Leichtbau (Fach) / Theorie (Lektion)

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• Sie sollen mit Hilfe der original Palmgren-Miner-Regel eine Abschätzung der Lebensdauer eines regellos mehrstufig beanspruchten Bauteils aus AlMgSi1 durchführen. Unter welchen Voraussetzungen (nennen Sie drei) darf die Hypothese streng genommen nur angewendet werden? - Beanspruchungsverlauf sinusförmig- keine Verfestigung des Werkstoffs- alle Beanspruchungen oberhalb der Dauerfestigkeit- Versagen tritt bei Anriss der Probe ein, nicht bei Schwingungsbruch.
• Was müssen Sie bei Werkstoffen mit kfz-Struktur berücksichtigen, um bei Bauteilen eine Fehlabschätzung zur unsicheren Seite hin zu vermeiden? - Bei austenitischen Stählen und kfz-Legierungen muss mit Miner elementar oder Miner modifiziert gerechnet werden, da diese Werkstoffe keine ausgeprägte Dauerfestigkeit besitzen
• Wofür werden Vergleichspannungshypothesen in der Technik benötigt? Nennen Sie die drei in der Vorlesung behandelten Hypothesen und geben Sie an, für welches Werkstoffverhalten die Hypothesen jeweils angewendet werden dürfen! - Mit Hilfe von Vergleichsspannungshypothesen werden mehrachsige Spannungs-zustände in einen fiktiv einachsigen Spannungszustand überführt. Dies erlaubt denVergleich zwischen den in einem einachsigen Versuch ermittelten Werkstoffkennwerten (R m, R e etc.) und den im untersuchten Bauteil herrschenden Spannungen.- Normalspannungshypothese (NH): spröde WerkstoffeSchubspannungshypothese (SH): duktile Werkstoffe (konservativer als GEH)Gestaltänderungsenergiehypothese (GEH): duktile Werkstoffe
• Welche beiden grundsätzlichen Varianten der Bruchmechanik gibt es? Für welche Werkstoffart werden die beiden Varianten eingesetzt? - Linearelastische Bruchmechanik: ganz / nahezu ganz sprödes WK-Verhalten- Elastisch-Plastische Bruchmechanik zähes WK-Verhalten
• Nennen Sie drei Gründe für die Anwendung von Sicherheitsbeiwerten bei der rechnerischen Auslegung einer Konstruktion. - Unsicherheiten in der Lastannahme- Ungenauigkeiten in der Spannungsberechnung- Unsicherheiten bei der Ermittlung der Werkstoffkennwerte
• Was zeichnet ein Hauptspannungssystem aus? - In den Schnittebenen wirken nur Normal-, keine Schubspannungen
• Unter welcher Bedingung lassen sich die oben genannten Festigkeitshypothesen auch für schwingende Beanspruchung verwenden? Körperfestes Hauptachsensystem
• Geben Sie eine einfache Beanspruchung an, für die die Bedingung nicht erfüllt ist. z.B. Phasenverschobene Überlagerung von Normal- und Torsionsspannungo oder Überlagerung statischer Torsions- und schwingender Normalspannung
• Nennen Sie 4 Größen die das Knicken maßgeblich beeinflussen können. Flächenträgheitsmoment, E-Modul, Stablänge, Einspannbedingung
• Wodurch versagen dünne, auf Druck beanspruchte Flächentragwerke? Beulen (Stabilitätsproblem)
• Nennen Sie 4 Versagensarten, die bei dünnwandigen Profilen unter Druckbelastung auftreten können. Lange schlanke Stäbe unter Druckbelastung versagen durch Fließen, Bruch, Ausknicken oder Drillknicken.
• Welche Versagensarten können bei langen schlanken Stäben und Profilen in Fachwerkkonstruktionen auftreten Stäbe in Fachwerkkonstruktionen werden auf Zug oder Druck beansprucht und können neben Versagen durch Fließen oder Bruch auch durch seitliches Ausknicken unter Druckbeanspruchung versagen.
