Leichtbau-Konstruktion: Berechnungsgrundlagen Und Gestaltung

ISBN-13: 9783528041151 / Niemiecki / Miękka / 1989 / 483 str.

Bernd Klein

Opis

Das vorliegende Manuskript umfaBt den Umfang der Vorlesung "Leichtbau-Konstruktion," die ich seit 1985 an der Gesamthochschule Kassel als zweisemestrige Veranstaltung fur Studenten des Maschinenbaus anbiete. Bei der Aufbereitung des Stoffes habe ich die bekannten Standardwerke des Leichtbaus (Czerwenka/Schnell, Hertel, Schapitz und Wiedemann) sowie Vorlesungsmitschriften von anderen Hochschulen zu Rate gezogen. Intention war hierbei, die allgemein als schwierig bezeichneten Grundlagen des Leichtbaus so zu vereinfachen und zu verkurzen, daB diese in besonderem MaBe den Vorstellungen einer praxis-orientierten Ingenieurausbildung gerecht werden. Ais Zielgruppe sollen daher auch primar Studierende an Fachhochschulen und Gesamthochschulen sowie in der Praxis stehende Ingenieure angesprochen werden. Die inhaltlichen Darstellungen spiegeln im wesentlichen die Anforderungen wieder, die nach meinen Erfahrungen heute der Maschinen- und Fahrzeugbau an den Leichtbau stellen. Insofern habe ich thematisch einen graBen Kreis geschlagen, ohne letztlich voll standig sein zu k6nnen. Mein Bemiihen war dabei aber immer, besondere Prinzipien und Analogien herauszustellen, um den Lernenden letztlich Prableml6sungsansatze zu vermit teln. Falls sich hieraus weitere Anregungen ergeben sollten, ware ich um konstruktive Ruckmeldungen dankbar. Des weiteren m6chte ich nicht unerwahn.t lassen, daB ich bei der Erstellung des Manu skriptes in den Mitarbeitern des Fachgebietes fiir Leichtbau-Konstruktion Helfer hatte. So hat Herr Dipl.-Ing. D. Eulenbach einige Kapitel maBgeblich mitgestaltet sowie einige andere Herren vielfaltige Detailarbeit geleistet. Die muhevolle Schreibarbeit hat aus schlieBlich Fraulein M. Winter ubernommen. Ihnen allen sei an dieser Stelle herzlich gedankt. Kassel, im August 1988 B. Klein v Inhaltsverzeichnis 1 Zielsetzung des Leichtbaus ............................... . 2 Problemstruktur des Leichtbaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 . . . . . . .

