Let konstruktion

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning
Letvægts panel med papirkonfekt

Let konstruktion er en konstruktionsfilosofi, der både har til formål at spare vægt og øge ressourceeffektiviteten. Motivationen til let konstruktion kan variere i natur.

Formålet med let konstruktion er at spare råvarer, omkostninger og energi ved fremstilling, brug og genbrug af et produkt. Især med masser i bevægelse (vej- og jernbanekøretøjer, elevatorer, robotarme, maskinkomponenter osv.) Kan let konstruktion reducere driftsomkostninger eller øge nyttelasten. For køretøjer og fly, for eksempel, kræves en lavere drivkraft for de samme køre- eller flyveegenskaber, mens brændstofforbruget reduceres, og forholdet mellem køretøj og godsvægt forbedres. På denne måde kan den samlede enhed, drivkilde og brændstofforsyning gøres mindre (spiralvægt). Besparelserne i driften af ​​det optimerede produkt opvejes ofte af ekstraudgifter til udvikling, fremstilling og samling (optimeringsproblem).

I dag er let konstruktion vigtig i alle brancher, herunder konstruktion af biler , skibsbygning og flykonstruktion . Letvægts konstruktion er af særlig betydning i rumfart . Her forårsager hvert kilo nyttelast 30 til 100 kg ekstra vægt for raket og brændstof, så der kan opnås store besparelser ved let konstruktion. Let konstruktion er også værdsat som et omkostningseffektivt og fleksibelt alternativ i bygningskonstruktion , især i konstruktion af produktion , montage og lagerhaller .

Metalliske letvægtsmaterialer er z. B. aluminium , magnesium , højstyrkestål og titanium . Derudover betragtes fiberkompositter som klassiske lette byggematerialer. Efterspørgslen efter lette materialer steg med 300% mellem 2002 og 2007. [1]

Eksempler

Koncept til lette flysæder med en masse på 3,8 kg pr. Sæde
  • Mange producenter bruger aluminium motorblokke i køretøjskonstruktion. Selvom disse er lettere end konventionelle støbejernsmotorblokke , er materialet mindre stift og dyrere. Vægttab reducerer også køreydelsen (motorsport) med den samme ydeevne.
  • I 1948 var Land Rover det første produktionsbil med store karosseridele lavet af aluminiumsplader, dog ikke af lette konstruktioner.
  • I flykonstruktion blev aluminiumsdele brugt, selv før køretøjskonstruktion.
  • Citroën DS (1955) var den første til at have en stor fri formdel (motorhjelmen) lavet af aluminium og et plastiktag.
  • Matra 530 , Bagheera Murena og Renault Espace , fremstillet af Matra , var ligesom Trabant forsynet med et bærende skelet lavet af rørformede stålprofiler, som var dækket med lette paneler lavet af fiberforstærket plast. Køretøjsmassen på den 4,25 m lange Espace i den første modelgeneration fra 1984 var 1200 kg på niveau med en mellemklassebil.
  • Den Jaguar XE (modelår 2015) har den højeste andel af aluminium i mellemklassen segment med 75 procent. Baseret på en modulær letvægtsplatform opnår den en krop-i-hvid vægt på kun 251 kilo takket være den højstyrke legering RC5754, der næsten udelukkende er fremstillet af genanvendt aluminium . [2] [3]
  • Eiffeltårnet betragtes som en let konstruktion inspireret af naturen; Modellen var strålestrukturen af knoglerne .

Let konstruktion principper

Der er forskellige principper for at designe en letvægtsløsning. Produktets designfase, selve konstruktionsfasen og fremstillingsfasen er ideelle til implementering. Ofte udnyttes det lette konstruktionspotentiale ikke fuldt ud, fordi fokus er på konstruktionen.

I de senere år er plast og især fiber-plastkompositter blevet vigtigere. Deres høje specifikke stivhed (f.eks. Bøjnings-, træk- eller vridningsstivhed) og styrke gør dem til attraktive letvægtsmaterialer. De tilbyder et væld af nye behandlings- og designmuligheder.

