王治国[1]2002年在《形状记忆合金双向记忆效应及驱动特性研究》文中指出形状记忆合金由于特有的形状记忆效应和超弹性，得到了大量的研究和广泛的应用。尤其是双向记忆效应，在微驱动领域有着更广泛的应用前景。但双向记忆效应不是记忆合金的固有性质，必须经过一定的训练后才能得到，双向记忆效应的微观机理也不清楚。本文设计了一种双向记忆效应训练的新方法，研究了定型热处理制度和热机械训练对TiNi(Cu)合金双向记忆效应的影响，探讨了双向记忆效应的微观机理并得到了以下有意义的新结果。(1)首次利用约束热处理结合热机械训练获得了加热伸长、冷却收缩的双向记忆效应弹簧，其伸长率达60％。(2)首次发现TiNi和TiNiCu的压簧最佳定型热处理制度分别为550℃×1h/AC和500℃×1h/AC，过高或过低的退火温度均会使双向记忆效应下降。(3)首次利用R相变研制了加热收缩、冷却伸长的双向记忆效应拉簧，收缩率可达25％。(4)首次发现拉簧在纯马氏体状态进行训练，双向记忆恢复率随训练次数的增加而增加，并在一定的训练次数后达到饱和；在纯奥氏体及马氏体和奥氏体混合相训练，双向记忆恢复率随训练次数的增加迅速增加到某一最大值，而后减小。(5)首次研究了双向记忆弹簧在交流电的驱动下的行为，发现最佳驱动电流密度8.9-10.2A/mm~2，驱动电流密度过大或过小都会使双向记忆效应降低。(6)双向记忆弹簧在热驱动或电流驱动下双向记忆恢复率随工作次数的增加而下降，并在一定工作次数之后达到稳定值，热驱动1000次或电流驱动500次后，其大小仍高于40％。
李尚荣[2]2006年在《NiTi记忆合金动态特性实验研究及其在仿生机器鱼上的应用》文中研究说明鱼类经过十亿年以上的进化，形成的高效、高机动游动特性与传统机电式水下推进器的低推进效率和低机动特性形成鲜明对比，传统机电式推进器的低功重比无法满足微小型仿生机器鱼的驱动要求，采用智能材料作为驱动源已经成为仿生机器人领域的一大热点。根据文献调研和本课题组多年研究的经验，形状记忆合金因大功重比、集驱动传动和传感与一身、变形大等优点使得它在微型或小型应用领域具有独特的应用前景。本文在多种功能材料的比较分析基础上，选择适合小型仿生机器鱼驱动要求的50.8at％-Ni-Ti基形状记忆合金材料，以Tanaka-Liang-Brinson形状记忆合金本构模型要求的参数作为静态实验研究的特性参数和动态实验的评价指标，通过中低应变速率范围的动态拉伸实验获得材料特性参数与应变速率的敏感性；对Brinson拉伸本构模型进行修正，并和普通弹簧公式结合，推导出形状记忆合金弹簧驱动元件的力学特性公式；在小应变条件下，基于弹簧驱动元件的力学特性公式和实验研究中得到的材料特性参数，分析了形状记忆合金弹簧差动式驱动器的设计方法，推导了工作中任意温度、载荷和变形之间的驱动器热力学特性方程；最后对所设计的单关节仿生机器鱼系统进行了动力学建模和分析，对形状记忆合金驱动器控制进行初步分析，在开环条件下进行了若干响应特性实验。 首先，本文通过对鱼类游动模式和游动机理的分析，选择具有最优推进效率和最快推进速度的鲹科加新月型尾鳍的推进模式。由几种常用功能材料在驱动性能上的分析比较，选择适合仿生机器鱼驱动的NiTi基形状记忆合金。通过对鲹科加新月型尾鳍的运动学参数和尾鳍形状参数的分析，获得仿生机器鱼系统驱动器基本性能设计参数：驱动力、变形位移和工作频率。由仿生原理和鲫鱼巡游动作机理分析，确定形状记忆合金螺旋弹簧差动式驱动器结构。 然后，选择应用较为广泛的Tanaka-Liang-Brinson形状记忆合金本构模型来作为驱动器设计的理论基础。因形状记忆合金材料行为特性受非线性、热力学条件、加载历程影响，特性差异大；同时，目前工程应用缺乏相关手册来提供所选材料的特性参数，故以这些模型要求的参数变量作为NiTi合金材料待求的
