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Zusammenfassung Konstruktion Flugzeugstruktur
Fachhochschule Aachen
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Sommersemester 2018
Konstruktion
Flugzeugstruktur
Zusammenfassung
1. Inhalt
- Version 1 Zusammenfassung Konstruktion Flugzeugstruktur | Sommersemester
- Einleitung
- Der Entwurfsprozess.................................................................................................................
- Die Project Phase
- Die Definition Phase
- Die Development Phase
- 4 Bauvorschriften
- Anwendbare Bauvorschriften
- Geschwindigkeiten und Loads
- Lastfälle, Böen, v-n-Diagramm
- 5 Grundlagen der Konstruktion
- Aspekte Flugzeugleichtbau
- Werkstoffe
- Bauweisen
- Kriterien Strukturauslegung
- Aeroelastik
- Konstruktionsphilosophien
- Konstruktive Grundregeln
- 6 Konstruktion des Flugwerks
- Einführung
- Wahl der Bauweise
- Dimensionierung der Struktur
- konstruktive Details
- Beispiele für Flugzeugstrukturen
- 7 Verbindungselemente
- Nietverbindungen
- Klebeverbindungen
- 8 Oberflächenbehandlung
- Korrosion
- Oberflächenbehandlung
- 9 Konstruktion mit Faserkunststoffverbunden
Version 1 Zusammenfassung Konstruktion Flugzeugstruktur | Sommersemester 2018
2. Einleitung
Geschichtliche Entwicklung:
Gegen 1891 absolvierte Lilienthal den ersten dokumentierten Flug mit einem Gleiter und bereits 10 Jahre später gelang der erste motorisierte Flug mit einer Luftschraube durchgeführt von den Gebrüdern Wright.
Die ersten Flugzeuge waren sehr leicht und an ihrer Bauweise stark an der Natur [Vögel, Fledermäuse] orientiert. Verwendete Strukturmaterialen waren Holz und Stoff für die Tragflächenbespannung. Gebaut wurde in Fachwerken, da einfach zu rechnen sowie effizient. Notwendige Versteifungen der Struktur wurden über Streben oder Seile ausgeführt. Gut zu sehen ist dies an typischen Doppeldeckern. Diese Verstrebungen erzeugen durch Zylinderumströmung einen erheblichen Widerstandzuwachs!
Das Militär ist und war treibend für die Entwicklung der Luftfahrt und somit ist es nicht verwunderlich, dass in der Zeit um beide Weltkriege ein starker Anstieg des Knowhows stattfand und die Flieger effizienter und leistungsfähiger wurden.
Die ersten Vollmetall-Flugzeuge erschienen um 1920. Dies wurde dadurch möglich, dass Aluminium als Werkstoff entdeckt wurde, die Haut als Wellblech nicht nur aerodynamisch, sondern auch lasttragend ausgelegt wurde. Längsträger und Spanten nahmen Lasten auf, welche von der Haut allein nicht getragen werden konnten.
Mit der Halbschalen-/Schalenbauweise etablierte sich die Idee eines aerodynamisch angepassten Rumpfs. Die runde Bauweise ließ sich vorher durch ein Fachwerk nur aufwendiger bewerkstelligen.
Mit 1954 etablierten sich Triebwerke und erhöhten für große Transportflugzeuge sowohl die Operationshöhe und -geschwindigkeit.
Heute werden Flugzeuge aus einer Vielzahl von anwendungsspezifischen Materialen gebaut [Glare, Verbundwerkstoffe, Aluminiun, Stahl]. Durch Differentialbauweise, Integralbauweise. Sandwichstrukturen, Halbschalen oder Schalen werden an den notwendigen Stellen optimale Ergebnisse erzielt und extremer Leichtbau angewandt.
Ziel der Strukturkonstruktion:
Die Strukturkonstruktion besitzt die Aufgabe in einer vorgegebenen aerodynamischen Form das Tragwerk zu implementieren. Angestrebt wird dabei das minimale Gewicht[Werkstoff- und Formleichtbau].
Zu berücksichtigende Einflüsse:
- Auftretende Lasten
- Umwelteinflüsse
- Wirtschaftlichkeit durch Payload, Passagiere
- Systemintegration ermöglichen
Version 1 Zusammenfassung Konstruktion Flugzeugstruktur | Sommersemester 2018
- Robustheit für Bodenhandling
- Inspektionsfreundlich/-möglich
- Fertigungsaspekte
Grundsatz: SIMPLE – LIGHT – ACCESSIBILITY – MAINTAINABILITY – COST
Aufbau von Luftfahrzeugen:
Das Flugwerk/Airframe beinhaltet Tragwerk, Rumpfwerk, Fahrwerk, Leitwerk und Steuerwerk. Tragwerk, Rumpfwerk und Leitwerk werden oft als Zelle zusammengefasst.
