Cu基形状记忆合金螺旋弹簧热机性能研究

论述了形状记忆合金（SMA）弹簧驱动元件的应力,应变,温度和相变之间的测试关系并进行了系统的测试,结果表明,SMA弹簧元件在三种基本使用状态下的应力－应变－温度关系呈非线性,设计中不能直接应用虎克定律,测试结果为进一步揭示SMA驱动特性及SMA驱动元件设计提供了参考依据。     

Cu基形状记忆合金弹簧热机性能研究

论述了形状记忆合金 (SMA)弹簧驱动元件的应力、应变、温度和相变之间的关系并对铜基形状记忆合金螺旋弹簧进行了系统的测试。对试验结果及其机理进行了系统分析 ,试验结果表明 ,SMA弹簧元件在 3种基本使用状态下的应力—应变—温度关系呈现非线性 ,设计中不能直接应用虎克定律。测试结果为进一步揭示SMA驱动特性及设计SMA驱动元件提供了参考依据。     

形状记忆合金驱动器驱动方式研究

七文阐述了 Ｓ Ｍ Ａ 驱动器的驱动原理,分析了 Ｓ Ｍ Ａ 的性能和不同驱动方式对 Ｓ Ｍ Ａ 驱动器输出性能的影响。文章认为, Ｓ Ｍ Ａ 的相变温度范围越小,高低温时性能相差越大, Ｓ Ｍ Ａ 双程驱动器的输出性能越好;差动式 Ｓ Ｍ Ａ 双程驱动器与偏动式 Ｓ Ｍ Ａ 双程驱动器相比,前者更容易获得较大的输出力和输出位移,但后者较容易控制,响应速度较快。     

NiTiNb记忆合金热力学性能的试验及其唯象本构模型

现有形状记忆合金(Shape memory alloy, SMA)管接头数值分析中没有考虑塑性变形及其影响,基于不可逆热力学框架,考虑塑性变形对逆向马氏体相变的影响,构建相变和塑性耦合的NiTiNb SMA唯象学本构模型,基于有限元软件ABAQUS二次开发功能,编译用户自定义子程序,对SMA热机耦合作用过程进行数值模拟,并与NiTiNb合金低温下的拉伸和约束升温性能试验研究结果对比。结果表明,数值分析结果能够很好地描述试验所得的应力应变曲线和升温过程的应力温度曲线特征,能够描述材料预变形提高逆向马氏体相变温度的规律,得到低温变形及升温恢复过程中材料内部Mises应力、等效相变应变和等效塑性应变的演化规律。结果表明数值仿真与试验取得了较好的一致性,为进一步的SMA管接头装配性能模拟及设计优化奠定基础。     

形状记忆合金三维鼓包结构热变形的有限元模拟

基于Lagoudas唯象本构关系模型,利用ABAQUS软件二次开发功能,编写出可用于描述形状记忆合金(SMA)特性的UMAT材料子程序,并对SMA三维鼓包结构的热力学特性进行了有限元分析。结果表明:该子程序能够较好地描述SMA的超弹性和形状记忆效应特性;SMA三维鼓包结构能够产生较大的竖向挠度变形,并且鼓包大部分区域完成了马氏体逆相变,只在边界附近残留有部分马氏体相。     

形状记忆合金驱动的柔性仿人手设计与分析

为提高服务型机器人仿人手的逼真度,从仿生的角度出发,提出一种基于形状记忆合金(S M A)丝驱动的柔性仿人手.设计了仿人手的仿生结构,推导了基于SM A丝的软手指驱动模型,并在制造的软手指上通过实验验证了模型的准确性.最终搭建了完整的柔性仿人手样机,可以实现与人握手和简单的手势展示.     

形状记忆合金驱动主动变形波纹板结构的有限元分析

NiTi形状记忆合金作为一种功能材料,具有输出回复力大、性能稳定等优点,故可以将其用作主动变形结构中的驱动元件。将NiTi形状记忆合金带与波纹板结构以离散点的形式相联接,制作形状记忆合金驱动主动变形波纹板结构。对形状记忆合金通电驱动,利用其产生的拉伸或收缩力,达到控制结构主动变形的目的。同时,为预报该结构的变形响应,应用有限元软件ANSYS进行数值模拟。针对现有的通用有限元分析软件中没有模拟形状记忆合金形状记忆效应的单元和材料模型的问题,根据形状记忆合金材料本身的特殊性,提出“负热应变”的方法。在试验的基础上(即通过试验获得具有一定预应变的形状记忆合金在不同温度点上的回复应力、应变,进而利用本构关系求得不同温度下形状记忆合金的弹性模量)建模分析,最终获得不同温度下波纹板结构的变形响应曲线。预报结果与试验结果比较吻合,验证了该方法的正确性,为形状记忆合金驱动器的设计、模拟以及制作提供参考和依据。     

