悬置恒载形状记忆合金丝执行器的电-热-机械特性研究.pdf

摘要

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悬置恒载形状记忆合金丝执行器的电热机械特性研究

凭借着优异的热-机械特性，形状记忆合金(SMA)已越来越频繁地出现在执

行器设计中。NiTiSMA丝具有较高的电阻率，可通过低电流焦耳加热方式激活

执行器，实现短时快速响应。在激活执行器时，高温诱发马氏体逆相变，宏观上

表现为NiTiSMA丝长度的缩短，并且内部的电阻也会随之发生改变。因此，SMA

丝执行器的特性研究需要涵盖宏观上的变形量、响应时间、恢复时间以及内部的

电阻等内容。然而，现有的电-热-机械研究在变形响应测试方面存在不足，并且

SMA丝瞬态温度的测量难度大，相变动力学经验模型中待测参数数量繁多，难

以适用于实际的工程应用。因此，有必要对SMA丝执行器展开全面地、系统地

电-热-机械特性研究。

本文将以NiTiSMA丝为研究对象，基于Logistic函数建立相变动力学模型。

为了验证提出模型的有效性，本文根据SMA丝电-热-机械特性的影响因素设计

并搭建SMA丝执行器综合特性测试装置，一方面通过控制变量法探究电压、应

力、线径和对流形式对SMA丝变形响应的影响，另一方面验证基于电阻行为检

测相变的可行性。最后，结合实验结果开展了适用于SMA丝执行器的参数选配、

相变检测、功耗分析等研究。论文的主要研究内容如下：

1.改进了基于Logistic函数的相变动力学方程，并理论分析了前者与指数函

数模型、Brinson模型和高斯概率密度函数模型在相变下的区别。结果表明在

Logistic函数形式的基础上，合理调整内部参数，能够改变相变曲线，具备趋势

可调性。基于改进的相变动力学方程，本文建立了用于描述悬置恒载SMA丝执

行器电-热-机械特性的一维本构模型、相变动力学方程、热力学方程和动力学模

型。此外，在SMA丝的研究基础上，分析了SMA弹簧的热-机械行为。

2.设计并开发了用于SMA丝执行器预处理和特性研究的实验装置。该装置

以恒压源产生的焦耳热激活SMA丝，调整参数包括应力、应变、电压/电流、线

径和对流形式等。其模块化设计满足了恒载热循环、定长变载荷两种实验环境的

装置要求，实现了SMA丝执行器的时间响应特性和电阻特性研究的功能要求。

3.在已开发的实验装置的基础上，研究了SMA丝在恒载热循环下的动态响

应特性。此外，为防止SMA丝过热，提出了适用于截面直径较小的SMA丝温

度计算经验模型。

4.根据SMA丝的电阻行为，对相变过程进行了检测。利用热力学第一定律

计算SMA丝加热过程的温度变化，并将电阻行为确定的相变温度与差示扫描量

热仪测得的相变温度进行了比较。实验结果表明本文提出的电阻检测相变方法

(RSF)较为准确地捕捉到了相变的起始点和终止点，可应用于SMA丝执行器的

自感知驱动中，而无需外界传感器。此外，本文基于电阻检测相变方法提出了一

种用于降低执行器功耗的激励方式。与脉冲宽度调制信号相比，该方法有效地降

低了执行器功耗，实现了轻量化设计。

本文提出了SMA丝执行器电-热-机械特性多因素耦合分析和电阻相变检测

的方法，解决了执行器设计参数和驱动策略的优化问题，实现了SMA丝执行器

的时间响应特性和电阻行为特性的研究目的，在执行器的实时相变检测、过热保

护、降低功耗和自感知驱动等方面具有重要的理论意义和应用价值。

关键词：

形状记忆合金，SMA丝执行器，相变动力学，电阻特性，相变检测，功耗

Abstract

ResearchonElectro-Thermo-MechanicalBehaviorofaVertical-

SuspendedShapeMemoryAlloyWireActuatorunderConstantLoad

Withexcellentthermo-mechanicalproperties,shapememoryalloys(SMAs)have

appearedmoreandmorefrequentlyinactu