Leading Edge – Strukturbauweisen für Flügel und Leitwerke Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung Abteilung „Rechnergestützte Bauteilgestaltung“ Vortragender: Dipl.-Ing. Frank Kocian Stellvertretender Abteilungsleiter
31
Embed
Leading Edge – Strukturbauweisen für Flügel und Leitwerke · Leading Edge – Strukturbauweisen für Flügel und Leitwerke Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen Institut für Bauweisen-
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Leading Edge – Strukturbauweisenfür Flügel und Leitwerke
Dr.-Ing. Wolfgang DudenhausenInstitut für Bauweisen- und KonstruktionsforschungAbteilung „Rechnergestützte Bauteilgestaltung“
Vortragender:Dipl.-Ing. Frank KocianStellvertretenderAbteilungsleiter
Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen
www.DLR.de • Folie 2 Institute of Structures and Design
10 Ribs Type A CF-PEEK 1,60 3,00 360,00 1728 g 373,27 € 259,01 € 118,33 €
32 Ribs Type B CF-PEEK 1,60 3,00 190,00 2918 g 630,40 € 437,44 € 199,85 €
3 Force introduction ribs CF-PEEK 1,60 10,00 250,00 1200 g 259,21 € 179,87 € 82,18 €
Total weight approx. 46,79 kg 10.107,19 € 7.013,41 € 3.204,21 €
Costs per kg 216,01 € 149,89 € 68,48 €
www.DLR.de • Folie 9 Institute of Structures and Design
Gewichts- und Kostenschätzung für Slat Version (Deflector/Splitter)
Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen
www.DLR.de • Folie 10 Institute of Structures and Design
Material und Prozesse
- Bei der Vakuum-Konsolidierungs-Technik (VCT) kann ein Heiztisch oder ein Autoklav verwendet werden.
- Thermoplastische Matrixsysteme können verstärkt werden mit
- Glasfaser und- Kohlenstrofffaser,- PBO Faser (Feuchteabsorption in der Größenordnung von Glas- und
Kohlenstofffaser)- Die Verstärkung kann in Form von UD-Material oder Gewebe sein.
- Die Schweiß- und Klebetechniken sind Stand der Technik bei Airbus, EADS, DLR und Anderen.
Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen
Material und ProzesseInformationen zu PBO Fasern (Poly(p-phenylene-2,6-benzoisoxazole))
ZYLON: ist eine Hochleistungsfaser, die von TOYOBO entwickelt wurde.
- Außergewöhnlich hohe Zugfestigkeit und E-Modul
- Auffallend gute Flammbeständigkeit und thermische Stabilität
Energieabsorption: Zugfestigkeit und E-Modul:
Thermische Stabilität und Entflammbarkeit:
www.DLR.de • Folie 11 Institute of Structures and Design
Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen
Herstellung thermoplastischer „Bleche“ Vakuumkonsolidierung und Umformung Heißpresstechnik für kurzfaserverstärktes PEEK
in formgebenden und lasttragenden Bereichen
Generisches Slat in thermoplastischer Bauweise (CF/PEEK)
Konsolidierung und Umformung
Bauweisen Konzepte für CF/PEEK
Integrale Bauweisen und Fügung
Schalen und Rippen für optimale Werkstoffausnutzung
Hybridisierung der Bauweise durch Einsatz von kurzfaserverstärktem PEEK und Metall
Integration von Blitzschutz- und Enteisungs-elementen durch angepasste Prozesse
Widerstandsschweißtechnik für Rippen- und Schalenverbindung
www.DLR.de • Folie 12 Institute of Structures and Design
Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen
www.DLR.de • Folie 13 Institute of Structures and Design
Kombination von Kurz- und Endlosfaser verstärktem Composites
Ausgangsstruktur: Gepresste Sandwichplatte
Kurzfaser verstärktes Material
Endlosfaser verstärktes Material
Alternativ: Lokal aufgepresstes Kurzfasermaterial
Vorsicht: Die Kombination der verwendeten Materialien kann zu sehr hohen Eigenspannungen führen!Generalisierte Rippe nach dem Fräsen
Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen
www.DLR.de • Folie 14 Institute of Structures and Design
Entwicklung eines industriell verwendbaren Schweißprozesses
CF-Prepreg als Widerstandselement
VA-Gitter als Widerstand mit GF-PEEK
-700 mm
Große Widerstandsschweißanlage
Entwicklung geeigneter Widerstandsschweiß-elemente als auch der notwendigen Prozess-parameter für Bauteiltaugliche Schweißlängen.
