On Pressure-Actuated Cellular Structures

Gramüller, Benjamin

Die nachfolgenden Untersuchungen befassen sich mit der Entwicklung eines ganzheitlichen Entwurfsprozesses für Druckaktuierte Zelluläre Strukturen (PACS, engl.: Pressure-Actuated Cellular Structures), sowie deren Realisierung und Charakterisierung. Ähnlich dem Vorbild nastischer Pflanzen, basiert das Antriebsprinzip dieser biologisch inspirierten formvariablen Strukturen auf der Ausdehnung druckbeaufschlagter Volumina. Die Vorzüge fluidischer Aktuierung lassen sich dabei auf eine einfach gekrümmte Struktur übertragen, welche sich stufenlos und mit kontrollierbarer Steifigkeit zwischen spezifizierbaren Formzuständen deformieren lässt. Potentiale aus der Nutzung einer solchen Struktur ergeben sich unter anderem für die Bereiche Luftfahrt, Automobil- und Energietechnik sowie Bauwesen. Die Identifikation offener Problemfelder, die Entwicklung und Validierung von Entwurfsmethoden, sowie die Bewertung der Leistungsfähigkeit des Konzeptes der PACS erfolgen in dieser Arbeit über eine ganzheitliche Systembetrachtung. Das Konzept der PACS kann durch den Aufbau eines ganzheitlichen Entwurfsprozesses erstmals fundiert und auf experimenteller Basis untersucht werden. Die Grundlagen zur Bewertung und Nutzung solcher formvariabler Strukturen sind damit geschaffen.

The herein presented investigations address the implementation of a holistic design process for Pressure-Actuated Cellular Structures (PACS) and include their realization and characterization. Similar to the motion of nastic plants, the actuation principle of these biologically inspired shape-variable structures bases on the controlled expansion of pressurized volumes. The advantages of fluidic actuation are combined with an adaptive single-curved structure that deforms continuously and with controllable stiffness between predefined states of shape. Benfits from the utilization of such a structure are expected within the fields of aeronautical, automobile, power and civil engineering. The identification of open issues, the development and the validation of design methods, as well as the evaluation of the performance of the concept of PACS are realized in consideration of the global system. A holistic solution for the design of PACS is successfully implemented and allows for the profound investigation on an experimental basis. The foundation for the evaluation and utilization of such shape-variable structures is thus laid.

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Gramüller, Benjamin: On Pressure-Actuated Cellular Structures. 2016.

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