MIESIĘCZNIK NAUKOWO-TECHNICZNY

• ORGAN STOWARZYSZENIA INŻYNIERÓW I TECHNIKÓW MECHANIKÓW POLSKICH • ROK LXXXIV

* Prof. zw. dr inż. Kazimierz E. Oczoś – pracownik naukowy

Katedry Technik Wytwarzania i Automatyzacji na Wydziale Budowy
Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej oraz redaktor naczelny
czasopisma

Mechanik

Rys. 1. Szkielet gołę-
bia stanowi jedynie
8–9% jego całkowitej
masy; w górnym pra-
wym rogu – przekrój
kości wewnątrz pus-
tej

z

widocznymi

usztywnieniami

po-

przecznymi (W. Na-
chtigall)

Konstrukcje lekkie – istota, rodzaje, realizacja i zastosowanie

Cz. 1

KAZIMIERZ E. OCZOŚ *

Znaczenie i ogólna charakterystyka konstrukcji lekkich.
Natura a konstrukcje lekkie. Strategie tworzenia i rodzaje
konstrukcji lekkich: strategia materiałowa, postaciowa
i wytwórcza oraz konstrukcja oszczędna, ekologiczna
i celowa.

Tendencja do stosowania lżejszych rozwiązań konstruk-

cyjnych zyskuje w najróżniejszych branżach coraz więk-
sze znaczenie, zwłaszcza tam, gdzie dzięki obniżeniu
masy, oszczędności energii, zmniejszeniu siły ciężkości
lub podwyższeniu prędkości (w przypadku ruchomych
mas) można rozszerzyć obszary ich użytkowania. Nie do
pominięcia jest również rola konstrukcji lekkich w ochro-
nie klimatu i środowiska. Im mniejszą bowiem masę ma
samochód, samolot czy maszyna, tym mniejsze jest zu-
życie energii, pozwalające pojazd lub urządzenie utrzy-
mać w ruchu i tym mniejsze są zarówno emisja gazów
cieplarnianych, jak i zanieczyszczenie powietrza.

Jednakże myli się ten, kto sądzi, że głównym bodźcem

do rozwijania konstrukcji lekkich jest jedynie ochrona
środowiska. Konstrukcje o obniżonej masie przyczyniają
się bowiem także do oszczędzania zasobów surowco-
wych, a tym samym kosztów, podwyższania niezawodno-
ści pojazdów i maszyn, rozwijania nowych sposobów
konstruowania i kształtowania wyrobów, zapewniających
im konkurencyjność na rynku [1].

Klasyczną konstrukcję lekką charakteryzuje zatem:

wykorzystywanie materiałów o możliwie najmniejszej

masie właściwej (gęstości),

zapewnienie wyrobom odpowiedniej wytrzymałości

i sztywności,

stosowanie specyficznych zasad ukształtowania wy-

robów i odpowiednich technik ich wytwarzania,

podleganie jednej wspólnej zasadzie konstrukcyj-

nej: zminimalizowaniu masy bez uszczuplenia nośności
(udźwigu) lub innych funkcji konstrukcji.

Do podstawowych reguł tworzenia konstrukcji lekkich

należy zaliczyć [2]:

najbardziej bezpośrednie wprowadzanie sił w celu

uniknięcia skomplikowanych stanów naprężeń,

realizowanie najwyższych geometrycznych momen-

tów bezwładności powierzchni,

stosowanie użebrowań i drobno rozczłonkowanych

ukształtowań struktur,

integrowanie możliwie największej liczby funkcji w jed-

nej koncepcji rozwiązania,

zapewnienie na najwyższym poziomie zgodności na-

prężeń,

przeprowadzanie oceny okresu użytkowania i żywo-

tności wyrobu, a przez to realizowanie w danym przypad-
ku najwyższej obciążalności.

NATURA A KONSTRUKCJE LEKKIE

W naturze konstrukcje lekkie są od milionów lat szero-

ko rozpowszechnione. Wynika to z jednej strony z bardzo
ograniczonej ilości zasobów i związanymi z tym wymoga-
mi oszczędnego wykorzystywania materiałów, z drugiej
zaś z faktu, że organizmy biologiczne potrzebują do
syntezy materiału metabolicznej energii [3]. Ważną rolę
odgrywają także takie funkcjonalne punkty widzenia, jak
np. zapewnienie lekkości konstrukcji w celu umożliwienia
organizmom latającym zdatności do lotu (rys. 1). Nie bez
znaczenia jest także oddziaływanie konstrukcji lekkiej

na polepszanie stabilności dużych struktur, które muszą
udźwignąć własną masę, jak – przykładowo – pnie drzew
(rys. 2).

