NiTi记忆合金动态特性实验研究及其在仿生机器鱼上的应用

论文摘要

鱼类经过十亿年以上的进化，形成的高效、高机动游动特性与传统机电式水下推进器的低推进效率和低机动特性形成鲜明对比，传统机电式推进器的低功重比无法满足微小型仿生机器鱼的驱动要求，采用智能材料作为驱动源已经成为仿生机器人领域的一大热点。根据文献调研和本课题组多年研究的经验，形状记忆合金因大功重比、集驱动传动和传感与一身、变形大等优点使得它在微型或小型应用领域具有独特的应用前景。本文在多种功能材料的比较分析基础上，选择适合小型仿生机器鱼驱动要求的50.8at％-Ni-Ti基形状记忆合金材料，以Tanaka-Liang-Brinson形状记忆合金本构模型要求的参数作为静态实验研究的特性参数和动态实验的评价指标，通过中低应变速率范围的动态拉伸实验获得材料特性参数与应变速率的敏感性；对Brinson拉伸本构模型进行修正，并和普通弹簧公式结合，推导出形状记忆合金弹簧驱动元件的力学特性公式；在小应变条件下，基于弹簧驱动元件的力学特性公式和实验研究中得到的材料特性参数，分析了形状记忆合金弹簧差动式驱动器的设计方法，推导了工作中任意温度、载荷和变形之间的驱动器热力学特性方程；最后对所设计的单关节仿生机器鱼系统进行了动力学建模和分析，对形状记忆合金驱动器控制进行初步分析，在开环条件下进行了若干响应特性实验。 首先，本文通过对鱼类游动模式和游动机理的分析，选择具有最优推进效率和最快推进速度的鲹科加新月型尾鳍的推进模式。由几种常用功能材料在驱动性能上的分析比较，选择适合仿生机器鱼驱动的NiTi基形状记忆合金。通过对鲹科加新月型尾鳍的运动学参数和尾鳍形状参数的分析，获得仿生机器鱼系统驱动器基本性能设计参数：驱动力、变形位移和工作频率。由仿生原理和鲫鱼巡游动作机理分析，确定形状记忆合金螺旋弹簧差动式驱动器结构。 然后，选择应用较为广泛的Tanaka-Liang-Brinson形状记忆合金本构模型来作为驱动器设计的理论基础。因形状记忆合金材料行为特性受非线性、热力学条件、加载历程影响，特性差异大；同时，目前工程应用缺乏相关手册来提供所选材料的特性参数，故以这些模型要求的参数变量作为NiTi合金材料待求的

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 仿生机器鱼研究概述
• 1.1.1 仿生机器鱼国内外研究现状
• 1.1.2 仿生机器鱼驱动机构实现方式
• 1.1.3 机器鱼驱动源比较
• 1.2 功能驱动材料性能分析与比较
• 1.2.1 磁致伸缩材料
• 1.2.2 压电陶瓷
• 1.2.3 高分子聚合物
• 1.2.4 电磁流变材料
• 1.2.5 形状记忆合金
• 1.2.6 基于SMA的小型仿生机器鱼研究若干重要问题
• 1.3 形状记忆合金驱动特性性能分析
• 1.3.1 形状记忆效应宏观表象
• 1.3.2 形状记忆效应微观表象
• 1.3.3 SMA力学特性
• 1.3.4 影响SMA性能的因素
• 1.4 本文主要的研究工作
• 1.4.1 SMA驱动器的设计参数获取与驱动器结构分析
• 1.4.2 NiTi丝的动态特性实验与分析
• 1.4.3 SMA驱动器弹簧元件的力学特性分析与实验
• 1.4.4 SMA弹簧差动式驱动器设计
• 1.4.5 基于SMA的单关节机器鱼系统动力学分析
• 第2章 SMA驱动器设计参数获取与结构分析
• 2.1 鲹科加新月型尾鳍推进运动分析
• 2.1.1 尾鳍的运动参数
• 2.1.2 尾鳍的形状参数
• 2.1.3 驱动力矩与驱动功率分析
• 2.2 形状记忆合金驱动器结构分析
• 2.2.1 机器鱼总体结构设计
• 2.2.2 驱动器类型分析
• 2.2.3 驱动器结构及输出参数确定
• 2.3 本章小结
• 第3章 NITI丝轴向动态加载实验与分析
• 3.1 SMA静态本构模型及特性参数
• 3.1.1 形状记忆合金一维静态本构模型
• 3.1.2 静态实验获取的特性参数
• 3.2 单向准静态拉伸实验
• 3.2.1 相变温度测量
• 3.2.2 恒温下应力应变关系实验
• 3.2.3 恒应变下应力—温度关系实验
• 3.2.4 恒应力下应变—温度关系实验
• 3.3 低应变速率下动态实验
• 3.3.1 低应变速率下应力与应变实验
• 3.3.2 复合应变速率实验
• 3.3.3 循环加载实验
• 3.4 低应变速率下动态拉伸建模理论分析
• 3.4.1 轴向加载相变过程分析
• 3.4.2 动态拉伸建模
• 3.4.3 基于拉伸加载实验行为模型的仿真
• 3.5 本章小结
• 第4章 SMA螺旋弹簧元件特性研究
• 4.1 SMA螺旋弹簧力学特性分析
• 4.1.1 修正用于剪切变形的Brinson本构模型
• 4.1.2 SMA螺旋弹簧热力学特性分析
• 4.2 NITI丝螺旋弹簧特性实验
• 4.2.1 性能测试仪
• 4.2.2 实验内容
• 4.2.3 实验结果与分析
• 4.3 形状记忆合金弹簧元件设计方法分析
• 4.3.1 表观设计法
• 4.3.2 图解设计法
• 4.3.3 回归分析法
• 4.4 本章小结
• 第5章 SMA螺旋弹簧差动式驱动器设计研究
• 5.1 SMA驱动器工作原理研究
• 5.1.1 SMA相关术语定义与约定
• 5.1.2 SMA驱动器工作原理研究
• 5.2 SMA螺旋弹簧差动式驱动器设计方法
• 5.2.1 SMA螺旋弹簧驱动器设计的一股方法
• 5.3 SMA螺旋弹簧差动式驱动器热驱动方法研究
• 5.3.1 电加热驱动
• 5.3.2 自然冷却
• 5.3.3 热池冷却
• 5.3.4 半导体电堆驱动
• 5.4 SMA螺旋弹簧差动式驱动器热力学分析
• 5.4.1 SMA螺旋弹簧本构模型
• 5.4.2 螺旋弹簧差动式驱动器热力学分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 基于SMA的机器鱼系统动力学分析
• 6.1 机器鱼驱动系统动力学分析
• 6.1.1 SMA的驱动力矩和阻力矩
• 6.1.2 阻力矩
• 6.1.3 惯性力矩
• 6.2 基于模型的仿真验证
• 6.3 基于开环的实验
• 6.3.1 改变方波幅值实验
• 6.3.2 改变方波的脉冲宽度实验
• 6.3.3 SMA弹簧驱动元件实验
• 6.3.4 SMA弹簧差动式驱动器响应特性实验
• 6.4 本章小结
• 第7章 主要结论与创新点
• 7.1 主要结论
• 7.2 创新之处
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