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Autor Thema:  Scherspannung in Pizeo-Keramik (2641 mal gelesen)
A.Polyp
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randbedingungen.png


max_shear.png

 
Hallo!

Bei mir ist eine Frage aufgekommen, die ich nicht ganz sicher in ein Unterforum einordnen kann (ggf. kann ein_e Moderator_in das Thema auch gerne verschieben).

Ich simuliere einen Keramikzylinder (Piezoelement) der Druck belastet ist. Er ist in ein größeres Bauteil integriert was bei Belastung deformiert. Da die Krafteinleitung in den Piezo nicht sicher axial Verläuft habe ich mir dir Scherspannungen angesehen – diese sollen in einem Piezoelement möglichst minimal sein bzw. es dürfen keine Auftreten – leider gibt es kaum Literatur hierzu, aber von einem Hersteller habe ich erfahren, dass zB die Scherspannung < 1000 psi sein soll (~6.9 MPa) für monolithische Elemente, bei multilayer Elementen < 1 MPa.
Da trotz verschiedener Lagerungen die Spannungen immer zu hoch waren habe ich eine Simulation an einem vereinfachten Aufbau vorgenommen:

- Zylinder
- Lagerung
        (A: Grundfläche uz=0
        B: 1 Punkt fixiert
        und C: 1 Punkt uy=0 um die verbleibende Rotation zu sperren für eine Vermeeidung von Starrkörperbewegung – siehe Bilder)
- Krafteinleitung auf Deckfläche, vorerst axial

Mich wundert jetzt das bei dieser geringen Belastung (von Mises Spannung im Material ~6.36 MPA)  schon konstante Scherspannungen auftreten (Max shear ~3.18 MPa; siehe Bild).
Das hat mich erst verdutzt – jetzt denke ich dass sich diese auch durch den Mohrschen Spannungskreis erklären lassen (Also die minimale Hauptspannung ist ja als S3 bei dieser Belastung mit ~-6.36 MPa auch Betragsmäßig gleich der von Mises Vergleichsspannung und S1 quasi Null. Damit muss für die Schubspannung ja S3/2 gelten, dh der Radius des Kreises).
Jetzt frage ich mich wie ich bei einer solchen Situation das Auftreten von Scherspannungen bewerten soll, da diese ja anscheinend per se im Material vorliegen oder ob es dabei nur um zusätzliche Scherung geht. Die Belastungen sollten theoretisch so für das Material völlig üblich und ertragbar sein (sowohl für monolith. als auch multilayer Elemente).

Grundsätzlich möchte ich natürlich von diesem einfaachen Aufbau wieder weg um in meinem realeren Modell die Belastung (auch hinsichtlich Scherung/Ungleichmäßiger bzw nicht axialer Belastung) zu bewerten.

Vielleicht habe ich aber auch einen riesigen Denkfehler?
Ich hoffe ich konnte meine Frage verständlich machen, sonst gerne Rückfragen!
Vielen Dank für die Hilfe
A

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Roland Schröder
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erstellt am: 25. Mrz. 2019 17:03    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für A.Polyp 10 Unities + Antwort hilfreich

Moin!

Natürlich hast Du bei einem äußerlich einachsigen Spannungszustand immer auch Scherspannungen unter 45°.

Und wer sagt, dass Quarzmessscheiben keinen Schub vertragen? Es gibt doch eigens Quarzelemente für die Messung von Schubkräften. Die werden allerdings in einem anderen Winkel aus dem Quarz geschnitten und müssen mit Vorspannung eingebaut werden. Kann es sein, dass Du Dir das mit der Vorspannung noch mal richtig ansehen musst? Gute Erklärungen gibt es hier:  https://www.kistler.com/?type=669&fid=358&model=download

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Roland 
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[Diese Nachricht wurde von Roland Schröder am 25. Mrz. 2019 editiert.]

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ccmpe20
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erstellt am: 25. Mrz. 2019 19:28    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für A.Polyp 10 Unities + Antwort hilfreich

Zitat:
Original erstellt von A.Polyp:
... Ich simuliere einen Keramikzylinder (Piezoelement) der Druck belastet ist ... aber von einem Hersteller habe ich erfahren, dass zB die Scherspannung < 1000 psi sein soll (~6.9 MPa) für monolithische Elemente, bei multilayer Elementen < 1 MPa.

