WO2011064049A1 - Energieautarke adaptive tragwerksstrukturen - Google Patents

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WO2011064049A1
WO2011064049A1 PCT/EP2010/065602 EP2010065602W WO2011064049A1 WO 2011064049 A1 WO2011064049 A1 WO 2011064049A1 EP 2010065602 W EP2010065602 W EP 2010065602W WO 2011064049 A1 WO2011064049 A1 WO 2011064049A1
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WO
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module
structural
actuator
mode
generator
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/065602
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English (en)
French (fr)
Inventor
Carsten Schuh
Thorsten Steinkopff
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16FSPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/005Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion using electro- or magnetostrictive actuation means
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E04BUILDING
    • E04HBUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
    • E04H9/00Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate
    • E04H9/02Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate withstanding earthquake or sinking of ground
    • E04H9/021Bearing, supporting or connecting constructions specially adapted for such buildings
    • E04H9/0215Bearing, supporting or connecting constructions specially adapted for such buildings involving active or passive dynamic mass damping systems
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E04BUILDING
    • E04HBUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
    • E04H9/00Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate
    • E04H9/02Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate withstanding earthquake or sinking of ground
    • E04H9/021Bearing, supporting or connecting constructions specially adapted for such buildings
    • E04H9/0237Structural braces with damping devices

Definitions

  • the invention relates to an energy self-sufficient, adaptive ⁇ supporting framework structure.
  • a building for example, a skyscraper or a bridge, has as a supporting structure a so-called.
  • Supporting structure with a plurality of support members, which is responsible for the stability of the building.
  • the structure of a building is usually, for example, from ceilings, beams, columns, walls and the so-called. Foundation.
  • Foundation In the structural analysis essentially two groups of structures are known:
  • trusses or trusses in which the support members are designed substantially as braces, rods, beams, supports and / or frame.
  • an adaptive structure with a plurality of structural members wherein at least two of the structural members via a deformable module, in particular via a piezoelectric element, are interconnected such that
  • the stiffness and / or the shape of the structure structure is adjustable.
  • the module is optionally operable
  • Structural structure with a plurality of structural members are at least two of the structural members via a
  • deformable generator module in particular via a
  • Piezoelectric generator connected together in such a way that at a Deformation of the structural structure, a force acting on the generator module can be generated, wherein the Genertormodul is operable in a generator mode in which the Genertormodul upon application of force at least one of the Genertormodul associated structural members on the Genertormodul energy, in particular electrical energy generated.
  • the actuator module is operable in an actuator mode, in which via a controllable by a control and regulating device, targeted deformation of the actuator module, the relative position of via the actuator module with each other
  • Generator module interconnected structural members coupled to the generator module such that a relative movement of these structural members to each other causes the deformation of the generator module.
  • control or regulating device is configured to
  • the structural structure advantageously has at least one sensor which is connected to the control or
  • Control device is connected and with a change in position of one or more of the structural members is detected.
  • the control or regulating device is designed such that it controls the module in the actuator mode in response to the detected change in position upon detection of a change in position of one or more of the structural members, being counteracted by the corresponding targeted deformation of the module in the actuator mode, the change in position in particular.
  • the module can be used in particular as a sensor in the generator mode, wherein the control or regulating device is designed to be based on the module in the generator mode
  • a further module is mounted, which is operable at least in the generator mode.
  • the control and regulating device controls the module in Aktormodus with a Steuersig ⁇ nal S, thus causing a targeted deformation of the module in Aktormodus, wherein by the targeted deformation, the rela ⁇ tive position of the module in the actuator mode ver ⁇ affiliated structural member each other set and / or stabilized.
  • the energy generated by the module in the generator mode is supplied to a Energyspei ⁇ cher and / or used by the control and regulating device to so as to drive the module in Aktormodus and supply it with energy.
  • the control signal S is generated as a function of a detected by a sensor change in position of at least one of the structural members, in particular in response to a change in position of the structural member relative to another structural member of the structural structure.
  • the module is used in the generator mode as a sensor, wherein in the control and regulating device from the output signal of the module in the generator mode, the control signal S be ⁇ calculates.
  • the generator module and the actuator module a unit bil ⁇ , wherein for example.
  • An active piezoelectric device may serve both func ⁇ NEN.
  • the energy self-sufficient, adaptive structural structure according to the invention offers the following advantages:
  • 1 shows a structural structure with piezo elements.
  • FIG. 1 shows a structural structure 100 which, for example, may be part of a bridge (not shown).
  • the structural structure has a plurality of structural members 111-116, which are interconnected in support nodes 121-125, so that the structural structure 100 has the required stability ⁇ quality.
  • structural elements 111-116 are purely exemplary diagonal struts 111-114 and
  • the diagonal element 111 is coupled to the diagonal element 112 via a piezo element 131, while the latter is coupled to the diagonal element 113 via a piezoelement 132. Furthermore, the diagonal element 114 is coupled to the side member 116 via a piezo element 133.
  • Other Verbindun ⁇ gene different structural members together are of course possible, but not shown in the figure for clarity.
  • further piezoelectric elements 141-145 are provided on the longitudinal members 115, 116. These can be used in particular for stiffening the possibly area-like structural elements (shells, etc.) and for generating energy.
  • piezo elements 131-133, 141-145 are realized in particular as piezoceramic elements.
  • piezoelectric elements are, on the one hand, in their capacity as an actuator to generate a positional change ⁇ by applying a voltage U.
  • an electrical voltage U can be tapped off at a piezo element in its capacity as a generator when a force F acts on the element.
  • a piezoelectric element can be used on the one hand to change the relative position of two components connected to the piezoelectric element, in this case the structural members, to one another.
  • the same piezoelectric element can be used as a generator in corre sponding ⁇ wiring or wiring, which converts a relative movement of the interconnected by the piezoelectric element components to each other in an electrical voltage.
