عنوان پایان‌نامه
طراحی و مدل سازی یک بال شکل پذیر به کمک آلیاژهای حافظه دار
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک طراحی کاربردی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 67266
- تاریخ دفاع
- ۱۸ شهریور ۱۳۹۳
- دانشجو
- حمید بصائری
- استاد راهنما
- عقیل یوسفی کماء, محمد رضا ذاکر زاده
- چکیده
- هدف از انجام این تحقیق، طراحی و مدل‌سازی یک بال شکل‌پذیر است که بتواند عملکرد پروازی وسایل نقلیه هوایی را بهبود بخشد. چالش‌های بسیاری در خصوص توسعه‌ی این قبیل بال‌ها وجود دارد. یکی از این چالش‌ها، مکانیزم تحریک برای تغییر شکل بال است. ازآنجایی‌که این بال‌ها باید به‌اندازه‌ی کافی سبک باشند تا بتوانند در شرایط پروازی عملکرد خوبی از خود به نمایش بگذارند، لذا لازم است تا از مکانیزم‌های تحریک مناسبی در طراحی آن‌ها استفاده شود. از طرفی، مواد هوشمند و علی‌الخصوص آلیاژهای حافظه‌دار، به‌عنوان دسته‌ای از مواد هوشمند، برای این کاربرد بسیار مناسب می‌باشند. لذا در این پژوهش از این مواد برای مکانیزم تحریک بهره گرفته شده است. برای نیل به این هدف، پس از مطالعه‌ی پیشینه‌ی پژوهش‌های انجام‌شده در سه حوزه‌ی بال‌های شکل‌پذیر، آلیاژهای حافظه‌دار به‌عنوان عملگر و مدل‌سازی آلیاژهای حافظه‌دار، یک مکانیزم جدید به‌منظور به‌کارگیری در بال شکل‌پذیر توسعه داده شده است. مکانیزم ارائه‌شده به‌منظور استفاده در بال طراحی و ساخته می‌شود. این مکانیزم قابلیت ایجاد دو حرکت gull و sweep را به بال می‌دهد. هم‌چنین ملاحظات لازم در خصوص طراحی بال با استفاده از مکانیزم پیشنهادی ارائه گردیده است. تحلیل‌های سیالاتی نشان می‌دهند که عملکرد بال تغییر شکل یافته نسبت به بال تغییر شکل نیافته در رژیم‌های پروازی خاصی بهبود می‌یابد. از دیگر سو، ازآنجاکه آلیاژهای حافظه‌دار به‌عنوان موادی با رفتار هیسترزیس و غیرخطی شناخته می‌شوند، لازم است تا در فرایند مدل‌سازی آن‌ها از روش‌های مناسبی بهره گرفته شود. در گام بعد و پس از طراحی و ساخت مکانیزم به‌منظور استفاده در بال شکل‌پذیر، دو روش مدل‌سازی انتخاب گردیده و کل سیستم مدل شده است. در روش اول مدل‌سازی از مدل برینسون استفاده شده است و تمامی معادلات سینماتیکی و دینامیکی حرکت استخراج گردیده است. لازم به ذکر است که در این مدل و به‌منظور مدل‌سازی دینامیک کل سیستم، اصلاحاتی روی مدل برینسون صورت پذیرفته و از آن در فرم دیفرانسیلی استفاده شده است. در مدل دوم و برای مدل‌سازی بهتر و عمیق‌تر پدیده‌ی هیسترزیس در سیستم، از یکی از مدل‌های هیسترزیس بهره گرفته شده است. مزیت این مدل، نسبت به مدل قبل این است که دیگر نیازی به دانستن سینماتیک و دینامیک سیستم و یا معادلات حرکت در سیستم نبوده و به جای آن از داده‌های تجربی واقعی استفاده شده است. به منظور اثبات عملکرد مکانیزم، نمونه‌ی اولیه‌ی آن ساخته شده است. هم‌چنین از آن در صحه‌گذاری بر مدل‌سازی‌های انجام شده نیز بهره گرفته شده است. در آزمایش‌های انجام‌شده در این تحقیق، به‌منظور صحه‌گذاری بر مدل‌سازی‌های انجام‌شده، از بستر آزمون ساخته‌شده استفاده گردید. به عنوان نمونه‌ای از نتایج حاصله، با استفاده از مدل برینسون و برای ورودی‌های ولتاژ مختلف به‌صورت پله، بیشترین میانگین خطای به‌دست‌آمده 0.72 درجه است. در مدل‌سازی هیسترزیس سیستم نیز میانگین خطای به‌دست‌آمده از آموزش مدل 0.21 درجه است. کلمات کلیدی: بال تغییر شکل‌پذیر، مواد هوشمند، آلیاژهای حافظه‌دار، طراحی مکانیزم، مدل‌سازی و شناسایی هیسترزیس.
- Abstract
- The scope of the current investigation incorporates the entire process involved in design and development of a shape memory alloy (SMA) actuated wing intended to fulfill morphing missions. The investigation framework that has been proposed for this process (i.e. design, modeling, simulation, and identification) merges experimentation. At the design step, a two degree-of-freedom (DOF) mechanism is designed and fabricated that is appropriate for morphing wing applications. The mechanism is developed in such a way that it can undergo different two degrees of freedom so that the wing can have maneuvers that are more efficient. With regard to this particular application, one SMA-actuated mechanism has been designed and fabricated to enhance maneuverability and biomimicry. At the next steps, a more generic application perspective has been considered. First, a generic modeling procedure has been developed that relies on knimematic and dynamic modeling of the mechanism and phenomenological modeling of SMA wires. This SMA model is based on one of the well-known models; however, it is used in derivative form since the dynamic of the mechanism should also be considered. In this study, using Brinson one-dimensional model, a more comprehensive constitutive model is presented. The developed model, which has a suitable agreement with experimental results, demonstrates a dynamic modeling of the mechanism. As another approach in syetem modeling of SMA based systems, Prandtl-Ishlinskii (P-I) model which is one of the attractive operator-based phenomenological models for modeling of complex hysteretic nonlinear behaviors is used. In this study, the generalized Prandtl-Ishlinskii model is trained by some experimental measured data obtained from the experimental test setup consisting of a mechanism actuated by a shape memory alloy wire. It has been demonstrated that models derived through such a procedure have several uncertain parameters that can be exploited to strengthen the match between simulation and experimental data, within a nonlinear gray-box identification framework. An experimental setup with computer-interfacing has been developed to enable data acquisition and real-time implementations required for the identification. Then, an offline identification scheme based on genetic algorithms (GA) has been proposed and successfully tested. The parameters of the generalized Prandtl-Ishlinskii model are identified in order to adapt the model response to the real hysteretic nonlinearity. Then the accuracy of the obtained generalized Prandtl-Ishlinskii model in predicting nonlinear hysteric behavior of the system is validated using some different experimental data. Keywords: Morphing Wing- Smart Structure- Shape Memory Alloy- Mechanism Design- Hysteresis Modeling and Identification.
