Ein neuer Ansatz für die Prüfung fortgeschrittener Flugwerkmaterialien
Im Luftfahrtsektor, der für 2 % der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich ist, muss daran gearbeitet werden, den CO2-Fußabdruck zu verkleinern. Ein guter Ansatzpunkt ist das Flugwerk selbst. „Je schwerer das Flugzeug ist, desto mehr Treibstoff wird verbraucht“, sagt Alfonso Carpio Rovira, Leiter des Forschungs- und Entwicklungsprogramms bei Applus Laboratories. „Da der Rumpf zwischen 20 und 30 % des Gesamtgewichts eines Flugzeugs ausmacht, könnte ein geringeres Gewicht erheblich dazu beitragen, den Treibstoffverbrauch und damit die CO2-Emissionen zu senken.“ Über wie hohe Einsparungen reden wir hier? Einigen Schätzungen zufolge kann durch Aluminium-Lithium-Legierungen (Al-Li) das Gewicht eines Flugwerks um 10 % verringert werden, woraus sich eine Steigerung der Treibstoffeffizienz um 20 % ergibt. Um in der Flugzeugkonstruktion dafür zu sorgen, das Potenzial leichterer Flugwerke zur Senkung der CO2-Emissionen zu nutzen, hat Applus mit Unterstützung des EU-finanzierten Projekts DEMONSTRATE zusammen mit Athena die strukturelle Festigkeit zweier neuer Flugwerkkonstruktionen – eine aus AI-Li-Legierungen und eine aus Thermoplast – untersucht.
Fortgeschrittene Simulations- und Testmethoden
Da es sich um eine sicherheitskritische Struktur handelt, muss jede Komponente eines neuen Flugwerks strengen Tests und Validierungen unterzogen werden – hier kommt das Projekt DEMONSTRATE ins Spiel. „Unser Ziel war es, die strukturelle Integrität dieser Rumpfplatten mithilfe fortgeschrittener Simulations- und Testmethoden in Verbindung mit experimentellen Daten nachzuweisen“, bemerkt Carpio Rovira. Der erste Schritt dazu lag in der Entwicklung der notwendigen Technologie, einschließlich einer virtuellen Testmethode zur Definition der Rand- und Belastungsbedingungen der versteiften Platten. „Die Gewährleistung korrekter Randbedingungen mit einem flexiblen Werkzeug mit mehreren Freiheitsgraden erwies sich als größere Herausforderung als erwartet“, fügt Carpio Rovira hinzu. Athena entwickelte ein realistisches Finite-Elemente-Modell (FEM) zur Vorhersage des Verhaltens und zur Erstellung von Richtlinien für die optimale Konstruktion der Werkzeuge, um dieses potenzielle Hindernis zu überwinden. Weitere Schlüsseltechnologien sind eine breite Palette von Messverfahren und fortgeschrittene Simulationsmethoden.
Prüfstand in Originalgröße
Diese Technologien wurden daraufhin in einen innovativen, kosteneffizienten, leicht anpassbaren Rumpfplattenprüfstand in Originalgröße integriert. Der Prüfstand wurde für eine optimierte Testkampagne der Verbundwerkstoff- und Metallplatten eingesetzt. Konkret nutzten die Forschenden den Prüfstand, um statische Tests an fortgeschrittenen metallischen und thermoplastischen gekrümmten, integral versteiften Platten in Originalgröße durchzuführen, wie sie für den Rumpf eines typischen Geschäftsreiseflugzeugs verwendet werden. Außerdem wurde ein Dauertest an einer integral versteiften gebogenen AI-Li-Platte der 4. Generation unter realen Bedingungen durchgeführt.
Ein für beide Seiten vorteilhaftes Vorhaben
Bei dieser Testkampagne stellten die Forschenden fest, dass sich mit dieser neuen Testmethode und den entsprechenden Werkzeugen die Testzeit und die Kosten halbieren lassen. „Es handelt sich um ein wichtiges Ergebnis für Applus, da wir in der Lage sind, den Zeit- und Kostenaufwand für unsere Dienstleistungen zu optimieren, ohne Abstriche bei der Genauigkeit machen zu müssen, wodurch sich die Wettbewerbsfähigkeit unserer Prüfaktivitäten erhöht und diese wichtigen Werkstoffe schneller auf den Markt gelangen“, so Carpio Rovira. Auch Athena profitiert von der Projektbeteiligung. Das Unternehmen plant, seine FEM-Modelle für den Einsatz im akademischen und industriellen Bereich weiterzuentwickeln. „Die Erfassung einer großen Menge an Informationen durch genaue digitale Bildkorrelation ebnet den Weg zu einer besseren Korrelation von Experimenten mit FEM-Modellen“, fügt George Lampeas von Athena hinzu. „Daraus kann sich eine genauere Validierung der letzteren ergeben, und gleichzeitig ihre Zuverlässigkeit und damit ihre Nützlichkeit in industriellen Entwicklungsumgebungen verbessert werden.“
Schlüsselbegriffe
DEMONSTRATE, Flugwerk, Treibstoffeffizienz, Simulation, Luftfahrt, Rumpf
