Eine Methodik zur analytischen Gewichtsabschätzung und Bewertung von Strukturverbindungen im Flugzeugvorentwurf

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Kurzbeschreibung

Eine präzise Massenabschätzung ist in der Flugzeugvorentwurfsphase essentiell, da die Leistungsdaten eines zukünftigen Flugzeugentwurfs entscheidend durch die Masse geprägt werden und eine Fehlprognose deutliche Mehrkosten im Entwicklungsprozess zur Folge hat.

Obwohl sich die Verfahren der mathematischen Statistik in der Vergangenheit aufgrund des Vorteils weniger Eingabeparameter etabliert haben, kommen sie heute nicht mehr uneingeschränkt zur Anwendung. Empirische Gewichtsabschätzungsformeln basieren auf Daten existierender Flugzeuge und spiegeln somit implizit deren Technologie wider. Nachteilig sind insbesondere die unzuverlässigen Prognosemöglichkeiten bei deutlicheren Abweichungen der Neu-Konstruktion von Flugzeugen dieser Datenbasis, weshalb zusätzlich der Einsatz analytischer und/oder numerischer Methoden gefordert wird, um auch neue Bauweisen und Technologien gewichtlich korrekt abbilden zu können. Überdies ist eine differenzierte Trennung des Gewichts in das „Optimum-Weight“ – das minimal für die Belastungen erforderliche Strukturgewicht – und das „Non-Optimum-Weight“ – das aufgrund des praktischen Designs hinzukommende Gewicht, welches die Verbindungselemente als größten Gewichtstreiber ausweist –, anzustreben, da diese beiden Gewichtsanteile grundsätzlich verschiedenartigen Effekten zuzuschreiben sind.

Die vorliegende Arbeit leistet durch die neuartige Entwicklung von analytischen und darauf aufbauenden dimensionslosen Gewichtsfunktionalen für Strukturverbindungen einen Beitrag zu einer genaueren und theoretisch umfassend fundierten Gewichtsabschätzung. Die Methodik trägt der Trennung des „Optimum-Weights“ und des Gewichts aufgrund von „Non-Optimum“-Faktoren Rechnung und ermöglicht somit erstmals eine objektive gewichtliche Bewertung unterschiedlicher Fügeverfahren.

Hierfür werden anhand abstrahierter Strukturmodelle und für den Vorentwurf geeigneter analytischer Ansätze für verschiedene Fügeverfahren (Nieten, Kleben, Schweißen) symbolische Gewichtsfunktionale hergeleitet, wobei zunächst der klassische Strukturkennwert nach Wiedemann als dimensionsbehaftete Kenngröße Verwendung findet. Die systematische Erweiterung dieses Grundgedankens, eine Kenngröße zur Bewertung von Konstruktionen einzusetzen, wird durch die Anwendung des Pi-Theorems von Buckingham zur Generierung dimensionsloser Ähnlichkeitskennzahlen konsequent umgesetzt. Damit wird eine Möglichkeit bereitgestellt, die vorhandenen Einflussgrößen skalenunabhängig darzustellen und im Sinne der Skalierung eine korrekte Übertragung zu gewährleisten. Dieses Konzept des skalenfreien Entwurfswissens ermöglicht einen effektiven Auswahlprozess gewichtsminimaler Lösungen von Strukturverbindungen unter nahezu beliebigen Randbedingungen und bietet die theoretische Grundlage für eine spätere regelbasierte und optimale Entwurfserzeugung. Ergänzend wird durch die Verwendung einer graphenbasierten Entwurfssprache zum Aufbau fertigungsnaher Geometrien für Rumpfstrukturen eine regelbasierte Modellbildung über definierte Konstruktionsregeln auf Basis einer objektorientierten Modellierung realisiert. Mittels der daraus abgeleiteten Gewichtsresultate der implementierten Strukturbauteile wird sowohl die Möglichkeit zur quantitativen Validierung der theoretischen Gewichtsgleichungen, als auch die darauf aufbauende regelbasierte Erzeugung gewichtlich optimaler Verbindungselemente aufgezeigt.

Description

Accurate weight prediction at early stages of preliminary design is essential since the performance characteristics of a subsequent aircraft design are vitally affected by the weight. An erroneous prognosis causes considerable additional costs in the development process.

Though weight formulae based on mathematical statistics have been established in the past due to their advantages of fewer input parameters they cannot be applied in an unlimited manner. Empirical weight estimation equations are based on data of existent aircraft and therefore implicitly reflect their technologies. Weight predictions become particularly unreliable in the case of new constructions deviating from the aircraft within that database. Therefore, alternative new approaches increasingly apply both analytical and numerical analyses to correctly depict new construction methods and technologies. Moreover, a differentiated separation of the overall weight into optimum-weight – the minimum structural weight that can be realised to meet the loading conditions – and the non-optimumweight, which implies additional weight resulting from the practical design, is adhered to, since these weights are attributed to different effects.

This thesis contributes to a more precise and theory-based weight estimation by the development of novel analytical and dimensionless weight formulae for structural joints. The methodology allows for a separation of optimum-weight and non-optimum-weight. Thus it permits, for the first time, a systematic evaluation of different joining technologies.

For this purpose symbolic weight functions are derived from structural models and from analytical approaches to different joining technologies (riveting, adhesive bonding, welding) appropriate to preliminary design. To begin with the classic dimensionful structural index according to Wiedemann is applied. The systematic extension of this fundamental idea of using a parameter for the evaluation of constructions is systematically implemented by the use of Buckingham‘s Pi-Theorem to generate dimensionless similarity variables. This offers the possibility to describe the existent parameters scale-free and to ensure a correct transfer in terms of scaling. This concept of scale-free design knowledge enables an effective selection process for weight-minimal solutions for structural joints under almost any boundary conditions. Furthermore, it provides a theoretical basis for rule-based and optimal aicraft design.

Furthermore, by the use of a graph-based design language for the construction of production-related geometries for fuselage structures, a rulebased approach with defined design rules on the basis of object-oriented modelling is implemented. Using the derived weight results of the implemented structural components the possibilities for a quantitative validation of the theoretical weight equations as well as for the rule-based generation of optimum structural elements are shown.