15.02.2011 von 09:00 Uhr 17:00 Uhr Rilano Hotel Hamburg Abschlussworkshop CFK-Rumpf NG Crash und High Velocity Impact (HVI) Dieter Kohlgrüber, Nathalie Toso Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung Leitprojekt CFK Rumpf NG
Motivation Minderung von Unfallfolgen bei Flugzeugunfällen (Crash / HVI) CFK Flügelvorderkante nach Vogelschlag mit 129 m/s (CRAHVI test) A320, US Airways, New York, 15.01.09 B737-800, Turkish Airlines, Amsterdam, 25.02.09 A340 Reifenschaden am CLG, 30.11.2000 Unterstützung bei der Zulassung neuer Flugzeugmuster Leitprojekt CFK Rumpf NG 2
Inhalt Aktuelle (zukünftige) Themenfelder im Bereich Crashforschung Materialmodellierung Komponententest Crashverhalten Standardsektion Erweiterte Sektionen Full Aircraft Crashsimulation Aktuelle (zukünftige) Themenfelder im Bereich HVI-Forschung Test / Modellierung von Impaktoren Composite Schadensmodelle HVI Komponententests / NDT Verfahren Simulation des Strukturverhaltens Zusammenfassung / Ausblick Leitprojekt CFK Rumpf NG 3
Übersicht Themenfelder im Bereich Crashforschung Themenfeld Composite Materialmodelle Crashbetrachtung Standard-Sektion Prozesskette Crashsimulation Erweiterung Simulationsmodelle Kopplung Insassensimulation Test Absorber-Strukturen Spantkomponenten (Plastic Hinge) Seitenschale Druck-Biegetests Crashbetrachtung für erweiterte Sektionen Hecksektion Hardpoints (Flügelkasten, Fahrwerkskasten) Ggf. Einfluss Türen/ Tore Gesamtflugzeug DRI-KRASH (Hybrid-Modelle) FE Modellierung Leitprojekt CFK Rumpf NG 4
Übersicht Themenfelder im Bereich Crashforschung Themenfeld Composite Materialmodelle Crashbetrachtung Standard-Sektion Prozesskette Crashsimulation Erweiterung Simulationsmodelle Kopplung Insassensimulation Test Absorber-Strukturen Spantkomponenten (Plastic Hinge) Seitenschale Druck-Biegetests Crashbetrachtung für erweiterte Sektionen Hecksektion Hardpoints (Flügelkasten, Fahrwerkskasten) Ggf. Einfluss Türen/ Tore Gesamtflugzeug DRI-KRASH (Hybrid-Modelle) FE Modellierung Vorgestellt bei Lenkungskreis am 08.07.2009 Leitprojekt CFK Rumpf NG 5
Übersicht Themenfelder im Bereich Crashforschung Themenfeld Composite Materialmodelle Crashbetrachtung Standard-Sektion Prozesskette Crashsimulation Erweiterung Simulationsmodelle Kopplung Insassensimulation Test Absorber-Strukturen Hybride Spantkomponenten (Plastic Hinge) Seitenschale Druck-Biegetests Crashbetrachtung für erweiterte Sektionen Hecksektion Hardpoints (Flügelkasten, Fahrwerkskasten) Ggf. Einfluss Türen/ Tore Gesamtflugzeug DRI-KRASH (Hybrid-Modelle) FE Modellierung Schwerpunkte des heutigen Vortrags Leitprojekt CFK Rumpf NG 6
Prozesskette / Integration in Entwurfsprozess Frühere (derzeitige?) Situation und Praxis zur Crash-Bewertung Die Arbeiten zum Crashnachweis starten nachdem ein erste Dimensionierung auf Basis der Luft- und Bodenlasten stattgefunden hat Die Crashanforderungen können in der Folge zu notwendigen Verstärkungen und dem Einbau spezifischer Energieabsorber in der weiteren Entwicklung des A/C führen Möglicherweise signifikante Erhöhung der Strukturmasse Verlängerung der Entwicklungszeit Kostensteigerung 1 2 Mögliche Schritte zur frühzeitigen Integration der Crashauslegung in den Flugzeug- Entwurfsprozess Automatisierung der zeit- und kostenintensiven Modellerstellung und Analyse Automatisierte, parametrisierte Prozesskette zur Crash-Bewertung Integration der Crash-Bewertung in den Vorentwurf neuer Flugzeuge als zusätzlicher Lastfall zusammen mit den Luft- und Bodenlastfällen Leitprojekt CFK Rumpf NG 7
Prozesskette / Integration in Entwurfsprozess Crash im Entwurfsprozess / Illustration des Schritt 1 (Automatisierung der Crash-Bewertung) Flight loads Ground loads Preliminary design Preliminary configuration and sizing Analytical methods, Simplified numerical methods Detailed design Generation of fine FE 1 section model Crash behaviour sufficient? yes no 1 Automatisierung der Crash-Bewertung Complex numerical methods Weight Cost Time Leitprojekt CFK Rumpf NG 8
