摘要 ：为克服传 统带有偏 置装 置形状记忆合金驱动器结构 复杂 、响应速度慢 的缺 点，利用形状记忆合金(Shapememo~alloy， SMA)的单程形状记忆效应，设计并制造一种不带偏置装置且可实现双程运动的线性驱动器，该驱动器由两根形状记忆合金丝、滑轮、部件、导轨、支座及固定螺钉组成。接着基于 Brinson一维本构方程及转换方程，推导出两根 SMA丝在不同条件下的应变表达式;提出将马氏体相变应力看作体力，分析温度变化与驱动器位移的关系及外载荷变化对驱动器最大位移的影响。对计算结果进行试 验验证，结果表明，所 设计 驱动器可 实现往复双程运动 ;随着 SMA 丝温度的升高所 获得 的位 移呈非线性增大，当温度超过奥氏体转变结束温度 Af，位移达到最大，而初始化过程获得的最大位移为正常运动的一半;增大载荷，驱动器 的最大位移逐渐减小 ，当载荷达到 51.0N时，驱动器停止运动，即位移减 小为零 。
关键词 ：形状记忆合金 驱动器 特性 本构方程
前言
将合金在M.(马氏体转变开始温度)以下某一温度施加外力使已转变的马氏体位向单一化，并产生塑性变形;或在M，以上某一温度施加外力使之发生马氏体转变，并产生塑性变形。随后对产生塑性变形的合金加热使马氏体发生逆转变，产生的塑性变形即行消失，合金恢复到原来的形状，这种效应叫做形状记忆效应，具有形状记忆效应的合金叫做形状记忆合金(Shape memor alloy，sMA)。自形状记忆合金被发现以后，众多学者对其内部机理、性能及其影响因素进行了研究，其中PATOOR等[1)对形状记忆合金的形状记忆效应、伪弹性、阻尼特性及疲劳寿命等基本性能做了深入的分析;WADA等[2)用试验的方法揭示双程形状记忆效应的内部机制：KOCICH等3)研究了外加应变对形状记忆合金的微观结构及相变特性的影响;YANG等[研究了钽元素对形状记忆效应的影响;商泽进等[)对形状记忆合金梁的力学性能做了详细分析。随着研究工作的不断深入，对性能的研究也从定性向定量发展，其中对本构模型的研究是该领域一个重要分支，研究范围从开始的一维模型发展到三维模型(68)，本构模型的不断完善使其更能准确地描述形状记忆合金的相变过程和力学行为，为形状记忆合金驱动器的设计提供了有力的理论支持，干晓安等[)]在本构模型的基础上提出了对形状记忆合金进行有限元分析的方法。
在应用研究方面，以形状记忆合金为驱动元件的驱动器因具有高的输出功率/重量比、结构简单紧凑、不产生废气和噪声等优点，吸引众多科研工作者的注意，其应用领域涵盖医学、建筑、航空航天等。付宜利等11研究了形状记忆合金自主导管导向机器人在血管手术方面的应用：SONG等[1探讨了形状记忆合金在建筑结构方面的应用：HARTL等([12)
对形状记忆合金在航空航天领域的应用做了较全面的论述。各种SMA驱动器主要是利用单程形状记忆效应具有大的恢复力和位移的特点，即通过对预应变的SMA丝加热产生收缩变形获得驱动效果。再通过外加偏置力使收缩后SMA丝返回预应变状态，为下次驱动做好准备。但利用偏置装置使SMA回复到预应变状态需要在其冷却后内部组织转变为塑性较好的马氏体才能完成，存在响应时间慢的缺点，且引入机械装置，导致结构复杂、效率降低。
近年来SOFLA等[1)提出了利用单程形状记忆效应设计可实现双程运动的撷抗式SMA驱动器，并进行了应用方面的探索。由于撷抗式驱动器的正、反运动均通过对SMA加热激励获得，对冷却速度的依赖程度较小，在提高响应速度方面具有明显优势，是应用领域关注的重点。基于撤抗的方法，于东等11提出了旋转驱动器的设计方法;杨媛等[1利用形状记忆合金实现机翼弯曲变形。但现有的各种SMA驱动机构多以实现旋转和弯曲运动为主要目的，对直接利用SMA设计双程线性驱动器并进行性能研究的鲜有报道，影响了SMA驱动器的应用发展。
