Entwicklung eines mikromechanischen Kontinuumsschädigungsmodells für ferroelektrische Keramiken zur Lebensdauervorhersage bei zyklischer Belastung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Ricoeur
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 194824543

Ferroelektrische Keramiken kommen vielfach als Aktuatoren und Sensoren zum Einsatz. Die Verwendung piezoelektrischer Stapelaktuatoren in Systemen zur Kraftstoffeinspritzung stellt eines der wirtschaftlich bedeutendsten Anwendungsfelder dar. Hier muss ein zuverlässiger Betrieb bis hin zu 109 Lastzyklen gewährleistet werden. Die derzeitige Vorgehensweise zur Gewährleistung von Zuverlässigkeit und Lebensdauer basiert auf aufwändigen Langzeitversuchen. Man ermittelt Wöhlerlinien, wobei insbesondere der Abknickpunkt zur Dauerfestigkeit von Interesse ist. Gelänge es, diesen Punkt auf der Basis von Berechnungen zu ermitteln, wäre nach Aussagen von Entwicklern ein wesentlicher Fortschritt zur zuverlässigen und kostengünstigen Auslegung neuer Aktuatoren erbracht. Ziel des hier vorgestellten Forschungsvorhabens ist es daher, kontinuumsmechanische Schädigungsmodelle für Ferroelektrika zu entwickeln, softwaretechnisch zu implementieren und anhand experimenteller Daten zu erproben. Auf der Basis einer Multiskalenmodellierung werden einerseits mikroelektromechanische Vorgänge detailliert abgebildet, andererseits durch Homogenisierungsverfahren Werkzeuge zur Bauteilsimulation geschaffen. Im Gegensatz zu bekannten Modellen, werden nichtlineare Umwandlungsphänomene in der Domänenstruktur mit einer detaillierten Modellierung der Elektromechanik des Bruchverhaltens auf der Mikroebene und der Rissausbreitung auf der Makroebene verbunden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen