Vorlesung 1 Einführung

Question 1

Was versteht man unter Leichtbau?

Answer 1

Ein Konstruktionsprinzip, welches sich auf C. Maxwell und A. Michell begründet, die erstmalig optimale Kräftepfade für minimalen (Material-) Volumenaufwand theoretisch formulierten.

Leichtbau ist eine einheitliche Konstruktionstechnik für die beanspruchungsgerechte Auslegung von Leichtbaustrukturen mit verfeinerten Analysemethoden.

Aber auch die Schnittmenge der Disziplinen
• Mechanik
• Mathematik
• Konstruktionslehre
• Statik

+ eine Absichtserklärung

Question 2

Welche Anwendungsbereiche des Leichtbaus auf Grund unterschiedlicher Motivation gibt es? Was ist der jeweilige Treiber?

Answer 2

Anwendungsbereiche
• Robotertechnik
• Werkzeugmaschinen
• Schiffs- und Meerestechnik
• Fördertechnik
• Straßen- und
Schienenfahrzeuge
• Luft- und Raumfahrt
• Windenergieanlagen
• Stahlbau
• Produktionsautomation

Raumfahrttechnik 
Zweckleichtbau (Massenreduktion ist notwendig, um Systemfunktion überhaupt erst zu ermöglichen. Kostenaspekte treten hierbei in den Hintergrund.)

zB. Luftfahrt
Öko-Leichtbau (Die Gewichtseinsparung wirkt sich indirekt, beispielsweise über Kraftstoffeinsparung aus. Dieser Effekt (Vergrößerungsfaktor, Schneeballeffekt) wirkt sich um so stärker aus, je größer das Verhältnis von Tragstrukturgewicht zur Nutzlast ist.)

zB. Werkzeugmaschinen
Sparleichtbau (Kosteneinsparung bei Material- und
Produktionskosten. Geringer Materialaufwand
durch bessere Ausnutzung; abgemagerte, funktionsgerecht gestaltete Strukturen; usw.)

Question 3

Über welche Gesetzmäßigkeit wirkt sich der Leichtbau auf die Gesamtleistung eines Produktes aus?

Answer 3

Vergrößerungsgesetz: Ein Zusatzgewicht an einem Bauteil führt direkt zu Verstärkungen an allen ausdimensionierten Elementen in angrenzenden Bauteilen/Bereichen.

Schneeballeffekt: Zusatzgewicht in der Struktur führt indirekt zu sekundären Zusatzgewichten

Der Vergrößerungsfaktor epsilon = dm/dmZ
ist ein Maß für die Empfindlichkeit einer Gesamtstruktur gegenüber lokalen strukturellen Masseänderungen, beschreibt den Effekt der benötigten Verstärkungs- bzw. Vergrößerungsmassen.

Bsp. Eine Zusatzmasse erfordert,
• die Festigkeit der tragenden Teile zu erhöhen,
• bei gleichen Start-/Landeanforderungen die Flügelfläche zu vergrößern oder das Klappensystem zu verfeinern und
• die Antriebsleistung für den Start und Reiseflug zu
vergrößern.

Beteiligt sich das Eigengewicht an der Belastung, so
muss die Struktur also nach Maßgabe des Gesamtmassenzuwachses verstärkt werden.

• Eine Massenzunahme an der Flügelspitze bzw. in
einer unteren Stufe einer Rakete oder Stockwerks
eines Gebäudes wirkt sich geringer auf die Gesamtmasse aus als ein Zusatzgewicht im Rumpf bzw. im Nutzlastbereich einer Rakete (oben) oder in den
Obergeschossen eines Gebäudes.
• Der Vergrößerungsfaktor ist deshalb ortsabhängig
unterschiedlich.

Question 4

Welche Phasen durchläuft der Konstruktionsprozess?

Answer 4

ENTWURF

(Beispiel Flugzeugentwurf)
Konzeptphase:
-Management, Entwurfsaerodynamik Flugzeugentwurf
-Maktanalyse, Entwicklung Zielmodell, gewichtabweichung: +- 10%, Anzahl der Entwürfe: >20, Zeitanteil 1-2%, Kostenanteil: 1-2%

Entwurfsphase

• Flugzeugentwurf, Aerodynamik, Flug- und Strukturmechanik
• Variation und Optimierung der Entwürfe in Bezug auf die Zielvorgaben, Auswahl der „besten“ Lösung, gewicht: +- 5%, Entwürfe >100, Zeit: 15-20%, Kosten 5-10%

(Allgemein)

• Festlegung der äußeren Abmessungen
• Grobe Auslegung des Gesamtstruktur bzgl. Festigkeit, Steifigkeit,
  Stabilität
• Materialvorauswahl (z.B. Al oder CFK)

KONSTRUKTION

(Beispiel Flugzeugentwurf)
Konstruktionsphase
-Konstruktionsberechnung, Leichtbau, FEM
- gewicht: +- 2%, Entwürfe 1, Zeit 80%, Kosten 90%

(Allgemein)
- Festlegung innerer Abmessungen (z.B. Stringer, Spante, Ausschnitte)
- Auslegung der Substrukturen auf Festigkeit, Steifigkeit, Stabilität,
Dauerfestigkeit usw.
- Materialauswahl (z.B. AlCuMg oder AlZnMg)
- Rückkopplung mit (Struktur-)Entwurf und evt. Entwurfsaerodynamik

DETAILKONSTRUKTION

• Behandlung von Detailproblemen an Einzelteilen wie Stringern,
  Lasteinleitungs- und Verbindungselementen usw
• Auslegung auf Dauerfestigkeit, Rißfortschritt, örtliche Stabilität
• Materialspezifikation bzgl. Wärmebehandlung, Dauerfestigkeit, Korrosionsverhalten
• Versuchsreihen zu Detailproblemen zur Rechnungskontrolle und als
  Zulassungsnachweis
• Rückkopplung mit der Konstruktion

MIKROUNTERSUCHUNG

• Behandlung von Einzelaspekten wie Niet- und Klebverbindungen, Oberflächenbehandlung usw
• Auslegung bzgl. Korrosion, Rißentstehung und –ausbreitung, Langzeitverhalten
• Materialspezifikation bzgl. örtlicher Sonderbehandlungen wie
  Korrosionsschutz
• Rückkopplung mit der Detailkonstruktion

—-> ITERATIV: Kozeption-> Optimierung
Konvergenz

Question 5

Welche Konstruktionsprinzipien sind im Leichtbau insbesondere zu beachten?

Answer 5

1. Ausgleich von Aktions- und Reaktionskräften auf
   dem kürzestmöglichen Weg
2. Gleichmäßige Ausnutzung der Querschnitte
   - Vermeidung von Biegung
   - Ganzes Material zum Tragen bringen
3. Erhöhung der Biege-, Knick- und Beulsteifigkeit
   - Feingliederung
   - Zuhilfenahme von Membranspannungen
   - Beulstabilisierung durch Krümmung
   - Kopplung
4. Ausgeglichene Konstruktionen
   - Träger gleicher Festigkeit
   - Gleichzeitiges auftreten von Instabilitäten
   - räumliche Kraftumlenkung
   - optimierte Kräftepfade bei Kraft ein- und Umlenkung
5. Vermeidung von Kerbwirkung und
   Spannungsspitzen