Aktive Funktionsbauweisen

Die Technologie der aktiven Strukturen verfolgt das Ziel, Konstruktionen mit anpassbaren Struktureigenschaften zu realisieren [1.1], [1.7]. Solche Eigenschaften umfassen die Steifigkeit, Festigkeit oder allgemein den Energiezustand der Struktur. Die Auswirkungen können sich im Verformungs-, Stabilitäts- und Schwin-gungsverhalten oder in der Änderung der geometrischen Dimensionen niederschlagen. In der zu beeinflussenden Struktur wird eine Infrastruktur erforderlich, die mit Hilfe eines Regelsystems über integrierte Aktuatoren und Sensoren das Systemverhalten verändern soll. Die klassische passive Struktur wird im Grunde lediglich mit den Komponenten Transducer (Aktuator und Sensor) und Elektronik erweitert. Diese Kombination von Struktur und Elektronik kann sehr treffend als Struktronik bezeichnet werden [1.10], [1.11].

Einige zum Teil neue oder für die Anwendung im Maschinenbau unübliche Werkstoffe eröffnen neue Möglichkeiten im Bereich der Bauweisentechnik. Diese Werkstoffe, von denen einige in anderen technischen Bereichen wie beispielsweise der Elektrotechnik eine breite Anwendung finden, können aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften zu Strukturen mit neuen Anwendungsprofilen führen. Die Aufgabe der Werkstoffe besteht darin, als (beeinflussende) Aktuatoren oder (erfassende) Sensoren zu wirken. Die Charakteristiken und Wirkprinzipe dieser Werkstoffe sollen in diesem Kapitel erläutert werden.

Die Zielsetzung dieses Kapitels ist es, die Interaktion von Struktur und Aktuatoren mit einfachen mechanischen Modellen im Bezug auf die physikalischen Grundlagen zu beschreiben. Damit sollen grundsätzliche Aussagen über die Wirksamkeit und damit auch über die Dimensionierung dehnungsinduzierender Aktuatoren möch sein.

Die Verknüpfung des Strukturmodells mit dem Regelungsmodell ist bei der Auslegung aktiver Strukturen notwendig, um das Verhalten der aktiven Struktur simulieren zu können. Insbesondere bei dynamischen Problemen wie der aktiven Schwingungskontrolle muss eine Integration von Struktur- und Kontrollmodell erfolgen [4.1]. Im folgenden wird davon ausgegangen, dass die Struktur mit Hilfe eines finite Elemente Modells diskretisiert wurde.

Faserverstärkte Kunststoffe eröffnen dem Konstrukteur umfangreichere Gestaltungsmöchkeiten. Der Werkstoff kann in weiten Bereichen den spezifischen Anforderungen angepasst werden. Die Ausnutzung der Materialanisotropie erlaubt eine an die Belastung optimal ausgelegte Struktur. Modifikationen bezüglich der Struktursteifigkeit und/oder Strukturfestigkeit können ohne Änderung der eigentlichen Geometrie innerhalb gewisser Grenzen durchgeführt werden. Dazu können entweder der Lagenaufbau geändert und/ oder eine andere Faser-/ Matrixkombination gewählt werden.

Der Bedarf an hochgenauen Strukturen wächst ständig. Als Beispiele seien nur dimensionsstabile Strukturen für Raumfahrtstrukturen genannt. Aber auch im Bereich der optsichen Messtechnik werden beispielsweise hochgenaue Spiegelsysteme für eine Vielzahl von Anwendungen benötigt. Mitunter kann es sogar erforderlich sein, die Verformungen einer Strukur infolge der Erdgravität zu kompensieren. Für solche Aufgaben wie die statische Verformungskontrolle bietet sich die aktive Funktionsbauweise an. Die Deformationen werden durch integrierte Aktoren direkt in die Struktur eingeleitet, Verformungszustände der Struktur durch Dehnungssensoren ermittelt [6.1, 6.2, 6.3].