Leichtbau (Subject) / Skriptum (Lesson)

Vorbereitung für die Prüfung zum Bachelormodul Leichtbau an der TU München

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• Bewertungsaspekte für Leichtbaukonzept Bauweise, Umwelt, Kosten, Sicherheit, Qualität, Fertigung, Steifigkeit, Funktion
• Fahrzeugentwicklungsprozess Auslegungskonzepte -> Simulation -> Verifikation
• Methoden des Leichtbaus Definition von Bauweisenbzw der Strukturkonzepte:Topologie Geometrie zusammenmiteinerAuswahlgeeigneterWerkstoffeBerechnung/ Simulation / Auslegung/ Optimierung: Konzeptverfeinerung, Detaillierung(Fertigungstechnologien)Tests, exp. Validierungen; KorrelationSimualtions-mit-Testergebnisse(ggf auchAspektewährenddes Betriebsdes Systems
• Finite-Element-Methode Quantifizierungvon•Steifigkeit/ Verformungen•innerenKräften/ Momenten•Spannungen•Schwingungen•(Crash-Verhalten)•(Inneraumakustik)
• „Sonder“Konstruktionen Steif / geringe Schwingungen Geringe „unkontrollierte“ Verformungen (z.B. Wärmedehnungen) Leicht (zumindest nicht unnötig schwer)
• Scheibe Eine Scheibe ist eine Verebnung eines Stabes. (höher als tief)
• Platte Die Platte ist eine Verebnung des Balkens (tiefer und breiter als hoch)
• Wozu ist ein Bogen gut? Aufnahme von Querkräften über innere Nomrlakräfte. Ein Bogen ist ein gebogener Balken.
• Was ist eine Schale? Schalen sind ein- oder mehrfach gekrümmte Platten. Querkräfte werden auch durch Normalkräfte (Scheibenspannungen) in der Schale aufgenommen.
• Eigenschaften von Stahllegierungen? rel. hoher E-Modul innerhalb der „üblichen“ Konstruktionswerkstoffe•je nach Legierungsart auch hohe statische Festigkeiten (> 1000 Mpa)•gutes Ermüdungsverhalten•meist gute Verarbeitbarkeit(Umformen, Spanen, Schweißen, ..)•aber: hohes spez. Gewicht •aber: in best. Anwendungsfällen / Anforderungskatalogen kann Stahl auch ein Leichtbauwerkstoff sein (siehe Beispiel aus der letzten Vorlesung)
• Eigenschaften von Titan-Legierungen guter Korrosions-Widerstand hohe Festigkeit/Streckgrenze bis 1000 MPa höhere Temperaturfestigkeit bis ca. 400-500 Grad Celsius moderate Dichte ca. 4,5 kg/dm3 E-Modul: 100-110 GPa Typisch warmfeste Anwendungen relativ teuer
• Eigenschaften von Magnesium Legierungen (Legierungsbestandteile Al, Zn, ...) Dichte ca. 1,75 kg/dm3 Zugefestigkeiten 250-350 MPa E-Modul ca. 45 GPa Verbesserungen mit C- und SiC-Faserverstärkungen (galvanische Korrosion)
• Gestaltungsrichtlinien faserverstärkte Werkstoffe   Möglichst hoher Faseranteil (60%)•„Unendlich“fasern(aber nicht nur) •Versch. Faserarten, meist C-Fasern•Versch. Matrix-(Einbettungs-)Werkst.meist Kunststoffe (aber nicht nur)
• Definition "Isotrope" Eigenschaften In einem Raumpunkt in allen Richtungen gleiche Eigenschaften
• Definition "Homogene" Eigenschaften An allen Raumpunkten gleiche Eigenschaften
• Wichtige Eigenschaften von CFK i.d.R. nicht homogen •oft richtungsabhängige Eigenschaften ( oft nicht isotrop (anisotrop))•in Verstärkungsrichtung sehr gute (mech.) Kennwerte•bei erforderlichem isotropem Aufbau sind mech. Eigenschaften „ähnlich“ wie gute Alu-Leg.•aber: niedrigeres spez. Gewicht (ca1.7 vs. 2.7) gute gewichtsspez. Kennwerte•Sehr gute Ermüdungsfestigkeit•wesentlich niedrigere Wärmedehnungskoeff. Alsz.B. Alu•weitegehend korrosionsfrei•aber: i.d.R. höhere Kosten (durch Teile-/Funktionsintegration zu kompensieren,muss sich im Betrieb „auszahlen“ „Lebenyzyklusverhalten“)•hohe Stückzahlen noch nicht wirtschaftl. herstellbar•Grenzen z.B. in Einsatztemperatur (außer in Sonderfällen max. 150-180°C; begrenzt durch Kunststoff
• Definition Verschiebungsfreiheitsgrade Anzahl an Diskreten Verschiebungen mit den zugehörigen Kräften, auf Englisch degrees of freedom (d.o.f.)