Dodatkowo organizmy biologiczne są konfrontowane

ze specyficznymi wymaganiami, które z kolei nie mają
przeważnie żadnego znaczenia dla wytwarzanych przez
ludzi komponentów i konstrukcji. Organizmy biologiczne
muszą bowiem przez cały swój żywot być w pełni spraw-
ne i to w zmiennych warunkach środowiskowych. Konser-
wacja, naprawa czy wymiana części zamiennych nie
wchodzą w grę, a każde usuwanie uszkodzeń lub przy-
stosowywanie się do danych warunków musi następować

272

MECHANIK NR 4/2011

Rys. 2. Drzewo z szeroko rozrośniętymi gałęziami; mimo rozwidleń
kolejnych gałęzi nie występują obszary spiętrzania naprężeń, które
mogłyby być wywołane tymi naturalnymi karbami

Rys. 3.

Okrzemka

(Arachnoidiscus)

ma

geometryczną strukturę porów (AWI- J. Mi-
chels)

Rys. 4. Bambus pomimo swojej wydłużonej
i lekkiej budowy odznacza się bardzo dużą
stabilnością

Rys. 5. Każde rozwidlenie drzewa stanowi geometryczne przejście
bez spiętrzania naprężeń (

Sachs Engineering)

Rys. 6. Szkielet człowieka z uwidocznionym przekrojem wzdłużnym
głowy kości udowej

w trakcie „bieżącej eksploatacji”. Natura pokonuje te wy-
magania, często objawiające się wysoce złożonymi, nie-
typowymi przypadkami obciążeń, za pomocą nadzwyczaj
dobrze dostosowanych konstrukcji. Modyfikowały one
swoją budowę na drodze selekcji w ciągu bardzo długiego
czasu, a ich skład, struktura i przez to właściwości, w tym
mechaniczne, mogły na bieżąco ulegać odpowiedniemu
dopasowaniu (rys. 3 i 4).

Bionika, jako dziedzina wiedzy z pogranicza biologii

i techniki, bada budowę i zasady działania organizmów
żywych w celu wykorzystania uzyskanych wyników w roz-
wiązaniach technicznych. Bionika strukturalna, jako pod-
dziedzina bioniki, poszukuje przy tym odpowiedzi na
pytanie, na jakich podstawowych regułach konstrukcyj-
nych bazują przenoszące obciążenia struktury ożywionej
natury i w jaki sposób reguły te można wykorzystać
w produktach technicznych. Najczęściej jako obiekty stu-
dialne służą drzewa i kości [4].

W przypadku drzew, istnienie miejscowych koncent-

racji naprężeń, np. redukujących oddziaływanie wiatru,
rejestruje kambium, tworzące się między korą (łykiem)
a drewnem pierwotnym i powodujące przyrost wtórny.
W celu usunięcia tych koncentracji następuje w bardziej
obciążonych obszarach silniejszy przyrost kambium. Ten
mechanizm samooptymalizacji prowadzi w konsekwencji
do redukcji miejscowego spiętrzenia naprężeń na powie-
rzchni i przez to do porównywalnego ich rozkładu (rys. 5).
Tego rodzaju, dostosowany do obciążeń, tzw. „adaptacyj-
ny przyrost” jest obserwowany jako podstawowa reguła

naturalnych konstrukcji. Za ogólną
zasadę takich konstrukcji można
więc przyjąć aksjomat o stałości na-
prężeń powierzchniowych.

Z kolei w odniesieniu do kości,

jako składnika organizmów żywych,
znaczącą rolę odgrywa nie tylko re-
dukcja miejscowych spiętrzeń na-
prężeń. Kości, w przeciwieństwie do
drzew, nie tylko celowo rozbudowu-
ją się w tych miejscach, gdzie jest to
szczególnie potrzebne, ale również
usuwają

materiał

wszędzie

tam,

gdzie jest on zbyteczny.

