DE10013821A1

DE10013821A1 - Funktionsmultistabiler Hybridverbund (FMH) als Kraft- und Wegübersetzer

Info

Publication number: DE10013821A1
Application number: DE10013821A
Authority: DE
Inventors: Lothar Kroll; Maik Gude; Werner Hufenbach
Original assignee: East 4d Lightweight Struc GmbH; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2001-09-27
Anticipated expiration: 2020-03-18
Also published as: DE10013821B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Funktionsmultistabilen Hybridverbund zur Erzeugung von Stellbewegungen, bestehend aus isotropen und anisotropen Werkstoffen, mit mehreren passiven verspannten Einzellagen, die zueinander unsymmetrisch angeordnet sind und beim Eintrag von Verformungsenergie multistabile Verformungszustände in unterschiedlichen stabilen Gleichgewichtslagen einnehmen, dadurch gekennzeichnet, dass zum Eintrag der Verformungsenergie zumindest eine Lage aus einem ansteuerbaren Funktionsmaterial in einem Mehrschichtverbund eingebracht ist, wobei durch Ansteuern der Lage(n) aus Funktionsmaterial der Mehrschichtverbund von einer in eine andere Gleichgewichtslagen überführt wird und mit dem Übergang der Eintrag der Verformungsenergie beendet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen funktionsmultistabilen Hybridverbund zur Erzeugung von Stellbewe gungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus Hyer, M. W.: The Room-Temperature Shapes of Four Layer Unsymmetric Cross-Ply Lami nates, J. of Composite Materials, 16 (1982), 318-340 oder aus Hufenbach, W.; Kroll, L.; Gude, M.: Deformation States of Unsymmetric Fibre-Reinforced Composites Dependent on Residual Stresses, Proceedings of SAMPE EUROPE/JEC Conference, Paris, France (1999), 341-352 ist es bekannt, dass sich bei unsymmetrischen Mehrschichtverbunden aufgrund ungewohnter Ani sotropieeffekte in Kombination mit herstellungsbedingten Eigenspannungen bzw. anderen Bean spruchungen multistabile Verformungszustände mit zum Teil großen Deformationen ausbilden können. Um derartige unerwünschte Effekte zu vermeiden, werden daher in technischen Anwen dungen bislang vorwiegend Mehrschichtverbunde mit einem symmetrischem Aufbau verwendet.

Weiterhin ist bekannt, dass in Faserverbundstrukturen aktive Schichten etwa aus Piezokeramiken oder Formgedächtnislegierungen integriert werden können, mit dem Zweck, durch elektrische Anregung der aktiven Schicht eine definierte Verformung der Gesamtstruktur herbeizuführen.

So ist beispielsweise aus der DE 196 24 204 C1 ein Piezokeramischer Biegewandler mit wenig stens einer auf einer passiven Grundschicht angeordneten aktiven Schicht aus piezoelektrischen Material bekannt, die mit Elektroden zum Anlegen oder Abnehmen einer elektrischen Spannung versehen ist. In der Druckschrift ist eine spezielle Ausbildung der aktiven Schicht durch elektro mechanisch aktive Fasern und deren spezielle Ausrichtung beschrieben.

Aus der DE 196 31 026 A1 ist eine Vorrichtung zur Verformung einer Trägerstruktur mittels elektrischer oder magnetischer Effekte bekannt. Die Trägerstruktur besteht aus einem in einem Bettungsmaterial angeordneten Faserverbund sowie aus piezoelektrischen Keramiken oder Poly meren, elektrostriktiven Keramiken oder magnetostriktiven Materialien, die am Faserverbund angeordnet sind. Wegen der besonderen Anordnung der Materialien zu den Fasern wird bei Ansteuerung der Materialien eine Verformung der Trägerstruktur, beispielsweise eines Rotorblattes eines Hubschraubers erreicht.

Aus der US 4,349,762 ist ein elektromechanischer Biegewandler bekannt, der aus einer piezo elektrischen und einer passiven Schicht besteht. Durch Ansteuerung der piezoelektrischen Schicht wird in dieser Schicht eine Dehnung oder Stauchung induziert, die in der unsymmetrischen zwei schichtigen Gesamtstruktur eine Biegung hervorruft.

Aus der US 4,868,447 ist ein Mehrschichtverbund mit integrierten piezoelektrischen Sensoren und Aktuatoren zur Überwachung und/oder Erzeugung von überlagerten Bewegungen mit Bie ge-, Dehn- und Torsionsanteilen bekannt.

