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Numerische Simulation zur Optimierung des Verformungsverhaltens dielektrischer Elastomerstapelwandler

Förster, Florentine :
Numerische Simulation zur Optimierung des Verformungsverhaltens dielektrischer Elastomerstapelwandler.
TU Darmstadt Institut EMK / MEMS
[Diplom- oder Magisterarbeit], (2012)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Dielektrische Elastomerstapelwandler (DESW) gehören zu den aufstrebenden elektromechanischen Wandlertechnologien. Sie bestehen aus einer Vielzahl von Schichten aus nachgiebigen Elektroden, zwischen denen sich elastische Dielektrika befinden. DESW wandeln mechanische in elektrische Energie oder umgekehrt und können daher als Aktoren (DEA), Sensoren (DES) oder Generatoren (DEG) betrieben werden. Für einen effizienten Betrieb der DESW ist eine homogene Verformung der einzelnen Wandlerschichten von großer Bedeutung. Diese homogene Verformung kann jedoch durch verschiedene Einflüsse wie z.B. inspannungen und Inhomogenitäten im Schichtaufbau beeinflusst werden.

Zur Optimierung des Verformungsverhaltens eines am Institut für Elektromechanische Konstruktionen (EMK) hergestellten dielektrischen Elastomerstapelwandlers wird dieser mit dem Finite-Elemente-Programm ANSYS numerisch simuliert. Der DESW besteht aus 51 Silikonschichten und 50 Graphitpartikelelektroden mit einer Dicke von jeweils 43 �m bzw. 7 �m. Zur Beschreibung des Materialverhaltens des Silikons sowie der Graphitelektroden werden anhand einer Literaturrecherche Materialmodelle identifiziert. Um das reale Verformungsverhalten des DESWs in der Simulation abbilden zu können, erfolgt eine experimentelle Untersuchung von Silikon- und Wandlerprobekörpern. Anhand der Versuchsergebnisse und der identifizierten Materialmodelle wird sowohl für das Silikon als auch die Graphitelektroden das lineare Materialmodell ausgewählt. Aus den Versuchsergebnissen ergibt sich für das Silikon ein Elastizitätsmodul von 129 kPa. Der E-Modul der Graphitelektroden kann nicht direkt aus den Versuchen ermittelt werden. Für dessen Bestimmung wird der Wandlerprobekörper in ANSYS simuliert und das Simulationsergebnis über die Variation des E-Moduls der Elektroden an die Versuchsergebnisse angenähert. Der E-Modul der Elektroden ergibt sich aus der Simulation zu 375 kPa. Mit den bestimmten Materialparametern für das Silikon und die Graphitelektroden erfolgt eine gekoppelte elektromechanische Simulation des DESWs in ANSYS. Dieser ist für den Generatorbetrieb bestimmt. Zur Bestimmung des Verformungsverhaltens des DEGs werden die ersten zwei Phasen eines einfachen Energiegewinnungsprozesses simuliert. Im ersten Schritt erfährt der DEG eine Stauchung durch eine externe Kraft. Im zweiten Schritt wird an die Graphitelektroden eine elektrische Spannung angelegt, sodass sich der DEG nochmals staucht. Um Optimierungspotenziale für die homogene Verformung der Wandlerschichten ableiten zu können, erfolgen Simulationen mit zwei unterschiedlichen Last- und Lagerungsfällen. In der Abbildung ist der DEG für einen der Fälle im unverformten Zustand sowie nach Aufbringen der Kraft und Anlegen der elektrischen Spannung zu sehen. Zur Validierung der Simulationsergebnisse werden diese mit am realen DEG durchgeführten Versuchen verglichen.

Typ des Eintrags: Diplom- oder Magisterarbeit
Erschienen: 2012
Autor(en): Förster, Florentine
Titel: Numerische Simulation zur Optimierung des Verformungsverhaltens dielektrischer Elastomerstapelwandler
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Dielektrische Elastomerstapelwandler (DESW) gehören zu den aufstrebenden elektromechanischen Wandlertechnologien. Sie bestehen aus einer Vielzahl von Schichten aus nachgiebigen Elektroden, zwischen denen sich elastische Dielektrika befinden. DESW wandeln mechanische in elektrische Energie oder umgekehrt und können daher als Aktoren (DEA), Sensoren (DES) oder Generatoren (DEG) betrieben werden. Für einen effizienten Betrieb der DESW ist eine homogene Verformung der einzelnen Wandlerschichten von großer Bedeutung. Diese homogene Verformung kann jedoch durch verschiedene Einflüsse wie z.B. inspannungen und Inhomogenitäten im Schichtaufbau beeinflusst werden.

Zur Optimierung des Verformungsverhaltens eines am Institut für Elektromechanische Konstruktionen (EMK) hergestellten dielektrischen Elastomerstapelwandlers wird dieser mit dem Finite-Elemente-Programm ANSYS numerisch simuliert. Der DESW besteht aus 51 Silikonschichten und 50 Graphitpartikelelektroden mit einer Dicke von jeweils 43 �m bzw. 7 �m. Zur Beschreibung des Materialverhaltens des Silikons sowie der Graphitelektroden werden anhand einer Literaturrecherche Materialmodelle identifiziert. Um das reale Verformungsverhalten des DESWs in der Simulation abbilden zu können, erfolgt eine experimentelle Untersuchung von Silikon- und Wandlerprobekörpern. Anhand der Versuchsergebnisse und der identifizierten Materialmodelle wird sowohl für das Silikon als auch die Graphitelektroden das lineare Materialmodell ausgewählt. Aus den Versuchsergebnissen ergibt sich für das Silikon ein Elastizitätsmodul von 129 kPa. Der E-Modul der Graphitelektroden kann nicht direkt aus den Versuchen ermittelt werden. Für dessen Bestimmung wird der Wandlerprobekörper in ANSYS simuliert und das Simulationsergebnis über die Variation des E-Moduls der Elektroden an die Versuchsergebnisse angenähert. Der E-Modul der Elektroden ergibt sich aus der Simulation zu 375 kPa. Mit den bestimmten Materialparametern für das Silikon und die Graphitelektroden erfolgt eine gekoppelte elektromechanische Simulation des DESWs in ANSYS. Dieser ist für den Generatorbetrieb bestimmt. Zur Bestimmung des Verformungsverhaltens des DEGs werden die ersten zwei Phasen eines einfachen Energiegewinnungsprozesses simuliert. Im ersten Schritt erfährt der DEG eine Stauchung durch eine externe Kraft. Im zweiten Schritt wird an die Graphitelektroden eine elektrische Spannung angelegt, sodass sich der DEG nochmals staucht. Um Optimierungspotenziale für die homogene Verformung der Wandlerschichten ableiten zu können, erfolgen Simulationen mit zwei unterschiedlichen Last- und Lagerungsfällen. In der Abbildung ist der DEG für einen der Fälle im unverformten Zustand sowie nach Aufbringen der Kraft und Anlegen der elektrischen Spannung zu sehen. Zur Validierung der Simulationsergebnisse werden diese mit am realen DEG durchgeführten Versuchen verglichen.

Freie Schlagworte: Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme
Hinterlegungsdatum: 13 Jul 2012 07:07
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate

Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMKD1799

Art der Arbeit: Diplomarbeit

Beginn Datum: 24-10-2011

Ende Datum: 23-04-2012

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

ID-Nummer: 17/24 EMK D1799
Gutachter / Prüfer: Schlaak, Prof. Dr. Helmut F.
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