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:

Lebensdauervorhersage bei höchsten Betriebstemperaturen Beschleunigung langfristiger Kriech-Erüdungs Tests durch Zeit-Temperatur-Substitution Steigerung der Effizienz von Kohle- und Gaskraftwerken, durch die ultra-superkritischen Dampfbedingungen erfordert neue Auslegungsmethoden. Derzeit sind die herkömmlichen Kohlefeuerungsanlagen typischerweise 30 bis 37% effizient. Durch die Entwicklung von Kraftwerken, die in der Lage sind, bei höheren Temperaturen zu arbeiten, wird erwartet die Effizienz, bis zu 50% zu steigern. Die erforderliche Erhöhung der Betriebstemperaturen ist bedeutende Herausforderung an die Materialtechnologie. Neben den neuen Materialien sollen auch die neuen Methoden der Auslegung entwickelt werden, die die Treffsicherheit der Vorhersage unter KEO erhöhen.Dabei sollte das starke nichtlineare Verhalten der Werkstoffe berücksichtigt werden. Für das, eine Verbesserung der klassischen Dehnungsbereichsaufteilungsmethode (Strain Range Partitionig) ist durch die Einbeziehung der Oxidationseffekte gelungen. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen konnte gezeigt werden, dass der erstmalig in der Arbeit (Agatonovic, P. : High temperature Lifetime Management using Time-Temperature-Substitution, in 'Creep and Fracture of Engineering Material and Structures' 5th Int. Conf. Swansea, U.K. April 93 Ed. by B. Wilshire and R.W.Evans, The Institute of Materials, London, pp. 613 - 622) vorgeschlagene Zeit-Temperatur-Substitution- approach unter der Verwendung des Zeit-Temperatur-Substitutions-Faktors (TTSF) dazu beitragen kann den experimentellen Aufwand für die Konstruktion neuer Komponenten für den Betrieb in der Hochtemperaturumgebung unter Bedingungen der Kriechermüdung zu reduzieren und deren Optimierung und effiziente Konstruktion zu erleichtern. Im Allgemeinen kann diese Art des Lebensdauermanagements erfolgreich angewendet werden, um Lebensdauertests zu beschleunigen und basierend auf der Extrapolation von Kurzzeittests zuverlässige Konstruktionsdaten für Langzeitlebensdauern zu erhalten.

Nichtlineares Verhalten von Mehrschraubenverbindungen Das Verhalten von fast allen Schraubenverbindungen und insbesondere Mehrschraubenverbindungen ist entscheidend durch die Biegeverformungen beeinflusst, die allerdings, ungeachtet der Tatsache, dass diese Biegeverformungen den nicht-linearen Verhalten verursachen, das zu den erheblichen nicht vernachlässigbaren zusätzlichen Beanspruchungen aller Teile der Verbindung führt, durch die klassischen Methoden der Berechnung nicht berücksichtigt werden. Das ist der Grund, das die Methoden die an linearen Annahmen basieren, wie VDI Richtlinien 2230, für ihre Analyse unzureichend sind. Zwecks der Berücksichtigung dieses maßgebenden Einflusses und abhängig der Grundform einer Verbindung können diese durch Balken, Platten und Biegestäbe und die Aufnahme ihren Biegeverformungen simuliert werden. Sie wollen wissen, wann und warum ist die Anwendung von klassischen linearen Methoden der Berechnung von Schraubenverbindungen in ihrem Fall nicht nur unpassend, sondern vielleicht auch gefährlich?

Restfestigkeit angerissener Strukturen Elastisch-plastische Bruchmechanik (EPBM) Um zu demonstrieren, dass die Bauteile der Anlage, trotz den unvermeidbaren kleinen Fehler und/oder im Betrieb entstandener Risse, für die weitere Anwendung geeignet sind (“Fitness-for-purpose“) werden die bruchmechanischen Methoden angewendet. Dabei ist das Versagen der Bauteile stets durch nicht lineares Werkstoffverhalten sowohl in der Umgebung vom Riss, als auch in dem durch Riss geschwächten kritischen Querschnitt determiniert.. Allerdings, die aktuellen Regelwerke (R6, SINTAP), die an dem Failure Assesment Diagram (FAD) basieren, führen die Bestimmung der Restfestigkeit auf die Methoden der Linear-elastischen Bruchmechanik zurück, die dafür in Abhängigkeit und bis zu dem sogenannten plastischen Kollaps interpoliert werden. Für diese bestimmende Kombination zweier Methoden, die an den unterschiedlichen Grundsätzen basiert sind, gibt es allerdings keine plausible physikalische Begründung. Vom Autor wurde eine andere Methode vorgeschlagen, die zur Bestimmung der Festigkeitsreduktion des durch Riss geschwächtes Querschnitts im Bauteil die inelastischen Dehnungen im kritischen maßgebenden Querschnitt berücksichtigt. Diese sehr robuste reine bruchmechanische Methode entspricht nicht nur dem beobachteten Verhalten, sondern ist es auch in voller Übereinstimmung mit den energiebasierten Kriterien, die in der Bruchmechanik vorherrschen, bzw. maßgebend sind.

FEM Analyse der Schraubenverbindungen– nicht ohne Berücksichtigung von Nicht-linearitäten Allgemeinen 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.

Clevis-Tang Verbindung - Plastizität als Tragfähigkeitsreserve Die 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.

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 ! ……“ Noch immer zerbrechen sich die zuständigen in Deutschland den Kopf über die (für sie überraschend ?) enormen Kosten, ungelöste Probleme und die Lagerung des nuklearen „Abfalls“.“ Wasserstoff als Illusion ? Nach 20 Jahren zahlloser Forschungseinsätze hat Toyota den Mut dazu, ein Kraftfahrtzeugserienmodell mit Brennzelle auf den Markt zu bringen. Unsere Planet Erde hat Grunde zu lachen: Dieser Auto, getankt mit purer Wasserstoff, atmet Luft ein und bläst Wasser aus. Kein gewichtige Vorteil für die Autohersteller in Deutschland… Einen Zug angetrieben mit Brennstoffzelle gibt es auch. Keine Option gegenüber der herrschende Diesellokomotive ? Soll ich dann doch ein Flugzeug nehmen, so lange ich es als alternative ein derartige Zug nicht zur Wahl habe.

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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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