All diesen Anwendungen ist gemein, dass die im allgemeinen geringe Strukturverformung durch Auslenkung aus einer eindeutigen Gleichgewichtslage stattfindet, was während des Auslenkungs prozesses die kontinuierliche Zuführung elektrischer Spannung erfordert. Auch bei dynamischem Betrieb dieser Systeme findet eine übliche Auslenkung aus einer einzigen Gleichgewichtslage statt. Zu den Nachteilen beim Einsatz als Stellantrieb, wie etwa elektromagnetische und piezo elektrische Aktuatoren, zählt ihr geringer verfügbarer Stellweg und/oder Stellkraft.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Aufbau eines funktionsmultistabilen Hy bridverbundes anzugeben, der unter Aufbringung einer geringen Hilfsenergie eine hohe Stellkraft und/oder einen großen Stellweg erzeugt und so als Weg- und Kraftübersetzer eingesetzt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen funktionsmultistabilen Hybridverbund mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Wesentlich für die Erfindung ist die Ausnutzung des im allgemeinen unerwünschten Effektes eines instabilen Strukturverhaltens von unsymmetrischen Mehrschichtverbunden. Durch die Integration von Lagen aus einem ansteuerbaren Funktionsmaterial in faserverstärkte Mehrschichtverbunde (Laminaten) wird es ermöglicht, gezielt einzelne stabile Gleichgewichtszustände einzustellen. Zu diesem Zweck sind bereits kleine Adaptionsspannungen ausreichend, sofern die Laminatgröße entsprechend nahe der Bifurcation-Punkt-Laminatgröße gewählt wird. Diese Laminatgröße kann insbesondere mittels analytischer nichtlinearer Methoden effizient bestimmt werden.

Als Lagen aus einem ansteuerbaren Funktionsmaterial können piezoelektrische, elektrostriktive und magnetostriktive Keramiken, Polymere bzw. Legierungen, Formgedächtnislegierungen oder elektrorheologische Flüssigkeiten verwendet werden. Der übrige faserverstärkte Mehrschichtver bund besteht aus passiven elastischen, insbesondere geschichteten anisotropen Materialien, die durch einen unsymmetrischen Aufbau verschiedene stabile Gleichgewichtslagen aufweist.

Der erfindungsgemäße FMH ist auch zum Einsatz als Wegübersetzer geeignet, wobei hier das Prinzip des Verzweigungsproblems mit mehreren Gleichgewichtslagen im Nachbeulbereich gezielt genutzt wird. Der erfindungsgemäße FMH ist den bekannten mechanischen Hebelmechanismen, hydraulischen Wegübersetzern bzw. Bimorphaktuatoren insofern überlegen, da hier die mehrfa chen energetischen Gleichgewichtszustände, je nach dem Strukturaufbau des verspannten Ver bundsystems, optimal an die geforderten Randbedingungen angepasst werden.

Neben der Weg- und Kraftvergrößerung lässt sich darüber hinaus auch die dynamische Charakte ristik der Umschlageffekte anforderungsgerecht, etwa durch Kopplung mehrerer FMH einstellen. Darüber hinaus ist es möglich, die bisherige Zuführung kontinuierlicher Hilfsenergie (z. B. eine elektrische Spannung), durch die Zuführung diskontinuierlicher Hilfsenergie zu ersetzen. So kann beispielsweise infolge eines kurzzeitigen Stromflusses eine Überführung von einer stabilen Gleich gewichtslage in eine andere erzielt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen an Hand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung zur Veranschaulichung von Stabilitätsproblemen in FMH

Fig. 2 einen Schichtaufbau [0_n/90_n], n: Schichtanzahl

Fig. 3 mögliche Krümmungsformen bei [0_n/90_n]-Laminaten a) spannungsfreier Referenzzustand; b) Sattelform; c) Zylinderform 1; d) Zylinder form 2

Fig. 4 einen typischen Krümmungsverlauf bei einem [0₂/90₂]-Laminat

Fig. 5 die Überführung der drei Deformationszustände beim quadratischen Kreuzverbundlaminat

Fig. 6 die Überführung der Deformationszustände bei kreisförmigen Laminaten

Fig. 7 eine beispielhafte Anordnung der Funktionsschichten

Fig. 8 ein FMH in Stapelbauweise

Fig. 9 unterschiedliche Anordnungsmuster flächenhafter und eindimensionaler Funktionselemente

Zur Verdeutlichung des Wirkprinzips des FMH sollen zunächst die Instabilitätsphänomene bei einfachen Flächentragwerken an Hand der Fig. I beschrieben und stellvertretend an hybriden Schichtverbunden aus orthotrop faserverstärkten Einzellagen in Kombination mit aktiven Schich ten näher erläutert werden.

