Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI...

59
| | Paolo Ermanni 23. September 2015 Vorlesung 151320700L Leichtbau, HS 2015 Leichtbaukonstruktionen 23.09.15 PAOLO ERMANNI 1513207HS2015K2LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 1

Transcript of Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI...

Page 1: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Paolo Ermanni23. September 2015

Vorlesung 151-­3207-­00L Leichtbau, HS 2015

Leichtbaukonstruktionen

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 1

Page 2: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

§ Allgemeines über den Entwicklungsprozess

§ Leichtbaustrategien

§ Auslegungskriterien

Leitfaden

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 2

Page 3: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Leichtbaukonstruktionen

Optimale GestaltEine möglichst gleichmässigeBeanspruchung in möglichst allenBereichen der Bauteile

Sicherheit gegen VersagenEine unter allen Betriebs-bedingungen ausreichende Sicherheit gegen Versagen infolge Bruch, Fliessen, Knicken, Beulen, zu grosse Deformation, Ermüdung etc.

WirtschaftlichkeitGeeignetes Material für das Bauteilmöglichst kostengünstige Fertigung

Die Bauteilgestalt ist so zu wählen, dass optimale

Gesamtlösungen resultieren

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 3

Page 4: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

|| 9/23/15Gerald Kress 4

“Function and form are intimately related to one another.

The function describes what the purpose of a technical object is;; the form or structure describes how this product will do it.”

Ulman, D.G., The Mechanical Design Process, vol. 2, McGraw-­Hill, New York (1997)

Page 5: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Werkstoffwahl: Stahl, Aluminium, Titanium, FV-­Kunststoffe…..

Topologie Gestaltung Abmessungen

Strukturmerkmale

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 5

Page 6: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Automated structural analysis process

Quelle: Ch. Ledermann, Parametric Associative CAE Methods In Preliminary Aircraft Design, Diss. ETH Nr. 16778, 2006 23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 6

Page 7: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Flügel General Arrangement

Quelle: M.C. Niu, Airframe Structural Design, Conmilit Press, 199123.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 7

Page 8: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Vergleichsspannungen (von Mises)

Quelle: Ch. Ledermann, Parametric Associative CAE Methods In Preliminary Aircraft Design, Diss. ETH Nr. 16778, 2006

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 8

Page 9: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Spannungsverteilung in der Haut nach der Optimierung

Quelle: Ch. Ledermann, Parametric Associative CAE Methods In Preliminary Aircraft Design, Diss. ETH Nr. 16778, 2006

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 9

Page 10: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Optimierte Dickeverteilung

Quelle: Ch. Ledermann, Parametric Associative CAE Methods In Preliminary Aircraft Design, Diss. ETH Nr. 16778, 2006

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 10

Page 11: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Optimization results

Best individual of initial generation Best individual after 60 generations

Fitness plot Design objective: mass

Quelle: Ch. Ledermann, Parametric Associative CAE Methods In Preliminary Aircraft Design, Diss. ETH Nr. 16778, 2006

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 11

Page 12: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Generische Produktentwicklung

Ledermann, Christoph, Parametric associative CAE methods in preliminary aircraft design, Diss. ETH Zurich Nr. 16778, Zürich, 2006

Conceptualdesign

Embodimentdesign Detail design

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 12

Page 13: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

§ Allgemeines über den Entwicklungsprozess

§ Leichtbaustrategien

§ Material-­Substitution

§ Formleichtbau

§ Konzeptleichtbau (Bauweisen)

§ Auslegungskriterien

Leitfaden

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 13

Page 14: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Show case: Sample dimensions

aluminum plate (reference):• length: l = 200 mm• width: w = 50 mm• thickness: talu = 4 mm• mass: malu = ρalu ⋅ l ⋅ w ⋅ talu = 108.0 g

plates made of alternative materials:• length: l = 200 mm• width: w = 50 mm• thickness: talt = varied to reach requested

performance• mass: malt = ρalt ⋅ l ⋅ w ⋅ talt

Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 14

Page 15: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Show case: loads

§ Weight comparison of monolithic plates made of different materials all with same length and width

§ Thickness designed for same…§ tensile stiffness§ tensile strength§ compression stiffness§ compression strength§ bending stiffness§ bending strength

Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 15

Page 16: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Lightweight material parameters

§ Reference (Aluminum alloy)

§ Key lightweight material parameters→→ E0 = 73 GPa;; σσmax-­0 = 400 MPa;; ρρ0 = 2.7 ⋅⋅ 10³ kg/m³

2 x specific stiffness2 x specific stiffness > same specific strength and density→→ Estiff = 2 ⋅⋅ E0;; σσmax-­stiff = σσmax-­0;; ρρstiff = ρρ0

2 x specific strength2 x specific strength > same specific stiffness and density →→ Estrength = E0;; σσmax-­strength = 2 ⋅⋅ σσmax-­0;; ρρstrength = ρρ0

0.5 x density0.5 x density > same specific stiffness and specific strength →→ Edensity = 0.5 ⋅⋅ E0;; σσmax-­density = 0.5 ⋅⋅ σσmax-­0;; ρρdensity = 0.5 ⋅⋅ ρρ0

Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 16

Page 17: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Lightweight material parameters

reference

2 x specific stiffness

2 x specific strength

0.5 x density

Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 17

Page 18: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Lightweight material parameters

Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS 23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 18

Page 19: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Lightweight material parameters

Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS 23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 19

Page 20: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Lightweight material parameters

Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS 23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 20

Page 21: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Material comparison

6401917.9steel -­ V2A

aluminum alloy (reference)

E-­GF / Epoxy

CF-­HT / Epoxy

CF-­HM / Epoxy

CF-­UHM / Epoxy

titanium (TiAl6 V4 F89)

densityρ

[103 kg/m³] quasi-­isotropic

strengthσmax [106 N/m²]

quasi-­isotropic

modulusE [109 N/m²]

400732.7

8901204.5

34118.91.88

40843.61.53

33566.61.55

22385.61.55source: Markus Zogg;; Neue Wege zum Recycling von faserverstärkten Kunststoffen;; Diss 11'946, ETH Zürich, 1997

properties

materials

laminates calculated with 50 %vol fiber contentCourtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 21

Page 22: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Material weight saving potential

GF/EP-qi

CF-UHM/EP-qi

CF-HM/EP-qi

CF-HT/EP-qisteelaluminum

titanium

Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 22

Page 23: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Material weight saving potential

Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS 23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23

Page 24: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Material weight saving potential

Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 24

Page 25: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Material weight saving potential

GF/EP-qi

CF-UHM/EP-qi

CF-HM/EP-qi

CF-HT/EP-qisteelaluminum

titaniumlimits

of metalslimits

of metals

Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 25

Page 26: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Materials to be compared: Material orientation

6401917.9steel -­ V2A

aluminum alloy (reference)

E-­GF / Epoxy

CF-­HT / Epoxy

CF-­HM / Epoxy

CF-­UHM / Epoxy

titanium (TiAl6 V4 F89)

densityρ

[103 kg/m³] uni-directional

quasi-isotropic

strengthσmax [106 N/m²]

uni-directional

quasi-isotropic

modulusE [109 N/m²]

400732.7

8901204.5

34118.91.88

40843.61.53

33566.61.55

22385.61.55source: Markus Zogg;; Neue Wege zum Recycling von faserverstärkten Kunststoffen;; Diss 11'946, ETH Zürich, 1997

properties

materials

laminates calculated with 50 %vol fiber content

38.0

113.0

183.8

242.2

1'015

1'219

927

632

Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 26

Page 27: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Material weight saving potential

GF/EP-qi

CF-UHM/EP-qi

CF-HM/EP-qi

CF-HT/EP-qisteelaluminum

titanium

GF/EP-UD

CF-HT/EP-UD

CF-HM/EP-UD

CF-UHM/EP-UD

Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 27

Page 28: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Material weight saving potential

quasi-­isotropicunidirectional

Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 28

Page 29: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Material weight saving potential

quasi-­isotropicunidirectional

Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 29

Page 30: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

§ Allgemeines über den Entwicklungsprozess

§ Leichtbaustrategien

§ Material-­Substitution

§ Formleichtbau

§ Konzeptleichtbau (Bauweisen)

§ Auslegungskriterien

Leitfaden

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 30

Page 31: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Direct loadintroduction