Tragflügel:
Primäraufgabe: Auftriebs erzeugen bei geringem Widerstand Optional: Aufnahme Fahrwerk, Treibstoff, Nutzlasten, Triebwerke
Rumpf:
Primäraufgabe: Aufnahme Passagiere, Crew, Payload Verbinden Flügel und Leitwerk Optional: Aufnahme Treibstoff, Fahrwerk, Triebwerk
Version 1 Zusammenfassung Konstruktion Flugzeugstruktur | Sommersemester 2018
3. Der Entwurfsprozess.................................................................................................................
Thema wichtig!
Der Entwurfsprozess für Flugzeuge aus Projektsicht gliedert sich in drei Phasen
Die Project Phase
Die Definition Phase
Die Development Phase Alle 3 Phasen lassen sich in 14 weitere M-Kategorien aufteilen.
Die Project Phase a. Hier geschieht vor allem eine Marktanalyse, ein Wettbewerbsvergleich und die Studien verschiedener Flugzeugkonfigurationen/-konzepte b. Im Preliminary sizing erhält man eine erste Abschätzung der Massen (Take-Off, Fuel, Operation-Mass), Flügelfläche und des Schubs. i. mTO, mOE, mF, T, S c. das Concept Design wird erstellt, so dass ein schematische 3-Steien-Ansicht des Flugzeugs erstellt werden kann. i. Anzahl der Triebwerke ii. Streckung iii. Aerodynamisches Profil iv. Pfeilung v. Leitwerkskonfiguration vi. Kabinen-Layout
Version 1 Zusammenfassung Konstruktion Flugzeugstruktur | Sommersemester 2018
Die Definition Phase d. In der Definitionsphase sinkt die Anzahl an Konfigurationen. Am Ende der Definitionsphase steht eine Flugzeugkonfiguration fest. e. Die Arbeitsschritte lassen sich in das Preliminary Design und die Analyse aufteilen. i. Analyse: Flugzeugsimulatoren und Windtunnel werden zum testen eingesetzt. Ebenso betrachtet man die Aeroelastik, Stressanalyse und die Flugleistung. ii. Preliminary design: Der Flügel wird genau definiert, ebenso die Strukturbauweise (Wie soll wo was gebaut werden?). Die Integration von Systemen (Fly-by-Wire-Aktuatoren, Fahrwerk, ...) wird beachtet. Der Vortrieb und die Konstruktionsmethodik sind auch inbegriffen.
Die Development Phase f. In der Development Phase wird detailliert beschlossen wie das Flugzeug aufgebaut ist. Dazu zählt die Struktur, die Systemintegration sowie die Triebwerksintegration. (Wie kann was wo miteinander verbunden werden?) g. Das Flugzeug wird konstruiert und absolviert seinen Erstflug. Währenddessen laufen finden damit Flug- und Strukturversuche statt.
Version 1 Zusammenfassung Konstruktion Flugzeugstruktur | Sommersemester 2018
1.1. Welchen Ansprüchen und Regularien muss das Flugzeug gerecht werden. 1.1. Es ist zwingend notwendig typische Missionsaspekte zu berücksichtigen
- Preliminary Remarks 1.2. Die Bestimmung der Masse und des Widerstandens [überauswichtig für den Entwurf]
- Comparative Study 1.3. Es findet eine Vergleich mit Flugzeugen für ähnliche Missionen statt. Als Ergebnis müssen die Unterschiede im Bezug auf Konfiguration und Missionsfähigkeit deutlich werden. Ebenso ein tabellarischer Überblick der wichtigsten Flugzeug- und Flugparameter. Ein kritisches Fazit um über die Sinnhaftigkeit des Modells zu urteilen.
- Types of Configuration 1.4. Verschiedene Konfigurationen des eigenen Flugzeugs werden untersucht um schließlich eine Auswahl zu treffen.
- Preliminary Sizing 1.5. Für die Flugleistung relevante Parameter werden überschlägig berechnet. 1.5.1. CLmax für Start und Landung 1.5.1. Auftrieb/Widerstand (Gleitzahl) 1.5.1. Flügelfläche und -streckung 1.5.1. Pfeilung 1.5.1. Rumpfdurchmesser und -streckung 1.5.1. Schub/Gewicht 1.5.1. Flächenbelastung 1.5.1. Massen (Take-Off, Fuel, Operation-Mass)
- Propulsion System 1.6. Welches System und wie viel Leistung braucht es?
- Fuselage & Cockpit Design 1.7. Wie könnte die Kabinen für entsprechende Missionen aufgebaut sein.
- Wing, Aileron & Spoiler 1.8. Die Flügelgeometrie wird bestimmt. 1.8. Es wird geprüft wie und ob der nötige Auftrieb erzeugt werden kann.
