NiTi記憶合金動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究及其在仿生機(jī)器魚上的應(yīng)用.pdf

1、魚類經(jīng)過十億年以上的進(jìn)化，形成的高效、高機(jī)動(dòng)游動(dòng)特性與傳統(tǒng)機(jī)電式水下推進(jìn)器的低推進(jìn)效率和低機(jī)動(dòng)特性形成鮮明對(duì)比，傳統(tǒng)機(jī)電式推進(jìn)器的低功重比無法滿足微小型仿生機(jī)器魚的驅(qū)動(dòng)要求，采用智能材料作為驅(qū)動(dòng)源已經(jīng)成為仿生機(jī)器人領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研和本課題組多年研究的經(jīng)驗(yàn)，形狀記憶合金因大功重比、集驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)和傳感與一身、變形大等優(yōu)點(diǎn)使得它在微型或小型應(yīng)用領(lǐng)域具有獨(dú)特的應(yīng)用前景。本文在多種功能材料的比較分析基礎(chǔ)上，選擇適合小型仿生機(jī)器魚驅(qū)動(dòng)要求

2、的50.8at％-Ni-Ti基形狀記憶合金材料，以Tanaka-Liang-Brinson形狀記憶合金本構(gòu)模型要求的參數(shù)作為靜態(tài)實(shí)驗(yàn)研究的特性參數(shù)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過中低應(yīng)變速率范圍的動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)獲得材料特性參數(shù)與應(yīng)變速率的敏感性；對(duì)Brinson拉伸本構(gòu)模型進(jìn)行修正，并和普通彈簧公式結(jié)合，推導(dǎo)出形狀記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng)元件的力學(xué)特性公式；在小應(yīng)變條件下，基于彈簧驅(qū)動(dòng)元件的力學(xué)特性公式和實(shí)驗(yàn)研究中得到的材料特性參數(shù)，分析了形狀記憶合金

3、彈簧差動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法，推導(dǎo)了工作中任意溫度、載荷和變形之間的驅(qū)動(dòng)器熱力學(xué)特性方程；最后對(duì)所設(shè)計(jì)的單關(guān)節(jié)仿生機(jī)器魚系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模和分析，對(duì)形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器控制進(jìn)行初步分析，在開環(huán)條件下進(jìn)行了若干響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)。 首先，本文通過對(duì)魚類游動(dòng)模式和游動(dòng)機(jī)理的分析，選擇具有最優(yōu)推進(jìn)效率和最快推進(jìn)速度的鲹科加新月型尾鰭的推進(jìn)模式。由幾種常用功能材料在驅(qū)動(dòng)性能上的分析比較，選擇適合仿生機(jī)器魚驅(qū)動(dòng)的NiTi基形狀記憶合金。通過對(duì)鲹科

4、加新月型尾鰭的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和尾鰭形狀參數(shù)的分析，獲得仿生機(jī)器魚系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器基本性能設(shè)計(jì)參數(shù)：驅(qū)動(dòng)力、變形位移和工作頻率。由仿生原理和鯽魚巡游動(dòng)作機(jī)理分析，確定形狀記憶合金螺旋彈簧差動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)。 然后，選擇應(yīng)用較為廣泛的Tanaka-Liang-Brinson形狀記憶合金本構(gòu)模型來作為驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。因形狀記憶合金材料行為特性受非線性、熱力學(xué)條件、加載歷程影響，特性差異大；同時(shí)，目前工程應(yīng)用缺乏相關(guān)手冊(cè)來提供所選材料的特性參

5、數(shù)，故以這些模型要求的參數(shù)變量作為NiTi合金材料待求的特性參數(shù)，進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)條件下的軸向加載實(shí)驗(yàn)，獲得NiTi絲的主要特性參數(shù)，如彈性模量、相變臨界應(yīng)力、應(yīng)力對(duì)相變溫度的影響系數(shù)、回復(fù)力等。為認(rèn)識(shí)NiTi絲在動(dòng)態(tài)條件與靜態(tài)條件下特性參數(shù)的變化，進(jìn)行了中低應(yīng)變速率下的動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：隨應(yīng)變速率增大，加載階段相變過程應(yīng)力有增大趨勢(shì)，而卸載階段逆相變過程應(yīng)力有減小趨勢(shì)，應(yīng)力和應(yīng)變所包圍的滯后環(huán)面積會(huì)增大。在動(dòng)態(tài)加載

6、行為理論分析中，因測(cè)量手段的限制而采用的近似處理，導(dǎo)致模型不能預(yù)測(cè)出滯后環(huán)而積增大的特性。為此，增加應(yīng)變速率影響系數(shù)，從理論上彌補(bǔ)因?qū)嶒?yàn)測(cè)量手段不足而導(dǎo)致的預(yù)測(cè)偏差，提高了理論模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。混合應(yīng)變速率實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)了材料的應(yīng)力松弛特性。 接著，利用塑性理論中，剪應(yīng)力和剪應(yīng)變與正應(yīng)力和拉伸應(yīng)變的等效關(guān)系，對(duì)Brinson一維靜態(tài)拉壓本構(gòu)模型進(jìn)行修正，得到適用于剪切變形的本構(gòu)關(guān)系，結(jié)合普通彈簧的計(jì)算公式，得到SMA彈簧驅(qū)動(dòng)元件的負(fù)載

7、、溫度和變形關(guān)系的熱力學(xué)特性公式。為驗(yàn)證該模型的預(yù)測(cè)能力，以NiTi絲彈簧為試件進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明兩者在定性上能夠較好的吻合。 隨后，在小應(yīng)變假設(shè)條件下，通過對(duì)形狀記憶合金彈簧差動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器工作原理分析，利用靜態(tài)實(shí)驗(yàn)獲得的材料特性參數(shù)和形狀記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng)元件的熱力學(xué)特性公式，分析了形狀記憶合金彈簧差動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，選擇電脈沖加熱和熱池冷卻的熱驅(qū)動(dòng)方法，并推導(dǎo)了SMA螺旋彈簧差動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器工作中任意溫度、載荷和變

8、形之間的熱力學(xué)特性方程。 最后，給出由SMA彈簧差動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器和新月型尾鰭為主要推進(jìn)系統(tǒng)的機(jī)器魚樣機(jī)，對(duì)設(shè)計(jì)的單關(guān)節(jié)仿生機(jī)器魚系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析和仿真。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器的性能，在開環(huán)條件下進(jìn)行若干響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：在空氣媒介自然對(duì)流條件下，驅(qū)動(dòng)力能夠滿足設(shè)計(jì)要求，但響應(yīng)頻率較低(只有0.3Hz左右)。由于驅(qū)動(dòng)力和響應(yīng)頻率的相互制約關(guān)系，所提出的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)還需要進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化。 論文