺杆,拉力计对应转动方向进行上升或下降运动,通过拉索和转轮调节测试对象的转角位置㊂当不转动螺杆时,由于螺纹配合具有自锁性,拉力计位置保持不变,从而保证测试对象的转角位置保持不变㊂由于测试对象在高低温激励下的扭矩输出方向不同,故需要配合转轮的旋转方向选择拉索在转轮上的缠绕方向,使拉索始终处于受拉伸状态,以确保拉力计有效记录数据㊂测试完成后,将拉力计读取的拉力数值乘以转轮半径换算为扭矩,连同测试对象转角位置以及水浴温度一起进行分析处理㊂本文中使用的转轮直径为20mm,1N拉力对应0.01N㊃m扭矩㊂2.2 N i T i卷簧的性能测试驱动器的性能计算需要以N i T i合金卷簧在高低温状态下的抗扭刚度作为依据㊂因此,用上述控温水浴扭矩测试系统对其测试㊂需要说明的是,由于驱动器在低温态时,N i T i 合金卷簧被回复卷簧收紧,故抗扭刚度的测试过程应是卷簧由舒张到收紧的过程;高温态时,N i T i 合金卷簧则是克服回复卷簧的预紧力后舒张变形,因此其测试过程应是从收紧到舒张的过程㊂为了保证对N i T i合金卷簧元件的测试结果能有效应用于上述驱动器性能计算中,测试过程中N i T i合金卷簧的变形方向应与其工作方式保持一致㊂其过程如下:(1)除回复卷簧外,将零部件进行组装,并将水浴温度上升至60℃(升温速率为2℃/m i n)后降至10℃(可通过在水浴锅内投入冰块进行辅助降温),得到初始化N i T i合金卷簧㊂(2)将测试对象固定于测试系统的水浴平台上,水浴温度保持在10℃㊂转动升降机构的螺杆使拉力计上升,拉索带动转轮转动逐渐将N i T i卷簧逐渐收紧,测试对象的转角收紧速度约为10°/s㊂记录转轴转动角度和拉力计的读数㊂(3)对N i T i合金卷簧进行60℃水浴,反向转动升降机构中的螺杆,拉力计位置下降,卷簧渐渐舒张,转角舒张速度约为10°/s㊂记录转轴转动角度和拉力计的读数㊂(4)将拉力计的拉力数值换算为扭矩值,得到测试对象分别在10℃和60℃时的扭矩转角位移的关系,如图5㊁图6所示㊂图5 N i T i卷簧输出扭矩和转角的关系图6 驱动器输出扭矩和转角的关系按照上述过程测试数据,将其作为驱动器性能计算的依据㊂2.3 驱动器的性能测试2.3.1 驱动器的转角位移和扭矩输出的关系在获取图5中N i T i合金卷簧分别在10℃和60℃时的抗扭刚度后,可以通过上述计算方式预估驱动器在高低温下的扭矩输出和转角位移的关系:图2中的M H(θ)即为图5中60℃时N i T i合㊃3951㊃一种形状记忆合金扭转驱动器的制备与测试吴佳俊王帮峰芦吉云等Copyright©博看网. All Rights Reserved.金卷簧扭矩和转角位移的关系㊂图2中的M L(θ)即为图5中10℃时N i T i合金卷簧扭矩和转角位移的关系㊂按照选用的回复弹簧的抗扭刚度为1.2×10-3N㊃m/(°),预紧角度为900°,M S(θ)可以表示为1.2×10-3(900-θ);计算结果见图6中的计算值㊂为了验证上述设计计算方式,对驱动器进行了一次对比测试㊂具体过程如下:(1)对驱动器进行一次初始化㊂将水浴温度上升至60℃后降回10℃㊂待转轴稳定后,此时驱动器的状态应如图2中的b点㊂(2)将已初始化的驱动器固定于水浴平台上,连接拉索,进行60℃水浴,待拉力计读数稳定后,转动升降机构的螺杆,使转轮缓慢转动,记录此过程中转轮的转角位置和拉力计的数值,直至拉力计值读数降为0,此时驱动器状态应如图2的a点㊂(3)调整拉索的安装方式准备测试反向力矩㊂将水浴温度降至10℃(直接更换水浴水源)㊂待拉力计读数稳定后,转动升降机构的螺杆,使转轮缓慢转动,记录此过程中转轮的转角位置和拉力计的数值,直至拉力计值读数降为0㊂(4)将拉力计的拉力数值换算为扭矩值,得到测试驱动器分别在10℃和60℃时的扭矩和转角位移的关系,测试结果见图6中的测量值㊂图6中,计算值与测量值具有相同的变化趋势,证明提出的驱动器性能计算方式对实际装配工作具有指导意义㊂同时,结果显示最大扭矩输出以及最大角位移行程的测量值均小于计算值,产生这些误差的可能原因如下:①基本模型的误差㊂1.2节仅考虑温度激励对形状记忆合金材料的弹性模量的影响,而实际形状记忆效应是一种涉及应变㊁应力和温度等参数的耦合复杂物理现象,其间的模型误差导致了测试结果和理论计算的误差㊂②水浴过程中,N i T