Na przykładzie głowy kości udo-

wej pokazano (rys. 6), że nasadę

górną stanowi tkanka kostna gąbkopodobna, zbudowana
z usztywnień krzyżowych w kształcie beleczek lub płytek,
jako elementów nośnych. Tkanka zbita tworzy trzon ko-

274

MECHANIK NR 4/2011

Rys. 7. Zależność kosztów od masy konstrukcji lekkiej

ści, który otacza jamę szpikową. W ten sposób ukształ-
towana struktura kości znajduje się więc w przybliżeniu
w stanie równomiernego rozkładu obciążenia. Nie wy-
stępują ani miejscowo wysokie naprężenia (potencjalne
miejsca złamań), ani obszary z miejscowo niewielkimi
wartościami naprężeń (marnotrawstwo materiału).

STRATEGIE TWORZENIA
I RODZAJE KONSTRUCJI LEKKICH

Jak już podkreślono, główne zabiegi związane z two-

rzeniem konstrukcji lekkiej są ukierunkowane na zmi-
nimalizowanie jej masy własnej pod warunkiem, że ani
funkcja, ani też bezpieczeństwo i długość okresu pra-
cy konstrukcji nie zostaną ograniczone. Do środków,
służących do realizowania tego rodzaju zabiegów, zalicza
się [5]:

wykorzystywanie lekkich i o dużej wytrzymałości ma-

teriałów metalowych i niemetalowych,

wprowadzanie postępowych rozwiązań konstrukcyj-

nych,

wdrażanie nowych, efektywnych technik wytwarza-

nia,

stosowanie nowoczesnych metod obliczeniowych

w celu określania naprężeń i stabilności wyrobów na
wymaganym poziomie.

Jako następstwo zastosowania tych środków można

wyróżnić trzy strategie tworzenia konstrukcji lekkich, któ-
rych charakterystyczne cechy dają się ująć jako [5,6]:

strategia materiałowa

polegająca na zastąpieniu

pierwotnego materiału przez materiał o mniejszej masie
właściwej z możliwie najwyższymi wskaźnikami użytko-
wymi, jak np. zastąpienie konwencjonalnych materiałów
stalowych przez nowoczesne, bardziej wytrzymałe stale,
wysoko wytrzymałe stopy aluminium lub kompozyty
włókniste,

strategia postaciowa

dotycząca dostosowanego

do występującego obciążenia rozmieszczenia materiału
w strukturze nośnej, tzn. umacniania obszarów podda-
wanych wyższym obciążeniom, a redukowania materiału
w obszarach mniej eksploatowanych przez zmniejszanie
grubości ścianek lub blach czy użycie odpowiednich geo-
metrii profili,

strategia wytwórcza

wykorzystująca wszelkie moż-

liwości technologiczne dla zapewnienia integracji funkcji
(jednoczęściowości) przy możliwie najmniejszym zasto-
sowaniu materiału i zminimalizowaniu miejsc połączeń.

Z każdą strategią wiążą się całkowicie indywidualne

wydatki (koszty) na realizację konstrukcji i technologii.
Często

występuje

potrzeba

połączenia

wszystkich

trzech strategii. W takim przypadku tworzenie konstruk-
cji lekkiej obejmuje nie tylko rozplanowanie i konstrukcję
wyrobu oraz technikę jego wytwarzania, ale również
inżynierię materiałową. Prowadzi to do multidyscyplinar-
nego, inżyniersko-technicznego sposobu konstruowa-
nia, który – przy zintegrowanym wykorzystywaniu wszy-
stkich materiałowych, obliczeniowych i wytwórczych śro-
dków w odniesieniu do całkowitej struktury i jej elemen-
tów – redukuje masę oraz podwyższa walory użytkowe
konstrukcji.

Każdemu, praktycznie realizowalnemu stopniowi lek-

kości konstrukcji (

L = 1/m) są w budowie pojazdów i ma-

szyn często przypisywane wąskie, wynikające z ich
prawidłowości, granice kosztów, które przeważnie dają
ograniczoną swobodę działania. Jak pokazano na rys. 7,

koszty całkowite charakteryzują się na ogół przebiegiem
wykładniczym z teoretycznym minimum, stanowiącym
rozsądne gospodarczo rozwiązanie. Wskutek istnienia
bezpośredniego związku między masą wyrobu i pozio-
mem kosztów, koszty całkowite z reguły wzrastają nad-
proporcjonalnie wraz ze zwiększaniem się stopnia lekko-
ści konstrukcji.