针对上述研究现状及应用需求，本文首先阐述了SMA双程线性驱动器的设计原理及方法;接着基于Brinson一维本构方程及相变转换方程，提出将马氏体相变应力看作体力，分析了SMA温度变化与位移的关系;然后计算了载荷变化与驱动器最大位移的关系;在此基础上，利用制作的SMA双程线性驱动器进行了试验验证。获得结论为SMA双程线性驱动器的设计及应用奠定了一定的理论和试验基础。
1 SMA双程线性驱动器设计
1.1 设计原理
SMA双程线性驱动器在设计时主要利用形状记忆合金的三个特性：单程形状记忆效应，应力诱发马氏体，奥氏体弹性模量大于马氏体弹性模量。
单程形状记忆效应即通常所说的形状记忆效应，其原理可用图1进行解释。对处于低温相的马氏体施加外力，使其发生弹性变形，随着外力的增大，马氏体从李生转变为非李生马氏体，并产生大的应变(曲线1)。卸除载荷，除小部分弹性应变恢复外，合金残留有大的应变(曲线2)，对变形的马氏体加热，当超过A，点(奥氏体转变开始温度)，马氏体开始向奥氏体转变，合金发生收缩，超过A，点(奥氏体转变结束温度)后，马氏体全部转变为奥氏体，表现为合金恢复到变形前的状态(曲线3)。对处于奥氏体状态的合金降温，当温度降到M，点(马氏体转变开始温度)，马氏体开始形成，降至M点(马氏转变结束温度后，奥氏体全部转变为马氏体(曲线4)，在这个过程中没有形状的改变，所形成的马氏体为李生马氏体。
应力诱发马氏体是该驱动器设计时的第二个主要因素。马氏体的形成有两种方式：通过温度变化形成的热弹性马氏体和通过施加外力形成的应力诱发马氏体。图2表示了两种不同马氏体转变过程中应力与温度之间的关系。M，表示在应力为零时产生马氏体的临界温度，即等同于热弹性马氏体的转变开始温度。M，表示在非零应力条件下，应力诱发马氏体的临界转变温度。0"表示对于给定温度，马氏体相变开始的临界应力。M，为奥氏体屈服强度的温度，M，为相变的上限温度。可看出当温度低于M，时，无需外力即可发生奥氏体向马氏体的转变，产生的马氏体为热弹性马氏体;温度在M与M，之间且外力大于临界应力。M时，发生奥氏体向马氏体的转变，产生的马氏体即为应力诱发马氏体，且此时临界应力随相变温度的升高线性增大。温度在M，与M，之间，施加外力则奥氏体产生塑性变形，奥氏体的弹性模量大于马氏体弹性模量是设计时需要考虑的第三个条件。相关研究表明，通常奥氏体的弹性模量约为马氏体弹性模量的三倍甚至更大"，。因此使处于两种不同状态的SMA丝，产生相等应变，奥氏体所需的力大于马氏体所需的力。或者说，奥氏体收缩一定长度产生的力大于马氏体伸长同样长度所需的力。
1.2 设计方法
该驱动器由底座、导轨、滑轮、部件、SMA丝1、SMA丝2及固定螺钉组成，原理如图3所示。其中底座为驱动器的基础;SMA丝为驱动元件;部件是SMA丝所驱动的物体;导轨是保证驱动时部件沿一定的方向运动;滑轮用来改变SMA丝2的驱动方向;螺钉用来固定SMA丝。在装配前首先对SMA丝进行退火处理，消除原材料中的应力，然后利用冷热循环方法对SMA丝的性能进行稳定化处理，最后进行预拉伸处理，预拉伸应变为最大可回复应变的1/2，装配时不仅要求SMA丝具有一定的张力，而且要保证SMA丝与其接触部件的绝缘。对SMA丝1、SMA丝2交替通电加热，即可实现部件沿导轨的往复运动。
2位移特性分析2.1本构模型