Beanspruchte Körper nehmen eine stabile Gleichgewichtslage ein, die unter den gegebenen Rand bedingungen energetisch das kleinstmögliche Niveau aufweist. Hinsichtlich der Körperdeformati on wird dann grundsätzlich zwischen kleinen Verformungen (geometrische Linearität) und großen Verformungen (geometrische Nichtlinearität) unterschieden. Wogegen bei kleinen Verformungen die elementaren Grundgleichungen der Mechanik mit hinreichender Genauigkeit das Deformati onsverhalten beschreiben, müssen bei der Behandlung geometrischer Nichtlinearitäten erweiterte kinematische Beziehungen herangezogen und die Gleichgewichtsbedingungen für den verformten Zustand erfüllt werden.

Bei den geometrisch nichtlinearen Problemen nimmt das instabile Strukturverhalten von Tragwer ken eine besondere Stellung ein, wofür etwa das bekannte Stabknicken, Platten- und Schalenbeu len sowie das erfindungsgemäße FMH-Stabilitätsverhalten zählen. Kennzeichnend für derartige Deformationszustände ist, dass beim Erreichen eines kritischen Zustandes (z. B. durch kritische mechanische, thermische, mediale bzw. elektrische Lasten) das Gleichgewicht instabil wird und jede Störung zu weiteren stabilen Gleichgewichtslagen, verbunden mit oft sehr hohen Verformun gen, führt. Entsprechend der Darstellung in Fig. 1 können vereinzelt dabei auch mehrere energeti sche Gleichgewichtslagen auftreten. Im Rahmen der Erfindung sind insbesondere solche mehr deutigen Gleichgewichtslagen im Nachbeulbereich von Interesse. Der labile Zustand oberhalb N_krit wird von Tragwerken in praxi nicht erreicht, da in der Realität keine ideal störungsfreien (ohne Imperfektionen) Umgebungsbedingungen herrschen. Der sich nach dem Erreichen der kritischen Last einstellende Deformationszustand (sog. Eigenform) ist von einer Vielzahl geometrischer, materialbedingter und belastungsspezifischer Parameter abhängig. So etwa können bei dünnwan digen Schalen die während der Herstellung eingebrachten mechanischen Eigenspannungen zum unerwünschten Strukturbeulen und damit zum Überschreiten der Form- und Oberflächentoleran zen führen.

Der im allgemeinen unerwünschte Effekt des instabilen Strukturverhaltens wird erfindungsgemäß für einen speziellen Aufbau von aktiven Hybridverbunden als Weg- und Kraftübersetzer gezielt genutzt und so gesteuert, dass eine gewünschte Übertragungscharakteristiken bei großen Verfor mungen und Kräften realisiert wird.

Bei der Erfindung wird somit eine strukturinnere Übersetzungskinematik von kleinen Verfor mungswegen der applizierten bzw. integrierten Funktionsmaterialien auf große Verschiebungswe ge und -kräfte der Gesamtstruktur mittels steuerbarer multistabiler Zustandsänderungen realisiert. Für die hier beschriebenen aktiven Strukturverbunde sind die piezoelektrischen Schichten auch aufgrund technologischer Vorteile besonders prädestiniert. Daher soll im weiteren stellvertretend für die aufgeführten aktiven Materialien die Erfindung mit integrierten piezoelektrisch aktiven Lagen bzw. Fasern in Kombination mit orthotrop faserverstärkten Schichten beschrieben werden.

Zur Verdeutlichung des Wirkprinzips der FMH-Systeme wird zunächst das nichtlineare Beulver halten von faserverstärkten ebenen Mehrschichtverbunden (MSV) infolge thermischer Belastung aufgezeigt (vgl. hierzu auch Hyer, M. W.: The Room-Temperature Shapes of Four Layer Un symmetric Cross-Ply Laminates, J. of Composite Materials, 16 (1982), 318-340 oder Hufenbach, W.; Kroll, L.; Gude, M.: Deformation States of Unsymmetric Fibre-Reinforced Composites De pendent on Residual Stresses, Proceedings of SAMPE EUROPE/JEC Conference, Paris, France (1999), 341-352).

