Positive Effekte durch negative Pfeilung

Wachsendes Umweltbewusstsein und steigende Treibstoff-kosten zwingen die Flugzeughersteller, das Fliegen effizienter zu

machen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) unter-sucht, wie sich durch vorwärts gepfeilte Flügel der Treibstoffverbrauch

von Verkehrsflugzeugen reduzieren lässt. Um dabei den bestmöglichen Kompromiss zwischen Aerodynamik, Aeroelastizität und Strukturmechanik

zu finden, setzt man auf einen multi-disziplinären nichtlinearen Simulations-ansatz, bei dem die Lösungen von MSC Software eine zentrale Rolle spielen.

Ulrich Feldhaus, freier Journalist, ErkrathJens Bold, Wissenschaftler, DLR Braunschweig

Den Tragflügeln fällt bei der Senkung des Strömungswiderstan-des eines Flugzeuges eine im wahrs-ten Sinne des Wortes herausragende Bedeutung zu. Weglassen geht nicht – und bei den heute bei Verkehrs-flugzeugen verwendeten, nach hinten (positiv) gepfeilten Flügeln, wäre dazu eine deutliche Geschwin-digkeitsreduzierung unter die heute üblichen Mach-Zahlen (rund Ma 0,8) notwendig, was weder Herstellern noch Betreibern als besonders er-strebenswert erscheint.

Die DLR versucht nun im Rah-men des LamAiR-Projekts (Laminar Aircraft Research), der für den Wi-derstand hauptsächlich verantwort-lichen turbulenten Grenzschicht an den Tragflächen mit dem alterna-tiven Konzept eines vorwärts (ne-gativ) gepfeilten Flügels zu Leibe zu rücken. Bei der DLR ist man der Meinung, dass ein solches Flugzeug

genauso schnell, aber treibstoffspa-render und damit sauberer fliegen könne als konventionelle Flugzeuge. In einer Studie für einen Mittelstre-cken-Jet möchte man deshalb zei-gen, dass diese Vorteile nicht nur auf dem Papier existieren, sondern dass sie sich auch in die Praxis um-setzen lassen.

Die Vorteile negativ gepfeil-ter Flügel sind schon seit den 40er Jahren bekannt, jedoch waren ihre kritischen aeroelastischen Eigen-schaften mit konventionellen Mate-rialien kaum beherrschbar. Während ein positiv gepfeilter Flügel sich mit wachsendem Auftrieb durch seine Biege-Torsionseigenschaften quasi selbst entlastet, besteht beim vor-wärts gepfeilten Flügel die Tendenz, dass sich unter Torsion der Anstell-winkel vergrößert und damit der Auftrieb weiter steigt – bis bin zum Strömungsabriss.

Der Optimierung des Biege-Tor-sionsverhaltens negativ gepfeilter Flügel gilt entsprechend das Haupt-augenmerk der Forscher bei der DLR in Braunschweig. Durch den Einsatz von Kohlefaserwerkstoffen möchte man dabei gleich zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen: zum einen soll die ausgeprägte Orthotropie von Verbundwerkstoffen die nega-tiven aeroelastischen Eigenschaften mindern oder gar vermeiden. Darü-ber hinaus möchte man gleichzeitig eine Gewichtsreduzierung erreichen, um die Attraktivität dieses Ansatzes noch zu unterstreichen. Solche Ziel-setzungen laufen darauf hinaus, den Flügelkasten mit seinen Holmen und Rippen sowie der Stringer-verstärk-ten Außenhaut als tragendes Element eines Flügels entsprechend zu opti-mieren. Neben aerodynamischem Auftrieb und Moment müssen Trieb-werksschub, Treibstoffgewicht und

DLR-Studie eines Mittel-strecken-Jets mit vorwärts gepfeilten Flügeln. (Bilder: DLR)

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-druck sowie das Eigengewicht be-rücksichtigt werden, weshalb die einwirkenden Belastungen entspre-chend komplex sind.

simulation prädestiniert für komplexe

Entwicklungsaufgaben

Die Entwicklung eines neuen Flügels ist ein stark iterativer Pro-zess, an dem verschiedene Diszi-plinen beteiligt sind, und der bei konventioneller Vorgehensweise eine Vielzahl von teuren und zeit-aufwändigen Windkanalversuchen erfordert. Numerische Simulations-programme bieten hier eindeutig Vorteile – nicht nur weil physische Tests deutlich reduziert und weit mehr unterschiedliche Varianten vir-tuell getestet werden können, son-dern vor allem auch deswegen, weil durch die Datenvielfalt und die Dar-stellungsmöglichkeiten der Ergeb-nisse ein wesentlich höheres Ver-ständnis der Zusammenhänge und Abhängigkeiten aufgebaut werden kann. Alle relevanten Daten können zudem in 3D-Darstellungen oder XY-Graphen dargestellt werden.

