Schwingungsunterdrückung in Leichtbaukonstruktionen mit piezoelektrischen Aktoren: Fid-Bau Portal

Schwingungsunterdrückung in Leichtbaukonstruktionen mit piezoelektrischen Aktoren

Nader, Manfred / Garßen, Hans-Georg von / Irschik, Hans

Schwingungen bei resonanter Anregung können besonders im Leichtbau die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Konstruktionen stark beeinflussen und zu Schallabstrahlungen führen. Durch piezoelektrische Flecken, die auf der Oberfläche verteilt werden, können die Schwingungen gezielt kompensiert werden. Im vorliegenden Beitrag wird an einfachen Bauteilen des Leichtbaus sowohl theoretisch als auch an ausgesuchten Experimenten dargestellt, wie die piezoelektrischen Aktoren zu platzieren sind, und wie diese dann das dynamische Verhalten der Konstruktion in der gewünschten Weise beeinflussen. Sensoren und Aktoren können über ein geeignetes Regelgesetz verknüpft werden, wodurch auf Veränderung der Konstruktion und äußere Einflüsse in geeigneter Weise reagiert werden kann. Nachfolgend wurden die Regelungen in der Systemumgebung von MATLAB/Simulink unter Verwendung eines dSPACE-Echtzeitsystems implementiert. Bei kompliziert geformten Strukturen ist es oft nicht möglich, analytische Lösungen in einer geschlossenen Form anzugeben. Daher wird unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode eine Analyse der Konstruktion zur Aktorplatzierung durchgeführt. An zwei Beispielen (Magnetresonanztomograph, Automobilkarosserie) konnten die Schwingungen durch piezoelektrische Patches unterdrückt werden. Passive Maßnahmen reichen oft nicht zur Schwingungsdämpfung aus, daher kommen ergänzend aktive Maßnahmen zur Anwendung. Der Nachteil von aktiven Methoden ist der zusätzliche Energiebedarf, der für die Schwingungskompensation bereitgestellt werden muss. Als repräsentatives Beispiel zur aktiven Schwingungskompensation mit einer geschlossenen analytischen Lösung wird ein horizontaler Kragbalken betrachtet, dessen Einspannung in vertikaler Richtung auf und ab bewegt wird. Ziel ist es, die relativ zur Starrkörperbewegung auftretenden Schwingungen durch verteilte piezoelektrische Aktorik über die gesamte Balkenlänge zu kompensieren. Als Grundlage für die Schwingungskompensation wird die entwickelte Theorie für ,Dynamic Shape Control' verwendet Die theoretisch erzielten Ergebnisse wurden in einem Experiment gesichert.