DLR Center of Excellence Composite Structures
Ein neues Designkonzept für einen CFK-FlugzeugrumpfWerkstoffkolloquium 2006 – Wettbewerb der Werkstoffe
Dr.-Ing. L. Herbeck
Dipl.-Ing. C. Kindervater Institut für Bauweisen und Konstruktionsforschung
Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
DLR Center of Excellence Composite Structures
Inhalt
1. DLR Center of Excellence “Composite Structures”
2. Faserverbundwerkstoffe im Flugzeugbau
3. Design Konzepte für einen CFK-Rumpf
4. AIRBUS DLR Leitkonzept CFK Rumpf Next Generation
DLR Center of Excellence Composite Structures
DLR Center of Excellence „Composite Structures“
OE Faserverbundtechnologie (Dr. L. Herbeck)
Duromere Faserverbundwerkstoffe, Konstruktionsprinzipien, Entwicklung von Leichtbaustrukturen und deren Fertigungstechnologien
OE Strukturmechanik (Dr. J. Teßmer)
Numerische und experimentelle Analyse von aktiven und passiven Leichtbaustrukturen
Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
OE Rechnergestützte Bauteilgestaltung (Dr. W. Dudenhausen)
Konstruktion, Herstellung und Fertigungsautomatisierung von überwiegend faserverstärkten Thermoplasten und Hybridstrukturen
OE Strukturelle Integrität (C. Kindervater)
Crash und High Velocity Impact Simulation und TestSicherheit für die Insassen
Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung
DLR Center of Excellence Composite Structures
Prozesskette der Faserverbundstrukturenentwicklung
Anwendungsnähe
Werkstoff-entwicklung
Materialauswahl
Grad der Konkretisierung
Entwurf Dimensionierung
Konstruktion
Fertigung, Demonstratoren,
Prototypen
Qualifikation
Montage,Betrieb, SHM,
Reparatur
Von der Idee bis zum Prototypen und darüber hinaus
DLR Center of Excellence Composite Structures
Programmatische Einordnung des LeitprojektsBrücke zwischen Grundlagenforschung und industrieller Anwendung
Quelle: Airbus Research and Technology
DLR CoE Composite Structures
CFK-Rumpf-NG
DLR Center of Excellence Composite Structures
Inhalt
1. DLR Center of Excellence “Composite Structures”
2. Faserverbundwerkstoffe im Flugzeugbau
3. Design Konzepte für einen CFK-Rumpf
4. AIRBUS DLR Leitkonzept CFK Rumpf Next Generation
DLR Center of Excellence Composite Structures
mechanische BelastbarkeitKorrosions- und
Chemikalienbeständigkeit
hohe Steifigkeit und Festigkeit bei geringer Dichte
bauteilspezifischeAusrichtung der Fasern
Leichtbaupotential
FaserverbundwerkstoffeEin Material mit herausragenden Eigenschaften
Funktionspotentiale(Kopplungseigenschaften,
Multifunktional)
DLR Center of Excellence Composite Structures
C-Fasern
Steifigkeit und Festigkeit von Fasern im Vergleich zu Metallen
CNT
ECNT > 640 GPa cm3/g
σCNT > 37 GPa cm3/g
Glasfaser
Aramidfaser
HT
HST
IM
HM
StahlAluminium
Kunststoffe0
1
2
3
4
0 100 200 300Spez. E-Modul [GPa*cm³/g]
Sp
ez.
Zu
gfe
sti
gkeit
[G
Pa*c
m³/
g]
DLR Center of Excellence Composite Structures
Steifigkeit und Festigkeit von Laminaten im Vergleich
C-Fasern
Glasfaser 50/40/10
Aramidfaser 50/40/10
HT 50/40/10
HST 50/40/10
IM 50/40/10
HM 50/40/10
StahlAluminium
Kunststoffe0
1
1
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0 50 100Spez. E-Modul [GPa*cm³/g]
Sp
ez.
Zu
gfe
sti
gkeit
[G
Pa*c
m³/
g]
In Dickenrichtung Festigkeit und Steifigkeit der Kunststoffe!
