Beanspruchungsanalyse

Für eine erfolgreiche Beanspruchungsanalyse ist die Entwicklung eines Berechnungsmodells, welches auf dem mechanischen Ersatzbild aufbaut, zwingend notwendig. Dabei hat es für den Ingenieur die höchste Priorität, dass bei der Berechnung die Umsetzung der vorliegenden Konstruktion und ihrer Elemente in ein mit den Mittel der Mechanik beschreibbares System gelingt. 

Innerhalb eines Berechnungsmodells sollten die nachfolgenden Größen geklärt sein:

• Lage und Richtung der Belastungsgrößen
• Ersatzsystem anstelle der Konstruktionszeichnung
• Kenntnis der Vereinfachungen und Vernachlässigungen
• Funktionsbeschreibung der Elemente unter mechanischen Gesichtspunkten
• Rückführung auf mechanische Grundelemente

Beispiel

Beispiel

Hier klicken zum AusklappenKaum jemand ist in der Lage, bei einer vorgelegten Konstruktionszeichnung einer Standbohrmaschine ausreichende Aussagen bezüglich der angreifenden Kraftgrößen zu treffen.

Standbohrmaschine

Anders verhielte sich das, wenn man dir direkt ein mechanisches Ersatzbild vorläge. In der nächsten Abbildung ist das Ersatzbild für eine Standbohrmaschine dargestellt.

Mechanisches Ersatzschaltbild einer Standbohrmaschine

In dieser Zeichnung siehst du eine Kraft $ F_{Riemen} $, welche durch den Riementrieb auf das System aufgebracht wird. Unten entdeckst du die Kraft $ F_{Bohrer} $, die im Bereich der Aufnahme des Bohrers wirkt. Die Kraft $ F_{Riemen} $ bewirkt zudem ein Auftreten der Torsion $ T_{Antrieb} $ oben und unten. Geht man zudem davon aus, dass die Standbohrmaschine durch ein einwertiges (A) und zweiwertiges (B) Lager gelagert wird, treten zudem die Kräfte $ F_{rad A} $ und $ F_{rad B} $ sowie $ F_{ax B} $ auf. Mit diesem Größen lassen sich alle angreifenden Kraftgrößen bestimmen. 

Im zweiten Schritt gilt es, die einzelnen Elemente zu bestimmen, die für eine Berechnung zugänglich sind. Folgende Elemente können unter anderem für gewöhnlich berechnet werden:

• Festlager (zwei-/dreiwertige Lager), Loslager (einwertige Lager)
• Gelenke (wie sie bei Türen auftreten)
• Balken
• Platten und Scheiben
• Riemenscheiben
• Zahnräder
• Hebelarme

Gelegentlich gelingt es aber nicht für die Berechnung von Spannungen und Belastungen eine ausreichende und nachvollziehbare Darstellung von Maschinenteilen durch einfache mechanische Ersatzstrukturen anzufertigen. In diesen besagten Fällen setzt man auf die Methode der finiten Elemente (kurz: FEM), die es ermöglicht selbst komplizierteste Formen unter mechanischen Gesichtspunkten zu simulieren. 

Ist die Analyse der Belastung und der daraus festzulegenden Definition der Belastungsgrößen nach der Art und nach dem zeitlichen Ablauf abgeschlossen, fährt man mit der Berechnung der Beanspruchungen und ihrem Vergleich mit Werkstoffkennwerten fort.

Art der Belastungsgrößen: Zug, Druck, Biegung, Torsion

Zeitlicher Verlauf der Belastungsgrößen: statisch, dynamisch (sinusförmig), regellos

Zeitliche Verläufe:

Beanspruchungen im Zeitverlauf