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Design and rapid prototyping of a SMA based actuator

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Contents From a mechanical to a functional design approach . . . . . . . . . . . . . 19 1 Shape Memory Alloys 21 1.1 Martensite transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.2 Shape memory eect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.2.1 The origin of shape memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.2.2 One-way shape memory eect . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.2.3 Two-way shape memory eect . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.2.4 Superelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.3 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2 Overview on actuators’ mechanisms and design 37 2.1 Type of actuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.2 Recovering system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.3 Type of motion produced . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.4 Design of actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3 Constitutive models for SMA 45 3.1 Auricchio-Petrini constitutive model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.1.1 Time-continuous model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.1.2 Time-discrete integration algorithm . . . . . . . . . . . . . . . 49 4 Study of the convergence of a elastic-plastic spring 53 4.1 Problem description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.2 Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.3 Mesh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.3.1 Automatic Abaqus mesh generation: cube and tetrahedral el- ements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.3.2 Compmech mesh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.3.3 Beam element mesh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.4 Application of boundary conditions and external loads . . . . . . . . 61 4.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 9 SMA actuators design Luca Marioni 5 Numerical implementation of the constitutive model: uniaxial cube test 69 5.1 Souza UMAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.2 Description of the problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 5.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6 Design and prototyping of a compliant gripper actuator based on a SMA wire 79 6.1 Selection and analysis of the initial geometry . . . . . . . . . . . . . . 79 6.2 Optimization of the geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 6.2.1 Minimum stiness geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 6.2.2 Maximum bending geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.2.3 Other proposed geometries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 6.3 Modelling of the wire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 6.3.1 Uniaxial tensile test in thermal chamber on the SMA wire . . 96 6.3.2 Derivation of material parameters for SOUZA UMAT . . . . . 100 6.3.3 Derivation of material parameters for Auricchio-Taylor con- stitutive model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.4 Modelling of the complete actuation mechanism . . . . . . . . . . . . 107 6.4.1 Simulation outputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 6.5 Prototipation of the actuator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.6 Conclusions and future developments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Bibliography 10
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Design and rapid prototyping of a SMA based actuator

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Informazioni tesi

  Autore: Luca Marioni
  Tipo: Tesi di Laurea Magistrale
  Anno: 2013-14
  Università: Università degli Studi di Pavia
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria Civile
  Relatore: Ferdinando Auricchio
  Lingua: Inglese
  Num. pagine: 121

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Parole chiave

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computational mechanics

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