VA-Gitter als Widerstand mit PEEK Matrix
Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen
www.DLR.de • Folie 15 Institute of Structures and Design
Widerstandsschweißung als Basis für die Fügung
• Umsetzung auf die real gekrümmte Vorderkanten-geometrie
• Eine Druckunabhängigkeit ist wichtig für das Schweißen steifer Unterstrukturen.
• Im Gegensatz zu Material-fügungen zwischen Endlosfaser verstärkten Materialien, können Formtoleranzen durch das Kurzfasermaterial kompensiert werden.
Plastische Deformation der Kurzfaser als Toleranzelement
Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen
Fertigung und Beschuss eines generischen, thermoplastischen Slat (Airbus Deutschland GmbH) mit einem 4lbs Vogel bei 205 m/sec.
• Thermoplastische Struktur• Nutzung von Schweißverfahren• Rippen mit T-Flansch• Integriertes Anti-Icing System
Umgesetzte Slatversion für Vogelschlagtest
www.DLR.de • Folie 16 Institute of Structures and Design
Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen
www.DLR.de • Folie 17 Institute of Structures and Design
Inhalt der Präsentation
- Überblick über das Vorgehen bei Bauweisen Untersuchungen am Beispiel der Vorderkante für ein laminares Leitwerk.
- Beiträge zur Ausprägung der Hybriden Laminarhaltung
- Herstelltechnik der Bohrungen
- Fertigungstechnik für die Nasenstruktur
- Herstellung entsprechender Prototypen
Teil 2: Laminare Leitwerksvorderkante Projekt LamAir
Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen
www.DLR.de • Folie 18 Institute of Structures and Design
Motivation
- Ziele Vision 2020- Emissionsreduktion - Weiterführung vorangegangener Forschungsaktivitäten- Hybrid Laminar Flow Control (HLFC) für zivile Luftfahrt nutzbar machen - DNW Large Lowspeed Facility (LLF) – 1:1 Windkanalversuche am
A320 Seitenleitwerk im Jahr 2014)
DLR Flugzeuge als Testträger zur Erprobung der Laminarhaltung
Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen
www.DLR.de • Folie 19 Institute of Structures and Design
Bauweisen – Einführung und Anforderung
Seitenleitwerk A320
Perforation
-Lochdurchmesser 50µm
-Lochabstand 500µm
ps, s, Ts
ws
pc, c, Tcwc
pd, d, TdIntegrierte Absaugpumpe
-Air
A320 Fin: Suction System Pressures and Velocities at VD
L/E Box 2, 1 Suction Duct, Pump On, 0° Yaw Angle
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
-0,20 -0,15 -0,10 -0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20
Surface Co-ordinate s/l
Pres
sure
[Pa]
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Suct
ion
Velo
city
[m/s
]
p surfp chamberp pipetotal pressurestatic pressuresuction velocity
H=16134ftMa=0.78=0°
Section:DV2Suc.Charac.D1
cq=0.00021
System data of L/E box 2Suction power 4,45 kW Pump power 10,0 kWTotal mass flow: 0,62 kg/s k /
0,3%spacing
standard porosity
Max hole speed: 41 m/s
cq,left=0.00011
cq,right=0.00011
Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen
www.DLR.de • Folie 20 Institute of Structures and Design
Bauweisenkonzepte
ALTTADoppelschalenkonzept
- Perforierte Außenhaut- Stege als Absaugkammer-
begrenzung- Innenschale mit Drossel-
öffnungen- Voll-Metallbauweise
BK-BauweisenSplitterkonzept
Außenhaut
SplitterAbsaugkammern
- Perforierte Außenhaut- Splitter als Impact-Schutz für
SLW-Holm- Hybrid FVK-Metall-Bauweisen
SLW-Holm SLW-Holm
Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen
www.DLR.de • Folie 21 Institute of Structures and Design
BK-MiOSMonolithic Outer Skin
AußenhautSplitter
Absaugkammern
BK-Bauweisenkonzepte
- Dickwandige Metall-Außenhaut- Absaugkammerung- Innenschale mit Drossel-
öffnungen
BK-HiOSHybrid Outer Skin
BK-THiOSTailored Hybrid Outer Skin
Außenhaut
Stege
Poröse Stützschicht
AußenhautSplitter
Absaugkammern
- Mehrlagig aufgebaute Außenhaut- Absaugkammerung- Innenschale mit Drossel-
öffnungen
Poröse Stütz-schichtStruktur-anbindung
Außenhaut
Außenhaut
Anbindung Außenhaut-Splitter
Splitter
- Mehrlagig aufgebaute Außenhaut- Absaugverteilung in Außenhaut
integriert- Keine Absaugkammerung
Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen
A320 Fin: Suction System Pressures and Velocities at VDL/E Box 2, 1 Suction Duct, Pump On, 0° Yaw Angle
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
-0,20 -0,15 -0,10 -0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20
Surface Co-ordinate s/l
Pres
sure
[Pa]
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Suct
ion
Velo
city
[m/s
]
p surfp chamberp pipetotal pressurestatic pressuresuction velocity
H=16134ftMa=0.78=0°
Section:DV2Suc.Charac.D1
cq=0.00021
System data of L/E box 2Suction power 4,45 kW Pump power 10,0 kWTotal mass flow: 0,62 kg/s k /
0,3%spacing
standard porosity
Max hole speed: 41 m/s
cq,left=0.00011
cq,right=0.00011
www.DLR.de • Folie 22 Institute of Structures and Design
- Anpassen der Außenhaut an geforderten Druckverlust- Keine konstruktive Kammeraufteilung notwendig
BK-THiOS Fertigungskonzept
Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen
www.DLR.de • Folie 23 Institute of Structures and Design
- Bearbeitungsdauer entscheidend (1 Loch pro Sekunde 46 Tage/m²)
Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen
www.DLR.de • Folie 26 Institute of Structures and Design
Fertigungsverfahren Mikroperforation
Laserbohren - sehr hohe Lochqualität erreichbar- hohe Repetitionsraten (bis zu 100Hz)- großes Aspektverhältnis realisierbar (max. 1:20)
Laser-gebohrtes Edelstahlblech (0,6mm)
Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen
www.DLR.de • Folie 27 Institute of Structures and Design
Fertigungsverfahren Mikroperforation
Elektronenstrahlbohren
- sehr große Repetitionsraten realisierbar (200Hz)
- hohes Aspektverhältnis möglich (max. 1:20)
Elektronenstrahl-gebohrtes Edelstahlblech (0,6mm)
Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen
www.DLR.de • Folie 28 Institute of Structures and Design
Fertigungsverfahren Mikroperforation
Fein-Ätzen- sehr hohe Lochqualität (Rundheit, Zylindrizität)- große Anzahl an Löchern gleichzeitig herstellbar- begrenztes Aspektverhältnis (max. 1:1,5)
Geätzte Edelstahlfolie (0,06mm)
Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen
www.DLR.de • Folie 29 Institute of Structures and Design
Ergebnisse und Ausblick für LamAir
Neuartige Bauweisen führen zu:• Trennung der Anforderungen aus Aerodynamik, Struktur und
Fertigungstechnik• Verbessertem Verhalten bei Vogelschlag• Verbesserten und vereinfachten Fertigungsmöglichkeiten• Möglichkeit zum Einsatz von modernen Werkstoffen und
Werkstoffkombinationen Grundsätzliche Fertigbarkeit der Bauweisen nachgewiesen
Fortführen der Fertigungsversuche mit variierenden Stützschichten Verbesserung der Oberflächenqualität Machbarkeitsnachweis für große Strukturen Fertigung eines 1:1 Demonstrators für Windkanalversuche
Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen
www.DLR.de • Folie 30 Institute of Structures and Design
Warum BK für neue Luftfahrtstrukturen Entwicklung neuer Bauweisen:
• Vom Design bis zum Prototyp aus einer Hand• Verwendung moderner, homogener oder hybrider Werkstoffe • Systemischer Ansatz mit interdisziplinären Lösungen• Fertigungs- und Fügetechniken auf Bauteilniveau
Einbeziehung der Zulassungsaspekte
Strukturtest statisch, dynamisch, Beschuss und HVI mit 1:1 Bauteilen
Aspekte der Produktionstechnik werden berücksichtigt
Zerstörungsfreie Prüfmethoden und Dokumentation während der Fertigung
Möglichkeit des Einbeziehens anderer Institute im DLR für spezielle Fragestellungen
Flugerprobung am DLR-Airbus möglich.
Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen
www.DLR.de • Folie 31 Institute of Structures and Design
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Kontakt
Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung
Pfaffenwaldring 38 – 40
70569 Stuttgart
Dr.-Ing. W. Dudenhausen
+49 (0)711 / 6862 - 433
Dipl.-Ing. Matthias Horn
+49 (0)711 / 6862 - 754
W. Dudenhausen, F. Kocian, R. Keck, M. Horn, T. Hetzel, R. Steinheber