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Über dieses Buch

Neue Produkte zu entwerfen und funktional zu gestalten, ist eine höchst kreative und verantwortungsvolle Aufgabe. Wenn Sie die Physik hinter Ihrem Design beherrschen gelingt es Ihnen ganz selbstverständlich, besser, nämlich entlang der gewünschten Funktion, zu konstruieren.
Die vorliegenden 8 Rezepte sind nicht einfach Konstruktionsvorschriften, sondern aus jahrelanger Erfahrung abgeleitete Empfehlungen, die alle einen erklärbaren physikalischen Hintergrund haben. Warum funktioniert es besser, eine Konstruktion zugdominant statt biegedominant zu gestalten? Wie verteilt man die Steifigkeiten am besten, um einen optimalen Kraftfluss zu erhalten? Was passiert an Stellen, an denen man eine Strömung umlenkt und wie kann man das mit geringsten Verlusten steuern?
Die Autoren führen Sie durch die 8 Rezepte und erklären Ihnen, worauf Sie achten müssen und warum es funktioniert. Anhand konkreter Beispiele aus dem Konstruktionsalltag werden die Rezepte ausprobiert und viele Varianten durchgetestet. Bei diesem spielerischen Ausprobieren von verschiedenen Szenarien schauen Sie den Autoren über die Schulter und können erleben, wie das Verständnis um die physikalische Wirkung die Evolution des Designs steuert. Alle Beispiele wurden mit ANSYS Discovery Live aufbereitet und stehen zum Download bereit, sodass Sie selbst die Rezepte ausprobieren und auf Ihre Anwendungen übertragen können.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung
Wir sind überzeugt, dass neben dem Branchenwissen von Experten, die Arbeitsmethodik und die Nutzung von zeitgemäßen Werkzeugen elementar sind, damit Konstruktionsexperten möglichst direkt gute Konstruktionsentwürfe erzielen. Wir sind überzeugt, dass, wenn wir als Konstrukteure die Physik besser verstehen und die Ergebnisse auf einfache und verständliche Weise sichtbar machen können, deutlich bessere Konstruktionen entstehen.
In diesem Buch finden Sie acht Rezepte, die Ihnen helfen werden, typische Aufgaben aus der täglichen Konstruktionsarbeit zu meistern. Darüber hinaus werden Sie viel mehr vom Verhalten des Gesamtsystems verstehen und durch virtuelles Experimentieren mit Varianten die ganze Bandbreite der Lösungsmöglichkeiten ausloten können. „Do more with less“ ist unsere Philosophie für die physikbasierte Konstruktion, welche das Buch inhaltlich begleiten wird. Der Ansatz ist einfach: Sie können viel mehr Ideen und Designs in deutlich weniger Zeit bewerten, indem Sie Werkzeuge nutzen, die Ihnen das physikalische Verhalten Ihrer Ideen unmittelbar zeigen, ohne dass Sie auf eine Simulation von einem Experten warten müssen. Die hochwissenschaftliche Genauigkeit ist dabei nicht der Hauptfokus. Ihnen ist viel mehr geholfen, wenn Sie mit wenig Aufwand die richtige Stoßrichtung Ihrer Entwicklung herauskristallisieren können.
Michael Brand, Kevin Baur, Severin Brunner, Christof Gebhardt