i卷簧各段的升温过程不同步,使得卷簧的各段变形程度不一,导致卷簧内聚产生摩擦,降低了驱动器的性能㊂2.3.2 激励温度与驱动器的最大扭矩和最大转角的关系在实际的应用环境中,温度的变化可能并非只有高低温两个状态㊂因此,补充两个实验,测试在温度变化过程中驱动器的性能表现㊂测试的目的是获取在升温过程中的不同温度下,驱动器所能提供的最大扭矩和最大转角行程㊂激励温度和最大扭矩输出关系的测试过程如下:①测试过程中,保持升降机构中的螺杆固定,通过拉索机构和转轮限制驱动器转轴转动,使其保持在初始转角为0°的位置㊂②水浴初始温度为10℃,并以约2℃/m i n的速度升温,直至水浴温度达到60℃㊂记录水浴温度和拉力计读数㊂③将拉力读数换算为扭矩,得到驱动器在升温状态时温度和最大输出扭矩的关系,结果见图7㊂图7 驱动器最大输出扭矩和温度的关系温度与驱动器的最大转角的关系测试过程如下:①将拉索和升降机构去除,测试平台仅保留转轮上的角度位移传感器和水浴循环系统,驱动器的扭矩负载始终保持为零㊂②水浴初始温度为10℃,并以约2℃/m i n的速度升温,直至水浴温度达到60℃㊂记录水浴温度和驱动器转角的数值,结果见图8㊂图8 驱动器最大转角和温度的关系3 总结与展望(1)本文以N i T i带材为基本材料设计制备了涡卷式扭转驱动器,并说明了三种不同形式的N i T i卷簧驱动部件的制备流程㊂(2)建立了水浴扭矩角位移测试系统,该系统能对测试对象的转角位移㊁扭矩输出㊁环境温度进行控制和记录㊂测试结果显示在温度范围为10~60℃时,测试对象转角行程达到175°,驱动扭矩最大输出达到0.33N㊃m㊂(3)提出了高低温状态下驱动器的扭矩输出和转角位置的关系的计算方式㊂实验结果显示,计算结果与测试结果具有相同的变化趋势㊂(下转第1599页)㊃4951㊃中国机械工程第25卷第12期2014年6月下半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.构振动特性研究[J].中国机械工程,2011,21(11): 1270‐1274.W a n g A i l u n,H u a n g F e i.E f f e c to f C r a c k e d B l a d eD i s t r i b u t i o no n V i b r a t i o nC h a r a c t e r i s t i c so fa M i s-t u n e dB l a d e dD i s k[J].C h i n a M e c h a n i c a lE n g i n e e r-i n g,2011,21(11):1270‐1274.[3] 姚征,刘高联.基于气动载荷与叶片厚度分布的叶栅气动设计方法[J].应用数学和力学,2003,24(8): 785‐790.Y a oZ h e n g,L i uG a o l i a n.A e r o d y n a m i cD e s i g nM e t h-o do f C a s c a d e P r o f i l e s B a s e d o n L o a d a n d B l a d eT h i c k n e s sD i s t r i b u t i o n[J].A p p l i e d M e c h a n i c sa n dM e c h a n i c s,2003,24(8):785‐790.[4] M a r u g a b a n d h u P,G r i f f i nJ H.A R e d u c e d‐o r d e rM o d e lf o r E v a l u a t i n g t h e E f f e c t o f R o t a t i o n a lS p e e do n t h eN a t u r a l F r e q u e n c i e s a n dM o d e S h a p e so fB l a d e s[J].A S M EJ.E n g.G a sT u r b i n eP o w e r,2003,125(3):772‐776.[5] 王建军,卿立伟,李其汉.旋转叶片频率转向与振型转换特性[J].