Um zu gewährleisten, dass FE-Simulationen die Realität gut wieder-spiegeln, ist neben der Qualität von Solver und Netz (Aufbau, Feinheit, benutzte Elemente) auch eine Kali-brierung des Berechnungsmodells auf der Basis bekannter Daten von wesentlicher Bedeutung. Dazu wur-den mit den MSC-Software-Lösungen Patran (als Pre-/Postprocessor) und Nastran (als Solver) Rechnungen an der Geometrie des konventionellen (Metall-)Flügelkastens einer Mittel-strecken-Verkehrsmaschine durch-geführt, für die umfangreiche Daten bezüglich Belastungen und Verfor-mungen vorliegen.

Untersucht wurden dabei un-terschiedliche numerische Ansätze, angefangen von linearen Berech-nungen mit je einem Schalenele-ment in Querschnittsrichtung und zwischen den Flügelrippen, bis hin zu nicht-linearen Analysen einer verfeinerten Modellgeometrie mit je vier Elementen in jeder Richtung unter Verwendung von Membran-

elementen. Dabei zeigte sich, dass mit einem linearen Ansatz die Struk-tursteifigkeit deutlich von den Real-daten abwich, während die abschlie-ßende nicht-lineare Berechnung mit Membranelementen lediglich eine Abweichung von - 5 Prozent bei der Durchbiegung beziehungsweise + 8 Prozent bei der Verdrehung auf-wies.

simulations- und Optimierungsprozesse effizienter gestalten

Die in sequenziell strukturier-ten Entwicklungsprozessen notwen-digen Datentransfers und Trans-formationen sind vielfach Ursache für Fehler und daraus resultierende Mehrfacharbeiten. Unter solchen Voraussetzungen lassen sich durch die Simulation zwar Teilaspekte ver-bessern, das Gesamtergebnis bleibt jedoch meistens weit hinter den potenziellen Möglichkeiten zurück. Ganz besonders gilt dies für multi-disziplinäre Aufgabenstellungen. Um hier die Basis für ein effizientes Concurrent Engineering zu schaffen, hat man bei der DLR die Entwicklung einer Virtual Composite Platform in Angriff genommen, die als Zielset-zung hat:

Parallelisierung von Entwick-lungsprozessenVerbesserung der interdiszipli-nären Kommunikation und Da-tenverfügbarkeitVereinfachung und Beschleuni-gung von Simulationsprojekten (Variantenberechnung, Optimie-rung)

Für die Simulation kommen dabei die Programme Patran sowie Nastran zum Einsatz, die durch ihre Architektur prädestiniert sind für die Umsetzung der geplanten Maßnah-men. Auf der konstruktiven Seite wird Catia V5 als CAD/CAM-System und hinsichtlich der Aerodynamik der DLR-eigene TAU-Code für die Strömungssimulation eingesetzt. Be-gonnen wurde mit der Entwicklung Anfang 2010 und man beabsichtigt, den vollen Funktionsumfang bis zur zweiten Jahreshälfte 2013 realisiert zu haben.

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Die Oberfläche des in Patran integrierten LamAir-GUI für Eingabe und Auswahl der Berechnungs- beziehungsweise Optimie-rungsparameter.

Optimierungsergebnisse (von oben nach unten): Dicke und Gewicht, Verformung und Rotation sowie gewichtete Biege- und Torsionssteifigkeit.

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angepaßte benutzeroberfläche für

optimale Effizienz

Angesichts der Vielzahl von Va-riantenrechnungen ist die schnelle, einfache und fehlerfreie Definition und Durchführung der Berechnungs-jobs unerlässlich. Bei der DLR hat man dies durch die Integration der LamAir-Benutzerschnittstelle (GUI) in die Software MD Patran für mul-tidisziplinäre Aufgaben erreicht. Da-rüber lassen sich Eingabe-Parameter sowie Konstruktionsvariablen und Randbedingungen in einer einheit-lichen Umgebung eingegeben be-ziehungsweise auswählen und mög-liche Fehler frühzeitig abfangen. Darüber hinaus wurden die Modell-erzeugung, Input-Generierung mit Materialeigenschaften und Randbe-dingungen sowie der Start der Be-rechnung und Import der Ergebnis-daten weitestgehend automatisiert.