Was übt den Druck aus ??? Bei deinen Einheiten [MPa] gehe ich mal von einer Flüssigkeit aus, welche das Piezoelement durch hydrostatischen Druck belastet.
Andererseits kann eine Scherspannung nicht die Einheit [psi] haben, sondern immer noch [N/mm^2].

Irgendwas passt da nicht ganz zusammen     

Adele 

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Roland Schröder
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Zitat:
Original erstellt von ccmpe20:
... Einheiten [MPa] gehe ich mal von einer Flüssigkeit aus,...
Warum? Auch mechanische Spannungen können in MPa angegeben werden werden. Sogar vornehmlich, weil sie meist bei höheren Werten liegen als Fluiddrücke. 
Zitat:
Original erstellt von ccmpe20:
... kann eine Scherspannung nicht die Einheit [psi] haben, ...
Doch, kann sie!

Die Dimension ist in allen drei Fällen (hydrostatischer Druck, einachsiger Druck, Scherspannung) und bei allen drei genannten Einheiten (Pa, N/mm², psi) Kraft pro Fläche.

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Roland  
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ccmpe20
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Zitat:
Original erstellt von Roland Schröder:
Auch mechanische Spannungen können in MPa angegeben werden werden ...

Das ist mir bis heute noch nie untergekommen, vor allem hier in Österreich nicht.
Hier wird nämlich noch zwischen mechan. Spannungen [N/mm^2] und Drücken [bar, Pa] unterschieden.
Etwas anderes geht doch garnicht, z.B. Zugspannung Sigma = 100 Pa .
Ist das Gleiche wie die EU-Verordnung zur Gurkenkrümmung.

Zitat:
Original erstellt von Roland Schröder:
Die Dimension ist in allen drei Fällen (hydrostatischer Druck, einachsiger Druck, Scherspannung) und bei allen drei genannten Einheiten (Pa, N/mm², psi) Kraft pro Fläche.

Geht ja garnicht anders - trotzdem kann man Spannung und Druck nicht einfach gleichsetzen, allein schon wegen der Unterscheidung zwischen den beiden Belastungsarten.

Zum Schluß noch ein passendes Zitat von den Ludolfs

Zitat:
Ihr seid doch alle geistesgedonnert !

Adele 

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[Diese Nachricht wurde von ccmpe20 am 25. Mrz. 2019 editiert.]

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A.Polyp
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Hallo vielen Dank für die Antwort!

erstmal zum Thread verlauf, bevor das hier in einer Einheiten-Diskussion mündet:
- Ich habe einfach eine Kraft auf die Deckfläche eingeleitet, die üblicherweise von einem Element dieser Dimension ertragen werden sollte.
Ob diese aus einer mechanischen Belastung oder anderen resultiert war für mich hier nicht relevant.
- Die angaben zur mechanischen Belastbarkeit kamen in MPa, darum ist eine Auswertung der Belastung in MPa auch sinnig und für mich im Maschinenbau auch üblich. Ich kenne im DACH-Raum eigtl keine Materialgrenzen (ob nun Zug-, Bruch oder andere Festigkeiten, ..., Wöhlerkurven) die nicht in MPa angegeben werden). Vlt ist das aber auch nur im akademischen Bereich so.


Für meine eigtl Frage:

Ich freue mich über die Bestätigung meiner Interpretation das hier Scherspannungen vorliegen müssen.
Meine Frage geht mehr in die Richtung wie ich bei den Aussagen hier (für axial belastete Piezoelemente, keine Scherelemente!)

- "Can apply a torque on my piezo stack?
It is not recommended to apply torque on a piezo stack. In the case where a stack is preloaded using a nut, it is important to make sure that the tightening torque is not transmitted to the stack. Shear stress above 1MPa can lead to failure of the adhesive layer between the ceramic elements." (Quelle http://www.noliac.com/tutorials/faq/)

- "max Tensile/Shear force would be around 1000 PSI" (Mail von Hersteller)

meine simulativ ermittelte Scherspannung (die ja wie besprochen allein schon durch die ertragbare mechan. Spannung höher liegt als die Werte oben) hiermit in Einklang bringen kann bzw. wie ich dann damit evaluieren kann inwiefern meine Krafteinleitung "nicht axial genug" erfolgt.

