سیم های آلیاژ حافظه شکل (SMA) چگونه در صفحات گرمایش برای جبران صافی فعال ادغام می شوند؟

اما مهم نیست که چقدر با دقت ماشینکاری و آسیاب شود، صفحه گرمایش هنگام گرم شدن مقدار کمی اعوجاج خواهد داشت. تکنیک‌های تصحیح مرسوم مبتنی بر شیمینگ غیرفعال یا سفت‌سازی ساختاری هستند که فقط برای یک دمای عملیاتی خاص قابل تنظیم هستند. یک جایگزین این است که سیم‌های کوچکی از مواد آلیاژی حافظه‌دار را کاشته کنید، که هنگام گرم شدن به شدت فشرده می‌شوند، در ساختار صفحه‌ای که امکان تصحیح فعال خم شدن حرارتی را در محدوده دمایی وسیعی فراهم می‌کند.

جبران صافی در صفحات گرمایش SMA یک تغییر پارادایم از اصلاح استاتیکی به کنترل ساختاری پاسخگوی حرارتی را تشکیل می دهد.

از کنترل صافی غیرفعال تا جبران گرمایی فعال
طراحی صفحه معمولی مسطح بودن را در یک دمای مرجع واحد فرض می کند. همانطور که گرمایش انجام می شود:

شیب های حرارتی از طریق ضخامت صفحه ایجاد می شود

انبساط دیفرانسیل منجر به خمش به سمت بالا یا پایین می شود

صفحات بزرگ-: محدودیت‌های مکانیکی تقویت اعوجاج

راه حل های طراحی غیرفعال به دنبال کاهش این عواقب از طریق:

انتخاب مواد با انبساط حرارتی منطبق

ساختار تقویت شده، آجدار یا لانه زنبوری

دمای عملیات سنگ زنی

با این حال، این تکنیک ها اساسا ایستا هستند و نمی توانند در طول چرخه گرما به صورت پویا واکنش نشان دهند.

ادغام آلیاژهای حافظه دار شکل در صفحات گرمایشی
آلیاژهای حافظه شکل (SMAs)، به ویژه نیکل{0}}تیتانیوم (نیتینول)، راهی مستقیم برای گنجاندن یک مکانیسم پاسخ تطبیقی ​​در ساختار صفحه فراهم می‌کنند.

ساختارهای جاسازی شده سیم های SMA
الگوهای مهندسی شده از سیم های نازک SMA در داخل یا پشت صفحه قرار می گیرند. این کابل ها به شرح زیر است:

پیش{0}}در تولید

در دماهای انتقالی خاص از نظر حرارتی فعال می شود

توزیع شده در مناطق مطابق با الگوهای تغییر شکل حرارتی پیش بینی شده

سیم‌های SMA به تغییرات دما در ساختار در زمان واقعی-هنگام گرم شدن صفحه پاسخ می‌دهند.

سیستم جبران صافی فعال
این بر اساس رفتار تغییر فاز نیتینول کار می کند.

انقباض حرارتی
نیتینول را می توان به صورت برگشت پذیر از فاز مارتنزیت به آستنیت تغییر داد. در اعمال گرما:

در دمای تبدیل معین، ماده تغییر فاز را تجربه می کند.

ساختار کریستالی به شکل کوتاه تر و انرژی بالاتر مرتب می شود

نیروی انقباض به طور قابل توجهی تولید می شود

کیفیت عملکرد معمولی عبارتند از:

سویه قابل بازیافت تا 8 درصد

تنش های بیش از 500 مگاپاسکال ایجاد می شود

دمای تبدیل به طور دقیق با ترکیب آلیاژ و پردازش قابل تنظیم است

اقدام متقابل تعظیم حرارتی
هنگامی که صفحه به طور خود به خود از شیب گرما شروع به تاب برداشتن می کند:

گرمایش همزمان سیم SMA کاشته شده در جهت های حیاتی.

سیم ها منقبض می شوند و کششی ایجاد می کنند

بارهای مکانیکی در جهات مخالف به ساختار ورق وارد می شود.

کاهش یا جبران تغییر شکل خالص

صفحه شامل ماهیچه‌های مصنوعی است که در برابر گرما خم می‌شوند و به طور مداوم نحوه توزیع تنش مکانیکی را مجدداً تنظیم می‌کنند، بدون استفاده از محرک‌های بیرونی صفحه.

رفتار منفعل ساختار هوشمند
یکی از ویژگی های مهم سیستم های جبران بر اساس SMA عدم کنترل الکتریکی فعال است.

سیستم خود تنظیم حرارتی-
برخلاف محرک هایی که توسط حسگرها کار می کنند، سیم های SMA به صورت زیر عمل می کنند:

اجزای ترمومکانیکی غیرفعال

محرک‌های{0}}دما

سیستم‌های پاسخ{0}}حلقه بسته فیزیکی

فعال سازی SMA به منبع تغذیه خارجی یا کنترل کننده بازخورد نیاز ندارد. جبران فقط با قرار گرفتن در معرض حرارتی در عملکرد معمولی صفحه به دست می آید.

