Bewertung von CFK-Strukturen in einem multidisziplinären Entwurfsansatz für Verkehrsflugzeuge

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Kurzbeschreibung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Abbildung von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKVs) innerhalb eines bestehenden Gesamtentwurfprozesses für Verkehrsflugzeuge und nutzt die sich daraus ergebenden neuen Gestaltungsmöglichkeiten.

Dazu werden gezielt deren anisotropen Eigenschaften unter Berücksichtigung statisch aeroelastischer Effekte für die Gestaltung des Flügels unter Einsatz von aeroelastic tailoring ausgenutzt. Die Abbildung dieser Effekte in einer frühen Phase des Flugzeugentwurfs kann dazu beitragen, zukünftige Flugzeugentwürfe wirtschaftlicher zu machen und so den Marktanforderungen entgegenzukommen. Für die Einordnung der Arbeit wird zuerst ein Überblick über Programme zur Ermittlung der Strukturmassen von Flugzeugentwürfen gegeben und herausgestellt, inwieweit die vorliegende Arbeit eine Lücke im Bereich der Massenabschätzung von Strukturen aus FKVs füllt. Das Ziel der Arbeit ist damit einerseits die Massenabschätzung von FKVs und andererseits die Rückführung der Ergebnisse auf den integrierten Gesamtentwurf. Nachfolgend sind der vorliegende Gesamtentwurfsprozess und wichtige Vertreter von Gesamtentwurfsverfahren für Flugzeuge gegenübergestellt worden, um den Detaillierungsgrad des erweiterten Prozesses herauszustellen.

Die notwendigen Erweiterungen im Prozess werden unter Darstellung der verwendeten theoretischen Ansätze beschrieben und Lösungen der sich ergebenden Problemstellungen werden hergeleitet. Am Beispiel eines Mittelstrecken- und eines Langstreckenflugzeuges werden die Erweiterungen auf Gesamtentwurfsebene validiert. Darauf werden ebenso an diesen Beispielflugzeugen Parameterstudien durchgeführt, um die neuen Fähigkeiten des Gesamtentwurfs und die Sensibilitäten von klassisch isotrop aufgebauten Flügeln und solchen aus FKVs auf Änderung der Zirkulationsverteilung aufzeigen. Sowohl für das untersuchte Mittelstrecken- als auch Langstreckenflugzeug erweisen sich leicht dreieckige Zirkulationsverteilungen als vorteilhaft. Der CFK-Flügel zeigt dabei ein Optimum näher der elliptischen Idealverteilung und führt zu generell leichteren Entwürfen. Der Einfluss der statischen Aeroelastik ist beim Mittelstreckenflugzeug gering, beim Langstreckenflugzeug nicht vernachlässigbar.

Abschließend ist der Einfluss von aeroelastic tailoring bei einem vorwärts- und einem rückwärtsgepfeilten Flügel an einem Mittelstreckenflugzeug untersucht worden. Durch das aeroelastic tailoring kann generell eine leichte Strukturmassenreduktion aus der passiven Lastreduktion beobachtet werden, ohne sich drastisch negativ auf die Ruderwirksamkeit auszuwirken. Die Untersuchungen zeigen aber auch, das aeroelastic tailoring nicht allein die Schlüsseltechnologie ist, um die strukturellen Gewichtsnachteile eines vorwärtsgepfeilten Tragflügels, der aus aerodynamischer Sicht für zukünftige Verkehrsflugzeuge interessant sein könnte, zu kompensieren.

Description

The present thesis covers the representation of fiber reinforced plastics within an existing preliminary aircraft design tool and makes use of the new degrees of freedom through this material. Therefore the anisotropic properties under consideration of static aeroelastic effects are used systematically on the wing design by implementing aeroelastic tailoring. The representation of these effects in an early stage of the aircraft design can help to make future aircraft designs more economic and by this to fulfill the market requirements. For the classification of the thesis first an overview over codes for mass estimation of aircrafts structures will be given. Further it will be highlighted, to which extent this theses fills a gap in the field of mass estimation codes for fiber reinforced plastics. The thesis’ ambition is on the one hand the mass estimation of fiber reinforced plastics and the feedback on the integrated overall design process. Following this, the existing preliminary design process and important representatives of overall preliminary design processes for aircrafts are opposed, to emphasize the degree of details of the extended process.

The necessary changes in the process are described within the presentation of applied theoretical approaches and solutions for the resulting problems are derived. Using the example of a mid and long range aircraft the extensions are validated at preliminary overall aircraft design level. The new features of the design process and the sensitivity to different circulations of classic isotropic built wing and wings out of fiber reinforced plastics are shown within parametric studies for both mid and long range aircraft. Both types gathering benefits out of a slightly ‘triangular‘ circulation in spite of an ideal elliptic circulation. A CFRP wing has an optimum closer to the elliptic circulation and makes the designs in general lighter as a wing out of isotropic material. The impact of static aeroelastics are minor to the mid range aircraft but must not be neglected on long range aircraft. Concluding, the impact of aeroelastic tailoring is analyzed for a forward swept wing and a backward swept wing at the example of a mid range aircraft. Through aeroelastic tailoring in general a slightly reduction of structure masse can be observed.

The impact on rudder effectiveness is present but brings no reduction of the design space. As another result the mass disadvantage of the forward swept wing cannot be reduced to zero by aeroelastic tailoring. However, the results make obvious, that aeroelastic tailoring brings only minor advantages and that further studies of non balanced laminates in detail level are necessary.