Lehre
Leichtbau 1 / FEM (LB1)
Im Maschinenbau und insbesondere in der Automobiltechnik hat das Thema Leichtbau heute eine überragende Bedeutung. Es gilt - sowohl bei der Herstellung als auch während der Nutzung von Maschinen und Fahrzeugen - Material, Gewicht und Energie einzusparen. Und dies ohne Abstriche hinsichtlich Technischer Funktion, Wirtschaftlichkeit sowie Sicherheit für Mensch und Umgebung.
In der Vorlesung Leichtbau 1 /FEM werden die Grundlagen der Finite-Elemente-Methode mit besonderem Bezug zum Leichtbau behandelt. Neben den theoretischen Grundlagen wird die FE-Methode mit Hilfe eines marktführenden Computer-Programms auf einfache Konstruktionen angewendet. Die Bewertung der Ergebnisse erfolgt mittels klassischer Methoden der Mechanik. Wesentliches Ziel ist, die vielfältigen Möglichkeiten und Grenzen der FE-Methode aufzuzeigen.
Die FE-Methode ist ein weit verbreitetes modernes Berechnungsverfahren im Ingenieurwesen. So lassen sich die Verformungen von Bauteilen unter Belastung ebenso berechnen wie die dabei im Bauteil wirkenden Spannungen und Dehnungen. Mittlerweile findet die Methode in allen Gebieten der Technik einschließlich der Medizintechnik ihre Anwendung - im Fahrzeugbau bei Kleinteilen über Motor und Fahrwerk bis hin zur Karosserieberechnung einschließlich Crash-Verhalten.
Die Vorlesungen Leichtbau 1 /FEM, Leichtbau 2, Leichtbau 3 und Betriebsfestigkeit bauen inhaltlich aufeinander auf.
Inhalt in Stichpunkten:
Einführung, Gleichungen der Elastostatik, Finite Gleichung, Matrix-Steifigkeitsmethode, Stab-Element, Balken-Element, FEM in 7 Schritten, Berechnung von Hand, Berechnung mit Software, Pre- und Postprocessing
Literatur zur Vorlesung:
B. Klein: FEM - Grundlagen und Anwendungen der Finite-Element-Methode im Maschinen- und Fahrzeugbau. Springer Vieweg Verlag
L. Nasdala: FEM-Formelsammlung Statik und Dynamik. Springer Vieweg Verlag
Leichtbau 2 (LB2)
Im Maschinenbau und insbesondere in der Automobiltechnik hat das Thema Leichtbau heute eine überragende Bedeutung. Es gilt - sowohl bei der Herstellung als auch während der Nutzung von Maschinen und Fahrzeugen - Material, Gewicht und Energie einzusparen. Und dies ohne Abstriche hinsichtlich Technischer Funktion, Wirtschaftlichkeit sowie Sicherheit für Mensch und Umgebung.
In der Vorlesung Leichtbau 2 werden die Prinzipien des Konstruktiven Leichtbaus behandelt und auf praktische Probleme angewendet. Hierzu zählen auch die Bauweisen der Natur (Bionik). Eingeübt wird der Umgang mit der Finite-Element-Methode (numerische Simulation) zur Auslegung und Optimierung von Leichtbau-Strukturen (insbesondere dünnwandigen Blechkonstruktionen) hinsichtlich Festigkeit, Steifigkeit, Zähigkeit und Gewicht. Begleitende Überschlagsberechnungen auf Basis der Technischen Mechanik (Berechnung von Hand) sichern die Leichtbau-Konstruktion ab. Eine Übersicht gängiger Leichtbau-Werkstoffe und deren Eigenschaften dient als Basis.
Die Vorlesungen Leichtbau 1 /FEM, Leichtbau 2, Betriebsfestigkeit und Leichtbau 3 bauen inhaltlich aufeinander auf.
Inhalt in Stichpunkten:
Leichtbau-Werkstoffe Stahl, Aluminium, Magnesium, Titan, CFK/GFK; Werkstoffeigenschaften, Werkstoffkennwerte, Leichtbaukennzahlen.
