La meccanica degli attuatori
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Sommario La meccanica degli attuatori Principio di funzionamento Eugenio Dragoni Sistemi di riarmo Giovanni Scirè Andrea Spaggiari Igor Spinella Università di Modena e Reggio Emilia Modelli di comportamento meccanico Attuatori non convenzionali Fatica termomeccanica Giornata “Leghe a memoria di forma” Museo della Scienza e della Tecnica – Milano – 7 Novembre 2013 Principio di funzionamento Principio di funzionamento 500°, 30 min ? Principio di funzionamento Principio di funzionamento Memorizzazione della forma (una tantum) Fonte di riscaldamento (corrente elettrica, calore) Sistema di riarmo (peso, molla, carico esterno…) Principio di funzionamento Sistemi di riarmo Forza costante (Peso, molla a nastro) Molla elastica Molla SMA Compensazione negativa (meccanismi bistabili) Sistemi di riarmo (forza costante) Sistemi di riarmo (forza costante) ∆ Freddo Freddo Caldo Sistemi di riarmo (forza costante) Sistemi di riarmo (molla lineare) Freddo ∆ Caldo Sistemi di riarmo (molla lineare) Sistemi di riarmo (molla SMA) Freddo Caldo ∆ Caldo Sistemi di riarmo (molla SMA) Freddo Sistemi di riarmo (compensazione negativa) Compensatore SMA1 SMA2 Sistemi di riarmo (compensazione negativa) SMA 1 SMA 2 Compensatore Compensatore SMA 1 SMA 2 Compensatore Sistemi di riarmo (compensazione negativa) SMA 1 Sistemi di riarmo (compensazione negativa) SMA 2 Sistemi di riarmo (compensazione negativa) Sistemi di riarmo (compensazione negativa) Modelli di comportamento meccanico Tensione / Forza Corsa (mm) Compensato Tradizionale Forza (N) Modelli di comportamento meccanico Deformazione / Spostamento Modelli di comportamento meccanico ±F Riarmo SMA Forza Forza utile +F Forza utile Forza Spostamento -F Corsa Spostamento Modelli di comportamento meccanico Modelli di comportamento meccanico ±F ±F Riarmo Riarmo SMA SMA +F Forza Forza -F +F -F +F +F -F -F Corsa Corsa Corsa Corsa Spostamento Spostamento Modelli di comportamento meccanico Attuatori non convenzionali ±F Forza SMA Riarmo Spostamento Potenza specifica (W/kg) Riarmo Massa (kg) Attuatori non convenzionali Attuatori non convenzionali Prestazioni attuatori SMA Forza specifica ∆x ∆x Corsa specifica Attuatori non convenzionali ∆θ ∆x Attuatori non convenzionali Attuatori non convenzionali Attuatori non convenzionali Molla a nastro SMA Attuatori non convenzionali Attuatori non convenzionali Lamine elastiche Telaio Cassetto Molle SMA Sinistra Centro Destra Attuatori non convenzionali Freddo Attuatori non convenzionali Freddo Caldo Caldo Doppio arco Filo SMA Lamina elastica Forza Multi-stadio Corsa Attuatori non convenzionali Fatica termomeccanica Gli elementi SMA degli attuatori sono soggetti a ciclo termico Nascono tensioni e deformazioni variabili nel tempo Esiste pericolo di rottura o degrado funzionale per fatica termomeccanica Fatica termomeccanica Fatica termomeccanica Tensione Tensione costante e deformazione limitata Tensione Tensione costante Telaio secondario Cella di carico Ventola Filo SMA Deformazione Deformazione Peso Deformazione costante Sensore di posizione Tensione Tensione Tensione-deformazione variabile Alimentazione Deformazione Telaio primario Deformazione Fatica termomeccanica Fatica termomeccanica Tensione costante Tensione costante Survived 200 Sopravv. (5x105 cicli) 150 log(N)=5.53 - 9.919x10-3 · σ 100 =101.8 MPa Limite diσwfatica ≈ 102 MPa 8 εeA A 7 8 SME σ =εeMM100 SME MPa 5 3 3 σ = 100MPa Numero Cycles,di N cicli 2× ×106 σ = 200Pa 2 Caldo Caldo 1 0 1.0E+06 Differenziale 4 Differenziale 1 1.0E+05 Freddo 5 4 50 1.0E+04 SME σ =εeMM200 SME MPa 6 Freddo 2 0 1.0E+03 εeA A 7 6 ε (%) Failure Rottura Deformazione (%) Tensione applicata Stress, σ (MPa) (MPa) 250 0 0 125000 250000 375000 500000 0 Numero di cicli 1250 2500 3750 5000 Fatica termomeccanica Fatica termomeccanica Deformazione costante Deformazione costante 1200 6 Rottura 4 3 log(N)=4.362 - 1.207x10-1 · ε% 2 1 0 1.0E+03 1% 2% 4% 5% 3% 1000 Tensione caldo (MPa) σ max a(MPa) Deformazione (%) Strain, εapplicata (%) Failure 5 800 600 400 200 0 1.0E+04 1.0E+05 1 Numero Cycles, Ndi cicli Conclusioni La meccanica degli attuatori a memoria di forma è facile 10 100 1000 10000 100000 Numero Ν di cicli Domande? σ Caldo A Austenite(T >Af) Ea Esistono semplici criteri di progettazione Freddo C σg σom O Le prestazioni dipendono dal sistema di riarmo Le architetture non-convenzionali offrono vantaggi Servono dati su fatica strutturale e funzionale Martensite (T < Mf ) B Emb Ema εg εadm ε
