形状记忆合金螺旋弹簧的设计方法义马

形状记忆合金螺旋弹簧的设计方法

形状记忆合金螺旋弹簧的设计方法 2011年12月09日 来源： 99—4—13　Design method of shape memory alloy helical springJia Baoxian(Petroleum University )　　Abstract: This paper introduced the disigning principle, method and present situation of development of shape memory alloy helical spring. A discussion has been carried out on three kinds of the commonly used designing method. 　　Key words: Shape momory alloy,Helical spring, Design method.　　Fig 6 Tab 0 Ref 4“Jixie Sheji”82491　引言　　目前，形状记忆合金(Shape Memory Alloys，以下简称SMA)的应用日益广泛，涉及电器、机械、运输、化工、医疗、能源和生活日用品等领域，特别是在机器人、机械手方面的应用日益增多，而应用的形式多以SMA螺旋弹簧为主。　　SMA的特点是具有形状记忆效应，它在高温下定形后，冷却到低温(或室温)，并使它产生残余变形，如果再加热到相变温度后，就会使残余变形消失，并回复到高温下的固有形状，随后，再进行冷却或加热，将继续保持高温下的形状不变，上述过程可以周而复始地进行，仿佛合金记住了高温状态所赋予的形状一样，这种现象称为单程记忆；如果对材料进行特殊处理，在随后的加热和冷却循环中，能够重复地记住高温和低温状态的两种形状，称为双程记忆；某些形状记忆合金在实现双程记忆的同时，继续冷却到更低温度，可以出现与高温时完全相反的形状，称为全方位记忆(也叫全程记忆)。如图1所示。图1　三种类型形状记忆效应示意图　　螺旋弹簧大都使用单程或双程记忆效应，特别是双程记忆效应，它随着温度的上升和下降，能实现两个方向的动作，使用起来十分方便。　　本文从SMA的相变机理出发，对SMA应力—应变关系进行了描述，对SMA螺旋弹簧的设计问题进行了探讨，介绍了SMA螺旋弹簧的三种设计方法。2　热弹性马氏体相变　　SMA的形状记忆效应源于热弹性马氏体相变，这种马氏体一旦形成，就会随着温度下降而继续生长，如果温度上升它又会减少，以完全相反的过程消失。两项自由能之差作为相变驱动力。两项自由能相等的温度T0称为平衡温度。只有当温度低于平衡温度T0时才会产生马氏体相变，反之，只有当温度高于平衡温度T0时才会发生逆相变。　　图2给出了马氏体含量同温度之间的变化关系，其中有四个重要参数：　　Ms——马氏体相变开始温度；　　Mf——马氏体相变结束温度；　　As——逆(奥氏体)相变开始温度；　　Af——逆(奥氏体)相变结束温度。图2　马氏体含量与温度的关系　　在SMA中，马氏体相变不仅由温度引起，也可以由应力引起，这种由应力引起的马氏体相变叫做应力诱发马氏体相变，且相变温度同应力呈线性关系，如图3所示。图3　相变温度与应力的关系　　当T<Af时，外力作用发生马氏体转变，产生残余变形，如果加热到Af以上时，就会发生逆相变，使应变消失，恢复原状(如图4所示)，这就表现了它的形状记忆效应，在形状恢复过程中，如果受到外力约束，则在材料内部就会产生较大的回复力，回复力的大小同应变γ、温度T以及马氏体含量ξ密切相关。利用这一特性，可将SMA作为驱动元件。图4　形状记忆效应3　SMA应力—应变关系的特点　　形状记忆效应的最大特点是集感温—驱动两项功能于一体。作为驱动元件，它和普通螺旋弹簧类似，但又有所不同。主要表现在：　　(1)普通螺旋弹簧的应力—应变曲线呈线性，而SMA螺旋弹簧的应力—应变曲线呈非线性；　　(2)普通螺旋弹簧的应力—应变特性与温度无关，而SMA螺旋弹簧 的这种特性与温度密切相关；　　(3)普通弹簧在加载与卸载过程中的特性曲线是重合的，而SMA的特性曲线存在温度滞后或应变滞后现象。　　综上所述，SMA的应力—应变曲线是非线性的，剪切弹性模量等机械、力学特性也不是常数，而是随温度变化的，所以，普通螺旋弹簧的设计公式不能简单地拿过来使用。4　SMA的力学模型及特征量　　很多文献都对双程记忆

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