A Physics-Based Hybrid Dynamical Model of Hysteresis in Polycrystalline Shape Memory Alloy Wire Transducers

要約

形状記憶合金 (SMA) は、電流によって加熱されると最大 5% の巨視的収縮を示すスマート材料の一種です。
この効果は、従来にない新しいアクチュエータの開発に利用できます。
市販の SMA ワイヤは、小型、軽量、高エネルギー密度などの多くの特徴を備えているにもかかわらず、高度に非線形な動作を特徴とし、複雑な形状と小さなループを示す負荷、温度、レート依存のヒステリシスとして現れます。
このようなヒステリシスの正確なモデリングと補償は、高性能 SMA アプリケーションの開発の基礎です。
この研究では、多結晶 SMA ワイヤの複雑なヒステリシスを記述する新しい力学モデルを提案します。
このアプローチは、ハイブリッド動的フレームワーク内の単軸 SMA ワイヤ用の Muller-Achenbach-Seelecke モデルの再定式化に基づいています。
このようにして、精度や物理的な解釈可能性を損なうことなく、数値的な複雑さと計算時間を大幅に削減できます。
モデルを説明した後、直径 75 {\μ}m の SMA ワイヤ試験片に対して広範な実験検証キャンペーンが実行されます。
新しいハイブリッド モデルは、SMA アクチュエータ用のハイブリッド コントローラおよびオブザーバの開発に道を開くことになります。

要約(オリジナル)

Shape Memory Alloys (SMAs) are a class of smart materials that exhibit a macroscopic contraction of up to 5% when heated via an electric current. This effect can be exploited for the development of novel unconventional actuators. Despite having many features such as compactness, lightweight, and high energy density, commercial SMA wires are characterized by a highly nonlinear behavior, which manifests itself as a load-, temperature-, and rate-dependent hysteresis exhibiting a complex shape and minor loops. Accurate modeling and compensation of such hysteresis are fundamental for the development of high-performance SMA applications. In this work, we propose a new dynamical model to describe the complex hysteresis of polycrystalline SMA wires. The approach is based on a reformulation of the Muller-Achenbach-Seelecke model for uniaxial SMA wires within a hybrid dynamical framework. In this way, we can significantly reduce the numerical complexity and computation time without losing accuracy and physical interpretability. After describing the model, an extensive experimental validation campaign is carried out on a 75 {\mu}m diameter SMA wire specimen. The new hybrid model will pave the development of hybrid controllers and observers for SMA actuators.

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