Der Taschenrechner schafft, was bisher nur Finiten Elementen möglich war: Die Form von Kerben so zu optimieren, dass keine gefährlichen Kerbspannungen entstehen. Damit können jetzt auch kleine Betriebe die Gestaltungsregeln nutzen, die Forscher der Natur abgeschaut haben.
Die Natur weiß, wie Bäume und Knochen wachsen müssen, damit keine hohen Kerbspannungen entstehen. Seit rund 15 Jahren nutzt beispielsweise die Automobilindustrie diese Gestaltungsregeln in aufwendigen Optimierungsprogrammen. Professor Claus Mattheck, Urheber des Grundprinzips dieser Programme und Leiter der Abteilung Biomechanik am Institut für Materialforschung II des Forschungszentrums Karlsruhe, hat die Methodik nun weiterentwickelt, so dass gleichwertige Ergebnisse mit einem Taschenrechner erzielt werden können.
In seinem neuen Ansatz interpretiert Mattheck die Kerbspannungen als überlagerte Biegespannungen. Daraus ermittelt er in wenigen Rechenschritten eine optimierte Kerbform. Laut Mattheck deuten Untersuchungen darauf hin, dass die mit dem Taschenrechner berechneten Formen sogar praxisgerechter sind als die bisher erzielten Resultate mit aufwendigen, rechnerischen Iterationen.
Den Grundgedanken sowohl der neuen wie der alten Methode erläutert Mattheck so: „Kerbspannungen als Folge der Kerbkrümmung werden ausgeglichen, indem an den betreffenden Stellen der Querschnitt vergrößert wird.“ Um diese und weitere in der Natur geltenden Gestaltungsregeln für die Optimierung von technischen Teilen verwenden zu können, war bisher die Finite-Elemente-Methode (FEM) als komplexes mathematisches Werkzeug die Voraussetzung. „Man brauchte für eine sinnvolle Anwendung einen großen Computer und einen Ingenieur mit Rechnererfahrung“, fasst Mattheck zusammen. Über 80 Lizenzen für die Optimierung auf Basis der FEM sind seit dem Bekanntwerden der Optimierungsmethodik vergeben worden, zumeist für die CAO-Variante (Computer Aided Optimization). Sie dürfte auch künftig ihre Daseinsberechtigung behalten, weil bei komplexen 3D-Strukturen weiterhin nur Spannungsberechnungen mit FEM möglich sind. Doch einfache Bauteiloptimierungen können aus Matthecks Sicht nun auch kleine Betriebe mit dem „Taschenrechner-Verfahren“ durchführen.
Die neue Deutung der Kerbspannungen und die vereinfachte Bauteiloptimierung will der Professor mit seinem Wissenschaftscartoon „Warum alles kaputt geht – Form und Versagen in Natur und Technik“ (ISBN 3-923704-41-0) unters Volk bringen. Es handele sich um eine Schadenskunde für alle – „vom Klempnerlehrling bis zum Konstruktionsleiter“.os
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