Thema: Strukturberechnung für Elemente der Kabinenausstattung von Flugzeugen

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1 Thema: Strukturberechnung für Elemente der Kabinenausstattung von Flugzeugen Lavatory Modul page 1

2 k2 E+C GmbH engineering consulting Managing Directors: Dipl.-Ing. Christian Kirchner Dipl.-Ing. Ulf Karnath Tel. +49 (0) Engineering consultant for - Structural-mechanical analysis - Finite element analysis - Certification support Wind 20 years Aircraft 20 years Mechanical 20 years Oil/Gas 10 years Ship 10 years

3 Motivation I Extreme Belastungen für das Cabin Interior Equipment Abgedeckt durch die statische Ersatzlasten CS25 EASA European Aviation Safety Agency FAR25 Federal Aviation Regulations page 3

4 Motivation II Sustained Engine Imbalance SEI Windmilling Ermüdungslasten Vibrationen im gesamten Rumpf 0 20Hz 0 2g page 4

5 Blick in die Kabine page 5

6 Lavatory Modul Vielen Dank an Diehl Comfort Modules GmbH für die Bereitstellung der Bilder page 6

7 CAD Modell Lavatory page 7

8 Tragende Struktur Bauweise: Sandwichplatten aus GFK mit Wabenkern Interface zum Flugzeug: 4x lower Attachments 1x upper Attachment Masse Gesamtmodul ca. 220kg Masse tragende Struktur ca. 70kg 9g fwd: 1980kg / 70kg = 28 page 8

9 FE Modell Mittelflächenmodell Shell181 Sandwich als section definition Equipment der Lavatory als Massenpunkte (>1kg) mit Berücksichtigung der Einzelschwerpunkte Sandwichplatte: GFK mit t=0.3 0,5mm Wabenkern t=10 25mm mit Dichten von kg/m³ lokale Verstärkungen durch Ersatz des Wabenkerns und/oder Verstärkung der Deckschichten Einsatz von CFK und hochfestem Stahl page 9

10 Statisch, lineare Analyse Darstellung der Verformung aus dem Lastfall 9gfwd Lastfälle 9g fwd (foreward) 1.5g rwd (rearward) +/- 3g sdw (sideward) 8g down (downward) 4g up (upward) Bestimmung der Interfaceloads Verformungen Spannungen Verbindungskräfte Darstellung der Spannung aus dem Lastfall 9gfwd Aufstellung der statischen Festigkeitsnachweise page 10

11 Windmilling Analyse Anregungsspektrum Die Spektren sind abhängig vom Flugzeugtyp vom Triebwerkstyp von der Position im Flugzeug Lastwechselzahlen Flugphase Dauer max Frequenz N [s] Hz [-] initial descent and cruise transient phase <5 10 <50 final descent approach and landing 600 5, page 11

12 SEI Windmilling Prozess FEM Modell oder oder Eigenformen berechnen analytisch FEM relevante Eigenformen Harmonic Response Analysis identifizieren für jeweils 1g Anregung in x, y, z Richtung dyn. Vergrößerungsfaktor Interfaceloads für Windmilling durch Skalierung bestimmen Interfaceloads für Windmilling durch Multiplation mit Anregungsspektrum bestimmen Maximalwerte filtern Maximalwerte filtern Schädigung ermitteln vereinfachter Nachweis nicht erfüllt!!! Detailmodell und Berechnung nach Palmgren Miner page 12

13 Eigenformen 8,63 Hz 20,66 Hz 36,11 Hz rel. Dämpfung dyn Faktor 0, ,04 12,5 page 13

14 Harmonic response analysis Participation Factor Calculation Y Direction RATIO EFF.MASS MODE FREQUENCY TO TOTAL MASS 1 8,63 82,11% 2 9,62 0,01% 3 9,72 0,02% 4 10,20 0,01% 5 10,21 0,01% 6 10,88 0,00% 7 12,08 0,04% 8 17,88 0,03% 9 20,66 3,69% 10 24,89 0,04% 11 25,52 0,99% 12 25,98 0,73% 13 26,19 0,34% 14 26,96 0,11% 15 34,91 0,03% 16 35,17 0,01% 17 36,11 3,62% 18 36,50 0,06% 19 36,56 0,95% 38 55,50 0,23% 39 55,89 0,01% 40 56,55 0,00% 41 58,42 0,01% 42 59,02 0,02% sum 94,94% sum of marked modes 89,42% Anregung in y Richtung - statische Traglast 9g fwd 3g swd 8,63 Hz Erregerfrequenz 8,63 Hz Eigenfrequenz 1,8 g Anregung 25 dyn Faktor 45 g statische Vergleichslast 7,8 Hz Erregerfrequenz 8,63 Hz Eigenfrequenz 1,2 g Anregung 5,3 dyn Faktor 6,36 g statische Vergleichslast 14 Hz Erregerfrequenz 20,66 Hz Eigenfrequenz 0,4 g Anregung 1,8 dyn Faktor 0,72 g statische Vergleichslast page 14

15 Weitere Betrachtungen Die Details werden per FE simuliert Vollständiges Modul auf dem 6 Achsen-Shaker Verwendung von hochfestem Stahl s 0,2 = 1000 N/mm² page 15

16 Zusammenfassung Cabin Interior werden dimensioniert gegen statische Extremlasten und Betriebslasten in Form von sinusförmiger Fußpunktanregung Die Betriebslasten können maßgebend sein als Maximallast bei ungünstiger Resonanzlage als Ermüdungslast Im Einzelfall werden detaillierte nichtlineare FE Analysen oder full scale test auf dyn-6-achsen Schwingtisch durchgeführt page 16