Maximization of themoment of inertia

Ribbing of structures

Application of curvedstructures and panelsheets

Adoption, wherereasonable, ofintegral constructions

Selective localreinforcement in themain load directions

Some design rules for lightweight structures (according to B. Kleint)

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 31

Page 32: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Direct load-­introduction

Directly introduce loads in the main structure

Avoid load deviation

Distribute loads over large surfaces

Locally support load-introduction

Source: B. Klein, Leichtbaukonstruktion, Berechnungsgrundlage und Gestaltung, 8. Auflage Vieweg und Teubner, 2009

Unfavourable Better Comments

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 32

Page 33: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Maximization of the moment of inertia

Utilization of thin-walled profiles with

light supporting cores

Unfavourable Better Comments

Source: B. Klein, Leichtbaukonstruktion, Berechnungsgrundlage und Gestaltung, 8. Auflage Vieweg und Teubner, 2009

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 33

Page 34: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Ribbing of structures

Lattice panel sheet Studded panel sheet

Unfavourable Better Comments

Utilization of thin-walled profiles

Source: B. Klein, Leichtbaukonstruktion, Berechnungsgrundlage und Gestaltung, 8. Auflage Vieweg und Teubner, 2009

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 34

Page 35: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Application of curved structures and panel sheets

Unfavourable Better Comments

Curved shapes show an increase of the critical buckling loads compared to

flat ones

In curved plates and panels the

resistance against deflection and snap-through is increased

Source: B. Klein, Leichtbaukonstruktion, Berechnungsgrundlage und Gestaltung, 8. Auflage Vieweg und Teubner, 2009

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 35

Page 36: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Adoption of integral constructions

Unfavourable Better Comments

Source: B. Klein, Leichtbaukonstruktion, Berechnungsgrundlage und Gestaltung, 8. Auflage Vieweg und Teubner, 2009

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 36

Page 37: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Selective local reinforcement in main load directions

Unfavourable Better Comments

Corrugations increase panel

stability

Orient fibres in load direction

Source: B. Klein, Leichtbaukonstruktion, Berechnungsgrundlage und Gestaltung, 8. Auflage Vieweg und Teubner, 2009

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 37

Page 38: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Example: Wing structure

Source: M.C. Niu, Airframe Structural Design, Conmilit Press, 1991 23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 38

Page 39: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

§ Allgemeines über den Entwicklungsprozess

§ Leichtbaustrategien

§ Material-­Substitution

§ Formleichtbau

§ Konzeptleichtbau (Bauweisen)

§ Auslegungskriterien

Leitfaden

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 39

Page 40: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

§ Positive§ Combination of different materials is possible§ „Simple“ Recycling and Repair

§ Negative§ Weight§ Prone to corrosion

Structural components can be realized by assembling together single structural elements

Source: Eurocopter23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 40

Page 41: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Integral construction: Single structural elements are co-­bonded or co-­cured together

Integral skin tear straps

Viable Repair Plans

Co-­cured hat section stringers

Bolted frames

Fabric surface plies

Source: Boeing

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 41

Page 42: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Composites in der A380

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 42

Page 43: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

§ Metallic Structures:§ Glare Technologies§ Extrusion Profiles in

conjunction with advanced welding Techniques

§ Composite Structures§ Tape-­laying processes§ Preforming technologies in

conjunction with LCM-­Processes (RTM, RFI)

§ Pultrusion technologies for Stringers and Beams

Technological Trends at Airbus (cont.)

[4] Neil Harris, The A380, Leader on Manufacturing technology, Farnborough 20th/21st July 2004

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 43

Page 44: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

l Large parts and complex shapesl Optimum ply distribution l First application on A380

(A380 rear section)

Solutions for complex fibre elements

[4] Neil Harris, The A380, Leader on Manufacturing technology, Farnborough 20th/21st July 2004

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 44

Page 45: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Boeing 787: Airframe Material Selection:

Carbon laminate

Carbon sandwich

Fiberglass

Aluminum

Aluminum/steel/titanium pylons

53%

Source: Boeing

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 45

Page 46: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Sandwich constructions are a good example for lightweightstructural elements

Laminate

Adhesive layer

Honeycomb

Adhesive layer

Laminate

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 46

Page 47: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Sandwich: Typical core materials

Stegkern Wellblechkern Wabenkern

Massiv- oder Schaumstoffkern

gelochter Massiv- oder Schaumstoffkern !

