Die Sicherheit und die Effizienz von Flugzeugen hängen maßgeblich von der Widerstandsfähigkeit ihrer Strukturen ab. Schädigung lässt sich während des Betriebslebens nicht verhindern. Daher sind bestmögliche Methoden zur Schadensbewertung essentiell. Um sowohl das Leichtbaupotenzial von CFK auszunutzen als auch die Betriebssicherheit zu gewährleisten bedarf es neuer Methoden zur Schadensbewertung im Rahmen der Strukturauslegung
Eine umfassende Berechnungsmethode ermöglicht uns, die Schadenstoleranz (Damage Tolerance) bereits in der frühen Entwurfsphase zu bewerten und in den Entwurfsprozess, wie er am Institut für Systemleichtbau entwickelt wurde, miteinfließen zu lassen. Im Gegensatz zu konventionellen Auslegungsmethoden, die den Entwurfsraum auf vorab im Versuch getestete Laminate beschränken, verspricht diese Methode eine individuelle Berechnung der Schadenstoleranz für beliebige Laminatkonfigurationen. Daher arbeiten wir nicht nur an einer Verbesserung der Sicherheit, sondern auch an einer Reduzierung der Strukturmasse und des resultierenden Treibstoffverbrauchs.
Eine umfassende Berechnungsmethode ermöglicht uns, die Schadenstoleranz (Damage Tolerance) bereits in der frühen Entwurfsphase zu bewerten und in den Entwurfsprozess, wie er am Institut für Systemleichtbau entwickelt wurde, miteinfließen zu lassen. Im Gegensatz zu konventionellen Auslegungsmethoden, die den Entwurfsraum auf vorab im Versuch getestete Laminate beschränken, verspricht diese Methode eine individuelle Berechnung der Schadenstoleranz für beliebige Laminatkonfigurationen. Daher arbeiten wir nicht nur an einer Verbesserung der Sicherheit, sondern auch an einer Reduzierung der Strukturmasse und des resultierenden Treibstoffverbrauchs.
Von der laminatspezifischen Restfestigkeit zum Grenzwert für die Strukturoptimierung
Die Grundlage dieser Methode bildet eine detaillierte Schädigungsanalyse, welche der laminatspezifischen Ermittlung der maßgeblichen Schadensgröße an CFK-Laminaten dient. Von Laminat zu Laminat unterscheidet sich neben den Schäden selbst auch der damit einhergehende Einfluss auf die strukturmechanischen Eigenschaften des Laminates – vor allem die Bewertung der Sichtbarkeit und der Resttragfähigkeit sind hierbei erforderlich.
Eine besondere Herausforderung stellt die Ableitung von allgemeinen Auslegungsgrenzwerten dar, nachdem die laminatspezifischen Resttragfähigkeiten bekannt. Wir untersuchen hierzu die Schadensszenarien verschiedenartiger Laminate in einem mehrstufigen Prozess. Das Ziel des Prozesses ist die Minimierung der Auswirkungen des Schadens bei gleichzeitiger Ermittlung des kritischsten möglichen Falles in der Gesamtheit der Laminate des Entwurfsraumes. Die genaue Vorhersage der Schadensgröße hängt dabei wesentlich vom Risswiderstand des Matrix-Materials und von der Schichtung des multidirektionalen Lagenaufbaus ab.
Die Gültigkeit der Methode ist dennoch für jede Konfiguration dieser Parameter sichergestellt. Durch den Vergleich mit bestehenden experimentellen Daten konnte die Vorhersagegenauigkeit der Methode verifiziert werden.
Direkter Einfluss des Grenzwertes auf die Strukturmasse
Diese Entwicklung hat weitreichende Auswirkungen auf die frühe Phase des Flugzeugentwurfs. Eine präzisere Bestimmung der Schadenstoleranz ermöglicht es Ingenieuren, leichtere und dennoch sicherere Flugzeuge zu entwerfen. Durch Optimierung einer Flügelstruktur konnte unter Einbezug der individuellen Schadenstoleranzermittlung eine Massenreduktion von 5 % und eine Reduzierung des Treibstoffverbrauchs um etwa 1,4 % erreicht werden. Die Forschung wurde in enger Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Disziplinen des Flugzeugentwurfes durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Methode den praktischen Anforderungen gerecht wird.
Der nächste Schritt in der Weiterentwicklung dieser Methode besteht darin, sie auf eine breitere Palette von Anwendungsfällen auszuweiten, damit das vorhandene Leichtbaupotenzial in allen Strukturregionen genutzt werden kann.
