Optimierung von nicht konventionellen Strukturen als Flugzeugrumpfversteifung

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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.