形狀記憶觸覺(jué)執(zhí)行器的案例
Ansys | 基于熱效應(yīng)的形狀記憶合金脊柱間隔器仿真分析
形狀記憶合金（SMA）能夠在發(fā)生大變形后不產(chǎn)生殘余應(yīng)變（偽彈性），并且可以通過(guò)溫度變化從大變形中恢復(fù)（形狀記憶效應(yīng)）。偽彈性和形狀記憶效應(yīng)使其特別適用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)和結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域。本仿真模擬了將形狀記憶合金用作脊柱間隔器的過(guò)程。
目標(biāo)
熟悉形狀記憶合金
理解考慮熱效應(yīng)的形狀記憶合金建模流程
建模步驟
1. 在 ANSYS Workbench 中創(chuàng)建靜力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。定義形狀記憶合金的材料屬性（表 1）。
表 1. 脊柱間隔器材料屬性
2、導(dǎo)入幾何模型。脊柱間隔器植入物的幾何形狀如圖 1 所示。由于對(duì)稱性，僅創(chuàng)建1/4 模型。在ANSYS Mechanical 中對(duì)幾何體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
圖 1. 四分之一間隔器幾何模型示意圖
3、定義分析設(shè)置和邊界條件。共創(chuàng)建六個(gè)分析步。
3.1 第一步，在剛性板上施加-3.375mm 的位移以壓縮脊柱間隔器；第二步開(kāi)始時(shí)，移除位移，使間隔器可以自由變形。
3.2 從第三步開(kāi)始施加熱載荷，溫度從23.85℃ 升高到 37.85℃。在此期間，由于未發(fā)生相變，間隔器的形狀保持不變。第四步，溫度從 37.85℃ 升高到 50.85℃，由于此步中未發(fā)生主要的相變，計(jì)算再次快速收斂。第五步，溫度升高到 51.85℃，收斂速度變慢，大部分形狀恢復(fù)發(fā)生在此步中。第六步，將溫度冷卻至 37.85℃，間隔器的形狀保持不變。
圖 2. 溫度條件示意圖
4、運(yùn)行仿真。不同溫度下間隔器的變形和應(yīng)力云圖如圖3所示。
圖 3.
展開(kāi) Ansys | 基于熱效應(yīng)的形狀記憶合金脊柱間隔器仿真分析
形狀記憶合金（SMA）能夠在發(fā)生大變形后不產(chǎn)生殘余應(yīng)變（偽彈性），并且可以通過(guò)溫度變化從大變形中恢復(fù)（形狀記憶效應(yīng)）。偽彈性和形狀記憶效應(yīng)使其特別適用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)和結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域。本仿真模擬了將形狀記憶合金用作脊柱間隔器的過(guò)程。
目標(biāo)
熟悉形狀記憶合金
理解考慮熱效應(yīng)的形狀記憶合金建模流程
建模步驟
1. 在 ANSYS Workbench 中創(chuàng)建靜力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。定義形狀記憶合金的材料屬性（表 1）。
表 1. 脊柱間隔器材料屬性
2、導(dǎo)入幾何模型。脊柱間隔器植入物的幾何形狀如圖 1 所示。由于對(duì)稱性，僅創(chuàng)建1/4 模型。在ANSYS Mechanical 中對(duì)幾何體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
圖 1. 四分之一間隔器幾何模型示意圖
3、定義分析設(shè)置和邊界條件。共創(chuàng)建六個(gè)分析步。
3.1 第一步，在剛性板上施加-3.375mm 的位移以壓縮脊柱間隔器；第二步開(kāi)始時(shí)，移除位移，使間隔器可以自由變形。
3.2 從第三步開(kāi)始施加熱載荷，溫度從23.85℃ 升高到 37.85℃。在此期間，由于未發(fā)生相變，間隔器的形狀保持不變。第四步，溫度從 37.85℃ 升高到 50.85℃，由于此步中未發(fā)生主要的相變，計(jì)算再次快速收斂。第五步，溫度升高到 51.85℃，收斂速度變慢，大部分形狀恢復(fù)發(fā)生在此步中。第六步，將溫度冷卻至 37.85℃，間隔器的形狀保持不變。
圖 2. 溫度條件示意圖
4、運(yùn)行仿真。不同溫度下間隔器的變形和應(yīng)力云圖如圖3所示。
圖 3.
