Kerbspannungsreduzierung durch Geometriemodifikation nach Vorbild pennater Diatomeen

Abstract

In dieser Arbeit wurden Kerbspannungen verschiedener Geometrien nach Vorbild von spezi-
 ellen Strukturen bei pennaten Diatomeen, den Raphen, untersucht. Dazu sind zwei- und drei- 
 dimensionale Modelle, die Platten mit jeweils anderen Kerbgeometrien darstellen, in Simulationen 
 auf Zug oder Druck belastet worden, wobei ein Vergleich der auftretenden Spannungen zwischen einer 
 unmodifizierten Kerbe und den nach biologischem Vorbild konstruierten Kerben vorgenommen wurde. 
 Zusätzlich wurden die Spannungen in der zweidimensionalen Un- tersuchung an verschieden großen 
 Aufbohrungen als Referenz verwendet. Weiterhin wurden in einer Parameterstudie unterschiedlich 
 stark gekrümmte Endungen einer Kerbe untersucht. Die Auswertungen haben ergeben, dass die durch 
 Kerben hervorgerufenen Höchstspannungen nur durch jene Geometrie beeinflusst werden, die an der am 
 stärksten beanspruchten Stelle vorhanden ist. Bei der zweidimensionalen Untersuchung von Strukturen 
 sieben unterschiedlicher Diatomeenarten ergab die abstrahierte Kerbgeometrie nach Frustulia 
 saxonica das beste Ergebnis für eine Zug- und Druckbelastung. Die auftretenden Maximalspannungen 
 konnten um 64 bzw. 63 % im Vergleich zur unmodifizierten Kerbe verringert werden und liegen damit 
 geringer als eine Aufbohrung am Kerbende, die die eineinhalbfache Kerbbreite als Radius besitzt. In 
 der Parameterstudie konnte sogar mit einem Kerbmodell, dessen Kerbe um insgesamt 166,2° umgelenkt 
 war, eine Verringerung der höchsten Maximalspannung um 66 % er- reicht werden. Bei der 
 dreidimensionalen Untersuchung von Verdickungen um die Kerbe stellte sich hingegen das beste 
 Ergebnis bei einer knapp 25-prozentigen Maximalspannungsreduzierung für eine Doppelwulst-Struktur 
 heraus. Die untersuchten Kerbgeometrien besitzen Potenzial in Bauteilen eingesetzt zu werden, in 
 denen Kerben funktions- oder fertigungsbedingt vorhanden sind und bei denen hohe Spannungen an 
 diesen Stellen ein Problem darstellen.