Das Projekt widmet sich der Entwicklung einer effizienten Berechnungsmethodik zur Lösung dreidimensionaler vibroakustischer Problemstellungen unter Einsatz poröser Dämmmaterialien. Hierbei ist es das Ziel, die Mikrostruktur des Dämmmaterials aufzulösen, um aktuelle Grenzen der oft eingesetzten Biot’schen Theorie zu überwinden, die insbesondere für die Modellierung geschlossenporiger Schäume ungeeignet scheint. Um die angestrebte, äußerst aufwendige geometrieaufgelöste Modellierung zu ermöglichen, sollen fiktive Gebietsmethoden mit höherwertigen Ansatzfunktionen eingesetzt werden. Diese lassen sich zum einen sehr vorteilhaft auf Voxel-Daten anwenden und zum anderen ist eine hohe Effizienz für Wellenausbreitungsprobleme zu erwarten.

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Die Robotik hat sich in den letzten Jahrzehnten sprunghaft entwickelt, und für viele Herausforderungen der mittelgroßen bis großen Robotik wurden geeignete Lösungen gefunden. Im Mesomaßstab, d. h. in der Größenordnung von Millimetern bis Zentimetern, wurden jedoch nur wenige dieser Herausforderungen in Angriff genommen, darunter vor allem die Herstellung und der Antrieb. Aufgrund der günstigen Skalierungseigenschaften ist die piezoelektrische Betätigung bei kleinen Maßstäben besser geeignet als die elektromagnetische Betätigung. Piezoelektrische Materialien bieten einen Antrieb, da sie eine Dehnung erzeugen, wenn eine Spannung an sie angelegt wird. Sie erzeugen auch eine Spannung, wenn sie gedehnt werden, was ihnen die Fähigkeit verleiht, als Sensoren oder Aktoren oder als beides gleichzeitig zu arbeiten. Aufgrund ihrer geringen Gesamtverschiebung, der großen Bandbreite und der fehlenden Reibung können sie schnelle und präzise Bewegungen erzeugen.

Das übergeordnete Ziel ist die Optimierung einer neuen Klasse von piezoelektrischen Motoren, die auf einer Reihe von unimorphen Armen (ein piezoelektrisches Material, das mit einem Substrat verbunden ist) basieren. Der kanadische Partner, Assistenzprofessor Dr. Ryan Orszulik, hat kürzlich eine Reihe von Prototypen eines piezoelektrischen Motors entworfen und hergestellt, der einen planaren Rotordurchmesser von 9 mm, einen Stator-Durchmesser von 8 mm und eine integrierte Gesamtdicke des Motors von 0,8 mm aufweist, etwa 200 Milligramm wiegt und in der Lage ist, bidirektionale Bewegungen mit relativ niedrigen Drehzahlen, aber hohem Drehmoment zu erzeugen. Allerdings gibt es noch eine Reihe von Herausforderungen, von denen die wichtigste die Optimierung der Drehmomentdichte des Motors ist. Zu diesem Zweck wird eine numerische Optimierung eingesetzt, die die Massen- und Volumenbeschränkungen berücksichtigt, um wesentlich höhere Drehmomente zu erreichen, ohne die strukturelle Integrität zu beeinträchtigen. Diese multikriterielle Optimierung ist eine sehr anspruchsvolle Aufgabe, vor allem auf so kleinen Skalen. Für Roboteranwendungen im Mesomaßstab ist das Drehmoment von größtem Interesse, da es die Notwendigkeit eines Getriebes mindert, das in diesen kleinen Maßstäben sehr schwierig herzustellen und zu integrieren ist. Der piezoelektrische Motor auf unimorpher Basis, der im Mittelpunkt dieses Projekts steht, ist einfacher zu konstruieren, da er auf nicht standardisierten planaren Fertigungstechniken beruht und nur eine einzige Antriebsquelle mit einer niedrigeren Frequenz benötigt, um ein hohes Drehmoment zu erzeugen. Ziel dieses Forschungsprogramms ist es, neue Fertigungstechniken zu nutzen, um diese piezoelektrischen Motoren zu entwickeln und zu miniaturisieren, sie zu testen und mittels analytischer und Finite-Elemente-Techniken zu optimieren. Durch den Einsatz der entwickelten Konstruktions-, Modellierungs- und Fertigungstechniken wird eine Reihe von Anwendungen angestrebt, darunter autonome Miniaturfahrzeuge und chirurgische Instrumente. Die vielversprechendste mögliche Anwendung, die weitere Möglichkeiten für eine Zusammenarbeit mit dem Satellitendesignlabor der Universität York eröffnen würde, ist die Verwendung dieser Motoren als Aktuatoren für einzelne Kardansteuerungsmoment-Gyroskope in Satelliten der Pico- bis Femto-Klasse.
Dieser Text wurde mit DeepL übersetzt
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Dieses Projekt ist eine Kooperation des Lehrstuhls für Mehrkörperdynamik und des Lehrstuhls für Numerische Mechanik mit jeweils einem wissenschaftlichen Mitarbeiter pro Partner. Das Kernziel des Projektes ist die Entwicklung einer praxistauglichen Simulationsmethodik zur Berechnung der Schallemissionen von Motoren und deren psychoakustische Bewertung. Dies ermöglicht es, Auswirkungen von Strukturmodifikationen (Steifigkeit, Massenverteilung) sowie tribologischen Systemparametern (Lagerspiele, Viskosität, Desachsierung und Füllungsgrad) unmittelbar auf die Anregungsmechanismen und die inneren Körperschallwege zurückzuführen und präventiv im Sinne einer akustischen Optimierung durch konstruktive und tribologische Maßnahmen zu bekämpfen. Dieser reine Virtual Engineering Ansatz soll gänzlich ohne reale Prototypen auskommen und somit bereits früh im Motorentwicklungsprozess eine akustische Bewertung ermöglichen. Somit können in Abstimmung mit den Entwicklergruppen angrenzender Themenbereiche konstruktive Maßnahmen zur Verbesserung der akustischen Qualität realisiert werden, ohne andere wichtige Auslegungskriterien, wie Leistung, Schadstoffemission oder Gesamtmasse, negativ zu beeinflussen.
Im Gegensatz hierzu sind passive Maßnahmen zur Bekämpfung von Schallemissionen durch beispielsweise Dämmungen in der Regel kostenintensiv, da sie neben zusätzlichem Material auch zusätzliche Montageschritte erfordern und sich somit auf den Produktionsprozess auswirken. Gleichzeitig steht dies dem Gedanken des Leichtbaus sowie der Verbrauchsreduktion und Umweltfreundlichkeit entgegen und führt zu einem zusätzlichen Bauraumbedarf, der üblicherweise eine sehr knappe Ressource bei der Entwicklung moderner Motoren und Automobile darstellt. Das grundsätzliche Problem dieser heutzutage immer häufiger eingesetzten Dämmmaßnahmen ist deren symptomatischer Ansatz, welcher zwar die Wirkung bekämpft, die Ursachen der akustischen Störung aber außer Acht lässt.
Die ganzheitliche Methodik, die in diesem Projekt im Fokus steht, ermöglicht hingegen direkt die Analyse und Bekämpfung der Ursache der störenden Schallemissionen. Zusätzlich lässt die psychoakustische Bewertung der Schallemission eine Kategorisierung in störende und weniger störende Schallemissionen zu. Dadurch kann das Design gezielt so verändert werden, dass das entstehende Geräusch vom Menschen als angenehmer eingeordnet wird, schließlich kann ein leises Geräusch trotzdem störender empfunden werden als ein lautes.

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