2. Zug besser als Biegung

Zusammenfassung
Man unterscheidet in der Festigkeitslehre grundsätzlich 5 Grundbeanspruchungsarten im Querschnitt eines Bauteiles: Zug-, Druck-, Biege-, Schub- und Torsionsbeanspruchung. Diese können einzeln oder oftmals überlagert vorliegen.
Für die jeweilige Beanspruchungsart gibt es geeignete und weniger geeignete Querschnittsflächen (Profile), die auf den Materialaufwand entscheidenden Einfluss haben. Wenn es bei Zugbeanspruchung hauptsächlich um die Querschnittsfläche geht, hat bei Biegebeanspruchung die Form des Querschnittes einen dominanten Einfluss auf die Tragfähigkeit.
Darin liegt der Grundgedanke dieses Rezeptes: Wenn möglich, sollten Kräfte möglichst auf direkten Wegen durch ein Bauteil geleitet werden und somit möglichst reine Zug-/Druckbeanspruchung bewirken. Sobald Kräfte in Bauteilen umgelenkt werden, entsteht eine Biegebeanspruchung, die dann zwangsmäßig zu einer materialaufwendigeren Gestaltung des Bauteiles führt.
Beim Anwendungsbeispiel wird anhand eines Wanddrehkranes gezeigt, wie relativ dünne zugbelastete Stäbe einen höherbelasteten Biegeträger wirksam entlasten können. Dadurch kann durch eine kleinere Dimensionierung deutlich Material eingespart werden.
Michael Brand, Kevin Baur, Severin Brunner, Christof Gebhardt

3. Biegung – Hebelarm und Flächenträgheitsmoment beachten

Zusammenfassung
Oft können Biegebeanspruchungen in Bauteilen nicht verhindert werden. Bei Biegebeanspruchung ist besonders darauf zu achten, dass das wirkende Biegemoment nicht unnötig groß wird. Dies kann man unter anderem über die Hebelarme beeinflussen. Zudem erspart die Wahl einer günstigen Basisgeometrie viel Materialaufwand. Bei reiner Biegebeanspruchung sollen Querschnitte verwendet werden, die weit von der neutralen Faser möglichst viel Material aufweisen. Dadurch wird das Flächenträgheitsmoment beziehungsweise das Widerstandsmoment erhöht.
Beim Anwendungsbeispiel wird aufgezeigt, wie man eine biegebeanspruchte Zylinderbefestigung optimal gestalten kann.
Michael Brand, Kevin Baur, Severin Brunner, Christof Gebhardt

4. Torsion – möglichst geschlossene Profile verwenden

Zusammenfassung
Im Alltag begegnen wir ständig Bauteilen, die einer Torsionsbelastung ausgesetzt sind. Zum Beispiel beim Öffnen einer Trinkflasche mit Drehverschluss, beim Betätigen der Türklinke oder die Achsen unserer Fahrzeuge. Bei der Konstruktion ist zu beachten, dass das entstehende Torsionsmoment nicht unnötig groß wird. Durch ein geeignetes Profil können die entstehenden Spannungen und Verformungen unter Kontrolle gehalten werden. In den meisten Fällen ist eine hohe Torsionssteifigkeit gefordert, die durch den Einsatz von geschlossenen Profilen erreicht wird. In der Praxis ist dies aber nicht immer umsetzbar.
Beim Anwendungsbeispiel wird gezeigt, wie das Schließen eines Getriebegehäuses mittels eines Deckels die Torsionssteifigkeit markant erhöht.
Michael Brand, Kevin Baur, Severin Brunner, Christof Gebhardt

5. Steifigkeitssprünge vermeiden

Zusammenfassung
Steifigkeitssprünge sind bei rein statischer Belastung relativ unbedenklich, müssen aber bei dynamischer Belastung vermieden werden. Sie entstehen zum Beispiel bei zugbelasteten Stäben mit aufgeschweißten Laschen, oder bei sprunghaften Übergängen vom offenen zum geschlossenen Profil bei Torsionsbeanspruchung.
Beim Anwendungsbeispiel wird gezeigt, wie ein Steifigkeitssprung an einem Baggerarm verringert werden kann, und somit die dadurch auftretenden Spannungen reduziert werden.
Michael Brand, Kevin Baur, Severin Brunner, Christof Gebhardt

6. Geometriesprünge vermeiden

Zusammenfassung
Geometriesprünge wie zum Beispiel Verengungen, Erweiterungen und Umlenkungen, sind in strömungstechnischen Anlagen unvermeidbar. Diese können zu Strömungsablösungen führen und daraus resultiert ein Energieverlust (Druckverlust). Darum gilt es in den meisten Anwendungen diese zu verhindern, beziehungsweise zu minimieren.
Beim Anwendungsbeispiel wird aufgezeigt, wie man mit Hilfe einer Querschnittsverengung einen Volumenstrom gleichmäßig aufteilen kann.
Michael Brand, Kevin Baur, Severin Brunner, Christof Gebhardt

