Validierung analytischer Berechnungsmethoden für dickwandige, stark gekrümmte Hohlprofile

Überblick

Luftfahrzeugstrukturen bestehen oft aus dünnwandigen Bauteilen. Die Annahme einer, im Vergleich zu den anderen Abmessungen des Bauteils, geringe Bauteildicke erlaubt eine erhebliche Vereinfachung der Methoden zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften des Bauteils. Ein Beispiel für eine Methode zur Berechnung dünnwandiger Bauteile ist die klassische Laminattheorie (CLT). Diese findet beispielsweise bei der Berechnung von Faserverbundstrukturen Anwendung. Durch ihre mathematisch vergleichsweise einfache Formulierung ermöglicht die klassische Laminattheorie eine schnelle Berechnung der Steifigkeit und Festigkeit dünner, ebener Platten.

In einigen Bereichen des Flugzeugs müssen größere Lasten durch Bauelemente mit kleinem Querschnitt aufgenommen werden. Beispiele hierfür sind Verstrebungen an Fahrwerk, Leitwerk oder Tragwerk. Auf Grund der konzentrierten Lasten müssen diese Strukturen eine vergleichsweise große Wanddicken aufweisen. Außerdem sind Wände solcher Verstrebungen stark gekrümmt, da diese in der Regel einen kreis- oder stromlinienförmigen Querschnitt haben. Somit sind bei dickwandigen Hohlprofilen wesentliche Annahmen der klassische Laminattheorie verletzt. Um diese Profile dennoch berechnen zu können, muss zum einen ermittelt werden, bis zu welchen relativen Wanddicken und Krümmungsradien die klassische Laminattheorie anwendbar ist. Zum anderen müssen analytische Rechenmethoden gefunden und validiert werden, mit denen Hohlprofile berechenbar sind, für welche die klassische Laminattheorie ungeeignet ist. Hierzu können numerische Finite-Elemente-Simulationen genutzt werden.

© John Fielding, CC BY 2.0

© Glory Cycles, CC BY 2.0

© Speedoflight1, CC BY-SA 4.0

Aufgabenschwerpunkte

• Recherche zu analytischen Berechnungsmethoden für dickwandige und stark gekrümmte Hohlprofile
• Bestimmung von Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften dickwandiger, stark gekrümmter Querschnitte mittels FEM
• Vergleich von FEM-Simulationsergebnissen mit analytisch bestimmten Kennwerten
• Bestimmung der Grenzen der Anwendbarkeit der CLT für Hohlprofile
• eventuell Ermittlung mittels FEM motivierter Korrekturen für die CLT bei der Anwendung auf geschlossene dickwandige Profile