Leichtbau-Konstruktion

Frontmatter

1. Zielsetzung des Leichtbaus

Eine Hauptforderung bei elastomechanisch, -thermisch und dynamisch beanspruchten Konstruktionen ist, dass diese so ausdimensioniert werden, dass die zulässige Beanspruchung in allen Querschnitten möglichst nicht überschritten wird. In diese Richtung weist auch die Aufgabenstellung des Leichtbaus, wo ein minimales Baugewicht unter höchster Ausnutzung angestrebt wird. Gewöhnlich stehen dem Restriktionen entgegen, die in den nutzbaren Werkstoffkennwerten und den noch 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

Wie bereits angedeutet, kann Leichtbau kein Selbstzweck nur des Fortschritts halber sein. Aufwand und Nutzen müssen stets in einem interessanten Verhältnis zueinander stehen, sodass 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. Optimallösungen können jedoch nur mit einem holistischen Ansatz erreicht werden.

Bernd Klein

3. Methoden und Hilfsmittel im Leichtbau

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),

Bernd Klein

4. Leichtbauweisen

Eine der ersten konzeptionellen Schritte ist für die konstruktive Ausbildung einer Leichtbaukonstruktion die Wahl der Bauform /NN 69/. Diese wird im Allgemeinen bestimmt durch

• die Anwendung,
• die Kosten,
• die Reparaturforderungen,
• die Sicherheitsanforderungen und
• die Möglichkeiten der Fertigung.

Bernd Klein

5. Kriterien für die Werkstoffauswahl

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 neue Anwendungen zu erschließen. Um insgesamt zu einem zweckgerechten Werkstoffeinsatz zu kommen, bedarf es eines frühzeitigen Überblicks über die Ausnutzbarkeit der verschiedenen Werkstoffe. Hierzu müssen quantifizierende Größen und Auswahlkriterien definiert werden.

Bernd Klein

6. Leichtbauwerkstoffe

Im Leichtbau gilt die Philosophie, immer den richtigen Werkstoff für den richtigen Anwendungsfall (Multi-Material-Design). Dies setzt voraus, dass der Leichtbauer einen breiten Überblick über die technologisch relevanten Werkstoffe hat. Vor diesem Hintergrund soll im folgenden Kapitel ein Überblick über typische Leichtbauwerkstoffe gegeben werden.

Bernd Klein

7. Gestaltungsprinzipien im Leichtbau

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

Im folgenden Kapitel sollen zur Basislegung der Leichtbautheorie einige wesentliche Zusammenhänge der Mechanik bzw. Festigkeitslehre aufbereitet werden.

Bernd Klein

9. Dünnwandige Profilstäbe

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

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

Bernd Klein

11. Biegung offener Profilstäbe

Die Voraussetzung, unter welcher eine torsionsfreie Beanspruchung eines offenen Profils auftritt, ist vorstehend begründet worden. Beim geraden Profilstab muss sodann die eingeleitete Querkraft durch den Schubmittelpunkt gehen; für die Lagerung besteht diese Forderung /HIB 06/ nicht zwingend. 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

Der Trend im Stahl- und Strukturleichtbau weist zu einer größeren Variabilität bei Profilträgern, die heute gerade oder gebogen sowie mit unterschiedlichen Flanschbreiten hergestellt werden. Diese Forderungen lassen sich mit der konventionellen Walztechnik nicht erfüllen, weshalb zunehmend zusammengesetzte Profile (Tailored Strips*), DAVEX-Profile etc.) eingesetzt werden. Merkmale dieser Bauformen sind massive Flansche, dünne Stegeund Werkstoffkombinationen, wofür der Begriff Schubwandträger geprägt wurde. Dies charakterisiert die Kraftverteilung in Schub und Zug/Druck.

Bernd Klein

13. Schubfeld-Konstruktionen

Als ein weiteres Konstruktionselement des Leichtbaus sind Schubfelder /CZE 67/ anzusehen. Vom Aufbau her werden dabei umlaufend Rahmenprofile durch Blechfelder ausgefacht. Diese Technik findet man heute noch im Nutzfahrzeugbau, wenn ein stützendes Gitterwerk als Kraft aufnehmende Struktur verwandt wird. Neuere Anwendungen sind Space-Frame-Strukturen für Pkws. Die Kraftaufteilung erfolgt dabei wieder so, dass die Gurte bzw. Pfosten die Längskräfte und das Blech die Schubkräfte aufnehmen.

Bernd Klein

14. Ausgesteifte Kastenprofile

Als Anwendung einiger der vorstehenden Betrachtungen können 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 durch Kräftepaare. 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. /KAN 56/) resultiert.

Bernd Klein

15. Energie- und Arbeitsprinzip

Die Anwendung des Energie- und Arbeitssatzes auf Strukturen erfolgt in der Hauptsache zur Ermittlung der Verformungen und Schnittkräfte /FAL 68/. Im Folgenden sollen die grundlegenden Beziehungen, basierend auf der Vorstellung der virtuellen Arbeit, dargelegt werden.

Bernd Klein

16. Statisch unbestimmte Strukturen

Um das elastomechanische Verhalten von Strukturen beurteilen 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

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

In vielen Strukturen sind Stäbe und Balken die hauptsächlichen Tragelemente. Das Tragverhalten der Gesamtstruktur ist dann oft durch das Instabilitätsverhalten /PFL 75/ dieser meist dünnwandigen und schlanken Elemente gegeben. Zu den Instabilitätsfällen zählen im Wesentlichen Knicken, Kippen und Beulen, wobei Beulen speziell im nachfolgenden Kapitel 19 behandelt werden soll. Bezüglich des Tragfähigkeitsnachweises in Stahlbaukonstruktionen ist hier die DIN 18 800^*) maßgebend. Diese Norm verlangt erst bei Verhältnissen

Bernd Klein

19. Beulen von Blechfeldern und Rohren

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

Unter konstruktiven 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, sodass 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

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

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

Erweiterte Aufgabenstellung der Strukturoptimierung ist es, das Gewicht einer vorgegebenen Konstruktion zu senken, ohne hierbei die Forderung nach einer sicheren und zuverlässigen Aufgabenerfüllung zu verletzen.

Bernd Klein

24. Schwingbeanspruchte Strukturen

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, LTH) sind diese Nachweise bereits aufgenommen.

Bernd Klein

25. Strukturzuverlässigkeit

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, sodass sich letztlich die Frage nach der Systemzuverlässigkeit stellt. Das somit neu auftretende Problem der Zuverlässigkeit soll im Weiteren etwas vertieft betrachtet werden.

Bernd Klein

26. Strukturakustik

Dünnwandige Blechstrukturen stellen in vielen Anwendungen die günstigste Konstruktionslösung dar. Oftmals treten jedoch Geräuschprobleme auf, die bei dem gewachsenen Umweltbewusstsein immer weniger toleriert werden. In immer stärkerem Maße werden daher lärmarme Konstruktionen verlangt, zumal nachträgliche Lärmminderungsmaßnahmen in der Regel sehr kostspielig und nicht immer erfolgreich sind.

Bernd Klein

Backmatter