Structural design of Stringer-frame-stiffened shell structures

  • Struktureller Entwurf von stringer-spant-versteiften Schalentragwerken

Krause, Max; Schröder, Kai-Uwe (Thesis advisor); Mittelstedt, Christian (Thesis advisor)

Düren : Shaker Verlag (2023)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Berichte aus dem Leichtbau 2023,1
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Kurzfassung

Der Strukturentwurf von versteiften Schalen ist seit Jahrzehnten Gegenstand der Forschung. Diese werden oft im Luft- und Raumfahrtsektor aufgrund ihres hohen Verhältnisses von Lasttragevermögen zu Masse für Hauptstrukturen als Konstruktionsvariante eingesetzt. Die Bedeutung von konstruktivem Leichtbau bei dem Entwurf solcher Strukturen hat aufgrund der steigenden Kommerzialisierung der Raumfahrt und dem einhergehenden Kostendruck für zukünftige Raumfahrzeugtypen zugenommen. Um die maximale Nutzlast zu erhöhen und die ambitionierten Preisziele zu erreichen, ist ein optimaler Entwurf der Struktur im Sinne des Leichtbaus imperativ. Die höchste Tragfähigkeit für die Nutzung als Hauptstrukturen von Trägerraketen weisen dünnwandige Stringer Spant versteifte Schalenstrukturen auf. Der Entwurf dieser ist aufgrund der vielen zu berücksichtigenden Versagensarten komplex und benötigt daher effiziente, robuste und zuverlässige Auslegungsmethoden. Etablierte Methoden sind für moderne torsionssteife Stringerprofile ungeeignet, da sie das strukturmechanische Verhalten der Schale nicht ausreichend abbilden. Dies kann auch für zukünftige Profilformen, die die Lastaufnahme durch möglichst hohe Torsionssteifigkeit maximieren sollen, angenommen werden. Im Zuge dessen ist auch der etablierte Entwurfsprozess mit dem Ziel eines optimalen Leichtbauentwurfs zu hinterfragen, da dieser sich auf die Beschreibung des strukturmechanischen Verhaltens stützt. Ziel dieser Arbeit ist es neue Methoden für die Auslegung von Stringer Spant versteiften Schalenstrukturen zu entwickeln und mit diesen die Notwendigkeit einer Anpassung des Entwurfsprozesses zu bewerten. Es wird ein Strukturmodell zur Beschreibung des strukturmechanischen Verhaltens aufgebaut. Aus diesem entwickelt sich eine Methode zur Berechnung der Teilschaleninstabilitätslast und eine Methode zur Bemessung der Spante. Es wird gezeigt, dass drei Aspekte für die unzureichende Natur der etablierten Methoden verantwortlich sind: Die Vernachlässigung transversalen Schubs, die Annahme des Vorbeulzustands als Membran- und nicht als Biegezustand und die Reduzierung der versteiften Schale auf eine Teilschale. Die entwickelten Methoden liefern im Vergleich zu numerischen Simulationsverfahren eine ähnliche Genauigkeit bei deutlich geringerem zeitlichem Ressourcenbedarf. Abschließend werden die entwickelten Methoden und ausgewerteten Forschungsergebnisse genutzt um Anpassungen an dem etablierten Entwurfsprozess von Stringer Spant versteiften Schalen vorzuschlagen. Anhand der Optimierung einer repräsentativen Schale wird der Grad der Anpassungen für einen im Sinne des Leichtbaus optimalen Entwurf bewertet. Es zeigt sich, dass der Entwurfsprozess in einem holistischen Sinne gedacht werden muss und damit eine Trennung der Auslegung von Stringer-Haut-Kombination und dem Bemessen der Spante nicht zulässig ist.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl und Institut für Strukturmechanik und Leichtbau [415610]

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