Browsing by Author "Dugas, Michael"

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Ein Beitrag zur Auslegung von Faserverbundtragflügeln im Vorentwurf
(2002) Dugas, Michael; Voit-Nitschmann, Rudolf (Prof. Dipl.-Ing.)
Inhalt der Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Berechnung von Faserverbundtragflügeln mit Biege-Torsionskopplung und dessen Einbindung in das Gewichtsprognoseprogramm für Tragflügel FAME-W (Fast and Advanced Mass Estimation Wing) der Airbus Deutschland GmbH. Ausgehend von der in FAME-W vorliegenden Idealisierung, die sich zur Berechnung von Metallflügeln im Vorentwurf als sehr gut geeignet erwiesen hat, wurde ein Balkenmodell abgeleitet, das zusätzlich zur Berücksichtigung des hybriden Aufbaus des Flügelkastens die Möglichkeit bietet, Biege-Torsionskopplungen zu bewerten. Dabei wird analog zu frühen Arbeiten von Weishaar die Größe der Koppelsteifigkeit eingeführt. Diese Größe dient zur Darstellung der beim Flügelentwurf wichtigen passiven Beeinflussung der Anstellwinkelverteilung am Flügel in Abhängigkeit von dessen Biegeverformung. Mit der Verformungskopplung kann die spannweitige Lastverteilung in den dimensionierenden Lastfällen und während des Reisefluges beeinflusst werden. Das verwendete Materialmodell beruht auf der Annahme verschmierter Steifigkeiten. Die weitere Reduktion der Steifigkeitsmatrizen erfolgt unter Vernachlässigung der Querspannungen. Wohingegen für die Idealisierung der Stringer von vernachlässigbaren Querdehnungen ausgegangen wird. Ebenso wie beim gedrehten Laminat können auch die durch gedrehte Stringer erzeugten Biegetorsionskopplungen dargestellt werden. Für die Auslegung von Metallflügeln wird in FAME-W als Versagenskriterium die Gestaltänderungsenergiehypothese verwendet. Für die Berechnung von Faserverbundflügel wird ein Versagenskriterium hergeleitet das auf der Forderung der Reparierbarkeit beruht. Der hier verfolgte Ansatz stützt sich auf die Berechnung der anisotropen Kerbfaktoren der offenen Bohrung und der nachgeschalteten Berechnung der Reservefaktoren mit Hilfe der ZTL-Hypothese. Dies führt zu einer Abhängigkeit zwischen zulässigen Längs- und Schubspannungen die leicht mit Hilfe einer Versagensellipse beschrieben werden kann. Mit dem anisotropen Balkenmodell und dem erweiterten Versagenskriterium kann das multidisziplinäre Flügelgewichtsprognosetool FAME-W für Faserverbundrechnungen eingesetzt werden. Das in FAME-W umgesetzte analytische Berechnungsverfahren erlaubt es physikalische Effekte zu trennen und zu bewerten. Um dies zu tun werden auf Basis mehrerer realistischer Beispielflugzeuge, die einen großen MTOW-Bereich abdecken, Rechnungen durchgeführt. Es wird in einem allgemeinen Überblick gezeigt wie sich Flugzeuggröße, Flügelsteifigkeit und Materialdichte auf Lasten und Gewicht auswirken. Verschiedene orthotrope Materialbelegungen des Flügels werden in starren und flexiblen Rechnungen untersucht. Es zeigt sich, dass nur in der flexiblen Rechnung ein Gewichtsminimum für eine Laminatfamilie zu finden ist. Ein weiteres Kapitel beschäftigt sich mit den Auswirkungen der Biegetorsionskopplungen anisotroper Flügel auf Gewicht und Lasten. Es lässt sich zeigen wie die einzelnen Laminatmodifikationen das Verformungsverhalten beeinflussen. In Kombination mit der Abhängigkeit der zulässigen Spannungen von der Materialwahl lassen sich ebenfalls Massenminima identifizieren. Als eine Kombination aus isotropen und orthotropen Flügel wird der Hybridflügel betrachtet. Hier wird an einen Metallflügel der Aussenflügel in Faserverbund ausgeführt. An diesem Beispiel kann gut gezeigt wie sich die unterschiedlichen Steifigkeiten und Materialdichtenauf Lasten und Gewicht auswirken. Abschließend werden zwei Wege gezeigt wie ein Flügel mit Biege-Torsionskopplung ausgelegt werden kann. Der erste Ansatz zeigt wie mit einem aerodynamisch starren Flügel versucht werden kann, während des Reisefluges die aerodynamische Auftriebsverteilung möglichst nahe am Optimum halten. Der zweite Weg verfolgt die Idee, dass vor allem bei Kurzstreckenflugzeugen mit einer gering ausgeprägten Reiseflugphase der Flügel durch eine aerodynamisch weiche Auslegung leichter gebaut werden kann.