Letzteres nochmal detailierter, falls nicht klar: Ich simuliere das Piezoelement in einem komplexeren aufbau und fürchte das eine nicht ganz axiale Krafteinleitung vorliegen kann (da zB keine bewegliche Lagerung). Zum abklären möchte ich mir die Scherspannung ansehen, denn diese wird mir immer im Kontext gegeben mit einer nicht axialen Belastung.


Liebe Grüße
A

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ccmpe20
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Zitat:
Original erstellt von A.Polyp:
... bevor das hier in einer Einheiten-Diskussion mündet ...

Das tut es ja nicht. Aufgrund der Angaben in [MPa] muss man aber auf eine Belastung durch hydrostat. Druck ausgehen.
Weil dann die Belastung auf das Piezoelement überall gleich ist, kann es zu keinen Scherspannungen kommen.

Zitat:
Original erstellt von A.Polyp:
Da die Krafteinleitung in den Piezo nicht sicher axial verläuft ...

kommt es zu Scherspannungen im 45° Winkel und weil

Zitat:
Original erstellt von A.Polyp:
... diese sollen in einem Piezoelement möglichst minimal sein bzw. es dürfen keine Auftreten ...

stellt sich die Frage, wie sich das Ganze in der Scherebene (Gitterstruktur des Piezoelements) verhält.

Habe die halbe Nacht in meinen zahlreichen Unterlagen gesucht, jedoch nicht viel anderes als das hier gefunden.

Vielleicht zum besseren Verständnis der Scherspannung bei kristallinen Werkstoffen.
Adele  

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[Diese Nachricht wurde von ccmpe20 am 26. Mrz. 2019 editiert.]

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erstellt am: 26. Mrz. 2019 11:24    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für A.Polyp 10 Unities + Antwort hilfreich

Zitat:
Original erstellt von ccmpe20:
... muss man aber auf eine Belastung durch hydrostat. Druck ausgehen ...
Kann bitte mal jemand der hier befugten Moderatoren diesen Unsinn löschen? Mit solchen Beiträgen wird das Forum unlesbar  Wenn hier jetzt jeder schreibt, was er alles nicht kennt und nicht versteht und zur vermeintlichen Bekräftigung mit Schrottplatzparolen um sich wirft, können wir das Forum auch gleich ganz schließen.

Die oben von A.Polyp zitierten Grenzwerte beziehen sich vermutlich auf die Montagesituation, in der bei unsachgemäßer Handhabung auf den fraglichen Sensor Drehmomente oder Schubkräfte ausgeübt werden können, bevor eine ausreichende axiale Vorspanung aufgebaut ist. Auch wenn die ordnungsgemäße Vospannung dann aufgebaut ist, gibt es noch Grenzen für Drehmomente oder Querkräfte, genau so wie es welche für die axiale Kraft gibt, aber die innere, unter 45° auftretende Scherspannung kann damit nicht gemeint sein!

Völlig abwegig ist die Annahme eines hydrostatischen Spannungzustandes, denn dann würde ein Piezoelement gar nichts anzeigen.

Ich empfehle noch ein Mal, statt irgendwelche altertümlichen alpenländischen Sitten und Gebräuche oder unzureichende Wikipedia-Artikel heranzuziehen, die Fachlieteratur von z. B. Kistler zu lesen; die machen das seit Jahrzehnten und können das (und ich arbeite seit 1982 mit solchen Sensoren).

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Roland  
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erstellt am: 26. Mrz. 2019 11:44    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für A.Polyp 10 Unities + Antwort hilfreich

Das heute von A.Polyp gesetzte Link deutete darauf hin, dass es hier nicht um einen Sensor sondern um einen Aktuator geht. Ist das so? Wäre zwar schön gewesen, diese Information gleich zu haben, ändert aber nichts am grundlegenden Sachverhalt.

