Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Bauteiloptimierung mit dem Taschenrechner

11.08.2003


Neues Verfahren aus dem Forschungszentrum Karlsruhe vereinfacht sicheres Konstruieren


Nichtoptimierte Kerbformen erzeugen hohe Spannungsspitzen - die Kerbspannungen! Bei schwingender Belastung können dort Risse starten, die schließlich das Bauteil versagen lassen.



Bauteile brechen da, wo Löcher oder Verengungen, also Kerben, konstruktionsbedingt vorgegeben sind. Dieses Bauteilversagen lässt sich umgehen, indem man lokal hohe Kerbspannungen vermeidet. Wie das geht, zeigt uns die Natur. In Millionen von Jahren hat sie ein Verfahren für das Wachstum von Bäumen und Knochen optimiert. Im Forschungszentrum Karlsruhe wurde es in den letzten 15 Jahren auf die Konstruktion von Bauteilen übertragen. Die notwendigen Berechnungen erforderten bisher sehr komplexe mathematische Werkzeuge, die so genannte Finite-Elemente-Methode, sowie leistungsfähige Computer. Ein neuartiger Ansatz macht beides überflüssig: Eine optimale Bauteilform kann nun mit einem einfachen Taschenrechner in wenigen Schritten ermittelt werden. Möglich wird dies durch ein neues Verständnis der Natur der Kerbspannungen, die als einfache Biegespannungen interpretiert werden. Die Neu-Interpretation der Kerbspannung ist auch ein Thema des neuen Wissenschafts-Cartoons von Claus Mattheck "Warum alles kaputt geht - Form und Versagen in Natur und Technik".



Kerbspannungen in mechanischen Bauteilen sind lokal hohe Spannungen, die durch die Umlenkung des Kraftflusses um eine Kerbe (ein Loch oder eine Verengung) entstehen können. Bei Belastung der Bauteile, beispielsweise durch Schwingungen, bilden sich an solchen Stellen nicht selten Risse, die oft zum Bruch des Bauteils führen. Dieses Bauteilversagen lässt sich vermeiden, indem lokal hohe Kerbspannungen durch kluge Ausformung der Kerbkontur, also eine lastgerechte Gestaltoptimierung der Kerbe, vermieden werden.

In der Natur wurde die Gestaltoptimierung in Millionen von Jahren perfektioniert: Kerbspannungen werden in Knochen oder Bäumen durch formoptimiertes Umlenken des Kraftflusses vollständig vermieden, es treten keinerlei Spannungsspitzen auf. "Dieses Verfahren haben wir der Natur abgeschaut und in den letzten 15 Jahren auf technische Bauteile übertragen", erläutert Professor Dr. Claus Mattheck, Leiter der Abteilung Biomechanik am Institut für Materialforschung II des Forschungszentrums Karlsruhe. So wurden bisher über 80 Lizenzen für die von Mattheck und seinen Mitarbeitern entwickelten Optimierungs-Methoden, zumeist für CAO (Computer Aided Optimization) vergeben; viele deutsche Automobilfirmen optimieren damit Teile ihrer Fahrzeuge und in der Medizintechnik werden damit beispielsweise extrem haltbare Knochenschrauben und Zahnimplantate entwickelt.

CAO nutzt die Finite-Elemente-Methode, ein komplexes mathematisches Werkzeug. "Für eine sinnvolle Anwendung brauchte man bisher einen großen Computer und einen Ingenieur mit Rechnererfahrung", so Mattheck weiter. "Und auch damit waren die Ergebnisse oft nicht leicht fertigungsgerecht aufzubereiten."

Das soll nun anders werden: Mit einer neuen Deutung der Kerbspannungen als überlagerte Biegespannungen lassen sich Bauteile mit hoher Präzision auch mit einfachen Hilfsmitteln optimieren. "Die von außen aufgebrachten Spannungen müssen durch Querschnittsverbreiterung so abfallen, wie die Kerbspannungen krümmungsbedingt ansteigen", erklärt Claus Mattheck. "Kerbspannungen als Folge der Krümmung der Kerbkontur werden ausgeglichen, indem der Querschnitt der Bauteile an diesen Stellen vergrößert wird."

Damit sollte das ingenieurmäßige Standardverfahren - das Ausrunden spitzer Ecken durch Viertelkreisradien - der Vergangenheit angehören. Denn durch die Kreisradien wurde die Kerbspannung zwar verringert, aber nicht vollständig beseitigt; weiterhin war gelegentlich technisches Versagen möglich. Mit dem "Taschenrechnerverfahren" werden nun auch kleinste Betriebe in die Lage versetzt, einfache Bauteiloptimierungen vorzunehmen.

Die bisherigen Untersuchungen und Vergleichsrechnungen deuten darauf hin, dass die mit der neuen Methode berechneten Kerbformen robuster gegen fertigungstechnische Kompromisse und damit praxisgerechter sind als die mit höherem Aufwand gefundenen CAO-Kerbkonturen. Die CAO-Methode dürfte dennoch bei komplexen 3D-Strukturen, die ohne den Einsatz der Finite-Elemente-Methode keine Spannungsberechnungen erlauben, auch künftig ihre Daseinsberechtigung haben.

Die neue Interpretation der Kerbspannungen, die einfache Möglichkeit der Bauteiloptimierung und den schadenskundlerischen Blick für die Schwachstelle im Bauteil will Professor Mattheck in seinem neuen Wissenschaftscartoon "Warum alles kaputt geht - Form und Versagen in Natur und Technik" unters Volk bringen und zwar als Schadenskunde für alle, "... vom Klempnerlehrling bis zum Konstruktionsleiter."

Claus Mattheck: "Warum alles kaputt geht - Form und Versagen in Natur und Technik", Verlag Forschungszentrum Karlsruhe GmbH 2003, ISBN 3-923704-41-0. Zu beziehen bei Buchhandlung Mende in Karlsruhe: Tel.: 0721 981610, Fax: 0721 815343, E-mail: karl@mende.de.

Das Forschungszentrum Karlsruhe ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, die mit ihren 15 Forschungszentren und einem Jahresbudget von rund 2,1 Milliarden Euro die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands ist. Die insgesamt 24 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Helmholtz-Gemeinschaft forschen in den Bereichen Struktur der Materie, Erde und Umwelt, Verkehr und Weltraum, Gesundheit, Energie sowie Schlüsseltechnologien.

Inge Arnold | idw

Weitere Berichte zu: Bauteil Bauteiloptimierung Kerbspannung Mattheck

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Verfahrenstechnologie:

nachricht Projekt CeGlaFlex: Hauchdünne, bruchsichere und biegsame Keramik und Gläser
24.04.2017 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

nachricht Löschbare Tinte für den 3-D-Druck
24.04.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie