Untersuchung der Funktionspotentiale durch Piezomodul-Integration in 3D-Strukturen
Final Report Abstract
Dämpfung und Erzeugung von Schwingungen einer Struktur werden heutzutage vorwiegend über den Einsatz piezokeramischer Aktuatoren realisiert. Hierfür werden diese an der Bauteiloberfläche appliziert. Der Kosten- und Zeitaufwand dieser Applikation, die in einem separaten Prozessschritt abläuft, ist für eine Großserienproduktion nachteilig. Seit 2006 werden deshalb im Sonderforschungsbereich/Transregio 39 PT-PIESA Möglichkeiten entwickelt, dieses piezokeramische Material in metallische Strukturen zu integrieren, mit dem Ziel diese Verbunde großserienfähig produzieren zu können. Durch diese Schichtverbunde mit in die Struktur eingebetteten Piezokeramiken entstehen neue Anwendungs- und Funktionspotentiale. So lässt sich der Schichtaufbau der Piezo-Metall- Verbunde variabel gestalten oder die Piezokeramik mittels Umformung in Krümmungen positionieren. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden die Potentiale der Piezo-Metall-Verbunde im Hinblick auf eine mögliche Schwingungs- und Schallbeeinflussung der Struktur untersucht. Hierbei spielten sowohl der Einfluss des Positionierung des Piezomoduls in Dickenrichtung des Schichtverbundes eine Rolle, als auch der Einfluss der Krümmung, in die das Piezomodul eingebracht werden kann. Des Weiteren wurden sowohl konventionelle Piezokeramikmodule, die den Longitudinal- bzw. den Transversaleffekt ausnutzen, untersucht, als auch Module, die auf Basis des Schereffektes arbeiten. Dieser Einfluss wurde sowohl durch Simulationen als auch durch Experimente untersucht. Im Hinblick auf die Schwingungs- und Schallbeeinflussung ist aus den Ergebnissen für flächige Strukturen zu schlussfolgern, dass durch eine oberflächennahe Integration der Piezomodule die Amplituden bestmöglich beeinflusst werden können. Die Integration der Piezomodule in Krümmungen gewährleistet eine weitaus bessere Beeinflussung der möglichen Amplituden und erfasst einen größeren Frequenzbereich. Damit konnte ein weiterer Schritt in Richtung Auslegung von in Blechstrukturen integrierten Piezomodulen für eine breitbandige Schwingungsbeeinflussung dieser Blechstrukturen gegangen werden. Die vorgesehene experimentelle Untersuchung von Schichtverbunden mit integrierten Scheraktoren war nicht möglich, da die Produktion durch den Hersteller eingestellt wurde. Zur Auslegung von Regelungen solcher Strukturen mit adaptronischen Komponenten ist es sinnvoll, das System in eine Zustandsraumdarstellung zu überführen. Zur Beurteilung der möglichen Schall- bzw. Schwingungsbeeinflussung wurden deswegen zwei Zustandsraummodelle entwickelt. Einerseits ein Modell, das den Schalldruck an einem Knoten des die Struktur umgebenden Fluidvolumens auswertet und andererseits ein Modell, das die Auswertung der Oberflächenschnelle der Struktur vorsieht und somit eine Beurteilung der Körperschallleistung möglich macht. Die Weiterentwicklung des piezo-mechanischen Zustandsraummodells zu einem piezo-mechanisch-akustischen Zustandsraummodell stellt eine Erweiterung des Standes der Forschung dar.
Publications
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Enthalpy-based homogenization procedure for composite piezoelectric modules with integrated electrodes. In: Smart structures and systems 12 (2013), Nr. 5, S. 579–594
Kranz, Burkhard; Benjeddou, Ayech; Drossel, Welf-Guntram
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Numerical and experimental characterizations of longitudinally polarized piezoelectric d15 shear macro-fiber composites. In: Acta Mechanica 224 (2013), Nr. 11, S. 2471–2487
Kranz, Burkhard; Benjeddou, Ayech; Drossel, Welf-Guntram
