新型SMA扭转驱动器的运动变换机理与优化设计研究

针对机器人与智能变形飞行器领域中对轻质、紧凑、大扭矩、大扭转角度SMA驱动器日益增长的迫切需求，提出一种将SMA丝轴向正应变恢复变形转换为弹性螺旋结构扭转运动输出的新型SMA扭转驱动器。研究SMA热/力耦合动态行为和本构模型，进而建立该SMA扭转驱动器的多场耦合动力学模型，通过数值模拟和实验测试，揭示弹性螺旋结构和SMA丝等关键元件的主要几何与物理参数对该SMA扭转驱动器静动态综合性能的影响和定量关系，进而揭示该SMA扭转驱动器的运动变换机理，建立其优化设计模型并给出相应的求解方法，研究其尺度效应，并通过与其它扭转驱动器的对比研究验证其相对优越性，确定其适用范围，为该新型SMA扭转驱动器的工业化应用铺平道路。最后在深入认识该新型SMA扭转驱动器运动变换机理及其性能优化方法基础上，探索建立较完善的SMA扭转驱动器设计与优化理论，推动智能材料驱动器的发展。

本项目将柔性机构引入形状记忆合金（SMA）扭转驱动器的设计中，利用形状独特的柔性机构将SMA的直线微位移放大和转换为SMA扭转驱动器的旋转运动输出。为阐明该SMA柔性扭转驱动器的致动机理，给出其优化设计方法，本文对影响驱动器性能的关键因素开展了系统深入的研究。. 在对SMA准静态热/力耦合特性及其本构模型研究的基础上，重点探究了SMA丝较高应力水平约束态下的恒载热循环特性、SMA不完全相变热循环“温度记忆”效应和SMA动态加载应变率相关效应，更加全面、精细地刻画了SMA在复杂热/力耦合条件下的行为特性。. 由于柔性结构的形状和SMA丝驱动力的作用点位置对驱动器中心轴的输出转角有关键性的影响。因此，本项目使用样条曲线建立柔性结构形状的数学模型，通过有限元法分析柔性结构在外力作用下的变形效应，并采用遗传算法优化柔性结构的形状和SMA丝的作用点位置。. 为分析SMA柔性扭转驱动器柔性结构的动态特性，本项目应用有限段方法和ADAMS多体动力学分析软件，把扭转驱动器的柔性结构部分离散成有限个刚体段，在各段之间添加弹簧和阻尼特性，建立柔性结构的有限段模型并完成动态特性分析。. 由于SMA本身具有复杂的热/力耦合非线性特性，与机电系统再耦合到一起，其设计和分析便愈加困难，至今还未有较为完善且易于工程应用的系统化、规范化的设计理论和方法。本项目在上述关于SMA热/力耦合特性研究的基础上，结合机械动力学和电学、热学基本理论，研究建立了SMA驱动系统的系统动力学一般模型，并将其转换为状态空间模型，给出了基于Matlab/Simulink的系统动力学仿真模拟方法。. 最后，设计制作了SMA柔性扭转驱动器的实验样机模型，建立了基于SMA丝电阻自传感反馈的SMA驱动控制系统。通过实验测试，该SMA柔性扭转驱动器的最大扭转输出角度约为16°，最大输出扭矩约为1.0Nm。