Leichtbau-Konstruktion, 1989 Berechnungsgrundlagen und Gestaltung Viewegs Fachbücher der Technik Series

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 . . . . . . .

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.- 5.6 Bewertung konstruktiver Grundlastfälle.- 5.7 Gesichtspunkte für die Werkstoffauswahl.- 6 Leichtbauwerkstoffe.- 6.1 Stahl.- 6.2 Eisen-Gußwerkstoffe.- 6.3 Aluminium.- 6.4 Magnesium.- 6.5 Titan.- 6.6 Kunststoffe.- 6.7 Superleichtlegierungen.- 6.8 Faserverstärkte Werkstoffe.- 7 Gestaltungsprinzipien im Leichtbau.- 7.1 Strukturmerkmale.- 7.2 Konstruktive Prinzipien.- 8 Elastizitätstheoretische Grundlagen.- 8.1 Bauelemente.- 8.2 Geometrische Beschreibungsgrößen.- 8.3 Elastizitätsgleichungen.- 8.4 Formänderungsenergie.- 8.5 Elastizitätsgesetz der stabartigen Elemente.- 8.6 Elastizitätsgesetze der Flächenelemente.- 9 Dünnwandige Stab-Balkenprofile.- 9.1 Kraftflüsse.- 9.2 Kraftflüsse und Schnittgrößen.- 9.3 Querkraftbiegung.- 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 GeometrischeBeschreibungsgrößen 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.- 16.3 Elastzitätsgleichungen für statisch unbestimmte Strukturen.- 16.4 Geschlossener Rahmen.- 16.5 Symmetriebedingungen.- 17 Sandwichelemente.- 17.1 Aufbauprinzip.- 17.2 Werkstoffeigenschaften.- 17.3 Homogener Kern.- 17.4 Verallgemeinerte Membrantheorie.- 17.5 Methode der Partialdurchsenkung.- 17.6 Strukturierte Kerne.- 18 Stabilität von Stab/Balken-Tragwerken.- 18.1 Grundeffekte.- 18.2 Verzweigungsproblem.- 18.3 Durchschlagproblem.- 18.4 Knickung von Stäben und Balken.- 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.- 20.2 Lösung der Plattengleichung.- 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 mitspeziellen Einleitungsgurten.- 22.6 Mittragende Breite einer Scheibe.- 22.7 Auslegung von Einleitungsgurten.- 22.8 Schubfeldmodell.- 23 Verbindungstechnik.- 23.1 Einsatzbreite.- 23.2 Nietung.- 23.3 Schweißung.- 23.4 Klebung.- 23.5 Besondere Fügeverfahren.- 24 Strukturoptimierung.- 24.1 Strukturkennwert.- 24.2 Einfache Optimierungsprobleme.- 24.3 Dimensionierung von Profilen unter Optimalitätsbedingungen.- 24.4 Dimensionierung von Flächentragwerken unter Optimalitätsbedingungen.- 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.