Bauweisen & Methoden für ein CFK angepasstes Leichtbau Design · K3.2 wird weiter untersucht....

Leitprojekt CFK Rumpf NG

15.02.2011 von 09:00 Uhr –

17:00 Uhr Golden Tulip Hamburg Abschlussworkshop CFK-Rumpf NG

Bauweisen

& Methoden für ein CFK

angepasstes Leichtbau Design

Dr. Christian Hühne, Tobias Ströhlein, Dr. Boris Kolesnikov, Andreas Knote

Leitprojekt CFK Rumpf NG 2

Inhalt: Bauweisen

TürumgebungsstrukturenVersteifungselemente

in Längsrichtung

Rumpfbauweisen


Türumgebungsstrukturen

Längsträger -Longitudinal Beam

Hauptspante – Doorframes

Nebenspante – Secondary Frames

Schwelle – Sill

Intercostals

Hochbelastete StrukturStabilisierung AusschnittAufnahme TürlastenCrashsicherheit

1/3 der Rumpfkosten

entfallen auf Ausschnitte

ZieleCFK-gerechtes DesignKostengünstige FertigungGeringer MontageaufwandEinfache Wartung


Einleitung: Einleitung: „„Forschungslandschaft CFK TForschungslandschaft CFK Tüürrahmenrrahmen““

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 10

CFK Rumpf NG Nachfolge? DLR

ALASCA? EU 7 2

AZUR (DLR FA-AP) LUFO4-2 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1

TOP-Design LUFO4-2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

CFK Rumpf NG: AP CutOuts DLRMAAXIMUS PAX: AP DSS EU 7

CRUVA DSS AI-Direkt 2 2 2 2 2

Hybrid Türrahmendemonstr. CTC 2 2

ADO Phase 2 ADO 2 2 2 2 2 2

ALCAS-Fuselage EU 6 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1

2006 2007 2008 2009Projekt Förderung

2010 20112005

HybridtHybridtüürrahmenrrahmenADO / ADO / TyfudemTyfudem

CRUVACRUVA CFK Rumpf NGCFK Rumpf NG


Vorstellung der untersuchten KonzepteKonzept 1: Lokales FachwerkSchubweiches Stringer-Spant Gerüst wird über Diagonalstreben verstärkt, mit dem Ziel die Schubbelastung der Haut zu reduzieren.

Konzept 2: Tür-TürrahmenkopplungTür wird über Diagonalstreben direkt mit dem Rahmen gekoppelt, damit die Querkräfte nicht um den Rahmen herum, sondern auf kürzesten Weg übertragen werden.

Konzept 3: MetalllaminatEinzelne der ungerichtet am höchsten belasteten Schichten in der Haut werden durch isotropes Material mit auf die Dicke bezogen hoher spezifischer Festigkeit ersetzt.


Vorgehen zum Bewerten der Konzepte

l1l2l1

`l2

`

1. Geometriedefinition & ermitteln realistischer Schnittlasten für relevanten Bereich

2. Vereinfachte FE-Modelle erstellen und überprüfen

3. Untersuchungsbereiche festlegen

K 1.1 K 1.2 K 1.3 K 1.4 K 1.5 K 1.6 K 1.7K 1.1 K 1.2 K 1.3 K 1.4 K 1.5 K 1.6 K 1.7 K 2.1 K 2.2 K 2.3 K 2.4 K 3.1 K 3.2 K 3.3 K 3.4K 3.1 K 3.2 K 3.3 K 3.4Referenz

a) Spannungen in kritischen KnotenSpannungen in kritischen Knoten b) Diagonalverformung (Steifigkeitssteigerung)Diagonalverformung (Steifigkeitssteigerung)

Referenzgeometrie: D~ 4m, ähnlich A320, Type 1 TürVereinfachte Modelle: ebene Abwicklung mit 3D LastenBelastungen: Innendruck + Querkraft QzMaterial: Haut (10/80/10) Stringer: (70/30/0),

Spantgurte: (70/30/10), -stege (10/80/10)

OR

UR

OL

UL

OR

UR

OL

UL

l1

l2

OL OR

UL UR

OL – oben links

OR – oben rechtsUL – unten links

UR – unten rechtsl1 – Diagonale OL/URl2 – Diagonale OR/UL

OR

UR

OL

UL

OR

UR

OL

UL

l1

l2

OL OR

UL UR

OL – oben links

OR – oben rechtsUL – unten links

UR – unten rechtsl1 – Diagonale OL/URl2 – Diagonale OR/UL

OR

UR

OL

UL

OR

UR

OL

UL


3. Bewertungskriterien festlegenVergleichbarkeit der Spannungen und Verformungen bei verschiedenen Massen und verschiedenen Materialien erforderlich