• Definition Ingenieursdehnung e = (ds-ds0)/ds0 ds: Abstand in Folge einer Krafteinwirkung ds0: Anfangsabstand zweier sehr eng benachbarter Punkte
• Wie nennt man Spannungs-Dehnungs-Beziehungen noch? Elastizitätsgesetz
• Wie viele Werkstoffkennwerte sind für das anisotrope Werkstoffgesetz erforderlich? Mehr als zwei.
• Wodurch erfolgt der rechnerische Zusammenbau zur Gesamtsteifigkeitsmatrix einer Struktur? Durch Koppelbedingungen zwischen Elementen, etwa der gleichen Verschiebung an den Knoten
• Wie lautet die Abfolge der grundlegenden Methode zur FEM? Wir suchen Beziehung zwischen diskreten angreifenden Kräften und sichergebenden (diskreten) Verschiebungen•Daraus Verschiebungsfelder•Daraus Dehnungsfelder•Über Werkstoffgesetze die Spannungen
• Wie kann im Rahmen der FEM eine mechanisch gute Approximation bzw. eine geometrisch gute Approximation aussehen? mechanisch: Elementphysik, Elementqualität geometrisch: Anzahl der Elemente, h-Konvergenz, p-Konvergenz
• Was versteht man unter h- bzw. p-Konvergenz? h-Konvergenz: Verfeinerung des Netzes (Verkleinerung der Elemente) p-Konvergenz: Elemente mit höherem Ansatz verwenden (Verschiebungsfeld durch ein Polynom höherer Ordnung darstellen)
• Welche Randbedingungsklassen kennen Sie? Klasse 1: Verschiebungen unbekannt, Kräfte bekannt Klasse 2: Verschiebungen bekannt, Kräfte unbekannt
• Wie lassen sich Eigenfrequenzen erhöhen? Dort wo EPot relativ hoch: Steifigkeiten erhöhen Dort wo EKin relativ hoch: Massen reduzieren
• Was ist die effektive Masse? Der Teil der Masse, welcher schwingt. Dieser soll 90% betragen.
• Was gilt für eine harmonische Anregung mit der Anregungsfrequenz Ω Antwort ~ Anregungsamplitude / sqrt ( (Summe[ω^2-Ω^2]^2) + Dämpfung)
• Welche Eigenformen sollten in der Antwortrechnung berücksichtigt werden? theoretisch: alle praktisch: diejenigen im Anregungsspektrum und Umgebung
• Welche Möglichkeiten zur Reduktion/Begrenzung von Schwingungsantworten kennen Sie? Anregungen niedrig halten Anregungs- und Eigenfrequenzen ausreichend voneinander trennen Einsetzen von Dämpfung, z.b. Schwingungstilgern
• Welche Physikalisch-technischen Dämpfungsmechanismen kennen Sie? Hydraulische Dämpfung („Flüssigkeits“-Viskosität) Werkstoffdämpfung („innere Reibung“, i.d.R. gering) Mikroschlupf in Schraub-und Nietverbindungen Luftdämpfung, ggf. auch noch aerodynamische Dämpfung(diese Dämpfung kann in zu vermeidenden Fällen „negativ“werden, d.h. Strömungsenergie kannSchwingung aufrecht erhalten / anfachen („Flattern“) Akustische Dämpfung (bei höheren Frequenzen): Abstrahlung von Lärm
• Welche verschiedenen Bereiche für Dämpfungswerte kennen Sie? kleine/wenige Dämpfungsmechanismen: ξ= 1-3% mittlere Dämpfungsmechanismen: ξ = 4-8% >8% --> besondere Dämpfungsmaßnahmen
• Inwiefern kann die Stabilität beim starren Körper beurteilt werden? Schwerpunkt unterhalb Lagerung: Stabil Schwerpunkt überhalb Lagerung: Instabil Lagerung im Schwerpunkt: Indifferent
• Was müssen Sie bei dünnwandigen Bauteilen beachten? Bauteil/Struktur versagt durch Instabilität, die instabilitätskritischen Spannungsniveaus können bei dünnwandigen Bauteilen weit unterhalb klassischer Festigkeitskennwerte liegen.
