Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler (NumSiElWa)5 ECTS
(englische Bezeichnung: Numerical Simulation of Electromechanical Transducers)
(Prüfungsordnungsmodul: Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler)

Lehrveranstaltungen:

• • Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler
    (Vorlesung, 2 SWS, Stefan Rupitsch, Do, 14:15 - 15:45, SR 02.028)
  • Übungen zu Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler
    (Übung, 2 SWS, Michael Nierla, Fr, 10:15 - 11:45, SR 02.028; ab 24.4.2015)

Inhalt:

Es wird der aktuelle Wissensstand auf dem Gebiet der numerischen Simultation gekoppelter Feldprobleme, wie sie typischerweise bei der Analyse und Optimierung von modernen Sensoren und Aktoren auftreten, vermittelt. Schwerpunkte sind dabei die effiziente numerische Behandlung der auftretenden gekoppelten Feldprobleme mit allen ihren Nichtlinearitäten. Als Leitfaden durch die Vorlesung dienen drei praktische Problemstellungen - numerische Simulation eines elektromagnetischen Ventils (Automobiltechnik), eines piezoelektrischen Stapelaktors (Einspritztechnik) und einer mikromechanischen elektrostatischen Ultraschallarrayantenne (medizinische Bildgebung). Die numerische Behandlung der in den einzelnen Teilfeldern - magnetisches, mechanisches, akustisches Feld - auftretenden Nichtlinearitäten sowie die Algorithmen zur Beschreibung der gekoppelten Feldprobleme werden eingehend besprochen. Als numerisches Diskretisierungsverfahren wird die Finite-Elemente-Methode (FEM) verwendet.

The current state of the art concerning numerical simulations of coupled field problems is taught. Those coupled field problems are mandatory for the analysis and optimization of modern sensors and actuators. This course puts thereby the focus on the efficient numerical treatment of the arising coupled field problems including all non-linearities. Three problems from practice serve as guidline through the lecture - an electromagnetic injection valve (automotive engineering), a piezoelectric stack actuator (fuel injection) and a micromechanical electrostatic ultrasound array antenna (medical imaging). The numerical treatment of the occuring non-linearities (magnetics, mechanics) as well as the coupling-algorithms are discussed in detail. To solve the presented physical problems, the Finite Element Method is applied.

Lernziele und Kompetenzen:

Mit den in dieser Lehrveranstaltung vermittelten Kenntnissen soll der Student in der Lage sein, Finite-Elemente-Simulationen für den Designprozess von modernen Sensoren und Aktoren durchzuführen und dabei den Einfluss mehrerer physikalischer Felder und deren Nichtlinearitäten zu berücksichtigen (Ultraschall-Reinigungbecken, piezoelektrische Energy Harvester, kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler (CMUT) usw.).
Die Studierenden

• übertragen die Grundlagen der Finiten-Elemente-Methode auf komplexe, gekoppelte Feldprobleme

• kennen und verwenden die direkte und die iterative Kopplung von Feldern (z.B. direkte mechanisch-akustische Kopplung und iterative mechanisch-elektromagnetische Kopplung)

• geben Methoden zum Lösen von nichtlinearen Problemen wieder (Newtonverfahren, Fixpunktiteration) und vergleichen diese

• verwenden Simulationsprogramme (Ansys, NACS) zur Lösung von komplexen, gekoppelten Problemstellungen aus den besprochenen Feldproblemen

• wählen zur Lösung der gestellten Aufgaben geeignete Analyseverfahren (statische, transiente, harmonische)

• überprüfen ihre Ergebnisse mit Hilfe von analytischen Formeln und geeigneten Visualisierungen (Graphen, Konturverläufe, Potentiallinien)

• organisieren selbständig die Bearbeitung der Übungsaufgaben in Gruppen

• formulieren und präsentieren ihre Ergebnisse

After this course, the students shall be able to apply Finite Element Simulations to the design process of modern sensors and actuators. Thereby, they are able to consider the influence of multipe physical fields and their non-linearities (ultrasound cleaning devices, piezoelectric energy harvester, capacitive micromachined ultrasoundtransducer (CMUT) etc.).
The students

• transfer the basics of the Finite Element Methods to complex, coupled field problems

• know and apply direct and iterative coupling schemes (e.g., direct mechanical-acoustic coupling and iterative mechanical-electromagnetic coupling)

• repeat solution strategies for non-linear problems (Newton’s method, fix-point-iteration) and compare them

• use simulation tools (Ansys, NACS) to solve complex coupled problems, which deals with the discussed physical fields

• select appropriate analysis techniques to solve the given problems (static, transient, harmonic, eigenfrequency analysis)

• verify the calculated results by means of analytic formulas and suitable visualizations (graphs, contour plots, potential curves)

• organize their work on the exercise task self-dependently in groups

• formulate and present their results
  

Literatur:

Kaltenbacher, M.: Numerical Simulation of Mechatronic Sensors and Actuators, 2nd edition, Springer 2007

Organisatorisches:

Empfohlen wird Vorlesung und Übungen "CAE von Sensoren und Aktoren"

Weitere Informationen:

Verwendbarkeit des Moduls / Einpassung in den Musterstudienplan:

1. Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (Master of Science)
   (Po-Vers. 2015s | Masterprüfung | Studienrichtung Automatisierungstechnik | Vertiefungsmodule Automatisierungstechnik | Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler)

Studien-/Prüfungsleistungen:

Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler (Prüfungsnummer: 63401)

Prüfungsleistung, Klausur, Dauer (in Minuten): 90, benotet

Anteil an der Berechnung der Modulnote: 100.0 %

Erstablegung: SS 2015, 1. Wdh.: WS 2015/2016

1. Prüfer:

Stefan Rupitsch

Termin: 29.09.2015, 14:00 Uhr, Ort: H 5 TechF
Termin: 08.04.2016
Termin: 14.10.2016, 08:30 Uhr, Ort: H 12