唐森[3]2011年在《基于柔顺机构SMA扭转驱动器设计及实验研究》文中提出在光学工程、精密机械、医学操作以及微型操作器中可以发现位置控制器的存在。传统的位置控制器使用电机驱动的滚珠轴承与来自编码器的反馈以实现对直线或旋转运动的控制。尽管他们的技术发展的非常的好,但是由许多运动部件组成,并且相互之间有磨损和冲击力。为了增加位置控制器的精度和结构紧凑性,各种各样的驱动器技术已经被提出来,特别是微尺寸领域。在他们当中,有磁性的、静电的以及热能的驱动器已经被应用。其中一种方法是利用形状记忆合金丝,它具有大的形变量,高能量密度,以及低的驱动电压等特点。形状记忆合金丝所展现出来的现状记忆效应可以分为两类。尽管具有双向效应的SMA能够提供收缩力和张力,但是它提供的张力比它产生的收缩力要小的多,并且可恢复的应变通常比单向记忆效应合金丝的一半还要少,因此单向记忆效应的合金丝,特别是裸露的记忆合金丝在航空航天和机器人应用上更有吸引力。本文在介绍形状记忆合金材料的力学特性和柔顺机构的优缺点及设计方法的基础上,选择具有单向记忆效应的NiTi形状记忆合金材料做为驱动元件,选择柔顺机构作为驱动器的驱动机构,设计了基于柔顺机构的SMA扭转驱动器,并对驱动器进行了建模、仿真和分析,最后通过实验,验证了驱动器具有轻质、双向驱动、较大输出扭力与较大输出角度等驱动性能。得到了所设计驱动器的驱动性能数据。论文最后给出本文研究工作的主要结论和创新点,并提出了后续研究工作,主要是改进结构设计,进一步减小驱动器质量和体积,实现轻质紧凑、大扭力、大输出角度、高精度的SMA扭转驱动器。
朱胜清[4]2007年在《胶囊内窥镜机器人微驱动及控制的研究》文中研究表明由于推进式内窥镜的检查方式常会引起消化道疾病患者不适。特别是对小肠出血性疾病的病灶,推进式内窥镜更是会引起极大的痛苦。胶囊内窥镜检查方式实现了全消化道检测的“微创无创”,并解决了小肠病变检查难的问题。然而,胶囊内窥镜仅仅依靠胃肠道自然蠕动力遍历人体全消化道无法进行有效控制。本文采用直流电机螺旋驱动和形状记忆合金(SMA)两种驱动方案,开发两种不同胶囊内窥镜机器人运动机构,设计了两种方案的胶囊内窥镜机器人无线控制电路,并进行了驱动实验。首先,本文分析了SMA微驱动特性、工作原理、本构模型,建立了电加热驱动方式的数学模型,并进行仿真实验研究。其次,在介绍MSP430单片机外围电路模块的基础上,完成了胶囊内窥镜机器人无线控制系统的硬件电路设计和软件编程。最后,进行了胶囊内窥镜机器人直流电机螺旋驱动实验和SMA微驱动实验。模拟实验显示,本文提出的驱动方法切实可行,进一步对直流电机螺旋驱动和SMA微驱动比较可知,SMA微驱动具有很强的驱动力,并且更有易于微型化,为胶囊内窥镜机器人的进一步研究奠定了基础。
余华军[5]2006年在《形状记忆合金的温度记忆效应研究》文中认为形状记忆合金由于其独特的形状记忆效应和超弹性,已得到了大量的研究和广泛的应用。随着形状记忆合金温度记忆效应的发现与研究,将在许多领域有着更广泛的应用前景。温度记忆效应是形状记忆合金经过升温时不完全相变循环后得到的,其微观机理和相变特性机制还不是十分清楚。本文利用弹簧的收缩率-温度曲线和示差扫描量热法(DSC)等初步研究了热循环中TiNi(Cu)形状记忆合金以及CuAlNi单晶体和CuZnAl多晶体形状记忆合金的温度记忆效应,探讨了温度记忆效应的微观机理和相变特性并得到了以下有价值的新结果。(1)利用用热处理和热机械训练方法研制了具有双向形状记忆的TiNi和TiNiCu弹簧,用磁控溅射法制备的TiNi和TiNiCu合金薄膜,及CuAlNi单晶体和CuZnAl多晶体等系统地研究了温度记忆效应。