Numerische Modellierung magnetostriktiver Wandlerwerkstoffe

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Holger Hanselka
• Subject Area: Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials
• Term: from 2007 to 2009
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 42574496

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines gekoppelten Finiten Elementes zur Auslegung magnetostriktiver Energiewandler sowie dessen Einbindung in eine Methodik zur numerisch basierten Auslegung aktiver Struktursysteme. Magnetostriktive Materialien wandeln mechanische in magnetische Energie und umgekehrt und können somit für aktorische und sensorische Zwecke genutzt werden. Sie sind für die Realisierung moderner aktiver, adaptronischer Strukturen bedeutsam, wobei das Eigenschaftsprofil technischer Magnetostriktoren das heutige Lösungsangebot der Adaptronik deutlich erweitern kann. Technische Magnetostriktoren zeichnen sich beispielsweise durch moderate Steifigkeit des Wandlermaterials, thermische Robustheit des Effekts, geringe erforderliche elektrische Steuerspannungen und einfach zu realisierende Steuerelektroniken gegenüber den derzeit stark verbreiteten Piezowandlern aus. Dennoch sind Magnetostriktoren bei adaptronischen Entwicklungen mit kommerzieller Ausrichtung heute kaum berücksichtigt. Ein wichtiger Grund hierfür besteht in den unzureichenden Möglichkeiten der numerischen Modellierung und Simulation magnetostriktiver Komponenten.Als wesentliche neue Aufgabe soll mit diesem Forschungsvorhaben eine vollständig gekoppelte numerische Simulation der magnetisch-mechanischen Energiewandlung realisiert werden, um magnetostriktive Wandler frühzeitig in den Auslegungsprozess adaptronischer Struktursysteme zu integrieren. Der entscheidende Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass sowohl der sensorische als auch der aktorische Effekt modelliert wird. Dadurch wird es möglich, Eingangs- und Ausgangsleistung des Wandlers zu analysieren, somit z.B. die Effizienz eines magnetostriktiven Aktors zu optimieren, die Festigkeit zu beurteilen, Regelungsstrategien zu entwickeln und Steuerungselektroniken zu realisieren. Die Kopplung verschiedener numerischer Verfahren zur effizienten Analyse adaptronischer Gesamtsysteme ist hierbei eine wesentliche Vorraussetzung für eine kommerzielle Nutzung solcher Systeme und somit die Integration der magnetostriktiven Modellierung in einen Gesamtentwurfsprozess eine besondere Herausforderung.Dem Stand der Technik entsprechend und unter Berücksichtigung der Ergebnisse eigener Vorarbeiten soll das Verhalten des magnetostriktiven Wandlermaterials mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) beschrieben werden. Im Rahmen dieses Vorhabens liegt der Schwerpunkt auf der Implementierung des magnetostriktiven Finiten Elements. Dies ist notwendig, da zurzeit keine etablierte Software existiert, die alle Module zur Berechnung dieses Mehrfeldproblems bietet. Nach der Elemententwicklung wird die FE-Simulation in eine Entwicklungsumgebung für aktive Systeme integriert und anhand einer Beispielanwendung experimentell verifiziert. Zu diesem Zweck wird ein System zur aktiven Vibrationsdämpfung mittels einer Gesamtsimulation ausgelegt. Bei diesem System handelt es sich um ein so genanntes aktives Interface, welches in der Arbeitsgruppe bereits auf Basis piezokeramischer Wandler entwickelt wurde. Dabei kann gezeigt werden, dass eine integrierte FE-Simulation der mechanischen und magnetischen Komponenten des Aktors entscheidende Vorteile bei der Magnetfluss- und Strukturoptimierung bietet. Dies wiederum wird zu einer Steigerung der Leistungsfähigkeit aktiver Systeme und einer Verkürzung der Entwicklungszyklen führen.

• DFG Programme: Research Grants
• Participating Person: Professor Dr.-Ing. Tobias Melz