Nichtlineare Finite-Elemente-Simulation piezokeramischer Aktoren

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Piezokeramische Aktoren nutzen den inversen piezoelektrischen Effekt, d.h. das Anlegen eines elektrischen Feldes an ein piezoelektrisches Material führt zu einer Deformation. Dieser Effekt zeichnet sich durch eine hohe Dynamik und große Kraftdichte aus. Druch die Stapelung einer Vielzahl von piezokeramischen Einzelschichten erzielt man eine Erhöhung der Gesamtdehnung bezogen auf die angelegte Eingangsspannung, siehe Abb. 1. Hierbei spielen insbesondere monolithisch gesinterte Vielschichtaktoren eine wichtige Rolle. Diese Stapelaktoren neuester Bauart finden Einsatz in Präzisionspositioniereinrichtungen für Optikkomponenten und Wegsteller für Mikroproduktionsanlagen. Ein zentrales Anwendungsgebiet stellt der Einsatz dieser Aktoren als schnellschaltende Ventile für die Common-Rail-Dieselmotoren-Technologie dar.

Abb. 1: Finite-Elemente-Modell eines Vielschicht-Stapelaktors

Abb. 1: Finite-Elemente-Modell eines Vielschicht-Stapelaktors

Für die Entwicklung der Aktoren sind effiziente Werkzeuge erforderlich, die in der Lage sind die auftretenden Nichtlinearitäten zu erfassen. Aus diesem Grund wurde ein Finite-Elemente-Verfahren entwickelt, das es erlaubt, Materialnichtlinearitäten, geometrische Nichtlinearitäten und ferroelektrische Hystereseeffekte zu modellieren. Druch den Einsatz dieses computergestützten Simulationstools bietet sich dem Entwickler die Möglichkeiten Aussagen über den inneren Belastungszustand (Abb. 2) des Aktors zu treffen, lange bevor ein erster Prototyp gefertigt wird.

Abb. 2: Mechanische Spannungsverteilung im Inneren eines piezokeramischen Vielschichtaktors

Abb. 2: Mechanische Spannungsverteilung im Inneren eines piezokeramischen Vielschichtaktors

 

Die exakte Simulation des Aktorverhaltens ist natürlich eng an eine genaue messtechnische Erfassung der nichtlinearen Materialeigenschaften gekoppelt. Aus diesem Grund wurden am Lehrstuhl geeignete Messverfahren zur Großsignalbeschreibung piezokeramischer Aktormaterialien entwickelt. Diese erlauben die Erfassung der Materialabhängigkeit von der elektrischen Feldstärke und der mechanischen Spannung.

Schlagworte:

Nichtlineare Finite-Elemente-Simulation; Ferroelektrizität; Piezoelektrizität; Piezokeramische Vielschicht-Stapelaktoren; Nichtlineares Materialverhalten