LEICHTBAUKONZEPTE & BIONISCHE STRUKTUREN

Die Strukturanalyse mit FEM (Finite-Elemente-Methode) ist eine numerische Methode zur Berechnung von physikalischen Problemen, die auf komplexen Geometrien beruhen. Sie unterteilt ein Bauteil in viele kleine, endliche Elemente (Finite Elemente), um die Verformung, Belastung, Spannungsverteilung und andere mechanische Eigenschaften unter definierten Lastbedingungen zu analysieren.

Die Nutzung von FEM ermöglicht es uns, die mechanische Integrität eines Bauteils zu überprüfen, ohne dass physische Prototypen hergestellt werden müssen.

In der Strukturanalyse unterscheiden wir zwischen der statischen Strukturanalyse und der transienten Strukturanalyse zur Untersuchung der mechanischen Belastung und Verformung von Bauteilen. Beide verwenden die FEM, um das Verhalten von Strukturen unter bestimmten Bedingungen zu simulieren. Sie unterscheiden sich jedoch in ihrem Ansatz.

Die statische Strukturanalyse wird verwendet, um das Verhalten einer Struktur unter konstanten Lasten zu untersuchen. Sie analysiert, wie sich das Bauteil verformt und welche Spannungen und Dehnungen auftreten, wenn die Lasten über einen längeren Zeitraum auf das Bauteil wirken.

Merkmale der statischen Analyse:

• Zeitunabhängig: Die Lasten werden als unveränderlich angenommen, sodass die Analyse nicht von der Zeit abhängt.
• Konstante Belastungen: Die aufgebrachten Kräfte (z.B. Gewicht, Druck) sind fix und verändern sich nicht.
• Einsatzgebiete: Diese Methode wird häufig verwendet, um zu bestimmen, ob eine Struktur unter normalen Betriebsbedingungen stabil ist, z.B. bei der Berechnung der maximalen Belastbarkeit von Brücken, Gebäuden oder Maschinenbauteilen.

Beispiel:

Die statische Analyse könnte verwendet werden, um die Tragfähigkeit einer Brücke unter einer konstanten Last (wie das Eigengewicht oder das Gewicht eines Fahrzeugs) zu berechnen.

Die transiente oder dynamische Strukturanalyse untersucht das Verhalten einer Struktur unter zeitabhängigen, also variablen Belastungen.

Merkmale der transienten Analyse:

• Zeitabhängig: Die Lasten und die Reaktionen der Struktur ändern sich im Laufe der Zeit. Die Analyse berücksichtigt, wie sich die Struktur in jeder Zeiteinheit verhält.
• Dynamische Belastungen: Die Struktur wird dynamischen, sich ändernden Belastungen ausgesetzt, wie z.B. Stößen, Vibrationen, Erschütterungen oder plötzlichen Lastwechseln.
• Einsatzgebiete: Diese Analyse wird verwendet, um das Verhalten von Strukturen bei zeitlich veränderlichen Belastungen zu untersuchen, wie z.B. bei Erdbeben, Schwingungen in Maschinen oder aerodynamischen Kräften auf Flugzeuge.

Beispiel:

Ein Auto, das über eine Bodenwelle fährt, erzeugt zeitabhängige Belastungen auf das Fahrwerk. Eine transiente Strukturanalyse könnte verwendet werden, um zu berechnen, wie sich diese Belastungen im Laufe der Zeit auf das Fahrwerk auswirken.

Die Topologieoptimierung ist eine rechnergestützte Methode, um das Material innerhalb eines vorgegebenen Designraums zu verteilen und das optimale Bauteildesign zu ermitteln. Ziel ist es, Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften beizubehalten oder sogar zu verbessern.

In der Praxis bedeutet dies, dass wir Ihr Bauteil so gestalten, dass nur dort Material vorhanden ist, wo es für die Stabilität oder Funktion benötigt wird. Dies führt zu leichteren, kostengünstigeren und leistungsfähigeren Bauteilen, die dennoch die gleichen strukturellen Anforderungen erfüllen.

Bionische Strukturen sind technische Strukturen oder Designs, die sich von der Natur inspirieren lassen. Bei der Bionik (eine Kombination aus “Biologie” und “Technik”) geht es darum, biologische Prinzipien und Bauweisen von Lebewesen oder natürlichen Systemen zu untersuchen und auf technische Probleme anzuwenden, um effizientere, nachhaltigere und leistungsfähigere Lösungen zu schaffen.

Merkmale und Vorteile bionischer Strukturen:

1. Optimierte Form und Funktion: Bionische Strukturen sind oft so gestaltet, dass sie maximale Stabilität und Effizienz bei minimalem Materialeinsatz bieten. Ein Beispiel ist das Skelett von Vögeln, das leicht, aber dennoch extrem stabil ist.
2. Gewichtsreduktion: Da in der Natur Strukturen oft sehr leicht und dennoch stabil sind, hilft die Nachahmung solcher Designs, das Gewicht von technischen Bauteilen zu reduzieren. Dies ist besonders im Leichtbau von hoher Relevanz.
3. Anpassung an Belastungen: Viele bionische Strukturen sind so gestaltet, dass sie Lasten flexibel aufnehmen und verteilen können, ähnlich wie Bäume, die in ihren Zweigen und Wurzeln die Kräfte optimal verteilen.
4. Energieeffizienz: Durch die Nachahmung natürlicher Systeme kann Energie effizienter genutzt werden.

Anwendung im Leichtbau:

In der Industrie werden bionische Strukturen häufig in der Topologieoptimierung verwendet, um Bauteile zu entwickeln, die leicht, stabil und widerstandsfähig sind. Durch das Nachahmen natürlicher Prinzipien kann die Materialnutzung verbessert und die Struktur an spezifische Belastungen angepasst werden.