  • Piezo elements can be realized, for example, in the form of a piezo plate, a piezo bending transducer or a piezo-torsional transducer:
  • the piezoelectric plate or a piezostack composed of several piezoelectric plates responds to the application of a voltage U so that it expands, for example, in the thickness direction and contracts in the transverse direction (or vice versa).
  • the Piezo plate can be a Tighten voltage U when a force F acts on the plate.
  • a voltage U can also be picked up on the piezoelectric bending transducer or on the piezoelectric torsional transducer if a force F or a force U is applied to the piezoelectric bending transducer or the piezoelectric torsional transducer corresponding torque M acts on the transducer.
  • the piezo elements 131-133 are formed, for example, in the form of piezostacks, while the piezo elements 141-145 are designed as bending straps .
  • Such a force F which results in a voltage U which can be tapped off, can be caused, for example, by moving two components connected to the piezoelectric element relative to one another, wherein a movement, for example, a displacement, rotation and / or bending are understood can.
  • a mechanical load 150 which, for example, such as sym ⁇ izes by the arrow from above presses on the supporting framework structure 100, re ⁇ consulted in a deformation of the supporting framework structure 100. As shown in the figure, would the shape change due to the load 150, for example. Bending of the structural structure 100 down, accompanied by corresponding force effects on the piezoelectric elements 131-133 as well as with Verformun ⁇ conditions (bending, stretching and / or upsetting) of the piezoelectric elements 141-145. For example. For example, the piezoelectric element 133, which couples the diagonal element 114 to the longitudinal carrier 116, would be compressed with such a force. The same applies to the piezo elements ⁇ 132 133rd
  • This force effect on the piezoelements 131-133 causes, in a generator mode, that voltages U131-U133 can be tapped off at corresponding electrical connections (not shown) on the piezoelements 131-133.
  • the piezoelectric elements 141-145 designed as bending transducers are bent in accordance with the deformation of the structural structure 100, so that voltages U141-U145 corresponding to them can also be tapped off.
  • the voltages U131-U133, and U141-U145 are supplied in Generatormo ⁇ dus a control and regulating device 200 which is mounted on a support 117 of the supporting framework structure 100th
  • the only indicated lines 201 are used, which the piezo elements 131-133 and 141-145 with the
  • control and regulating device 200 can run, for example, on or in the structural members.
  • the electrical energy E corresponding to the voltages U can be stored in an energy store 202, for example a battery or a capacitor, and / or fed directly to an electrical consumer (not shown).
  • the piezoelectric elements 131-133 and / or 141-145 not only as described in a first mode can be used as a generator, but also in a second mode in its capacity as an actuator, its shape or spatial extent on the voltage applied to the actuator is adjustable.
  • the purpose of the actuator mode is, in particular, to achieve active control of the rigidity of the structural structure 100 with the aid of the piezoelectric elements and / or to counteract a change in shape of the structural structure 100 triggered, for example, by external influences, whereby the change in shape is compensated or possibly vibrations and vibrations of the structure 100 are damped.
  • the purpose of the generator mode is, in particular, to use deformations of the structural structure 100 to generate electrical energy.
  • the control and regulating device in the generator mode on the basis of the abgreifba ⁇ ren voltages conclusions on the on the structure structure 100 or forces acting on the structural members connected to the piezoelectric element are pulled. This information can be used for targeted control of the piezoelectric elements in the actuator mode to counteract the deformation of the structure structure targeted.
  • control signals S bspw In the actuator mode selected control of the piezoelectric elements 131-133, 141-145 (or even all the piezoelectric elements) via the lines 201 control signals S bspw.
  • control signals S bspw In the form of voltage signals supplied to the control of a change in the shape or the spatial extent of the cause the selected piezoelectric elements and thus a targeted influencing or Kon ⁇ troll of the mold and / or in particular the rigidity of the frame assembly structure 100th Basically, it is of course borrowed possible all piezo elements 131-133 to 141-145 ⁇ control. However, it may also be useful to select only a specific subset of the piezoelectric elements 131-133, 141-145 in order to set the rigidity and / or shape of the structural structure 100 in a targeted manner.
  • damping of the oscillation can be achieved.
  • active control of the stiffness of the structural structure 100 is possible.
  • control is not only possible with dynamic loads, but also with static deflections, which, for example, may be caused by a mass deposited on the structure 100. In this case, the deflection caused by the mass can be compensated again with the aid of the piezoelements and control and regulating device 200 operated in the actuator mode.
  • This is a Sensor 300 provided on or in the vicinity of the structural structure 100, which is connected to the control and regulating device 200 and which allows detection of a change in position, a change in shape or vibrations of the structural structure 100. More generally, the sensor 300 detects a change in state of the structure of the structure.
  • the sensor 300 there is a ortsfes ⁇ th distance sensor 300 which measures continuously or at certain time intervals the distance between itself and, for example, the structural members 114, 115, 116, and supplies the measured values of the control and regulating device 200. 200, depending on the measured values is in the control and regulating device decided whether it is necessary to operate the system in Aktormodus or whether any deflections of structural elements can be used to generate electrical Ener ⁇ energy in the generator mode. In the simplest case, the sensor 300 so only monitors the position or the position of at least one of the structural members, eg. Via a measurement of the distance between sensor 300 and structural member 114.
  • control and regulating device 200 receives a corresponding sensor signal, and can send in response thereto a control signal S to the piezo element 133, which at least ⁇ added to the piezoelectric element 133 in the Aktormodus and deformation, eg. an extension of the piezoelectric element 133 causes the counteracts the detected change.
  • the energy generated in the generator mode and stored in the energy storage spoke ⁇ direction 202 can be used, for example.
  • Aktormodus to the piezoelectric elements with energy versor ⁇ gen.