• Bei welchen Belastungen hat der Profilformfaktor große Auswirkungen? Nennen Sie 3. - Biegung, Torsion, Knicken
• Geben Sie die minimale und maximale theoretische Grenze der Kerbwirkungszahl bei schwingender Belastung βk und nennen Sie zwei Faktoren, die die Kerbwirkungszahl βk beeinflussen. - 1 ≤ βk ≤ αk- Faktoren: Kerbgeometrie (Formzahl); spezifisches Werkstoffverhalten; Beanspruchungsart
• Aus welchem Grund ist die Spannungserhöhung bei Bauteilen mit geometrischen Kerben aus Gusswerkstoffen bei schwingender Belastung in der Regel geringer als bei Bauteilen aus hochfesten Stählen? Die geringere Kerbempfindlichkeit von Gusswerkstoffen gegenüber hochfesten Stählenist werkstoffmechanisch mit der hohen inneren Kerbwirkung von Guss begründet.
• Weshalb wirken sich Kerben bei schwingender Beanspruchung weniger stark auf das Festigkeitsverhalten aus als bei statischer?Wie wird dieser Effekt in der Festigkeitsberechnung erfasst? Zwischen welchen Grenzen liegt die Kerbempfindlichkeit bei schwingender Beanspruchung theoretisch? o Durch die dynamische Stützwirkung- mit Hilfe der Kerbwirkungszahl 1 ≤ βk ≤ αk
• Nennen Sie drei Verfahren zur Herstellung von Schichtverbunden. - Rollbonden (Walzen), Explosionsbonden, Koextrusion
• Aufbau von Faserverbundwerkstoffen: Es gibt 2 Komponenten Fasern und die Matrix - Fasern: (aus Glas, Graphit):- geben der Struktur Festigkeit und Steifigkeit,- Matrix: (aus Kunstsoffen: Epoxydharz, Polyester, Polyamide):umschließt die Fasern und hält sie zusammen, schützt vor mechanischen und chem. Einflüssen, verhindert bei Druckbelastung einknicken der Fasernwichtigste Aufgabe der Matrix ist die Übertragung der äußeren Belastung auf die Fasern
• Nenne die beiden geometrischen Verträglichkeitsbedingungen für Matrix und Faser - Dehnung in Matrix und Faser bei Belastung in Faserrichtung ist identisch- übertragene Kraft in Faser und Matrix bei Belastung quer zu Faser ist gleich groß
• Im Zusammenhang mit der Konstruktion von Komponenten auf Basis von Leichtbaukonzepten werden Verbundswerkstoffe eingesetzt, die aus 2 oder mehr Einzelwerkstoffen aufgebaut sind. Z.B. faserverstärkte Verbundwerkstoffe (Luft- und Raumfahrttechnik) Welche Forderungen werden an die Werkstoffe gestellt? - hohe Festigkeit- hohe Steifigkeit- geringe Dichte
• Nenne den besonderen Vorteil von Faserverbundwerkstoffen und Nachteile - durch geschickte Kombination und Anordnung der Ausgangsmaterialien entsteht ein Werkstoff der dem spezifischen Anforderungsprofil gerecht wird- Werkstoffe mit richtungsabhängigen Eigenschaften- Geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten- Hohe dichtebezogene FestigkeitenNachteile:- Aufwendige und damit kostenintensive Herstellung- Häufig begrenzte Warmfestigkeit (insbesondere wenn Matrixmaterial aus Kunstsoff)
• Erkläre das Maximalspannungskriterium für Faserverbundwerkstoffe! - Maximalspannungshypothese für Faserverbundwerkstoffe: Auch bei mehrachsigerBeanspruchung werden die Spannungskomponenten GETRENNT voneinander betrachtet.- Versagen tritt ein, wenn maximale Zug- Druckspannung bzw. die maximale Schubspannungerreicht wird
• Nennen Sie drei Aufgaben, die die Matrix eines Faserverbundwerkstoffs erfüllt. - räumliche Trennung der Fasern- Einbetten der Fasern mit möglichst guter Haftung- Schutz der Fasern gegen chemischen Angriff oder mech. Beschädigungen- Übertragung von Schubspannungen
• Wofür stehen die Abkürzungen GFK, CFK und AFK, wenn von Verbundwerkstoffen die Rede ist?Zu welcher Art von Verbundwerkstoffen zählen sie? - GFK: Glasfaserverstärkter Kunststoff- CFK: Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff- AFK: Aramidfaserverstärkter Kunststoff- Faserverbunde
• In welche drei Arten können Verbundwerkstoffe nach ihren Aufbau eingeteilt werden? Geben Sie je ein Beispiel an. Hat die jeweilige Verbundwerkstoffart eher isotrope oder anisotrope Eigenschaften? - Schichtverbunde – Sperrholz – anisotrop- Faserverbunde – Glasfaserstoff – sowohl als auch- Teilchenverbunde – Beton – isotrop
• Nennen Sie drei Verfahren zur Herstellung von Schichtverbunden und zwei bekannte Vertreter dieser Werkstoffgruppe. - Rollbonden, Explosionsbonden, Koextrusion, Hartlöten, KlebenVertreter: Sicherheitsglas, Laminate, Koaxialkabel...