表明温度记忆效应是形状记忆合金的固有现象,是通过升温时不完全相变循环诱发的,进行N次不同停止温度按降序的不完全相变循环后,那么有N个温度被记忆了。并且,不完全相变循环的次数对温度记忆效应有重要的影响。(2)研究发现温度记忆效应说是一个可逆的过程。随后的完全相变循环后立即消失。(3)M1和M2是马氏体的两种变体,有着不同的取向结构和弹性应变能,使得M1和M2在不同的温度下转变成奥氏体。因此马氏体里面储存的弹性应变能和马氏体与母相之间的共格应变是温度记忆效应的可能微观机理。(4)TiNi形状记忆合金经一定温度退火1h后,降温至Ts(Ms<Ts<Rf)后停止降温,接着升温测得DSC曲线仅得到两个吸热峰,即R相→B2和马氏体相→B2。随着进一步降温至Ms和Mf之间,能观测到叁个吸热峰,即R相→B2和两类马氏体相→B2。表明降温时不完全相变对相变特性有很大影响。
邓兰兰[6]2008年在《加工方式对NiTi形状记忆合金回复力影响的研究》文中进行了进一步梳理形状记忆合金(SMA, Shape Memory Alloy)环向预应力混凝土结构是基于混凝土的轴向抗压强度随另外两向应力的增加而增加的原理,以形状记忆合金的形状记忆效应为基础而提出的。本文利用过盈夹持原理自制夹具,在万能试验机上使NiTi SMA丝实现一定的预应变后,再在经改装的10kN的BZ2216数字式测力仪上测定合金丝的回复力的大小,研究其随着温度升高和降低的变化规律;同时讨论了温度、激励模式、激励次数及预应变量和拉伸方式等加工方式对NiTi SMA丝回复力的影响。结果表明:NiTi SMA合金丝的回复力随温度的上升而增大,当温度高于合金的软化点时,合金发生软化,回复力开始下降;预应变越大,合金的回复力越大,但是当超过一定的预应变(8%)后,合金的回复力反而下降;与增大电流强度的激励模式比较,缓慢提高电流强度的激励模式,马氏体转变为奥氏体的量增多,合金的回复力增大;合金多次激励仍有回复力。同一预应变下,加热到一定温度之后,经由冷拉方式得到预应变的NiTi合金丝和经由冷拔方式得到预应变的合金丝相比,加热初期后者的回复力比前者稍大,但当加热到一定温度(约80℃)之后,前者的回复力明显要大很多。在100℃范围内,经由冷拉产生6%预应变的NiTi合金丝产生的回复力最大,最大回复力可达350MPa左右,由此NiTi SMA丝作为环向预应力混凝土结构的箍筋最为合适。但断电之后,合金丝的回复力随着温度的降低而降减小,冷却到室温之后的合金丝最终只剩余一定的残余应力,甚至没有残余应力剩余。所以最终SMA环向预应力混凝土结构中的SMA丝只起到普通箍筋的作用。要实现结构中SMA环向预应力的作用,需要对SMA丝持续激励或者反复激励。
杨明理[7]2008年在《形状记忆合金对混凝土的环向驱动研究》文中进行了进一步梳理本文主要以SMA(形状记忆合金Shape Memory Alloy)的形状记忆效应为基础,基于形状记忆合金的形状记忆效应和混凝土的轴向抗压强度随另外两向应力的增加而增加的原理,研究一种新型混凝土环向驱动构件,即SMA智能混凝土,从而提出一种新型的预应力施加方式——环向预应力,使混凝土柱在无损伤时就达到叁向受压的理想工作状态。并提出新型混凝土环向驱动构件在应用推广之前必须解决的问题以及研究方向。为了研究形状记忆合金对混凝土环向驱动研究,在理论分析的基础上,通过对国内外有关SMA文献资料的研究,了解了有关SMA的各种特性﹑工程意义及目前国内外SMA的研究现状。为下一步试验的顺利实施,进行了形状记忆效应﹑相变点和回复力大小的测定,并对合金丝采取冷拉还是冷拔进行了比较。把混凝土结构在100℃烘干后,对素混凝土柱﹑合金丝没有预应变和合金丝有预应变混凝土柱进行了轴压试验研究。经过分析和试验,得出了形状记忆合金丝在有预应变﹑没有预应变和无环向约束叁种情况下混凝土柱的承载力和变形变化规律。通过对混凝土试件的抗压强度试验,分析了叁种不同混凝土结构的荷载-应变曲线。试验结果表明:形状记忆合金对混凝土的环向驱动,不仅对裂缝有了很好的抑制作用,而且间接提高了混凝土的抗压强度,与理论分析基本吻合。