  • the control signals for the plants ⁇ nen in Aktormodus piezoelectric elements can then be generated. Accordingly can alterna tively ⁇ or in addition to the sensor 300 and the operated in the generator mode piezoelectric elements 131-133, 141-145 can be used themselves as Senso ⁇ reindeer, the frame structure detection of a change in position, a change in shape and / or of vibrations etc. of the support 100 allow.
  • the control and regulating device 200 then generates therefrom the control signals S for the actuator piezo elements.
  • a vehicle or machine frame the vibrations occurring during operation of the driving ⁇ zeugs or machine usually by the inventive structure for a are to be used to produce energy.
  • the vibrations can be compensated in the actuator mode by a corresponding control of the actuators using the control and regulating device.
  • the actuators or generators can be designed ⁇ leads to run as piezoelectric elements in a different way as an alternative course.
  • pneumatic actuators which are also operable in a generator mode by the pressure built up in the module is converted by appropriate Wand ⁇ ment into another storable form of energy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine energieautarke, adaptive Tragwerksstruktur, die eine Vielzahl von Tragwerksgliedern aufweist. Zumindest zwei der Tragwerksglieder sind über ein verformbares Piezoelement derart miteinander verbunden, dass - bei einer Verformung der Tragwerksstruktur eine Krafteinwirkung auf das Piezoelement erzeugbar ist und - über eine gezielte Verformung des Piezoelements die Steifigkeit und/oder die Form der Tragwerksstruktur einstellbar ist, wobei das Piezoelement wahlweise betreibbar ist - entweder als Piezogenerator in einem Generatormodus, in dem das Piezoelement bei Krafteinwirkung zumindest eines der mit dem Modul verbundenen Tragwerksglieder auf das Piezoelement elektrische Energie erzeugt, - oder als Piezoaktor in einem Aktormodus, in dem über eine von einer Steuer- und Regelvorrichtung veranlassbare, gezielte Verformung des Piezoaktors die relative Lage der über den Piezoaktor miteinander verbundenen Tragwerksglieder einstellbar und/oder stabilisierbar ist.

Description

Beschreibung
Energieautarke adaptive Tragwerksstrukturen Die Erfindung betrifft eine energieautarke, adaptive Trag¬ werksstruktur .
Ein Bauwerk, bspw. ein Hochhaus oder eine Brücke, weist als tragende Struktur ein sog. Tragwerk mit einer Vielzahl von Traggliedern auf, welches für die Stabilität des Bauwerkes verantwortlich ist. Das Tragwerk eines Gebäudes besteht in der Regel bspw. aus Decken, Balken, Stützen, Wänden und der sog. Gründung. In der Baustatik sind im Wesentlichen zwei Gruppen von Tragwerken bekannt:
- "Stabwerke bzw. Fachwerke", bei denen die Tragglieder im Wesentlichen als Verstrebungen, Stäbe, Träger, Stützen und/oder Rahmen ausgebildet sind.
"Flächentragwerke" , bestehend aus Platten, Scheiben, Scha¬ len und/oder Membranen.
Diese kurze Aufzählung ist rein exemplarisch. Je nach Anwendung, d.h. je nachdem, welche Art von Bauwerk zu errichten ist, sind natürlich auch andere Tragwerke mit anderen Trag- werksgliedern denkbar.
Entsprechendes gilt für tragende Strukturen in anderen Anwendungen, bspw. im Fahrzeug- und Maschinenbau, wo die entspre¬ chenden Rahmen während des Betriebes des Fahrzeugs oder der Maschine Vibrationen und Erschütterungen erfahren.
Gemein ist sämtlichen derartigen Tragwerken, dass sie aus Stabilitätsgründen einerseits die nötige Steifigkeit aufwei¬ sen müssen. Andererseits muss aber auch bspw. im Falle von durch Stürme, Erdbeben oder einfach durch den Betrieb der das Tragwerk aufweisenden Maschine ausgelösten Vibrationen und Schwingungen eine gewisse Nachgiebigkeit sowie eine Anpas- sungs- und Schwingungsfähigkeit des Tragwerks gegeben sein. Insbesondere für letztere Anforderung ist es notwendig, das Tragwerk mit speziellen Aktoren auszustatten, die jedoch aufwändig an eine entsprechende Energieversorgung angebunden werden müssen. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Tragwerksstruktur und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen anzugeben, mit der die oben genannten Anforderungen erfüllt werden. Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine adaptive Tragwerksstruktur mit einer Vielzahl von Tragwerksgliedern vorgeschlagen, wobei zumindest zwei der Tragwerksglieder über ein verformbares Modul, insbesondere über ein Piezoelement , derart miteinander verbunden sind, dass
- bei einer Verformung der Tragwerksstruktur eine
Krafteinwirkung auf das Modul erzeugbar ist und
- über eine gezielte Verformung des Moduls die Steifigkeit und/oder die Form der Tragwerksstruktur einstellbar ist.
Das Modul ist wahlweise betreibbar
- entweder als Generatormodul in einem Generatormodus, in dem das Modul bei Krafteinwirkung zumindest eines der mit dem
Modul verbundenen Tragwerksglieder auf das Modul Energie, insbesondere elektrische Energie, erzeugt,
- oder als Aktormodul in einem Aktormodus, in dem über eine von einer Steuer- und Regelvorrichtung veranlassbare, gezielte Verformung des Moduls die relative Lage der über das Modul miteinander verbundenen Tragwerksglieder
einstellbar und/oder stabilisierbar ist.
In einer alternativen Ausführung der adaptiven
Tragwerksstruktur mit einer Vielzahl von Tragwerksgliedern sind zumindest zwei der Tragwerksglieder über ein
verformbares Generatormodul, insbesondere über einen
Piezogenerator, derart miteinander verbunden, dass bei einer Verformung der Tragwerksstruktur eine Krafteinwirkung auf das Generatormodul erzeugbar ist, wobei das Genertormodul in einem Generatormodus betreibbar ist, in dem das Genertormodul bei Krafteinwirkung zumindest eines der mit dem Genertormodul verbundenen Tragwerksglieder auf das Genertormodul Energie, insbesondere elektrische Energie, erzeugt. Außerdem sind zumindest zwei der Tragwerksglieder über ein verformbares Aktormodul, insbesondere über einen Piezoaktor, miteinander verbunden, wobei das Aktormodul in einem Aktormodus betreib- bar ist, in dem über eine von einer Steuer- und Regelvorrichtung veranlassbare, gezielte Verformung des Aktormoduls die relative Lage der über das Aktormodul miteinander
verbundenen Tragwerksglieder zueinander einstellbar und/oder stabilisierbar ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die über das
Generatormodul miteinander verbundenen Tragwerksglieder derart an das Generatormodul angekoppelt, dass eine relative Bewegung dieser Tragwerksglieder zueinander die Verformung des Generatormoduls bewirkt.
Weiterhin ist die Steuer- oder Regelvorrichtung ausgestaltet ist, um
- im Aktormodus mit Hilfe eines Steuersignals die gezielte Verformung des Aktormoduls zu bewirken und/oder
- im Generatormodus eine vom Generatormodul erzeugte Energie in einem Energiespeicher zu speichern und/oder an einen elektrischen Verbraucher weiter zu leiten. Dabei ist der elektrische Verbraucher das Modul im Aktor¬ modus, wobei die im Energiespeicher gespeicherte Energie zur gezielten Verformung des Moduls im Aktormodus nutzbar ist. Damit wird letztlich erreicht, dass die adaptive Tragwerks¬ struktur energieautark betrieben werden kann, d.h. es ist keine zusätzlich Energieversorgung von außen nötig. Dementsprechend kann bspw. der Aufwand zur Verkabelung gering gehalten werden. Des Weiteren weist die Tragwerksstruktur vorteilhafterweise zumindest einen Sensor auf, der mit der Steuer- oder
Regelvorrichtung verbunden ist und mit dem eine Lageänderung einzelner oder mehrerer der Tragwerksglieder detektierbar ist. Die Steuer- oder Regelvorrichtung ist derart ausgebildet, dass sie bei Detektion einer Lageänderung einzelner oder mehrerer der Tragwerksglieder das Modul im Aktormodus in Abhängigkeit von der detektierten Lageänderung regelt, wobei durch die entsprechende gezielte Verformung des Moduls im Aktormodus der Lageänderung insbesondere entgegen gewirkt wird .
Dabei ist speziell das Modul im Generatormodus als Sensor verwendbar, wobei die Steuer- oder Regelvorrichtung ausgebildet ist, um anhand der vom Modul im Generatormodus
erzeugten Energie, insbesondere anhand der erzeugten
elektrischen Spannung, die Lageänderung einzelner oder mehrerer der Tragwerksglieder zu berechnen.
Weiterhin ist zusätzlich an zumindest einem der Tragwerksglieder ein weiteres Modul angebracht, welches zumindest im Generatormodus betreibbar ist.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer Steifigkeit und/oder einer Form einer erfindungsgemäße adaptiven Tragwerksstruktur steuert die Steuer- und Regelvorrichtung das Modul im Aktormodus mit einem Steuersig¬ nal S an und bewirkt so eine gezielte Verformung des Moduls im Aktormodus, wobei durch die gezielte Verformung die rela¬ tive Lage der über das Modul im Aktormodus miteinander ver¬ bundenen Tragwerksglieder zueinander eingestellt und/oder stabilisiert wird. Alternativ oder zusätzlich wird die vom Modul im Generatormodus erzeugte Energie einem Energiespei¬ cher zugeführt und/oder von der Steuer- und Regelvorrichtung dazu genutzt, um das Modul im Aktormodus anzusteuern und mit Energie zu versorgen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Steuersignal S in Abhängigkeit von einer von einem Sensor de- tektierten Lageänderung zumindest eines der Tragwerksglieder erzeugt, insbesondere in Abhängigkeit von einer Lageänderung des Tragwerksgliedes relativ zu einem weiteren Tragwerksglied der Tragwerksstruktur .
Dabei wird das Modul im Generatormodus als Sensor verwendet, wobei in der Steuer- und Regeleinrichtung aus dem Ausgangs- signal des Moduls im Generatormodus das Steuersignal S be¬ rechnet wird.
Zusammenfassend handelt es sich bei der Erfindung also um ei¬ ne Tragwerksstruktur mit einer energieautarken, regelbaren Steifigkeit und/oder Form, die bspw. als Strukturbauteil ins¬ besondere im Hinblick auf Leichtbau und/oder Formkontrolle einsetzbar ist. Weiterhin ist aufgrund der Regelbarkeit bspw. eine aktive Vibrations- und Geräuschminderung aufgrund von Schwingungen möglich. Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, dass das Generatormodul und das Aktormodul eine Einheit bil¬ den, wobei bspw. ein aktives Piezo-Bauelement beide Funktio¬ nen bedienen kann.
Die erfindungsgemäße energieautarke, adaptive Tragwerksstruk- tur bietet die folgenden Vorteile:
- Energieautarke, aktive Schwingungs- und Formkontrolle
- Leichtbau
- Energiegewinnung für applizierte Aktoren / Sensoren
- Vermeidung von mechanischen Überlastungen ("health monito- ring" )
- Verbesserung von Lebensdauer und Zuverlässigkeit
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er- geben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt:
Figur 1 eine Tragwerksstruktur mit Piezoelementen .
