Adaptronics

Adaptive Systems ( portmanteau af ADAP tiv og i for elektronik) er et tværfagligt videnskab der beskæftiger sig med udvikling af adaptive (selvjusterende), aktivt reagerende mekaniske struktur systemer er berørt. I modsætning til mekatronik , de aktuatorer anvendes i Adaptronics integreret direkte i kraft flow og bruge elastomechanical egenskaber af de materialer , der anvendes.

Betydning og historie

Adaptronics er blevet undersøgt i USA siden begyndelsen af ​​1980'erne under betegnelsen Smart Structures eller Smart Materials , i første omgang med det formål at realisere variable, dvs. tilpasningsdygtige, satellitstrukturer til SDI -projektet.

For eksempel blev den aktive styring af reflektorers form eller rammers vibrationer og deformationer undersøgt. Målet var aktivt at kompensere for virkningerne af ændrede miljøforhold på de mekaniske strukturer (f.eks. Den termomekaniske belastning af letkonstruktionerne som følge af den meget variable solstråling i Jordens skygge eller i tilfælde af direkte bestråling eller ændringerne i mekaniske egenskaber ved de aldrende satellitstrukturer under lange driftsperioder).

I Tyskland var fokus på denne teknologiske tilgang - oprindeligt inden for grundforskning og derefter anvendt F & U - cirka 10 år senere. Forskellige eksperter tilskriver en hurtigt voksende rolle i moderne produkter smart systemer og adaptronics. På grund af den iboende kompleksitet af teknologien ville de betyde, at det ville være vanskeligere at kopiere produkterne, og at højteknologiske lokationer ville have en konkurrencefordel. Som en hindring for den udbredte kommercielle brug af adaptronics nævner især seriebrugere ofte alt for høje omkostninger til adaptronics -komponenter og de resulterende adaptronics -slutprodukter. Imidlertid er der gjort store fremskridt her i de seneste år, herunder gennem relateret teknologiudvikling og produkter som den piezo direkte dieselindsprøjtning, der er nævnt nedenfor.

Multifunktionelle grundmaterialer

De fleste materialer, der bruges i adaptronic -systemer, kan bruges både som aktuatorer og sensorer . I denne forstand har disse materialer to funktioner. Da ideen om adaptronik involverer direkte mekanisk indgreb i konstruktioner, som består i at integrere materialerne i konstruktionernes mekaniske belastningsveje ^{[A 1]} , suppleres aktuator- og sensorfunktionerne med denne tredje, mekaniske bærende funktion. Som et resultat kaldes de grundmaterialer, der helst anvendes i adaptronik, også multifunktionelle.

Disse multifunktionelle materialer er kendetegnet ved, at de omdanner elektrisk , termisk eller anden energi til mekanisk energi. Følgelig kaldes disse materialer også transducermaterialer eller energiomformere, i angelsaksiske også transducere . I adaptronik bruges især disse transducermaterialer, hvor den ikke-mekaniske form for energi (f.eks. Det elektriske) kan teknisk styres eller vurderes særligt godt.

Med visse af disse materialer kan denne energiomdannelse finde sted gensidigt i begge retninger. Det mest kendte og meget citerede eksempel er visse materialers piezoelektricitet . I disse fører virkningen af ​​mekanisk tryk til et skift af elektriske dipoler og dannelsen af ​​elektriske ladninger på elektroder fastgjort til piezo -elementet . Den resulterende elektriske spænding kan registreres og evalueres af sensorer. Anvendelseseksempler på denne piezoelektriske effekt i hverdagen er elektriske lightere inden for det tekniske område piezoelektriske sensorer, såsom kraft-, accelerations- eller belastningssensorer. Den omvendte piezoelektriske effekt, som svarer til en deformation af piezomaterialet som følge af påføring af en elektrisk spænding, bruges som en aktuator. Denne effekt bruges i akustiske generatorer som højttaler -diskanthøjttalere, signaltransmittere osv. Derudover er der en bred vifte af aktuatordesign til generering af positioner og vibrationer på det kommercielle marked.

Ud over piezomaterialerne er de mest almindelige materialer inden for adaptronik de såkaldte formhukommelseslegeringer . Disse aktiveres normalt termisk, men også magnetisk i visse legeringssammensætninger. De termiske formhukommelseslegeringer bruges til kirurgi for stents , som er beregnet til at ekspandere og holde åbne blodkar , og som aktiveres af kropsvarme. Derudover bruges de - normalt i ledningsform - til kompakte, enkle aktuatorer (f.eks. Bowden -kabelprincippet ) eller til at skifte, nogle gange meget hurtige låsesystemer. Sidstnævnte for eksempel udvikles i øjeblikket til reversible bilulykkesaktuatorer som et supplement til airbags - fordel: formhukommelsesmaterialet kan styres reversibelt, sammenlignet med pyrotekniske airbagaktuatorer, og kan derfor bruges gentagne gange og dermed til pre -crash applikationer.

Magnetostriktive materialer bruges også, f.eks. Som aktuatorer i sonars på skibe eller i adaptive vibrationsdæmpere . Derudover bruges væsker, der ændrer deres viskositet, når der påføres elektriske ( elektrorheologiske væsker ) eller magnetfelter ( magnetorheologiske væsker ). Disse væsker bruges f.eks. I hydraulik og i støddæmpere i køretøjskonstruktion eller sportsudstyr.

Funktionelt princip og anvendelseseksempler

For at demonstrere det funktionelle princip for adaptronik og for at udvikle nye procedurer og metoder bruges ofte barer med bundne piezofilmaktuatorer, også kaldet piezo -patches. Her kan vibrationer i strålen reduceres kraftigt ved passende kontrol af piezo -patches. Overførslen til applikationer såsom hudområder i maskinbeklædning, støjbeskyttelseskabiner, facadeelementer som vinduer , rotorblade på helikoptere, bomme i robotik og lodrette stabilisatorer af militærfly er ganske indlysende og en løbende del af applikationsorienteret forskning. ^[1] Rent som en aktuator bruges dette princip om piezo -bøjningsbjælken f.eks. I tekstilmaskiner med stort antal og en meget lang levetid.

