DE10012906A1 - Strukturbauteil - Google Patents

Abstract

Ein Strukturbauteil, welches insbesondere für die Anwendung in Luftfahrtstrukturen vorgesehen ist, besteht im wesentlichen aus einem großflächigen Hautfeld, welches Versteifungselemente aufweist. Es besteht das Erfordernis, eine hohe Belastbarkeit gegen die dimensionierenden Lasten des Flugzeuges sowie gegenüber heutigen Bauteilen eine Gewichtsreduzierung zu erreichen und den Fertigungsaufwand zur Herstellung solcher Flugzeugbauteile zu verringern. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das Strukturbauteil aus einer großflächigen Gussstruktur zu bilden. DOLLAR A Dabei ist insbesondere von Vorteil, dass mit dem erfindungsgemäßen Strukturbauteil eine höhere Steifigkeit als mit vergleichbaren Differentialstrukturen erreicht werden kann. Auch können der Herstellaufwand sowie das Gewicht von einem solchen Bauteil erheblich gesenkt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil, insbesondere für die Anwendung in Luftfahrtstrukturen, wobei im wesentlichen ein großflächiges Hautfeld vorgese­ hen ist, welches Versteifungselemente aufweist.

Derzeit ist es üblich, großflächige tragende Bauteile für die Struktur eines Luftfahrzeuges mittels Niettechnik bzw. zum Teil auch mittels Klebetechnik herzustellen. Solche Bauteile sind beispielsweise aus DE 34 38 584 bekannt. Hierbei ist der Fertigungsaufwand erheblich, da für das Herstellen von großflä­ chigen Primärstrukturbauteilen eine große Anzahl von Nieten gesetzt werden muß. Für das Verfahren Nieten sind viele Arbeitschritte wie Bohren, Dichtmittel­ setzen und Nietzuführen und das Nietsetzen notwendig. Ein Primärstrukturbau­ teil, wie beispielsweise ein innendruckbelastbares Flugzeugrumpfbauteil, ist zudem meist in Differentialbauweise ausgeführt und mit Versteifungselementen sowie Anschlußelementen ausgestattet, was den Herstellungsaufwand ebenfalls erhöht.

Weiterhin ist es nachteilig, daß aufgrund des verwendeten Materials und der notwendigen Versteifungen ein hohes Bauteilgewicht entsteht, deren Verringe­ rung eine immerwährende Forderung im Flugzeugbau darstellt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Struktur­ bauteil derart auszubilden, das eine hohe Belastbarkeit gegen die dimensionie­ renden Lasten des Flugzeuges sowie gegenüber heutigen Bauteilen eine Ge­ wichtsreduzierung erreicht wird und der Fertigungsaufwand zur Herstellung solcher Flugzeugbauteile verringert werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Strukturbauteil mit den im Patentanspruch 1 genannten Maßnahmen gelöst.

Dabei ist insbesondere von Vorteil, daß mit dem erfindungsgemäßen Struktur­ bauteil eine höhere Steifigkeit als mit vergleichbaren Differentialstrukturen erreicht werden kann. Auch können der Herstellaufwand sowie das Gewicht von einem solchen Bauteil erheblich gesenkt werden.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 14 angegeben.

Mit der Ausbildung des Strukturbauteils gemäß Anspruch 2 und 3 ist erreicht, daß großflächige Flugzeugbauteile, insbesondere unter Innendruck stehende Teile derart ausgebildet werden können.

Die Maßnahmen gemäß der Ansprüche 4 und 5 zeigen Möglichkeiten zur Erhö­ hung der Steifigkeit des erfindungsgemäßen Strukturbauteils auf. Zur Gewichts­ reduzierung ist die Maßnahme nach Anspruch 6 vorgesehen.

Mit der Ausbildung des Strukturbauteils nach Anspruch 7 ist vorteilhaft erreicht, daß keine weiteren Strukturverstärkungen in das Bauteil eingebracht werden müssen und somit eine Gewichtsreduzierung ermöglicht ist.

Die Maßnahmen gemäß der Ansprüche 8, 9 und 10 zeigen Alternativen zur konkreten Ausgestaltung einer Verstärkungsstruktur, die gusstechnisch ausge­ legt werden kann. Es ist damit ein hoher Symmetrieanteil um mehrere Achsen erreicht, der eine wirtschaftliche Fertigung der Gießwerkzeuge ermöglicht.

Die Ausbildung gemäß Anspruch 11 zeigt eine weitere alternative Ausführung einer Verstärkungsstruktur.

Mit den Maßnahmen der Ansprüche 12, 13 und 14 ist ein Einsatz des Struktur­ bauteils als Flugzeugbauteil sowie eine Integration von notwendigen Ausrüstun­ gen in das Bauteil erreicht.

