Kooperationsprojekt C2

Die Entwicklung von so genannten adaptiven Werkstoffverbunden, welche die Integration der Sensor–Aktor–Systeme im Sinne eines intelligenten Halbzeuges direkt im Herstellprozess des Bauteiles ermöglicht, stellt eine große Herausforderung dar. Die in diesem Forschungsvorhaben angedachten Sensor- und Aktormaterialien basieren auf dem piezoelektrischen Effekt, welcher eine Wandlung von mechanischer in elektrische Energie und umgekehrt ermöglicht. Die physikalische Beschreibung der Piezoelektrizität erfolgt durch den mechanischen Elastizitätstensor, den piezoelektrischen Koppeltensor und den dielektrischen Tensor. Damit wird in einem allgemeinen Materialgesetz die Beziehung zwischen den elektrischen Größen (elektrische Feldstärke, dielektrische Verschiebung) und den mechanischen Größen (mechanische Verzerrung, mechanische Spannung) modelliert. Die vollständige Charakterisierung derartiger Materialien erfordert daher eine Bestimmung der Tensoreinträge (z.B. beim piezoelektrischen Material PZT handelt es sich um insgesamt 10 Materialparameter), um die für den Designprozess benötigten Größen wie Koppelfaktor, elektrische Impedanz, mechanische Impedanz, etc. bestimmen zu können. Für die Ermittlung dieser Materialdaten können die Standardverfahren nicht herangezogen werden, da die erforderlichen Probengeometrien speziell für die in diesem Forschungsvorhaben betrachteten Piezofasermaterialien nicht hergestellt werden können. Zusätzlich ist zu berücksichtigen, dass es aufgrund der mechanischen und thermischen Beanspruchung des Formgebungsprozesses zu wesentlichen Veränderungen der Materialeigenschaften im Vergleich zum Bulk-Material kommt.
Ein zentrales Anwendungsgebiet für den Einsatz von adaptiven Werkstoffverbunden ist die passive und aktive Schwingungskompensation. Dabei geht es vor allem um die Herstellung möglichst leichter Bauteile, welche in vielen Anwendungsfällen zudem noch eine große Schallabsorption sowie eine geringe Schallabstrahlung (bei mechanischer Anregung) besitzen. Dies soll durch die in den Werkstoff integrierten Sensor–Aktor–Systeme ermöglicht werden, mit deren Hilfe eine aktive Schwingungskompensation erfolgt. Zur Entwicklung und Optimierung derart komplexer Systeme bedarf es eines computerunterstützten Arbeitsplatzes, welcher die hochpräzise Simulation von der mechanischen Schwingung bis hin zur akustischen Abstrahlung einschließlich der Sensor-Aktor-Systeme ermöglicht. Da die genaue Beschreibung der mechanischen, piezoelektischen sowie elektrischen Größen die Lösung der zugrunde liegenden partiellen Differentialgleichungen erfordert, welche nicht analytisch gelöst werden können, sind effiziente numerische Berechnungsverfahren für dieses gekoppelte Mehrfeldproblem erforderlich. Aufbauend auf einem am Lehrstuhl entwickelten Finite-Elemente-Verfahren sollen spezielle finite Elemente hergeleitet und implementiert werden, mit denen die piezoelektrischen Verbundwerkstoffe effizient und genau modelliert werden können. Dazu gehören insbesondere Schalen- und Faserelemente, die auch die wesentlichen nichtlinearen Eigenschaften der Piezokeramik und der sie umgebenden passiven Materialien korrekt beschreiben. Das FE-Verfahren soll letztlich die gesamte Kette „Bauteil – Sensor – Regler – Aktor“ simultan behandeln. Insbesondere zur korrekten Beschreibung des Aktors, teilweise auch des Bauteils, sind die nichtlinearen Materialgesetze sowie geometrische Nichtlinearitäten zu berücksichtigen.