Auch bei exakt axialer Belastung gibt es im Piezoelement die Scherspannungen unter 45°, und sofern die sonstigen Lastgrenzen eingehalten werden, ist das so auch völlig in Ordnung. Es ist sogar so, dass das Piezoelement nur durch diese Scherspannungen funktionieren kann. Entweder erzeugt die aufgebrachte Verformung eine Scherung und daduch eine messbare Spannung (=>Sensor), oder die aufgebrachte Spannung erzeugt eine Scherung und dadurch eine nutzbare Verformung (=>Aktor).

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A.Polyp
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Vielen Dank für diese Antwort!

Was heißt das nun für mich im Konkreten?
Denn auch selbst bei einer ausreichenden Vorlast kann ja zusätzlich eine andere Kraftkomponente entstehen bzw. Eingeleitet werden.
Wie kann ich vorgehen um hier die Werte evaluieren?
Eine (vlt zu simple) Idee wäre zB in der Simulation
- die Scherspannungen und wirkenden (Kontakt)kräfte zu ermitteln
- die totale Kontaktkraft auf ein ideal axial belastetes Bauteil Übertragen
Die Differenz zwischen beiden Situationen ermitteln als zusätzlichen Eintrag?

Viele Grüße

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erstellt am: 26. Mrz. 2019 11:57    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für A.Polyp 10 Unities + Antwort hilfreich

Zitat:
Original erstellt von A.Polyp:
Was heißt das nun für mich im Konkreten?
Es ist theoretisch unzweifelhaft, dass so ein Element je nach Vorspanung auch einen gewissen Schub ertragen kann. Leider finde auch ich in den Angaben von Noliac bisher keine klare Aussage, wie groß der Schubanteil sein darf.

Sind denn äußere Schubkräfte zu berücksichtigen?

Wenn ja, musst Du die mechanisch so steif abfangen, dass das Piezoelement nur noch minimal davon mitbekommt, z.B. mit einer Membranfeder.

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Roland  
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erstellt am: 26. Mrz. 2019 14:18    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für A.Polyp 10 Unities + Antwort hilfreich

Liebe Adele,

wie schon erwähnt kann ein hydrostatischer Spannungszustand keine Scherspannung hervorrufen. Auch trägt die Maßeinheit, mit der die Größe eines Fluiddrucks oder einer mechanischen Zug- oder Druckspannung angegeben wird, keine Information zum räumlichen Spanungszustand. Das lernen Ingenieure auch in Österreich.

Und ich lasse mich nur sehr ungern beschimpfen, weder unter Pseudonym, noch per PM.

Ich wünsche noch ein schönes Restleben!

------------------
Roland  
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[Diese Nachricht wurde von Roland Schröder am 26. Mrz. 2019 editiert.]

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Andy-UP
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erstellt am: 01. Apr. 2019 08:07    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für A.Polyp 10 Unities + Antwort hilfreich

Hallo ihr Lieben,
Leider war ich für 1 Woche ausser Gefecht gesetzt, so dass ich weder arbeiten noch das Forum hier verfolgen konnte.
Ich habe die Nachricht mit der Bitte um Löschung dieses Beitrags. Ich möchte diesen besagten Beitrag aber eigentlich nicht löschen, auch wenn der Tonfall vielleicht ein bisschen daneben ist.
Die Lesbarkeit des gesamten Threads würde bei der Löschung zu sehr leiden. Ich hoffe doch sehr, dass wir uns alle auf die Erläuterung von Roland bzgl. der Einheiten für Druck, Zugspannung usw. einigen können.

Ciao
Andreas 

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Roland Schröder
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erstellt am: 01. Apr. 2019 13:53    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für A.Polyp 10 Unities + Antwort hilfreich

Zur Ergänzung:
Der fragliche Kollege hat sich später noch ein weiteres Mal privat an mich gewandt, und wir haben uns geeinigt, dass ich ihm auch ein bisschen unrecht getan habe; dass wir uns wegen dieser Sache aber nicht streiten wollen. 

Es wäre nun allerdings schön, zu erfahren, was denn aus der eigentlichen Frage geworden ist.

------------------
Roland  
www.Das-Entwicklungsbuero.de

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