航空动力学报,2007,22(1):8‐11.W a n g J i a n j u n,Q i n g L i w e i,L i Q i h a n.F r e q u e n c yV e e r i n g a n d M o d eS h a p eI n t e r a c t i o nf o r R o t a t i n gB l a d e s[J].J o u r n a lo f A e r o s p a c e P o w e r,2007,22(1):8‐11.[6] L iM i n g m i n g,S o n g F a n g z h e n,D i n g C h u a n g u a n g.T h eF r e q u e n c y V e e r i n g P h e n o m e n a o f t h eB e a m s o fC a n t i l e v e r S c r e e n[J].A p p l i e d M e c h a n i c s a n d M a t e-r i a l s,2012,226/228:226‐228.[7] 曹志远.不同边界条件功能梯度矩形板固有频率解的一般表达式[J].复合材料学报,2005,22(5):172‐177.C a o Z h i y u a n.U n i f i e d E x p r e s s i o n o f N a t u r a lF r e-q u e n c y S o l u t i o n s f o r F u n c t i o n a l l y G r a d e dC o m p o s i t eR e c t a n g u l a rP l a t e su n d e rV a r i o u sB o u n d a r y C o n d i-t i o n s[J].A c t aM a t e r i a eC o m p o s i t a eS i n i c a,2005,22(5):172‐177.[8] 毛柳伟,王安稳,胡明勇.粘弹层合悬臂板瞬态响应的近似解析解[J].固体力学学报,2010,31(4): 379‐384.M a oL i u w e i,W a n g A n w e n,H u M i n g y o n g.A p p r o x i-m a t eA n a l y t i c a l S o l u t i o nf o rT r a n s i e n tR e s p o n s eo f aV i s c o‐e l a s t i cL a m i n a t e dC a n t i l e v e rP l a t e[J].C h i-n e s e J o u r n a l o fS o l i d M e c h a n i c s,2010,31(4):379‐384.(编辑陈勇)作者简介:秦洁,女,1981年生㊂中国飞机强度研究所发动机强度研究室工程师㊂研究方向为发动机强度试验㊁转子动力学㊂发表论文10篇㊂齐丕骞,男,1945年生㊂中国飞机强度研究所研究员㊂(上接第1594页)(4)本文提出的扭矩输出装置是一种能够响应温度变化从而输出扭矩的驱动装置,适合温差变化大且不易布置有源动力系统的环境,例如经常向阳/背阳的空间环境或者昼夜温差极大的戈壁荒漠等㊂参考文献:[1] R e y N,T i l l m a nG,M i l l e rR M,e t a l.S h a p eM e m o r yA l l o y A c t u a t i o nf o ra V a r i a b l e A r e a F a n N o z z l e[C]//S P I E’s8t h A n n u a l I n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nS m a r t S t r u c t u r e s a n d M a t e r i a l s.N e w p o r tB e a c h, 2001:371‐382.