Luftfahrzeugkonstruktion II

Luftlasten

• Aerodyn. Druck, Druckdifferenz
• Manöver. Ruderausschlag
• Böen (Gust)
• Aerodyn. Schütteln (Buffet)

Trägheitslasten

• Beschleunigung, Rotation
• Strukturschwingungen
• Flattern

Triebwerk

• Schub
• Dreh-, Kreiselmomente

Bodenlasten

• Aufsetzstof, Ein-Rad-Landung
• Bremsen

Sonstige Lasten

• Steuergestänge
• Tankdruck
• Vogelschlag

Last (Kräfte und Momente die auf ein Bauteil einwirken)

Sichere Last (Limit Load) (Unter normalen Betriebsbedingungen zu erwartende höchste Last [Verformungen dürfen den sicheren Betrieb nicht beeinträchtigen])

Bemsseungs-Bruchlast (Ultimate Load) (Tragfähigkeitsgrenze der Struktur; LAst muss ohne Versage übertragen werden können)

Versagenslast (Failure Load) (Rechnerisch oder exp. ermittelte Last die zum Versagen der Struktur führt.

CS 23 und 25 (für Kleinflugzeuge und Graßraumflugzeuge) [Europa]

FAR in Amerika

EAS = \(EAS = TAS* \sqrt{\rho\over \rho_0} \)

Das V-n-Diagramm zeigt die maximalen Lastvielfache für verschiedene Flugsituationen und Böenbelastungen an.

Ein Flugzeug muss so ausgelegt sein, dass es alle Belastungen die innerhalb des Diagramms auftreten aushält.

Das V-n-Diagramm besteht aus dem Manöver und dem Böen-V-n-Diagramm. Die Grenzen werden durch die Bauvorschriften vorgegeben.

Benennung der Grenzen

0 bis V_A: Abrissgrenze

• Höhere Lastvielfache als die Linie zeigt können nicht erflogen werden, da sonst die Strömung am Tragflügel abreist --> Auftriebsverlust

V_A bis V_D: Festigkeitsgrenze

• LL Grenze für die Bestlatung der Struktur. Nach dem Überschreiten dieser Grenze muss das Flugzeug auf schäden inspeziert werden.

Ab V_D: Endgeschwindigkeit

• Ab dieser Grenze können Effekte auftreten die zum Versagen des Bauteils führen (Flattern).

Ein Lastkollektiv ist die Beschreibung der mit hoher Wahrscheinlichkeit zu erwartenden Größen und Häufigkeiten von Lastwechseln des Beanspruchungs-Zeit-Verlaufs eines realen Bauteils.

Sie werden mittels einer theoretischen Analyse und/ oder durch Messungen ermitteln und durch Zählverfahren ausgewertet. Anhand dessen werden die Lastgrößen (Beschl., Spannung, Momente usw.) in Abhängigkeit von Summenhäufigkeiten aufgetragen. Wobei allerdings die Reihenfolge und Frequenz der Lastwechsel verloren gehen.

Standardkollektive:

• TWIST: Transport Wing STandard
• FALSTAFF: Fighter Aircraft Loading STAndard For Fatique Evaluation
• Franzmeyer Lastkollektiv für Segelflugzeuge
• KoSMOS: Kollektiv für Segelflugzeuge, Motorflugzeuge und Motorsegler

Unter dem Lastvielfachen n versteht man einen auf das Gewicht bezogenen Faktor zur Beschreibung der auf das Luftfahrzeug wirkenden Lasten.

Herleitung:

Der Zuwachs des Lastfaktors ergibt sich aus vorhergehenden Betrachtungen zu:

\({\Delta n} = {\Delta A \over mg}={\rho \over2}*\nu^2*{1\over {mg \over S}}*{\partial c_A \over\partial \alpha}*{w_g-W \over\nu}\)

Mit dem Böenabminderungsfaktor:

\(k_g={w_g-w\over \hat {W_g}}\)

ergibt sich der Zuwachs des Lastfaktors zu:

\(\Delta n = {\Delta A \over mg}={\rho \over2}*{1\over {mg \over S}}*{\partial c_A \over\partial \alpha}*\nu*\hat{w_g}*k_g\)

Damit folgt der Gust Load Factor

\(n_g = 1+\Delta n= 1+{\rho *{\partial c_A \over\partial \alpha}*\nu*\hat{w_g}*k_g\over 2*{mg \over S}}\)

• Außenheit, Beplankung und Bespannung (veraltet)
• Stringer
• Stäbe
• Spante
• Schalen
• Monocogues
• Flügelmittelkasten
• Flügelholme

Unter Bauweisen versteht man ein konstruktives Lösungsprinzip zur praktischen Realisierung einer Struktur unter Beachtung von technologischen und ökonomischen Bedingungen.

Einteilung nach:

• Masse (Massiv- oder Leichtbauweise)
• verwendeter Werkstoff (Metall oder Faserverbundwerkstoff)
• Art der lasttragenden Strukturen (Fachwerk- oder Schalenbauweise
• Integrationsgrad (Differential- oder Integralbauweise)

Vorteil Integralbauweise:

• Gewichtsminimierung durch optimale Anpassung der Geometrie an die Kraftverläufe
• Einsparung von Gewicht und Kosten durh Reduzierung bzw. Wegfall von Verbindungselementen oder -mitteln.

