形狀記憶合金平面渦卷式回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的研究.pdf

1、形狀記憶合金（Shape Memory Alloys，SMA）是一種有著形狀記憶效應(yīng)的智能材料，具有感知溫度變化而改變其形狀的特點(diǎn)，因此以SMA材料所制作的功能器件，具有傳感與驅(qū)動(dòng)一體化的特點(diǎn)。同時(shí)依據(jù)這類材料的其他固有特性，SMA驅(qū)動(dòng)器還具有高功重比、工作時(shí)安靜、清潔、無(wú)摩擦、無(wú)液體、無(wú)粉塵等特點(diǎn)，尤其適用于航空航天飛行器中的溫度自適應(yīng)控制以及驅(qū)動(dòng)裝置的研發(fā)。
　　本文針對(duì)當(dāng)前SMA回轉(zhuǎn)式驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度不高等問題，提出了

2、渦卷式驅(qū)動(dòng)器構(gòu)型，該設(shè)計(jì)避去了復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)而直接輸出扭矩與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。本文從力學(xué)行為分析、制備工藝優(yōu)化、溫控特性測(cè)試以及主動(dòng)激勵(lì)效果等方面對(duì)這類驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，具體研究工作以及成果如下：
　?。?）在驅(qū)動(dòng)元件的力學(xué)行為研究方面：將平面胡克渦卷彈簧的力學(xué)模型與 SMA一維本構(gòu)模型相結(jié)合，根據(jù)SMA驅(qū)動(dòng)元件不同的工作方式，按照溫度、扭矩、變形量的不同變化過程，建立了分段式平面渦卷SMA驅(qū)動(dòng)元件的

3、力學(xué)模型，獲得了驅(qū)動(dòng)元件在不同工作階段的力學(xué)模型表達(dá)式。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該模型能有效地描述驅(qū)動(dòng)元件在材料開始相變前與完成相變后的基本狀態(tài)與特性。
　?。?）在驅(qū)動(dòng)元件的制作方面：對(duì)經(jīng)過不同熱處理訓(xùn)練的SMA帶材樣件進(jìn)行了溫控三點(diǎn)彎測(cè)試，并按照低溫態(tài)抗彎剛度低、塑性變形大，高溫態(tài)剛度高以及材料相變溫度滯后量大為標(biāo)準(zhǔn)，確定了熱處理工藝參數(shù)，并制作得到了達(dá)到預(yù)期性能的驅(qū)動(dòng)元件。
　?。?）對(duì)測(cè)試系統(tǒng)研發(fā)方面：針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置無(wú)法對(duì)渦

4、卷式SMA驅(qū)動(dòng)器件進(jìn)行有效性能測(cè)試研究的情況，設(shè)計(jì)制作了適合的測(cè)試系統(tǒng)，并通過性能驗(yàn)證以及實(shí)際使用證明該系統(tǒng)能夠滿足目前研究階段的實(shí)驗(yàn)要求。之后為了提高設(shè)備的工作效率，以 PCI1711數(shù)據(jù)卡以及LabView軟件平臺(tái)為基礎(chǔ)，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了自動(dòng)化改良。
　?。?）對(duì)SMA驅(qū)動(dòng)元件及驅(qū)動(dòng)器的溫控特性測(cè)試方面：對(duì)驅(qū)動(dòng)元件的測(cè)試顯示，在驅(qū)動(dòng)元件轉(zhuǎn)角變形量不超過600°時(shí)，其形狀能夠基本保持阿基米德螺線形狀，在高低溫時(shí)最大轉(zhuǎn)角輸出量相差

5、約2倍、最大扭矩輸出相差約1.6倍；對(duì)往復(fù)式驅(qū)動(dòng)器的測(cè)試顯示，驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)在高溫環(huán)境下最大輸出177310-3N·m扭矩，在低溫環(huán)境下最大輸出75310-3N·m的反向扭矩，在無(wú)載荷情況下能實(shí)現(xiàn)160°的最大往復(fù)行程。
　?。?）在驅(qū)動(dòng)元件和激勵(lì)源的整合研究方面：對(duì)比了三種加熱驅(qū)動(dòng)方式對(duì)SMA驅(qū)動(dòng)元件輸出特性的影響，提出了以碳纖維附著層作為加熱手段的新型的SMA驅(qū)動(dòng)元件整體熱驅(qū)動(dòng)方式。探索了碳纖維附著層與SMA帶材的集成方法，并研究