Teilprojekt 7: Modellierung und messtechnische Untersuchung der adaptiven Komponenten des I-FEV mittels elektromechanischer Ersatzmodelle
Motivation
Durch Integration von Aktoren lässt sich das Deformationsverhalten von Faser-Elastomer-Verbunden direkt im Betrieb überwachen und aktiv beeinflussen. Dies kann z. B. mittels textiltechnisch strukturintegrierten Drähten aus Formgedächtnislegierungen erreicht werden. Die gleichzeitige Integration von Aktoren und Sensoren erlaubt es nun, adaptive Elastomer-Bauteile zu schaffen, mit denen sich gezielt die Steifigkeit und damit die Verformbarkeit ändern lassen. Dafür sollen elektromechanische Netzwerkmodelle entwickelt werden, mit denen sowohl die mechanischen Strukturen als auch die aktorischen Funktionen abgebildet werden. Die Verifizierung der Modelle erfolgt auf der Grundlage messtechnisch charakterisierter I-FEV.
Stand der Forschung und eigene Vorarbeiten
Die gezielte Steifigkeitsänderung mechanischer Konstruktionselemente ist eine seit längerem verfolgte Forschungsthematik, insbesondere auch im Hinblick auf sogenannte „Morphing Structures“. Im Rahmen des sächsischen Exzellenzclusters ECEMP (European Centre for Emerging Materials and Processes) hat der Antragsteller einen besonderen Ansatz mit Biegestapeln verfolgt, bei denen das Gleiten vieler Einzelschichten gegeneinander beeinflusst wurde (siehe Abbildungen). Damit ließ sich die Steifigkeit um fast zwei Größenordnungen verändern.
Zudem wurden für Zweischichtbiegeelemente elektromechanische Ersatzmodelle geschaffen, die in Schaltungssimulatoren verarbeitet werden können, so dass sie sich für komplexe Regelungssysteme nutzen lassen. Weiterhin sind die systemtheoretischen Grundlagen für den Einsatz des Kraftkompensationsprinzips, mit dem die Sensitivität und die Langzeitstabilität von polymeren Sensoren verbessert werden können, beschrieben.
Wissenschaftliche Fragestellung und Projektziele
In diesem TP werden für die entwickelten adaptiven Komponenten struktur- und materialspezifische elektromechanische Ersatzmodelle abgeleitet, die die relevanten Ein- und Ausgangsparameter untersucht, die eine wichtige Basis für die Steuerung bzw. Regelung von komplexen räumlichen Verformungen von I-FEV darstellen. Das Ziel des TP liegt dabei besonders in der Ableitung der funktionalen Zusammenhänge für die mechanischen (Bauteil), elektrischen (integrierte Aktoren) und thermischen (Verlustwärme) Wechselwirkungen. Die Modelle sollen analytisch die adaptive Funktionalität präzise und robust gegenüber Quereinflüssen, z. B. Temperaturgradienten, beschreiben. Gemeinsam mit den Ergebnissen des TP8, wo die ortsverteilten sensorischen Eigenschaften in den I-FEV-Strukturen betrachtet werden, lassen sich so elektromechanische Sensor-Aktor-Ersatzmodelle schaffen, die in TP9 maßgeschneiderte und echtzeitfähige Steuerungs- und Regelungskonzepte erlauben und die damit die Grundlage für autarke I-FEV-Systeme bilden.
Kontakt
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