Herausforderungen der modernen Konstruktion → Grenzen überwinden
Klassische Analysetechniken werden auf linearen Annäherungen gegründet und deshalb auf die Probleme beschränkt, die zu den linearen Annahmen passen. Diese Modelle sind einfach und verlangen weniger Aufwand. Obwohl wir, für unsere eigene Verständnis, oft versuchen, die Welt in der wir leben, zu vereinfachen, müssen wir uns allerdings stets mit der Tatsache abfinden, dass alle physikalischen Prozesse und damit den Ingenieurwissenschaften grundlegend nicht linear sind. Deshalb gibt es Situationen, für welchen die Ergebnisse die durch lineare Analysen erworben sind, nutzlos sind und die Nichtberücksichtigung nicht-linearer Effekte zu schwerwiegenden Konstruktionsfehlern führen kann. Tatsächlich bedeuten die Erschließung von der nicht-linearitäten in die Analyse die Erweiterung der Möglichkeit. Das hat sogar unsere Ahn mit seiner Pfeile und dem Bogen gelernt, als er bemerkt habe, dass seine Pfeilen viel weiter kommen und auch ein weiteres Ziel treffen, wenn er anstatt gerade in der Zielhöhe etwas mehr darüber schießt. Weil der Weg der Pfeile nicht-linear ist.
Die nicht linearen Analyse, hat heutzutage eine bedeutende Stellung in der modernen Konstruktion bekommen. Mit der Hardwarekapazitätszunahme und Softwareverbesserungen von heute ist die Linearisierung von technischen Problemen nicht mehr notwendig.
Wissenschaft des nicht-linearen Verhaltens ist eine Disziplin für sich geworden, weil die Natur nicht-linear ist. Der Begriff nicht-lineare Wissenschaft, mag auf den ersten Blick als Ausnahme erscheinen: Es scheint darauf hinzudeuten, dass lineare Probleme das zentrale Thema sind, während in der Tat genau das Gegenteil der Fall ist. Sowohl mathematisch und physikalisch, sind lineare Gleichungen eher die Ausnahme als die Regel.
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Nachfolgend wird eine Reihe der praktischen Beispiele gezeigt und Zusammenhänge, die es verdeutlichen erklärt:
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Lebensdauervorhersage bei höchsten Betriebstemperaturen
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Nichtlineares Verhalten von MehrschraubenverbindungenDas Verhalten von fast allen und insbesondere Mehrschraubenverbindungen ist stark nichtlinear. Das ist der Grund, das die Methoden die an linearen Annahmen basieren, wie auch VDI Richtlinien 2230, für ihre Analyse unzureichend sind. Abgesehen von vielen Unzulänglichkeiten der VDI 2230 Richtlinie (sieche Details), schon der Titel "Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen, ZYLINDRISCHE EINSCHRAUBENVERBINDUNGEN" sagt: "NEIN !". Sie wollen wissen, warum kann die Anwendung von VDI 2230 in ihrem Fall nicht nur unpassend, sondern vielleicht auch gefährlich werden? |
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Restfestigkeit angerissener Strukturen
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FEM Analyse der Schraubenverbindungen– nicht ohne Berücksichtigung von Nicht-linearitätenAllgemeinen gesehen kann die FE-Analyse von Schraubverbindungen Vorteile in Bezug auf Zeit und Kosten ergeben. Allerdings wird das vorhandene Potenzial der Methode nicht immer verwirklicht, weil das Ergebnis der Finite-Elemente-Analyse extrem empfindlich auf die Eignung der Modellierungstechnik und adäquate Berücksichtigung des nicht-linearen Verhalten sein kann. Nicht zu letzt während der Modellierung nimmt man wahr, wie komplex eine Schraubverbindung ist. Dabei erfordern das Vorspannen der Verbindung und veränderliche gegenseitige Kontakt der Teile extrem subtile Modellierung für die Zwecke der genauen FE-Analyse. |
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Clevis-Tang Verbindung - Plastizität als TragfähigkeitsreserveDie Gehäuse der Antriebsraketen (Booster) für Space Shuttle und Ariane 5, die ca. 80 % der Antriebskraft des Systems produzieren, setzt sich zusammen aus den mehreren Segmenten, die mithilfe der sogenannten Clevis-Tang-Verbindung zusammengesetzt sind. Die Beanspruchung aller Teile dieser Verbindung steht unter den sehr starken Einflüssen der Werkstoff- und Geometrienichtlinearitäten. Unfall, der zur Explosion von Space Shuttle Challenger geführt hat, wurde durch Versagen genau dieser Verbindung verursacht. Deshalb wurde diese Verbindung bei der Entwicklung von ARIANE 5 besonders gründlich untersucht. Das ausgesuchte Konzept unterscheidet sich maßgeblich in vielen Details gegenüber Space Shuttle Lösung (auch nach ihrer Verbesserung) und wurde darauf optimiert, um das Gewicht des gesamten Boosters zu reduzieren. Die Nutzlast der gesamten Rakete wurde dadurch gesteigert. Die Qualität dieser Verbindung hat maßgebend dazu beigetragen, das die ARIANE 5 die zuverlässigste Trägerrakete geworden ist. |
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Zukunft der Energien: zwischen Synergie und Chaos„Sollen die AKWs heute, morgen, oder doch übermorgen ausgeschaltet werden? Obwohl diese Frage so aktuell erscheint, ist sie auch in gewisse Hinsicht irreführend. Weil, abgeschaltet heißt nicht - Gefahren gebannt ! ……“ Zurzeit zerbrechen sich die zuständigen in Deutschland den Kopf über die (für sie überraschend ?) enormen Kosten, ungelöste Probleme und die Zeiten der Stilllegung der Nuklearanlage. Wasserstoff als Illusion ? Nach 20 Jahren zahlloser Forschungseinsätze hat Toyota den Mut, ein Kraftfahrtzeugserienmodell mit Brennzelle auf den Markt zu bringen. Und wieder, wie beim Prius in den 90er Jahren, wird von vielen „Experten“ müde gelächelt, obwohl der Hybride heute eines der meistverkauften Autos in den USA und Japan ist. Man hat bereits mehreren Millionen verkauft. Doch unsere Planet Erde hat Grunde zu lachen: Der Toyota Mirai, getankt mit purer Wasserstoff, atmet Luft ein und Wasser aus. Auch Mercedes (GLC F-CELL): Die nächste Generation Brennstoffzellenfahrzeuge von Mercedes-Benz auf dem Weg zur Serienreife (hier klicken) ist auf dem besten Wege diesen Beispiel zu folgen. |
Zum Ausklang, falls Sie interessiert: Mein Hobby ist Jazz zu spielen
Die Jazz-Improvisation inspiriert mich. Damit kann ich neuen Ideen direkt verwirklichen. Aber sie müssen sich zwingend der gegebenen Umgebung (Harmonie) unterordnen...! Ist das im Leben nicht so?
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