• Welche drei Verfahren zur Herstellung von Fasern kennen Sie? o ziehen aus der Schmelzeo Pyrolyse faserartiger Vorprodukteo Abscheiden aus der Gasphase
• Welche Möglichkeiten gibt es, um einen Verbundwerkstoff isotrop zu verstärken? Nennen Sie 3. Kurzfasern, Gewebe, Teilchen
• Beschreiben und begründen Sie die Abhängigkeit der Festigkeit von GFK- Laminat vom Glasfasergehalt. - Zunächst: Zunahme Glasfasern Zunahme FestigkeitGrund: höhere Festigkeit Glasfaser (im Vergleich zu Matrix)Dann: Erreichen eines Grenzwertes (je nach Faserform)
• Duromere: stark vernetzte Kunststoffe (engmaschig), weder erweich- noch schmelzbarBei Raumtemp hart und spröde, nicht schweißbar, nicht plastisch verformbar
• Elastomere: vereinzelte intermolekulare Primärbindungen (weitmaschig vernetzt), elastisch,verformbar, nicht schmelzbar, unlöslich, quellbar, werden im gummielastischen Zustand eingesetzt
• Thermoplaste: bestehen aus unverzweigten oder verzweigten Makromolekülen, zwischen denen nur Sekundärbindungen wirken (Vernetzungsgrad=0), beliebig oft erweichbar, schweißbar, löslich, quellbar, bei Raumtemp spröde oder zähelastisch
• Amorphe Thermoplaste: Molekülketten liegen völlig ungeordnet vor, häufig durchsichtig, eher sprödes Verhalten,spannungsrissempfindlich, je ungeordneter,je weniger verzweigt die Molküle desto steifer derWerkstoffBsp. PS, PVC, PMMA, PC,ABS
• Teilkristalline Thermoplaste: bilden in manchen Bereichen eine kristalline Struktur aus(nicht zufällig, sondern regelmäßig in einer Kristallstruktur angeordnet).Opakes bis undurchsichtiges Aussehen, Einsatzbereich zwischen Glas- und Schmelztemperatur,ausreichend gute Festigkeitseigenschaften, hohe Ermüdungsfestigkeit, gutes GleitverhaltenBsp. PA, PE, POM, PTFE, PBTP
• Herstellung von Kunststoffen: Ausgangsstoffe : Erdöl, Erdgas, KohleMonomere enthalten entweder ungesättigte Doppelbindungen oder bi- oder höherfunktionelle Gruppen- Doppelbindungen und bifunktionelle Gruppen führen zu Hochpolymeren mit linearem Aufbau (Fadenmoleküle)- Aus Monomeren mit höherfunktionellen Gruppen verzweigte oder vernetzte Hochpolymere entstehen
• Polykondensation: Aus Monomeren mit bifunktionalen Gruppen entstehen Thermoplaste (Kettenmoleküle ohne Vernetzung untereinander)Aus Monomeren mit mehrfunktionellen Gruppen Duroplaste (stark vernetzte Molekülstruktur)Bei Kondensationsreaktion werden niedermolekulare Substanzen z.B. H20, NH3, HClBeispiele für Polykondensate: PA, PC, PF, PBTP, PETP (Polyethylenterephthalat) (Polyester)
• Additionspolymerisation als Kettenreaktion (Polymerisation): Aus ungesättigten Monomeren mit C=C Doppelbindung oder Heterocyclen (ringförmiges organ. Molekül in dem ein oder mehrere C-Atome gegen N,O,.. ersetzt sind) entstehen unter Wärmezufuhr und mit Katalysatoren fadenförmige Makromoleküle.Bei Aktivierung wird eine der Doppelbindungen aufgebrochen wodurch Valenzen für eine Verbindung mit 2 Nachbarmolekülen frei werden.Länge des Makromoleküls ist abhängig von Temperatur sowie Mengen an Beschleunigern.
