Attuatori non convenzionali - Università degli studi di Pavia
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Gruppo Costruzione di Macchine RE La meccanica degli attuatori a memoria di forma Eugenio Dragoni Giovanni Scirè Andrea Spaggiari Igor Spinella Università di Modena e Reggio Emilia Seminario Università degli Studi di Pavia 31 Gennaio 2014 Materiali meccatronici Cambiano reversibilmente caratteristiche reologiche Materiali leggeri (polimeri, adesivi) Materiali meccatronici Materiali meccatronici Liquidi magnetoreologici (forma, rigidezza, viscosità) Polimeri elettroattivi se sottoposti a stimolo fisico (temperatura, campo elettrico/magnetico) Ceramiche piezoelettriche originato da corrente elettrica Leghe a memoria di forma Leghe a memoria di forma: attuatori Principio di funzionamento Principio di funzionamento Sistemi di riarmo Modelli di comportamento meccanico Attuatori non convenzionali 500°, 30 min Fatica termomeccanica Linee di sviluppo Principio di funzionamento ? Principio di funzionamento Principio di funzionamento Principio di funzionamento Sensore-attuatore Acqua fredda Memorizzazione della forma (una tantum) Molla SMA Acqua calda Molla Riarmo Fonte di riscaldamento (corrente elettrica, calore) Sistema di riarmo (peso, molla, carico esterno…) Cassetto Acqua miscelata Principio di funzionamento Attuatore 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 Filo SMA Attuatori non convenzionali Freddo Caldo Caldo Doppio arco 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 250 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 (%) Tensione applicata Stress, σ (MPa) (MPa) 200 Survived Deformazione (%) Failure Rottura 0 0 125000 250000 375000 500000 0 Numero di cicli 1250 2500 3750 5000 Fatica termomeccanica Fatica termomeccanica Deformazione costante Deformazione costante 6 Rottura Tensione a caldo (MPa) Deformazione (%) Strain, εapplicata (%) Failure 5 4 3 log(N)=4.362 - 1.207x10-1 · ε% 2 1 0 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05 Numero Cycles, Ndi cicli Linee di sviluppo Numero di cicli Linee di sviluppo Motore angolare continuo Motori angolari continui Ruota libera Recupero energia a bassa entalpia Molla Filo SMA Linee di sviluppo Conclusioni Recupero di energia a bassa entalpia La meccanica degli attuatori a memoria di forma è facile Esistono semplici criteri di progettazione Le prestazioni dipendono dal sistema di riarmo Le architetture non-convenzionali offrono vantaggi Servono dati su fatica strutturale e funzionale Promettente il recupero di energia a bassa entalpia Bibliografia (1/2) Domande? σ G. Scirè Mammano, E. Dragoni (In stampa) “Functional fatigue of Ni–Ti shape memory wires under various loading conditions”, Int. J. Fatigue, (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142112312000874). Caldo A G. Scirè Mammano, E. Dragoni (In stampa) "Elastic compensation of linear shape memory alloy actuators using compliant mechanisms", J. Intelligent Material Systems and Structures, (doi: 10.1177/1045389X13488253). Austenite(T >Af) Ea Martensite (T < Mf ) Freddo C σg σom O B Emb Ema εg εadm ε A. Spaggiari, E. Dragoni (In stampa) " Analytical and numerical modeling of shape memory alloy Negator springs for constant-force, long-stroke actuators ", J. Intelligent Material Systems and Structures, (doi: 10.1177/1045389X13493354). A. Spaggiari, I. Spinella, E. Dragoni (2013) “Design equations for binary shape memory actuators under arbitrary external forces”, J. Intelligent Material Systems and Structures, 24(6), 682-694. G. Scirè Mammano, E. Dragoni (2013) “Design and testing of an enhanced shape memory actuator elastically compensated by a bistable rocker arm”, J. Intelligent Material Systems and Structures, 24(6), 704-716. A. Spaggiari, G. Scirè Mammano, E. Dragoni (2012) " Optimum mechanical design of binary actuators based on shape memory alloys", in Smart Actuation and Sensing Systems - Recent Advances and Future Chall., G. Berselli, R. Vertechy, G. Vassura (Eds). Intech, 3-34. G. Scirè Mammano, E. Dragoni (2011) “Modelling of wire-on-drum shape memory actuators for linear and rotary motion”, J. Intelligent Material Systems and Structures, 22(11), 1129-1140. A. Spaggiari, E. Dragoni (2011) “Multiphysics Modeling and Design of Shape Memory Alloy Wave Springs as Linear Actuators”, ASME J Mechanical Design, 133(6), 061008(1-8). Bibliografia (2/2) A. Spaggiari, I. Spinella, E. 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