Die MSV bestehen aus Einzelschichten, die richtungsabhängige mechanische und thermische Ei genschaften aufweisen. Unter Voraussetzung vollkommender Haftung zwischen den einzelnen Lagen werden damit unter Temperaturbelastung (z. B. infolge Herstellung) bei allgemeinem La genaufbau Eigenspannungen induziert, die bei Erreichen kritischer Temperaturbelastung das Ver bundplattenbeulen einleiten können. Exemplarisch wird ein MSV aus einachsig (UD) verstärkten Einzellagen betrachtet, der einen unsymmetrischen Aufbau [0_n/90_n] aufweist und in Fig. 2 sche matisch dargestellt ist.

Bei kleinen Laminatabmessungen in der Plattenebene entsteht bei den kreuzverstärkten Laminaten ([0_n/90_n]) eine Sattelform (Fig. 3b), die bei der kritischen Laminatgröße L_krit instabil wird. An diesem Punkt (B), dem sogenannten Verzweigungs-Punkt (Bifurcation-Punkt), bildet sich erstmals bei Steigerung der Laminatgröße L gegenüber der Dicke d eine von zwei gleichberechtigten sta bilen zylindrischen Formen aus (Fig. 3c) bzw. d)).

Fig. 4 stellt die unterschiedlichen Laminatverformungen anhand der Krümmungen in x- (a₂) und y- Richtung (b₂) bei Zunahme von L dar. Ausgehend von sehr kleinen Laminaten bildet sich eine stabile Sattelform aus (Zweig AB). Die kritische Länge L_krit für diese Sattelform ist beim Ver zweigungspunkt (B) erreicht. Danach wird die Sattelform (in Fig. 4 als Ast BC gekennzeichnet) instabil und tritt in der Realität nicht mehr auf. Stattdessen treten zwei weitere gleichberechtigte stabile zylindrische Formen auf (BD und BE), von denen sich praktisch eine durchsetzt und die durch einen sog. Durchschlag-(snap-through)-Effekt in die andere Zylinderform überführt werden kann.

Bei beliebigen Winkel-Schichtverbunden ([+θ_n/-θ_n]) hingegen kann sich sogar bei kleinen Lami naten eine verdrillte Form einstellen, die bei größeren Seitenlängen wiederum in eine von zwei gedrehten stabilen zylindrischen Formen umschlägt.

Die Lage des Verzweigungspunktes (B) ist für ein vorgegebenes Laminat von der Höhe der Ei genspannungen und somit von der Temperatur abhängig. Für den betrachteten Laminataufbau [0_n/90_n] ist die tendenzielle Lageänderung von (B) für Temperaturerhöhung (+T) und Tempera turerniedrigung (-T) dargestellt. Ein ähnlicher Effekt lässt sich bei gleichbleibenden Eigenspan nungen durch Überlagerung von zusätzlich eingebrachten Spannungen, sog. Aktivspannungen durch integrierte aktive Schichten erzeugen. Denn durch die Änderung des mechanischen Span nungszustandes wird im allgemeinen auch die Lage des Verzweigungspunktes (B) verändert. Für den Mehrschichtverbund bedeutet dies, dass durch entsprechende Überlagerung der Aktivspan nungen eine steuerbare Überführung zwischen den verschiedenen Krümmungsformen möglich wird (vgl. auch Fig. 5 und Fig. 6).

Da die Stabilitätscharakteristik durch die Einwirkung der Aktivspannungen verändert werden kann, ist es bezogen auf das Anwendungsbeispiel möglich, je nach Ansteuerung der Funktion selemente die Sattelform (AB) bzw. eine der beiden Krümmungsformen (BD bzw. BE) einzustel len, was schematisch in Fig. 5 dargestellt ist. Ein exemplarischer Aufbau eines FMH- Schichtelementes für den beschriebenen Laminataufbau ist in Fig. 7 dargestellt. Die Funktionsschichten sind dabei mittig in den jeweiligen 0°- und 90°-FKV-Lagen integriert. Es ist aber je nach Problemstellung auch eine andere Anordnung möglich. Dabei kommt eine Anordnung der Funkti onsschicht(en) exzentrisch, einseitig oder als Deckschichten in Betracht.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 8 läßt sich durch Kopplung unterschiedlicher FMH- Elemente ein FMH-Stapelsystem realisieren, das je nach Konstruktionsprinzip mehrere Gleichge wichtslagen aufweist und so eine weitere Vielfalt der Übertragungscharakteristik zulässt. Die Funktionsschichten können dabei aus aktiven Materialien wie piezoelektrische, elektrostriktive und magnetostriktive Keramiken, Polymere bzw. Legierungen, Formgedächtnislegierungen oder elektrorheologische Flüssigkeiten bestehen.