[2] N a mC,C h a t t o p a d h y a y A,K i m Y.A p p l i c a t i o n o f S h a p eM e m o r y A l l o y(S M A)S p a r s f o rA i r c r a f tM a n e u v e r E n-h a n c e m e n t[C]//P r o c e e d i n g s o f S P I E,S m a r t S t r u c t u r e sa n dM a t e r i a l s.S a nD i e g o,2002:226‐236.[3] S u l e m a nA,C r a w f o r dC.D e s i g n a n dT e s t i n g o f aB i-o m i m e t i cT u n aU s i n g S h a p eM e m o r y A l l o y I n d u c e dP r o p u l s i o n[J].C o m p u t e r s&S t r u c t u r e s,2008,86(3):491‐499.[4] Y a nQ i n,H a nZ h e n,Z h a n g S h i w u,e t a l.P a r a m e t r i cR e s e a r c ho fE x p e r i m e n t so naC a r a n g i f o r m R o b o t i cF i s h[J].J o u r n a l o fB i o n i cE n g i n e e r i n g,2008,5(2):95‐101.[5] 牟常伟,王帮峰,葛瑞钧.可主动变形的波纹式蒙皮基体制备及驱动特性[J].兵器材料科学与工程, 2010,33(2):11‐14.M o u C h a n g w e i,W a n g B a n g f e n g,G e R u i j u n.B a s a lB o d y P r e p a r a t i o na n dD r i v eC h a r a c t e r i s t i c o fC o r r u-g a t e dS k i nw i t ht h eA c t i v eD e f o r m a b i l i t y[J].O r d-n a n c e M a t e r i a lS c i e n c ea n d E n g i n e e r i n g,2010,33(2):11‐14.[6] 杨杰,吴月华.形状记忆合金及其应用[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1993.[7] 邹秀清,董二宝,张世武,等.S MA柔性扭转驱动器的结构设计与优化研究[J].中国机械工程,2012, 23(13):1582‐1586.Z o uX i u q i n g,D o n g E r b a o,Z h a n g S h i w u.S t r u c t u r a lD e s i g na n d O p t i m i z a t i o n S t u d y o f S MA F l e x i b l eT o r s i o n A c t u a t o r[J].C h i n a M e c h a n i c a lE n g i n e e r-i n g,2012,23(13):1582‐1586.(编辑陈勇)作者简介:吴佳俊,男,1984年生㊂南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室博士研究生㊂主要研究方向为自适应结构以及柔性变体机构优化㊂王帮峰(通信作者),男,1970年生㊂南京航空航天大学民航学院教授㊁博士研究生导师㊂芦吉云,女,1980年生㊂南京航空航天大学民航学院讲师㊁博士㊂张勇,男,1989年生㊂南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室硕士研究生㊂㊃9951㊃热载荷作用下旋转叶片频率转向特性秦洁齐丕骞Copyright©博看网. 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基于形状记忆合金弹簧的柔性驱动模块的设计与控制研究