Na poziom kosztów całkowitych oddziałują koszty skła-

dowe, a to [5]:

koszty inżynierskie, związane z projektowaniem, ob-

liczeniami i próbami, które mogą być nawet 5

÷ 10-krotnie

wyższe w odniesieniu do konstrukcji lekkiej,

koszty materiałowe, które wraz ze zmniejszaniem

masy właściwej materiałów stają się zazwyczaj wyższe,
odpowiednio np. do relacji: stal – aluminium – magnez
– tytan – kompozyt włóknisty aramidowy – kompozyt
włóknisty węglowy = 1 – 3 – 4 – 20 – 50 – 100 euro/kg,

koszty wytwarzania, które z powodu większych kosz-

tów narzędziowych i procesowych mogą być nawet
3-krotnie wyższe.

Z tych też względów w praktycznym tworzeniu lek-

kich konstrukcji pojazdów czy maszyn często staje się
niezbędny kompromis. W takim przypadku, jeżeli jako
określenie celu przyjmuje się

zoptymalizowaną kon-

strukcję lekką, należy uwzględnić rozsądne relacje
między nakładami i korzyściami. Z kolei w odniesieniu
do konstrukcji lotniczych i aeronautycznych często zda-
rza się, że w stosunku do spełnianych przez nie za-
dań czy misji, koszty nie odgrywają pierwszoplano-
wej roli, co sprzyja tworzeniu

ekstremalnie lekkich kon-

strukcji.

Jeżeli rozważa się bardziej zróżnicowane warunki za-

stosowania konstrukcji lekkich, to można stwierdzić, że
ich masa odgrywa w rozwiązaniach docelowych różno-
rodną rolę. Ogólnie można wyróżnić trzy klasy, przy
których masa wywiera bardziej lub mniej bezpośredni
wpływ na koszty lub funkcje systemowe, a mianowi-
cie:

oszczędne, ekologiczne i celowe konstrukcje lek-

kie [6, 7].

Oszczędna konstrukcja lekka

stara się obniżyć kosz-

ty całkowite przede wszystkim przez obniżenie kosztów
materiałowych (rys. 8). Koszty materiałowe zostają zre-
dukowane dzięki odpowiedniemu doborowi materiału, le-
pszemu jego wykorzystaniu, odchudzeniu konstrukcji lub
uzasadnionemu funkcjonalnie jej ukształtowaniu. Koszty
wytwarzania ulegają zmniejszeniu przez alternatywy ma-
teriałowe z wyższą objętością właściwą (np. aluminium
zastosowane zamiast stali wymaga mniejszych usztyw-
nień).

MECHANIK NR 4/2011

275

Rys. 8. Istota oszczędnej konstrukcji lekkiej (I stopień lekkości kon-
strukcji)

Rys. 9. Istota ekologicznej (II stopień lekkości konstrukcji) i celowej
konstrukcji ultralekkiej (III stopień lekkości konstrukcji)

Ekologiczna konstrukcja lekka

bazuje jedynie po-

średnio na czynniku ekonomicznym. Poszczególne za-
biegi dotyczące materiału i wytwarzania są wprawdzie
nadal z reguły kosztowne, jednak pośrednio uzasadnione
przez np. uzyskiwaną oszczędność energii. Ten wpływ
jest tym efektywniejszy, im silniej pojedynczy zabieg re-
dukcji masy oddziałuje na masę całkowitą (masa

m

II

na

rys. 9). Współczynnik wzrostu redukcji masy przy kon-
strukcjach lekkich można w przybliżeniu oszacować ze
stosunku masy całkowitej do udźwigu użytecznego, który
np. w przypadku samolotów wynosi 4

÷ 10, a w przypadku

pojazdów szynowych – 1,5

÷ 3.

Celowa konstrukcja ultralekka

staje się niezbędna

wszędzie tam, gdzie minimalizacja masy wyraźnie do-
minuje nad innymi kryteriami celowymi. Maksymalna

redukcja masy (np. do poziomu

m

III

na rys. 9) może być

wskazana lub konieczna, aby pewnie realizować lub opa-
nować funkcje systemowe przy dużych przyspieszeniach
lub skrajnie dużych rozmiarach (aparaty latające, elemen-
ty konstrukcyjne dużej rozpiętości, szybko sterowane
i precyzyjnie pracujące roboty itp.). Kryteria kosztowe
mogą przy tym schodzić na plan drugi.

Pomimo tak specyficznych – ze względu na zastoso-

wanie – różnic w podstawach, warunkach i formach
realizacji należałoby stwierdzić, że w odniesieniu do kon-
strukcji lekkich chodzi generalnie o jednolitą, nawet jeśli
rozwijaną ze zróżnicowaną konsekwencją, technikę two-
rzenia rozwiązań strukturalnych.

Cd. w nr 5-6/2011