封向东, 王治国, 祖小涛, 戴晶怡, 林理彬[8]2002年在《热处理及训练对NiTi形状记忆合金弹簧双向记忆效应的影响》文中研究指明形状记忆合金作为双程驱动元件时通常是与一偏压元件同时使用来实现双程驱动[1,2 ] 。本文通过不同热处理制度对Ti Ni形状记忆合金的弹簧相变点和形状恢复率的影响以及训练次数对形状恢复率的影响研究 ,以期获得性能良好的双向记忆合金弹簧单独作为双向驱动元件的最佳处理条件。结果表明经 4 5 0℃热处理并经过 2 0次训练得到的TiNi形状记忆合金弹簧是最优的
夏刘可[9]2008年在《温控形状记忆合金驱动无阀微泵的基础研究》文中指出在现代工业中,对体积小、重量轻和高力能密度运动及位置控制直线执行器的要求越来越高。现在,越来越多的功能材料可以用于产生机械运动,利用新型功能材料制造各种执行机构的研究受到人们的广泛关注。形状记忆合金(SMA)因大功重比、集驱动传动和传感于一身、变形大等优点使得它在微小型应用领域具有独特的应用前景。本文首先总结了SMA的晶体结构和变形机理,给出了SMA的马氏体结构和本构关系。对50.8%Ni-Ti材料进行静态实验研究,分析了SMA材料的应力、应变、温度之间的关系,以此为理论基础,对不同结构内嵌式记忆合金执行器形变模型与性能作了研究。其次,分析了Ni-Ti形状记忆合金弹簧的通电电流、变形速度和位移、相变温度之间的关系,并对差动式形状记忆合金弹簧驱动器的工作原理做了阐述,设计制作了并列型差动式形状记忆合金执行器,选择电脉冲加热和液体冷却方式驱动。实验得出,该执行器输出力和位移比较大,且机构简单控制方便,通电电流在不破坏材料晶体结构范围内,位移及变形速率随着电流的增大而增加,加上合适的冷却措施,可作为不同频率要求的驱动源。差动式SMA执行器通过结构上的创新,不仅大大提高了SMA执行器的工作频率和输出力矩,而且有效减小了运行功耗。最后,设计了一种并列型差动式SMA执行器驱动的无阀泵系统。差动式SMA执行器可以有效减小材料的非线性和宽滞后带来的影响,提高工作频率和输出力。本文详细论述了差动式SMA执行器驱动的无阀泵的结构和运行原理,泵体结构的最优参数设计,设计并制作了一台差动式SMA执行器驱动的无阀泵实验样机,对样机进行了流场有限元分析,并进行了初步的实验研究。分析和实验结果验证了差动式SMA执行器驱动的无阀泵的可行性。
崔迪[10]2007年在《形状记忆合金及其智能混凝土结构研究》文中进行了进一步梳理形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)作为一种集传感和驱动于一身的新型功能材料，近年来引起了土木工程界的广泛关注，利用SMA提高结构的抗震性能，对结构进行振动控制已成为一个重要的研究方向。国内外众多学者开展了相关的研究工作，并取得了一定的成果。而对于SMA的本构关系、传感特性以及SMA智能混凝土结构的性能等方面的研究还处于探索阶段，仍需进一步的深入研究。本文针对目前SMA在土木工程领域研究中存在的一些问题，进行了以下几方面的研究工作：(1)鉴于钢绞线的一些优良性能，提出了一种新形式的SMA线材——SMA绞线。通过试验研究了超弹性SMA绞线在变应变幅值和循环加载条件下的力学性能以及马氏体相SMA线材的回复应力随温度的变化情况，并与普通SMA丝的测试结果进行了对比。结果表明，SMA线材的形式对其力学性能有一定的影响。