Prozesskette / Integration in Entwurfsprozess Crash im Entwurfsprozess / Illustration des Schritt 2 (Integration in Vorentwurf) Flight loads Ground loads Crash loads 2 Preliminary design Preliminary configuration and sizing Analytical methods, simplified numerical methods, automated processes Detailed design Generation of fine FE section model Crash behaviour sufficient? yes no 2 Crashbetrachtung stärker integriert Complex numerical methods Weight Cost Time less critical Leitprojekt CFK Rumpf NG 9
Automatisierte Crash-Analyse (detaillierte Modelle) Parametrisierte Netzgenerierung / Berechnung: Detaillierte Modellierung unterschiedlichster Rumpfsektionen Geometrie und Strukturelemente sehr variabel Die Feinheit der Modelle kann leicht variiert werden Ankopplung an div. FE-Programme (PAM-CRASH, ABAQUS / Explicit, (LS-DYNA) Spezielle Bauformen für Frachtraumspant (ICU), PAX- Querträger können integriert werden Referenzknoten für Nietelemente können autom. generiert werden Integration von Hybrid II ARB Dummys in PAM-CRASH Prozesskette (beliebige Verteilung in Kabine) Beispiele für parametrisierte Sektionen Sitzmodul mit ARB Dummys Fußboden Spant Stringer Frachtbodenstruktur Leitprojekt CFK Rumpf NG 10
Detaillierte FE Crashsimulation (exempl. Ergebnis) Untersuchung eines generischen WB Flugzeugs (EU-ALCAS) t = 50ms t = 100ms t = 150ms Modellvariante mit starren Verbindungen (Nieten) CFK Versagen in der Rumpf-Mittelebene Zusätzliche Gelenke am unteren Strut / Spant Beschlag Kontinuierliches Einrollen des unteren Paneels Geeignet zur Analyse lokaler Effekte Erfordert validierte, vorhersagefähige Materialmodelle! Sehr rechenzeitintensiv! t = 150ms Leitprojekt CFK Rumpf NG 11
Derzeit laufende Erweiterungen der Prozesskette Erweiterung der Modellierungsmöglichen Überwindung der Einschränkung auf konstante Querschnitte Anbindung an standardisiertes DLR Parameterformat Geometriemodell Hecksektion (A320) Stringerverlauf in Hecksektion Erweiterung der Berechnungsoptionen Gleichzeitige Nutzung der Sektionsbeschreibung, -modelle für statische Analysen Verformungsanalyse mit PAM-Implicit Leitprojekt CFK Rumpf NG 12
Kinematische Modelle für Designvergleiche (Modellerzeugung) Grundgedanke: Generierung deutlich vereinfachter Modelle Grobes Netz mit elastischen Eigenschaften Energieabsorption wird durch Macro Elemente repräsentiert (Crashelemente, Plastische Gelenke) Datenübernahme aus Komponententests, z.b. Crashstrebe, Gelenkbildung in Spant, Deutliche Reduktion der Rechenzeiten Bewertung möglicher Scenarien durch leichte Variation der Macro-Charakteristiken (Reverse Engineering) Bewertung der Robustheit durch Variation der Lastfälle (Beladezustand, Pitch-, Rollwinkel, ) Makroelement-Input Crashelemente Plastische Gelenke Leitprojekt CFK Rumpf NG 13
Kinematische Modelle für Designbewertungen (ex. Ergebnisse) Ausgewählte Ergebnisse zur Anwendung der kin. Modelle Simulation der erarbeiteten Szenarien 1 & 3 Kombination eines feinen FE Models für ICU Bereich mit kinematischen Elementen Verwendung der Ergebnisse von Projektpartnern für PH und Crashelement Macros Absorbierende PH Absorbierende PH Szenario 1 / Bruch des Frachtbodenträgers Szenario 3 / Doppelgelenk zw. Frachtboden und Streben Leitprojekt CFK Rumpf NG 14
Kinematische Modelle für Designbewertungen (ex. Ergebnisse) Ausgewählte Ergebnisse zur Anwendung der kin. Modelle Phasen des Crashs (z.b. Szenario 1) t=20ms t=100ms t=150ms Phase 1: Sub-Cargo Zerstörung (Crushing Absorber) Untere Seitenschale und Cargo CB bleibt intakt! Phase 2: Definiertes Versagen der unteren Seitenschale und des Cargo CB Gelenkbildung in unterer Seitenschale mit EA Struktur oberhalb Strut bleibt intakt! Phase 3 (optional) Energie absorbierende PAX Streben Ggf. EA im PAX-Beam Anschlussbereich Die Eigenschaften der einzelnen Crasheinbauräume müssen optimal aufeinander abgestimmt werden Erfordert Validierung in Komponententests Leitprojekt CFK Rumpf NG 15