Nachteile Integralbauweise:

• Aufwendige Fertigung (chem. Fräsen, Fräsen)
• Hoher Materialverbrauch
• keine Kombination verschiedener Werkstoffe möglich
• ungünstige Schadenstoleranz-Eigenschaften
• eingeschränkte Reparaturmöglichkeiten

Schalenbauweise:

Kräfte werden vorrangig über Schalenelemente übertragen (Flächentragwerk)

Unter Damage Tolerance versteht man das Vermögen einer Struktur seine Funkionalität im Schadensfall bis zum nächsten Wartungsintervall aufrecht zu erhalten und innerhalb dieses Zeitraums aufgrund eines noch den vorgegebenen Sichtkontrollen nicht detektiverbaren Schaden, nicht katastrophal zu versagen.

Dieses Konzept erforder vorgeschriebene Inspektionsplänge nach denen Rissfortschritte klassifiziert sind und dementsprechende behandelt werden. Schadenstolerante Strukturen können nach dem Safe-Life und Fail-Safe Prinzip verwirklicht werden.

Unter Ageing Aircraft wird das technische Problem von mehreren simultan auftretenden Anrissen beschreiben, die dazu führen können, dass die in der schadenstoleranten Auslegung ermittelte Restfestigkeiten nicht mehr gegeben ist und es eher als angenommen zu katastrophalen Strutkurversagen kommen kann. Solche multiplen Anrisse treten verstärkt bei älteren Flugzeugen, infolge von Vorschädigungen auf.

1. Biegemomente und Querkraftschub infolge spannweiter Auftriebsverteilung und Triebwerksgewicht
2. Torsionsmoment infolge flügeltiefer Auftriebsverteilung
3. Biegemoment und Querkraftschub infolge spannweiter Widerstandsverteilung
4. Wölbkrafttorsion infolge der überlagerten Schnittgrößen

Doppel-T-Holm ist für die Aufnahme von Biegemoment (Gurt) und Querkraftschub (Steg) infolge spannweiter Auftreiebsverteilung geeignet. Die restlichen Schnittgrößen werden durch übrige Strukturelemente (Tragflügel, Rippen, und/ oder Stringer) aufgenommen.

Als Bedignung wird angenommen, dass der Verdrehwinkel aller Zellen gleich ist und das ein Gleichgewicht zwischen äußeren und innteren Kräften herrscht.

• globales Beulen der Schlae
• Beulen der Versteifungselemente
• lokales Hautfeldbeulen

Unter Crippling versteht man das Versagen eines Stringer-Profils an einer Ecke oder Kante, wenn die kristische lokale Beullast überschritten wird.

Stringer erhöhen die Beulsteifigkeit - Stabilität der Schale - längs des Stringers.

Bei Metallstringern sollten offene Querschnitte verwendet werden um an allen Seiten des Stringers Sichtprüfungen durchzuführen. Werden Faserverstärkte Stringer eingesetzt, können diese auch geschlossen sein, da keine Korrosion vorliegt.

• Biegung
• Druck
• Schub

Vorteile

• Gewichtsreduktion gegenüber herkömmlichen Strukturen
• Biegesteifigkeit und -festigkeit sind höher.

\(q={M_\tau \over 2A}=\tau*t\)

\(\vartheta(x)={q\over 2AG}\oint{ds\over t(s)} \)

\(q={M_\tau\over 2A}\)

\(\vartheta(x)={M_\tau\over4A^2G}\oint{ds\over t(s)}={M_\tau\over GJ_T} \)

\(({\tau_{ist}\over \tau_{krit}})^2+({\sigma_{B,ist}\over \sigma_{B,krit}})^2+{\sigma_{D,ist}\over \sigma_{D,krit}} \le 1\)

• Es werden dünwandige stabförmige Körper betrachtet (Lännge >> Höhe, Breite; t << Höhe, Breite)
• Querschnitt des Körpers bleibt bei der Verdrehung erhalten
• Körper kann sich in Längsrichtung frei ausdehnen --> keine Normalspannungen in Längsrichtung
• Änderungen der Schubspannungen über Wandstärke sind vernachlässigbar --> Spannung durch Schubfluss ersetzbar \(q=\tau t\)
• Es treten keiene Randstörungen auf (Torsionsmomente werden entsprechend der Schubspannungsverteilung eingeleitet)

• Es werden dünnwandige Körper betrachtet (Länge >> Höhe, Breite; t  << Höhe, Breite)
• Querschnittsgestalt des Körpers bleibt bei Biegung erhalten
• Querschnitt bleibt bei Verformung eben (Bernoulli-Hypothese) --> Widerspruch zur EET
• Es treten keine Randstörungen auf (Querkräfte und Biegemomente werden entsprechend den Längs- und Schubspannungsverteilungen eingeleitet)

Annahmen:

• besteht aus dünnen Hautfeldern (Stegen, die von steifen stabförmigen Elementen (Gurte) begrenzt werden. Querschnittsfläche Gurt >> Querschnittsfläche Steg
• Gurte übertragen nur Längskrafte, Stege nur Schubkräfte
• In Stegquerschnitt ist der Schubfluss konstant
• In Gurtquerschnitt ist die Normalspannung konstant
• Es treten keine Randstörungen auf (Querkraft und Biegemoment werden entsprechend der Längs- und Schubspannungsverteilung eingeleitet)

Gültigkeit:

• (Gurthöhe / Steghöhe)^2 << 1
• (Stegquerschnittsfläche / Gurtquerschnittsfläche) << 1