Die Figur 1 zeigt eine Tragwerksstruktur 100, die bspw. Teil einer (nicht dargestellten) Brücke sein kann. Die Tragwerksstruktur weist eine Vielzahl von Tragwerksgliedern 111-116 auf, die in Tragwerksknoten 121-125 miteinander verbunden sind, so dass die Tragwerksstruktur 100 die benötigte Stabi¬ lität aufweist. Im gezeigten Beispiel sind als Tragwerksglie- der 111-116 rein exemplarisch Diagonalstreben 111-114 sowie
Längsträger 115, 116 dargestellt. Andere Arten von Tragwerks¬ gliedern, wie etwa die einleitend erwähnten Verstrebungen, Stäbe, Träger, Stützen, Rahmen etc. können natürlich je nach gewünschter Anwendung, Stabilität und Tragkraft der Trag- werksstruktur 100 auch verbaut sein. Auch kann die Tragwerksstruktur noch einfacher aufgebaut sein, als in der Figur 1 dargestellt. Bspw. könnten lediglich zwei Tragwerksglieder vorgesehen sein. In den Tragwerksknoten 121-125 sind jeweils mehrere der Trag¬ werksglieder 111-116 miteinander verbunden, um die Steifigkeit der Tragwerksstruktur 100 herzustellen. Bspw. sind im Tragwerksknoten 123 die Diagonalstreben 112, 113 und der Längsträger 115 miteinander verbunden. Hierzu sind in den Tragwerksknoten 121-125 Einrichtungen 131-135 vorgesehen, an die die Tragwerksglieder 111-116 bspw. mechanisch angebunden sind .
Darüber hinaus sind jeweils zwei der Diagonalstreben mit Hil- fe von verformbaren Piezoelementen miteinander verbunden:
Bspw. ist das Diagonalelement 111 über ein Piezoelement 131 an das Diagonalelement 112 gekoppelt, während letzteres über ein Piezoelement 132 an das Diagonalelement 113 gekoppelt ist. Weiterhin ist das Diagonalelement 114 über ein Piezoele- ment 133 an den Längsträger 116 gekoppelt. Weitere Verbindun¬ gen unterschiedlicher Tragwerksglieder miteinander sind natürlich möglich, der Übersichtlichkeit wegen aber nicht in der Figur dargestellt. Zusätzlich sind an den Längsträgern 115, 116 weitere Piezo- elemente 141-145 vorgesehen. Diese können insbesondere zur Versteifung der evtl. flächenartigen Strukturelemente (Schalen etc.) und zur Energiegewinnung genutzt werden.
Diese Piezoelemente 131-133, 141-145 sind insbesondere als piezokeramische Elemente realisiert.
Derartige Piezoelemente eignen sich bekanntermaßen zum Einen in ihrer Eigenschaft als Aktor dazu, eine Lageveränderung Δρ zu erzeugen, indem eine Spannung U angelegt wird. Zum Anderen ist bekannt, dass an einem Piezoelement in seiner Eigenschaft als Generator eine elektrische Spannung U abgreifbar ist, wenn eine Kraft F auf das Element wirkt. Demzufolge kann ein Piezoelement einerseits eingesetzt werden, um die relative Lage zweier mit dem Piezoelement verbundener Bauteile, in vorliegenden Fall die Tragwerksglieder, zueinander zu verändern. Andererseits kann dasselbe Piezoelement bei entspre¬ chender Beschaltung bzw. Verkabelung als Generator genutzt werden, der eine relative Bewegung der durch das Piezoelement miteinander verbundenen Bauteile zueinander in eine elektrische Spannung umsetzt. Unter einer "relativen Bewegung zueinander" werden dabei sowohl Verschiebungen der beiden Tragwerksglieder zueinander in den drei Raumdimensionen verstan- den, als auch Verdrehungen oder andere Winkelveränderungen, bspw. wenn die Längsachsen der beiden Tragwerksglieder gegeneinander verkippt werden.
Piezoelemente können bspw. in Form eines Piezo-Plättchens , eines Piezo-Biegewandlers oder eines Piezo-Torsionswandlers realisiert sein:
- Das Piezo-Plättchen bzw. ein aus mehreren Piezo-Plättchen zusammengesetzter Piezo-Stapel ( "piezo-stack" ) reagiert auf das Anlegen einer Spannung U damit, dass es sich bspw. in Dickenrichtung ausdehnt und in Querrichtung zusammenzieht (oder umgekehrt) . Andererseits lässt sich am Piezo-Plättchen eine Spannung U abgreifen, wenn eine Kraft F auf das Plättchen wirkt .
- Der Piezo-Biegewandler bzw. der Piezo-Torsionswandler ver- biegt bzw. verwindet sich beim Anlegen einer Spannung U. Andererseits lässt sich auch am Piezo-Biegewandler bzw. am Piezo-Torsionswandler eine Spannung U abgreifen, wenn eine Kraft F bzw. ein entsprechendes Drehmoment M auf den Wandler wirkt. Die Piezoelemente 131-133 sind bspw. in Form von Piezostapeln ausgebildet, während die Piezoelemente 141-145 als Biegewand¬ ler ausgebildet sind.
Eine solche Kraft F, die in einer abgreifbaren Spannung U re- sultiert, kann bspw. dadurch hervorgerufen werden, dass zwei mit dem Piezoelement verbundene Bauteile relativ zueinander bewegt werden, wobei unter einer Bewegung bspw. eine Verschiebung, Verdrehung und/oder Verbiegung verstanden werden kann .
Eine mechanische Last 150, die bspw. wie durch den Pfeil sym¬ bolisiert von oben auf die Tragwerksstruktur 100 drückt, re¬ sultiert in einer Verformung der Tragwerksstruktur 100. Im in der Figur gezeigten Beispiel würde die Formänderung aufgrund der Last 150 bspw. eine Verbiegung der Tragwerksstruktur 100 nach unten umfassen, einhergehend mit entsprechenden Kraftwirkungen auf die Piezoelemente 131-133 sowie mit Verformun¬ gen (Verbiegen, Strecken und/oder Stauchen) der Piezoelemente 141-145. Bspw. würde das Piezoelement 133, das das Diagonal- element 114 mit dem Längsträger 116 koppelt, bei einer sol¬ chen Krafteinwirkung gestaucht. Ähnliches gilt für die Piezo¬ elemente 132, 133.