Et andet typisk demonstrationsobjekt er et vandglas med en adaptronic -grænseflade nedenunder, som igen er monteret på en vibrerende understruktur. Hvis de aktuatorer, der er indbygget i grænsefladen, kontrolleres korrekt, kan vandet i glasset holdes i ro trods de interfererende vibrationer, der virker under det og grænsefladen. Dette eksempel kan sidestilles med en aktivt deformerbar skrueforbindelse. Anvendelseseksempler er aktive lejer til samling af maskiner på fundamenter (f.eks. Maskiner på fabrikker eller skibsenheder, der formodes at arbejde med lav vibration og interferens), tilslutning af klemmeplader med følsomme overbygninger monteret på dem i laboratoriet , opbevaring af følsomme optiske komponenter eller forbindelsen af ​​karosseriet på et bilchassis . Dette bruges også i udviklingen af adaptive strukturer . Diskrete aktuatorer som f.eks B. Piezo -flerlag brugt. Aktuatorer af denne type er i øjeblikket meget kendt som et masseprodukt inden for piezo -dieselindsprøjtningsteknologi. Også her er en meget høj, dokumenteret pålidelighed af aktuatorerne af stor betydning.

Krav til adaptronic systemudvikling

Ud over kompetence inden for materialer er sensor og især aktuatordesign som strukturel mekanik og for det meste strukturel dynamik - dette for at opnå den adaptroniske mekaniske målfunktion, for eksempel til aktiv styring af vibrationer, støj eller deformation - afgørende for effektiv design og implementering af et sådant system især modellering og simulering af komponenter og især komplekse systemer er afgørende. Denne simulering skal passende samle de forskellige systemkomponenter, såsom aktuatorer, sensorer, mekanisk struktur, elektronik såsom filtrering, kontrolkode og de mekaniske miljøforhold, der påvirker dem. Metoder og værktøjer fra FEM ( Finite Element Method ), MKS ( multi -body simulation ), CACE (Computer Aided Control Engineering) eller RCP ( Rapid Control Prototyping ), EDA ( Electronic Design Automation ), CAD (computer -aided design) som samt EMA (Experimental Modal Analysis ), TPA (Transfer Path Analysis, se overførselsfunktion ), den operationelle vibrationsanalyse og mange andre. Simuleringen bruges til systemanalyse, afprøvning og evaluering af mulige løsningskoncepter såsom præstationsvurdering. Da adaptronikken hovedsageligt sigter mod integration af funktioner i de mekaniske belastningsveje, er det vigtigt at tage tilstrækkeligt hensyn til den stærke feedback mellem de forskellige systemkomponenter i simuleringen. For at optimere indsatsen til modellering, simulering og dermed design af de adaptroniske systemer - som allerede angivet ovenfor med metoderne og værktøjerne - anbefales brug af både numeriske og eksperimentelle metoder og procedurer til modellering. Desuden er færdighederne inden for kontrolteknik, elektronik, kodedesign, systemintegration , fremstilling og behandlingsteknologi og pålidelighed af afgørende betydning for adaptronik.

Dette især også på baggrund af implementeringen af ​​et system, der er særligt optimeret til den respektive applikation. For eksempel vil en storstilet teknisk løsning, som det er sædvanligt i bilsektoren , blive vurderet anderledes end en speciel løsning inden for anlægsteknik eller rumrejser. Ud over opfyldelsen af ​​målfunktionen og den opnåelige ydelse af et adaptronic -system vil de reproducerbare omkostninger og pålidelighed altid være afgørende. Brugen af ​​omkostningskrævende, kraftfuld kontrolelektronik med maksimal systemydelse og særlige funktioner til en avanceret specialapplikation vil være ønskelig, hvis dette resulterer i afgørende salgbare fordele i slutproduktet, men ikke kan argumenteres for et masseprodukt hos forbrugeren sektor.

Adaptronics projektteam består meget ofte af forskere og ingeniører inden for maskinteknik fra forskellige anvendelsesområder og inden for mekanik, konstruktion, let konstruktion, materialevidenskab, kontrolteknik, elektroteknik, datalogi, fysik og matematik.

Bemærkninger

1. ↑ En belastningssti er den "vej", som kraften tager i tilfælde af en påvirkning.

litteratur

• Christopher R. Fuller, et al.: Active Control of Vibration , ISBN 978-0-12-269440-0 , Academic Press, 1996
• Stephen Elliott: Signalbehandling til aktiv kontrol , ISBN 978-0-12-237085-4 , Academic Press, 2001
• André Preumont: Vibrationskontrol af aktive strukturer , ISBN 978-1-4020-0925-9 , Kluwer Academic Publishers, 2003
• Hartmut Janocha: Adaptronics and Smart Structures , ISBN 978-3-540-71965-6 , Springer Verlag, 2007
• Daniel J. Jendritza: Teknisk brug af nye aktuatorer , ISBN 978-3-8169-2765-5 , expert-Verlag, 2007

Weblinks

• Kompetence netværk adaptronics
• TransMechatronic - Specialistportalen om mekatronikfinansieringsforanstaltning fra det føderale undervisnings- og forskningsministerium

Individuelle beviser

1. ^ Johannes Michael Sinapius: Adaptronics. Principper - funktionelle materialer - funktionelle elementer - målområder med forskningseksempler . Springer Vieweg, Braunschweig 2018, ISBN 978-3-662-55883-6 .