En banebrydende teknologi, som i øjeblikket stadig er under udvikling og primært er beregnet til køretøjskonstruktion, består i at forbinde stålplader og solide aluminiumsdele på en materialebunden måde under formningsprocessen. Dette ville eliminere behovet for et yderligere sammenføjningstrin, og belastningsoptimerede komponenter kunne fremstilles hurtigt og effektivt. [4]

Principper i designfasen

Detaljerede analyser af kræfterne på komponenten er vigtige for let konstruktion. Belastninger, der kun anslås og tildeles sikkerhedsfaktorer, fører til overdimensionerede komponenter. Nøjagtigt kendskab til belastningerne er afgørende, især ved beregning af stabiliteten. Beregningsmetoder har gjort store fremskridt; PC'ers allestedsnærværende med høj computerkraft og bedre relevant software gør det muligt at beregne meget mere i dag end tidligere (se også endelig elementmetode ).

Nøjagtige krav til byrder eller specifikationer resulterer i mindre strukturer. De dimensionerende belastningstilfælde, som en komponent ser, forekommer ofte ikke på samme tid. Hvis komponenten er dimensioneret til samtidig forekomst af alle maksimale belastninger, er den robust, men ikke let. Kravene til en komponent bør derfor kontrolleres kritisk for at opnå lette strukturer.

Principper i konstruktionsfasen

Let konstruktion er baseret på udskiftning af det originale materiale af en komponent med et andet materiale med højere specifikke egenskaber. Sammenlignet med konventionelle stålkvaliteter tillader højstyrkestål ("let konstruktionsstål") normalt lavere vægtykkelser med de samme komponentegenskaber. En hyppig anvendelse i bilkonstruktion er udskiftning af en stålplade med en stålplade med højere styrke, en aluminiumsplade eller plastdele (f.eks. GRP eller SMC ). I det lille og mellemstore segment er vægttab værd, hvis de koster op til omkring € 5 pr. Kg. I overklassen accepteres løsninger på op til € 14 pr. Kg, i luksusklassen endda € 20 pr. Kg (afhængigt af placeringen i kroppen). [5]

Konstruktiv letvægtsbygning forsøger at nå det lette konstruktionsmål gennem konstruktive foranstaltninger. Først og fremmest tilstræbes den mest jævne mulige udnyttelse af materialemængden. Så z. B. komponenter, der udsættes for bøjningsspænding, erstattes af sandwichopløsninger eller bindingsværk . I princippet forsøger man at designe med så tynd en væg som muligt. Dette øger imidlertid risikoen for stabilitetsfejl (knæk, knæk), hvilket gør en præcis mekanisk analyse nødvendig. Styrker i lette konstruktioner skal rettes direkte. Hak kræver normalt mere materiale og bør derfor undgås. Gitterbjælker med ren spænding og kompressionsstænger repræsenterer optimale strukturer i denne henseende.

System letvægts konstruktion tager ikke hensyn til den enkelte komponent, men hele systemet. Funktionel integration kan gøre en enkelt komponent tungere. Besparelserne ved den funktionelle integration gør systemet imidlertid lettere, hvorved det lette konstruktionsmål i systemet opnås. Systemets lette konstruktion er særlig vigtig for køretøjer. Principperne for strukturel og let konstruktion bruges til adaptive strukturer.

Valget af en passende samling og fremstillingsproces repræsenterer en anden konstruktiv måde: Ved lasersvejsning til dåse. B. overlapning af metalplader kan undværes. Så en lettere konstruktion er mulig. Udskiftning af nittede forbindelser med klæbende forbindelser er også et effektivt letvægtsmål. Smedede komponenter har ofte en højere træthedsstyrke end identiske svejsede konstruktioner. De kan derfor konstrueres med mindre tværsnit.

Principper i fremstillingsfasen

Det lette konstruktionsprincip kan implementeres gennem snævre tolerancer , både i produktionen og ved køb af halvfabrikata. Hvis en tykkelsestolerance på ± 0,1 mm er tilladt for et ark med en vægtykkelse på 1 mm, svinger massen af ​​arket med 20%. Plader med stramme tolerancer er derfor nødvendige for flykonstruktion .

Med hensyn til styrkerne skal der vælges et materiale med en lav grad af variation til let konstruktion. Designeren vælger ikke middelværdien af ​​styrkerne, men en styrke, ved hvilken z. B. 90% af alle prøver er over dette. Hvis styrkeværdierne varierer meget, skal komponenten være for stor for at være sikker mod fejl.

Let konstruktion i bygninger

Ved dynamisk belastede svejsninger, som f.eks B. stålbroer og kraner , under hensyntagen til HiFIT proces under udvikling, kan konstruktionen specifikt strømlinet med den samme belastning niveau og den samme levetid.