DLR Center of Excellence Composite Structures
CFK-Rumpf Entwurfsraum für Kosten und Gewicht
Heutige Metalle
Heutige Faserverbunde
Simple Flying Bus
EMIR
DLR
Kosten [%]10-10-20-30-40
Gewicht [%]
10
-10
-20
-30
Zukünftige Faserverbundtechnologien
Quelle Airbus
Neue Metalltechnologien
DLR Center of Excellence Composite Structures
Einsatz von Faserverbundwerkstoffen (Bsp. Flugzeugbau)
B737-300 B747-400A300 A310-200
A320 A340-300A340-600
MD80B757 B767 MD90
B777
B787
A380
A400M
A350 XWB
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
Jahr des Erstfluges
Fas
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Herausforderungen für die Faserverbundwerkstoffe
Dreidimensionale Belastungen (Impact)
Fertigungstechnologie
Elektrische Leitfähigkeit
Strukturauslegung, Materialqualifikation
Impacttolerante Harzsysteme, (NANO- Partikeln)
3 D Faserarchitektur
Von der Manufaktur zur Produktionstechnik
Elektrisch leitende Harzsysteme, (NANO- Partikeln)
Elektrisch leitende Fasern (Nickelbeschichtung)
Schnelle Berechnungsverfahren
Virtuelles Testen
DLR Center of Excellence Composite Structures
Inhalt
1. DLR Center of Excellence “Composite Structures”
2. Faserverbundwerkstoffe im Flugzeugbau
3. Design Konzepte für einen CFK-Rumpf
4. AIRBUS DLR Leitkonzept CFK Rumpf Next Generation
DLR Center of Excellence Composite Structures
Reference Structure “Standard Body” Fuselage
Today’s Fuselage Metal Design :
Riveted Stringer/Frame Design
Many Cut-outs (Mainly in the Lower Fuselage Area)
Nose Gear Bay, Landing Gear Well
Complete Pressurized Fuselage Structure
A 1:1 Substitution of this Metal-Design for a CFRP-Fuselage won’t lead to the Demanded Targets.
DLR Center of Excellence Composite Structures
Philosophy for a CFRP-Fuselage
A Fuselage is not only a Structure but a Complete System
Concepts for the integration of function elements of the interior /system
Use of the Specific Advantages of Advanced Composites
Conceptional Degrees of Freedom (Stacking of Layers, …)
Excellent Structural Mechanical Behaviour (Fatigue, Crash, ...)
Consideration of CFRP-Material Characteristics is necessary
Anisotropic Material Behaviour
Sensitivity to Impacts and Notches
Material and Structure is manufactured in one step
With all Disciplines new Design Concepts have to be developed
Material Research, Design, Analysis, Manufacturing
DLR Center of Excellence Composite Structures
Global Design Concept: Gondola Concept
Separation of the Functions of upper and lower Fuselage Area:
Secondary StructureCargo Compartment +
Crash Structure
Primary StructurePassenger Area
Suspension of theCargo Plattform Cargo Plattform
Floor Panel and Seat rails(stressed)
Side Shells
Primary Structure /The Passenger Area Highly Integrated Structure contains a stressed Floor Panel and two circular side panels
Cargo Compartment / Crash Structure:Structure contains a Cargo platform and is fastened to the Primary Structure
p
p
DLR Center of Excellence Composite Structures
Local Design Concepts: Shells
Frame
Stringer
Detektor-Skin
Stressed Skin
Advantages/Potential:
• No intersection of stringers and frames
• Continuous fastening of stingers and frames
• Foam Core supports the Stingers regarding buckling
• Outer skin is used as a Detection Skin – Reduce Maintenance Efforts
• Multifunctional Elements: Foam Core and Detection Skin is used for heat insulation and noise absorption
• Integral Design - Foam Core is used as a Tooling Aid
Open Questions:
• Additional Mass because of the Foam Core?
• More Complex Manufacturing than Monolithic Structure?
• Moisture Absorption of the Foam Core?
• Inspection Aspect?
impact
DLR Center of Excellence Composite Structures
upper panel design:
- integrated stringers - integrated frames- CFRP/Titanium-Interface
floor panel design:
- integrated stringers - bonded frames with corrugated stiffeners
manufactured by:Institute of Composite Structuresand Adaptive Systemsin SLI Technology
manufactured by:Institute of Structures and DesignIn VARI Technology
Manufacturing Concept: Structural Base Line
DLR Center of Excellence Composite Structures
Demonstrator
CFRP-Fuselage Demonstrator Section 16/17 (Frame 47/48)
DLR Center of Excellence Composite Structures
Design and Manufacturing of the Demonstrator
DLR Center of Excellence Composite Structures
„Gondola“ design for Cargo load - Crash - Impact - Fire
crashbulkheads
Protectiveshell:Impact&fire
Support of conceptdevelopment by crash
simulation
Cargofloor
DLR Center of Excellence Composite Structures
• Impact/FOD and fire resistant outer shell (e.g. hail, runway, tyre and rim debris)