Spis treści

1 Zielsetzung des Leichtbaus.- 2 Problemstruktur des Leichtbaus.- 2.1 Eigengewichtsaufgabe.- 2.2 Kostenmodell.- 2.3 Konstruktive Rahmenbedingungen.- 3 Methoden und Hilfsmittel im Leichtbau.- 3.1 Konstruktive Techniken.- 3.2 Berechnungsmethoden.- 3.3 Meßtechnik.- 3.4 Versuchstechnik.- 4 Leichtbauweisen.- 4.1 Differentialbauweise.- 4.2 Integralbauweise.- 4.3 Integrierende Bauweise.- 4.4 Verbundbauweise.- 4.5 Vollwand- und Schalensysteme.- 5 Kriterien für die Werkstoffauswahl.- 5.1 Eigenschaftsgrößen.- 5.2 Linear-elastische Kenngrößen.- 5.3 Nichtlineare Kenngrößen.- 5.4 Belastungseigenschaften.- 5.5 Bezogene Werkstoffeigenschaften.- 5.5.1 Spezifisches Volumen.- 5.5.2 Spezifische Steifigkeit.- 5.5.3 Reißlänge.- 5.6 Bewertung konstruktiver Grundlastfälle.- 5.6.1 Leichtbaukennzahl.- 5.6.2 Gütekennzahl.- 5.7 Gesichtspunkte für die Werkstoffauswahl.- 6 Leichtbauwerkstoffe.- 6.1 Stahl.- 6.1.1 Eigenschaftsmodifikationen.- 6.1.2 Sorten.- 6.1.3 Physikalisch-mechanische Eigenschaften.- 6.2 Eisen-Gußwerkstoffe.- 6.3 Aluminium.- 6.3.1 Eigenschaftsmodifizierungen.- 6.3.2 Al-Kneglegierungen.- 6.3.3 Al-Gußlegierungen.- 6.3.4 Physikalisch-mechanische Eigenschaften.- 6.3.5 Sinteraluminium.- 6.4 Magnesium.- 6.4.1 Mg-Legierungen.- 6.4.2 Physikalisch-mechanische Eigenschaften.- 6.5 Titan.- 6.5.1 Reintitan.- 6.5.2 Ti-Legierungen.- 6.5.3 Physikalisch-mechanische Eigenschaften.- 6.6 Kunststoffe.- 6.7 Superleichtlegierungen.- 6.8 Faserverstärkte Werkstoffe.- 6.8.1 Faserverstärkte Kunststoffe.- 6.8.1.1 Glasfaserverstärkte Kunststoffe.- 6.8.1.2 Kohlenstoffaserverstärkte Kunststoffe.- 6.8.1.3 Aramidfaserverstärkte Kunststoffe.- 6.8.1.4 Verbundfestigkeit.- 6.8.2 Faserverstärkte Metalle.- 7 Gestaltungsprinzipien im Leichtbau.- 7.1 Strukturmerkmale.- 7.2 Konstruktive Prinzipien.- 8 Elastizitätstheoretische Grundlagen.- 8.1 Bauelemente.- 8.2 Geometrische Beschreibungsgrößen.- 8.2.1 Flächenträgheitsmomente.- 8.2.2 Steinerscher Satz.- 8.2.3 Flächenträgheitsmomente zusammengesetzter Profile.- 8.2.4 Transformierte Flächenträgheitsmomente.- 8.2.5 Hauptflächenträgheitsmomente.- 8.3 Elastizitätsgleichungen.- 8.3.1 Verschiebungen und Verzerrungen.- 8.3.2 Spannungen.- 8.3.3 Gleichgewicht.- 8.3.4 Ebene Elastizitätsgleichungen.- 8.3.4.1 Ebener Spannungszustand.- 8.3.4.2 Ebener Verzerrungszustand.- 8.4 Formänderungsenergie.- 8.5 Elastizitätsgesetz der stabartigen Elemente.- 8.6 Elastizitätsgesetze der Flächenelemente.- 8.6.1 Scheibenelement.- 8.6.2 Plattenelement.- 8.6.3 Allgemeines Flächenelement.- 9 Dünnwandige Stab-Balkenprofile.- 9.1 Kraftflüsse.- 9.2 Kraftflüsse und Schnittgrößen.- 9.3 Querkraftbiegung.- 9.3.1 Schubmittelpunkt.- 9.3.2 Offene Konstruktionsprofile.- 9.3.3 Geschlossene Konstruktionsprofile.- 9.3.4 Geschlossene unsymmetrische Profile.- 10 Drilling von Profilstäben.- 10.1 Allgemeine Grundtatsachen.- 10.2 Voll- und Rohrquerschnitte.- 10.3 Geschlossene dünnwandige Querschnitte.- 10.4 Offene dünnwandige Querschnitte.- 10.5 Hohlquerschnitte mit Stege.- 10.6 Verwölbung von Querschnitten.- 10.7 Wölbwiderstand einfacher Profile.- 11 Biegung offener Stabprofile.- 11.1 Allgemeines Normalspannungsproblem.- 11.2 Geometrische Beschreibungsgrößen beliebiger Querschnitte.- 12 Schubwandträger-Profile.- 12.1 Beanspruchungsmodell.- 12.2 Kräfte und Momente zufolge des Schubflusses.- 12.3 Schubmittelpunkt von Schubwandträger-Profilen.- 12.4 Zusammengesetzte Schubwandträger-Profile.- 13 Schubfeld-Konstruktionen.- 13.1 Rechteckfeld.- 13.2 Ideales Zugfeld.- 14 Ausgesteifte Kastenprofile.- 14.1 Viergurtmodell.- 14.2 Verwölbung.- 14.3 Drillbeanspruchung.- 14.4 Ausschnitte.- 15 Energie- und Arbeitsprinzip.- 15.1 Energieprinzip.- 15.2 Arbeitsprinzip.- 16 Statisch unbestimmte Strukturen.- 16.1 Äußere Unbestimmtheit.- 16.2 Innere Unbestimmtheit.- 16.2.1 Rahmenstrukturen.- 16.2.2 Ebene Fachwerke.- 16.2.3 Raumfachwerke.- 16.3 Elastzitätsgleichungen für statisch unbestimmte Strukturen.- 16.4 Geschlossener Rahmen.- 16.5 Symmetriebedingungen.- 17 Sandwichelemente.- 17.1 Aufbauprinzip.- 17.2 Werkstoffeigenschaften.- 17.3 Homogener Kern.- 17.3.1 Grundlastfälle.- 17.3.2 Kritische Beanspruchung.- 17.4 Verallgemeinerte Membrantheorie.- 17.5 Methode der Partialdurchsenkung.- 17.6 Strukturierte Kerne.- 17.6.1 Honeycomb-Kern.- 17.6.2 Tubuskern.- 17.7 Stabilitätsprobleme.- 18 Stabilität von Stab/Balken-Tragwerken.- 18.1 Grundeffekte.- 18.2 Verzweigungsproblem.- 18.3 Durchschlagproblem.- 18.4 Knickung von Stäben und Balken.- 18.4.1 Knickung bei Lastexzentrizität oder Vorkrümmung.- 18.4.2 Knickung von doppelt- und punkt-symmetrischen Profilen.- 18.4.3 Knickung einfach-symmetrischer Profile.- 18.4.4 Knickung unsymmetrischer Profile.- 18.5 Kippbiegung.- 18.6 Elastisch-plastisches Knicken.- 18.7 OMEGA-Verfahren.- 19 Beulen von Blechfeldern.- 19.1 Beulgleichung.- 19.2 Lösung der Beulgleichung.- 19.3 Einfache Beulfälle.- 19.4 Zusammenstellung von Beulfällen.- 19.5 Versteifte Scheibe.- 19.6 Orthotrope Scheibe.- 19.7 Beulung von Profilwänden.- 19.8 Bördelung.- 20 Flächentragwerke.- 20.1 Grundgleichungen.- 20.1.1 Schnittkräfte-Definition.- 20.1.2 Verschiebungsgrößen.- 20.1.3 Verzerrungszustand.- 20.1.4 Materialgesetz.- 20.1.5 Entkopplung von Biegung und Drillung.- 20.1.6 Gleichgewichtsaussagen am ebenen Flächenelement.- 20.1.7 Verschiebungsdifferentialgleichungen.- 20.1.8 Randbedingungen für die Scheibe.- 20.1.9 Randbedingungen für die schubstarre Platte.- 20.2 Lösung der Plattengleichung.- 20.2.1 Reihenentwicklung.- 20.2.2 Reihenentwicklungsmethoden.- 20.2.2.1 Rechteckplatte mit verschiedenen Belastungen.- 20.2.2.2 Rechteckplatte mit unterschiedlichen Seitenverhältnissen und verschiedenen Randbedingungen.- 21 Konstruktive Versteifungen.- 21.1 Schalen.- 21.2 Sicken.- 21.3 Rippen.- 21.4 Durchzüge.- 21.5 Falze.- 22 Krafteinleitung.- 22.1 Scheibenmodelle.- 22.2 Gleichungssystem.- 22.3 Einleitungsgurt konstanter Spannung.- 22.4 Orthotrope Scheibe.- 22.5 Orthotrope Scheibe mit speziellen Einleitungsgurten.- 22.6 Mittragende Breite einer Scheibe.- 22.7 Auslegung von Einleitungsgurten.- 22.8 Schubfeldmodell.- 23 Verbindungstechnik.- 23.1 Einsatzbreite.- 23.2 Nietung.- 23.2.1 Nietverbindungen mit überstehenden Köpfen.- 23.2.2 Nietverbindungen mit Senkkopfniete.- 23.2.3 Überlagerte Scher- und Zugbeanspruchung auf Nietverbindungen.- 23.3 Schweißung.- 23.3.1 Punktschweißen.- 23.4 Klebung.- 23.5 Besondere Fügeverfahren.- 24 Strukturoptimierung.- 24.1 Strukturkennwert.- 24.2 Einfache Optimierungsprobleme.- 24.3 Dimensionierung von Profilen unter Optimalitätsbedingungen.- 24.3.1 Biegebalken.- 24.3.2 Sandwich-Plattenstab unter Biegung.- 24.3.3 Druckstab mit Voll- und Hohlquerschnitt gegen Knicken.- 24.3.4 Druckstab mit Hohlquerschnitt gegen Knicken und Beulen.- 24.3.5 Druckstab mit Füllquerschnitt gegen Knicken.- 24.3.6 Druckstab mit Füllquerschnitt unter beliebigen Restriktionen.- 24.4 Dimensionierung von Flächentragwerken unter Optimalitätsbedingungen.- 24.4.1 Integralplatte.- 24.4.2 Sandwichplatte.- 25 Schwingbeanspruchte Strukturen.- 25.1 Konstruktionsphilosophien.- 25.2 Problematik des rechnerischen Nachweises.- 25.3 Auswertung des Beanspruchungsverlaufs.- 25.4 Versagensverhalten.- 25.5 Arbeitsmechanische Schadensakkumulation.- 25.6 Verbesserung der Aussagegenauigkeit.- 25.7 Restfestigkeitsproblem.- 25.8 Allgemeines Rißfortschrittsproblem.- 25.9 Bruchmechanische Akkumulation.- 25.10 Einheitsakkumulation.- 26 Strukturzuverlässigkeit.- 26.1 Zuverlässigkeitsanalyse.- 26.2 Lebensdauer.- 26.3 Boolsche Grundanordnungen.- 26.4 Statistische Zuverlässigkeit.- 26.5 Zufallsausfälle.- 26.6 Früh- und Abnutzungsausfälle.- 26.7 Bauteile mit konstanter Ausfallrate.- 26.8 Strukturverhalten unter veränderlicher Ausfallrate.- 26.9 Partielle Redundanz.- 26.10 Passive Redundanz.- Sachwortverzeichnis.

O autorze

Prof. Dr.-Ing. Bernd Klein hat 10 Jahre in der Industrie verbracht, bevor er an die Universität Kassel berufen wurde. Er leitet dort seit 1984 das Fachgebiet für Leichtbau-Konstruktion. Schwerpunkt seiner Tätigkeit sind Leichtbau/FEM, Konstruktionsmethodik und Betriebsfestigkeit.