Advanced Design Concepts and Efficient Finite Element Modeling for Dielectric Elastomer Devices

Abstract

Dielectric elastomers (DEs) offer their use in numerous applications, due to their advantages compared to conventional actuators and sensors. They excel in properties such as lightweight, energy efficiency, low-noise and inherent compliance, just to name a few. In particular, actuator and sensor systems based on membrane DEs show their potential in many fields, from the automotive industry to consumer electronics. Defined procedures which permit an efficient design process are required in order to allow the development of novel DE devices. Additionally, numerical methods for the optimization of such processes are of interest. The first part of this dissertation provides advanced design methods for actuator and sensor applications. For DE actuators, systems biased with permanent magnets are investigated and design rules are derived in order to maximize the stroke for a given load case. For DE sensors, the field of high pressure measurements is developed, introducing concepts for intrusive and nonintrusive sensor systems. In the second part of this dissertation, numerical methods for membrane DE actuators based on the Finite Element method are derived. The main focus is fast computation time and numerical efficiency. Two approaches are presented, one based on a two-dimensional continuum formulation and one based on a three-dimensional membrane formulation. The resulting models allow the investigation of local field distributions, such as stresses, thickness and electric field.

Dielektrische Elastomere (DE) bieten sich durch ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen Aktoren und Sensoren für viele Anwendungen an. Sie zeichnen sich aus durch geringes Gewicht, hohe Energieeffizienz, geräuschlosen Betrieb und inhärente Dehnbarkeit. Um die Entwicklung neuer DE Anwendungen voranzutreiben, werden effiziente Auslegungsprozesse benötigt. Zusätzlich sind numerische Methoden zur Optimierung solcher Prozesse von Interesse. Der erste Teil dieser Dissertation entwickelt fortgeschrittene Entwicklungsmethoden für Aktorund Sensorsysteme. Für DE Aktoren werden Systeme mit Permanentmagneten als Vorspannmechanismus untersucht und eine Prozedur zur Maximierung des Aktorhubs für eine vorgegebene Last hergeleitet. Für DE Sensoren wird das Feld der Hochdruckmessung erschlossen, indem Konzepte für intrusive und nicht-intrusive Druckmessungen entwickelt werden. Der zweite Teil dieser Dissertation leitet numerische Modelle für die Simulation von DE Aktoren basierend auf der Finite Elemente Methode her. Der Hauptfokus liegt hierbei auf schnellen Rechenzeiten und numerischer Effizienz. Der erste diskutierte Ansatz basiert auf einer zweidimensionalen Kontinuumsformulierung, während der zweite Ansatz auf einer dreidimensionalen Membranformulierung basiert. Die resultierenden Modelle erlauben die Untersuchung lokaler Feldverteilungen, beispielsweise der mechanischen Spannung, der Dickenänderung und dem elektrischen Feld.