• Tension straps in the upper flange of the cargo floor bulkhead restricts/reduces flatening of the outer shell which would result in the generation of forces in the y-direction
• In total three „plastic“ hinges between EA strut and cargo floor absorb energy and reduce forces in y-direction of the EA
• The EA strut transfers cargo loads to the upper shells and absorbs energy at the bottom part in the case of a crash
Energy Absorber
Tension Strap in Cargo-Floor
PlasticHinges
Impact Resistant Outer Shell
Design of Gondola structure
DLR Center of Excellence Composite Structures
Crashtest and numerical simulation
Evaluation of Crash bulkhead
Crashtests in drop tower
• Drop weight mass: 200 kg
• Impact velocity: 8 m/s
Comparisontest and simulation
• About 7500 Finite Elements
• Boundary cond. Equivalent to test
• Special interfaces for bulkhead failure
DLR Center of Excellence Composite Structures
Summary Saving Potential: Costs & Weight
New design Concept when using LRI :The following saving potentials with respect to costs and weight were identified:
Integration of Functions of the Interior into the Structure
Foam Core and Detection Skin is used for heat insulation and noise absorption
Integration of the Floor and the Seat Tracks into the stressed Structure
Use of Composite Material in the Area of undisturbed Load-Bearing Structures
Non-Load-Bearing Cargo Doors and Fairing Panels in the Area of the Secondary
Structures / Cargo Compartment (Reduction of Reinforcements)
Reduction of (Bolted) Joints by a higher Degree of Integration
Use of Cost Effective Manufacturing Methods and Advanced dry Fibre Products
(Non Crimp Fabric, Braided Tubes, UD Fabrics)
Use of innovative Preform-Concepts (Tackifier, Foam Core)
DLR Center of Excellence Composite Structures
Inhalt
1. DLR Center of Excellence “Composite Structures”
2. Faserverbundwerkstoffe im Flugzeugbau
3. Design Konzepte für einen CFK-Rumpf
4. AIRBUS DLR Leitkonzept CFK Rumpf Next Generation
DLR Center of Excellence Composite Structures
AIRBUS DevelopmentComposite Fuselage Development Plan
AIRBUS
TANGO (5th FP)
FUBACOMP(5th FP)
EU - Framework Programmes
L(V) Rumpf?
8th FP
DLR ASTRA
D - LUFO II-IV
L(II)CFK-Rumpf
PRO-CFK
L(III) EMIR L(IV) RAPID
7th FP MAAXIMUS
LOKOST
ALCAS (6th FP)
NACRE (6th FP)
CFK-Rumpf Projekte
Schwarzer-Rumpf CFK-Rumpf NG
D - HGF/DLR
1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
DLR Center of Excellence Composite Structures
SektionGroße Ausschnitte Lange Schalen
Forschungszielbereiche des Leitprojektes
DLR Center of Excellence Composite Structures
Wissenschaftliche Ziele CFK Rumpf NG
1. Gewichtsreduktion um 15 - 20% durch: neue verbesserte Werkstoffe, intelligente Bauweisen ermöglicht durch SHM, optimierte Strukturen durch verbesserte Simulations- und Reparaturverfahren
2. Kostenreduktion um 40% durch: Großserientaugliche Fertigungsverfahren mit angepassten Werkstoffen, industrialisierte Produktionsmethoden für große Bauteile, der Nachweis erfolgt über Kostenanalyseverfahren
3. Sichere Zelle für sicheres Fliegen durch verbesserte Vulnerability, Crash und Impact optimierte, Durchbrand sichere, permanent überwachte (SHM) und exakt simulierbare Strukturen, Zerstörungsfreie Prüfverfahren erkennen jeden Fehler
4. Umweltfreundliches, komfortables Fliegen durch: Reduktion der Produktionsabfälle, den Einsatz nachwachsender Rohstoffe, Verbesserten Passagierkomfort (Leise, helle Kabine), der Nachweis erfolgt über Systemanalysen
DLR Center of Excellence Composite Structures
Übersicht der Projektinhalte 2007 - 2010
1. Neue Werkstoffe und Innovative Produktionsverfahren,Faserverbundgerechte Bauweisen
2. Virtuelles Testen, Schnelle Tools für das Design und Zerstörungsfreie Prüfverfahren (NDT),Strukturintegrität: Vulnerability (Crash, HVI,…)
3. Akustik und Structural Health Monitoring (SHM), Reparatur und Recycling für neue Bauweisen und sicheren Betrieb
Lange SchalenSektionGroße Ausschnitte
DLR Center of Excellence Composite Structures
Partner und Kompetenzen
DLR Institute und Einrichtungen
Faserverbundleichtbau und Adaptronik (FA)Industrialisierte Produktionsmethoden, SHM, Simulations- und Reparaturverfahren, Kostenanalyse, neue Werkstoffe
Bauweisen- und Konstruktionsforschung (BK)Crash/HVI Optimierung, „Design to Crash and HVI“, Simulationsverfahren für hochdynamische Belastung, Hybride Bauweisen mit polymeren Faserverbunden
Antriebstechnik (AT)Durchbrandsicherheit
Fachgruppe Lufttransport und Technologiebewertung (FLT)Technologiebewertung
DLR Center of Excellence Composite Structures
Die Luftfahrzeugstrukturen der Zukunft
sind nicht rein
Schwarz oder Silber
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Das Ergebnis des Wettbewerbs der Werkstoffe ist ein: