Design and analysis of a linear shape memory alloy actuator

Abstract

Şekil bellekli alaşımlar yüksek birim ağırlık başına düşen güç çıktısı oranlarıyla eyleyici uygulamalarında kullanılan yeni, işlevsel malzemelerdir. Şekil bellekli alaşımlar, yüksek kuvvet veya deplasman kullanımlarıyla doğrudan tahrik uygulamalarında, güç aktarım elemanlarına ihtiyaç bırakmadan kullanılmaya uygundurlar.Bu araştırmanın amacı, füze sistemleri, uzay uygulamaları ve test ekipmanlarında kullanılmak üzere şekil bellekli alaşımlar ile eyleyici tasarım ve üretiminde izlenecek yol ve gerekli araçların geliştirilmesidir.Bu çalışmada ince şekil bellekli tellerin karakterizasyonu için tasarlanmış ve üretilmiş test cihazı anlatılmış daha sonra bir tel üzerinde gerçekleştirilen karakterizasyon testleri, modelleme ve kontrol çalışmaları açıklanmıştır. Kontrol çalışmalarında gerinim, elektriksel direnç ve tüketilen güç geri besleme değişkenleri kullanılan değişik kontrol stratejileri (oransal-integral, ileri besleme takviyeli oransal-integral ve yapay sinir ağları) ile deplasman kontrolü gerçekleştirilmiştir. Karakterizasyon testlerinin, simülasyonların ve deneylerin sonuçları hem grafik hem de tablo halinde sunulmuştur. Bu sonuçlara göre, titiz bir karakterizasyon ile şekil bellekli alaşımlı tellerin davranışlarının değişik kontrol stratejilerini simülasyonlarla test etmek üzere modellenebileceği gösterilmiştir. Ayrıca, uygun geri besleme değişkenleri ile şekil bellekli tellerin tatmin edici pozisyon kontrolünün hem klasik hem de yapay sinir ağları kullanılan kontrolcülerle sağlanabileceği ve tüketilen gücün uygun bir geri besleme değişkeni olduğu anlaşılmıştır.Nihayet, örnek çalışma olarak şekil bellekli tel kullanılan doğrusal bir eyleyici tasarlanmıştır. Geliştirilen eyleyici üretilmiş, uygun kontrol stratejileri uygulanmış ve teorik öngörüleri doğrulamak amacıyla gerekli testler gerçekleştirilmiştir.Bu çalışma sonucunda geliştirilen eyleyici ve yöntemler, esas itibariyle bir teknoloji gösterimi olup, şekil bellekli alaşımların TÜBİTAK-SAGE kapsamında yürütülen çeşitli savunma sanayii ve uzay projeleriyle tasarlanan test ekipmanlarında kullanılabileceğini göstermektedir. Öncelikle savunma daha sonra havacılık ve uzay uygulamalarında kullanılacak şekil bellekli alaşım kullanılan eyleyicilerin geliştirilmesi ulusal savunma sanayii için kritik bir AR-GE yaklaşımıdır.

Shape memory alloys are new, functional materials used in actuator applications with their high power to weight ratio. The high strength or displacement usage of shape memory alloys makes them suitable for direct drive applications, which eliminate use of power transmission elements.The aim of this research is to develop the methodology and the necessary tools to design and produce linear shape memory alloy actuators to be used in missile systems, space applications, and test equipments.In this study, the test apparatus designed and built to characterize shape memory alloy thin wires is described, and then the characterization tests, modeling and control studies performed on a wire are explained. In the control studies, displacement control through strain, resistance and power feedback is investigated and different control strategies (proportional-integral, proportional-integral with feedforward loop, and neural network) are employed. The results of the characterization tests, simulations and experiments are all presented in graphical and tabular form. From the results it is concluded that through careful characterization, the behavior of SMA wire can be closely approximated through models which can be used effectively to test various control strategies in simulations. Also, satisfactory position control of SMA wires can be achieved through both classical and NN control strategies by using appropriate feedback variables and power is found to be a viable feedback variable.Lastly, a linear SMA wire actuator is designed as a case study. The actuator prototype is produced, suitable control strategies are applied and actuator is experimented to validate the theoretical assumptions.The actuator developed through this work is a technology demonstration and shows that shape memory alloy elements can be utilized in several defense and space applications contracted to TÜBİTAK-SAGE as well as certification test equipments. The development of shape memory alloy actuators that can be used in defense and later in aeronautical/space applications is a critical research and development project for national defense industry.