SMA新型阻尼器在RAC框架上的减震性能分析

对所选SMA(形状记忆合金)丝材进行了应力-应变关系测定试验,并基于SMA丝材试验结果及相变伪弹性理论,设计一种新型SMA合页型阻尼器,并将其应用于所选RAC混凝土三层框架模型之中。通过ANSYS有限元软件对其进行的地震作用下的结构时程响应分析。结果表明：新型SMA阻尼器是一种较为理想的被动耗能装置,能够有效的减小结构的位移、速度及加速度响应,减震效果明显。     

新型压电陶瓷驱动器的特性分析

讨论了一种基于压电陶瓷的新型叠堆驱动器,并阐述了其工作原理,推导出该驱动器的力学性能公式。基于压电陶瓷材料的机电耦合特性,运用ANSYS有限元软件对此驱动器进行了数值分析,研究了其驱动性能,分析结果表明,其输出位移和输出力均与输入电压呈线性关系,在较低电压下可获得较大变形量,且具有良好的动态响应特性。该叠堆压电驱动器结构简单、尺寸小、成本低,通过输入电压即可实现位移控制,可作为较好的自适应控制驱动器应用于智能摩擦阻尼器的驱动装置。     

基于SMA的仿昆虫蠕动微型车

介绍了一种形状记忆合金驱动的微型轮式蠕动机器人。它采用轮式移动结构，重点分析了刚／弹耦合式SMA驱动器和轮式移动机构的设计。微型机器人采用刚／弹耦合式SMA驱动器仿生蠕动输出力和位移，刚／弹耦合机构显著增大了微型机器人的前进步距，车轮逆向锁定机构控制了运动方向，确保了车轮滚动前进，实现了较高速度的运动。     

埋入SMA丝的复合材料层合板在热激励下的自由振动分析

采用Liang-Rogers的形状记忆合金(SMA)本构模型和相变动力学关系,编写了ABAQUS中的相应UMAT用户材料子程序,模拟了形状记忆合金材料的超弹性行为和形状记忆效应,并在不同温度和应力状态下验证了程序的正确性.基于此程序,建立了埋入SMA丝的复合材料层合板结构计算模型,仿真计算了两端固支边界条件下,热驱动SMA时的结构的固有振动特性,分析了SMA丝的热驱动温度,埋丝数量及埋设方式等对结构热振动特性的影响规律.模拟结果表明:加热驱动SMA丝一般会提高结构的固有频率,增加SMA丝的数量可以实现增大结构频率的目的;不同的埋设角度对结构的振动特性影响显著.这些结论将对智能复合材料结构设计、抗热设计有一定的指导作用.     

应用SMA智能阻尼器的结构模糊控制

利用形状记忆合金(SMA)的弹性模量随温度变化的特性和SMA超弹滞回耗能特性,设计提出一种新型SMA智能阻尼器。采用模糊控制器确定SMA智能阻尼器的SMA丝工作组数,从而瞬时准确地确定SMA智能阻尼器的刚度和阻尼的档位,并有效降低受控结构地震反应。利用MATLAB提供的模糊控制工具箱和Simulink模块建立仿真模型,数值分析某三层框架结构在无控、主动控制和模糊控制三种情况下的地震反应。仿真结果表明:在模糊控制情况下框架结构底层位移和加速度反应幅值分别降低了41%和48%,控制效果显著,接近主动控制的效果,从而验证了所设计提出的SMA智能阻尼器及其模糊控制的有效性与可靠性。     

基于电流控制的压电陶瓷驱动器

为了解决电压控制型压电陶瓷驱动器驱动压电陶瓷时存在的迟滞、蠕变和带宽窄的问题，设计了基于电流控制的压电陶瓷驱动器，利用压电陶瓷致动器位移与其所带电荷量间的线性关系，该驱动器通过控制压电陶瓷的充电电流和时间控制其位移量．在此基础上，提出了以分辨率换取稳定性的动态保持控制方法，采用该电流型驱动器，实现了开环下对压电陶瓷致动器的稳定、快速、高精度定位．实验结果表明，该驱动器驱动行程为10μm的压电陶瓷时，满行程带宽大于1．5kHz，重复定位精度小于4nm（0．4％）．     

形状记忆合金对平板的刚度主动控制及优化布置研究

研究了基于形状记忆合金(Shape memory alloys,简称SMA)的平板结构刚度主动控制方法,提出了驱动器在平板上的布置形式。通过建立分析有限元模型并结合试验验证主动控制效果,结果表明利用形状记忆合金产生的回复应力可以显著地改变结构的刚度;通过调节形状记忆合金的驱动温度、含量和布置方式可以有效地控制结构刚度。在此基础上进一步采用遗传优化算法对驱动器布局方式进行优化,优化后的布置方案可实现利用较少的SMA驱动器提高刚度控制效果,为利用形状记忆合金实现对结构的刚度控制提供参考和借鉴。     

