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Eine Analyse des Anwendungspotenzials von piezoelektrischen Netzwerken im Maschinenbau - Evaluierung bestehender Techniken und Entwicklung einer Gesamtsystemmodellierung

Heuss, Oliver (2018):
Eine Analyse des Anwendungspotenzials von piezoelektrischen Netzwerken im Maschinenbau - Evaluierung bestehender Techniken und Entwicklung einer Gesamtsystemmodellierung.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7337],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

1979 wurde von Robert L. Forward unter dem Begriff shunt damping erstmals eine Technik vorgestellt, die es erlaubt weitgehend ohne externe Energiezufuhr das strukturdynamische Verhalten über ein piezoelektrisches Netzwerk zu beeinflussen. Aufgrund der nicht oder nur geringen benötigten Versorgungsenergie versprach diese Technologie erhebliche Vorteile gegenüber vollständig aktiven Konzepten und fand seitens der Forschung reges Interesse. Im Laufe der Zeit wurden zahlreiche, heterogene Ansätze entwickelt, die teils schmal-, teils breitbandige Eigenschaften aufweisen. Trotz der umfangreichen Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet muss nach mehr als 35 Jahren festgestellt werden, dass die Technologie bislang kaum praktische Anwendung fand. Warum also findet sich im Jahr 2017, trotz wissenschaftlicher Bemühungen, keine weitreichende Verbreitung der Technologie in technischen Produkten? Diese Frage stellt einen zentralen Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit dar. Um sich dieser Frage zu nähern, wird zunächst ein reflektierender Überblick über die verbreitetsten Techniken und Modellierungsansätze gegeben. Es wird dargestellt, dass die entwickelten Schaltungen in ihrer Komplexität und deren Modellierungsgenauigkeit über die Jahre stetig zunahmen. Gleichzeitig zeigt sich, dass der Fokus vieler Forschungsarbeiten oftmals in erster Linie auf der analytischen Beschreibung der jeweiligen speziellen Schaltungsvariante liegt. Es werden also immer komplexere Varianten entwickelt und über unterschiedlichste Ansätze beschrieben. Hinsichtlich der Vollständigkeit der Modelle lässt sich zusammenfassen, dass meist Teilaspekte, wie technikspezifische Stabilitätsgrenzen oder schaltungsinterne elektrische Größen, vernachlässigt werden oder nur oberflächlich Betrachtung finden. Ein allgemeingültiger Modellierungsansatz für die Vielzahl von Techniken, welcher explizit auch technische Anforderungen bezüglich des Gesamtsystemverhaltens und der Leistungselektronik berücksichtigt, existierte bisher nicht, wodurch die Anwendbarkeit der Modelle für die Produktentwicklung stark einschränkt war. Ergänzend zu und aufbauend auf bestehenden Ansätzen wird deshalb ein ganzheitlicher Modellierungsansatz entwickelt, der die Durchführung einer geschlossenen Multidomänensimulation ermöglicht und es erlaubt die elektrotechnischen wie auch mechanischen Teilaspekte im Zusammenspiel aller Komponenten detailliert zu untersuchen. Neben der Darstellung neuer Erkenntnisse für den Entwurf eines piezoelektrischen Gesamtsystems, ist die Zielstellung des Modellierungsansatzes klar darauf ausgerichtet, Entwicklungsingenieuren ein Werkzeug zur Verfügung zu stellen, womit ein Systementwurf zielgerichtet beherrschbar wird und der als Basis für eine Systemoptimierung dienen kann. Für die Darstellung und Validierung der angewandten Methoden und als Basis einer Diskussion wichtiger Parameter wurde eine einfache mechanische Struktur gewählt, die analytisch beschreibbar ist. Es wird aufgezeigt, dass der Modellierungsansatz dazu geeignet ist, die bisher in der Literatur verwendete unzureichende Beschreibung der Stabilitätsgrenze von Schaltungen mit negativer Kapazität genauer abzubilden und gleichzeitig systeminterne elektrische Größen, wie Spannungen und Ströme, beherrschbar zu machen. Der herangezogene Versuchsaufbau eignet sich im passiven Zustand zum Einsatz als mechanischer Tilger und dient somit gleichzeitig als Beispiel einer potentiellen technischen Anwendung, als ein adaptiver Tilger. Dessen Struktureigenschaften, wie Tilgerfrequenz und Dämpfung, können über piezoelektrische Netzwerke beeinflusst werden. Die aus der Systemauslegung gewonnenen Erkenntnisse werden im Weiteren an diesem Tilger geprüft und diskutiert. Ebenso wird der Energieaufwand eines aktiven Netzwerks zur Erhöhung der Strukturdämpfung dem eines aktiven Systems gegenübergestellt. Zur Prüfung der Möglichkeiten und Grenzen der technischen Anwendbarkeit piezoelektrischer Netzwerke im Maschinenbau, wird abschließend ein Design für einen konkreten technischen Anwendungsfall vorgestellt und diskutiert. Im Ergebnis zeigen sich Grenzen bei der Übertragbarkeit und Skalierbarkeit von Systemen mit piezoelektrischen Netzwerken. So sind bei technisch relevanten Schwingungspegeln die Anforderungen an die elektrischen Schaltkreise durchaus im Bereich dessen, was an die Leistungselektronik aktiver Systeme gestellt wird.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2018
