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Strukturmechanik - Bauteiloptimierung nach dem Vorbild der Natur

Technisches Design nach dem Vorbild der Natur

Die Strukturmechanik beschäftigt sich mit der fachgerechten Dimensionierung komplexer Bauteile und Strukturen bei mechanischer und/oder thermischer Belastung. Werkzeuge sind hierbei Spannungs- und Verformungsanalysen sowie Kerbspannungsuntersuchungen und die speziellen Analysemethoden der Bruchmechanik.

Für Lebensdauer und Versagen biologischer Strukturen und technischer Bauteile ist neben den Materialeigenschaften und der Belastung die Gestalt von großer Bedeutung. Biologische Strukturen können daher unter mechanischer Last ihre Gestalt durch lastadaptives Wachstum gemäß dem „Axiom konstanter Spannung“ anpassen. Für die Übertragung biologischen Designs in die Technik wurden in der Abteilung Biomechanik folgende Computerprogramme entwickelt:

 

CAO

Computer Aided Optimization
Gestaltoptimierung, die analog dem lastadaptiven Wachstum von biologischen Lastträgern erfolgt. Entsprechend dem Axiom konstanter Spannung wird eine gleichmäßige Spannungsverteilung auf der Bauteiloberfläche durch Wachstum an hoch belasteten Bereichen und optional durch Schrumpfen an unterbelasteten Bereichen erreicht. Das Bauteil wird belastbarer und seine Lebensdauer erhöht.
SKO

Soft Kill Option
Gewichtsoptimierung für Leichtbaukonstruktionen, die analog der Wirkung der Fresszellen im Knochen erfolgt. Unter Berücksichtigung von konstruktiven Vorgaben werden die nicht oder nur geringfügig belasteten Bereiche im Bauteil entfernt. Unter Berücksichtigung des Materials und der vorgegebenen Belastung wird das Gewicht der optimierten Bauteile minimiert.
CAIO

Computer Aided Internal Optimization
Materialoptimierung, welche anisotrope Materialeigenschaften technischer Bauteile an die vorgegebene Belastung anpasst. In Faserverbundwerkstoffen werden die Fasern entlang des Kraftflusses gelegt. Das Bauteil wird überwiegend in Faserrichtung belastet und Schubbelastungen zwischen den Fasern werden minimiert. Die Matrix wird entlastet und die Belastbarkeit des Gesamtbauteiles erhöht.

 

Für ein tieferes Verständnis und eine weiter reichende Anwendbarkeit werden diese Methoden durch die Entwicklung von vereinfachten Konstruktionsprinzipien (Denkwerkzeuge: Schubvierecke, Zugdreiecke, Kraftkegel) erweitert.