Leichtbau Seite 1. Basiswissen Luft- und Raumfahrttechnik

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1 Leichtbau Seite 1

2 Leichtbau Seite 2

3 Leichtbau Seite 3 Der Leichtbau läßt sich einteilen in: Zweck-Leichtbau: Um eine bestimmte Funktion zu erfüllen, muß die zu entwickelnde Struktur leicht sein, z.b.: Strukturen der Luft- und Raumfahrttechnik, Fahrzeugtechnik (Formel 1), Maschinenbau bei schnell bewegten Teilen Spar-Leichtbau: Kostengünstig (und damit leichter) bauen durch Materialeinsparung (im wesentlichen im Bauwesen. Öko-Leichtbau: Durch Leichtbauweise ökologische Resourcen (Rohstoffe, Energie) sparen, z.b.: Kraftfahrzeugbau, aber auch Flugzeugbau

4 Leichtbau Seite 4 Technische Einteilung des Leichtbaus: Stoffleichtbau: Durch Verwendung besonders leichter Werkstoffe bei der Konstruktion von Maschinen und Geräten wird Masse und damit Gewicht eingespart. Besonders leichte Werkstoffe: Aluminium, Magnesium, Kunststoffe (Faserverbundwerkstoffe), Holz Formleichtbau: Die Gewichtseinsparung erfolgt durch geschickte Anordnung des Materials innerhalb der Struktur (Material wird nur dort angeordnet, wo es gebraucht wird!). In der Praxis findet man stets eine Kombination beider Leichtbauarten, da nur dadurch wirklich optimal leichte Strukturen verwirklich werden können.

5 Typische Kennwerte von im Leichtbau verwendeten Werkstoffen Leichtbau Seite 5 Werkstoff E kn/mm² σ Bruch N/mm² α th /K ρ kg/dm³ Stahl ,0 7,8 Al-Legierungen ,0 2,7 Titan ,6 4,5 GFK-UD 60 Vol% (E-Glas) ,3 2,03 AFK-UD 60 Vol% (Kevlar 49) / (-200) ,34 CFK-HT-UD 60 Vol% (T300) ,2 1,54 CFK-HS-UD 60 Vol% (T800) ,7 1,54 CFK-HM-UD 60 Vol% (M40) ,1 1,57 CFK-UHM-UD 60 Vol% (75S) ,2 1,57 CFK-UHM-UD 60 Vol% (K13) 480 1,57 Holz ,2-0,9

6 Werkstoffkennwerte: Leichtbau Seite 6 E: Elastizitätsmodul, Maß für den Widerstand gegen Verformung (Welche Kraft muß aufgebracht werden, damit ein Stab der Länge 1 m mit dem Querschnitt 1000 mm² um 1 mm gedehnt wird?), σ Bruch : α th : Zugfestigkeit (bei welcher Kraft reißt ein Draht mit dem Querschnitt 1 mm²?), Temperaturausdehnungskoeffizient, (um welchen Betrag ändert sich die Länge eines Stabes der Länge 1 mm bei einer Temperaturerhöhung von 1 K?) ρ: Dichte (wie groß ist die Masse eines Würfels der Kantenlänge 10 cm?)

7 Kräfte am Flugzeug: Leichtbau Seite 7 Luftkräfte (Auf- bzw.- Abtrieb) Eigengewicht + Nutzlast

8 Kräfte am Flugzeug: Leichtbau Seite 8 resultierender Auftrieb (368 to * 2.5 / 2 = 460 to) 10 m 7 m 1.5 m Eigengewicht + Nutzlast (368 to * 2.5 = 920 to) A : Spannweite: 63 m max. Gewicht: 368 to davon Treibstoff: 200 to Nutzlast: 57 to Leergewicht: 111 to

9 Airbus im Flug: Leichtbau Seite 9

10 Kräfte am Flugzeug: Leichtbau Seite 10 resultierender Auftrieb (368 to * 2.5 / 2 = 460 to) 7 m 2150 to 1.5 m 2150 to entspricht 4.5 kompletten ICE 3 Zügen mit je 8 Wagen oder 860 7er BMW

11 Leichtbau Seite 11 Strukturmasse des inneren Flügels (6 m Flügelmittelteil + 2 x 7 m Innenflügel) z.b.: Rechteckvollquerschnitt: (Breite b, Höhe h = 1500 mm) 1. Baustahl (σ Bruch = 400 N/mm²): b erf = 215 mm --> m = 2,5 to/m, 20 m Flügelstruktur: m = 50 to. 2. Hochfester Stahl (σ Bruch = 1200 N/mm²): b erf = 72 mm --> m = 0.83 to/m, 20 m Flügelstruktur: m = 17 to. 3. Aluminium (σ Bruch = 400 N/mm²): b erf = 215 mm --> m = 0.87 to/m, 20 m Flügelstruktur: m = 17.5 to. 4. Holz (σ Bruch = 150 N/mm²): b erf = 462 mm --> m = 0.6 to/m, 20 m Flügelstruktur: m = 12 to.