• Additionspolymerisation als Stufenreaktion (Polyaddition): Monomere werden ohne Abspaltung eines Nebenprodukts durch Umlagern der Substiutenten zu einem Makromolekül verknüpft. Sind ungesättigte Seitengruppen vorhanden, kann durch Vernetzung ein Duromer entstehenz.B. PUR, EP
• Nennen Sie drei Verfahren zur chemischen Synthese von Kunststoffen. - Kondensationspolymerisation (Polykondensation)- Additionspolymerisation als Kettenreaktion (Polymerisation)- Additionspolymerisation als Stufenreaktion (Polyaddition)
• Ordnen Sie Duromere, Elastomere und Thermoplaste nach ihrem Vernetzungsgrad, beginnen Sie mit dem Geringsten. Geben Sie zusätzlich für jede der Gruppen ein Beispiel an. Thermoplaste (ABS, PA, PC, PE, PETP, PMMA, POM, PS, PP, PTFE, PVC, SAN...)- Elastomere (BR, CR, IR, NBR, NR, SBR)- Duromere (MF, EP, EPM, PF, PUR, UF, UP)
• Nennen Sie vier Eigenschaften, welche die Kunststoffe stark von den Metallen abgrenzen. niedrige Dichte, hoher elektrischer Widerstand, hohes Dämpfungsvermögen, geringe Wärmeleitfähigkeit, beständig gegen elektrolytische Korrosion, einfache Fertigung komplizierter Geometrien
• Welche Aufgabe haben Stabilisatoren bei Kunststoffen? verhindern von chemischen Abbaureaktionen (aufspalten kovalenter Bindungen) beikonstanter Last oder Einwirkung von Temperatur bzw. Strahlung.
• Warum wird PTFE (Teflon) z.B. als Werkstoff für Lager verwendet? Nennen Sie 2 Gründe. geringe Reibung, unbrennbar, Wetter- und Lichtbeständig, nimmt kein Wasser auf
• Was versteht man unter einem Monomer und wodurch zeichnet es sich aus? Monomere sind niedermolekulare Moleküle und enthalten entweder (ungesättigte)Doppelbidungen oder bi- oder höherfunktionelle Gruppen und bilden den Grundbausteinfür die Herstellung von Kunststoffen.
• Beschreiben Sie den Vorgang der Polymerisation. Unter Wärmezufuhr oder durch Katalysatoren werden die Doppelbindungen derMonomere aufgebrochen und die freien Valenzen verbinden sich mit denen desNachbarmoleküls, wodurch sich fadenförmige Makromoleküle bilden
• Erläutern Sie die Begriffe „diskrete Zufallszahl“ und „Wahrscheinlichkeits- dichtefunktion“. Benutzen Sie gegebenenfalls eine Zeichnung. Unter einer diskreten Zufallvariablen „X“ versteht man eine Zufallsvariable, die nurbestimmte ausgezeichnete Werte annehmen kann
• Erläutern Sie die Begriffe „diskrete Zufallszahl“ und „Wahrscheinlichkeits- dichtefunktion“. Benutzen Sie gegebenenfalls eine Zeichnung. - Unter einer diskreten Zufallvariablen „X“ versteht man eine Zufallsvariable, die nurbestimmte ausgezeichnete Werte annehmen kann- Statt der Variablen „X“ wird die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion f(X) über derZufallsvariablen „X“ aufgetragen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Ereignis eintritt istgleich der Fläche unter der Dichtefunktion im entsprechenden Intervall
• Was ist unter dem Begriff „Summenhäufigkeit“ zu verstehen? Die Summenhäufigkeit ist das Integral der Wahrscheinlichkeitsdichte f(x).
• Geben Sie die Definition der Wahrscheinlichkeit P(A) für das Eintreten eines Ereignisses A an. P(A)=Anzahl aller Fälle, in denen A eintritt / Anzahl aller möglichen Fälle
• Was versteht man unter dem Erwartungswert, der Varianz sowie der Standardabweichung? - Erwartungswert (Mittelwert μ) :Der Erwartungswert gibt den Mittelwert der Zufallsvariablen X an, der bei häufiger Wiederholung des Zufallsexperiments erreicht wird.- Varianz:Die Varianz ist ein Maß für die Streuung der Zufallsvariablen X- Standardabweichung: Die Wurzel der Varianz wird als Standardabweichung bezeichnet

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