基于形状记忆合金弹簧的柔性驱动模块的设计与控制研究一、本文概述随着科技的不断发展，柔性驱动模块作为现代机械工程中的重要组成部分，其设计与控制技术日益受到广泛关注。

形状记忆合金（Shape Memory Alloys，简称SMA）作为一种具有独特形状记忆效应和超弹性的智能材料，被广泛应用于柔性驱动领域。

本文旨在探讨基于形状记忆合金弹簧的柔性驱动模块的设计原理与控制策略，分析其在不同应用场景下的性能表现，并为其在实际工程中的应用提供理论支持和技术指导。

本文将对形状记忆合金的基本特性进行详细介绍，包括其形状记忆效应、超弹性以及温度敏感性等。

在此基础上，将阐述形状记忆合金弹簧的设计原理，包括其结构设计、材料选择以及制造工艺等方面。

同时，本文还将对柔性驱动模块的设计要求进行分析，确定其关键性能参数和设计指标。

本文将深入研究基于形状记忆合金弹簧的柔性驱动模块的控制策略。

通过分析形状记忆合金弹簧的变形行为和温度响应特性，建立其数学模型，并在此基础上设计相应的控制算法。

通过仿真实验和实际应用案例，验证所提控制策略的有效性和可行性。

本文将总结基于形状记忆合金弹簧的柔性驱动模块的设计与控制研究成果，展望其未来的发展方向和应用前景。

通过本文的研究，旨在为柔性驱动领域的技术人员提供有益的参考和启示，推动形状记忆合金在柔性驱动模块中的更广泛应用。

二、形状记忆合金弹簧的基本原理与特性形状记忆合金（Shape Memory Alloys，简称SMA）是一种具有独特形状记忆效应的金属材料，能够在一定的温度条件下，通过外部刺激（如应力、热等）恢复其原始形状。

这种特性使得形状记忆合金在柔性驱动领域具有广泛的应用前景。

形状记忆合金弹簧，作为形状记忆合金的一种重要应用形式，其基本原理和特性对于理解其在柔性驱动模块中的作用至关重要。

形状记忆合金弹簧的基本原理主要基于其相变行为。

在特定的温度范围内，形状记忆合金弹簧能够在奥氏体（Austenite）和马氏体（Martensite）两种相之间进行可逆转换。

镍钛合金形状记忆合金的特性及用途

形状记忆合金（简称SMA）是一种新型的功能材料,它已成为功能材料领域的研究热点之一。

本文介绍了形状记忆合金的特性，综述了形状记忆合金的发展历程、研究现状及应用特点，最后分析了形状记忆合金的发展趋势。

关键词：形状记忆合金；功能材料；形状记忆效应一．引言形状记忆材料是集感知和驱动于一体的特殊功能材料,其中形状记忆合金是形状记忆材料中较为重要的材料之一。

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状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。

二．形状记忆合金的特性1．形状记忆效应：形状记忆合金经适当的热处理后具有恢复形状的能力,这种能力被称为形状记忆效应(Shape memory effect简称SME)。

形状记忆效应按恢复情况分为单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和全程形状记忆效应。

2．超弹性效应：形状记忆合金受到外力时发生形变,去除外力后就恢复原状，这种现象称为超弹性。

形状记忆合金在发生超弹性形变时,诱发了马氏体相变, 去除外力后,又发生马氏体逆相变。

3．阻尼特性：形状记忆合金由于马氏体相变的自协调和马氏体中形成的各种界面(孪晶面、相界面、变体界面)及界面运动,而具有很好的阻尼特性。

4．电阻特性：吴小东等研究表明,对于初始组织为马氏体的Ni-Ti合金,在拉伸过程中电阻与应变之间呈线性关系;对于初始组织为奥氏体或奥氏体、马氏体两者混合的Ni-Ti合金,当发生应力诱发马氏体相变后,曲线的斜率降低,相变前后电阻-应变关系保持线性关系。

三．形状记忆合金的研究进展形状记忆效应最早是1932年由Olander在研究Au-Cd合金时发现的[7]。

1963年,美国海军武器实验室布勒(Buehler)等发现了钛镍合金具有形状记忆效应[8]。

1964年Cu-Al-Ni也被发现有这种效应[9]。

70年代以后，科学家又在304奥氏体不锈钢和Fe-18.5Mn中发现了这种效应[10]。

新型智能材料（形状记忆合金）论文（范文）

新型智能材料（形状记忆合金）论文（范文）第一篇：新型智能材料(形状记忆合金)论文（范文）铁素体、奥氏体、马氏体组成铁碳合金的铁具有两种晶格结构：910℃以下为具有体心立方晶格结构的α——铁，910℃以上为具有面心立方晶格结构的Υ——铁。