- High Lift Devices 1.9. Es wird über notwendige Hochauftriebshilfen nachgedacht. 1.9.1. Welcher Typ? Wo? Die Prameter kommen aus dem Preliminary Sizing.
- Landing Gear 1.10. Welches Fahrwerk wird benutzt und was muss es aushalten und welches Einfluss hat es?
- Empennage Layout Sizing
Version 1 Zusammenfassung Konstruktion Flugzeugstruktur | Sommersemester 2018
1.11. Die Größe der Kontroll und Steuerflächen wird bestimmt. Momentengleichgewicht am Flugzeug
- Flight Performance 1.12. Die Flugleistungen werden mit groben Methoden analysiert (Polare erstellen können), Massen werden korrigiert.
- Design Assessment 1.13. Mit den erhaltenen Daten wird eine Abschätzung gemacht über die Profitabilität, Missionseignung und Lebenszykluskosten
- Three- view 1.14. Die 3-Seiten-Ansicht des Flugzeugs wird erstellt.
Version 1 Zusammenfassung Konstruktion Flugzeugstruktur | Sommersemester 2018
Bei den CS handelt es sich um Certification Specifications/zivile Bauvorschriften. Wichtig für uns sind die CS23 und die CS25. Die CS23 beschäftigt sich mit Flugzeugen der Klassen Normal,Utility, Aerobatic und Commuter, die CS25 beschäfigt sich hingegen mit Large Aeroplanes.
Grundlegend sich alle CS gleich aufgebaut mit edn Subparts A, B,...... Subpart C beschäftigt sich mit der Struktur und Subpart D mit dem Design und der Konstruktion.
Eckdaten zu den CS
- CS o (motorisierte) Segelflugzeuge o 2 Sitze und max. 750kg/850kg
- CS LSA o Light Sport Aeroplane o 2 Sitze max. 600kg o Propeller; Vso. 83 km/h
- CS VLA o Very Light Aeroplanes o 2 Sitze und max. 750kg o Einmotorig, Vso. 83 km/h
- CS 23 o Normal, Utility,Arobatic, Commuter o MTOW <= 5600kg o Max 9 Passagiere o Für Commuter 19 Passagiere und MTOW <= 8600kg
- CS o MTOW >5600kg/ o Turbine
- Geschwindigkeiten und Loads
Vs- Stalling Speed Minimale Geschwindigkeit bei der ein Horizontalflug möglich ist. Flugzeug fliegt bei CAmax
VF – Design Flap Speed Max. Geschwindigkeit mit Hochauftriebsklappen
VA – Design Manoeuvring Speed Vollausschlag der Steuerflächen ohne Strukturüberlastung möglich
Version 1 Zusammenfassung Konstruktion Flugzeugstruktur | Sommersemester 2018
Vc – Design Cruising Speed Geschwindigkeit für den Reiseflug. Ergibt sich aus rein wirtschaftlicher Betrachtung und Zulassung.
VD – Design Diving Speed Max. Auslegungsgeschwindigkeit für die Flugzeugstruktur. Mindestabstand zwischen Vc und VD laut Bauvorschrift.
Limit Loads o Max. Lasten im Flugzeugleben (Treten zu 100% mindestens einmal auf) o Limit Loads müssen ohne plastische Verformung von der Struktur ertragen werden. Ein überschreiten der Belastung darf trotzdem nicht zu einem unsicheren Flug führen.
Ultimate Loads o Limit Loads multipliziert mit Sicherheitsfaktoren (Wahrscheinlichkeit 10 -9 dass es einmal vorkommt) o Ultimate Loads müssen für eine gewisse Zeit( 3 sec.) ausgehalten werden,
Der Sicherheitsfaktor zwischen Limit Loads und Ultimate Loads ist 1,5.
Eine Prüfung der Belastung muss stattfinden.
Die Belastung von Strukturen findet auf 2 Arten satt, innere und äußere Belastung.
Dabei muss zwischen Lasten und Lastfällen unterschieden werden. Eine Last ist eine Kraft. Alles wodran man Newton schreiben kann ist eine Last. Ein Lastfall ist ein Betriebszustand bei dem Lasten auftreten.
Beispiele für Lasten:
- Schub
- Gewichtskraft
- Luftkraft
- Zentripetalkraft
Version 1 Zusammenfassung Konstruktion Flugzeugstruktur | Sommersemester 2018
Bereich zeigt den relevanten Flugbereich, in dem sich das Flugzeug bewegen kann. Die rot gestrichelten Linien beschreiben Böenauswirkungen während unterschiedlichen Geschwindigkeiten.
Wie erhält man die einzelnen Punkte aus dem V-N-Diagramm?
- Die Stallgeschwindigkeit erhält man über die Auftriebsgleichung. o MTOW*g = ρ/2 *v 2 CAmaxSFL o Bei Vs hebt das Flugzeug ab weswegen n=1 ist.
