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Über dieses Buch

Seit den achtziger Jahren forschen Wissenschaftler an adaptiven Strukturen für Materialien, für multifunktionale Elemente oder sogar für vollständige Systeme. Dabei ist die Adaptronik (englisch: smart materials, smart structures, smart systems) ein Fachgebiet von ausgeprägter Interdisziplinarität. Das Buch bietet daher eine interdisziplinäre Betrachtung von adaptronischen Systemen, Werkstoffen und Funktionselementen und ihren Anwendungen. Der Lehrstoff integriert verschiedene ingenieurwissenschaftliche Disziplinen, von Elektro- und Informationstechnik über Fertigungs- und Regelungstechnik bis zu Werkstofftechnik und Strukturmechanik – um nur einige der relevanten Fachgebiete zu nennen. Ausgehend von den grundlegenden Prinzipien und Varianten adaptronischer Systeme und Funktionswerkstoffe werden in dem Lehrbuch die unterschiedlichen Bauweisen von Funktionselementen erläutert. Darauf aufbauend lernen Leser, wie diese Kenntnisse auf die aktive Formkontrolle, die aktive Vibrationskontrolle und die aktive Vibroakustik anzuwenden sind. Für jedes dieser Themenfelder stellt der Autor aktuelle Beispiele aus der Forschung vor, diskutiert Forschungsergebnisse und zukünftige Forschungsfragen. Jedes der neun Kapitel schließt mit Hinweisen auf weiterführende Literatur. Ein Verzeichnis der verwendeten mathematischen Symbole und ein Stichwortverzeichnis erleichtern Lesern das Lernen.Das Buch wendet sich an Masterstudierende in ingenieurwissenschaftlichen Studiengängen wie Maschinenbau, Luft- und Raumfahrttechnik, Mechatronik, Kraftfahrzeugtechnik sowie verwandte Studiengänge. Praktikern in der Industrie, die sich in das Gebiet der Adaptronik einarbeiten wollen, bietet das Buch einen umfassenden Überblick und es dient zugleich ein zuverlässiges Nachschlagewerk.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung

Seit etwa Mitte der achtziger Jahre forschen Wissenschaftler international an adaptiven Strukturen. Insbesondere in Amerika, Japan und Deutschland widmen sich renommierte Arbeitsgruppen der Frage nach selbstanpassungsfähigen Strukturen des Maschinenbaus. Im englischen Sprachgebrauch wurden dafür u.a. die Begriffe Smart materials, smart structures, smart systems eingeführt. Dieses erste Kapitel des Lehrbuchs gibt eine Literaturübersicht über die zu diesem Thema erschienen Monografien.
Johannes Michael Sinapius

2. Prinzipe der Adaptronik

Dieses Kapitel zeigt zunächst an Hand einführender Beispiele grundlegende Prinzipe adaptronischer Systeme auf. Die Elemente des integralen Entwicklungsprozesses adaptronischer Systeme sind an Hand systemtheoretischer Betrachtungen erläutert. Das Kapitel stellt die grundlegenden Varianten adaptronischer Systeme dar. Die wichtigsten Bausteine adaptronischer Systeme und die Integrationsvarianten sensorischer und aktorischer Elemente in den Lastpfad zeigen den roten Faden durch das Buch auf.
Johannes Michael Sinapius

3. Funktionswerkstoffe

Dieses Kapitel zeigt zunächst die Grundprinzipien der Funktionswerkstoffe, die energiewandelnde Eigenschaften haben, auf. Es leitet die grundlegenden Kenngrößen von Funktionswerkstoffen her. Die Vorstellung zweier inzwischen weit verbreiteter Klassen von Funktionswerkstoffen, elektromechanische Wandler und thermomechanische Wandler konkretisiert diese grundlegenden Eigenschaften. Das Kapitel stellt ausführlich die phänomenologischen Eigenschaften der Energiewandlung vor und präsentiert einfache Modelle für die komplexen Wandlungsvorgänge. Eine abschließende Übersicht gibt Auskunft über weitere, zum Teil in der Forschung befindliche Funktionswerkstoffe. Ein Beispiel aus der aktuellen Forschung zu Funktionswerkstoffen ergänzt diese Übersicht.
Johannes Michael Sinapius, Sebastian Geier

4. Adaptronische Funktionselemente

Dieses Kapitel zeigt unterschiedliche Bauweisen aktiver Funktionselemente auf. Zwei Abschnitte gehen dazu zunächst auf Piezokomposite ein. Der zweite Abschnitt stellt stellwegvergrößernde Wandler vor. Anschließend werden Bauweisen für Sensorik und Aktorik aus den weiteren im vorangegangenen Kapitel beschriebenen Funktionswerkstoffen vorgestellt. Abschließend geben Arbeiten zu radial-sensorischen PVDF-Fasern einen Einblick in aktuelle Forschung für adaptronische Funktionselemente.
Johannes Michael Sinapius, Thomas Gries

