Εφαρμογές και έλεγχος έξυπνων υλικών με έμφαση στην χρησιμοποίησή τους ως επενεργητές
Authors: Κολυβάς Ευθύμιος-Ιάσων 
Published: September 2021

Τα έξυπνα υλικά αποτελούν μέρος συνεχούς ερευνητικής προσπάθειας λόγω της αυξανόμενης συμμετοχής τους ως τμήματα διατάξεων σε εμπορικές εφαρμογές που άπτονται της μηχανικής (ιατρικές εφαρμογές, ρομποτική, αεροναυπηγική, κτλ.). Μέτρα ταξινόμησής τους είναι η ικανότητά τους για την παραγωγή έργου ως προς τις εξωτερικές τους διαστάσεις, το εύρος συχνοτήτων λειτουργίας και η μορφή ενέργειας που χρησιμοποιείται για την ενεργοποίησή τους.Τα μορφομνήμονα κράματα (ΜΚ), ως μέρος αυτής της ομάδας υλικών, επιλέγονται για την ενεργοποίηση διατάξεων με χαρακτηριστικά που συναντώνται σε εφαρμογές μηχανικής - ρομποτικής. Αυτή είναι η κατηγορία των υλικών στην οποία επικεντρώνεται η παρούσα διατριβή και αντίστοιχα η σκοπιά από την οποία τα αντιμετωπίζει.Η μακροσκοπική συμπεριφορά των ΜΚ χαρακτηρίζεται από φαινόμενα μνήμης που συνδέονται με τον μηχανισμό μετασχηματισμού μεταξύ δύο φάσεων και το ιστορικό φόρτισής του. Αυτά τα φαινόμενα ερμηνεύονται, σε μικρομηχανικά μοντέλα, από το ισοζύγιο ενέργειας που προκύπτει από τις τιμές των καταστατικών μεγεθών (δύναμη, παραμόρφωση και θερμοκρασία) και την προηγούμενη φόρτιση. Κατά την λειτουργία στις συνθήκες ρομποτικών διατάξεων η άμεση πρόσβαση στις τιμές αυτών των μεγεθών μπορεί να είναι περιορισμένη και οι καταγραφόμενες τιμές να περιέχουν διακυμάνσεις (θόρυβο). Σε αυτές τις συνθήκες απαιτείται η προσαρμογή των μοντελοποιούμενων χαρακτηριστικών του συστήματος ώστε να υποβαθμίζεται ο ρόλος των δομικών στοιχείων του μοντέλου που είναι ευαίσθητα σε αυτές τις διακυμάνσεις.Αυτή η προσέγγιση ακολουθείται για δύο τύπους ΜΚ που διαχωρίζονται ως προς τα γεωμετρικά τους χαρακτηριστικά και κατά συνέπεια από την δυναμική τους. Η αδυναμία άμεσης μέτρησης της θερμοκρασίας του επενεργητή αναδεικνύεται αρχικά από την σύγκριση μεταξύ πειραματικών παρατηρήσεων και θεωρητικών αποκρίσεων. Η γρήγορη δυναμική του επενεργητή σε σχέση με τις δυνατότητες μέτρησης επιτρέπει την είσοδο εξωγενών δυναμικών χαρακτηριστικών σε μία θεωρητικά αναμενόμενη στατική περιγραφή υστέρησης. Η είσοδος της εξωγενούς δυναμικής στην μέτρηση, σε συνδιασμό με την ευαισθησία του συστήματος σε μεταβολές των περιβαλλοντικών συνθηκών αποτρέπει την χρήση στατικών μοντέλων για τους σκοπούς του ελέγχου. Σε αυτό το περιβάλλον προτείνεται η κατασκευή τοπικών προσεγγίσεων για τις τροχιές του συστήματος, ως μέσο επικαιροποίησης της περιγραφής του συστήματος από τα διαθέσιμα ζεύγη εισόδου - εξόδου. Η ισχύς της μεθόδου επιβεβαιώνεται από την λειτουργία του προτεινόμενου νόμου ελέγχου σε συνθήκες μειωμένης συχνότητας ανατροφοδότησης της εξόδου, κατά την οποία η τοπική προσέγγιση παίρνει την θέση της μετρούμενης τιμής.Σε δεύτερο στάδιο εξετάζεται η ανταγωνιστική λειτουργία των ΜΚ, για επενεργητές με την μορφή ελικοειδούς ελατηρίου. Για αυτούς τους επενεργητές, τα δυναμικά χαρακτηριστικά είναι λιγότερο δραστικά και επιτρέπουν την χρήση ενός στατικού μοντέλου. Η κατασκευή του γίνεται από την προσέγγιση ενός φαινομενολογικού μοντέλου από ένα γενικευμένο τελεστή υστέρησης. Αυτή η διατύπωση επιτρέπει τον χαρακτηρισμό του επενεργητή απευθείας στον χώρο δύναμης - παραμόρφωσης και μειώνει το βάθος της μνήμης του συστήματος, αποδίδοντας έτσι στο μοντέλο χαρακτηριστικά σθεναρότητας σε θόρυβο. Η μελέτη της ανταγωνιστικής διάταξης επενεργητών εξετάζει το πλάτος των αναπτυσσόμενων εσωτερικών δυνάμεων, για διαφορετική σχέση μεταξύ ενεργών και παθητικών επενεργητών. Αυτή η συσχέτιση οδηγεί στην συστηματική σχεδίαση τέτοιων διατάξεων και επιτρέπει την επιλογή των κατάλληλων τεχνικών ενεργοποίησης.