Rechnerische Optimierung von Sportbogendesigns
Von Georg Baumann
Im Jahr 2017 klopfte der Masterstudent Georg Baumann bei der Grazer Bogenmanufaktur Bogensport-Bogenbau Kaufmann an, um mit dieser ein kleines Projekt zu starten. Bogensport-Bogenbau Kaufmann ist österreichweit einer der bekanntesten Bogenhändler. Auch mit seiner Hausmarke Styrian Archery hat er sich mit seinen traditionellen Bögen am deutschsprachigen Markt einen Namen gemacht. Tradition, Qualität und hochwertiges Design – dafür steht die Marke Styrian Archery. Mit Hilfe der Manufaktur tauchte Georg Baumann in die traditionelle Welt der Bogenwissenschaft ein und versuchte, die Forschungsfragen seiner Masterarbeit zu beantworten.
Die Suche nach dem perfekten Bogendesign ist wohl eine Fragestellung, welche Bogenbauer aus aller Welt bereits seit Jahrtausenden beschäftigt. Zum Bau von Bögen steht eine Vielzahl von Hölzern, Gräsern, tierischen Produkten wie Horn und Tiersehnen, aber auch Metallen und modernen Faserverbundwerkstoffen zur Verfügung. Bedingt durch diese Fülle an Materialien mit ihren individuellen Eigenschaften, entwickelten sich quer über den Globus verschiedenste Lösungsansätze für ein möglichst optimales Bogendesign. Daher ist es nicht verwunderlich, dass die meisten Bogenbauer und Bogenschützen unterschiedliche Vorstellungen von einem optimalen Design haben.
Die nächste Frage, die sich in diesem Zusammenhang stellt, ist, was ein möglichst optimales Design ausmacht. Mögliche Ziele sind dabei, den Bogen so zu designen, dass die Pfeile auf eine möglichst hohe Abschussgeschwindigkeit beschleunigt werden können oder die Gewährleistung eines sanften, vibrationsarmen Abschussverhaltens. Ob objektive Kriterien, wie Leistungsfähigkeit, oder subjektive Kriterien, wie Schönheit der Bogenform, im Vordergrund stehen, spiegelt sich direkt im Design des Bogens wider.
Im Bogenbau ist die Suche nach einem möglichst guten Kompromiss zwischen den verschiedenen Anforderungen meist eine Frage der Erfahrung mit bisherigen Designs und der dafür verwendeten Materialien. Aufgrund dessen stellen Neuentwicklungen bezüglich der Geometrie oder der Verwendung neuer Werkstoffe immer eine gewisse Herausforderung und Unsicherheit dar, weil nur bedingt auf Erfahrungswerte zurückgegriffen werden kann.
Aus diesem Grund halten auch im traditionellen Bogenbau nach und nach Rechenmethoden Einzug, mit deren Hilfe es möglich ist, neue Konzeptentwicklungen vorab zu untersuchen und auf virtueller Ebene zu verbessern. Aber auch kritische, hochbeanspruchte Bereiche können so erkannt und entschärft werden. Nachfolgend wird auf den Aufbau und das Grundprinzip eines derartigen Rechenmodells sowie auf die daraus resultierenden Ergebnisse eingegangen.
Auf Basis dieser ersten Analyse können in weiterer Folge Geometrieanpassungen oder Untersuchungen mit anderen Materialschichtungen simuliert werden, um kritische Bereiche zu entschärfen und den Bogen gleichmäßiger zu belasten. Einmal aufgebaut, bietet ein Rechenmodell somit eine sehr elegante Methodik, um an bestehenden Sportbogendesigns noch weiter zu feilen und eine Vielzahl an Optimierungsvarianten auszutesten. Der hohe Aufwand des Baus und der Prüfung entsprechender Prototypenreihen bleibt hierbei zum Großteil erspart, da sinnvollerweise nur noch die laut Rechenmodell optimale Lösung umgesetzt wird und sich im realen Praxistest bewähren muss.
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1) 3-D-Laserscantechnik: Am Anfang jedes Modellaufbaus steht die Erzeugung der notwendigen Geometriedaten. Da ein Bogen in der Regel eine relativ komplexe Form aufweist, hat sich die Einbeziehung der 3-D-Laserscantechnik als nützliches Werkzeug für die Bereitstellung der Geometriedaten erwiesen. Durch den realen Bogen wird eine Punktwolke erzeugt, welche in einem zweiten Schritt in ein Oberflächenmodell umgewandelt wird, wie am Beispiel eines Wurfarmendes dargestellt. -
5) Analyser der Belastungen: Nachdem das Modell aufgebaut und auch überprüft wurde, können die Belastungen im Bogen analysiert werden. Exemplarisch wird dies für das Griffstück des Bogens, welches nicht unerheblich beansprucht wird, gezeigt. Hierbei bedeutet rot eine verstärkte Zugbeanspruchung und blau eine verstärkte Druckbeanspruchung. In den gelb dargestellten Bereichen sind nahezu keine Beanspruchungen festzustellen
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Der Autor
Georg Baumann absolvierte 2017 das Studium der Bauingenieurswissenschaften an der Technischen Universität Graz. In seiner Masterarbeit (Geometrie und Spannungsoptimierung eines einteiligen Recurvebogens, Institut für Holzbau und Holztechnologie / Institut für Fahrzeugsicherheit, Technische Universität Graz, 2017) befasste er sich eingehend mit der Materie.
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