Biologisch inspirierte Versteifungsstrukturen in Kompositbauweise für zukünftige Flugzeugschalen


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Moritz.Maier [ at ] awi.de

Abstract

Diese Arbeit, im Rahmen der Premium AEROTEC GmbH in Kooperation mit der IMARE GmbH, thematisiert eine biologisch inspirierte Versteifungsstruktur im Rumpfbau von Flugzeugen im Vergleich zu bereits angewendeten Ansätzen wie der geodätischen und der Stringer-Spant Bauweise. Das Ziel ist ein Modellvorschlag, der eine leichtere und biologisch anmutende Bauweise hervorbringt und zusätzlich positive Nebeneffekte aufweist. Zum Einen größere Fenster ächen, die ein besseres Flugerlebnis durch den optischen Effekt der Umgebung beim Flug ermöglichen und zum Anderen bessere Fertigbarkeit, durch Einsparungen in der Serienherstellung. Eine von den Diatomeen inspirierte ächige Versteifung kann mit entsprechender Abstraktion eine alternative Versteifungsmöglichkeit der Flugschale darstellen und die erwähnten Eigenschaften mit sich bringen. Es werden drei Modelle, den drei definierten Bauweisen entsprechend, aufgebaut und auf ihre Verformung analysiert, wobei die technische Bauweise die Referenzwerte vorgibt. Die konstruktiven Merkmale der einzelnen Schalen ergeben sich aus der Nachbildung der technischen und geodätischen Bauweise und der Abstraktion des bionischen Modells nach einer biologischen Recherche und einem Screening von Diatomeenschalen. Die Berechnungen werden mit einem Kohlenstofffasergelege und teilweise mit Kohlenstofffasergewebe durchgeführt, wobei das Gelege die besseren mechanischen Eigenschaften aufweist und das Gewebe für die Fertigung von komplexen Geometrien geeigneter ist. In einem nächsten Schritt werden über eine händische Optimierung die Profilhöhe und Profilstärke der Versteifungsstruktur und die Art der Fensterform so variiert, dass sich für die biologische und die geodätische Bauweise ein Modell findet, welches für den anschließenden Vergleich mit der technischen Schale herangezogen werden kann. Die technische Schale behält ihre durch PAG vordefinierte Struktur bei. Die unterschiedlichen Optimierungsans ätze verändern das Volumen der einzelnen Modelle und haben Auswirkungen auf die Verformung. Im Vergleich werden die drei Modelle nach ihren Eigenschaften bewertet und das beste Modell an Hand der wichtigsten Kenngrößen definiert. Es stellt sich heraus, dass das biologische Modell ohne eine Profilerhöhung und mit nur einer etwas größeren Dicke sogar mit einem Gewebematerial eine akzeptable Verformung ermöglicht. Bis auf das Gewicht weist dieses Modell in allen anderen Kenngrößen die besten Werte des Rankings auf und erfüllt somit zu weiten Teilen die formulierte Arbeitshypothese. Da das Gesamtgewicht des biologischen Modells nicht all zu viel größer ist als das der technischen Schale, kann das biologische Konzept als vielversprechend bezeichnet werden. In Umformversuchen wurden bereits erste Erfahrungen in der Arbeit mit Gewebematerialien und ihrer Drapierung über komplexe 3D-Geometrien gemacht und interessante Ergebnisse erzielt. Es ist allerdings eine Herausforderung das Abbilden von dreidimensionalen Körpern in der Serienherstellung zu etablieren. Durch Weiterentwicklungen in den Fertigungsmethoden und der Automation können biologisch inspirierte Designs in Zukunft als realistischer und vor allem fertigbarer bezeichnet werden.



Item Type
Thesis (Bachelor)
Authors
Divisions
Primary Division
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Primary Topic
Peer revision
Not peer-reviewed
Publication Status
Published
Eprint ID
39162
Cite as
Babnik, E. (2014): Biologisch inspirierte Versteifungsstrukturen in Kompositbauweise für zukünftige Flugzeugschalen , Bachelor thesis,


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