展開(kāi) 4D打印形狀記憶牙齒矯正器來(lái)了，1副4D牙套=10副3D牙套
四維打印（4D打印）技術(shù)是基于形狀記憶材料的3D打印。顯然，在給定的環(huán)境條件下，4D 打印部件具有隨時(shí)間（第四維度）改變形狀的能力。隨著形狀記憶聚合物材料的不斷發(fā)展，產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)中的新 4D 打印應(yīng)用有望增長(zhǎng)。研究人員將 4D 技術(shù)引入正畸矯正器的制造中。
圖 1：定制的錯(cuò)字牙 (T) 第21顆為錯(cuò)位牙、4D 打印的矯正器 (A) 和灰色夾板 (S)用于調(diào)整矯正器
研究材料、方法和結(jié)果
首先，研究人員使用樹(shù)脂和丙烯酸牙齒制作了一個(gè)定制的牙齒模型。左上中切牙（第 21 顆牙齒）為錯(cuò)位牙，總錯(cuò)位為 3 mm，并通過(guò)嵌入模型中的粉色蠟中可以實(shí)現(xiàn)活動(dòng)，而其他牙齒則由樹(shù)脂固定（圖 1）。
然后，研究小組利用一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的Asiga Max 3D打印機(jī)和ClearX樹(shù)脂，這種樹(shù)脂號(hào)稱是 "變型矯正器 "的理想材料，制造了六副4D打印矯正器。
這些矯正器被應(yīng)用于帶有錯(cuò)位牙齒的模型上，并浸泡在熱水中。在這個(gè)過(guò)程中，錯(cuò)位牙齒周圍的蠟變軟了，允許它被矯正器塑形，之后被冷卻以捕捉數(shù)據(jù)結(jié)果。（具體的流程更加復(fù)雜，感興趣請(qǐng)閱讀論文原文。）
結(jié)果表明，形狀記憶矯正器成功地實(shí)現(xiàn)了牙齒 21 的顯著移動(dòng)，并且在正畸測(cè)量和模擬系統(tǒng) （ OMSS ）中也測(cè)量了一致的移動(dòng)。但沒(méi)有達(dá)到3.00mm的移動(dòng)對(duì)齊目標(biāo)，僅實(shí)現(xiàn)了 2.06-2.82 毫米。盡管如此，結(jié)果還是令人滿意的，一個(gè)形狀記憶矯正器實(shí)現(xiàn)的錯(cuò)牙移動(dòng)量幾乎等于 10 個(gè)傳統(tǒng)矯正器可以實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)量。
目前，4D打印矯正器還處于科研階段，尚未進(jìn)行臨床試驗(yàn)，期待早日被商業(yè)化應(yīng)用。
展開(kāi) 通過(guò)觸覺(jué)感受，實(shí)現(xiàn)汽車與人的智能交流
采用PMX測(cè)控系統(tǒng)對(duì)形狀記憶觸覺(jué)執(zhí)行器進(jìn)行研究
執(zhí)行器可以幫助人們更安全地操作機(jī)器和設(shè)備。將事故風(fēng)險(xiǎn)降至最低。比如形狀記憶觸覺(jué)信息系統(tǒng)在汽車中的應(yīng)用。
形狀記憶合金（SMA）可以作為無(wú)噪音和輕量化的小型驅(qū)動(dòng)器在極小空間中運(yùn)行。盡管尺寸很小，但這些驅(qū)動(dòng)器的功率密度是所有已知驅(qū)動(dòng)器中最高的。
作為一個(gè)走心的形狀觸覺(jué)系統(tǒng)解決方案，首先我們來(lái)了解下
——
什么是形狀記憶效應(yīng)？
圖1 形狀記憶效應(yīng)原理
形狀記憶元件在馬氏體狀態(tài)下發(fā)生機(jī)械變形，如超過(guò)臨界應(yīng)力，會(huì)以穩(wěn)定的狀態(tài)出現(xiàn)高延伸率（高達(dá)約8%）。如果隨后溫度升高，由馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體狀態(tài)時(shí)，則會(huì)發(fā)生形狀記憶元件的重塑。這個(gè)過(guò)程是遲滯和可逆的 [1]。如圖1所示，通過(guò)電加熱，形狀記憶元件可以在狀態(tài)1和2之間來(lái)回切換。在材料轉(zhuǎn)換過(guò)程中，可以檢測(cè)到電阻的顯著變化。
FG線驅(qū)動(dòng)器通常由鎳鈦合金組成，在連續(xù)操作中可產(chǎn)生400兆帕的最大拉應(yīng)力，一次操作時(shí)可產(chǎn)生800兆帕的最大拉應(yīng)力[2]。例如，一根1g自重的FG線可以移動(dòng)5000g的負(fù)載。由于上述特性，通過(guò)形狀記憶效應(yīng)可以設(shè)計(jì)出非常輕巧和緊湊的觸覺(jué)元件。
圖2 基于FGL的執(zhí)行器
圖2展示了弓形FG驅(qū)動(dòng)器。鉸鏈?zhǔn)紽G線兩端通過(guò)機(jī)械裝置夾緊，中間部分與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接。
展開(kāi) 