(2)利用神经网络的非线性映射能力，根据SMA丝在不同应变幅值条件下的试验结果，建立了基于神经网络的SMA超弹性本构关系模型。由计算结果和试验数据的对比分析可知，该模型可以很好地描述SMA应力应变之间的非线性关系，且有良好的预测能力，能够解决经典唯象理论模型无法描述残余应变和应力诱发马氏体相变阶段加卸载曲线不重合现象的缺陷。(3)利用SMA的电阻特性可以实现结构健康的自监测与自诊断或利用该特性将SMA制成传感元件。为此，将SMA的电阻率和马氏体体积百分含量之间的关系与Brinson提出的SMA一维本构关系模型相结合，建立了SMA应变传感特性分析模型。分析了不同温度、不同初始状态的SMA电阻相对变化与应变之间的关系。通过SMA电阻特性试验验证了该模型的有效性。研究结果表明，模型计算值与试验结果吻合较好。(4)将SMA绞线作为主筋埋入到混凝土梁中，制成SMA智能混凝土梁，通过试验考查了梁的自修复能力。其中，采用叁点弯曲试验对超弹性SMA混凝土梁和普通钢筋混凝土梁进行循环加载，比较了两种试验梁的承载力、残余变形和残余裂缝，分析了预应力、有无粘结对试验梁力学性能的影响；对马氏体相SMA混凝土梁采用一次性加载，卸载后对SMA绞线进行通电激励，并比较激励前后试验梁的裂缝的变化情况。通过上述试验研究可知，SMA绞线起到了改善普通混凝土梁的力学性能的作用，在保证承载力的情况下能够很好地控制试验梁的裂缝开展情况。与普通钢筋混凝土梁相比，SMA混凝土梁具有较好的自修复能力。(5)采用初始位移法对SMA混凝土柱进行自由振动测试和通电激励测试以了解SMA对混凝土柱动态特性的影响。两种测试方式分别考查了混凝土柱在主动性能调节和主动应变能调节情况下动态特性的变化情况。试验结果表明，两种方式均可以改变混凝土柱的动态特性，两者对混凝土柱阻尼比的改变几乎相同，但对于混凝土柱的频率，主动应变能调节的效果更显着。(6)利用超弹性SMA所具有的良好的耗能能力和自恢复能力，将其替代钢筋作为混凝土结构的主筋，建立了SMA混凝土自减震自复位结构体系。分别对平面SMA混凝土结构在单向地震作用下和空间偏心SMA混凝土结构在双向地震作用下进行了时程反应分析。计算过程中考虑了结构周期、场地类别和地震动强度的影响，并与相同几何尺寸、相同配筋率的钢筋混凝土结构的计算结果进行了比较。结果表明，SMA混凝土结构较普通钢筋混凝土结构具有较小的平动位移反应和扭转反应，且具有良好的自复位能力。
参考文献：
[1]. 形状记忆合金双向记忆效应及驱动特性研究[D]. 王治国. 四川大学. 2002
[2]. NiTi记忆合金动态特性实验研究及其在仿生机器鱼上的应用[D]. 李尚荣. 中国科学技术大学. 2006
[3]. 基于柔顺机构SMA扭转驱动器设计及实验研究[D]. 唐森. 中国科学技术大学. 2011
[4]. 胶囊内窥镜机器人微驱动及控制的研究[D]. 朱胜清. 南昌大学. 2007
[5]. 形状记忆合金的温度记忆效应研究[D]. 余华军. 电子科技大学. 2006
[6]. 加工方式对NiTi形状记忆合金回复力影响的研究[D]. 邓兰兰. 重庆交通大学. 2008
[7]. 形状记忆合金对混凝土的环向驱动研究[D]. 杨明理. 重庆交通大学. 2008
[8]. 热处理及训练对NiTi形状记忆合金弹簧双向记忆效应的影响[J]. 封向东, 王治国, 祖小涛, 戴晶怡, 林理彬. 金属热处理. 2002
[9]. 温控形状记忆合金驱动无阀微泵的基础研究[D]. 夏刘可. 沈阳工业大学. 2008
[10]. 形状记忆合金及其智能混凝土结构研究[D]. 崔迪. 大连理工大学. 2007
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