新型纳米分辨率位移定位平移台的研制

为克服已有压电驱动器存在的结构及控制系统复杂、定位行程小等缺陷,利用压电陶瓷的逆压电效应设计并制作了一种新型的压电纳米步进驱动器,建立光栅测试系统对这种压电驱动器的动态性能进行了测试.将压电纳米步进驱动器与电磁伺服马达耦合,设计新颖驱动结构,利用微机通过步进运动控制卡统一控制,实现大范围一维纳米分辨率位移定位.系统样机解决了所研制压电纳米步进驱动器双向运动、实用定位等问题.位移定位分辨率为50 nm,定位行程为100mm,纳米分辨率定位最大速度为0.6 mm/s.     

含SMA和PZT二元驱动器的智能复合材料结构形状控制

基于有限元素法求解嵌入SMA和PZT作为联合变形驱动器的板壳型智能结构的变形,采用优化方法将最小化目标变形和实际变形差作为目标函数,确定各个驱动器的驱动电压或控制温度以实现自适应结构的任意变形控制,并考虑到了控制电压和结构温度的限制。算例结果列举了联合控制同单独PZT或SMA控制方式的控制效果对比。      

一种新型SMA阻尼器的试验和数值模拟研究

利用超弹性SMA丝的耗能能力和自复位能力.提出了一种新型的SMA阻尼器,试验研究了该阻尼器在循环荷载作用下不同位移幅值、不同加载频率和不同初始位移条件下的力学性能,并通过建立的理论模型对阻尼器的力学性能进行了数值模拟.研究结果表明:该新型SMA阻尼器在循环荷载作用下形成稳定的滞回曲线,具有良好的耗能能力和自复位能力;阻尼器的性能可通过调节超弹性SMA丝的初始应变而改变,以满足工程的需要;动力荷载(0.5～2 Hz)频率对阻尼器的耗能能力和等效阻尼比影响不大,而恢复力和割线刚度随频率增加而略微增大;数值模拟结果和试验结果吻合较好,建立的理论模型可以对SMA阻尼器进行理论分析.     

机器人灵巧手微型直线驱动器的建模和滑模位置控制

报导了用于机器人多指灵巧手的精密微型直线驱动器,它体积小、输出力大。建立了该驱动器的数学模型,并且基于滑模变结构控制理论设计了微型直线驱动器的位置控制策略。实验结果证明,该控制方案具良好的鲁棒性和快速性。     

多指灵巧手双闭环模糊控制

设计一种双位置闭环模糊控制器,用于多指灵巧手的位置控制。利用电机码盘反馈构成内位置环控制,采用一般的PID控制律;通过关节位置反馈形成外位置环控制,采用模糊控制算法。这种两层位置反馈控制可弥补只有码盘反馈的半闭环控制结构的不足,使具有强非线性的钢缆传动系统包含在闭环内,从而提高系统的稳定性和鲁棒性。实验证明跟踪精度明显提高。     

SMA迟滞系统的PID控制及参数优化研究

形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)是一类新型功能材料,作为电热驱动器,广泛应用于工程领域。但由于材料内在的非线性性质和迟滞效应使其在控制系统的设计和热力学建模上较为困难,不利于简单控制系统和实时控制的实现。基于Preisach理论给出SMA驱动器系统的温度-位移迟滞模型,分析系统的热传导过程,将传统的比例-积分-微分PID(proportional-integral-differential,PID)策略应用于控制器的设计,并引入蚁群和粒子群两类智能算法优化控制器参数,讨论优化过程和控制效果;与传统PID参数整定方法相比,系统的阶跃响应和正弦信号跟踪性能取得比较理想的效果,且智能算法调节控制器参数的实时性更强,克服非线性和迟滞效应的影响。     

新型SMA扭转驱动器设计及实验研究

应用三维建模与仿真分析相结合的设计方法,设计了一种基于柔顺机构的新型SMA扭转驱动器,并数学建模分析了驱动器各参数对驱动器性能的影响.制作了一个80g,90×90×25mm的样机模型,并对驱动器的最大输出角度、最大输出扭矩和响应速度进行了实验研究,实验证明驱动器具有轻质、双向驱动、输出角度和输出扭矩较大等特点.     

基于视觉的微机器人结肠镜运动导航

设计出一种用形状记忆合金驱动的头部转动机构和一种基于视觉的控制算法,用其进行了微机器人结肠镜在肠道内的自主导航研究.建立了转动机构模型,推导出记忆合金弹簧位移和偏转角度之间的关系.针对人体腔道内图像特点,使用腐蚀生长法找到腔道中心,反推出头舱的偏转角度和记忆合金弹簧位移.基于Preisach模型,提出了记忆合金驱动的前馈控制算法,进行了数字仿真和猪大肠内离体试验.结果表明,控制算法偏转误差小于2.6°,具有良好的实时性.该系统灵活可靠、控制方便,为主动式无创诊疗内窥镜的临床应用奠定了基础.     

轮带系统横向振动变结构控制方法

针对由主从动轮、作动器及皮带构成的典型轮带系统模型,皮带横向振动与主、从动轮及作动器振动相耦合,其横向位移受主、从动轮及作动器影响,给出皮带在谐波激励下横向振动位移精确表达式,利用变结构理论,采用指数趋近律设计出有效控制力以控制张紧臂方向,从而抑制皮带横向振动。在初始条件和与激励作用下,利用Matlab进行数值仿真。结果表明：在谐波激励下,皮带横向振动位移得到有效抑制,验证控制力的有效性。     

Reversible Shape Memory Alloy Film Fabricated by RF Sputtering

The fabrication and processing of an actuator with a TiNi Shape Memory Alloy (SMA) film are discussed and demonstrated. TiNi SMA films were deposited by using sputter deposition techniques, patterned and etched. These films were solution-treated and aging-treated, and then an inverse force layer of chromium was deposited on a SMA film. The frequency response of the beam type actuator was measured by resistance heating. The maximum amplitude was in proportion to the inverse force, and was therefore controlled by chromium thickness. The maximum displacement slightly decreased with an increase of frequency. The minimum displacement suddenly increased at more than 0.1 Hz, then showed a stability over 5 Hz. The maximum displacement was not decided by chromium thickness but TiNi thickness, because thickness of the latter was fifteen to forty times larger than that of the former. Because the frequency response depended on the heat radiation of an actuator, TiNi thickness was the most important factor to the actuation.     

干式空心电抗器模型结构减震控制试验及数值分析

基于压电陶瓷驱动器的工作原理以及形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)丝的力学性能特点,研发一种SMA压电混合减震装置,对其进行电-力学试验,并在试验数据的基础上建立以速率符号、电压和位移为神经元输入的混合装置BP网络预测模型。最后将其安装到一个相似比1∶2的10 kV干式空心电抗器结构模型中,其中压电驱动器的激励电压采用T-S模糊逻辑输出,对其进行无控、被动控制和混合控制时的模拟地震振动台试验和数值模拟,进而分析模型结构的动力特性变化规律和不同地震波时的地震响应抑制效果。结果表明:文中研制的SMA-压电摩擦混合减震装置性能稳定、构造合理,可以有效地降低电抗器结构的动力反应。一般地,被动控制时位移和加速度的减震率可达40%,混合控制时可达50%,且震后未见电抗器结构薄弱部位发生地震破坏,说明智能材料减震系统提高了电抗器结构的抗震可靠性,为电气设备系统的减震控制保护提供了新途径。另外,试验与数值模拟结果吻合较好,表明BP神经网络可以较好地跟踪压电SMA混合减震装置的输出力。     

Evaluation of structural influence on performance of shape memory alloy linear actuators by sharp phase front-based constitutive models

This paper analyzes and compares the predictions of two sharp phase-front based shape memory alloy (SMA) constitutive models – proposed by Abeyaratne and Knowles (R. Abeyaratne, J. Knowles, Journal of Mechanics and Physics of Solids 41 (1993) 541) and Bruno et al. (O. Bruno, P. Leo, F. Reitich, Phys. Rev. Lett. 74 (1995) 746–749) – in the context of an SMA linear actuator (an SMA rod or a wire) actuated electrically and subjected to spring-loaded boundary conditions at its ends. Both models are then used to analyze the performance – i.e., specific energy output and energy efficiency – of the SMA actuator. The computational modeling is done using a moving boundary finite element method (MBFEM)-based numerical approach proposed by Stoilov et al. (V. Stoilov, O. Iliev, A. Bhattacharyya, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, accepted). It is seen that while both models produce somewhat differing predictions of the SMA response, the difference is not dramatic enough to prefer one model to another. Predictions of the SMA actuator performance indicate that there is an optimum spring stiffness at which the energy efficiency of the SMA actuator is at its maximum. This raises the possibility that when an SMA actuator is integrated into a structure, the passive components of the structure may play a key role in determining the optimum energy efficiency of the active structural component (the SMA actuator) during the activation of the structure.     

超磁致仲缩材料在心血管支架加工中微进给补偿控制中的研究

基于超磁致伸缩材料特性对微位移进给进行研究,设计了磁致伸缩致动器应用于心血管支架的加工,建立了致动器的传递函数模型。同时针对超磁致伸缩材料受温度,预紧力等因素影响对位移输出产生较大偏差,设计了PID调节器,并对磁致伸缩致动器控制系统给出了基于MATLAB的仿真,并在此基础上进行了离散化,得到了数字控制系统,并应用到实际中,并对实际输出位移进行对比。经过PID闭环控制调剂后,位移输出有了明显的稳定。