Creators: Heuss, Oliver
Title: Eine Analyse des Anwendungspotenzials von piezoelektrischen Netzwerken im Maschinenbau - Evaluierung bestehender Techniken und Entwicklung einer Gesamtsystemmodellierung
Language: German
Abstract:

1979 wurde von Robert L. Forward unter dem Begriff shunt damping erstmals eine Technik vorgestellt, die es erlaubt weitgehend ohne externe Energiezufuhr das strukturdynamische Verhalten über ein piezoelektrisches Netzwerk zu beeinflussen. Aufgrund der nicht oder nur geringen benötigten Versorgungsenergie versprach diese Technologie erhebliche Vorteile gegenüber vollständig aktiven Konzepten und fand seitens der Forschung reges Interesse. Im Laufe der Zeit wurden zahlreiche, heterogene Ansätze entwickelt, die teils schmal-, teils breitbandige Eigenschaften aufweisen. Trotz der umfangreichen Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet muss nach mehr als 35 Jahren festgestellt werden, dass die Technologie bislang kaum praktische Anwendung fand. Warum also findet sich im Jahr 2017, trotz wissenschaftlicher Bemühungen, keine weitreichende Verbreitung der Technologie in technischen Produkten? Diese Frage stellt einen zentralen Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit dar. Um sich dieser Frage zu nähern, wird zunächst ein reflektierender Überblick über die verbreitetsten Techniken und Modellierungsansätze gegeben. Es wird dargestellt, dass die entwickelten Schaltungen in ihrer Komplexität und deren Modellierungsgenauigkeit über die Jahre stetig zunahmen. Gleichzeitig zeigt sich, dass der Fokus vieler Forschungsarbeiten oftmals in erster Linie auf der analytischen Beschreibung der jeweiligen speziellen Schaltungsvariante liegt. Es werden also immer komplexere Varianten entwickelt und über unterschiedlichste Ansätze beschrieben. Hinsichtlich der Vollständigkeit der Modelle lässt sich zusammenfassen, dass meist Teilaspekte, wie technikspezifische Stabilitätsgrenzen oder schaltungsinterne elektrische Größen, vernachlässigt werden oder nur oberflächlich Betrachtung finden. Ein allgemeingültiger Modellierungsansatz für die Vielzahl von Techniken, welcher explizit auch technische Anforderungen bezüglich des Gesamtsystemverhaltens und der Leistungselektronik berücksichtigt, existierte bisher nicht, wodurch die Anwendbarkeit der Modelle für die Produktentwicklung stark einschränkt war. Ergänzend zu und aufbauend auf bestehenden Ansätzen wird deshalb ein ganzheitlicher Modellierungsansatz entwickelt, der die Durchführung einer geschlossenen Multidomänensimulation ermöglicht und es erlaubt die elektrotechnischen wie auch mechanischen Teilaspekte im Zusammenspiel aller Komponenten detailliert zu untersuchen. Neben der Darstellung neuer Erkenntnisse für den Entwurf eines piezoelektrischen Gesamtsystems, ist die Zielstellung des Modellierungsansatzes klar darauf ausgerichtet, Entwicklungsingenieuren ein Werkzeug zur Verfügung zu stellen, womit ein Systementwurf zielgerichtet beherrschbar wird und der als Basis für eine Systemoptimierung dienen kann. Für die Darstellung und Validierung der angewandten Methoden und als Basis einer Diskussion wichtiger Parameter wurde eine einfache mechanische Struktur gewählt, die analytisch beschreibbar ist. Es wird aufgezeigt, dass der Modellierungsansatz dazu geeignet ist, die bisher in der Literatur verwendete unzureichende Beschreibung der Stabilitätsgrenze von Schaltungen mit negativer Kapazität genauer abzubilden und gleichzeitig systeminterne elektrische Größen, wie Spannungen und Ströme, beherrschbar zu machen. Der herangezogene Versuchsaufbau eignet sich im passiven Zustand zum Einsatz als mechanischer Tilger und dient somit gleichzeitig als Beispiel einer potentiellen technischen Anwendung, als ein adaptiver Tilger. Dessen Struktureigenschaften, wie Tilgerfrequenz und Dämpfung, können über piezoelektrische Netzwerke beeinflusst werden. Die aus der Systemauslegung gewonnenen Erkenntnisse werden im Weiteren an diesem Tilger geprüft und diskutiert. Ebenso wird der Energieaufwand eines aktiven Netzwerks zur Erhöhung der Strukturdämpfung dem eines aktiven Systems gegenübergestellt. Zur Prüfung der Möglichkeiten und Grenzen der technischen Anwendbarkeit piezoelektrischer Netzwerke im Maschinenbau, wird abschließend ein Design für einen konkreten technischen Anwendungsfall vorgestellt und diskutiert. Im Ergebnis zeigen sich Grenzen bei der Übertragbarkeit und Skalierbarkeit von Systemen mit piezoelektrischen Netzwerken. So sind bei technisch relevanten Schwingungspegeln die Anforderungen an die elektrischen Schaltkreise durchaus im Bereich dessen, was an die Leistungselektronik aktiver Systeme gestellt wird.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Research group System Reliability, Adaptive Structures, and Machine Acoustics (SAM)
