Systematische Entwicklung von Ultra-Leichtbaukonstruktionen in Faserverbund-Wabensandwichbauweise am Beispiel eines Kleinflugzeuges:
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Paderborn
Laboratorium für Konstruktionslehre
2001
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| adam_text | Titel: Systematische Entwicklung von Ultra-Leichtbaukonstruktionen in Faserverbund-Wabensandwichbauweise am
Autor: Funke, Herbert
Jahr: 2001
Inhaltsverzeichnis
Seite
1 Einleitung 1
2 Problemstellung und Zielsetzung aus dem derzeitigen Kenntnisstand 3
2.1 Leichtbau 3
2.1.1 Konzeptioneller Leichtbau 3
2.1.2 Strukturoptimierter Leichtbau 4
2.1.3 Bedingungsleichtbau 5
2.1.4 Werkstoffleichtbau 6
2.2 Faserverbundwerkstoffe 7
2.2.1 Matrixwerkstoffe 8
2.2.2 Verstärkungsfasern 11
2.2.3 Textile Flächengebilde 15
2.2.3.1 Vliese 15
2.2.3.2 Gewebe, Gelege und Geflechte 16
2.2.3.3 Gestricke und Gewirke 18
2.2.4 Wabenkerne 19
2.3 Herstellung von Faserverbundbauteilen 22
2.3.1 Handarbeitsverfahren 22
2.3.2 Prepregverarbeitung 23
2.3.3 Faserspritzverfahren 24
2.3.4 Wickelverfahren 24
2.3.5 Schleuderverfahren 25
2.3.6 Pressverfahren 25
2.3.7 Pultrusion (Strangziehverfahren) 26
2.3.8 Härteverfahren 27
2.3.9 Auswahl eines geeigneten Herstellverfahrens 30
2.4 Gestaltung von Faserverbundkonstruktionen 32
2.4.1 Allgemeine Gestaltungsregeln 32
2.4.2 Versteifung durch Sandwichbauweisen 34
2.4.3 Gestaltung von Krafteinleitungen 36
2.4.4 Entformbarkeit 39
Seite
2.5 Berechnung von Faserverbundkonstruktionen 40
2.5.1 Die Mikromechanik der Einzelschicht 40
2.5.2 Die Makromechanik mehrschichtiger Laminate 41
2.5.3 Zielsetzung einer vereinfachten Vordimensionierung 43
2.5.4 Dimensionierung anhand von Werkstoffkennwerten 43
2.5.5 Ermittlung der Laminatsteifigkeiten mit Hilfe der Composite Disc 48
2.6 Sandwichkonstruktionen 49
2.6.1 Steifigkeit von Sandwichelementen 49
2.6.2 Nachweis einer genügenden Beulsteifigkeit 51
2.7 Zielsetzung 53
3 Ermittlung der Steifigkeit von Wabensandwichplatten 55
3.1 Mechanische Voraussetzungen 55
3.2 Versuchsaufbau 57
3.3 Prüfplatten 58
3.3.1 Aufbau der Prüfplatten 58
3.3.2 Spezifikationen der Ausgangsprodukte 61
3.3.2.1 Laminierharze 61
3.3.2.2 Verstärkungsgewebe 61
3.3.2.3 Wabenkerne 63
3.4 Versuchsdurchführung 64
3.5 Versuchsauswertung 65
3.5.1 Auswertung der Durchbiegung über den Druckverlauf 65
3.5.2 Berücksichtigung der Schubverformung 67
3.5.3 Darstellung der Ergebnisse 69
3.5.4 Bewertung der Ergebnisse 73
3.5.4.1 GFK-Wabensandwichplatten 73
3.5.4.2 CFK-Wabensandwichplatten 79
3.5.4.3 AFK-Wabensandwichplatten 80
3.5.4.4 Vergleich zwischen den GFK-, CFK- und AFK-Wabensandwichplatten 81
3.6 Zusammenfassung der experimentellen Untersuchungen 83
Seite
4 Entwicklungssystematik für den Ultrateichtbau in FVK-Wabensandwichbauweise 85
4.1 Gestaltung von Faserverbund-Wabensandwichbauteilen 85
4.1.1 Anwendungsbereiche für Wabensandwichkonstruktionen 85
4.1.2 Möglichkeiten der Formgestaltung 86
4.1.2.1 Platten- und Schalenkonstruktionen 87
4.1.2.2 Wabenkonstruktionen beliebig geformter Körper 87
4.1.2.3 Randgestaltung 89
4.1.2.4 Mehrfachsandwichaufbauten 90
4.1.2.5 Verformen ausgehärteter Platten- und Schalenkonstruktionen 90
4.1.3 Verklebung zwischen Wabenkern und Deckhäuten 92
