Neue Publikation zur messtechnischen Charakterisierung multiphysikalischer Materialparameter in tm – Technisches Messen
Mitglieder der NEPTUN-Forschungsgruppe (FOR 5208) haben kürzlich einen begutachteten Artikel in einem Sonderheft der Zeitschrift tm – Technisches Messen mit dem Titel "Milestones of measurement technology research - past, present, and future" veröffentlicht. In ihrem Artikel "Measurement of multiphysical material parameters of piezoceramic components for high-power ultrasonic applications" präsentieren Olga Friesen und ihre Co-Autoren/innen eine Übersicht der wichtigsten Forschungsergebnisse aus der ersten Förderphase der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschungsgruppe NEPTUN, der Beiträge aller Teilprojekte vereint. Der Artikel zeigt, wie impedanzbasierte Messungen unter kontrollierten thermischen und mechanischen Bedingungen in Kombination mit sensitivitätsgestützten inversen Identifikationsverfahren die Charakterisierung piezokeramischer Materialparameter unter realistischen Betriebsbedingungen ermöglichen, und skizziert erste Schritte in Richtung nichtlinearer Materialmodellierung für Hochleistungs-Ultraschallanwendungen.
Zusammenfassung: Das simulationsgestützte Design von Hochleistungs-Ultraschallsystemen ist maßgeblich von der präzisen Modellierung des elektromechanischen Verhaltens piezokeramischer Materialien abhängig. In realen Wandleranwendungen werden die relevanten Arbeitspunkte des Materials durch mechanische Vorspannung und Erwärmung bestimmt, die Änderungen der elastischen, dielektrischen und piezoelektrischen Materialeigenschaften hervorrufen. Unter idealisierten, lastfreien Bedingungen identifizierte Materialparameter sind daher nicht ausreichend, um das Verhalten von Piezokeramiken unter realistischen Betriebsbedingungen abzubilden. Um dieser Einschränkung zu begegnen, werden experimentelle Aufbauten entwickelt, die die Messung elektrischer Impedanzspektren unter kontrollierten thermischen und mechanischen Bedingungen ermöglichen. Die erfassten Impedanzdaten dienen als Eingangsgrößen für ein inverses Identifikationsverfahren, bei dem das Verhalten eines Finite-Elemente-Modells mithilfe von Optimierungsstrategien im Blockkoordinaten-Abstiegsverfahren iterativ an die Messungen angepasst wird. Grundlage hierfür ist eine systematische Sensitivitätsanalyse der Modellparameter. Das Verfahren liefert effektive, lineare Materialparameter in Abhängigkeit von Temperatur und mechanischer Vorspannung in unterschiedlichen Arbeitspunkten. Die identifizierten temperaturabhängigen Parameter können in einer gekoppelten thermo-elektromechanischen Simulation eingesetzt werden, um das Materialverhalten während des Betriebs vorherzusagen. Die auf Arbeitspunkte basierende lineare Identifikation ermöglicht eine erste Approximation des nichtlinearen Materialverhaltens und bildet die Grundlage für die Entwicklung entsprechender nichtlinearer Materialmodelle.