Während für den Wechsel von den Krümmungsformen zur Sattelform eine gleichmäßige (homo gene) Verformung der Funktionselemente ausreichend ist, müssen für die gezielte Ansteuerung der Krümmungsformen (BD bzw. BE) aufgrund ihrer Gleichberechtigung richtungsabhängige (inhomogene) Deformationen der Elemente induziert werden. Zu diesem Zweck sind nach der Fig. 9 unterschiedliche Anordnungen der Funktionselemente vorgesehen. Insbesondere ist dabei auch an das Applizieren von Formgedächtnislegierungen in Form von dünnen Drähten gedacht, die mittels der Textiltechnik definiert in die Struktur etwa in Gewirke, Gewebe, Geflechte oder Gestricke eingebracht werden können.

Claims

1. Funktionsmultistabiler Hybridverbund zur Erzeugung von Stellbewegungen, bestehend aus isotropen und anisotropen Werkstoffen, mit mehreren passiven verspannten Einzellagen, die zueinander unsymmetrisch angeordnet sind und beim Eintrag von Verformungsenergie multi stabile Verformungszustände in unterschiedlichen stabilen Gleichgewichtslagen einnehmen, dadurch gekennzeichnet, dass zum Eintrag der Verformungsenergie zumindest eine Lage aus einem ansteuerbaren Funktionsmaterial in einen Mehrschichtverbund eingebracht ist, wobei durch Ansteuern der Lage(n) aus Funktionsmaterial der Mehrschichtverbund von einer in eine andere Gleichgewichtslagen überführt wird und mit dem Übergang der Eintrag der Verfor mungsenergie beendet ist.

2. Funktionsmultistabiler Hybridverbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Mehrschichtverbund Werkstoff, Geometrie, Aufbau und Spannungsfeld so ausgewählt sind, dass die Gleichgewichtslage sich unweit des Verzweigungspunktes befindet, so daß kleine Energieeinträge das Durchschlagen von einem stabilen Gleichgewichtszustand in einen anderen stabilen Gleichgewichtszustand bewirken.

3. Funktionsmultistabiler Hybridverbund nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das ansteuerbare Funktionsmaterial aus piezoelektrischen, elektrostriktiven und magnetostrik tiven Keramiken, Polymeren oder Legierungen, Formgedächtnislegierungen oder elektrorheo logischen Flüssigkeiten besteht.

4. Funktionsmultistabiler Hybridverbund nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das ansteuerbare Funktionsmaterial eine Formgedächtnislegierungen ist, und in Form von dün nen Drähten eingebracht oder appliziert ist.

5. Funktionsmultistabiler Hybridverbund nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drähte direkt in Gewirke, Gewebe, Geflechte oder Gestricke als Einzellage des Mehrschicht verbundes eingebracht sind.

6. Funktionsmultistabiler Hybridverbund nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage aus einem ansteuerbaren Funktionsmaterial in der Ebene richtungsabhängiges aktives Verformungsverhalten aufweist.

7. Funktionsmultistabiler Hybridverbund nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Anzahl von einnehmbaren Gleichgewichtszuständen mehrere miteinander gekoppelte funktionsmultistabilen Hybridverbund vorgesehen sind.

8. Funktionsmultistabiler Hybridverbund nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Lagen mit ansteuerbaren Funktionselementen in unterschiedlichen Ebenen vorgesehen sind, die unabhängig voneinander steuerbar sind.

9. Funktionsmultistabiler Hybridverbund nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der funktionsmultistabilen Hybridverbund als aktive Membran einer Pumpe, eines Ventils, einer Klappe o. dgl. ausgeführt ist.

10. Funktionsmultistabiler Hybridverbund nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der funktionsmultistabilen Hybridverbund als Quadrat, Rechteck, Kreis, oder Ellipse ausge führt ist.