Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7021
Kerbspannung und Kerbformoptimierung
M. Scherrer
Zusammenfassung
Die Biomechanik befasst sich mit der Statik und
Dynamik von biologischen Lastträgern und der Übertragung biologischer
Optimierungsstrategien in die Technik. Aus Beobachtungen am Objekt in der Natur
ging als eine grundlegende Designregel das Axiom der konstanten Spannung
hervor, welches besagt, dass bei einem biologischen Lastträger bei
bestimmungsgemäßer Belastung im zeitlichen Mittel weder lokal hohe Spannungen
noch unterbelastete Bereiche auftreten. Der biologische Lastträger lagert durch
lastgesteuertes Wachstum bevorzugt an jenen Stellen Material an, wo die höchste
Spannung herrscht. Genauso wächst er in Bereichen geringerer Belastung kaum
oder gar nicht. So wird eine Gestaltoptimierung realisiert, die
Sollbruchstellen eliminiert. Das lastadaptive Wachstum biologischer Lastträger
wird mit der CAO-Methode (Computer Aided Optimization) unter Verwendung der
Finite-Elemente-Methode simuliert. Mit Hilfe der CAO-Methode wurde eine
Parameterstudie zur Optimierung von Wellenschultern angefertigt. Daraus ergab
sich eine geometrische Charakterisierung der optimierten Kerbformen auf der
Basis dieser Studie, die zum einen Möglichkeiten für alternative Kerbformen in
Form von Designregeln findet und zum anderen ein besseres Verständnis für
spannungskonzentrationserzeugende Effekte gibt. Durch dieses Verständnis werden
neue, effiziente Optimierungsmethoden gewonnen, mit denen auf schnelle und
einfache Weise nahezu optimale Kerbkonturen erzeugt werden können. Diese neue
Optimierungsvorschrift wird analytisch dargestellt und an diversen Beispielen
verifiziert.
Notch
stress and shape optimization
Abstract
The
scientifc field of biomechanics deals with the statics and dynamics of
biological load carriers and the transfer of biological optimization strategies
to technical applications. By observations of biological load carriers in
nature a fundamental design rule could be developed called the axiom of uniform
stress, which basically says that in temporal average with a certain load,
there are neither high local stresses nor underloaded areas in a biological load
carrier. Through load-controlled growth the load carrier gets material in areas
with high stress as in areas with low stress there is no growth and hence no
material. From this a shape optimization is obtained which is able to prevent
fatigue failure. The adaptive growth of biological load carriers is simulated
by the CAO-Method (Computer Aided Optimization) and the FEM. With the help of
the CAO-Method a parameter study for the optimization of shoulder fillets was
made from which a geometrical characterisation of the optimized fillet shapes
was derived. From that new ways for shape optimization were developed which
offer design rules using alternative fillet shapes and a better understanding
of the effects caused by stress concentrations was obtained. Due to this
knowledge a new and efficient optimization method was developed which offers a
fast and simple way to construct optimized fillet shapes. This method can be
expressed analytically and was verified with several examples.
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