Energie absorbierende Spantkomponenten Konzept für hybride CF (PEEK) / Titan Spante UD-Schichten im Spantflansch werden durch Titan ersetzt Mögliche Anwendung in der unteren Seitenschale Energieabsorption durch Plastifizierung der Titanschichten Durchgeführte Arbeiten: Fertigung von Flachproben und C-Profilen Materialtests an Flachproben ermutigende Ergebnisse Pre-test Simulationen für Testspezifikation Statische und dynamische Biegetests an C-Profilen Post-test Simulationen der Biegetests und Vergleich Titan CFK/Ti CFK CFK/ Titan nach Drucktests CFK/ Titan nach Biegetest Ergebnisse Biegetests an Flachproben Leitprojekt CFK Rumpf NG 16
Energie absorbierende Spantkomponenten Dynamische 4 Punkt Biegetests an CFK/ Ti Trägern Prüfrandbedingungen Prüfgeschwindigkeit: 3,4m/s (Fallprüfstand) Fallhöhe: 600mm (Fallmasse: 100kg) Vier Spantbiegetests (je ein Wiederholungstest): 2 x CF-PEEK (Referenz) 2 x CF-PEEK/Titan Ergebnis: High-Speed Aufnahme: AVI Testaufbau im Fallturm: Leitprojekt CFK Rumpf NG 17
Energie absorbierende Spantkomponenten Dynamische 4 Punkt Biegetests an CFK/ Ti Trägern Ergebniszusammenfassung Testserie mit 8 Biegetests (stat., dyn.) (je 4 x CF-PEEK und CF-PEEK/ Ti) Nur geringer Einfluss auf Energieabsorption durch Hybridisierung mit Titan Verbesserte strukturelle Integrität Gute Korrelation zwischen Test / Simulation CF-PEEK CF-PEEK/Titan Kein Restbruch Vergleich der Lastkurven aus dny. Tests Biegetest CFK/ Ti Simulationssequenz Leitprojekt CFK Rumpf NG 18
Übersicht Themenfelder im Bereich High Velocity Impact Themenfeld Test / Modellierung von Impaktoren Ersatzvogel Eis Weiche Impaktoren Reifengummi Felgenstücke Harte Impaktoren Runway debris Composite Schadensmodelle Schadensmodell für die Einzelschicht Delaminationsmodell HVI Komponententests (komb. mit NDT-Verfahren) Paneel-Tests (teils mit Vorbelastung) Rotorblatt Cockpitverglasung Simulation des Strukturverhaltens Impaktschäden an monolith. Rumpfpaneelen Schäden in doppelschal. Paneelen (inkl. Faltwaben) Leitprojekt CFK Rumpf NG 19
Übersicht Themenfelder im Bereich High Velocity Impact Themenfeld Test / Modellierung von Impaktoren Ersatzvogel Eis Weiche Impaktoren Reifengummi Felgenstücke Harte Impaktoren Runway debris Composite Schadensmodelle Schadensmodell für die Einzelschicht Delaminationsmodell HVI Komponententests (komb. mit NDT-Verfahren) Paneel-Tests (teils mit Vorbelastung) Rotorblatt Cockpitverglasung Simulation des Strukturverhaltens Impaktschäden an monolith. Rumpfpaneelen Schäden in doppelschal. Paneelen (inkl. Faltwaben) Beispiele in heutigem Vortrag Leitprojekt CFK Rumpf NG 20
Materialmodell für Reifenmodellierung 30000 Tensile Test on Aircraft tyre rubber with/without fibres Gummi Modell Reifengummi wird mit Mooney-Rivlin Materialgesetz beschrieben (für hohe elastische Dehnungen) Mechanische Eigenschaften von Gummi und Verstärkungsschichten wurden in Tests ermittelt FE Modell durch Impakttests auf CFK Platten validiert 25000 20000 Rubber with 0 /90 fibres Rubber with ±45 fibre Tyre rubber without fiber Stress, kpa 15000 10000 5000 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 % Elongation x 10 Reifengummiaufschlag auf CFK Platte mit 100 m/s Leitprojekt CFK Rumpf NG 21
Schadensmodelle für CFK-Laminate geschichtetes CFK-Laminat FE-Modell (Stapel von Sub-Laminaten) Layers Delaminationsmodel: Implementiert als cohesive interface. Der Rissfortschritt wird gesteuert durch ein Energie basiertes Bruchkriterium Geschichtete Schalenelemente zu Modellierung der Sub-Laminate Meso-Modell für das Sub-Laminat Einzelschichten modelliert als homogenes orthotropes Material mit elastischer Schädigung (nach Ladevèze) Leitprojekt CFK Rumpf NG 22