如果碳原子挤到铁的晶格中去，而又不破坏铁所具有的晶格结构，这样的物质称为固溶体。

碳溶解到α——铁中形成的固溶体称铁素体。

而碳溶解到Υ——铁中形成的固溶体则称奥氏体。

奥氏体是铁碳合金的高温相。

钢在高温时所形成的奥氏体，过冷到727℃以下时变成不稳定的过冷奥氏体。

如以极大的冷却速度过冷到230℃以下，这时奥氏体中的碳原子已无扩散的可能，奥氏体将直接转变成一种含碳过饱和的α固溶体，称为马氏体。

由于含碳量过饱和，引起马氏体强度和硬度提高、塑性降低，脆性增大。

高分子形状记忆合金的发展及趋势摘要：本论文主要讨论形状记忆合金相关内容,扼要地叙述了形状记忆合金的发现以及发展历史和分类, 介绍了形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景。

引言形状记忆合金(Shape Memory Alloy ,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状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。

形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(Shape Memory Effect ,SME)。

研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。

到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti 合金和铜基合金(CuZnAl 和CuAlNi)。

形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。

二、形状记忆合金的发展史1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。

形状记忆合金

形状记忆合金的驱动性能形状记忆合金材料兼有传感和驱动的双重功能，是一种智能结构中技术成熟性很高的功能材料，可以实现机械结构的微型化和智能化。

形状记忆效应(SME)即某种材料在高温定形后，冷却到低温(或室温)，并施加变形，使它存在残余变形[1,2]。

当温加热超过材料的相变点，残余变形即可消失，恢复到高温时的固有形状，如同记住了高温下的状态。

SMA及其驱动控制系统具有许多的优点，如高功率重量比，适于微型化；集传感、控制、换能、致动于一身，结构简单，易于控制；对环境适应能力强，不受温度以外的其他因素影响等，有着传统驱动器不可比拟的性能优点。

1 形状记忆合金的驱动原理形状记忆合金的特点主要有：形状记忆效应(Shape Memory Effect，缩写为SME)相变超性性能(Super Elasticity)，弹性模量随温度变化特性和阻尼特性。

其中起驱动作用的主要是形状记忆效应和弹性模量随温度变化特性。

形状记忆效应是指SMA具有的记忆并回复至它在奥氏体状态下的形状的能力。

如果在低温马氏体状态下拉伸SMA并留下较大的塑性变形，那么将SMA 加热至一定温度后，马氏体就会转为奥氏体，SMA将回复到它刚刚开始时的形状，随后再进行冷却或加热，合金形状都将保持不变。

上述过程可以周而复始，称为单程形状记忆。

此外还有双群形状记忆合金和全方位记忆合金。

这种回复应力可用作结构控制时的驱动力，也可以用来直接控制结构的刚度。

弹性模量随温度变化特性是指，奥氏体SMA在高温下它的弹性模量是低温下马氏体SMA的弹性模量的3倍以上[7]。

这种特性主要可以用米改变的固有频率，从而避免共振。

2 形状记忆合金驱动器件在结构智能控制中，高性能驱动器件是实现控制的基础。

利用形状记忆合金在加热变形时其回复力可以对外做功的特点，能够做成各种形式的驱动器。

这类驱动机构结构简单，灵敏度高，可靠性好，能够满足智能控制的要求。

记忆合金驱动器的驱动力源于合金内部的固态相交，因而易于结构设计，可以在拉伸、压缩、扭转状态下操作。

电流驱动形状记忆合金驱动器的设计

槡Ｉ＝２π２ｒ３ｈｃ（Ｔ－Ｔ０）（１－ｅ－２Ｃｈρｃｒｔ）－１２＋１．５．（６） ρ０式中 ρ０＝１×１０－６Ω／ｍ为合金电阻率，ρ＝６５００ｋｇ／ｍ３为合金密度。ｈｃ＝２０Ｗ／（ｍ２·℃），Ｃ＝６１０Ｊ／（ｋｇ·Ｋ），均为Ｔｉ－Ｎｉ形状记忆合金的材料特性。
将数据代入上式得：
ａ）根据电流驱动形状记忆合金弹簧驱动器恢复原形的恢复力确定弹簧的丝径。
形状记忆合金恢复应力 σｒ一般为６００～８００ＭＰａ，取恢复应力 σｒ为６００ＭＰａ。则：
收稿日期：２０１８－０３－１９基金项目：长治医学院校级混合式教学课程建设项目（ＨＨＹＢ２０１７００５）作者简介：卢莉蓉（１９８２），女，山西长治人，副教授，硕士研究生，研究方向：生物医学工程。
径为０．３６ｍｍ。驱动时间为１ｓ，驱动电流和丝径关
系图如图１所示。
图１电流与ＳＭＡ弹簧丝半径关系图
２）根据Ｔｉ－Ｎｉ形状记忆合金弹簧驱动器的要求尺寸和所需恢复位移确定弹簧线圈的直径和匝数。
对于Ｔｉ－Ｎｉ形状记忆合金，其恢复应变为８％。恢复行程为３０ｍｍ，若用直丝，长度应为３０ｍｍ／８％＝３７５ｍｍ。没有实际意义。选用线圈弹簧，按要求弹簧线圈的直径Ｄ应小于ｍｉｎ（ｂ，ｃ）。则Ｄ≤ｃ＝５ｍｍ。直径越大，则所需长度越短。取Ｄ＝５ｍｍ。
山西电子技术２０１８年第３期
应用实践
文章编号：１６７４４５７８（２０１８）０３００１７０３
电流驱动形状记忆合金驱动器的设计
卢莉蓉１，牛晓东２
（１．长治医学院生物医学工程系，山西长治０４６０００；２．长治医学院基础医学院，山西长治０４６０００）

形状记忆合金驱动

• 在日常生活中
SMA制成的弹簧放在热水中，弹簧的长度立即伸长，在放到冷水中， SMA制成的弹簧放在热水中，弹簧的长度立即伸长，在放到冷水中，它会立即恢复原形。利用SMA弹簧可以控制浴室水管的水温，在热水它会立即恢复原形。利用SMA弹簧可以控制浴室水管的水温，在热水温度过高时通过记忆功能，调节或关闭供水管道，以免烫伤。还可以制成消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时，SMA制成制成消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时，SMA制成的弹簧发生形变，启动消防报警装置，达到报警的目的。还可以把用 SMA制成的弹簧放在暖气的阀门内，用以保持暖房的温度，当温度过 SMA制成的弹簧放在暖气的阀门内，用以保持暖房的温度，当温度过低或过高时，自动开启或关闭暖气的阀门。
医疗固定器的应用示意图
航空航天工程领域
SMA已被应用到航空和太空装置中, SMA已被应用到航空和太空装置中,如在航天飞行器有效载荷的分离机构、太阳帆板和天线的释放机构等用作执行元件
智能翼研制阶段
现代机器人领域
通过 NiTi SMA丝和偏置弹簧驱动的一自由度SMA机及控制研究
答辩人：何平导师：刘荣副教授
本课题以形状记忆合金驱动系统为研究对象，通过对形状记忆合金本构关系的建模，提出了利用PLC控制系统实现驱动过程的恒力控制，可以有效改善回复变形过程中应力的非线性变化行为，实现对应力的精确控制，提高系统的响应精度。在此基础上研究两种类型的驱动器和控制措施，使得形状记忆合金驱动器即提高了响应速度和精度，又有效地改善了驱动器系统的稳定性。
• 课题研究的意义 • SMA及其驱动器在各个领域中的应用 SMA及其驱动器在各个领域中的应用 • 形状记忆合金驱动结构设计 • 一维本构关系分析及试验研究 • 形状记忆合金控制研究