Prinzipien des Konstruktiven Leichtbaus:
- Bauweisen der Natur
- Direkte Kraftleitung und Kraftausgleich
- Großes Flächenträgheitsmoment
- Feingliederung von Strukturen
- Stützwirkung durch Krümmung
- Gezielte Versteifung von Konstruktionen
- Funktionsintegration
- Absolute Ausschöpfung einer Konstruktion
- Vorgegebene Nutzungs- und Lebensdauer
Literatur zur Vorlesung:
B. Klein: Leichtbau-Konstruktion, Berechnungsgrundlagen und Gestaltung. Springer Vieweg Verlag
D. Groß, W. Hauger, J. Schröder, W. A. Wall: Technische Mechanik 2, Elastostatik. Springer Verlag
J. Wiedemann: Leichtbau - Elemente und Konstruktion. Springer Verlag
Leichtbau 3 (LB3)
Im Maschinenbau und insbesondere in der Automobiltechnik hat das Thema Leichtbau heute eine überragende Bedeutung. Es gilt - sowohl bei der Herstellung als auch während der Nutzung von Maschinen und Fahrzeugen - Material, Gewicht und Energie einzusparen. Und dies ohne Abstriche hinsichtlich Technischer Funktion, Wirtschaftlichkeit sowie Sicherheit für Mensch und Umgebung.
Die Vorlesung Leichtbau 3 führt in den Aufbau und die Vorteile einfacher Sandwich-Strukturen ein, die sich in der Praxis insbesondere durch extrem geringes Gewicht bei hervorragender Festigkeit und Steifigkeit auszeichnen. Behandelt und eingeübt wird ihre Auslegung sowohl auf Basis der Technischen Mechanik (Berechnung von Hand) als auch mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (numerische Simulation).
Ein zweiter Schwerpunkt der Vorlesung ist die Stabilität: die Vermeidung eines Bauteilversagens durch Knicken oder Beulen. Neben der Darstellung der Grundlagen werden einfache Leichtbau-Strukturen hinsichtlich dieser Anforderung ausgelegt und gezielt optimiert.
Die Vorlesungen Leichtbau 1 /FEM, Leichtbau 2, Betriebsfestigkeit und Leichtbau 3 bauen inhaltlich aufeinander auf.
Inhalt in Stichpunkten:
Aufbau von Sandwich-Elementen, Sandwich unter Biegung und Schub
Knicken von Profilstäben und Balken; Beulen von Platten, Rohren, Profilen; Abhilfe durch Versteifungen
Leichtbaustrukturen unter Temperatureinfluss; Schwingungen von Strukturen
Literatur zur Vorlesung:
B. Klein: Leichtbau-Konstruktion, Berechnungsgrundlagen und Gestaltung. Springer Vieweg Verlag
D. Groß, W. Hauger, J. Schröder, W.A. Wall: Technische Mechanik 2, Elastostatik. Springer Verlag
D. Gross, W. Hauger, P. Wriggers: Technische Mechanik 4, Hydromechanik, Elemente der Höheren Mechanik, Numerische Methoden. Springer Verlag
J. Wiedemann: Leichtbau - Elemente und Konstruktion. Springer Verlag
Betriebsfestigkeit (BF)
Hauptanforderungen an Maschinen und Automobile sind Technische Funktion, Wirtschaftlichkeit sowie Sicherheit für Mensch und Umgebung. Hinzu kommt der Leichtbau mit Forderungen nach Material- und Gewichtseinsparung sowie Ressourcenschonung. Durch die mit dem Leichtbau zwangsläufig verbundene Ausschöpfung aller Reserven werden häufig die Grenzen der Belastbarkeit von Konstruktionen erreicht und die Forderung nach Betriebsfestigkeit - also ausreichender Haltbarkeit über die gesamte Nutzungsdauer - tritt plötzlich in den Vordergrund.
In der Vorlesung Betriebsfestigkeit werden technisch relevante, mechanische Bauteil-Beanspruchungsarten und die daraus resultierenden Schädigungs- und Bruchvorgänge unterschieden und bewertet. Die Kennlinien der Bauteil- und Betriebsfestigkeit werden ebenso behandelt wie die zahlreichen Einflussfaktoren. Einschlägige Verfahren zur betriebsfesten Auslegung von Strukturen des Maschinen- und Automobilbaus (experimentell und rechnerisch) dienen der Abrundung.
Inhalt in Stichpunkten:
Einführung: Überblick, tragische Schadensfälle, Gliederung. Bauteil-Beanspruchung, Bruchvorgänge, Bauteil-Festigkeit (Wöhler- und Lebensdauerlinie), Blockprogramm-Versuch, Betriebslasten-Nachfahrversuch, Einflussfaktoren der Betriebsfestigkeit (Werkstoff, Konstruktion, Fertigung, Temperatur, Korrosion, Mittelspannung, Reihenfolge), Bestimmung der Dauerfestigkeit, Lebensdauerberechnung, Ausfallwahrscheinlichkeit, Betriebsfestigkeitsnachweis, Schadensfälle.