پیچیدگی طراحی و بهینه سازی المان محدود
کارایی جبران صافی SMA به شدت به طراحی هندسی و مکانیکی بستگی دارد.

بهینه سازی چالش های الگوها
طرح سیم SMA باید به درستی توسعه داده شود تا مناسب باشد:

شیب های حرارتی فضایی روی صفحه

مکانیسم های مورد انتظار تغییر شکل هنگام بارگذاری

توزیع سختی مواد.

مشخصات دمای عملیات

این منجر به یک چالش طراحی چند فیزیک بسیار دشوار می شود که شامل موارد زیر است:

شبیه سازی حرارتی

مدل سازی تغییر شکل سازه

رفتار انتقال فاز مواد SMA

پیش بینی خستگی طولانی مدت در گرمایش چرخه ای

تحلیل المان محدود (FEA) معمولاً برای یافتن بهترین راه‌ها برای مسیریابی و کشش سیم‌ها استفاده می‌شود.

ادغام در سیستم‌های حرارتی{0} با دقت بالا
صفحات پیشرفته{0}SMA برای برنامه‌هایی که نیاز به کنترل صافی بالا دارند، مورد توجه ویژه هستند.

موارد استفاده در ساخت پیشرفته
سناریوهای احتمالی استفاده عبارتند از:

لیتوگرافی-ننو

پردازش ویفر نیمه هادی

قالب گیری قطعات نوری دقیق

لمینیت کامپوزیت پیشرفته

همانندسازی سطوح ریزساختار

حتی اعوجاج در سطح میکرومتر می تواند تا حد زیادی کیفیت نتیجه را در این فرآیندها مختل کند.

محدودیت های مواد و سیستم ها
علیرغم وعده بزرگ SMA، ادغام آن محدودیت های مهندسی مختلفی را ایجاد می کند.

پایداری چرخه حرارتی
تغییر فاز مکرر ممکن است باعث شود:

هیسترزیس به آرامی تغییر می کند

خستگی سازه های سیمی با عمر طولانی-

تغییر دمای تبدیل

پیچیدگی یکپارچه سازی
برای تعبیه سیم های SMA به موارد زیر نیاز دارید:

مسیریابی دقیق در ساختار صفحه

جداسازی الکتریکی و حرارتی از عناصر گرمایشی

سازگاری مکانیکی با رفتار انبساط

لنگر قوی برای جلوگیری از مهاجرت سیم

محدوده دما برای تنظیم
شرایط عملیاتی باید به درستی با دمای تبدیل مطابقت داده شود تا مطمئن شوید که جبران در پنجره حرارتی صحیح انجام می شود.

مزایای بیش از روش های سنتی کنترل صافی
جبران سازی مبتنی بر SMA دارای چندین مزیت منحصر به فرد نسبت به سیستم های غیرفعال یا فعال است.

مزایای اصلی
تصحیح دمای پیوسته-وابسته است

هیچ سیستم کنترل خارجی مورد نیاز نیست.

فعال سازی توزیع شده در مناطق وسیع

کاهش احتمالی بیش از حد طراحی سازه

واکنش تطبیقی ​​در شرایط گرمای واقعی

این منجر به یک کلاس کاملاً جدید از ساختارهای ساختاری هوشمند حرارتی می شود.

چشم انداز آینده مهندسی حرارتی دقیق
طراحی صفحات گرمایشی با استفاده از مواد SMA یک نمونه اولیه از توسعه ساختارهای هوشمند برای تجهیزات حرارتی است.

پیشرفت های بیشتر در موارد زیر پیش بینی می شود: با بهبود تکنیک های مدل سازی و پردازش مواد.

شبکه‌های فعال‌کننده‌های چندمنطقه‌ای SMA

هیبرید SMA و سیستم های جبران هیدرولیک

بهینه سازی صافی تطبیقی ​​در زمان واقعی-فقط برای پاسخ مواد

خلاصه
ادغام آلیاژهای حافظه دار در صفحات گرمایشی یکی از پیشرفت های مهم در مهندسی سازه حرارتی-است. امکان مقاومت فعال در برابر تغییر شکل مکانیکی ناشی از انبساط حرارتی با تعبیه سیم‌های نیتینول در الگوهای{2}خوب طراحی شده، بدون نیاز به سیستم‌های کنترل خارجی، بررسی شده است.

ایده اصلاح صافی صفحه گرمایش SMA آلیاژ حافظه شکل، ترکیبی قوی از مواد هوشمند و طراحی حرارتی دقیق را نشان می‌دهد، که منجر به سطوحی می‌شود که-خود اعوجاج خود را در حین کار تصحیح می‌کنند.

این روش صفحه را از یک عنصر ساختاری غیرفعال به یک سیستم مکانیکی واکنشی تبدیل می‌کند، که صافی آن همیشه از طریق حرارت داخلی حفظ می‌شود. و همانطور که توسعه توسعه می یابد، صاف ترین سطوح حرارتی سیستم های تولیدی آینده ممکن است توسط ماهیچه های نادیده-با نیروی گرما که به طور بی صدا در داخل خود ساختار کار می کنند حفظ شوند.