Simulation eines Reifenaufschlagtests Paneel Haut: 1690 mm x 1000 mm 6 C-Spante 1300 mm x 120 mm x 41 mm an die Haut geklebt und verbolzt Modellierung der Haut mit 4 stacked shells Paneel 1 (Duroplastisches Harz) Skin C-Spant Paneel 2 (Thermoplastisches Harz) Skin C-Spant Material G1157/RTM6 G1157/RTM6 C/PEEK G1157/RTM6 Dicke 6.03 mm (22 Lagen) 4.11 mm (15 Lagen) 6.16 mm (44 Lagen) 4.11 mm (15 Lagen) Randbedingungen im Test Paneel eingespannt an den Enden der Spante Aufschlag eines 840g Reifenstücks der Größe 211 x 212 x 16.5 mm mit einer Geschwindigkeit von 93 m/s Aufschlag erfolgt zwischen zwei Spanten Leitprojekt CFK Rumpf NG 23
Simulation eines Reifenaufschlagtests Animation der Impaktsimulation AVI Reifenaufprall auf ein versteiftes CFK-Paneel Leitprojekt CFK Rumpf NG 24
Simulation eines Reifenaufschlagtests FE-Simulation: V = 93 m/s, a = b = 69 Rückprall des Reifenstücks Größerer Schadensbereich beim thermoplastischen Paneel mit sehr lokalem Versagen des oberen Sub- Laminats Thermoset Thermoplaste Matrix Thermoplastic Duroplastische Matrix Größere Bereiche vollständiger Delamination in dem thermoplastischen Paneel Vorhersage des Versagens der Klebung zwischen Haut und Spanten Verbindungselemente bleiben ungeschädigt Leitprojekt CFK Rumpf NG 25
Simulation eines HVI-Tests auf Faltwabenpaneel Aufbau des Modells Deckschicht als stacked shell Modell mit Delaminationsmodell Starrer Impaktor (Kugel bzw. Würfel) Starr modellierter Rahmen Mehrschicht-Schalenmodellierung für Faltwaben Typ 30 Leitprojekt CFK Rumpf NG
Simulation eines HVI-Tests auf Faltwabenpaneel Vergleich Simulation mit Test und CT-Aufnahme 0 ms 0.15 ms 12 mm Stahlwürfel Aufschlag: 20 mm Faltwaben-Sandwich M = 13.4 g, V = 81.8 m/s, E 0 = 45.2 J Impaktor durchdringt die Dickschicht und wird im Kern gestoppt 0.30 ms Bildintreval: ~0.5 ms) 0.45 ms 0.60 ms CT Aufnahmen des Paneels nach Stahlwürfeleinschlag Leitprojekt CFK Rumpf NG
Zusammenfassung Prozesskette Crash-Berechnung wurde erheblich erweitert Durch kinematische Modelle konnte ein grundlegendes Verständnis für den Ablauf eines Crashs (Sektion) erarbeitet werden Hybridisierung eines CFK Spantes mit Titan-Schichten erfüllte in erster Testserie nicht die Erwartungen ggf. andere Werkstoffkombinationen untersuchen Impaktor-Modelle für Ersatzvogel, Eis und Reifenstücke wurden entwickelt Unterschiedliche Modellierungsstrategien für die Berechnung von Schäden an Rumpfpaneelen wurden untersucht (Stacked Shell Modeling, Multi model Coupling, ) Mit den unterschiedlichen Modellierungsansätzen können gute Schadensvorhersagen erzielt werden Leitprojekt CFK Rumpf NG 28
Ausblick Isolierte Betrachtung des Crashlastfalls ist für Bauweisenentwicklung, -auswahl nicht ausreichend Kopplung mit weiteren Lastfällen notwendig Crashbetrachtung soll auf komplexere Sektionen ausgeweitet werden (z.b. Hecksektion, Türumgebung, ) Fernziel Gesamtrumpf Untersuchung des Impaktverhaltens von vorbelasteten monolithischen Paneelen werden in Kürze durchgeführt Für die Modellierung des komplexen Verhaltens von Eis bei HVI werden verbesserte Schädigungsmodelle benötigt Die Ergebnisse einzelner HVI Simulationen sollen durch stochastische Verfahren abgesichert werden Leitprojekt CFK Rumpf NG 29
Forschungsteam Leiter Abt. Strukturelle Integrität Christof Kindervater Tel.: 0711/6862 280 Christof.Kindervater@dlr.de Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Expertin für HVI-Forschung Dr. Nathalie Toso Tel.: 0711/6862 564 Nathalie.Toso@dlr.de Experte für Crash-Forschung Dieter Kohlgrüber Tel.: 0711/6862 624 Dieter. Kohlgrueber@dlr.de Quelle: CadFEM GmbH Leitprojekt CFK Rumpf NG 30