De fleste strukturer er og vil blive bygget ved hjælp af solid konstruktion: en form for understøtningskonstruktion , hvor rumomsluttende elementer som vægge og lofter også opfylder den statiske bærende funktion. Det modsatte udtryk er skeletkonstruktion . Sidstnævnte er relateret til søjlekonstruktionen . Solid konstruktion refererer også til det felt, der omhandler "solide" byggematerialer ( murværk , beton ). Kontrasterende vilkår er let konstruktion og trækonstruktion .

Tilhængere af let konstruktion (herunder skeletkonstruktion eller trækonstruktion ) begrunder deres præference med argumentet om bæredygtighed: En sådan tilgang muliggør ikke kun reduktion af massestrømme af byggematerialer, men også en stigning i mængden af ​​regenererbart materiale og energi. Den øgede brug af træ kan også have positive effekter i form af et bidrag til bekæmpelse af klimaændringer og reduktion af affaldsmængden. [6] For brugerne selv giver let konstruktion fordele, for så vidt det muliggør hurtige konstruktionsfremskridt , maksimal brugbar plads og stor fleksibilitet. [7] Derudover er der en række økonomiske argumenter til fordel for sådanne byggemetoder.

Kritikere af letvægts konstruktion nævner hovedsageligt brandbeskyttelsesrelaterede argumenter for deres holdning. Da træ og træbaserede materialer er brandfarlige, antages det, at lette konstruktioner har et lavere sikkerhedsniveau end solide konstruktioner. I tilfælde af brand kommer den største fare imidlertid fra de indvendige beslag: byggemetoden for en bygning er ligegyldig. [8] Brandvæsener har et grundlæggende positivt syn på træ som byggemateriale på grund af dets forudsigelige brandadfærd . [9] Bygningsforsikring er dog ofte dyrere end sammenlignelige solide huse, da skaden pr. Brand er højere.

I Østrig taler blandt andet Bau.Genial -platformen, der blev grundlagt i 2006, for at videreudvikle letvægtsbyggeri og overføre relevant viden. [10] Med Guholzbau blev der i maj 2010 etableret en platform, der samler kunder og entreprenører inden for træbyggerisektoren. [11]

En form for let konstruktion blev brugt i gotiske bygningsstrukturer allerede i 1100 -tallet. De omfattende gennembrud i de ydre vægoverflader med vinduer samt en reduktion i vægtykkelse og hvælvedimensioner til et minimum tillod konstruktion af stadig højere strukturer, hvilket også bød på en helt ny æstetik end ældre byggemetoder.

relaterede emner

litteratur

  • Bernd Klein, Lightweight Construction, Chapter 13, Friedrich Vieweg & Son, Wiesbaden 2007, ISBN 978-3-8348-0271-2

svulme

  1. stahl-online.de, International Conference on Steels in Cars and Trucks 2008 ( Memento fra 17. januar 2012 i internetarkivet ) (PDF, 5 MB).
  2. auto-motor-und-sport.de: Let konstruktion på Jaguar XE , adgang til 17. marts 2015.
  3. altairenlighten.com: Jaguar Launch Ny XE Med en let aluminium monocoque , adgang marts 17, 2015.
  4. Forskere fra Hannover udvikler en ny letvægts byggeproces. Hentet 26. april 2018 .
  5. afbw.eu @ 1 @ 2 Skabelon: Toter Link / www.afbw.eu ( side ikke længere tilgængelig , søge i web-arkiver ) Info: Linket blev automatisk markeret som defekt. Kontroller venligst linket i henhold til instruktionerne, og fjern derefter denne meddelelse. (PDF).
  6. Fokus på bæredygtighed. Egenskaber og potentiale ved let konstruktion. (Undersøgelse, ledet af Karsten Tichelmann, publikationer; PDF, 1,2 MB), arkivlink tilgået den 4. april 2021.
  7. derstandard.at
  8. baugenial. Fra den 26. april 2011, Først kommer røgen, derefter branden ( Memento fra 29. juni 2012 i internetarkivet )
  9. Undersøgelse med fokus på de fysiske egenskaber ved lette konstruktioner. (Head of Karsten Tichelmann, Publications; PDF), s. 82–99; Arkivlink blev åbnet den 4. april 2021.
  10. BAU.GENIAL 2015 - de bedste uddannelsesbygninger. I: Wohnnet. Hentet 14. januar 2016 .
  11. guholzbau.at - Hovedentreprenør i byggeriet tømmer ( Memento fra 4 marts 2016 i Internet Archive )