LOEWE > LOEWE-Zentren > AdRIA – Centre for Adaptronics – Research, Innovation, Application
LOEWE > LOEWE-Zentren
LOEWE
Date Deposited: 22 Apr 2018 19:55
Official URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7337
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-73376
Referees: Melz, Prof. Dr. Tobias and Rinderknecht, Prof. Dr. Stephan
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 26 April 2017
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
In 1979 Robert L. Forward introduced an innovative technique called shunt damping, which allowed controlling the dynamic behavior of structures with actuators with almost no external energy needed via piezoelectric elements and simple electric networks. Because of this, the technique promised remarkable advantages over the fully active concepts and received great interest in research. Over the years, researchers developed numerous more advanced concepts with narrowband or also a certain broadband character. Despite the vast number of publications in this field, after more than 35 years, this technology was only rarely exploited for technical applications. What are the reasons that in 2017, in face of high efforts in research, there is no widespread usage of these techniques in technical products observable? This question represents the initial motivation for writing this thesis. In order to find explanations for that, an overview of the most common techniques and modeling strategies is given. Furthermore, it is described that over the years the existing electric networks became more and more complex while also the modeling strategies became more diverse. Concurrently, it becomes apparent that the main focus of many scientific publications is to develop new circuits and to analytically describe their behavior. So more and more complex networks and descriptions are developed. With regard to the completeness of the models it can be summarized, that often certain detailed aspects, such as specific stability limits or internal electrical quantities, are only marginally included or are neglected. A universal approach of a modeling strategy for the numerous techniques, which allows a quick and deep evaluation of the behavior of the complete system with different networks, does not exist. The practicality of the existing modeling approaches is therefore strongly limited with regard to product design. Based on existing approaches, a multi-domain whole-system modeling approach is derived and tested that allows the detailed description and evaluation of nearly all aspects from electrical components to mechanical properties of the host structure interacting altogether. Beside the sole presentation of new findings, important for the development of piezoelectric whole-systems, this publication provides a modeling strategy for product engineers that allows a straightforward system design and can be used for system optimization purposes. To illustrate and validate the applied methods and as well as a basis for a discussion of important design parameters, a simple analytically describable mechanical host structure was chosen. It is shown that the modeling approach is capable of describing the stability limit for circuits with negative capacitors more detailed than methods in literature so far. Moreover, the proposed method provides information about internal electrical quantities, such as currents and voltages, and allows managing them by design modification. The presented test setup in passive state can be used as mechanical absorber or neutralizer and serves as an example for a potential technical application, as an adaptive absorber. Its structural properties, namely the resonance frequency and damping, can be controlled by the piezoelectric network. The before gained insights for the design process are discussed and investigated on basis of this absorber. The energy input of an active piezoelectric network for damping is contrasted with that of a fully active system. To finally evaluate the potential and limitations of piezoelectric networks for technical applications in mechanical engineering, a redesign of the absorber for the operation in a vehicle is presented and discussed. Results indicate limitations with regard to scalability of such systems. At technically common levels of vibrations, the requirements for the electric circuits elements are comparable to the power electronics requirements of fully active systems.English
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