Das Tableau ermöglicht dem Anwender die direkte Eingabe der Flügelgeometrie, der Profildicke sowie der Auftriebsverteilung für unterschiedliche Lastfälle (Reise-flug und zwei extreme Fluglagen). Um beim Modellaufbau möglichst große Variationsmöglichkeiten zu haben, wurden die Positionen für

den vorderen und hinteren Holm sowie die Anzahl der Rippen parame-trisch beschrieben. Die Materialei-genschaften werden dabei anhand eines ‚verschmierten‘ Lagenaufbaus über zweidimensionale orthotrope Composite-Materialeigenschaften beschrieben.

Die angestrebten Ziele – Op-timierung des Biege-Torsionsver-haltens und Gewichtsminimierung – sind nur über umfangreiche Variantenrechnungen unter Be-rücksichtigung der Einflüsse von Aerodynamik, Aeroelastizität und Strukturmechanik zu erreichen. Die bereits erläuterten Untersuchungen mit einem linearen Ansatz haben sich dabei als unzureichend erwie-sen. Um die auftretenden großen Verformungen und die daraus resul-tierenden Effekte hinreichend gut zu beschreiben, entschied man sich bei der DLR deshalb dafür, den schwie-rigeren Weg einer nicht-linearen Optimierung mit Nastran und der im Programm verfügbaren ESNLRO-Me-thode zu gehen – was unter ande-rem den Vorteil hat, dass eine nicht-lineare Response-Optimierung auch ohne die Berechnung der Sensitivi-tät nicht-linearer Systemantworten durchgeführt werden kann. Zusätz-lich wurden auch Optimierungsmaß-nahmen hinsichtlich der Profildicke des Flügels unternommen, um die Designkriterien – Festigkeit, Stabili-tät und Schadenstoleranz – erfüllen zu können.

Maßgeschneidertes biege-Torsions-Verhalten

Für die Vorauslegung des Flü-gels ist die Berücksichtigung der Composite-Eigenschaften durch die Vorgabe beziehungsweise Auswahl einer Hauptsteifigkeitsrichtung hin-reichend genau. Die Abhängigkeit der Flügelverformung und -verdreh-ung von der Hauptsteifigkeitsrich-tung wurde anhand von Varian-tenrechnungen untersucht, wobei Geometrie und Dicke konstant ge-halten, aber die Hauptrichtungen der oberen und unteren Außenhaut in einem Winkel zwischen ± 45 Grad zum vorderen Holm in 5-Grad-Schrit-

ten unabhängig variiert wurden. Auf diese Weise konnte man zwischen - 25 und + 5 Grad (oben) und - 30 und -5 Grad unten einen Bereich mit (entlastenden) negativen Werten für die Rotation ermitteln, in dem auch die Verformung der Flügelspitze nur leicht anstieg.

Während sich die bis dahin an-gestellten Berechnungen auf den Flügel beschränkt hatten, wurde zum Abschluss des Pre-Designs zu-sätzlich ein fein vernetztes Modell der gesamten Flugzeugstruktur in einer kombinierten CFD-CSM-Be-rechnung untersucht (Computatio-nal Fluid Dynamics/Computational Structure Mechanics). Eingesetzt wurden dazu MD Nastran sowie das hauseigene CFD-Programm TAU. Die Struktur wurde dabei mit den in der CFD-Kalkulation ermittelten Ergebnissen beaufschlagt. In einem iterativen Prozess wurden dann die resultierenden Verformungen an das CFD-Programm zurückgegeben, bis die Ergebnisse konvergierten.

ausblick

Ohne Einsatz der Simulation wäre die Entwicklung eines vorwärts gepfeilten Flügels unter Vermeidung der bislang damit verbundenen Nachteile kaum möglich. Erst die Leistungsfähigkeit der eingesetzten Simulationslösungen und die Ergän-zung durch das in Patran eingefügte LamAir-GUI haben Dateneingabe und Variantenaufbau für die um-fangreichen Variantenstudien durch eine weitreichende Automatisierung praktikabel gemacht. Die nächsten Schritte bestehen nun darin, ba-sierend auf den hier geschilderten Maßnahmen den Flügel hinsichtlich aller drei Design-Kriterien (Festig-keit, Schadenstoleranz und Stabi-lität) zu optimieren sowie weitere Lastfälle zu untersuchen.

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR), Braunschweig Tel. 0531/295-0, www.dlr.de

MSC Software GmbH, München Tel. 089/431987-0, www.mscsoftware.com

Rotation und Verschiebung in Abhängigkeit von der Hauptsteifigkeitsrichtung.

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