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Messverfahren zur Charakterisierung der frequenzabhängigen Materialeigenschaften von Piezokeramiken... II (DFG)

Projekttitel:

Ein modellbasiertes Messverfahren zur Charakterisierung der frequenzabhängigen Materialeigenschaften von Piezokeramiken unter Verwendung eines einzelnen Probekörperindividuums (DFG 321120716)

Kurzfassung:

Die zunehmend simulationsgestützten Designprozesse von Ultraschallwandlern benötigen für realitätsnahe Ergebnisse möglichst gute Beschreibungen der verwendeten Materialien. Piezokeramische Materialien können im Modell über mindestens 10 Parameter abgebildet werden. Die Bestimmung dieser Parameter geschieht nach aktuellen Standards über die Auswertung von Resonanzfrequenzen unterschiedlicher Probekörpergeometrien. Da diese unterschiedlichen Probekörper jedoch stets unterschiedlichen Prozess- und Polarisationsbedingungen unterliegen, können sich beim Zusammenfügen der einzelnen Materialparameter unplausible bzw. inkonsistente Parametersätze ergeben. Die Charakterisierung einer Piezokeramik an einem einzelnen Probekörper gestaltet sich jedoch schwierig, da meist keine hinreichend hohen Sensitivitäten auf alle relevanten Parameter gegeben sind. Eine Erhöhung der Sensitivitäten und damit eine Bestimmung eines vollständigen Materialparametersatzes konnte mit einer optimierten Elektrodentopologie auf piezokeramischen Scheiben in dem vorangegangenen Projekt realisiert werden. Da sich die komplexere Elektrodenstruktur nicht mehr durch analytische Näherungen abbilden lässt, werden die Materialparameter durch ein inverses Verfahren bestimmt. Dabei wird ein digitaler Zwilling in Form eines Finite Elemente Methoden Modells erstellt, welcher die Materialparameter als Eingangsgröße enthält. Durch problemangepasste Optimierungsalgorithmen können dann die Materialparameter des Modells dahingehend beeinflusst werden, dass das Verhalten des realen Systems möglichst gut abgebildet wird. Jedoch sind dafür momentan mehrere Impedanzmessungen an einer piezokeramischen Scheibe notwendig. Durch eine dynamischere mathematische Optimierung der Elektrodentopologie soll dies auf eine einzelne Messung reduziert werden. Außerdem soll ein kausales Dämpfungsmodell gefunden werden, welches das physikalische Materialverhalten besser abbildet und somit in einer realitätsnäheren Simulation resultiert. Auch hier muss eine zuverlässige Lösung des inversen Problems durch hinreichend große Sensitivitäten sichergestellt werden.

Kooperationspartner:

Prof. Dr. rer. nat. habil. Andrea Walther (Mathematische Optimierung, Humboldt-Universität zu Berlin)

Projektlaufzeit:

2020 bis 2022

Projektbezogene Publikationen


Liste im Research Information System öffnen

Optimisation of triple-ring-electrodes on piezoceramic transducers using algorithmic differentiation

B. Jurgelucks, L. Claes, in: AD2016 The 7th International Conference on Algorithmic Differentiation, 2016, pp. 99-102



Material parameter determination of a piezoelectric disc with triple-ring-electrodes for increased sensitivity

B. Jurgelucks, N. Feldmann, L. Claes, B. Henning, A. Walther, in: Proceedings of Meetings on Acoustics, 2017, pp. 030010


Efficient optimisation of initial values for characterising piezoelectric material parameters

N. Feldmann, B. Henning, in: Fortschritte der Akustik, 2018, pp. 1275-1278


An inverse approach to the characterisation of material parameters of piezoelectric discs with triple-ring-electrodes

N. Feldmann, B. Jurgelucks, L. Claes, V. Schulze, B. Henning, A. Walther, tm - Technisches Messen (2018), 86(2), pp. 59-65



Optimization of triple-ring electrodes on piezoceramic transducers using algorithmic differentiation

B. Jurgelucks, L. Claes, A. Walther, B. Henning, Optimization Methods and Software (2018), pp. 1-21


Vollständige Charakterisierung von piezoelektrischen Scheiben mit Ringelektroden

N. Feldmann, B. Jurgelucks, L. Claes, B. Henning, 2018



Arbitrary sensitivity for inverse problems in piezoelectricity

B. Jurgelucks, V. Schulze, N. Feldmann, L. Claes, 2019


A sensitivity-based optimisation procedure for the characterisation of piezoelectric discs

N. Feldmann, B. Jurgelucks, L. Claes, B. Henning, in: 2019 International Congress on Ultrasonics, 2019


Solving piezoelectric inverse problems using Algorithmic Differentiation

N. Feldmann, V. Schulze, B. Jurgelucks, B. Henning, in: Fortschritte der Akustik - DAGA 2020, 2020, pp. 1125-1128


Inverse piezoelectric material parameter characterization using a single disc-shaped specimen

N. Feldmann, V. Schulze, L. Claes, B. Jurgelucks, A. Walther, B. Henning, tm - Technisches Messen (2020), pp. 50-55

The increasingly simulation-driven design process of ultrasonic transducers requires several reliable parameters for the description of the material behaviour. Exact results can only be achieved when a single specimen is used in the identification process, which typically is prone to the problem of low sensitivities to certain material parameters and thus high uncertainties. Therefore, a custom electrode topology for increased sensitivity is proposed for a piezoceramic disc. The thereupon conducted measurements of the electric impedance can be used as a starting point for an inverse approach where an equivalent simulation model is used to identify fitting material parameters. An optimisation strategy based on a preliminary sensitivity analysis is presented that leads to a good agreement between measurement and simulation. Furthermore, the proposed measurement procedure is able to evaluate the quality of the simulation model. Hence, different frequency-dependent damping models are presented and evaluated.


    Optimal experiment design with respect to electrode configurations for a piezoelectric problem

    V. Schulze, S. Schmidt, B. Jurgelucks, N. Feldmann, L. Claes, 2021


    Modelling damping in piezoceramics: A comparative study

    N. Feldmann, V. Schulze, L. Claes, B. Jurgelucks, L. Meihost, A. Walther, B. Henning, tm - Technisches Messen (2021), 88(5), pp. 294 - 302

    The progress in numerical methods and simulation tools promotes the use of inverse problems in material characterisation problems. A newly developed procedure can be used to identify the behaviour of piezoceramic discs over a wide frequency range using a single specimen via fitting simulated and measured impedances by optimising the underlying material parameters. Since there is no generally accepted damping model for piezoelectric ceramics, several mechanical damping models are examined for the material identification. Three models have been chosen and their ability to replicate the measured impedances is evaluated. On the one hand, the common Rayleigh model is considered as a reference. On the other hand, a Zener model and a model using complex constants are extended to model the transversely isotropic material. As the Rayleigh model is only valid for a limited frequency range, it fails to model the broadband behaviour of the material. The model using complex constants leads to the best fit over a wide frequency range while at the same time only adding three additional parameters for modelling damping. Thus, damping can be assumed approximately frequency-independent in piezoceramics.


      Piezoelectric BC Modeling for Electrode Shapes with OED

      V. Schulze, S. Schmidt, B. Jurgelucks, N. Feldmann, L. Claes, 2021


      Optimised Multi-Electrode Topology for Piezoelectric Material Characterisation

      L. Claes, N. Feldmann, B. Jurgelucks, V. Schulze, S. Schmidt, A. Walther, B. Henning, 2021, pp. 237-238


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      Die Universität der Informationsgesellschaft