7. Umlenkungen geschickt lenken

Zusammenfassung
Eine der Hauptaufgaben in der Fluiddynamik ist die Minimierung von Strömungsverlusten. Diese entstehen durch Reibung, Turbulenz (Wirbel) und Ablösungen. Im Folgenden wird der Einfluss der Designgrößen auf den Druckverlust von Innenströmungen betrach tet.
Anhand eines Anwendungsbeispiels wird am Beispiel eines Windkanals gezeigt, wie eine Strömung gelenkt werden kann, um Ablösegebiete zu vermeiden und den nötigen Energiebedarf zu senken.
Michael Brand, Kevin Baur, Severin Brunner, Christof Gebhardt

8. Strömungswiderstand reduzieren

Zusammenfassung
Bei Außenströmungen interessiert vor allem der Strömungswiderstand, wegen des Energieverbrauchs und der mechanischen Belastung. Im Folgenden wird aufgezeigt wie durch Geometrieveränderungen an Bauteilen der Strömungswiderstand reduziert wird. Dies geschieht durch die Veränderung der Designgrößen projizierte Fläche und Form.
Anhand eines Anwendungsbeispiels wird gezeigt, wie die Strömung einer Windkraftanlage analysiert werden kann.
Michael Brand, Kevin Baur, Severin Brunner, Christof Gebhardt

9. Wärmefluss kontrollieren

Zusammenfassung
In vielen technischen Konstruktionen gilt es, den Transport von Wärmeenergie zu kontrollieren. So möchte man ihn beispielsweise im Fall von Isolationen beschränken (Kühlschrank, Hochofen, Fenster) oder beim Abtransport von Verlustwärme erhöhen (Kühlung von Elektronik, Verbrennungs- oder E-Motoren). Beim Transport von Wärmeenergie treten drei Mechanismen auf: Wärmeleitung (Konduktion), Wärmeströmung (Konvektion) und Wärmestrahlung.
In diesem Kapitel werden die grundlegenden Zusammenhänge an einem Ausschnitt eines thermisch belasteten Gehäuses dargestellt, dann wird die Begrenzung des Wärmeflusses am Griff einer Tasse untersucht und zuletzt die Kühlung einer Elektronikbaugruppe betrachtet.
Michael Brand, Kevin Baur, Severin Brunner, Christof Gebhardt

10. Der Wert der Simulation

Zusammenfassung
In diesem Buch haben wir acht Rezepte zum besseren Konstruieren anhand von konkreten Beispielen vorgestellt. Das Physics Driven Design hilft, die Anforderungen an Produkte und Prozesse – wie Qualität, Sicherheit und Effizienz – besser zu erfüllen und gleichzeitig Kosten und Entwicklungszeiten zu reduzieren. Die numerische Simulation ist unbestritten der Schlüssel für diesen Konstruktionsansatz und für jeden zugänglich. Vielleicht haben Sie die Beispiele aus den Kap. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9 selbst schon nachvollzogen und erkannt, wie vielfältig die Möglichkeiten der Simulation sind. Sie erkennen sicherlich auch, dass der Wert der Simulation nicht nur darin liegt, dass der Anwender selbst mehr Freude am Experimentieren hat und unabhängig von externen oder internen Experten fundierte Designentscheidungen treffen kann, sondern dass für das gesamte Unternehmen durch die Simulation ungenutztes Potenzial erschlossen werden kann und noch viel mehr erlaubt, als in diesem Buch bislang dargestellt werden konnte. Für den Konstrukteur stellt sich die Frage, welche Themen in Zukunft im Fokus des Konstruktionsprozesses stehen.
Michael Brand, Kevin Baur, Severin Brunner, Christof Gebhardt
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