Bauweisen & Methoden für ein CFK angepasstes Leichtbau Design

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1 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 Rumpfbauweisen Versteifungselemente in Längsrichtung Türumgebungsstrukturen Leitprojekt CFK Rumpf NG 2

3 Türumgebungsstrukturen Hochbelastete Struktur Stabilisierung Ausschnitt Aufnahme Türlasten Crashsicherheit Längsträger - Longitudinal Beam 1/3 der Rumpfkosten entfallen auf Ausschnitte Intercostals Ziele CFK-gerechtes Design Kostengünstige Fertigung Geringer Montageaufwand Einfache Wartung Hauptspante Doorframes Nebenspante Secondary Frames Schwelle Sill Leitprojekt CFK Rumpf NG 3

4 Einleitung: Forschungslandschaft CFK TürrahmenT rrahmen CRUVA CFK Rumpf NG Projekt Förderung CFK Rumpf NG Nachfolge? DLR ALASCA? EU 7 2 AZUR (DLR FA-AP) LUFO TOP-Design LUFO CFK Rumpf NG: AP CutOuts DLR MAAXIMUS PAX: AP DSS EU 7 CRUVA DSS AI-Direkt Hybrid Türrahmendemonstr. CTC 22 ADO Phase 2 ADO ALCAS-Fuselage EU ADO / Tyfudem Hybridtürrahmen rrahmen Leitprojekt CFK Rumpf NG 4

5 Vorstellung der untersuchten Konzepte Konzept 1: Lokales Fachwerk Schubweiches Stringer-Spant Gerüst wird über Diagonalstreben verstärkt, mit dem Ziel die Schubbelastung der Haut zu reduzieren. Konzept 2: Tür-Türrahmenkopplung Tür wird über Diagonalstreben direkt mit dem Rahmen gekoppelt, damit die Querkräfte nicht um den Rahmen herum, sondern auf kürzesten Weg übertragen werden. Konzept 3: Metalllaminat Einzelne 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 5

6 Vorgehen zum Bewerten der Konzepte 1. Geometriedefinition & ermitteln realistischer Schnittlasten für relevanten Bereich Referenzgeometrie: D~ 4m, ähnlich A320, Type 1 Tür Vereinfachte Modelle: ebene Abwicklung mit 3D Lasten Belastungen: Innendruck + Querkraft Q z Material: Haut (10/80/10) Stringer: (70/30/0), Spantgurte: (70/30/10), -stege (10/80/10) 2. Vereinfachte FE-Modelle erstellen und überprüfen Referenz K 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 Untersuchungsbereiche festlegen OL OL UL UL l 1 l 2 OR UR UR a) Spannungen in kritischen Knoten OL oben links UL unten links OR oben rechts UR unten rechts l 1 Diagonale OL/UR l 2 Diagonale OR/UL l 1 l 2 l 1` l 2` b) Diagonalverformung (Steifigkeitssteigerung) Leitprojekt CFK Rumpf NG 6

7 3. Bewertungskriterien festlegen Vergleichbarkeit der Spannungen und Verformungen bei verschiedenen Massen und verschiedenen Materialien erforderlich Einführung von Vergleichsparametern k: spezifischer Reservefaktor R k m mit R b g: spezifische normierte Länge L l ref g L m l mit R Reservefaktor m Masse b Schubfestigkeit der Paneelhaut Schubspannung in der Paneelhaut L normierte Länge l Diagonalverformung l ref Diagonalverformung am Referenztürausschnitt Je größer der Faktor k, desto Gewichtseffektiver ist das Konzept Je größer der Faktor g, desto höher ist der Steifigkeitsgewinn bezogen aufs Gewicht Leitprojekt CFK Rumpf NG 7

8 Auswertung: Konzept 1 / Lokales Fachwerk Referenz K 1.1 K 1.2 K 1.3 K 1.4 K 1.5 K1.6 K1.7 Änderung des Vergleichsparameters k [%] Änderung des Vergleichsparameters g [%] OL UL OR UR 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 Leitprojekt CFK Rumpf NG 8

9 Auswertung: Konzept 2 / Tür-Türrahmenkopplung Fazit Konzept 2.1 und 2.3 Änderung Parameter k [%] Änderung Parameter g [%] OL UL OR UR K 2.1 K 2.2 K 2.3 K 2.4 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 K 2.1 K 2.2 K 2.3 K 2.4 Leitprojekt CFK Rumpf NG 9

10 Auswertung: Konzept 3 / Metalllaminat Fazit Konzept 3.1, 3.3 und Gewicht ~konstant (k ) Änderung Parameters k [%] OL UL OR UR Steifigkeitssteigerung (g ) Konzept 3.2 hohe Gewichtsreduktion (k ) Spez. Steifigkeit teils besser (g ) Änderung Parameter g [%] K 3.1 K 3.2 K 3.3 K 3.4 K3.2 wird weiter untersucht -30 K 3.1 K 3.2 K 3.3 K 3.4 Leitprojekt CFK Rumpf NG 10

