Die Reduktion von CO2 und weiteren Treibhausgasen ist das Ziel der aktuellen Luftfahrtforschung. Für die Erreichung dieses Ziels werden unterschiedliche Technologien entwickelt und hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die Transportleistung des Flugzeugs untersucht. Für eine belastbare Aussage über die Auswirkungen neuer Technologien sind alle wesentlichen Disziplinen und deren Interaktionen zu berücksichtigen. Automatisierte Prozesse sind dabei unerlässlich und ermöglichen erst eine umfassende Bewertung. Das Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik stellt dazu effiziente analytische und numerische Analysemodelle für Faserverbundstrukturen zur Verfügung. Die Einbindung detaillierter Strukturmodelle in automatisierte Auslegungsprozesse leistet einen Beitrag zur Entwicklung von effizienteren Flugzeugen.
Genauigkeit versus Geschwindigkeit
Bei einer automatisierten Strukturoptimierung ist die Balance zwischen notwendiger Detailtiefe und der Rechenzeit zu halten. Ziel ist es, die vielfältigen Möglichkeiten von Faserverbundmaterialien und unterschiedlichen Bauweisen zu nutzen und hinreichend genaue Versagenskriterien zu berücksichtigen. Mit Hilfe von leistungsfähigen Ersatzmodellen lässt sich die Rechenzeit für die Analyse reduzieren. Beispielhaft werden Stringergeometrien und Materialeigenschaften analytisch modelliert und mittels etablierter Kriterien für Festigkeit und Stabilität bewertet.
Hierbei lassen sich sowohl lokale Stabilitätskriterien (Hautbeulen zwischen zwei Stringern) als auch globale (Plattenbeulen zwischen Holmen und Rippen) evaluieren. Die Reduktion der Komplexität erlaubt eine Genauigkeit von 99% im Vergleich zu diskret modellierten Stringern. Zudem ermöglicht sie, unterschiedliche Bauweisen miteinander zu vergleichen, ohne numerische Ungenauigkeiten zu erzeugen. Numerische Optimierungsalgorithmen führen zu reproduzierbaren Ergebnissen bei der Bewertung unterschiedlicher Technologien und Bauweisen.
Weniger Treibstoffverbrauch
Durch die Optimierung der hoch gerichteten Steifigkeitseigenschaften ist es bereits gelungen, den Treibstoffverbrauch eines Flugzeugs um 8,6% zu senken (Projekt AeroStruct). In auslegungsrelevanten Lastfällen ließ sich die Deformation des Flügels so einstellen, dass sich auch die Strukturlasten verringern. Für eine derartige Betrachtung ist eine interdisziplinäre Analyse unabdingbar. Die analytische Beschreibung der lasttragenden Haut ermöglicht zudem eine überkritische Auslegung von versteiften Schalen, um damit die Masse und die Lasten zu reduzieren. Solche automatisierten Prozesse finden auch in dem VirtualProductHouse und im Projekt Victoria Anwendung. Neben der Strukturoptimierung sind hier weitere Disziplinen und Tools miteinander verschaltet, um einen ganzheitlich optimalen Entwurf zu erzielen.
