Skip to main content

Article Category

Article available in the folowing languages:

Simulierte Tests von Werkstoffen für den Flugzeugbau

Der Wunsch, immer leichtere und somit schnellere Flugzeuge bauen zu können, ohne einen der bestehenden Sicherheitsstandards aufgeben zu müssen, hat zu einem groß angelegten Forschungsprojekt auf dem Gebiet der Werkstoffwissenschaften geführt. Innovative faserverstärkte Verbundwerkstoffe werden gegenwärtig von den Unternehmen der luft- und raumfahrttechnischen Industrie in verschiedenen Ländern Europas eingesetzt. Aus dieser Industrie kommen dringende Forderungen zur entscheidenden Verbesserung der Techniken zur Simulation des Verhaltens solcher Werkstoffe. Mit dem aktuellen Projekt wurde eine dieser Forderungen erfolgreich erfüllt.

Industrielle Technologien

Verbundwerkstoffe - Materialien also, die durch Kombination mehrerer Einzelwerkstoffe entstehen - werden schon seit Jahrhunderten angewendet. So wurde beispielsweise Stroh schon von unseren Altvorderen zur Verstärkung von Lehmziegeln verwendet. Dieser Werkstoff ist also ein Beispiel für einen frühen faserverstärkten Verbundwerkstoff, bei dem das Stroh die Fasern bildet, während der Lehm die weichere, leichter verformbare Matrix darstellt, die die Fasern einschließt. Heutzutage finden Verbundwerkstoffe aus Kunststoff, die durch Kohlefasern verstärkt sind, verbreitet Anwendung in der Luft- und Raumfahrttechnik, weil sie leicht sind und dennoch eine hohe Schlagfestigkeit besitzen. Die Schlagfestigkeit von faserverstärkten Verbundwerkstoffen ist von besonderer Bedeutung für die Sicherheit von Luftfahrzeugen. Diese Werkstoffe werden zum Bau von Tragflächen, Strahltriebwerken und Rumpfstrukturen verwendet, wo Vogelschlag oder das Auftreffen von Teilen geplatzter Reifen oder von anderen Fremdkörpern mit hoher Geschwindigkeit die Flugsicherheit ernsthaft gefährden können. Der Concorde-Absturz von Paris vor gar nicht langer Zeit war eine traurige Bestätigung für diese Bedrohung. In diesem Zusammenhang wurde von einem Konsortium von europäischen Flugzeug- und Triebwerksherstellern, Forschungsinstituten und Softwarespezialisten unter dem Akronym HICAS (High Velocity Impact of Composite Aircraft Structures) ein Grundlagenforschungsprojekt ins Leben gerufen. Die Projektpartner entwickelten dabei ein Verfahren zur numerischen Simulation und Vorhersage der Reaktion von Flugzeugkomponenten und -strukturen aus Verbundwerkstoffen auf den Aufprall von Objekten mit hoher Geschwindigkeit. Insbesondere wurden Verfahren zur Messung der mechanischen Eigenschaften ausgewählter Flugzeugwerkstoffe unter hoher Zugbeanspruchung bei hoher Dehngeschwindigkeit erarbeitet. Ebenfalls entwickelt wurden Vorschriften zur Werkstoff-Serienprüfung und Verfahren für die Ausfallsimulation an modernen unidirektional und mit Geweben aufgebauten Faserverbundkomponenten bei Aufprallgeschwindigkeiten von bis zu 400 m/s. Die Ergebnisse haben bereits Eingang in drei gängige Finite-Elemente-Verfahren für die Berechnung von Aufprall- und Bruchvorgängen gefunden. Durch die Simulation von Labortests mit hohen Dehnbeanspruchungen und von Aufpralltests bei hohen Geschwindigkeiten an idealisierten Verbundwerkstoffstrukturen konnten die Ergebnisse der Finite-Elemente-Methode zusätzlich untermauert werden. Die Verfügbarkeit solcher erprobten Simulations-Tools ist für die Luftfahrzeughersteller von entscheidender Bedeutung, da der Einsatz dieser Tools zu einer erheblichen Senkung der Entwicklungskosten führt und die Projektzykluszeiten bei der Entwicklung neuer Werkstoffe verkürzt, was der europäischen Luftfahrtindustrie im scharfen internationalen Wettbewerb einen wertvollen Vorsprung verschafft. Verbundwerkstoffe werden inzwischen auch im Automobilbau verwendet, so dass die Möglichkeiten der neu entwickelten Algorithmen zur Ausfallsimulation auch auf diesen wesentlich größeren Industriezweig direkt anwendbar sind, was offensichtliche und unmittelbare wirtschaftliche Konsequenzen hat. Weitere Informationen über die Arbeiten zur Entwicklung dieser Simulationsverfahren sowie zu Konferenzbeiträgen und veranstalteten Workshops gibt es unter HICAS-Website.

Entdecken Sie Artikel in demselben Anwendungsbereich