Ein modellbasiertes Messverfahren zur Charakterisierung der frequenzabhängigen Materialeigenschaften von Piezokeramiken unter Verwendung eines einzelnen Probekörperindividuums II
DFG Projektnummer:
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
Ansprechpartner
Projektbezogene Publikationen
B. Jurgelucks, L. Claes, Increasing the Sensitivity of Impedance with Respect to Material Parameters of Triple-Ring Electrode Piezoelectric Transducers Using Algorithmic Differentiation, Workshop on Direct and Inverse Problems in Piezoelectricity, Erlangen, 2016.
B. Jurgelucks, L. Claes, in: AD2016 The 7th International Conference on Algorithmic Differentiation, 2016, pp. 99–102.
B. Jurgelucks, N. Feldmann, L. Claes, B. Henning, A. Walther, in: Proceedings of Meetings on Acoustics, Honolulu, 2017, p. 030010.
N. Feldmann, B. Jurgelucks, L. Claes, V. Schulze, B. Henning, A. Walther, Tm - Technisches Messen 86 (2018) 59–65.
N. Feldmann, B. Henning, in: Fortschritte Der Akustik, München, 2018, pp. 1275–1278.
L. Claes, N. Feldmann, B. Henning, Materialparameter von Bleihaltigen Und Bleifreien Piezokeramiken Und Ihre Bedeutung in Der Anwendung, PI Ceramic Akademie, Lederhose, 2018.
N. Feldmann, B. Jurgelucks, L. Claes, B. Henning, Vollständige Charakterisierung von Piezoelektrischen Scheiben Mit Ringelektroden, Workshop “Messtechnische Anwendungen von Ultraschall”, Drübeck, 2018.
B. Jurgelucks, L. Claes, A. Walther, B. Henning, Optimization Methods and Software 33 (2018) 868--888.
N. Feldmann, B. Jurgelucks, L. Claes, B. Henning, in: 2019 International Congress on Ultrasonics, 2019.
D. Dreiling, N. Feldmann, B. Henning, in: AMA Service GmbH, 2019.
B. Jurgelucks, V. Schulze, N. Feldmann, L. Claes, Arbitrary Sensitivity for Inverse Problems in Piezoelectricity, GAMM Annual Meeting, Wien, 2019.
N. Feldmann, V. Schulze, B. Jurgelucks, B. Henning, in: Fortschritte Der Akustik - DAGA 2020, 2020, pp. 1125–1128.
N. Feldmann, V. Schulze, L. Claes, B. Jurgelucks, A. Walther, B. Henning, Tm - Technisches Messen (2020) 50–55.
V. Schulze, S. Schmidt, B. Jurgelucks, N. Feldmann, L. Claes, Optimal Experiment Design with Respect to Electrode Configurations for a Piezoelectric Problem, GAMM Annual Meeting, Kassel, 2021.
N. Feldmann, V. Schulze, L. Claes, B. Jurgelucks, L. Meihost, A. Walther, B. Henning, Tm - Technisches Messen 88 (2021) 294–302.
L. Claes, N. Feldmann, B. Jurgelucks, V. Schulze, S. Schmidt, A. Walther, B. Henning, in: 2021, pp. 237–238.
V. Schulze, S. Schmidt, B. Jurgelucks, N. Feldmann, L. Claes, Piezoelectric BC Modeling for Electrode Shapes with OED, GAMM Juniors’ Summer School 2021, Graz, 2021.
N. Feldmann, Ein modellbasiertes Messverfahren zur Charakterisierung von Piezokeramiken unter Verwendung eines einzelnen scheibenförmigen Probekörpers, Universität Paderborn, 2021.
L. Claes, N. Feldmann, V. Schulze, B. Jurgelucks, A. Walther, B. Henning, in: Fortschritte Der Akustik - DAGA 2022, 2022, pp. 1326–1329.
O. Friesen, L. Claes, N. Feldmann, B. Henning, Estimation of Piezoelectric Material Parameters of Ring-Shaped Specimens, International Workshop on Piezoelectric Materials and Applications in Actuators (IWPMA), 2022.
L. Claes, N. Feldmann, V. Schulze, L. Meihost, H. Kuhlmann, B. Jurgelucks, A. Walther, B. Henning, Journal of Sensors and Sensor Systems 12 (2023) 163–173.
L. Claes, L. Meihost, B. Jurgelucks, Inverse Procedure for the Identification of Piezoelectric Material Parameters Supported by Dense Neural Networks, GAMM Annual Meeting, Dresden, 2023.
B. Jurgelucks, Parameter Identification of Piezoelectrics Improved by Neural Networks, GAMM Annual Meeting, Dresden, 2023.
K. Koch, L. Claes, B. Jurgelucks, L. Meihost, B. Henning, in: D. Gesellschaft für Akustik e.V. (Ed.), Fortschritte der Akustik - DAGA 2024, 2024, pp. 1113–1116.
K. Koch, L. Claes, Randomised Material Parameter Piezoelectric Impedance Dataset with Structured Electrodes, zenodo, 2024.
K. Koch, O. Friesen, L. Claes, Randomised Material Parameter Impedance Dataset of Piezoelectric Rings, Zenodo, 2024.
K. Koch, L. Claes, B. Jurgelucks, L. Meihost, Tm - Technisches Messen (2024).
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