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Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler (NumSiElWa)5 ECTS (englische Bezeichnung: Numerical Simulation of Electromechanical Transducers)
Modulverantwortliche/r: Stefan J. Rupitsch Lehrende:
Stefan J. Rupitsch
Studienfächer/Prüfungsordnungsmodule:
Einfrieren der UnivIS-Modul-Beschreibung: 2.3.2019
Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler (23532)
2 Sensorik (40956)
2 Sensorik (41359)
Wahlmodulbereich aus der FAU (81069)
Start semester: |
SS 2019 | Duration: |
1 semester | Cycle: |
jährlich (SS) |
Präsenzzeit: |
60 Std. | Eigenstudium: |
90 Std. | Language: |
Englisch |
Lectures:
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Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler
(Vorlesung, 2 SWS, Stefan J. Rupitsch, Wed, 10:15 - 11:45, SR 02.028)
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Übungen zu Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler
(Übung, 2 SWS, Michael Nierla, Wed, 8:15 - 9:45, SR 02.028; starting 8.5.2019)
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:
Keywords: Finite Elemente, Numerische Simulation, Magnetik, Mechanik, Akustik, Mehrfeldproblem
Verwendbarkeit des Moduls / Einpassung in den Musterstudienplan: Das Modul ist im Kontext der folgenden Studienfächer/Vertiefungsrichtungen verwendbar:
- Berufspädagogik Technik (Bachelor of Science)
(Po-Vers. 2011 | TechFak | Berufspädagogik Technik (Bachelor of Science) | Studienrichtung Elektrotechnik und Informationstechnik | Wahlpflichtmodule Fachwissenschaft | Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler)
- Berufspädagogik Technik (Master of Education)
(Po-Vers. 2010 | TechFak | Berufspädagogik Technik (Master of Education) | Studienrichtung Elektro- und Informationstechnik (Masterprüfungen) | Wahlpflichtmodule Fachwissenschaft | Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler)
- Berufspädagogik Technik (Master of Education)
(Po-Vers. 2018w | TechFak | Berufspädagogik Technik (Master of Education) | Gesamtkonto | Wahlpflichtmodule Fachwissenschaft | Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler)
- Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (Bachelor of Science): 5-6. Semester
(Po-Vers. 2007 | TechFak | Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (Bachelor of Science) | Studienrichtungen (Wahlpflichtmodule) | Studienrichtung Automatisierungstechnik | Vertiefungsmodule Automatisierungstechnik | Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler)
- Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (Bachelor of Science): 5-6. Semester
(Po-Vers. 2009 | TechFak | Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (Bachelor of Science) | Studienrichtungen | Studienrichtung Automatisierungstechnik | Vertiefungsmodule (Wahlpflichtmodule) Automatisierungstechnik | Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler)
- Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (Bachelor of Science)
(Po-Vers. 2017w | TechFak | Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (Bachelor of Science) | Gesamtkonto | Studienrichtung Automatisierungstechnik | Vertiefungsmodule Automatisierungstechnik | Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler)
- Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (Master of Science): 1-4. Semester
(Po-Vers. 2010 | TechFak | Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (Master of Science) | Studienrichtung Automatisierungstechnik | Vertiefungsmodule Automatisierungstechnik | Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler)
- Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (Master of Science)
(Po-Vers. 2015s | TechFak | Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (Master of Science) | Gesamtkonto | Wahlmodulbereich aus der FAU)
- Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (Master of Science)
(Po-Vers. 2015s | TechFak | Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (Master of Science) | Gesamtkonto | Studienrichtung Automatisierungstechnik | Vertiefungsmodule Automatisierungstechnik | Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler)
- Mechatronik (Bachelor of Science): 5-6. Semester
(Po-Vers. 2009 | TechFak | Mechatronik (Bachelor of Science) | Wahlpflichtmodule (für alle Studierende des Bachelorstudiums, die vor 01. Oktober 2012 Wahlpflichtmodule begonnen haben) | Wahlpflichtmodule | Katalog | Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler)
- Mechatronik (Bachelor of Science): 5-6. Semester
(Po-Vers. 2009 | TechFak | Mechatronik (Bachelor of Science) | Wahlpflichtmodule | 2 Sensorik)
- Mechatronik (Master of Science): 1-3. Semester
(Po-Vers. 2010 | TechFak | Mechatronik (Master of Science) | Wahlpflichtmodule | Katalog | Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler)
- Mechatronik (Master of Science): 1-3. Semester
(Po-Vers. 2010 | TechFak | Mechatronik (Master of Science) | Vertiefungsrichtungen | Sensorik | Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler)
- Mechatronik (Master of Science): 1-3. Semester
(Po-Vers. 2012 | TechFak | Mechatronik (Master of Science) | M1-M2 Vertiefungsrichtungen | 2 Sensorik)
Studien-/Prüfungsleistungen:
Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler (Prüfungsnummer: 63401)
zugeh. "mein campus"-Prüfung: | - 63401 Numerische Simulation Elektromechanischer Wandler (Mechatronik (Master of Science) 2012, Prüfung, Form: schriftlich oder mündlich, Drittelnoten (mit 4,3), Dauer: -, 5 ECTS, Prüfung).
- 49811 Vertiefungsrichtung Sensorik (5 ECTS) (Mechatronik (Bachelor of Science) 2009, Prüfung, Form: mehrteilige Prüfung, Zehntelnoten, Dauer: -, 5 ECTS, Platzhalter).
- 49811 Vertiefungsrichtung Sensorik (5 ECTS) (Mechatronik (Master of Science) 2012, Prüfung, Form: mehrteilige Prüfung, Zehntelnoten, Dauer: -, 5 ECTS, Platzhalter).
- 17002 Wahlmodule aus dem gesamten Angebot der FAU (Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (Master of Science) 2015s, Prüfung, Form: variabel, Drittelnoten (mit 4,3), Dauer: -, 5 ECTS, Platzhalter).
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- Prüfungsleistung, Klausur, Dauer (in Minuten): 90, benotet, 5 ECTS
- Anteil an der Berechnung der Modulnote: 100.0 %
- weitere Erläuterungen:
80 % Klausur, 20 % Übung
- Erstablegung: SS 2019, 1. Wdh.: WS 2019/2020
1. Prüfer: | Stefan J. Rupitsch (100289) |
- Termin: 08.10.2019, 08:00 Uhr, Ort: H 10 TechF
Termin: 27.10.2020, 10:00 Uhr, Ort: H 10 TechF
Termin: 29.03.2021, 14:00 Uhr, Ort: H 10 TechF
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