Diese Kraftwirkung auf die Piezoelemente 131-133 verursacht in einem Generatormodus, dass an entsprechenden elektrischen Anschlüssen (nicht dargestellt) an den Piezoelementen 131-133 Spannungen U131-U133 abgegriffen werden können. Darüber hinaus werden die als Biegewandler ausgebildeten Pie- zoelemente 141-145 entsprechend der Verformung der Tragwerks- struktur 100 verbogen, so dass auch an ihnen entsprechende Spannungen U141-U145 abgreifbar sind.
Die Spannungen U131-U133 und U141-U145 werden im Generatormo¬ dus einer Steuer- und Regeleinrichtung 200 zugeführt, die an einem Träger 117 der Tragwerksstruktur 100 angebracht ist. Hierzu werden die lediglich angedeuteten Leitungen 201 ver- wendet, die die Piezoelemente 131-133 und 141-145 mit der
Steuer- und Regeleinrichtung 200 verbinden und die bspw. an oder in den Tragwerksgliedern verlaufen können. In der Steuer- und Regeleinrichtung 200 kann die den Spannungen U entsprechende elektrische Energie E einem Energiespeicher 202, bspw. ein Akku oder ein Kondensator, gespeichert und/oder direkt einem elektrischen Verbraucher (nicht dargestellt) zugeführt werden.
Vorteilhafterweise sind die Piezoelemente 131-133 und/oder 141-145 nicht nur wie soeben beschrieben in einem ersten Modus als Generator nutzbar, sondern auch in einem zweiten Modus in ihrer Eigenschaft als Aktor, dessen Form oder räumliche Ausdehnung über die an den Aktor angelegte Spannung einstellbar ist.
Der Zweck des Aktormodus liegt insbesondere darin, mit Hilfe der Piezoelemente eine aktive Kontrolle der Steifigkeit der Tragwerksstruktur 100 zu erzielen und/oder einer Formänderung der Tragwerksstruktur 100, bspw. ausgelöst durch äußere Ein- flüsse, entgegen zu wirken, wodurch die Formänderung ausgeglichen wird oder evtl. Schwingungen und Vibrationen der Tragwerksstruktur 100 gedämpft werden.
Der Zweck des Generatormodus liegt insbesondere darin, Ver- formungen der Tragwerksstruktur 100 zur Erzeugung von elektrischer Energie zu nutzen. Zusätzlich können in der Steuer- und Regeleinrichtung im Generatormodus anhand der abgreifba¬ ren Spannungen Rückschlüsse auf die auf die Tragwerksstruktur 100 bzw. auf die mit dem Piezoelement verbundenen Tragwerks- glieder wirkenden Kräfte gezogen werden. Diese Informationen können zur gezielten Ansteuerung der Piezoelemente im Aktormodus genutzt werden, um der Verformung der Tragwerksstruktur gezielt entgegen zu wirken.
Im Aktormodus werden ausgewählten der Piezoelemente 131-133, 141-145 (oder sogar allen Piezoelementen) von der Steuer- und Regeleinrichtung 200 über die Leitungen 201 Steuersignale S bspw. in Form von Spannungssignalen zugeführt, die eine Änderung der Form oder der räumlichen Ausdehnung der ausgewählten Piezoelemente und damit eine gezielte Beeinflussung bzw. Kon¬ trolle der Form und/oder insbesondere der Steifigkeit der Tragwerksstruktur 100 bewirken. Grundsätzlich ist es natür- lieh möglich, sämtliche Piezoelemente 131-133, 141-145 anzu¬ steuern. Es kann aber auch sinnvoll sein, nur eine bestimmte Untermenge der Piezoelemente 131-133, 141-145 auszuwählen, um die Steifigkeit und/oder Form der Tragwerksstruktur 100 gezielt einzustellen.
Hiermit lässt sich bspw. für den Fall, dass eine dynamische, d.h. zeitlich variierende Last 150 auf die Tragwerksstruktur 100 wirkt, die eine ungewollte Schwingung der Tragwerksstruktur 100 erzwingt, eine Dämpfung der Schwingung erreichen. Allgemeiner ausgedrückt ist hiermit eine aktive Kontrolle der Steifigkeit der Tragwerksstruktur 100 möglich. Dabei ist eine Kontrolle bzw. Regelung natürlich nicht nur bei dynamischen Lasten möglich, sondern auch bei statischen Auslenkungen, die bspw. aufgrund einer auf der Tragwerksstruktur 100 abgestell- ten Masse hervorgerufen sein können. In diesem Fall kann mit Hilfe der im Aktormodus betriebenen Piezoelemente und Steuer- und Regeleinrichtung 200 die durch die Masse bewirkte Auslenkung wieder ausgeglichen werden. Die Vorgabe, ob das System bestehend aus den Piezoelementen und der Steuer- und Regeleinrichtung im Aktormodus oder im Generatormodus betrieben wird, erfolgt idealerweise automa¬ tisch durch die Steuer- und Regeleinrichtung. Hierzu ist ein Sensor 300 an der oder im Umfeld der Tragwerksstruktur 100 vorgesehen, der mit der Steuer- und Regeleinrichtung 200 verbunden ist und der eine Detektion einer Lageänderung, einer Formänderung oder von Schwingungen der Tragwerksstruktur 100 erlaubt. Allgemeiner ausgedrückt detektiert der Sensor 300 eine Zustandsänderung der Tragwerksstruktur.