形状记忆合金驱动可变后掠角翼梢小翼的研究

常规飞行器的小翼翼型一般是固定不变的,只能在特定的飞行状态下具有最优的气动性能。但是当飞行状态发生变化时,气动性能便不再保持最优。为解决该问题,提出一种基于形状记忆合金（Shape Memory Alloy,简称SMA）驱动的可变后掠角翼梢小翼方案。基于形状记忆特性,将形状记忆合金材料作为驱动器,可为变后掠角翼梢小翼的设计和优化提供更多可能性。针对民航飞机起飞、巡航和降落三种典型工况,通过计算流体力学方法（CFD）分析不同后掠角度翼梢小翼对飞机气动性能影响,得出最佳后掠角度分别为35°、45°和50°。为实现不同飞行状态下后掠角度的变化,设计一种基于SMA丝驱动的可变后掠角翼梢小翼结构。在只考虑SMA材料受轴向拉伸力作用的条件下,经数值计算得到了应力应变关系以及不同应力作用下应变同温度的关系。基于以上材料特性确定SMA丝的热处理方法,并根据SMA丝的动态特性曲线和初步设计要求确定其尺寸规格。该机构根据不同的飞行状态自动调整小翼后掠角度,从而提高机翼的升阻比。     

基于三维本构模型的形状记忆合金弹簧力-位移关系研究

基于已有的研究成果,针对形状记忆合金(SMA)弹簧力-位移关系进行研究,提出了能够描述SMA滞回环宽度随应变幅值变化的三维本构模型,再结合弹簧基本力学性能,考虑弹簧丝截面上弯矩的影响,给出了超弹性SMA弹簧力-位移关系的数值仿真方法。此外,将本构模型编写成Abaqus用户材料子程序(UMAT),对SMA弹簧进行有限元分析。通过SMA弹簧的不同位移幅值加卸载试验,对模型进行了验证。结果表明,基于三维本构模型建立的超弹性SMA弹簧力-位移关系模型能较为准确地模拟不同幅值加载工况下弹簧的力学行为,为SMA弹簧的工程应用提供指导意义。     

NiTi形状记忆合金弹簧电热驱动特性

测定了 Ni Ti形状记忆合金弹簧在电热作用下的动态回复变形速度和电阻的特性曲线。结果表明 ,电流是影响 SMA弹簧电热驱动性能的主要因素 ,通过选择合适的电流可控制 SMA弹簧的回复变形过程。     

基于膀胱尿液容量反馈的形状记忆合金驱动尿道阀研究

针对现有尿道阀存在引发尿道组织血液循环不畅甚至坏死等问题,提出一种基于膀胱尿液容量反馈的形状记忆合金(SMA)驱动尿道阀,建立尿道阀数学模型和有限元模型,仿真分析了尿道阀的压闭、反馈和驱动机构参数对启闭特性的影响,搭建模拟实验平台,实验研究了尿道阀的反馈调节特性和尿流率特性。结果表明,尿道阀原理可行,通过增大阀芯初始角、减小阀芯与尿道接触面积和膀胱支撑膜面积,均可改善尿道阀的启闭特性,尿流率达14 ml/s,与人体尿动力学规律相符;该研究可为适用于临床的尿道阀的设计提供指导,也可为其它人工括约肌的设计提供借鉴和参考。     

形状记忆合金变刚度软作动器设计

软体材料作动器具有良好的目标抓取适应性,为实现软作动器结构的轻量化,保证抓取与承载能力,采用形状记忆合金丝作为驱动元件,设计出一种可变刚度的软作动器。首先,基于形状记忆合金（shape memory alloy,简称SMA）一维本构关系建立了作动器的弯曲变形力学模型;其次,通过实验对力与变形之间的关系进行了验证,弯曲变形与理论结果一致;最后,通过回弹结构的动力学设计,使得该作动器能够在恢复阶段快速回到初始形态。实验结果显示,加热用于变刚度的形状记忆合金丝可显著提升作动器的负载能力,从而达到变刚度的效果。     

仿医蛭微机器人中SMA的布局及与偏置弹簧匹配的研究

为使仿医蛭管内微机器人在管内爬行时不产生振动,在研究其致动机理和振动特性的基础上,提出了该机器人弹性是中SMA的最佳布局方式及收缩部件中SMA与偏置弹簧倔强系数之间的最佳匹配关系,为此类微机器人的设计奠定了基础。     

5052铝合金的动态拉伸性能及其本构模型

为了提高5052铝合金在应用中的安全性,准确的计算结构件在复杂载荷下的强度,非常有必要对材料在不同应变率下的力学性能进行研究。本文分别采用高温电子万能试验机和霍普金森拉杆装置对其进行了准静态和高应变率下的拉伸试验,得到了材料的应力-应变曲线,构建了能够准确描述其塑性变形行为的本构模型。结果表明：5052铝合金具有明显的应变率敏感性,且随着应变率的增加,其屈服强度和强度极限不断增加。基于试验结果,本文提出采用一种修正的Johnson-Cook模型来拟合材料的动态本构关系,拟合结果与试验数据吻合度较高;进一步使用ANSYS软件用此模型模拟了高应变率下试样的单向拉伸过程,提取典型节点的应力应变曲线,模拟结果与试验结果相吻合。说明本文所建立的修正Johnson-Cook模型能够较好地描述5052铝合金的动态特性,可为实际工程中的数值模拟问题提供数据支持,从而为零部件的加工工艺、结构设计和实际生产提供可靠的参考和有效的指导。     