4.1.4 Gestaltung von Krafteinleitungen 93
4.1.5 Verbindungstechniken 93
4.1.5.1 Nicht lösbare Verbindungen 93
4.1.5.2 Lösbare Verbindungen 95
4.2 Dimensionierung von FVK-Wabensandwichkonstruktionen 96
4.2.1 Dimensionierung der Decklagen 97
4.2.1.1 Auswahl des Decklagenwerkstoffes 97
4.2.1.2 Bestimmung von Laminatstärke und Faserorientierung 99
4.2.2 Dimensionierung des Wabenkerns 102
4.2.2.1 Auswahl des Wabenkerns 102
4.2.2.2 Bestimmung der Wabenkernstärke biegebeanspruchter Träger 104
4.2.2.3 Berücksichtigung asymmetrischer Deckschichtaufbauten bei biege¬
beanspruchten Trägern 105
4.2.2.4 Berechnungsbeispiel: Sandwichträger mit konstanter Streckenlast 106
4.2.3 Beulnachweis 107
4.2.3.1 Bestimmung des Steifigkeits-Erhöhungsfaktors k 108
4.2.3.2 Ermittlung des Beulfaktors k 108
4.2.3.3 Rechnerische Bestimmung des wirksamen Elastizitätsmoduls 112
4.2.3.4 Experimentelle Bestimmung des wirksamen Elastizitätsmoduls 113
Seite
4.3 Leitregeln zur systematischen Entwicklung von Faserverbund-Wabensandwich-
konstruktionen 114
4.3.1 Konzeptionierung 114
4.3.2 Entwurf 114
4.3.3 Detailgestaltung 115
4.3.4 Dimensionierung 116
4.3.5 Herstellung 117
5 Entwicklung des Ultaleichtflugzeuges Süence 118
5.1 Ultraleichtflugzeuge: Begriffsbestimmung 118
5.2 Beschreibung des Ultraleichtflugzeuges Silence 119
5.2.1 Entwicklungsziel 119
5.2.2 Aufbau des Flugzeuges 120
5.2.3 Technische Daten 120
5.2.3.1 Geometriedaten 120
5.2.3.2 Gewichte 121
5.2.3.3 Leistungsdaten 121
5.2.4 Bauausführung 122
5.3 Flugzeugentwurf und Bauteilentwicklung 123
5.3.1 Rumpf. 123
5.3.2 Sicherheitscockpit 126
5.3.2.1 Das Monocoque als integrales Sicherheitscockpit 126
5.3.2.2 Anbindung der Sicherheitsgurte 127
5.3.3 Einbau des Rettungsgerätes 128
5.3.4 Tragflügel und Leitwerke 129
5.3.4.1 Aufbau der Tragflügel und Leitwerke in Schalenbauweise 129
5.3.4.2 Befestigung von Tragflügeln und Leitwerken mit dem Rumpf. 130
5.3.4.3 Anbindung der Ruderklappen 131
5.3.5 Einziehfahrwerk 132
5.3.6 Antriebseinbau 135
5.3.7 Verstellpropeller 137
5.3.7.1 Aerodynamische Auslegung des Verstellpropellers 137
5.3.7.2 Konstruktiver Aufbau 138
Seite
5.4 Dimensionierung der Strukturbauteile 140
5.4.1 Lastannahmen 140
5.4.2 Formulierung des Laminataufbaus 142
5.4.3 Rechnerischer Festigkeitsnachweis am Beispiel des Tragflügels 143
5.4.3.1 Torsionsfestigkeit der Tragflügelschale 143
5.4.3.2 Beulnachweis für die Tragflügelschale 144
5.4.3.3 Dimensionierung der Holmgurte 145
5.4.3.4 Dimensionierung des Holmsteges 146
5.5 Formenbau und Bauteilherstellung 147
5.5.1 Herstellung der Urmodelle 148
5.5.1.1 Tragflügel-Urmodell 148
5.5.1.2 Rumpf-Urmodell 149
5.5.2 Herstellung der Negativformen 152
5.5.3 Herstellung der Wabensandwichbauteile 154
5.5.4 Fertigstellung 158
5.5.5 Gewichtsanalyse 159
5.6 Erprobung 161
5.6.1 Belastungstests 161
5.6.2 Dynamische Untersuchungen 163
5.6.3 Flugerprobung 164
6 Zusammenfassung und Ausblick 166
6.1 Die wichtigsten Ergebnisse im Überblick 166
6.2 Ausblick 168
7 Verzeichnisse 169
7.1 Formelzeichen und Indizes 169
7.1.1 Lateinische Formelzeichen 169
7.1.2 Griechische Formelzeichen und Sonderzeichen 170
7.1.3 Indizes 171
7.2 Literatur 171
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