Im gezeigten Beispiel handelt es sich also um einen ortsfes¬ ten Abstandssensor 300, der kontinuierlich oder in bestimmten zeitlichen Abständen den Abstand zwischen sich und bspw. den Tragwerksgliedern 114, 115, 116 misst und die Messwerte der Steuer- und Regeleinrichtung 200 zuführt. In Abhängigkeit von den Messwerten wird in der Steuer- und Regeleinrichtung 200 entschieden, ob es notwendig ist, das System im Aktormodus zu betreiben, oder ob evtl. Auslenkungen der Tragwerksglieder genutzt werden können, um im Generatormodus elektrische Ener¬ gie zu erzeugen. Im einfachsten Fall überwacht der Sensor 300 also lediglich die Position bzw. die Lage zumindest eines der Tragwerksglieder, bspw. über eine Messung des Abstandes zwischen Sensor 300 und Tragwerksglied 114. Bei einer Abstands¬ änderung empfängt die Steuer- und Regeleinrichtung 200 ein entsprechendes Sensorsignal und kann in Reaktion hierauf ein Steuersignal S an das Piezoelement 133 schicken, welches zu¬ mindest das Piezoelement 133 in den Aktormodus versetzt und eine Verformung, bspw. eine Ausdehnung, des Piezoelementes 133 bewirkt, die der detektierten Änderung entgegen wirkt.
Die im Generatormodus erzeugte und in der Energiespeicherein¬ richtung 202 gespeicherte Energie kann bspw. im Aktormodus genutzt werden, um die Piezoelemente mit Energie zu versor¬ gen .
Grundsätzlich sind natürlich unterschiedliche Vorgaben denkbar, unter welchen Voraussetzungen sich das System in welchem Modus befindet. Bspw. könnte vorgesehen sein, dass bei Vor¬ liegen einer dynamisch wechselnden mechanischen Belastung der Generatormodus vorgezogen wird. Auch ist es möglich, gleichzeitig einige der Piezoelemente im Generatormodus und andere der Piezoelemente im Aktormodus zu betreiben. Die an den im Generatormodus betriebenen Piezoelementen abgreifbaren Spannungen können dabei in zweierlei Weise genutzt werden: Zum Einen kann die erzeugte Energie dem Energiespeicher und/oder den im Aktormodus befindlichen Piezoelementen zugeführt werden. Zum Anderen können die abgreifbaren Spannungen auch dazu genutzt werden, um Rückschlüsse auf die in der Tragwerks- struktur 100 wirkenden Kräfte zu ziehen. Basierend auf diesen Rückschlüssen bzw. auf den so ermittelten wirkenden Kräften können dann die Steuersignale für die im Aktormodus betriebe¬ nen Piezoelemente erzeugt werden. Demzufolge können alterna¬ tiv oder zusätzlich zum Sensor 300 auch die im Generatormodus betriebenen Piezoelemente 131-133, 141-145 selbst als Senso¬ ren verwendet werden, die eine Detektion einer Lageänderung, einer Formänderung und/oder von Schwingungen etc. der Trag- werksstruktur 100 erlauben. Die Steuer- und Regeleinrichtung 200 erzeugt dann daraus die Steuersignale S für die Aktor- Piezoelemente . Auch ist es möglich, einige oder alle der Pie¬ zoelemente abwechselnd im Generatormodus und im Aktormodus zu betreiben: Im Generatormodus wird wie beschrieben Energie er¬ zeugt und wirkende Kräfte gemessen, im anschließenden Aktormodus wird die erzeugte Energie zum Betreiben der Aktoren ge¬ nutzt und die anhand der abgreifbaren Spannungen ermittelten wirkenden Kräfte werden genutzt, um die Steuersignale S fest- zulegen.
Insbesondere im Aktormodus ist es durch eine entsprechende Ansteuerung der Piezoaktoren möglich, eine aktive Geräuschsund Vibrationsunterdrückung zu realisieren.
Oben wurde erwähnt, dass die im Zusammenhang mit den Figuren beschriebene Tragwerksstruktur für eine Brücke verwendet wer¬ den kann. Dies ist natürlich rein exemplarisch zu verstehen. Andere potentielle Anwendungsgebiete von derartigen Trag- Werksstrukturen sind z.B. der Automobilbau, Maschinenrahmen, Türme von Windkraftanlegen und Kränen usw. Die ebenfalls oben erwähnten Formänderungen, denen entgegen gewirkt werden soll, umfassen bspw. für den Fall, dass die Tragwerksstruktur ein Teil eines Bauwerkes ist, z.B. Teil ei¬ nes Hochhauses oder einer Brücke, Erschütterungen oder Vibra- tionen der Tragwerksstruktur, die z.B. durch Erdbeben oder bei starken Winden ausgelöst werden können. Ist die Tragwerksstruktur dagegen ein Bauteil bspw. eines Fahrzeug- oder Maschinenrahmens, so sind die während des Betriebs des Fahr¬ zeugs oder der Maschine in der Regel auftretenden Vibrationen durch die erfindungsgemäße Struktur zum Einen dazu nutzbar, Energie zu erzeugen. Zum Anderen können die Vibrationen im Aktormodus durch eine entsprechende Ansteuerung der Aktoren mit Hilfe der Steuer- und Regeleinrichtung ausgeglichen werden .