Literatur zur Vorlesung:
E. Haibach: Betriebsfestigkeit. Springer VDI Verlag
D. Radaj, M. Vormwald: Ermüdungsfestigkeit. Springer Verlag
Konstruktionsmethodik (KM)
Der Industriestandort Deutschland ist als Hochlohnland nur mit weltmarktfähigen Produktinnovationen zu halten, die schnell und kostengünstig durchgeführt werden müssen. Kosten, Zeit und Qualität einer Produktinnovation werden wesentlich bei der Produktentwicklung und Konstruktion festgelegt. Methodisches Konstruieren dient dabei als Voraussetzung einer erfolgreichen Produktentwicklung.
Die Vorlesung Konstruktionsmethodik behandelt die Hauptphasen des methodischen Konstruierens (Aufgabenklärung, Konzipieren, Entwerfen, Ausarbeiten) sowie die zugehörigen Hauptarbeitsschritte. An Hand vieler Praxisbeispiele werden Anforderungslisten erstellt sowie Funktionsstrukturen und systematisch Lösungen entwickelt, ausgewählt und bewertet. Mit den Grundregeln der Gestaltung, den wesentlichen Gestaltungsprinzipien und zahlreichen Gestaltungsrichtlinien werden konkrete Empfehlungen für erfolgreiches Konstruieren gegeben. Dabei darf die Bionik, also die Analyse natürlicher Systeme und Übertragung von Lösungs- und Konstruktionsprinzipien auf technische Komponenten nicht fehlen. Die Betrachtung der Besonderheiten und Vorteile von Baureihen und Baukästen runden das Themenfeld ab.
Inhalt in Stichpunkten:
Aufgabenklärung, Konzipieren, Entwerfen, Ausarbeiten; Baureihen und Baukästen.
Literatur zur Vorlesung:
G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.-H. Grote: Konstruktionslehre. Springer Verlag
K.-H. Grote, J. Feldhusen (Hrsg.): Dubbel - Taschenbuch für den Maschinenbau. Springer Verlag
VDI-Richtlinie 2221:Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte. VDI Verlag
Strukturoptimierung (SRO)
Tagtäglich werden Ingenieure und Ingenieurinnen mit der Aufgabe konfrontiert, die Eigenschaften mechanischer Strukturen, also von Bauteilen, Baugruppen, Maschinen und Fahrzeugen zu verbessern. Dieses Optimieren kann basierend auf Erfahrung und durch gezieltes Probieren erfolgen. Aktuell jedoch halten rechnergestützte Optimierungsprozesse Einzug in die Produktentwicklung.
In der FE-basierten Strukturoptimierung kann zwischen drei verschiedenen Anwendungsbereichen unterschieden werden: Bei der Dimensionierung (Sizing) werden lediglich Abmessungen variiert, wie beispielsweise Blechdicken einer Karosserie oder Querschnittsgrößen von Balken. Bei der Formoptimierung wird dagegen die Form/ Gestalt des Bauteils modifiziert, zum Beispiel die Kontur von Kerben. In der Topologieoptimierung geht man noch einen Schritt weiter und lässt auch das Entstehen von Hohlräumen im Bauteil zu. Zum Teil wird dabei auf biologische Wachstumsregeln zurückgegriffen, wie sie auch für Bäume, Knochen oder z.B. Tigerkrallen gelten. Solche natürlichen Strukturen stellen häufig ein optimiertes Leichtbaudesign dar. Dieser Arbeitsbereich wird Bionik genannt, eine Kombination von Biologie und Technik.
Die vorgenannten Themen werden in der Vorlesung Strukturoptimierung ausführlich behandelt und an ausgewählten Beispielen eingeübt.
Inhalt in Stichpunkten:
Konstruieren, Konzipieren, Entwerfen, Bauweisen der Natur, Bionik, Strukturoptimierung, Zielfunktionen, Randbedingungen, Finite Elemente Methode, Anwendungsbeispiele aus dem Maschinen- und Automobilbau.
Literatur zur Vorlesung:
L. Harzheim: Strukturoptimierung - Grundlagen und Anwendungen. Verlag Harri Deutsch
A. Schumacher: Optimierung mechanischer Strukturen – Grundlagen und industrielle Anwendungen. Springer-Verlag
Für Lehre und Forschung steht im Fachbereich M das Labor Leichtbau & Betriebsfestigkeit zur Verfügung.