Source: Dr. Habil. Alois Starlinger, Handouts of the lecture “Bemessen von Sandwichbauteilen”

HoneycombCorrugated core

Cellular materials (foams) or balsa

Web

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 47

Page 48: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Load-­carrying behavior of sandwich structures

zN

QMb

xσσN σσb ττ xz

h

zN

QMb

xσσN σσb ττ xz

STRESS-DISTRIBUTION IN NON-CONNECTED LAYERS

Source: Dr. Habil. Alois Starlinger, Handouts of the lecture “Bemessen von Sandwichbauteilen”

STRESS-DISTRIBUTION IN CONNECTED LAYERS

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 48

Page 49: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Learning from nature§ Lightweight structures § Lightweight structures made of fiber

reinforced polymers allow high performance race cars with an extraordinary safety level

lightweightmaterials

integration of functions

material orientation

material arrangement

Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 49

Page 50: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Learning from nature§ Technical structures § tree-­trunks carry the high loads of the tree

tops and can reach an age of several 100 years

lightweightmaterials

integration of functions

material orientation

material arrangement

Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 50

Page 51: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

lightweightmaterials

integration of functions

materialorientation

material arrangement

nature

Learning from nature

Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS

§ Compared to natural structures, technical structures are (often) made of materials, with superior mechanical performance.

§ The excellent lightweight performance of natural structures is reached by:§ the designed anisotropy in the

material performance§ the optimal placement of the material

in structures with high geometrical complexity

§ integration of many functions into the structure

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 51

Page 52: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Integration of functionsExample: Lightweight structure in transportation

acoustic treatment

interior surfacesupport for ... venting

hosehousing for ...

structure damping treatment

pipes for fluids

exterior surface

wires

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 52

Page 53: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

support for ...

venting hose

housing for ...

interior surface

acoustic treatment

structurewires damping treatment

pipes for fluids

exterior surface

1 multifunctional component

Integration of functionsExample: Lightweight structure in transportation

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 53

Page 54: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

transportation structure with add-­on functionstransportation structure with add-­on functions

multiple suppliers

multiple designs

multiple sets of tools

multiple part references

transportation structure with integrated functions

one supplier

one design

one set of tools

one part references

Integration of functionsExample: Lightweight structure in transportation

opportunity to save weight and costs23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 54

Page 55: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

§ BASIS: Lotus Evora§ CHALLENGE: The wheelbase has to be

extended by 30 cm in order to accommodate all the components

§ SOLUTION: rear end (everything behind the passenger compartment) made out of RFP § new rear structure made out of CFRP

sandwich§ new rear bodywork, partly as a sandwich

§ Training for 30 students on the example of a four-­seat electric-­powered sport car

Functions Integration – Example SunCar2011

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 55

Page 56: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

§ Built-­in "Fail-­Safe behavior" in the bodywork§ In the event of a crash, the bodywork can not break and no sharp-­edged fragments

Functions Integration: Example SunCar2011

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 56

Page 57: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

§ Solar cells integrated in the vehicle roof and the hatchback§ Solar cells are integrated directly into the body

Functions Integration: Example SunCar2011

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 57

Page 58: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

§ Built-­in thermal insulation of the batteries in the sandwich structure of the chassis§ The foam core has structural functions and

also serves to isolate the batteries§ Electrical conductors have been partially

integrated into the composite structure § Instead of additional cables in channels

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 58

Functions Integration: Example SunCar2011

Page 59: Leichtbaukonstruktionen - ETH Z€¦ · Courtesy of Dr. Markus Zogg, Inspire ICS PAOLO ERMANNI -151-3207-HS2015-K2-LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 23.09.15 20 Material comparison steel -V2A

||

Functions Integration: Example SunCar2011

§ Integrated heating/cooling circuits in the composite structures have been object of a bachelor thesis

23.09.15PAOLO ERMANNI -­ 151-­3207-­HS2015-­K2-­LEICHBAUKONSTRUKTIONEN 59