Im Anspruch 15 ist ein bevorzugtes Herstellverfahren angegeben.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die nach­ stehend anhand der Fig. 1 bis 11 näher beschrieben sind. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Zeichnung zeigt im einzelnen:

Fig. 1 einen Strukturbauteilbereich in einer ersten Ausführungs­ form mit Versteifungselementen als Gussbauteil,

Fig. 2 das Strukturbauteil gemäß Fig. 1 in der Anwendung für eine Flugzeugtür in einer Perspektivdarstellung,

Fig. 3 die Flugzeugtür in einer Ansicht von vorn mit Blick auf die Innenhaut,

Fig. 4 eine Seitenansicht der Flugzeugtür,

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung des Strukturbauteils in der ersten Ausführungsform,

Fig. 6 bis 8 Detaildarstellungen von in die Flugzeugtür integrierten Hebelgehäuse und Fensterrahmen,

Fig. 9 ein Strukturbauteilbereich als Gussbauteil in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 10 das Strukturbauteil gemäß Fig. 9 in einer Ansicht von vorn in der Anwendung für eine Flugzeugtür und

Fig. 11 eine vergrößerte Detailansicht des Strukturbauteils in der zweiten Ausführungsform.

In Fig. 1 ist ein Strukturbauteil 1 ersichtlich, welches insbesondere für die Anwendung in Luftfahrtstrukturen als innendruckbelastbares Bauteil geeignet ist. Es ist im wesentlichen ein großflächiges, leicht gekrümmtes Hautfeld 2 (als Außenhaut) vorgesehen, welches im Inneren Hautfeldversteifungselemente 3 sowie Strukturversteifungselemente 4 aufweist. Die Versteifungselemente 3 sind in der ersten Ausführungsform rechteckförmig auf dem Hautfeld 2 ange­ ordnet. In einer zweiten Ausführungsform, die später noch ausführlicher be­ schrieben und in Fig. 9 gezeigt wird, sind die Versteifungselemente (3') wabenförmig auf dem Hautfeld (2') angeordnet. Die Hautfeldversteifungen 3 (3') sind notwendig, um die Deformationen infolge radialer Belastung zu verringern. Die Versteifungen können beispielsweise als einfache Stege ohne Flansche ausge­ führt und in ihrer Höhe den Steifigkeitserfordernissen angepasst werden. Die Strukturversteifungselemente 4 sind mittels Versteifungsrippen 5 gebildet, die in einem größeren Abstand als die Hautfeldversteifungen 3 rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Sie stehen senkrecht auf dem Hautfeld 2 und ergeben so rechteckförmige Versteifungen. In den Rippenelementen 5 können zur Gewichtsreduzierung Aussparungen 6 vorgesehen sein. Auf den Verstei­ fungsrippen 5 kann eine im wesentlichen parallel zum ersten Hautfeld (Außen­ haut) 2 verlaufende Innenhaut 7 angeordnet sein. Die Innenhaut 7 weist eben­ falls Aussparungen 8 auf, die für die Zugänglichkeit sowie als eine gewichts­ mindernde Maßnahme notwendig sind. Die Ränder der Aussparungen 6 und 8 können geeignet verstärkt werden. In Fig. 5 sind in einer Detailansicht weitere Einzelheiten des Strukturbauteils 1 in einer ersten Ausführungsform gezeigt. Ein solches Strukturbauteil 1 ist als Gussbauteil ausgeführt. Als bevorzugte Verfah­ ren sind für die Herstellung eines großflächigen Strukturbauteils 1 das Sand- und das Feingussverfahren vorgesehen. Als Material können Leichtmetall- Legierungen (Al, Mg, Ti) verwendet werden.

In der Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes großflächiges Strukturbauteil 1 in der Anwendung als Passagiertür 10 eines Flugzeuges in Perspektivdarstellung gezeigt. Eine Anwendung als Flugzeugpassagiertür 10 ist vorteilhaft, da mittels der Versteifungselemente 3 und 5 eine homogene Strukturversteifung erreicht wird. Eine solche Anordnung ist optimal für den Kraftfluß im Bauteil. Dies ist insbesondere im Bereich des Übergangs Türstruktur/Türrahmen von Bedeu­ tung. Auch können aufgrund der regelmäßigen, rechteckförmigen Versteifungs­ struktur weitere Einrichtungen, wie beispielweise eine Öffnungsmechanik, eine Notrutsche, Aktuatoren und Motoren einfach in die Flugzeugtür 10 integriert werden. Zusätzlich bietet die Gußtechnik die Möglichkeit, weitere funktionale Bestandteile bzw. Einzelteile in das Gußteil zu integrieren.

Die Flugzeugtür 10 ist in den Fig. 3 und 4 in weiteren Ansichten ersichtlich. In der Fig. 3 ist die Flugzeugtür 10 in einer Draufsicht mit Blick auf die Innen­ haut 7 gezeigt. Durch die rechteckförmige, regelmäßige Anordnung der Verstei­ fungselemente 3 und 5 können Anbauteile (Lager, Halter) auf einfache Weise mit dem Gußteil verbunden werden und im Reparaturfalle auch ausgetauscht werden. Weiterhin sind Aussparungen 11 und 12 in diesem Bauteil zum einen für ein Fenster und zum anderen für den Öffnungsmechanismus der Tür 10 vorgesehen.

