NiTi記憶合金動態(tài)特性實驗研究及其在仿生機器魚上的應用.pdf

1、魚類經(jīng)過十億年以上的進化，形成的高效、高機動游動特性與傳統(tǒng)機電式水下推進器的低推進效率和低機動特性形成鮮明對比，傳統(tǒng)機電式推進器的低功重比無法滿足微小型仿生機器魚的驅(qū)動要求，采用智能材料作為驅(qū)動源已經(jīng)成為仿生機器人領(lǐng)域的一大熱點。根據(jù)文獻調(diào)研和本課題組多年研究的經(jīng)驗，形狀記憶合金因大功重比、集驅(qū)動傳動和傳感與一身、變形大等優(yōu)點使得它在微型或小型應用領(lǐng)域具有獨特的應用前景。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器魚驅(qū)動要求

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)實驗研究的特性參數(shù)和動態(tài)實驗的評價指標，通過中低應變速率范圍的動態(tài)拉伸實驗獲得材料特性參數(shù)與應變速率的敏感性；對Brinson拉伸本構(gòu)模型進行修正，并和普通彈簧公式結(jié)合，推導出形狀記憶合金彈簧驅(qū)動元件的力學特性公式；在小應變條件下，基于彈簧驅(qū)動元件的力學特性公式和實驗研究中得到的材料特性參數(shù)，分析了形狀記憶合金

3、彈簧差動式驅(qū)動器的設(shè)計方法，推導了工作中任意溫度、載荷和變形之間的驅(qū)動器熱力學特性方程；最后對所設(shè)計的單關(guān)節(jié)仿生機器魚系統(tǒng)進行了動力學建模和分析，對形狀記憶合金驅(qū)動器控制進行初步分析，在開環(huán)條件下進行了若干響應特性實驗。 首先，本文通過對魚類游動模式和游動機理的分析，選擇具有最優(yōu)推進效率和最快推進速度的鲹科加新月型尾鰭的推進模式。由幾種常用功能材料在驅(qū)動性能上的分析比較，選擇適合仿生機器魚驅(qū)動的NiTi基形狀記憶合金。通過對鲹科

4、加新月型尾鰭的運動學參數(shù)和尾鰭形狀參數(shù)的分析，獲得仿生機器魚系統(tǒng)驅(qū)動器基本性能設(shè)計參數(shù)：驅(qū)動力、變形位移和工作頻率。由仿生原理和鯽魚巡游動作機理分析，確定形狀記憶合金螺旋彈簧差動式驅(qū)動器結(jié)構(gòu)。 然后，選擇應用較為廣泛的Tanaka-Liang-Brinson形狀記憶合金本構(gòu)模型來作為驅(qū)動器設(shè)計的理論基礎(chǔ)。因形狀記憶合金材料行為特性受非線性、熱力學條件、加載歷程影響，特性差異大；同時，目前工程應用缺乏相關(guān)手冊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)，進行靜態(tài)和動態(tài)實驗。進行準靜態(tài)條件下的軸向加載實驗，獲得NiTi絲的主要特性參數(shù)，如彈性模量、相變臨界應力、應力對相變溫度的影響系數(shù)、回復力等。為認識NiTi絲在動態(tài)條件與靜態(tài)條件下特性參數(shù)的變化，進行了中低應變速率下的動態(tài)加載實驗，結(jié)果表明：隨應變速率增大，加載階段相變過程應力有增大趨勢，而卸載階段逆相變過程應力有減小趨勢，應力和應變所包圍的滯后環(huán)面積會增大。在動態(tài)加載

6、行為理論分析中，因測量手段的限制而采用的近似處理，導致模型不能預測出滯后環(huán)而積增大的特性。為此，增加應變速率影響系數(shù)，從理論上彌補因?qū)嶒灉y量手段不足而導致的預測偏差，提高了理論模型預測的準確性?；旌蠎兯俾蕦嶒灡憩F(xiàn)了材料的應力松弛特性。 接著，利用塑性理論中，剪應力和剪應變與正應力和拉伸應變的等效關(guān)系，對Brinson一維靜態(tài)拉壓本構(gòu)模型進行修正，得到適用于剪切變形的本構(gòu)關(guān)系，結(jié)合普通彈簧的計算公式，得到SMA彈簧驅(qū)動元件的負載

7、、溫度和變形關(guān)系的熱力學特性公式。為驗證該模型的預測能力，以NiTi絲彈簧為試件進行了準靜態(tài)實驗，實驗和仿真結(jié)果表明兩者在定性上能夠較好的吻合。 隨后，在小應變假設(shè)條件下，通過對形狀記憶合金彈簧差動式驅(qū)動器工作原理分析，利用靜態(tài)實驗獲得的材料特性參數(shù)和形狀記憶合金彈簧驅(qū)動元件的熱力學特性公式，分析了形狀記憶合金彈簧差動式驅(qū)動器的設(shè)計，選擇電脈沖加熱和熱池冷卻的熱驅(qū)動方法，并推導了SMA螺旋彈簧差動式驅(qū)動器工作中任意溫度、載荷和變

8、形之間的熱力學特性方程。 最后，給出由SMA彈簧差動式驅(qū)動器和新月型尾鰭為主要推進系統(tǒng)的機器魚樣機，對設(shè)計的單關(guān)節(jié)仿生機器魚系統(tǒng)進行了動力學分析和仿真。為驗證所設(shè)計的形狀記憶合金驅(qū)動器的性能，在開環(huán)條件下進行若干響應特性實驗。結(jié)果表明：在空氣媒介自然對流條件下，驅(qū)動力能夠滿足設(shè)計要求，但響應頻率較低(只有0.3Hz左右)。由于驅(qū)動力和響應頻率的相互制約關(guān)系，所提出的設(shè)計方法和設(shè)計的驅(qū)動器系統(tǒng)還需要進一步改進和優(yōu)化。 論文