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文章来源:麻辣机械网  |  2022-10-04

形状记忆合金螺旋弹簧的设计方法

99—4—13 Design method of shape memory alloy helical springJia Bao围巾xian(Petroleum University ) Abstract: This paper introduced the disigning principle, method and present situation of development of shape memory alloy helical spring. A discussion has been carried out on three kinds of the commonly used designing method.

Key words: Shape momory alloy,Helical spring, Design method.

Fig涨价缓慢并将获得更多客户 6 Tab 0 Ref 4“Jixie Sheji”82491 引言

目前,形状记忆合金(Shape Memory Alloys,以下简称SMA)的应用日益广泛,涉及电器、机械、运输、化工、医疗福安、能源和生活日用品等领域,特别是在机器人、机械手方面的应用日益增多,而应用的形式多以SMA螺旋弹簧为主。

SMA的特点是具有形状记忆效应,它在高温下定形后,冷却到低温(或室温),并使它产生残余变形,如果再加热到相变温度后,就会使残余变形消失,并回复到高温下的固有形状,随后,再进行冷却或加热,将继续保持高温下的形状不变,上述过程可以周而复始地进行,仿佛合金记住了高温状态所赋予的形状一样,这种现象称为单程记忆;如果对材料进行特殊处理,在随后的加热和冷却循环中,能够重复地记住高温和低温状态的两种形状,称为双程记忆;某些形状记忆合金在实现双程记忆的同时,继续冷却到更低温度,可以出现与高温时完全相反的形状,称为全方位记忆(也叫全程记忆)。如图1所示。

图1 三种类型形状记忆效应示意图 螺旋弹簧大都使用单程或双程记忆效应,特别是双程记忆效应,它随着温度的上升和下降,能实现两个方向的动作,使用起来十分方便。

本文从SMA的相变机理出发,对BB肥SMA应力—应变关系进行了描述,对SMA螺旋弹簧的设计问题进行了探讨,介绍了SMA螺旋弹簧的三种设计方法。2 热弹性马氏体相变

SMA的形状记忆效应源于热弹性马氏体相变,这1般硬度越高种马氏体一旦形成,就会随着温度下降而继续生长,如果温度上升它又会减少,以完全相反的过程消失。两项自由能之差作为相变驱动力。两项自由能相等的温度T0称为平衡温度。只有当温度低于平衡温度T0时才会产生马氏体相变,反之,只有当温度高于平衡温度T0时才会发生逆相变。

图2给出了马氏体含量同温度之间的变化关系,其中有四个重要参数:

Ms——马氏体相变开始温度;

Mf——马氏体相变结束温度;

As——逆(奥氏体)相变开始温度;

Af——逆(奥氏体)相变结束温度。

图2 马氏体含量与温度的关系 在SMA衣箱中,马氏体相变不仅由温度引起,也可以由应力引起,这种由抗压降落率在常温水泥装入这类塑料袋应力引起的马氏体相变叫做应力诱发马氏体相变,且相变温度同应力呈线性关系,如图3所示。

图3 相变温度与应力的关系 当T Af时,外力作用发生马氏体转变,产生残余变形,如果加热到Af以上时,就会发生逆相变,使应变消失,恢复原状(如图4所示),这就表现了它的形状记忆效应,在形状恢复过程中,如果受到外力约束,则在材料内部就会产生较大的回复力,回复力的大小同应变γ、温度T以及马氏体含量ξ密切相关。利用这一特性,可将SMA作为驱动元件。

图4 形状记忆效应3 SMA应力—应变关系的特点

形状记忆效应的最大特点是集感温—驱动两项功能于一体。作为驱动元件,它和普通螺旋弹簧也不含水份类似,但又有所不同。主要表现在:

(1)普通螺旋弹簧的应力—应变曲线呈线性,而SMA螺旋弹簧的应力—应变曲线呈非线性;

(2)普通螺旋弹簧的应力—应变特性与温度无关,而SMA螺旋弹簧 的这种特性与温度密切相关;

(3)普通弹簧在加载与卸载过程中的特性曲线是重合的,而SMA的特性曲线存在温度滞后或应变滞后现象。

综上所述,SMA的应力—应变曲线是非线性的,剪切弹性模量等机械、力学特性也不是常数,而是随温度变化的,所以,普通螺旋弹簧的设计公式不能简单地拿过来使用。4 SMA的力学模型及特征量

很多文献都对双程记忆

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