Optimierung Design und Test einer hoch verformbaren adaptiven Flügelvorderkante

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1 Optimierung Design und Test einer hoch verformbaren adaptiven Flügelvorderkante Anton Rudenko DLR Wissenschaftstag Oktober 2015 Braunschweig, Deutschland

2 DLR.de Chart 2 Gliederung Motivation und Herausforderungen für eine adaptive Vorderkante Effizienter moderner Hochauftrieb Lärmreduktion Spalt- und Stufenloser Klappendesign Strategie und Parameter der Optimierung Haut Verformungskinematik Experimentelle Untersuchungen und Validierung Krafteinleitungselemente Full-scale Demonstrator Ausblick

3 DLR.de Chart 3 Motivation und Herausforderungen für eine adaptive Vorderkante SFB880: Sonderforschungsbereich für die Entwicklung neuartiger Technologien für das Hochauftrieb Reichweite: 2000km Kapazität: 100 Pax STOL Fähigkeit (800m) Reduzierter Lärmpegel am Boden

4 DLR.de Chart 4 Motivation und Herausforderungen für eine adaptive Vorderkante Hochverformbare Flügelvorderkante für ein aktives Hochauftriebssystem mit Ausblasung Spalte: Lärm und Luftwiederstand spaltloses aktives Hochauftriebssystem Lärm- und Widerstandsquellen Hohes Potential für die Anwendung der Coanda-Klappe Reiseflug Hochauftrieb

5 DLR.de Chart 5 Strategie und Parameter der Optimierung Parameter der Hautoptimierung: Φ = α κ droop,soll κ droop,ist 2 + Krümmungsanteil Steifigkeit der Hautsegmente entlang des Hautumfanges Variation der Dicke und des Layups Lage der Krafteinleitungselemente Betrag und Richtung der Aktuatorkräfte θ max Δ shape,droop + β max Δ shape,cruise + γ ε 0,5 α, θ, β, γ Optimierung der Haut und der Krafteinleitungselemente Verformungsanteil, Hochauftrieb Verformungsanteil, Reiseflug Wichtungsparameter Aufbau der Fertigungsunterlagen Optimierung der Kinematik

6 DLR.de Chart 6 Full-Scale morphing droop nose demonstrator

7 Dickenparameter Skin thickness in mm Dickenparameter Skin thickness in mm DLR.de Chart 7 Strategie und Parameter der Optimierung Stacklänge min. Stacklänge: 20mm min. Stacklänge: 7mm Perimeter in % Hautumfang Perimeter in % Hautumfang

8 z in m Krümmung 1/m Krümmung in 1/m z in m Krümmung 1/m Krümmung in 1/m DLR.de Chart 8 Strategie und Parameter der Optimierung Stacklänge min. Stacklänge: 20mm min. Stacklänge: 7mm , max, aussen = %,, min, innen = % Reiseflug FE ohne Aerod.-Last FE mit Aerod.-Last Vorgabe 10 5 ist soll , max, aussen = %,, min, innen = % Reiseflug FE ohne Aerod.-Last FE mit Aerod.-Last Vorgabe 10 5 ist soll x in m Umfangslänge in % Hautumfang [%] x in m Umfangslänge in % Hautumfang [%]

9 DLR.de Chart 9 Strategie und Parameter der Optimierung Hybride Design für hochanisotrope Häute Kombination eines GFK-Laminates mit C/GFK Versteifungselementen in einer Polymermatrix Source: Andre Schmitz, IFL, TU-Braunschweig

10 DLR.de Chart 10

11 DLR.de Chart 11 Experimentelle Untersuchungen und Validierung Experimentelle und numerische Untersuchungen der Krafteinleitungselemente Integration der dichtvernetzten solid Modelle in die Optimierungsumgebung Eine probe mit 30 DMS in gekrümmten Flächen für die Modellvalidierung Festigkeitsuntersuchung der Krafteinleitungen mit repräsentativen Lasten und diversen Versagenskriterien

12 [N] DLR.de Chart 12 Experimentelle Untersuchungen und Validierung Festigkeit der Krafteinleitungselemente unter realistischen Belastungen 5000 Kraft - Weg Messung (Druck, 15 Krafteinleitung) [m] Breaking load under 20 force application Druck-Biegetest einer Doppel-L Konfiguration unter 20 Lasteinleitung 4 Fx [N] Fy [N] Fz [N] F_res [N] Angl[ ] KAP1 33, ,020 5, ,150 7,226 KAP2 111, ,300 1, ,329 13,390 KAP3 130, ,800 1, ,567 24,815 KAP4 41,200 89,030 1,000 98,101 24,

13 DLR.de Chart 13 Experimentelle Untersuchungen und Validierung Dehnungsmessung im GFK-Laminat während der Aktuierung Vergleich der Messergebnisse mit den FE-Rechnungen und Validierung der Prozesskette Optische Messung der Hautkrümmung Vergleich mit der aerodynamisch definierter Zielkontur

14 eps in [%] DLR.de Chart 14 Experimentelle Untersuchungen und Validierung DMS1 DMS2 DMS3 DMS4 DMS13 DMS6 DMS7 DMS8 DMS9 DMS10 DMS11 DMS12 DMS16 DMS14 DMS15 Skin Strain Maximale Dehnung, gerechnet im rahmen der Optimierungsroutine (1,4% in der äußeren GFK Lage) -1.5 maximal strain

15 DLR.de Chart 15 Ausblick Substitution der Drehgelenke durch Festkörpergelenke Verringerung der Systemkomplexität Gewichtsreduktion Mitbetrachtung der Aktuatorenergiebedarfs Anpassung der Optimierungsumgebung Fertigungskonzepte

16 DLR.de Chart 16 Ausblick Numerische und experimentelle Untersuchung der GFK Festkörpergelenke unter multiaxialer Belastung Joint length S Probe thickness D 4,25 4,5 4, oneside EPDM thickness: (D-T)/ Joint thickness T 0,25 0,5 0, x x x x x 10 x x x x x

17 DLR.de Chart 17 Ausblick Übergang zu einem 3D Flügelsegment

18 DLR.de Chart 18 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Source: DLR AS,

19 DLR.de Chart 19

20 DLR.de Chart 20 Bei C μ = : α stall : C l,max : - 0.4%