Optimierung von nicht konventionellen Strukturen als Flugzeugrumpfversteifung

Die Optimierung der Flugzeugstruktur mit dem Ziel Einsparungen beim Gesamtgewicht

zu erreichen, ist immer wieder Gegenstand von verschiedensten Untersuchungen. Neben

dem Einsatz neuer Werkstoffe, z. B. Faserverbundwerkstoffe, kann eine Verbesserung der

konventionellen metallischen Tragstruktur Gewicht sparen und damit die Betriebskosten

senken.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Abschätzung des Einsparpotenzials einer Flugzeugrumpfstruktur

mit nicht konventionell rechtwinkliger Versteifungsanordnung. Dadurch soll wie

in der Natur beim Pflanzen- und Knochenwachstum eine ideal an die Belastung angepasste

Ausnutzung der Materialien erfolgen. Eine schräg versteifte Struktur des Flugzeugrumpfes

ist in der Lage dies bei Schubbelastungen zu leisten und wurde bereits vereinzelt untersucht.

Im Vorfeld der Dimensionierung einer kompletten Flugzeugrumpfstruktur werden Teilstrukturanalysen

mit Hilfe der Finite Elemente Methode bezüglich der hauptsächlichen

Auslegungskriterien Stabilitätsversagen und Damage Tolerance, das Fortschreiten eines

Risses und die Restfestigkeit einer Struktur mit einem sehr großen Schaden, durchgeführt.

Diese bilden die Grundlage für die Generierung von Approximationsfunktionen mit der

Response Surface Methode. Dadurch stehen der Dimensionierung einer grob modellierten

Gesamtstruktur des kompletten Flugzeugs mit dem modifizierten Widemer-Tool sehr detaillierte

Ergebnisse zur Verfügung. Diese sind in jedem Iterationsschritt für die aktuelle

Kombination der Geometrieparameter Haut-, Versteifungsdicke und Abstand der Versteifungen

abrufbar und müssen nicht rechenzeitintensiv neu berechnet werden.

Für die Einschätzung des Potenzials eines neuen Strukturkonzepts mit schräg angeordneten

Versteifungen wird zum Vergleich eine konventionell rechtwinklig versteifte Struktur

herangezogen. Als Anwendungsbeispiel und zur Validierung der Ergebnisse des auf dem

Finite Elemente Programm Ansys® basierenden Dimensionierungstools dient ein generisches

Flugzeugmodell eines Airbus A320 mit einer regelmäßigen Rumpfstruktur. Die

Einflüsse infolge lokaler Ausschnitte von Fenstern, Passagiertüren und Frachttoren sowie

Lasteinleitungsstellen bleiben dabei unberücksichtigt. Das Gesamtmodell des Flugzeugs

enthält alle relevanten Strukturbauteile inklusive der Fußbodenstrukturen, dimensioniert

werden lediglich die Haut- und Versteifungselemente des Rumpfes.