Mess- und simulationstechniche Bestimmung der Materialkennwerte von Piezokeramik-Metall- und Piezokeramik-Kunststoff-Werkstoffverbunden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Inverse Verfahren zur vollständigen Bestimmung der Materialparameter von Piezokeramiken wurde optimiert und erweitert. Die ermittelten Daten sind für eine realistische Modellierung der Piezokeramik geeignet und lassen sich auch für die Simulation von einfachen Verbundwerkstoffen (Piezokeramik + ein passiver Werkstoff) anwenden. Das Ziel, auch die Bestimmung der Materialkennwerte der passiven Verbundstoffe in das Inverse Verfahren zu integrieren, wurde nicht wie geplant durchgeführt. Die erhebliche Anzahl an zu bestimmenden Parametern, vor allem bei Berücksichtigung des frequenzabhängigen Verhaltens von Kunststoffen, resultiert in großen Unsicherheiten bei der inversen Materialparameteridentifikation. Um zukünftig auch komplexere Verbundwerkstoffe modellieren zu können, werden zwei alternative Ansätze vorgeschlagen. Zum einen kann der Parametersatz der piezoelektrischen Kennwerte auf die wesentlichen reduziert werden. Die Genauigkeit bei der Parameteridentifikation nimmt ab, jedoch können dann auch die Kennwerte der passiven Werkstoffe in die Optimierungsvorschrift des Inversen Verfahrens aufgenommen werden. Als zweite Möglichkeit halten wir vor allem den Ansatz zielführend, die Materialdaten der Piezokeramik und passiven Stoffe getrennt, mit unterschiedlichen Verfahren, zu identifizieren. Die im Rahmen eines Teilprojekts hergestellten Aluminium-Piezo-Patch-Verbunde wurden hinsichtlich der Schädigung der Piezokeramik durch den Herstellungsprozess untersucht. Eine Depolarisation der Piezokeramik durch die hohen Temperaturen während der Aluminiumgießprozesses konnte anhand einer Analyse der elektrischen Impedanz an wieder freigelegten Piezo-Patches ausgeschlossen werden. Zur Beschreibung der Hystereseeigenschaften von Piezokeramiken wurde der Preisach-Hystereseoperator eingeführt. Die Modellierung mithilfe der diskreten Preisach-Ebene wurde im lehrstuhleigenen Simulationstool CFS++ implementiert und verifiziert. Parallel wurde die Beschreibung des Preisach-Hystereseoperators mit analytischen Funktionen untersucht. Dieser Ansatz bringt in Zukunft den Vorteil, auch das Kriechverhalten, Temperatur- oder Frequenzabhängigkeiten bei der Simulation des Großsignalverhaltens berücksichtigen zu können. Um die komplexen mechanischen und piezoelektrischen Strukturen der Piezo-Verbundwerkstoffe effizient simulieren zu können, wurde der Ansatz einer hybriden Modellierung untersucht. Je nach betrachtetem Spektralbereich (Resonanz in Längen/Breiten-Richtung oder Dickenresonanz) wird ein grob aufgelöstes dreidimensionales oder ein fein aufgelöstes zweidimensionales Modell verwendet. Im Vergleich zur ausschließlichen Simulation der Impedanz mit einem dreidimensionalen Modell, konnte der zeitliche Aufwand um mehr als den Faktor 20 reduziert werden. Als zweiter Ansatz für eine effiziente Simulation wurde die Modellierung mit finiten Elementen höherer Ordnung am Beispiel eines Piezo-Patches untersucht. Dabei konnte, bei nahezu gleicher Genauigkeit, der zeitliche Aufwand im Vergleich zu einer Modellierung mit quadratischen Ansatzfunktionen um den Faktor 10 reduziert werden. Die Anwendung beider Ansätze bringt vor allem für die bezüglich der Frequenz fein aufgelösten Simulation der elektrischen Impedanz eine beträchtliche Effizienzsteigerung mit sich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Estimation of Material Parameters for Piezoelectric Actuators Using Electrical and Mechanical Quantities. IEEE Ultrasonics Symposium, 2009, pp. 414-41
Rupitsch, S.J.; Wolf, F.; Sutor, A.; and Lerch, R.
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Inverse Method to Estimate Material Parameters for Piezoceramic Disc Actuators. Applied Physics A, 2009, vol. 97, no. 4, pp. 735-740
Rupitsch, S.J.; Lerch, R.
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Materialdatenbestimmung für piezoelektrische Aktoren anhand elektrischer und mechanischer Messgrößen. 2. Wissenschaftliches Symposium des SFB/Transregio 39, 2009
Rupitsch, S.J.; Wolf, F.; Sutor, A.; Lerch, R.; and Kaltenbacher, M.
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A Preisach based hysteresis model for magnetic and ferroelectric hysteresis. Applied Physics A, 2010, vol. 100, no. 2, pp. 425-430
Sutor, A.; Rupitsch, S.J.; Lerch, R.
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Finite Element Formulation for Ferroelectric Hysteresis of Piezoelectric Materials. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2010, vol. 21, no. 5, pp. 773-785
Kaltenbacher, M.; Kaltenbacher, B., Hegewald, T.; and Lerch, R.
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Modeling and measurement of hysteresis of ferroelectric actuators considering time-dependent behavior. Procedia Engineering 5, 2010, pp. 87-90
Wolf, F.; Sutor, A.; Rupitsch, S.J.; and Lerch, R.
