Nichtlineare Auslegung abgestrebter Transportflugzeugflügel

• Non-linear design of strutted transport aircraft wings

Schmidt, Hauke Gerjet; Schröder, Kai-Uwe (Thesis advisor); Krüger, Wolf-Reiner (Thesis advisor)

Düren : Shaker (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Berichte aus dem Leichtbau 1/2022
Seite(n)/Artikel-Nr.: x, 111 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Für den Entwurf von Transportflugzeugen ist die Analyse der strukturmechanischen Eigenschaften wesentlich. Darin werden die zulässigen Spannungen auf Basis der Schnittlasten bestimmt und die Struktur dimensioniert. Während im Bereich der aerodynamischen Analyse durch die Anwendung verbesserter Berechnungsmethoden zunehmend nichtlineare Effekte berücksichtigt werden, kommen in der strukturmechanischen Analyse weitgehend lineare Methoden zum Einsatz. Für kleine Verformungen ist dies gängige Praxis und beschreibt die resultierenden Schnittkräfte mit ausreichender Genauigkeit. Durch die Verwendung neuer Materialien und Entwurfsmethoden, sowie die Entwicklung neuer, hochflexibler Konfigurationen zeigen sich zunehmend Abweichungen von der linearen Analyse. Aufgrund großer Verformungen, oder zusätzlicher Verstrebungen der Struktur, verändern sich die strukturmechanischen Eigenschaften und führen zu einer Änderung der resultierenden Schnittkraftverläufe. Insbesondere durch Belastung der Struktur in Längsrichtung können aufgrund der zusätzlichen Biegebeanspruchung der Struktur die zulässigen Spannungen und Dehnungen im System erheblich größer sein, als nach der linearen Theorie. Daher ist insbesondere unter dem Aspekt einer veränderlichen Normalkraftkomponente die Berücksichtigung der geometrischen Nichtlinearität und der resultierenden Änderung der strukturmechanischen Eigenschaften im Entwurf erforderlich. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methode zur strukturmechanischen Vorauslegung balkenbasierter Flügelmodelle unter Berücksichtigung geometrisch nichtlinearer Verformungen umgesetzt und der Einfluss negativer Normalkraftkomponenten untersucht. Zunächst werden anhand einfacher Ersatzmodelle die resultierenden Schnittkraftverläufe unter Berücksichtigung großer Verformungen analysiert. Dabei wird auf Basis finiter Balkenelemente die Erhöhung der resultierenden Biegemomente durch zusätzliche Normalkraftkomponenten verstrebter Flügelkonfigurationen verdeutlicht. Im Rahmen der strukturmechanischen Auslegung werden anschließend statische und dynamische aeroelastische Analysen für ausgewählte Flugzustände und Massenkonfigurationen durchgeführt. Hierbei werden anhand mehrstufiger Iterationsverfahren die erforderlichen Wandstärken der Struktur bestimmt. Mit dieser Methode können kritische Bereiche der Struktur bereits im Vorentwurf erkannt und der Einfluss strukturmechanischer Eigenschaften auf die dynamische Antwort des Systems untersucht werden. Diese Vorgehensweise verkürzt somit, durch einen verbesserten Vorentwurf, den iterativen Auslegungsprozess und ermöglicht den nichtlinearen Entwurf hochflexibler Konfigurationen.