- VF, VC und VD erhält man aus den Bauvorschriften (CS).
- Die anzunehmenden Böengeschwindigkeiten und deren Einfluss auf das Lastvielfache erhält man ebenfalls aus den Bauvorschriften.
Im Diagramm ist es wichtig als Grenzbereich immer das maximale Lastvielfach anzunehmen, so dass der Einfluss der Böen beachtet wird. Zwischen Eckpunkten der Böenlastvielfache kann linearisiert werden (Ausnahme: Kampfflugzeuge und Aerobatic).
Bei der Betrachtung von Wind werden hier nur Vertikalböen betrachtet.
Abschließend zum v-n-Diagramm, auf der X-Achse ist die Geschwindigkeit aufgetragen, die EAS(Equivalent Airspeed), damit ist die normierte Geschwindigkeit auf Bodenhöhe gemeint.
*Das v-n-Diagramm sollte anhand der entsprechenden Übung verständlicher sein.
Version 1 Zusammenfassung Konstruktion Flugzeugstruktur | Sommersemester 2018
5 Grundlagen der Konstruktion
Thema wichtig!
- Aspekte Flugzeugleichtbau
Die Konstruktion von Flugzeugen richtet sich nach den im Flug auftretenden Belastungen und der Wirtschaftlichkeit (d. Gewichtsminimum durch Leichtbau).
Ein Gewichtsminimum wird durch Form- und Werkstoffleichtbau angestrebt.
- Werkstoffe
Verwendete Werkstoffe müssen trotz Leichtbau entsprechende Steifigkeiten und Festigkeiten erbringen. Geeignete Werkstoffe erkennt man an bestimmten Gütezahlen.
Je höher die Gütezahl desto besser. Ausnahme das spezifische Gewicht, es soll möglichst gering sein.
Welcher Werkstoff verwendet wird hängt von mehreren Punkten ab. Besitzt er ein niedriges spezifisches Gewicht und eine hohe spezifische Festigkeit oder Steifigkeit? Wie temperaturbeständig ist der Werkstoff und wie verhält sich der Wärmeausdehnungskoeffizient? Lässt sich das Material gut verarbeiten? Ist der Preis in akzeptabel?
Grundlegend werden alle Werkstoffe mit entsprechenden metallischen Werkstoffen und
Version 1 Zusammenfassung Konstruktion Flugzeugstruktur | Sommersemester 2018
- Titan und Titanlegierungen +hohe spezifische Festigkeit +korrosionsbeständig +umformen durch Superplastisches Formen +hohe Rissfestigkeit
-Dichte von ~4,5 kg/m³ -Titan ist schlecht zerspanbar Titan findet Verwendung in Vorderholm als Rissstopper, Fahrwerk oder den Verdichterleitschaufeln
- FVW Konstruktive Grundlagen finden sich im Kapitel 8 Konstruieren mit FKV
Die Aufgabe der Fasern ist es Steifigkeit herzustellen und die Lasten zu Übertragen. Die Matrix hingegen sicher den Faserzusammenhalt und überträgt Lasten zwischen den einzelnen Fasern. Im Fall von Druckbeanspruchung verhindert sie zudem das Ausknicken der Fasern. Wichtig ist, dass die Eigenschaften von einem FVW stark richtungsabhängig sind -Stichwort Anisotropie. Üblicher Weise werden Kohlefaserkunststoffe (CFK)[Einsatz in Primärstruktur], Glasfaserkunststoffe (GFK) und Aramidfaserkunststoffe (AFK) im Flugzeugbau genutzt. CFK findet die häufigste Anwendung aufgrund überlegener mechanischer Eigenschaften.
Vorteile Nachteile +Ermüdungs-/Dauerfestigkeit hoch +korrosionsbeständig +hohe spezifische Materialkennwerte [höher als Metalle] +Beeinflussbarkeit der Anisotropie +freie Formgebung +glatte Oberflächen
- Auswahl elektrischer Eigenschaften [leitend CFK; isolierend AFK]
-hohe Materialkosten -Schäden schwer auffindbar -FEM-Rechnung aufwendiger -kritisches Bruchverhalten
- kritisches Bruchverhalten im Vergleich zu Metallen ! Beulen bei FKV ist stets zu verhindern und sehr gefährlich für Strukturteile!
Version 1 Zusammenfassung Konstruktion Flugzeugstruktur | Sommersemester 2018
- Glare und Arall Glare: Glare-Aluminium-Reinforced Arall: Aramid-Aluminium-Laminated
Bei diesen Werkstoffen handelt es sich um Schichtverbunde. +hohe Festigkeitswerte +hohes Risswiderstandverhalten +vergleichsweise niedrige Herstellungskosten
