Elektromechanisch gekoppelte Balkenmodelle for dielektrische Elastomerstapelaktoren

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Sigrid Leyendecker
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426808054

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Moderne Robotersysteme stoßen in Bezug auf Energie- und Ressourceneffizienz noch immer an ihre Grenzen. Aufgrund des hohen Gewichts von elektrischen Antrieben und tragbaren Batterien sind sie weit davon entfernt, über einen längeren Zeitraum autark zu sein. Außerdem erlaubt die starre Kopplung zwischen elektrischen Antrieben und Gelenken keine sanfteren Bewegungen, wie sie in der Natur vorkommen, wo flexible Muskeln als Energiepuffer dienen. Aufgrund ihres Potentials, einige der angesprochenen Probleme zu lösen, sind dielektrische Elastomeraktoren (DEAs) Gegenstand intensiver Forschung. Es gibt verschiedene Arten von Computermodellen zur Simulation von DEAs mit unterschiedlichem Genauigkeitsgrad und Recheneffizienz. Der Goldstandard, elektromechanisch gekoppelte 3D-Finite­Elemente-Modelle, sind zwar genau, haben aber den Nachteil, dass sie sehr rechenintensiv sind. Die Modellierung gestapelter DEAs (lange und dünne Strukturen) als elektromechanisch gekoppelter Balken stellt einen vielversprechenden Kompromiss zwischen Genauigkeit und Rechenkosten dar. In diesem Projekt wurde ein elektromechanisch gekoppeltes viskoelastisches Balkenmodell entwickelt. Die Gleichgewichtsgleichungen für den Balken wurdem konsequent aus der Kontinuumsmechanik über das Lagrange-d'Alembert-Prinzip hergeleitet. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass die statische und dynamische Verformung des Balkenmodells gut mit dem 3D-FEM-Modell für verschiedene Verformungszustände, einschließlich Kontraktion, Scherung, Biegung und Torsion, übereinstimmt, wobei jedoch weniger Freiheitsgrade im Balkenmodell erforderlich sind und es somit rechnerisch effizienter ist. Darüber hinaus gewährleistet die variationelle Zeitintegration ein gutes Langzeit-Energieverhalten. Anschließend wurde das entwickelte Balkenmodell als Aktor in Mehrkörpersysteme integriert, die aus starren und flexiblen Komponenten bestehen. Das Modell bildet auch die Kontaktinteraktion über unilaterale Zwangsbedingungen zwischen dem Balkenaktuator und z.B. einem starren Körper während des Greifvorgangs eines Soft Robots ab. Die Effektivität des entwickelten Modells wurde anhand verschiedener numerischer Beispiele demonstriert, darunter ein freitragender Balken, ein Soft-Robot-Wurm und ein Soft-Robot-Greifer.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• An electromechanically coupled beam model for dielectric elastomer actuators. Computational Mechanics, 69(3), 805-824.
  Huang, Dengpeng & Leyendecker, Sigrid
  
• Dielectric Elastomer Actuated Multibody System Dynamics and Optimal Control In: 92nd GAMM Annual Meeting (2021), Aachen, 2022-08-15 - 2022-08-19
  Dengpeng Huang & Sigrid Leyendecker
  
• Modelling of dielectric elastomer actuated flexible multibody dynamics In: ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics (2021), Budapest, 2021-12-12 - 2021-12-15
  Dengpeng Huang & Sigrid Leyendecker
  
• Modelling of Electromechanical Coupling in Geometrically Exact Beam Dynamics. 14th WCCM-ECCOMAS Congress. CIMNE.
  Huang, D. & Leyendecker, S.
  
• On computational aspects of electromechanical coupling in geometrically exact beam dynamics In: Online symposium on flexible multibody system dynamics (2021), Zoom, 2020-09-21 - 2020- 09-21
  Dengpeng Huang & Sigrid Leyendecker
  
• Optimal Control of Dielectric Elastomer Actuated Multibody Dynamical Systems. Soft Robotics, 10(5), 897-911.
  Huang, Dengpeng & Leyendecker, Sigrid