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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 3
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 4
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 5
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.
Leitprojekt CFK Rumpf NG 6
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 7
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 8
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
ergl
eich
s-pa
ram
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 9
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 10
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 [%
]
Leitprojekt CFK Rumpf NG 11
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
ram
eter
g [
%]
OR
UR
OL
UL
OR
UR
OL
UL
Leitprojekt CFK Rumpf NG 12
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.
Leitprojekt CFK Rumpf NG 13
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 14
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 15
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 16
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 17
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 18
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 19
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 20
Zusammenfassung
RumpfbauweisenVersteifungselemente
in (Quer-) und Längsrichtung Türumgebungsstrukturen
Leitprojekt CFK Rumpf NG 21
Forschungsteam
Experten Bauweisen und Hybridlaminate Dr. Boris Kolesnikov
[email protected] Dr. Axel Fink [email protected]
Schwerpunktleiter Rumpf Tobias Ströhlein
Abteilungsleiter Funktionsleichtbau Dr. Christian Hühne