Berechnungsgrundlagen

Turbinenentwurf

Noch bevor der erste Strich in einem Entwurf gezogen wird, müssen die Ziele für die Gestaltung eines Maschinenbauteils festgelegt werden. Diese sind im ersten Moment rein qualitativer Natur:

1. Die Funktion des Maschinenbauteils muss erfüllt sein.
2. Das Maschinenbauteil muss herstellbar sein.

Ferner muss für eine erfolgreiche Produktentwicklung und Konstruktion zudem 

• ... eine eindeutige Funktionserfüllung gewährleistet sein wie beispielsweise im Bereich der Sicherheit.
• ... ein eindeutiger Festigkeitsnachweis vorliegen wie beispielsweise für den Bereich der Haltbarkeit.

Um all diesen und weiteren Kriterien für das zu erstellende Maschinenbauteil gerecht zu werden, gilt es schon im ersten Entwurfsstadium eine 

• funktionsgerechte,
• fertigungsgerechte,
• festigkeitsgerechte sowie 
• werkstoffgerechte

Versagensbetrachtung vorzunehmen.

Während dieses Entwickungsprozesses sind die zu erwartenden Beanspruchungs- und Betriebsbedingungen möglichst realitätsnah anzusetzen. 

Hierbei ist besonders das Verhalten unter mechanischen und thermischen Beanspruchungen von Interesse. Beide Beanspruchungsarten können mit Hilfe mathematischer Mittel an einem Konstruktionsmodell berechnet werden. 

Gegenstand des rechnerischen Nachweises sind in den meisten Fällen:

• Festigkeit gegen Bruch
• Formänderung
• Stabilität gegen Ausknicken
• Verschleiß
• Resonanz

In Summe erwartet der Maschinenbauingenieur von einem Bauteil, dass die ausgewählten Werkstoffe unter auftretenden Beanspruchungs- und Betriebsbedingungen nicht versagen.
Ferner ist die Reduzierung des Fertigungsaufwandes und Werkstoffeinsatzes auf das Mindestmaß zur Aufrechterhaltung des Funktionssicherheit - auch unter ausgeprägten Wettbewerbsbedingungen - ein weiterer dominanter Aspekt in der konstruktiven Ingenieursarbeit. 

Aus diesem Grund sind Versagensbetrachtungen von zentraler Bedeutung und werden für zwei Aspekte in der Produktentwicklung heran gezogen:

1. Dimensionierung: Hierbei werden die Abmessungen bei der Gestaltung abgeschätzt, wobei eine starke Variation der Parameter auftreten kann. $ \rightarrow $ Stichwort: Geometrie
2. Tragfähigkeitsnachweis: Hier erfolgt an einer bereits gestalteten Konstruktion eine Kontrolle hinsichtlich Schwachstellen.

Jede Versagensbetrachtung ist jedoch nur dann erfolgreich, wenn ausreichend genaue Kenntnisse über den auftretenden Beanspruchungszustand aus den äußeren Belastungen vorliegen und sich das Werkstoffverhalten unter diesem Beanspruchungszustand beurteilen lässt.

Ein probates Hilfsmittel ist der Tragfähigkeitsnachweis als Grundlage aller Berechnungen. Mit den gewonnen Erkenntnissen kann anschließend die Dimensionierung erfolgen. 

In der nachfolgenden Abbildung siehst du ein typisches Schema für einen Konstruktionsablauf inkl. der Untersuchungskriterien an der jeweiligen Station:

Konstruktionsschema für ein Maschinenbauteil