Die Aktoren bzw. Generatoren können natürlich alternativ zur Ausführung als Piezoelemente in anderer Art und Weise ausge¬ führt sein. Rein exemplarisch seien pneumatische Aktoren genannt, die ebenfalls in einem Generatormodus betreibbar sind, indem der im Modul aufgebaute Druck durch entsprechende Wand¬ lung in eine andere, speicherbare Energieform umgesetzt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Adaptive Tragwerksstruktur mit einer Vielzahl von
Tragwerksgliedern (111-115), wobei zumindest zwei (111, 112) der Tragwerksglieder über ein verformbares Modul (131), insbesondere über ein Piezoelement , derart miteinander verbunden sind, dass
- bei einer Verformung der Tragwerksstruktur eine
Krafteinwirkung auf das Modul (131) erzeugbar ist und
- über eine gezielte Verformung des Moduls (131) die
Steifigkeit und/oder die Form der Tragwerksstruktur
einstellbar ist,
wobei das Modul (131) wahlweise betreibbar ist
- entweder als Generatormodul in einem Generatormodus, in dem das Modul (131) bei Krafteinwirkung zumindest eines der mit dem Modul (131) verbundenen Tragwerksglieder (111, 112) auf das Modul (131) Energie, insbesondere elektrische Energie, erzeugt,
- oder als Aktormodul in einem Aktormodus, in dem über eine von einer Steuer- und Regelvorrichtung (200) veranlassbare, gezielte Verformung des Moduls (131) die relative Lage der über das Modul (131) miteinander verbundenen
Tragwerksglieder (111, 112) einstellbar und/oder
stabilisierbar ist.
2. Adaptive Tragwerksstruktur mit einer Vielzahl von
Tragwerksgliedern (111-115), wobei
- zumindest zwei (111, 112) der Tragwerksglieder über ein verformbares Generatormodul (131), insbesondere über einen Piezogenerator, derart miteinander verbunden sind, dass bei einer Verformung der Tragwerksstruktur eine Krafteinwirkung auf das Generatormodul (131) erzeugbar ist, wobei das
Genertormodul (131) in einem Generatormodus betreibbar ist, in dem das Genertormodul (131) bei Krafteinwirkung
zumindest eines der mit dem Genertormodul (131) verbundenen
Tragwerksglieder (111, 112) auf das Genertormodul (131) Energie, insbesondere elektrische Energie, erzeugt, und - zumindest zwei (112, 113) der Tragwerksglieder über ein verformbares Aktormodul (132), insbesondere über einen Piezoaktor, miteinander verbunden sind, wobei das
Aktormodul (132) in einem Aktormodus betreibbar ist, in dem über eine von einer Steuer- und Regelvorrichtung (200) veranlassbare, gezielte Verformung des Aktormoduls (132) die relative Lage der über das Aktormodul (132) miteinander verbundenen Tragwerksglieder (112, 113) zueinander
einstellbar und/oder stabilisierbar ist.
3. Tragwerksstruktur (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die über das Generatormodul miteinander verbundenen Tragwerksglieder (111, 112) derart an das
Generatormodul angekoppelt sind, dass eine relative Bewegung dieser Tragwerksglieder (111, 112) zueinander die Verformung des Generatormoduls bewirkt.
4. Tragwerkstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- oder
Regelvorrichtung (200) ausgestaltet ist, um
- im Aktormodus mit Hilfe eines Steuersignals die gezielte Verformung des Aktormoduls zu bewirken und/oder
- im Generatormodus eine vom Generatormodul erzeugte Energie in einem Energiespeicher zu speichern und/oder an einen elektrischen Verbraucher weiter zu leiten.
5. Tragwerkstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Verbraucher das Modul im Aktormodus ist, wobei die im Energiespeicher gespeicherte Energie zur
gezielten Verformung des Moduls im Aktormodus nutzbar ist.
6. Tragwerksstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragwerksstruktur zumindest einen Sensor (131-133, 141-145, 300) aufweist, der mit der Steuer- oder Regelvorrichtung (200) verbunden ist und mit dem eine Lageänderung einzelner oder mehrerer der
Tragwerksglieder (111-116) detektierbar ist, wobei die
Steuer- oder Regelvorrichtung (200) derart ausgebildet ist, dass sie bei Detektion einer Lageänderung einzelner oder mehrerer der Tragwerksglieder das Modul im Aktormodus in Abhängigkeit von der detektierten Lageänderung regelt, wobei durch die entsprechende gezielte Verformung des Moduls im Aktormodus der Lageänderung insbesondere entgegen gewirkt wird .
7. Tragwerksstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul im Generatormodus als Sensor verwendbar ist, wobei die Steuer- oder Regelvorrichtung (200) ausgebildet ist, um anhand der vom Modul im Generatormodus erzeugten Energie, insbesondere anhand der erzeugten elektrischen
Spannung, die Lageänderung einzelner oder mehrerer der
Tragwerksglieder zu berechnen.
8. Tragwerksstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich an zumindest einem der Tragwerksglieder ein weiteres Modul (141-145) angebracht ist, welches zumindest im Generatormodus betreibbar ist.
9. Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer Steifigkeit und/oder einer Form einer adaptiven Tragwerksstruktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
- die Steuer- und Regelvorrichtung (200) das Modul im Aktor- modus mit einem Steuersignal S ansteuert und so eine ge¬ zielte Verformung des Moduls im Aktormodus bewirkt, wobei durch die gezielte Verformung die relative Lage der über das Modul im Aktormodus miteinander verbundenen Tragwerks¬ glieder zueinander eingestellt und/oder stabilisiert wird, und/oder
- die vom Modul im Generatormodus erzeugte Energie einem
Energiespeicher zugeführt und/oder von der Steuer- und Regelvorrichtung (200) dazu genutzt wird, um das Modul im Ak¬ tormodus anzusteuern und mit Energie zu versorgen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal S in Abhängigkeit von einer von einem Sensor detektierten Lageänderung zumindest eines der Tragwerksglie- der erzeugt wird, insbesondere in Abhängigkeit von einer La¬ geänderung des Tragwerksgliedes relativ zu einem weiteren Tragwerksglied der Tragwerksstruktur.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul im Generatormodus als Sensor verwendet wird, wobei in der Steuer- und Regeleinrichtung aus dem Ausgangssignal des Moduls im Generatormodus das Steuersignal S berechnet wird .
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