11 K 1.7 K 2.2 K 2.4 K 3.2 K 1.7 K 2.2 K 2.4 K 3.2 Gegenüberstellung der ausgewählten Konzepte Änderungen Parameter k [%] Änderungen Parameter g [%] OL UL OR UR Fazit Konzept 1.7 Geringstes Verbesserungspotenzial im direkten Vergleich Konzept 2.2 Höchste Verbesserung der Diagonalversteifung, allerdings teils auch höhere Last bzw. mehr Gewicht Konzept 2.4 Ungleichmäßige Auslastung bei gewählten Startparametern weitere Optimierung erforderlich Konzept 3.2 homogene Gewichts- und Aufdickungsreduktion bei konstanter Steifigkeit Leitprojekt CFK Rumpf NG 11

12 Zusammenfassung Konzept 1: Lokales Fachwerk Konzept wäre relativ einfach umsetzbar. Insgesamt ergeben sich nur geringe Verbesserungen. Konzept 2: Tür-Türrahmenkopplung Schubspannungen können im kritischen Bereich reduziert werden. Deformation kann erwartungsgemäß stark reduziert werden. Die Zulassbarkeit ist jedoch komplex. Konzept 3: Metalllaminat Schubspannungen können bei gleichem Gewicht stark reduziert werden. Die Steifigkeit bzw. Deformation ist unverändert. Aufdickungen können Materialbedingt stark reduziert werden. Leitprojekt CFK Rumpf NG 12

13 Ausblick / Forschungsbedarf Optimierung der vorgestellten Konzepte + Erhöhung der Genauigkeit zur Gewichtsabschätzung Kombination 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 Topologieoptimierung Lastpfade Numerisches Modell Leitprojekt CFK Rumpf NG 13

14 Ausblick / Forschungsbedarf Große Ausschnitte in Anisogrid Entwicklung eines analytischen Bewertungsschemas Ableiten von technischen Lösungen für große Ausschnitte, z. B. Türen Ausnutzen von gezielter Lastumleitung im Netz Alternative Lasteinleitung in Tür an diskreten Punkten Netz schließen Fertigungsgerechte Bauweise für die Ausschnitte Idee: Anisogrid DSS Leitprojekt CFK Rumpf NG 14

15 Projekt ALF Untersuchung der Anisogrid-Bauweise hinsichtlich Seriengeeignete Fertigungsverfahren Bauweise für Fußbodenlasteinleitung und analytische Vorauslegung Analyse der Herstellungskosten Kostenvergleich Anisogrid-Konzepte 14 0 % 12 0 % 10 0 % 80% 60% Spante Skin Grid 40% 20% 0% Anisogrid - AFP-AFP Anisogrid - AFP-Winding Anisogrid - AFP-AddM at-winding Leitprojekt CFK Rumpf NG 15

16 Projekt ALF Fertigung und Bauweise, Fokus auf: Haut-Netz-Koppelung Knotenbildung im Netz Negativ- oder Positivwerkzeug Einbringung von Spanten zwecks Lasteinleitung Kostenanalyse mit DLR-FA Tool Identifizierung von Kostentreibern Leitprojekt CFK Rumpf NG 16

17 Projekt ALaSCA Ausblick Dez Nov Europäische Partner und 6 Russische Partner These: Ist eine Anisogrid-Bauweise, welche erfolgreich im Raketenbau eingesetzt wird, sinnvoll für einen Flugzeugrumpf aus CFK? Vorgehensweise Untersuchung der Flugzeuggesamtkonfiguration Ziel: möglichst lange, ungestörte Rumpfstruktur Erarbeiten eines globalen Anisogrid-Rumpfkonzeptes, welches am besten die aktuellen Anforderungen an eine Rumpfstruktur erfüllt Erarbeiten von lokalen Strukturlösungen auf Element-Ebene Ziel Vergleichbares Anisogrid-Flugzeugrumpf- Konzept zu aktuellen Semi-Monocoque- Bauweisen Leitprojekt CFK Rumpf NG 17

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: Vorauslegung Fertigungsstrategien Entwicklung von Verfahren zur Bauweisenbewertung Leitprojekt CFK Rumpf NG 18

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 T von Stabilitätsverhalten durch Fachwerk N T N Promotion Thomas Kruse T T Leitprojekt CFK Rumpf NG 19

20 Zusammenfassung Rumpfbauweisen Versteifungselemente in (Quer-) und Längsrichtung Türumgebungsstrukturen Leitprojekt CFK Rumpf NG 20

21 Forschungsteam Experten Bauweisen und Hybridlaminate Dr. Boris Kolesnikov Dr. Axel Fink Schwerpunktleiter Rumpf Tobias Ströhlein Abteilungsleiter Funktionsleichtbau Dr. Christian Hühne Leitprojekt CFK Rumpf NG 21