《新型SMA扭轉驅動器的運動變換機理與最佳化設計研究》是依託中國科學技術大學，由楊傑擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：新型SMA扭轉驅動器的運動變換機理與最佳化設計研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：楊傑
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
針對機器人與智慧型變形飛行器領域中對輕質、緊湊、大扭矩、大扭轉角度SMA驅動器日益增長的迫切需求，提出一種將SMA絲軸向正應變恢復變形轉換為彈性螺旋結構扭轉運動輸出的新型SMA扭轉驅動器。研究SMA熱/力耦合動態行為和本構模型，進而建立該SMA扭轉驅動器的多場耦合動力學模型，通過數值模擬和實驗測試，揭示彈性螺旋結構和SMA絲等關鍵元件的主要幾何與物理參數對該SMA扭轉驅動器靜動態綜合性能的影響和定量關係，進而揭示該SMA扭轉驅動器的運動變換機理，建立其最佳化設計模型並給出相應的求解方法，研究其尺度效應，並通過與其它扭轉驅動器的對比研究驗證其相對優越性，確定其適用範圍，為該新型SMA扭轉驅動器的工業化套用鋪平道路。最後在深入認識該新型SMA扭轉驅動器運動變換機理及其性能最佳化方法基礎上，探索建立較完善的SMA扭轉驅動器設計與最佳化理論，推動智慧型材料驅動器的發展。
結題摘要
本項目將柔性機構引入形狀記憶合金（SMA）扭轉驅動器的設計中，利用形狀獨特的柔性機構將SMA的直線微位移放大和轉換為SMA扭轉驅動器的旋轉運動輸出。為闡明該SMA柔性扭轉驅動器的致動機理，給出其最佳化設計方法，本文對影響驅動器性能的關鍵因素開展了系統深入的研究。在對SMA準靜態熱/力耦合特性及其本構模型研究的基礎上，重點探究了SMA絲較高應力水平約束態下的恆載熱循環特性、SMA不完全相變熱循環“溫度記憶”效應和SMA動態載入應變率相關效應，更加全面、精細地刻畫了SMA在複雜熱/力耦合條件下的行為特性。由於柔性結構的形狀和SMA絲驅動力的作用點位置對驅動器中心軸的輸出轉角有關鍵性的影響。因此，本項目使用樣條曲線建立柔性結構形狀的數學模型，通過有限元法分析柔性結構在外力作用下的變形效應，並採用遺傳算法最佳化柔性結構的形狀和SMA絲的作用點位置。為分析SMA柔性扭轉驅動器柔性結構的動態特性，本項目套用有限段方法和ADAMS多體動力學分析軟體，把扭轉驅動器的柔性結構部分離散成有限個剛體段，在各段之間添加彈簧和阻尼特性，建立柔性結構的有限段模型並完成動態特性分析。由於SMA本身具有複雜的熱/力耦合非線性特性，與機電系統再耦合到一起，其設計和分析便愈加困難，至今還未有較為完善且易於工程套用的系統化、規範化的設計理論和方法。本項目在上述關於SMA熱/力耦合特性研究的基礎上，結合機械動力學和電學、熱學基本理論，研究建立了SMA驅動系統的系統動力學一般模型，並將其轉換為狀態空間模型，給出了基於Matlab/Simulink的系統動力學仿真模擬方法。最後，設計製作了SMA柔性扭轉驅動器的實驗樣機模型，建立了基於SMA絲電阻自感測反饋的SMA驅動控制系統。通過實驗測試，該SMA柔性扭轉驅動器的最大扭轉輸出角度約為16°，最大輸出扭矩約為1.0Nm。
