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Beschreibung und Bewertung der Unsicherheit in der Ermittlung der Stellkräfte und -wege von piezoelektrischen Stapelaktuatoren in aktiven lasttragenden Systemen

Ondoua Ebengué, Serge Parfait :
Beschreibung und Bewertung der Unsicherheit in der Ermittlung der Stellkräfte und -wege von piezoelektrischen Stapelaktuatoren in aktiven lasttragenden Systemen.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Beschreibung und Bewertung der Unsicherheit in der Ermittlung der Stellkräfte und -wege von piezoelektrischen Stapelaktuatoren in aktiven lasttragenden Systemen
Language: German
Abstract:

Ein Ansatz aus dem von der DFG gefördeten Sonderforschungsbereich SFB 805 „Beherrschung von Unsicherheit in lasttragenden Systemen des Maschinenbaus“ an der Technischen Universität Darmstadt beschreibt und bewertet Unsicherheit und bietet Lösungsansätze zur Beherrschung von Unsicherheit. Die vorliegende Arbeit stellt eine Erprobung dieses Ansatzes zur Beschreibung und Bewertung von Eigenschaftsstreuung als Unsicherheit in der rechnerischen Ermittlung der Stellkräfte und -wege bzw. der Arbeitspunkte eines piezoelektrischen Stapelaktuators mit seinem Arbeitsdiagramm vor. Als Beispielsystem dient ein aktives System, in dem ein piezoelektrischer Stapelaktuator eine laterale aktive Kraft in einen Balken einleitet.

Die Beschreibung der Streuungen in den Aktuator- und Balkeneigenschaften im Arbeitsdiagramm und die numerische Bewertung ihrer Einflüsse auf die nominalen Arbeitspunkte mit Worst-Case Analysen und Monte Carlo-Simulationen liefern eine Unsicherheitsregion um jeden nominalen Arbeitspunkt und die darin vorkommenden Verteilungen der Arbeitspunkte. Jede Unsicherheitsregion zeigt mit zunehmender mechanischer Vorspannkraft und elektrischer Betriebsspannung am Stapelaktuator einen linearen und nichtlinearen steigenden Verlauf.

Die Arbeitspunkte mehrerer baugleicher Stapelaktuatoren und Balken werden in einem experimentellen System für quasistatische und dynamische elektrische Betriebsspannungen gemessen, um die Ergebnisse der Worst-Case Analysen und Monte Carlo-Simulationen zu validieren. Die gemessenen Stellkräfte und -wege sind aufgrund von Faktoren wie Nichtlinearitäten imWerkstoff der Aktuatoren, Einfluss der mechanischen Vorspannkraft auf die Steifigkeit eines Stapelaktuators und endliche Steifigkeit des experimentellen Systems bis zu 33% und 35% geringer als ihre angenommene Werte. Eine Modellanpassung des Arbeitsdiagramms mit mehrdimensionalen Regressionen wird vorgestellt, um eine Überschätzung der Stellkräfte und -wege eines Stapelaktuators zu vermeiden.

Die erzielten numerischen und experimentellen Ergebnisse zeigen das Potential des neuen Ansatzes vom SFB 805, die Variationen in den Stellkräften und -wegen piezoelektrischer Stapelaktuatoren aufgrund von Eigenschaftsstreuung zu beschreiben und zu bewerten.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The approach of the Collaborative Research Centre CRC 805 – Control of Uncertainty in Load-Carrying Systems in Mechanical Engineering – of the Technische Universität Darmstadt describes and assesses uncertainty, and develops new technologies and methods to control uncertainty. In this work, the CRC 805 approach is used to describe and assess the scatter in the properties of a piezoelectric stack actuator and the mechanical structure to be actuated, e. g. the blocking force and the structure stiffness, as an uncertainty in the numerical evaluation of the stack actuator’s mechanical forces and strokes with its working diagram. An active system with a beam that is lateraly loaded by an active force from a single piezoelectric stack actuator was taken as a case of study. The description of the assumed scatter in the actuator’s and beam’s properties within the working diagram and the numerical assessment of their influences on the actuator’s mechanical forces and strokes by means of worst-case analyses and Monte Carlo-simulations showed an uncertainty region around each nominal operating point and the distribution of potential operating points within. Any uncertainty region showed respectively a linear and nonlinear increase together with a growing mechanical preload and electric voltage on the stack actuator. The operating points of identical stack actuators connected with beams were measured in a test rig of the active system for quasistatic and dynamic electric voltages in order to validate the results of the worst-case analyses and Monte Carlo-simulations. Additional factors like nonlinearities in the piezoelectric material of the stack actuators, the influence of mechanical preload on the actuator stiffness and the finite stiffness of the test rig induce that the measured forces and strokes are up to 33% and 35% smaller than their assumed values from the working diagram. A model update of the working diagram with multidimensional regressions is performed to avoid an overestimation of the actuator’s forces and strokes. The numerical and experimental results presented in this dissertation show the potential of the CRC 805 approach in the description and assessment of the variations in the mechanical forces and strokes of a stack actuator caused by scatter in the actuator’s properties and those of the mechanical structure to be actuated.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Research Group of System Reliability and Machine Acoustics (SzM)
Date Deposited: 14 Oct 2016 14:04
Last Modified: 14 Oct 2016 14:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-56757
Referees: Melz, Prof. Tobias and Rinderknecht, Prof. Stefan
Refereed: 13 April 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5675
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