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原文传递 SMA车用柔性执行器性能分析及实验研究

论文题名：	SMA车用柔性执行器性能分析及实验研究
关键词：	车用柔性执行器;柔性支撑;执行器应变循环模型;本构模型;形状记忆合金
摘要：	电动化及智能化是现代汽车工业的重要发展趋势，汽车的运动部件的电机化程度越来越高，汽车正在逐渐成为驱动电机的集合体，随之而来的问题也日益明显：附加质量增加、电磁信号干扰、噪声大、结构复杂，都与现代汽车轻量化、绿色、环保、舒适的发展理念相悖。利用形状记忆合金智能材料所具有的能量密度大、结构简单可靠、无电磁干扰、能够感知外界环境变化的特点，实现车内运动部件的驱动和控制，为解决以上矛盾提供了新的方法与思路。现有形状记忆合金柔性执行机构，多采用聚四氟乙烯或金属软管进行支撑，且对于执行器的实验和仿真分析多围绕执行器的静态输出性能进行分析。本文利用SMA致动机理，利用镍-钛形状记忆合金丝作为驱动元件，设计一种形状记忆合金丝和均匀排布的陶瓷珠粒以及橡胶管组成的多层管状结构的车载柔性执行器，并通过理论分析和数值仿真与试验研究对执行器进行结构优化和参数优选，获取影响执行器性能的主要因素和关键参数，论文主要内容包括：　　首先对SMA丝进行准静态拉伸试验，获得形状记忆合金丝在不同温度、拉伸幅值和速率下的特性曲线，搭建SMA油浴试验装置获得了电阻特性曲线。对比不同种柔性支撑结构的力学性能和热机械性能，选择陶瓷珠粒和橡胶管的多层管状结构。柔性执行器弯曲时会造成执行器行程损失，通过建立陶瓷珠粒的和形状记忆合金丝二维简化模型，模拟SMA丝弯曲时，所造成的珠粒排列变化而产生的间隙，计算以珠粒尺寸作为参数，弯曲半径为变量的数学模型，从而选择更合适的珠粒尺寸，获得了相关几何参数对执行器行程损失的影响规律。　　然后利用SMA相变速率分布的本构模型，综合考虑显著影响SMA执行器驱动性能的因素，即热对流传热方程、非恒定偏置载荷（弹簧参数）以及焦耳热加热方法，设计一个基于本构模型和热力学模型可以预测SMA执行器的驱动应变循环频率的数值模型，并以单层无限长圆筒壁稳态传热方程为基础，建立多层管状复合结构的传热模型，分析多层复合结构的结构参数、热力学参数对SMA驱动元件产生热量的耗散过程，针对执行器的偏执弹簧刚度和预拉伸应变等参数，对比分析仿真结果对执行器参数优化计算。　　最后利用电阻行为特征相变检测分析方法，分析形状记忆合金阻值变化特征点与温度变化的关系，采集执行器输出力和位移，结合驱动过程中执行器形状记忆合金丝电阻变化，来验证SMA基于本构模型和热力学模型的执行器应变循环模型。利用数值模型计算执行器适用的工作电流，设计不同场景下变化电流，再利用试验分析设计的合理性，并分析误差出现的原因。除了电流以外影响执行器性能的因素，进行执行器动静态实验，分析SMA柔性执行器输出驱动速度、位移、周期变化规律。
作者：	于婧
专业：	车身工程
导师：	沈传亮
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023