Einführung von Vergleichsparametern

Rkm

bR

k: „spezifischer Reservefaktor“R Reservefaktorm Masseb Schubfestigkeit der

Paneelhaut

Schubspannung in der Paneelhaut

mit

Lgm

g: „spezifische normierte Länge“refl

Ll

L normierte Längel Diagonalverformunglref Diagonalverformung am

Referenztürausschnitt

mit

Je größer der Faktor k,

desto Gewichts- effektiver

ist das Konzept

Je größer der Faktor g,

desto höher ist der Steifigkeitsgewinn

bezogen aufs Gewicht


Auswertung: Konzept 1 / Lokales FachwerkReferenz K 1.1 K 1.2 K 1.3 K 1.4 K 1.5 K1.6 K1.7

-10

-5

0

5

10

15

20

Änd

erun

g de

s V

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eter

s k [%

]

-5

0

5

10

Ände

rung

des

Ver

glei

chs-

para

met

ers g

[%]

Fazit•Konzepte 1, 2, 3

• ~ Gewichtsneutral (k→)• Spez. Steifigkeit fällt (g↓)keine Verbesserung

•Konzepte 4, 5, 6,7• Gewichtsreduktion (k↑)• Steifigkeitssteigerung (g↑)Konzepte zeigen Potential,

K1.7 wird weiter untersucht

OR

UR

OL

UL

OR

UR

OL

UL


Fazit•Konzept 2.1 und 2.3

• Gewichtsreduktion (k ↑)• Spez. Steifigkeit teils besser, teils

schlechter (g ↑

↓)•Konzept 2.2

• Gewicht ~konstant (k →)• Hohe Steifigkeitssteigerung (g↑)

•Konzept 2.4• hohe Gewichtsreduktion (k ↑)• Spez. Steifigkeit teils besser, teils

schlechter (g ↑

↓)

K2.2 und K2.4 wird weiter untersucht

-50

-30

-10

10

30

50

70

K 2.1 K 2.2 K 2.3 K 2.4

Änd

erun

g

Par

amet

er k

[%]

-1000

100200300400500600700800900

1000

K 2.1 K 2.2 K 2.3 K 2.4

Änd

erun

g P

aram

eter

g [%

]

Auswertung: Konzept 2 / Tür-Türrahmenkopplung

OR

UR

OL

UL

OR

UR

OL

UL


Fazit•Konzept 3.1, 3.3 und 3.4

• Gewicht ~konstant (k →)• Steifigkeitssteigerung (g↑)

•Konzept 3.2• hohe Gewichtsreduktion (k ↑)• Spez. Steifigkeit teils besser (g↑)

K3.2 wird weiter untersucht

Auswertung: Konzept 3 / Metalllaminat

-30

-10

10

30

50

K 3.1 K 3.2 K 3.3 K 3.4

Änd

erun

gP

aram

eter

s k

[%] OR

UR

OL

UL

OR

UR

OL

UL

-30-20-10

010203040

K 3.1 K 3.2 K 3.3 K 3.4

Änd

erun

g P

aram

eter

g [%

]


Gegenüberstellung der ausgewählten KonzepteFazitKonzept 1.7

Geringstes Verbesserungs- potenzial im direkten Vergleich

Konzept 2.2Höchste Verbesserung der Diagonalversteifung, allerdings teils auch höhere Last bzw. mehr Gewicht

Konzept 2.4Ungleichmäßige Auslastung bei gewählten Startparametern weitere Optimierung erforderlich

Konzept 3.2 homogene Gewichts- und Aufdickungsreduktion bei konstanter Steifigkeit

-50-40-30-20-10

010203040506070

K 1 .7 K 2 .2 K 2 .4 K 3 .2

Ände

rung

en

Par

amet

er k

[%

]

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

K 1 .7 K 2 .2 K 2 .4 K 3 .2

Änd

erun

gen

Pa

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eter

g [

%]

OR

UR

OL

UL

OR

UR

OL

UL


ZusammenfassungKonzept 1: Lokales Fachwerk

Konzept wäre relativ einfach umsetzbar.Insgesamt ergeben sich nur geringe Verbesserungen.

Konzept 2: Tür-TürrahmenkopplungSchubspannungen können im kritischen Bereich reduziert werden. Deformation kann erwartungsgemäß

stark reduziert werden. Die

Zulassbarkeit ist jedoch „komplex“.

Konzept 3: MetalllaminatSchubspannungen können bei gleichem Gewicht stark reduziert werden. Die Steifigkeit bzw. Deformation ist unverändert.Aufdickungen können Materialbedingt stark reduziert werden.


Ausblick / Forschungsbedarf

Optimierung der vorgestellten Konzepte + Erhöhung der Genauigkeit zur GewichtsabschätzungKombination der Konzepte (insbesondere „Mittragende Tür“ mit „Lokalem Fachwerk“)Optimierung der Lasteinleitungen (übertragbar auf aktuelle Doorstops)Türrahmenbauweisen für neue Globalrumpfbauweisen (Anisogrid)Gesamtbauweisen Tür und und Türumgebungsstrukturen

LastpfadeTopologieoptimierung Numerisches Modell


Idee: Anisogrid DSS

Ausblick / Forschungsbedarf

Große Ausschnitte in Anisogrid Entwicklung eines analytischen BewertungsschemasAbleiten von technischen Lösungen für große Ausschnitte, z. B. TürenAusnutzen von gezielter Lastumleitung im NetzAlternative Lasteinleitung in Tür an diskreten Punkten Netz schließenFertigungsgerechte Bauweise für die Ausschnitte


Projekt ALF

Untersuchung der Anisogrid-Bauweise hinsichtlich

Seriengeeignete Fertigungsverfahren

Bauweise für Fußbodenlasteinleitung und analytische Vorauslegung

Analyse der Herstellungskosten

Kostenvergleich Anisogrid-Konzepte

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

Anisogrid - AFP-AFP Anisogrid - AFP-Winding Anisogrid - AFP-AddM at-Winding

SpanteSkinGrid


Projekt ALF

Fertigung und Bauweise, Fokus auf:Haut-Netz-KoppelungKnotenbildung im NetzNegativ- oder PositivwerkzeugEinbringung von Spanten zwecks Lasteinleitung

Kostenanalyse mit DLR-FA ToolIdentifizierung von Kostentreibern


Projekt ALaSCA

–

Ausblick Dez. 2010 –

Nov. 2013 –

6 Europäische Partner und 6 Russische Partner

These: Ist eine Anisogrid-Bauweise, welche erfolgreich im Raketenbau eingesetzt wird, sinnvoll für einen Flugzeugrumpf aus CFK?

VorgehensweiseUntersuchung der Flugzeuggesamt- konfiguration Ziel: möglichst lange, ungestörte RumpfstrukturErarbeiten eines globalen Anisogrid-Rumpf- konzeptes, welches am besten die aktuellen Anforderungen an eine Rumpfstruktur erfülltErarbeiten von lokalen Strukturlösungen auf Element-Ebene

ZielVergleichbares Anisogrid-Flugzeugrumpf- Konzept zu aktuellen Semi-Monocoque- Bauweisen


Alternatives Konzept –

Lampassen-Konzept

Integrale Rumpfsegmente bestehend aus Längsträgern (Longerons) und Sandwichfeldern

Longerons:

Aufnahme der Biegelasten

Sandwich-Hautfelder: Aufnahme des Innendrucks und der Schublasten

Asymmetrischer Sandwich: tragende CFK-Haut innen, Detektorschicht Aluminium außen

Aktivitäten:VorauslegungFertigungsstrategienEntwicklung von Verfahren zur Bauweisenbewertung


Versteifungselemente in Längsrichtung

Doppelt gekrümmter Omegastringer

Funktionsweise:

Oberfläche des Stringers ist doppelt gekrümmt

Stabilisierende Wirkung gegen Beulenbildung im Stringer bei Druckbeanspruchung

Anordnung der Stringerfüße ähnelt Fachwerksystem

Entlastung der Haut bei Druck-/ Schub- beanspruchung eines Paneels und Erhöhen von Stabilitätsverhalten durch Fachwerk

N N

T

T

T

T

N N

T

T

T

TPromotion Thomas Kruse


Zusammenfassung

RumpfbauweisenVersteifungselemente

in (Quer-) und Längsrichtung Türumgebungsstrukturen


Forschungsteam

Experten Bauweisen und Hybridlaminate Dr. Boris Kolesnikov

[email protected] Dr. Axel Fink [email protected]

Schwerpunktleiter Rumpf Tobias Ströhlein

[email protected]

Abteilungsleiter Funktionsleichtbau Dr. Christian Hühne

[email protected]

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