由于该驱动器的工作过程中包含了马氏体的两种转变方式，因此在进行位移分析时采用了包含这两种转变方式的Brinson一维本构模型，该模型中马氏体体积分数 由两部分组成，即4=4，+4，式中，4，为温度变化产生的马氏体体积分数，4，为应力诱发产生的马氏体体积分数。
Brinson本构模型包括本构方程及马氏体相变方程，其中本构方程描述了应力与应变、马氏体体积分数、温度及初始状态的关系，方程如式(1)所示
3试验
为了验证计算结果的准确性，进行了相应的试验，试验装置如图4所示。测试时温度的控制通过设计的控制系统实现，该控制系统包括数字信号处理器控制电路及可编程控制芯片，通过对输出脉冲宽度调制波信号占空比的调节，实现对SMA丝温度的控制。温度利用热电偶测量并通过热谱仪记录和显示。位移用激光位移传感器测量。载荷大小的改变利用砝码实现，载荷变化的试验装置如图5所示。
装配完成的驱动器中SMA丝1和SMA丝2均处于预拉伸状态，预拉伸应变均为0.56，4%，此时部件位于位移变化范围的中间位置。试验时首先对SMA丝1通电加热，SMA丝2不加热，即过程一。
当SMA丝1的温度超过A，时产生收缩变形，而SMA丝2则继续被拉伸，部件开始运动。在此过程中利用激光位移传感器可获得SMA丝1在不同温度(温度值由热谱仪显示)时对应的位移值，选取的温度与计算中的一致。当两根丝的力达到平衡，部件停止运动则停止通电加热。
过程2，对SMA丝2加热，SMA丝1自然冷却。当SMA丝2的温度超过As时开始收缩，SMA丝1则被拉伸，同时部件向相反方向运动。同样利用激光位移传感器测量对应温度下的位移值。很明显此过程中有1>A，，A，24>M，.
过程3，将载荷加在SMA丝2上，即载荷力的方向与SMA丝2的收缩方向相反。首先对与SMA丝2加热，当部件运动停止时，测量其最大位移值，并记录此时的载荷值。然后对SMA丝1加热，使部件返回初始位置后，并增加载荷，再重复以上过程。当载荷达到一定值，对SMA丝2通电加热部件不产生运动，则停止加载试验。
4结果与讨论
为便于比较，将计算值与试验值绘制在同一曲线图中，图6为过程一中位移与SMA丝1温度的关系曲线。从图6中可以看出，随着温度的升高，位移呈非线性逐渐增大，当温度达到78℃时，所获得的位移达到最大值7mm，部件停止运动。图7为过程2中位移与SMA丝2温度的关系曲线，其变化趋势与图6相同，但所获得的最大位移为13.7 mm，约为过程1最大位移值的2倍。还可看出两图中理论值均比试验值小，其原因可能是测量温度时，热电偶贴放在SMA丝表层，导致所测温度值低于实际温度值，从而引起试验值大于理论值 ，但两者总的趋势是_致的
图 8为过程三中载荷变化与部件最大位移的关系 曲线。从图 8中可 以看出，随着载荷的增大，最大位移呈非线性减小 。开始时位移 以较小的速度逐渐减小;当载荷超过 39.2N 时，则以较大速度减小 。当载荷增大到 51.0N 时，最大位移减为零，即该 SMA线性驱动器能驱动 的最大载荷不大于 51.0N。图 8中试验值小于理论值 ，这是 由于驱动器在运动过程中，SMA 丝的驱动力除要承受载荷力(即砝码重力)外 ，还需要克服部件之 间的摩擦力如滑轮与旋转轴之间、滑轮与 SMA 丝之间以及滑块与导轨之间，因此 SMA丝实际承受的载荷大于标示载荷f即砝码 重力)，从而导致最大位移的试验 值小于理 论值 。要获得准确的理论值，需要对计算方法及过程做修正，并进行多次计算，也是今后需要进一步研究的内容 。
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