形状记忆合金平面涡卷式回转驱动器的研究

摘要

形状记忆合金（Shape Memory Alloys，SMA）是一种有着形状记忆效应的智能材料，具有感知温度变化而改变其形状的特点，因此以SMA材料所制作的功能器件，具有传感与驱动一体化的特点。同时依据这类材料的其他固有特性，SMA驱动器还具有高功重比、工作时安静、清洁、无摩擦、无液体、无粉尘等特点，尤其适用于航空航天飞行器中的温度自适应控制以及驱动装置的研发。
　　本文针对当前SMA回转式驱动器结构复杂、集成度不高等问题，提出了涡卷式驱动器构型，该设计避去了复杂的运动转换机构而直接输出扭矩与回转运动，从而实现了驱动器的结构简化。本文从力学行为分析、制备工艺优化、温控特性测试以及主动激励效果等方面对这类驱动器进行了系统性研究，具体研究工作以及成果如下：
　　（1）在驱动元件的力学行为研究方面：将平面胡克涡卷弹簧的力学模型与 SMA一维本构模型相结合，根据SMA驱动元件不同的工作方式，按照温度、扭矩、变形量的不同变化过程，建立了分段式平面涡卷SMA驱动元件的力学模型，获得了驱动元件在不同工作阶段的力学模型表达式。实测结果表明，该模型能有效地描述驱动元件在材料开始相变前与完成相变后的基本状态与特性。
　　（2）在驱动元件的制作方面：对经过不同热处理训练的SMA带材样件进行了温控三点弯测试，并按照低温态抗弯刚度低、塑性变形大，高温态刚度高以及材料相变温度滞后量大为标准，确定了热处理工艺参数，并制作得到了达到预期性能的驱动元件。
　　（3）对测试系统研发方面：针对现有实验装置无法对涡卷式SMA驱动器件进行有效性能测试研究的情况，设计制作了适合的测试系统，并通过性能验证以及实际使用证明该系统能够满足目前研究阶段的实验要求。之后为了提高设备的工作效率，以 PCI1711数据卡以及LabView软件平台为基础，对测试系统进行了自动化改良。
　　（4）对SMA驱动元件及驱动器的温控特性测试方面：对驱动元件的测试显示，在驱动元件转角变形量不超过600°时，其形状能够基本保持阿基米德螺线形状，在高低温时最大转角输出量相差约2倍、最大扭矩输出相差约1.6倍；对往复式驱动器的测试显示，驱动器样机在高温环境下最大输出177310-3N·m扭矩，在低温环境下最大输出75310-3N·m的反向扭矩，在无载荷情况下能实现160°的最大往复行程。
　　（5）在驱动元件和激励源的整合研究方面：对比了三种加热驱动方式对SMA驱动元件输出特性的影响，提出了以碳纤维附着层作为加热手段的新型的SMA驱动元件整体热驱动方式。探索了碳纤维附着层与SMA带材的集成方法，并研究了其热驱动特性。实测中，2K规格碳纤维丝束铺制而成的附着层在驱动元件工作段单位长度上的加热效率为16.5×10-3℃·m/(W·S)，能在0.6A电流激励下55秒内将驱动元件从11℃加热至100℃，能够使被效激励对象实现预期的扭矩与转角位移输出。研究结果表明，该方法响应较为迅速、易于实现，对驱动电源要求不高，具有良好的工程应用前景。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1引言

1.2形状记忆合金以及形状记忆效应

1.3形状记忆合金的应用研究现状

1.4胡克平面涡卷弹簧的研究与应用现状

1.5研究对象及研究目的

1.6论文的内容安排

第二章 涡卷式SMA驱动元件的力学行为

2.1驱动元件工作方式的划分与分析

2.2驱动元件力学模型的建立

2.3本章小结

第三章 涡卷式SMA驱动元件的制做及材料参数测试

3.1涡卷式驱动元件的制做

3.2热处理后材料性能参数的测定

3.3本章小结

第四章 涡卷式SMA驱动元件测试系统的研制

4.1测试系统的设计要求

4.2测试系统的设计与制作

4.3测试系统的性能验证

4.4测试系统的自动化改良

4.5本章小结

第五章 涡卷式SMA驱动元件及驱动器的温度响应特性测试

5.1涡卷式SMA驱动元件的温控特性测试

5.2往复式SMA驱动器的设计及制做

5.3往复式SMA驱动器的温控特性测试

5.4本章小结

第六章 涡卷式SMA驱动器主动激励方法的研究测试

6.1对SMA带材加热方式的测试对比

6.2驱动元件的主动激励测试

6.3往复式驱动器的主动激励测试

6.4本章小结

第七章 全文总结

7.1本文的主要工作内容

7.2本文工作的主要创新点

7.3研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果以及发表的学术论文