Dynamische Belastung von Flugzeugen wird modelliert
Die Konstruktionsstandards von heute basieren auf konservativer statischer Belastung, die oftmals zu zusätzlichem und unnötigem Gewicht führt. Ohne adäquates Wissen und Berücksichtigung dynamischer Belastungen können die daraus resultierenden Konstruktionen durchaus auch gefährlich sein. Das Projekt "Dynamics in aircraft engineering design and analysis for light optimized structures" (DAEDALOS) hat dynamische Belastungen während des Flugbetriebs charakterisiert. Unter Einbeziehung der Effekte von Materialdämpfung, dynamischem Ausknicken und mechanischer Hysterese sollten die Unsicherheit und der Konservatismus der heutigen Flugzeugzertifizierungsverfahren beseitigt werden. In der konventionellen Konstruktionspraxis betrachtet man den Flugzeugrumpf als einen Balken, auf den eine statische Last einwirkt. Dabei handelt es sich um ein sehr stark vereinfachtes Modell unter der Annahme, dass durch die Holm-/Rahmen-/Außenhautkonstruktionen keinerlei Energie aus dem Flugzeugrumpf absorbiert wird. Man geht davon aus, dass sich die vollständige Belastung entlang des Flugzeugrumpfs ausbreitet, ohne von Bauteilen gedämpft zu werden. Das reale System verhält sich allerdings völlig anders. Außerdem kann das dynamische Ausknicken viel stärker als die statische Knickung ausfallen, was letztlich bedeutet, dass der Flugzeugrumpf theoretisch mehr Energie absorbieren könnte, ohne unter einer höheren Belastung zu brechen, wie es für den statischen Fall prognostiziert wird. Endergebnis dieser Annahmen ist eine schwere Konstruktion, die nicht den dynamischen Belastungsbedingungen des Realfalls entspricht. DAEDALOS entwickelte zu Analysezwecken ein Mittelklasse-Business-Jet-Modell. Das Team entwickelte vollständige Finite-Elemente- und Hybrid-Modelle in verschiedenen Maßstäben. Verschiedene Methoden zur Evaluation der strukturellen Energieableitung über Dämpfung wurden entwickelt und umgesetzt. Dazu zählten ein Dehnungsenergieverfahren sowie quasilineare Dämpfungsmodelle für viskoelastische Materialien und generalisierte Maxwell-Dämpfungsmodelle für viskose Materialien. Die Modellentwicklung wurde durch eine gründliche Kampagne der experimentellen Erprobung unterstützt. Das Team bewertete die Materialdämpfung anhand einer Aluminiumlegierung und zweier Kohlenstoff-Epoxidharz-Komposite auf Abschnittsebene unter Nutzung einer Vielzahl von Verfahren. Typische Bauteile repräsentierende Platten und Schalen wurden gleichermaßen getestet und dabei statischen und dynamischen Belastungen unterzogen. Überdies wurden die Komponenten in Hinsicht auf Gewichtsvorteile bewertet. Das DAEDALOS-Projekt erschuf durch seine modernen Modelle, Simulationstools und Datenbanken eine wissenschaftliche Grundlage für neue Flugzeugkonstruktionen und Zertifizierungsstandards, welche die Energieableitung während der dynamischen Belastung widerspiegeln. Die dynamische Analyse ist Teil des Designprozesses in vielen Industriezweigen. Somit könnten die DAEDALOS-Leistungen in einer Vielzahl von Anwendungen und Bereichen nutzbar sein.
Schlüsselbegriffe
dynamische Belastung, Flugzeug, Luftfahrzeug, Dämpfung, technisches Design, optimierte Bauteile
