Leichtbau-Konstruktion

Frontmatter

1. Zielsetzung des Leichtbaus

Zusammenfassung

Eine Hauptforderung bei mechanisch und thermisch beanspruchten Konstruktionen ist, daß diese so ausdimensioniert werden, daß die zulässige Beanspruchung in allen Querschnitten möglichst gleichmäßig erreicht wird. In diese Richtung tendiert auch die Aufgabenstellung des Leichtbaus, wo ein minimales Baugewicht unter höchster Ausnutzung angestrebt wird. Gewöhnlich stehen dem Restriktionen entgegen, die in den nutzbaren Kennwerten des Werkstoffs und den extremal zulässigen Verformungen bestehen. Insofern ist in der Praxis oft eine Extremlösung nicht zu verwirklichen, weil seitens des Werkstoffs, der Herstellung oder der Bauweise verschiedene Kompromisse eingegangen werden müssen.

Bernd Klein

2. Problemstruktur des Leichtbaus

Zusammenfassung

Wie bereits angedeutet, kann Leichtbau kein Selbstzweck sein. Aufwand und Nutzen müssen dabei in einem interessanten Verhältnis zueinander stehen, so daß Leichtbaumaßnahmen lohnend erscheinen. Diesbezüglich gilt es, alle über das übliche Maß hinausgehenden Anstrengungen auch unter Wirtschaftlichkeitsgesichtspunkten zu bewerten. Hilfreich ist hier vielfach die Erstellung eines Gewichts- und Kostenmodells, welches parameterielle Abhängigkeiten zwischen dem Strukturgewicht, den Herstellkosten und dem wirtschaftlichen Nutzwert darzustellen vermag. Auf diese Aspekte des technologischen Leichtbaus soll im folgenden kurz eingegangen werden.

Bernd Klein

3. Methoden und Hilfsmittel im Leichtbau

Zusammenfassung

Bei fast allen Entwicklungsprojekten bestätigt sich, daß der Leichtbau mit zu den theoretischsten Disziplinen der Ingenieurwissenschaft zu zählen ist. Gewöhnlich verteilen sich die Zeitanteile bei typischen Projekten etwa wie folgt:

• 30 % konstruktive Bearbeitung (Konzipieren, Entwerfen, Ausarbeiten),
• 40 % Auslegung (Dimensionierung, Optimierung),
• 20 % experimentelle Absicherung (Prototyp, Test), -10 % Überarbeitung (Konzept, Entwurf),

wobei mit ungefähr 80 % die theoretischen Anteile deutlich überwiegen. Insofern ist es vor dem Hintergrund, eine Methodenlehre des Leichtbaus darzulegen, auch geboten, auf die zum Einsatz kommenden Techniken und Hilfsmittel einzugehen.

Bernd Klein

4. Leichtbauweisen

Zusammenfassung

Einführend in die Prinzipien des Leichtbaus sollen im folgenden einige übergeordnete konstruktive Ausführungen charakterisiert werden. Maßgebend für die Wahl eines bestimmten Lösungsprinzips sind in der Regel:

• der Kraftflußverlauf,
• die Eigenschaften des Werkstoffs,
• die Umgebungsbedingungen,
• die Sicherheitsanforderungen,
• die Zuverlässigkeit der Fügungen sowie
• die Möglichkeiten der Fertigung.

Bernd Klein

5. Kriterien für die Werkstoffauswahl

Zusammenfassung

Das Spektrum der im modernen Leichtbau zum Einsatz kommenden Werkstoffe ist mittlerweile sehr groß. Traditionell wurden immer hochfeste Stähle und Aluminiumlegierungen eingesetzt. Mit den gewachsenen Anforderungen haben aber auch Magnesium- und Titanlegierungen Bedeutung erlangt. Derzeit werden gerade große Anstrengungen unternommen, mit Verbundwerkstoffen bestimmte Anwendungen zu erschließen. Um insgesamt zu einem zweckgerechten Werkstoffeinsatz zu gelangen, bedarf es eines frühzeitigen Überblicks über die Ausnutzbarkeit der verschiedenen Werkstoffe. Hierzu müssen quantifizierende Größen und Auswahlkriterien definiert werden.

Bernd Klein

6. Leichtbauwerkstoffe

Zusammenfassung

Im vorherigen Kapitel wurde das Verhalten der Werkstoffe unter rein qualitativen Gesichtspunkten diskutiert. Für den Einsatz sind jedoch tiefere Kenntnisse bezüglich der physikalischen und mechanischen Eigenschaftsprofile erforderlich. Mit dieser Zielsetzung sollen im folgenden einige bewährte Konstruktionswerkstoffe des Leichtbaus näher analysiert werden.

Bernd Klein

7. Gestaltungsprinzipien im Leichtbau

Zusammenfassung

Die Natur bedient sich innerhalb der Schöpfung von Pflanzen und Lebewesen vielfältig bewährter Prinzipien. So ist nachweisbar, daß biologische Bauweisen stets mit möglichst geringster Energie hergestellt werden, stets massearm und langlebig sind. Dies ist auch insofern notwendig, da der Materialaufwand jeweils mit der Stoffwechselleistung produziert wird, für die erforderliche Beweglichkeit eine günstige Massenverteilung und abgestimmte Steifigkeiten anzustreben sind.

Bernd Klein

8. Elastizitätstheoretische Grundlagen

Zusammenfassung

Im folgenden Kapitel sollen im Sinne einer Formelsammlung die wesentlichen elastomechani-schen Grundlagen zum Verständnis der Leichtbautheorie aufbereitet werden.

Bernd Klein

9. Dünnwandige Profilstäbe

Zusammenfassung

Nachdem vorstehend allgemeine elastizitätstheoretische Grundlagen entwickelt worden sind, soll jetzt etwas spezieller auf typische Leichtbauelemente eingegangen werden. Ein verbreitetes Element ist dabei der dünnwandige Profilstab, der sehr viel in Rahmenkonstruktionen eingesetzt wird. Von Dünnwandigkeit kann man hierbei sprechen, wenn das Verhältnis Wanddicke zu Profilhöhe (t/h ≤ 1/10) relativ klein ist. Im weiteren sollen die wesentlichen Grundbeziehungen für den dünnwandigen offenen Profilstab aufgestellt werden.

Bernd Klein

10. Torsion von Profilstäben

Zusammenfassung

Zuvor ist schon mehrfach hervorgehoben worden, daß alle dünnwandigen Profile drillweich sind. Insofern bedarf die Torsionsbelastung einer besonderen Betrachtung, um Steifigkeiten konstruktiv richtig nutzen zu können.

Bernd Klein

11. Biegung offener Profilstäbe

Zusammenfassung

Die Voraussetzung, unter welcher eine drillfreie Beanspruchung eines offenen Profils auftritt, ist vorstehend begründet worden. Beim geraden Profilstab müssen diesbezüglich sowohl die äußeren Querkräfte als auch die Lagerkräfte durch den Schubmittelpunkt gehen. In diesem Fall ist es möglich, das Normalspannungsproblem entkoppelt von der Torsion zu betrachten. Dies ist aber nicht der Normalfall, im allgemeinen werden durch die Krafteinleitung Normal-und Schubspannungen überlagert auftreten und ein Profil kompliziert beansprucht.

Bernd Klein

12. Schubwandträger-Profile

Zusammenfassung

Der Trend im Stahlbau weist dahin, daß im Sinne einer größeren Variabilität und Gewichtseinsparung zunehmend von gewalzten oder stranggepreßten Profilen abgegangen wird und geschweißte Blechträger eine breitere Anwendung finden. Diese sind oft besser an konstruktive Gegebenheiten anpaßbar und einfach herzustellen. Der Querschnittsaufbau wird hierbei so gewählt, daß für eine kontrollierte Kraftleitung die Profile massive Flansche und dünnwandige Stege erhalten. Als Fachbegriff für derartige Profilformen hat sich der Begriff Schubwandträger durchgesetzt.

Bernd Klein

13. Schubfeld-Konstruktionen

Zusammenfassung

Als ein weiteres Konstruktionselement des Leichtbaus sind Schubfelder /13.1/ anzusehen. Vom Aufbau her werden dabei umlaufend Rahmenprofile durch Blechfelder ausgefacht. Diese Technik findet man heute noch im Nutzfahrzeugbau, wenn ein stützendes Gitterwerk als kraftaufnehmende Struktur verwandt wird. Die Kraftaufteilung erfolgt dabei wieder so, daß die Gurte bzw. Pfosten die Längskräfte und das Blech die Schubkräfte aufnehmen.

Bernd Klein

14. Ausgesteifte Kastenprofile

Zusammenfassung

Als Anwendung einiger der vorstehenden Betrachtungen können die Kastenprofile angesehen werden. Typische Einsatzgebiete hierfür sind konventionelle Flügelkästen, Nutzfahrzeugaufbauten, Waggons-, Kran- und Manipulatorenausleger etc. Die häufigste Belastung ist dabei Biegetorsion aus exzentrischen Querkräften oder reine Torsion. Meist kann als Abschluß eines Kastens eine feste Einspannung eines Endquerschnitts angenommen werden, die beispielsweise aus dem Übergang Ladeaufbau zum Motorwagen oder Anschluß eines Flügels am Flugzeugrumpf (s. /14.1/) resultiert.

Bernd Klein

15. Energie- und Arbeitsprinzip

Zusammenfassung

Die Anwendung des Energie- und Arbeitssatzes auf Strukturen erfolgt in der Hauptsache zur Ermittlung der Verformungen und Schnittkräfte /15.1/. Im folgenden sollen die grundlegenden Beziehungen, basierend auf der Vorstellung der virtuellen Arbeit, dargelegt werden.

Bernd Klein

16. Statisch unbestimmte Strukturen

Zusammenfassung

Um das elasto-mechanische Verhalten von Strukturen betrachten zu können, muß grundsätzlich unterschieden werden, ob eine statisch bestimmte oder statisch unbestimmte Struktur gegeben ist. Bekanntlich ist eine Struktur dann statisch bestimmt, wenn sich unter Belastung alle Auflager- und Schnittkräfte allein aus Gleichgewichtsbetrachtungen bestimmen lassen. Sinngemäß ist eine Struktur statisch unbestimmt, wenn sich die Kräfte allein aus Gleichgewichtsbetrachtungen nicht bestimmen lassen, sondern weitere Bedingungen herangezogen werden müssen.

Bernd Klein

17. Sandwichelemente

Zusammenfassung

Jede noch so differenzierte Blechbauweise kann hinsichtlich einer Eigengewichtsoptimierung durch das Verbundprinzip übertroffen werden. Der einfachste Aufbau besteht dabei in einer Kombination von leichten und festen Werkstoffen zu einem Sandwich. Durch die hierdurch mögliche Eigenschaftsvariabilität kann ein breites Spektrum an mechanischen, thermischen oder akustischen Vorgaben abgedeckt werden, weshalb Sandwichelemente im Fahrzeugbau, Bauwesen und in der Klimatechnik breite Anwendung finden.

Bernd Klein

18. Stabilität von Stäben und Balken

Zusammenfassung

In vielen Strukturen sind Stäbe und Balken die hauptsächlichen Tragelemente. Das Tragverhalten der Gesamtstruktur ist dann oft durch das Instabilitätsverhalten /18.1/ dieser meist dünnwandigen und schlanken Elemente gegeben. Zu den Instabilitätsffällen zählt im wesentlichen Knicken, Kippen und Beulen, wobei Beulen speziell im nachfolgenden Kapitel behandelt werden soll. Bezüglich des Tragfähigkeitsnachweises in Stahlbaukonstruktionen ist hier die DIN 18 800 maßgebend.

Bernd Klein

19. Beulen von Blechfeldern und Rohren

Zusammenfassung

Bei scheibenförmigen Tragelementen kann unter Druckbeanspruchung als Instabilität Beulen auftreten. Als Folge einer anwachsenden Belastung wölbt dabei die Mittelfläche durch, um wieder in einen stabilen Gleichgewichtszustand überzugehen. Da durch Beulen zusätzliche Querkräfte und Momente hervorgerufen werden, muß zur Ermittlung der Beanspruchung von der Plattentheorie ausgegangen werden.

Bernd Klein

20. Konstruktive Versteifungen

Zusammenfassung

Unter konstruktive Versteifungen sollen gezielt eingebrachte geometrische Anisotropien verstanden werden, die helfen, die Steifigkeit einer Leichtbaukonstruktion zu erhöhen. Wenn möglich soll die Versteifung ohne zusätzlichen Materialaufwand erfolgen, so daß bei konstantem Eigengewicht gleichzeitig eine Steigerung der Tragfähigkeit eintritt. Am günstigsten ist daher, wenn die Versteifung im gleichen Arbeitsgang wie das Bauteil hergestellt wird. Nach der geometrischen Form und dem Einbringverfahren unterscheidet man so:

• Versteifung durch schalenförmige Gestaltung,
• Ausbildung von Sicken,
• Anformung von Rippen sowie
• Formung von Randversteifungen, Durchzüge und Falze.

Bernd Klein

21. Krafteinleitung

Zusammenfassung

Die Dünnwandigkeit von Leichtbau-Konstruktionen stellt eine Schwierigkeit bei der Krafteinleitung dar, da die örtliche Tragfähigkeit und Stabilität begrenzt ist. Jedes Einbringen von konzentrierten Kräften ist daher zu vermeiden oder durch eine besondere Gestaltung zu ermöglichen.

Bernd Klein

22. Verbindungstechnik

Zusammenfassung

Die Verbindungstechnologien sind im Leichtbau von großer Wichtigkeit, da zur Herstellung leichter Konstruktionen oftmals aufgelöste Bauweisen aus teils unterschiedlichen Konstruktionselementen und Werkstoffen erforderlich sind. In diesem Sinne interessieren bei Verbindungen die mechanischen Festigkeiten, die Parametergrenzwerte und das Langzeitverhalten. Meist sind jedoch die möglichen Verbindungstechniken durch die gewählte Leichtbauweise vorbestimmt.

Bernd Klein

23. Strukturoptimierung

Zusammenfassung

Erweiterte Aufgabenstellung der Leichtbau-Optimierung ist es, das Gewicht einer vorgegebenen Konstruktion zu senken, ohne hierbei die Forderung nach einer sicheren und zuverlässigen Aufgabenerfüllung zu verletzen. Das Problem der Gewichtsminimierung kann auch als inverses Spannungsmaximierungsproblem aufgefaßt werden, da sich das Gewicht reziprok zur Spannung verhält

$$ G \sim \frac{1}{\sigma } $$

(23.1)

. Im allgemeinen ist das Gewicht einer Konstruktion von der Bauweise, vom Werkstoff, von den Dimensionen und vom Verbindungsaufwand abhängig.

Bernd Klein

24. Schwingbeanspruchte Strukturen

Zusammenfassung

Viele im Stahlbau sowie alle im Fahrzeugbau und in der Luft- und Raumfahrt eingesetzten Konstruktionen werden dynamisch beansprucht. Wenn hierbei durch ein mögliches Versagen folgenreiche Schäden entstehen können, kommt dem Aspekt der Ermüdungsfestigkeit, Bruchmechanik und der Zuverlässigkeit erhöhte Bedeutung zu. Vor diesem Hintergrund bedarf dann die herkömmliche Auslegung einer Erweiterung hinsichtlich eines Restfestigkeitsnachweises und einer Nutzungsdauer- oder Rißfortschrittsabschätzung. In einigen Richtlinien (z. B. DIN 15 018, FKM-Richtlinie) sind diese Nachweise bereits aufgenommen.

Bernd Klein

25. Strukturzuverlässigkeit

Zusammenfassung

Die vorausgegangene Diskussion der Ermüdungsfestigkeit hebt auf die Analyse einer als schadenskritisch erkannten Stelle ab. Eine Leichtbaustruktur wird aber im Regelfall aus vielen Einzelteilen bestehen, so daß sich letztlich die Frage nach der Systemzuverlässigkeit stellt. Das somit neu auftretende Problem der Zuverlässigkeit soll im weiteren etwas vertieft betrachtet werden.

Bernd Klein

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