基于形状记忆合金驱动的连续体机器人路径规划

连续体机器人运动灵活,能在多障碍的狭窄环境中进行连续弯曲运动。现有连续体机器人多以绳驱动为主,机械结构复杂、关节间耦合现象严重,从而导致控制复杂,且难以进行长度方向上的拓展。形状记忆合金(Shape memory alloy, SMA)作为一种新型的智能材料,同时具有驱动和传感的功能,并且其质量轻,单位体积内的驱动力大,作为机器人的驱动设备有助于减少其结构体积,并改善其控制方式。因此,在研究中,设计了一款基于SMA驱动的连续体机器人,并对其路径规划算法进行研究,在保证机器人运动效率的同时,确保其沿目标路径运行的安全性。结合SMA的驱动特性,并基于常曲率运动学模型,提出A*路径规划算法的优化方法,使其更加符合连续机器人的运动特性。研究结果表明,提出的改进型A*算法搜索时间短,规划效率高,具备良好的环境适应能力。     

汽车用金属板材的材料动态响应与断裂性能研究

随着环保意识与能源危机加速的影响,汽车轻量化技术得以发展,但仍需以保证汽车被动安全性能为前提。基于汽车碰撞过程的高应变速率和大变形特点,针对于汽车安全构件用材,详细介绍了多应变速率下的拉伸试验、断裂试验和零部件试验。结合仿真分析技术,以汽车用金属板材为对象,从力学性能及断裂性能两方面,对汽车碰撞过程中的材料动态响应及断裂行为进行表征,完整地介绍金属材料断裂模型的建立及应用过程,为汽车碰撞安全领域精准材料模型的建立提供参考。以目前广泛用于安全构建的热成形材料为例,通过上述试验获得材料在不同状态的力学性能数据,通过数据处理及仿真分析,建立动态材料断裂失效分析模型,并用于实际零件的失效仿真模拟,准确预测了零件的断裂行为,验证了本方法的适用性。     

新型混合驱动仿生手的设计与控制

针对微型电机仿生手驱动力不足、触感反馈有效性差等问题。结合仿生理论,设计了一种集微型电机与SMA弹簧混合驱动于一体的模块化仿生手。采用内置式自适应调节变刚度驱动轮,使电机输出拉力提升了2.14倍,通过滑动式大拇指及SMA弹簧驱动的侧摆机构,提升仿生手拟人效果及抓取能力。通过对多种传感器信息融合研究,实现了对目标物距离、抓取力、尺寸、温度检测及自动控制。通过制作实物样机,对仿生手进行了测试验证,研究成果对机械手新型结构设计、多元化感知等方面具有一定意义。     

形状记忆合金线性驱动器的设计及位移特性分析

为克服传统带有偏置装置形状记忆合金驱动器结构复杂、响应速度慢的缺点,利用形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)的单程形状记忆效应,设计并制造一种不带偏置装置且可实现双程运动的线性驱动器,该驱动器由两根形状记忆合金丝、滑轮、部件、导轨、支座及固定螺钉组成。接着基于Brinson一维本构方程及转换方程,推导出两根SMA丝在不同条件下的应变表达式;提出将马氏体相变应力看作体力,分析温度变化与驱动器位移的关系及外载荷变化对驱动器最大位移的影响。对计算结果进行试验验证,结果表明,所设计驱动器可实现往复双程运动;随着SMA丝温度的升高所获得的位移呈非线性增大,当温度超过奥氏体转变结束温度Af,位移达到最大,而初始化过程获得的最大位移为正常运动的一半;增大载荷,驱动器的最大位移逐渐减小,当载荷达到51.0 N时,驱动器停止运动,即位移减小为零。     

转动热源作用下的制动盘顺序热机耦合分析

当对制动器进行设计时,需对像循环制动工况等重负荷工作条件下的制动盘热机耦合现象进行研究。考虑到采用完全热机耦合方法存在求解时间长、且不容易收敛的缺点,不适合分析制动时间较长的重负荷制动工况,同时传统的基于固定热源的顺序热机耦合又不能很好地模拟热源转动的真实情况。因此,提出基于转动热源的顺序热机耦合法,在验证该方法的可行性后,将其运用至循环制动工况的热机耦合仿真分析中,仿真结果令人满意,具有工程价值意义。     

差动式形状记忆合金驱动器驱动性能研究

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。