FOR 5208: Modellbasierte Bestimmung nichtlinearer Eigenschaften von Piezokeramiken für Leistungsschallanwendungen II (NEPTUN II)

Leistungsschallwandler auf Basis piezoelektrischer Keramiken sind zentrale Komponenten moderner Ultraschallanwendungen in Sensorik und Aktorik. Für eine simulationsgestützte Auslegung und Optimierung solcher Systeme stellt die unzureichende Kenntnis der effektiven Materialeigenschaften piezoelektrischer Bauelemente – insbesondere im nichtlinearen Betriebsbereich – weiterhin eine substantielle Herausforderung dar. Dies gilt in besonderem Maße für Verbundschwinger, bei denen piezokeramische Ringe in mechanische Strukturen integriert sind und komplexe, nichtlineare thermo-elektromechanische Wechselwirkungen auftreten.
In der ersten Förderphase konzentrierten sich die Untersuchungen auf das Materialverhalten harter piezokeramische Ringe. Basierend auf den erzielten Ergebnissen liegt in der zweiten Förderphase der Forschungsgruppe der Fokus nun auf der ganzheitlichen Beschreibung und Identifikation nichtlinearer Materialparameter piezoelektrischer Keramiken in Verbundschwingern. Ziel ist es, konsistente Materialmodelle zu entwickeln, die sowohl nichtlineare Effekte bei erhöhten Anregungsfeldstärken als auch dissipative sowie temperaturabhängige Eigenschaften erfassen und zugleich für ingenieurwissenschaftliche Anwendungen geeignet sind. Die Identifikation der Materialparameter erfolgt auf Basis applikationsnaher Messungen an einzelnen piezokeramischen Proben bzw. Bauelementen in Kombination mit strukturangepasste Optimierungsverfahren.
Die entwickelten Materialmodelle bilden die Grundlage für umfangreiche Simulationsverfahren zur transienten und harmonischen Simulation piezoelektrischer Systeme, die auf der Finiten-Elemente-Methode basiert und eine effiziente numerische Behandlung der zugrunde liegenden nichtlinearen Dynamik in zwei und drei Raumdimensionen erlauben.
Ergänzend wird die Regelung von Leistungsschallanwendung in kritische Betriebspunkte untersucht. Zunächst werden linearisierte, lokal gültige Verfahren – etwa linear-quadratische Ansätze – eingesetzt, die sich durch Robustheit und gute praktische Umsetzbarkeit auszeichnen, und anschließend systematisch durch höherordentliche polynomielle Approximationen bis hin zu voll nichtlinearen Methoden erweitert. Im Fokus steht dabei eine fundierte Bewertung des Kosten-Nutzen-Verhältnisses dieser Ansätze unter besonderer Berücksichtigung von Stabilität und Robustheit, validiert durch simulationsbasierte und experimentelle Untersuchungen.
Die Forschungsarbeiten sind auf eine makroskopische, kontinuumsphysikalische Beschreibung piezokeramischer Materialien ausgerichtet. Die Ergebnisse leisten einen wesentlichen Beitrag zur verbesserten Modellierung, Simulation und Auslegung piezoelektrischer Verbundschwinger und unterstützen insbesondere die Substitution bleihaltiger Piezokeramiken durch alternative Materialien. Davon profitieren die Weiterentwicklung piezoelektrischer Werkstoffe und Fertigungsprozesse als auch sowohl industrielle Anwender.
Leistungsschallwandler auf Basis piezoelektrischer Keramiken sind zentrale Komponenten moderner Ultraschallanwendungen in Sensorik und Aktorik. Für eine simulationsgestützte Auslegung und Optimierung solcher Systeme stellt die unzureichende Kenntnis der effektiven Materialeigenschaften piezoelektrischer Bauelemente – insbesondere im nichtlinearen Betriebsbereich – weiterhin eine wesentliche Herausforderung dar. Dies gilt in besonderem Maße für Verbundschwinger, bei denen piezokeramische Ringe in mechanische Strukturen integriert sind und komplexe thermo-elektromechanische Wechselwirkungen auftreten.
In der ersten Förderphase konzentrierten sich die Untersuchungen auf das Materialverhalten piezokeramische Ringe. Basierend auf den erzielten Ergebnissen liegt in der zweiten Förderphase der Forschungsgruppe der Fokus nun auf der ganzheitlichen Beschreibung und Identifikation nichtlinearer Materialparameter piezoelektrischer Keramiken in Verbundschwingern. Ziel ist es, konsistente Materialmodelle zu entwickeln, die sowohl nichtlineare Effekte bei erhöhten Anregungsfeldstärken als auch dissipative und temperaturabhängige Eigenschaften erfassen und zugleich für ingenieurwissenschaftliche Anwendungen geeignet sind. Die Identifikation der Materialparameter erfolgt auf Basis applikationsnaher Messungen an einzelnen piezokeramischen Proben bzw. Bauelementen und wird durch strukturangepasste Optimierungsverfahren unterstützt.
Die entwickelten Materialmodelle bilden die Grundlage für weiterentwickelte Simulationsverfahren zur transienten und harmonischen Simulation piezoelektrischer Systeme, die auf der Finiten-Elemente-Methode basiert und eine effiziente numerische Behandlung der zugrunde liegenden nichtlinearen Dynamik erlauben. Ergänzend werden vereinfachte Modellansätze untersucht, um regelungstechnische Fragestellungen im Kontext nichtlinearer Leistungsschallwandler adressieren zu können.
Die Forschungsarbeiten sind auf eine makroskopische, kontinuumsphysikalische Beschreibung piezokeramischer Materialien ausgerichtet. Die Ergebnisse leisten einen wesentlichen Beitrag zur verbesserten Modellierung, Simulation und Auslegung piezoelektrischer Verbundschwinger und unterstützen insbesondere die Substitution bleihaltiger Piezokeramiken durch alternative Materialien. Davon profitieren sowohl industrielle Anwender als auch die Weiterentwicklung piezoelektrischer Werkstoffe und Fertigungsprozesse.