12 200,0 Leichtbau Seite 12 Leichtbaukennwerte typischer FVW-Laminate und Metalle HS 150,0 Spezifische Festigkeit in km 100,0 50,0 0,0-50,0 Aramid (29) S-Glas R-Glas E-Glas St, Ti, Al, Mg Aramid (49) HT SiC Al2O3 Borfaser HM Beryllium UHM -100,0-150,0 Metalle Glasfasern Aramidfasern Kohlefasern sonstige Fasern, UD -200,0 0, , , , , , ,0 Spezifische Steifigkeit in km

13 Biegeträger Leichtbau Seite 13 Biegemoment Querkraft Zugbeanspruchung Druckbeanspruchung Biegeverformung Schubverformung

14 Formleichtbau Leichtbau Seite 14 Zugkräfte oder Druckkräfte Biegemoment Biegebeanspruchung Biegegurte zur Aufnahme der Längskräfte (Biegemomente ) Schubsteg zur Aufnahme der Querkräfte (bei geschlossenen Profilen auch Torsionsmomente )

15 Strukturmasse des inneren Flügels (6 m Flügelmittelteil + 2 x 7 m Innenflügel) Leichtbauträger: Breite b = 3000, Höhe h = 1500 mm. Werkstoff Aluminium: σ Bruch = 400 N/mm² Leichtbau Seite mm t Steg t t Gurt Gurt 3000 mm Biegegurte: t Gurt = 18 mm --> m = 0.29 to/m, 20 m Flügelstruktur: m = 5.8 to. Schubsteg: t Steg = 13 mm --> m = 0.05 to/m, 20 m Flügelstruktur: m = 1.1 to. Gesamt: 20 m Flügelstruktur: m = 6.9 to.

16 Leichtbau Seite 16 Prinzipien des Leichtbaus: Material nur dort vorsehen, wo es wirklich gebraucht wird, Dünnwandige Strukturen verwenden, Material sollte gleichmäßig beansprucht werden (Biegebeanspruchung vermeiden, möglichst nur Zugoder Druckbeanspruchung), Elemente zur Aussteifung und zum Formerhalt (Spante, Rippen, Stringer) vorsehen, Instabilitäten (Knicken, Beulen, Kippen,...) vermeiden bzw. durch geeignete Maßnahmen verhindern.

17 Tragender Flügelkasten: Leichtbau Seite 17

18 Tragender Flügelkasten: Leichtbau Seite 18

19 Tragender Flügelkasten: Leichtbau Seite 19

20 Universität der Bundeswehr München Flügelbeplankung: Leichtbau Seite 20

21 Universität der Bundeswehr München Flügelbeplankung: Leichtbau Seite 21

22 Universität der Bundeswehr München Aufbau Höhenleitwerk: Leichtbau Seite 22

23 Längsversteifungsprofile 1 (Stringer): Leichtbau Seite 23

24 Längsversteifungsprofile 2 (Stringer): Leichtbau Seite 24

25 Beplankung des CFK-Seitenleitwerkes A310: Leichtbau Seite 25

26 Flugzeugrumpf: Leichtbau Seite 26

27 Rumpf: Leichtbau Seite 27 Spant Fensterrahmen Stringer Fußbodenträger Fußbodenstütze Beplankung

28 Rumpf des Airbus A300: Leichtbau Seite 28 Rumpfschale Airbus A380:

29 Aufbau einer Rumpfschale: Leichtbau Seite 29

30 Rumpf des Airbus A300: Leichtbau Seite 30

31 Universität der Bundeswehr München Leichtbau Rumpf eines Geschäftsreiseflugzeuges: Seite 31

32 Flügel-Rumpfanschluß des Airbus A300: Leichtbau Seite 32

33 A380 Flügelmittelkasten aus CFK Leichtbau Seite 33 Front and rear upper panels TYPICAL SECTION Upper beam Front spar Centre spar Struts Rear spar Lower rib flange Front and rear lower panels

34 A380 Flügelmittelkasten aus CFK Leichtbau Seite 34 UPPER PANEL : HR FRONT SPAR : IM Strut : HR RTM CENTER SPAR : IM REAR SPAR HR LOWER PANEL : IM HR : tapes 268g/m² T700GC/M21 or HTS/977-2 IM : tapes 268g/m² T800S/M21 or IMS/977-2

35 A380 Flügelmittelkasten aus CFK Leichtbau Seite 35

36 A380 Flügelmittelkasten aus CFK Leichtbau Seite 36

37 A380 Flügelmittelkasten aus CFK Leichtbau Seite 37

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