• Wie kritisch ordnen Sie Globales bzw. Lokales Beulen ein? Globales Beulen: betrifft Gesamtstruktur; (“sehr gefährlich”) Lokales Beulen: betrifft nur(untergeordnete?) Teile; (oft “weniger gefährlich”)
• Was ist ein Beispiel für eine stabilitätsgerechte Bauweise? Sandwich-Bauweise
• Wie kann Beulen vermieden werden? (Bsp. Zylinder) Werkstoff hohen E-Moduls Hohes Flächenträgheitsmoment der Wand Zusätzliche Versteifungen --> Reduktion der "freien Beullängen"
• Warum tritt in der Realität allmähliches Beulen, welches nicht linear mit der Druckkraft verläuft, auf? Exzentrizitäten der Last fertigungstechnische Ungenauigkeiten Vorkrümmungen Materialimperfektionen
• Nennen Sie einige Beispiele für Nichtlinearitäten! Beispiel Auto-Crash: Geom. Nichtlinearität Werkstoffnichtlin. (Plastifizieren) Dynamisch (hochdynamische Instabilitäten)
• Welche Einflussfaktoren wirken auf die Versagenskriterien ein? äußere Belastung, Geometrie, Werkstoff, Betriebsbedingungen
• Welche verschiedenen Festigkeitshypothesen kennen Sie? Normalspannungs-Hypothese (spröde Werkstoffe) Schubspannungs-Hypothese (Duktile Werkstoffe) Gestaltänderungsenergie-Hypothese (dutkile Werkstoffe)
• Wie lautet ein abstrakteres, algebraisches Festigkeitskriterium für isotrope Metalle? (σx/σBruch)^2 + (σy/σBruch)^2 =< 1 (Bei mehrachsiger Beanspruchung und stark vereinfacht)
• Wie lautet eine abstrakteres, algebraisches Festigkeitskriterium für nicht isotrope Faserverbunde? (σx/σBruchX)^2 + (σy/σBruchY)^2 =< 1 (Bei mehrachsiger Beanspruchung und stark vereinfacht)
• Geben sie Beanspruchungsniveaus/Klassen in Abhängigkeit des zugehörigen Beanspruchungsniveaus und der Anzahl der erwarteten Lastwechsel 1: 150-200 MPa, 10^6 LW 2: 200-250 MPa, 2*10^5 LW 3: 250-300 MPa, 3*10^^3 LW
• Definieren Sie die Miner-Regel! SUMME(ni/Ni) <= 1 ni: Die tatsächlichen Lastwechsel in der Klasse i Ni: Die ertragbaren LW in der Beanspruchungsklasse i aus der Wöhlerkurve Mit Sicherheitsfaktor γ: γ*SUMME(ni/Ni) <= 1
• Definieren Sie Versagenswahrscheinlichkeit und Zuverlässigkeit! pf (probability of failure oder Versagenswahrscheinlichkeit) = limTreal *(Tvers/Treal) R (Reliability) = 1-pf
• Wie verstehen Sie die geometrische Interpretation von "Versagenswahrscheinlichkeit"? Die Schnittfläche der graphischen Repräsentationen der Beanspruchungs- und Festigkeitskurve. (Achsen sind hierbei die "relative Häufigkeit" und die "Zahlenwerte")
• Welche Verbindungsarten kennen Sie? Schraubverbindungen Nietverbindungen Schweißverbindungen Klebverbindungen Mischformen: z.b. geklebte Nietverbindungen
• Wie berechnet sich τmittel? τmittel = F/AKleb
• Definieren Sie Reibrührschweißen! Definition nach DIN EN 14610:2004„Pressstumpfschweißen in viskoplastischer Phase, wobei Wärme durch Reibung zwischen einer verschleißfesten rotierenden Werkzeugspindel und den Werkstücken erzeugt wird.“ Auf Englisch: Friction Stir Welding

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