温控形状记忆合金驱动无阀微泵的基础研究

论文摘要

在现代工业中,对体积小、重量轻和高力能密度运动及位置控制直线执行器的要求越来越高。现在,越来越多的功能材料可以用于产生机械运动,利用新型功能材料制造各种执行机构的研究受到人们的广泛关注。形状记忆合金（SMA）因大功重比、集驱动传动和传感于一身、变形大等优点使得它在微小型应用领域具有独特的应用前景。本文首先总结了SMA的晶体结构和变形机理,给出了SMA的马氏体结构和本构关系。对50.8%Ni-Ti材料进行静态实验研究,分析了SMA材料的应力、应变、温度之间的关系,以此为理论基础,对不同结构内嵌式记忆合金执行器形变模型与性能作了研究。其次,分析了Ni-Ti形状记忆合金弹簧的通电电流、变形速度和位移、相变温度之间的关系,并对差动式形状记忆合金弹簧驱动器的工作原理做了阐述,设计制作了并列型差动式形状记忆合金执行器,选择电脉冲加热和液体冷却方式驱动。实验得出,该执行器输出力和位移比较大,且机构简单控制方便,通电电流在不破坏材料晶体结构范围内,位移及变形速率随着电流的增大而增加,加上合适的冷却措施,可作为不同频率要求的驱动源。差动式SMA执行器通过结构上的创新,不仅大大提高了SMA执行器的工作频率和输出力矩,而且有效减小了运行功耗。最后,设计了一种并列型差动式SMA执行器驱动的无阀泵系统。差动式SMA执行器可以有效减小材料的非线性和宽滞后带来的影响,提高工作频率和输出力。本文详细论述了差动式SMA执行器驱动的无阀泵的结构和运行原理,泵体结构的最优参数设计,设计并制作了一台差动式SMA执行器驱动的无阀泵实验样机,对样机进行了流场有限元分析,并进行了初步的实验研究。分析和实验结果验证了差动式SMA执行器驱动的无阀泵的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 温控形状记忆合金的发展概况
• 1.3 温控形状记忆合金执行器的研究现状
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 温控形状记忆合金的变形机理和特性
• 2.1 引言
• 2.2 形状记忆合金的变形机理
• 2.2.1 形状记忆合金的马氏体描述
• 2.2.2 形状记忆合金的本构关系
• 2.3 温控形状记忆合金丝的力学、热学特性分析
• 2.4 SMA在内嵌式记忆合金执行器中的应用前景
• 2.4.1 内嵌式记忆合金执行器的基本概念
• 2.4.2 三种不同结构内嵌式形状记忆合金执行器
• 2.5 本章小结
• 第三章 差动式温控形状记忆合金执行器的特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 SMA驱动器类型分析
• 3.3 差动式温控形状记忆合金执行器的结构及其试验特性分析
• 3.3.1 形状记忆合金弹簧的温控特性理论分析
• 3.3.2 形状记忆合金弹簧的试验分析
• 3.3.3 双向运动差动式SMA驱动器工作原理研究
• 3.4 SMA差动式驱动器热驱动与冷却方法研究
• 3.4.1 形状记忆合金弹簧驱动器电加热驱动
• 3.4.2 形状记忆合金弹簧的冷却方式
• 3.5 样机设计与实验
• 3.6 本章小结
• 第四章 差动式SMA执行器驱动无阀泵的研究
• 4.1 引言
• 4.2 无阀泵的原理与性能分析
• 4.2.1 无阀泵的工作原理
• 4.2.2 无阀泵流道参数设计
• 4.2.3 无阀泵的有限元分析
• 4.3 差动式形状记忆合金执行器驱动的无阀微泵的设计与试验
• 4.3.1 无阀微泵的设计
• 4.3.2 无阀微泵的试验研究
• 4.4 差动式SMA执行器在血泵上的应用的可行性分析
• 4.5 差动式SMA执行器在液压泵上的应用研究分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