5. Aktive Formkontrolle

Ausgehend von der Beschreibung der Ziele der aktiven Formkontrolle legt dieses Kapitel an Hand einfacher analytischer Betrachtungen an Balkenmodellen die Grundlage zur Modellierung integrierter kontinuierlicher Aktorik. Dabei werden zunächst isotrope Werkstoffe betrachtet. Die Sichtweisen werden anschließend auf anisotrope Werkstoffe an Hand der Betrachtung ebener Platten aus aktivierbaren Faserverbunden erweitert, um die Möglichkeiten der Nutzung der Verformungskopplung aufzuzeigen. Abschließend wird ein Einblick in aktuelle Forschung für aktive Formkontrolle gegeben.
Johannes Michael Sinapius, Christian Hühne, Hossein Sadri, Johannes Riemenschneider

6. Aktive Vibrationskontrolle

Dieses Kapitel widmet sich dem Zielfeld der Adaptronik „Aktive Vibrationskontrolle“, im Englischen als „Active Vibration Control “ bezeichnet. Anknüpfend an das vorangehende Kapitel legen einfache analytische Betrachtungen an Balkenmodellen die Grundlage zur Modellierung von Schwingungen in kontinuierlichen Systemen mit applizierten Funktionselementen. Betrachtungen ebener Platten erweitern diese Sichtweise, die Grundlage der aktiven Schallbeeinflussung in Kap.​ 8 sind. Auf dem anschließend erläuterten Begriff der Körperschallinterferenz bauen die dargestellten Methoden der aktiven Vibrationskontrolle auf. Ein weiterer Abschnitt geht auf Methoden der strukturdynamischen Identifikation aktivierbarer Strukturen ein. Neben den Methoden der Erzeugung von Körperschallinterferenz erläutert dieses Kapitels adaptive Schwingungstilgung und Schwingungstilgung durch elektromechanische Netzwerke. Der gedankliche Zusammenhang des Kapitel ist in Abb. 6.1 illustriert. Abschließend wird ein Einblick in Themen aktueller Forschung für aktive Vibrationskontrolle gegeben.
Johannes Michael Sinapius, Björn Timo Kletz, Steffen Opitz

7. Regelung adaptiver Strukturen

Dieses Kapitel widmet sich Fragen der Regelung adaptiver Systeme. Dazu knüpft es zunächst an die systemtheoretischen Betrachtungen des Abschn. 2.3, Abb. 2.9 an, verknüpft diese mit den vorangegangenen Ausführungen zur aktiven Vibrationskontrolle, um daraus zwei grundlegende Strategien der Regelung in der Adaptronik abzuleiten. Einerseits betrachtet das Kapitel die Strategie der Regelung durch Rückkopplung, andererseits geht es auf die Variante der Störgrößenaufschaltung ein. Hierbei wird die Optimalsteuerung vorgestellt.
Johannes Michael Sinapius, Stephan Algermissen

8. Aktive Schallbeeinflussung

Dieses Kapitel widmet sich dem Zielfeld der aktiven Beeinflussung von Schallfeldern. Dazu stellt es zunächst die Bedeutung der Frage der aktiven Reduktion von Lärm heraus und geht auf die Grundlagen der Akustik und das Grundprinzip der Kopplung von Akustik und Festkörperschwingungen, die Vibroakustik ein. Daraus leiten sich die Varianten der aktiven Beeinflussung von Schallfeldern ab. Das Kapitel schließt mit einem Beitrag aus einem Forschungsprojekt zur Schallbeeinflussung in doppelschaligen Strukturen ab.
Johannes Michael Sinapius, Malte Misol

9. Integrierte Bauteilüberwachung

Das letzte, eher kürzere Kapitel geht auf einen ergänzenden Bereich der Anwendung aktiver Funktionswerkstoffe und Nutzung elasto-mechanischer Eigenschaften ein, dem Zielfeld der integrierten Bauteilüberwachung. Es stellt Methoden vor, die stehende Wellen und deren Änderung durch Schäden analysieren, und solche, die die Änderung der Wellenausbreitung von Ultraschallwellen auswerten, um auf mögliche, insbesondere verdeckte Schäden zu detektieren. Vor allen letztere sind Gegenstand aktueller, internationaler Forschung.
Johannes Michael Sinapius, Florian Raddatz

Backmatter

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