In Fig. 4 ist eine Seitenansicht der Passagiertür 10 gezeigt. Es sind das leicht konvex gekrümmte Hautfeld 2 der Außenhaut sowie die Versteifungsrippen 5 ersichtlich, die vorzugsweise im wesentlichen senkrecht auf dem Hautfeld 2 angeordnet sind. Die Höhe, Dimensionierung und die Anordnung der Verstei­ fungsrippen 5 sowie das Vorsehen von Lasteinleitungspunkten 13, in anderen Worten die Auslegung des Strukturbauteils 1, sind abhängig von deren Belas­ tung sowie deren Anbindung an die Gesamtstruktur, d. h. beispielsweise an den Flugzeugrumpf und können nach üblichen Methoden, beispielsweise mittels der Finiten-Elemente-Methode berechnet werden.

In Fig. 5 sind Einzelheiten des Strukturbauteils 1 in einer vergrößerten Detailan­ sicht ersichtlich. Die rechteckförmig, senkrecht auf dem Hautfeld 2 angeordne­ ten Hautfeldversteifungen 3 und die Struktur-Versteifungsrippen 5 sind erkenn­ bar. Aufgrund einer gusstechnischen Auslegung des Strukturbauteils 1 ist ersichtlich, daß an den Anschlußpunkten zwischen den Verstärkungsrippen 5 und den Hautfeldversteifungen 3 (beispielhaft mit Bezugszeichen 14 gezeigt) Übergangsradien vorzusehen sind. Die Wandstärken der einzelnen Elemente des Strukturbauteils 1 können in Guß optimal gestaltet werden und für die Bereiche des Strukturbauteils 1 mit geringeren Belastungen werden sie auf das gusstech­ nisch mögliche Minimum reduziert. Für die Außenhaut 2 ist in einer bevorzugten Ausgestaltung eine Wanddicke von 1,5 mm vorgesehen. Für Bereiche mit höherer Belastung werden zum Erzielen einer ausreichenden Belastbarkeit die Wandstärken entsprechend erhöht. So ist an den Anschlußbereichen vom Hautfeld 2 zu den Hautfeldversteifungen 3 eine Verdickung bis 2 mm vorgese­ hen. Am primären Lasteinleitungspunkt 13 entstehen Wandstärken bis zu 8 mm. Zum Erzielen einer Gewichtsreduzierung der Passagiertür 10 sind die Ausspa­ rungen 6 in den Versteifungsrippen 5 und die Aussparungen 8 in der Innenhaut 7 so groß wie möglich gestaltet und die Ränder 6A bzw. 8A der Aussparungen 6 bzw. 8 gegebenenfalls versteift, d. h. an dieser Stelle die Wandstärken vergrö­ ßert.

In den Fig. 6 bis 8 sind im Detail die für eine Flugzeugpassagiertür 10 notwen­ digen Maßnahmen zur Integration des Öffnungsmechanismusses in die Guß­ struktur 1 sowie zur Integration eines Rahmens eines Fensters ersichtlich. Fig. 6 zeigt die Bereiche VII sowie VIII, in denen eine Integration erfolgen soll und die Aussparung 12 für das Fenster und die Aussparung 11 für einen Hebel des Öffnungsmechanismuses ersichtlich ist.

In den Fig. 7A und 7B ist erkennbar, daß neben der Aussparung 11 in der Außenhaut 2 für den Öffnungshebel auch ein Gehäuse 16 in die Gußstruktur 1 integriert wird. Das Gehäuse 16 für den Öffnungshebel ist vorzugsweise in seiner Längsausdehnung horizontal in die Flugzeugtür 10 eingebracht, da mit dieser Ausrichtung eine höhere Steifigkeit gegen die Durchbiegung der Tür 10 gewährleistet wird.

In der Fig. 8 ist ein vergrößerter Ausschnitt des Bereichs VIII ersichtlich, der die Aussparung 12 für ein Fenster in der Flugzeugtür 10 zeigt. Die Aussparung 12 ist mit einem Rahmen 15 versehen, der - so wie auch das Gehäuse 16 - in die vorhandene Hautfeld- bzw. Rippenversteifungsstruktur 3 bzw. 4 nach gießtech­ nischen Prinzipien integriert ist.

Ein Strukturbauteil 1' in einer zweiten Ausführungsform ist ausschnittsweise in der Fig. 9 gezeigt. Ein solches Strukturbauteil 1' ist mit einer wabenförmigen Versteifungsstruktur vorgesehen. Die Strukturversteifungselemente (Verstei­ fungsrippen) 5' und Hautfeldversteifungselemente 3' sind hier hexagonal ange­ ordnet, was in bezug auf die Lasteinleitung in dieses Bauteil 1' vorteilhaft ist.

In der nachfolgenden Fig. 10 ist eine Flugzeugtür 10' gezeigt, die nach den Prinzipien einer gusstechnisch ausgelegten, mit hexagonalen Versteifungsele­ menten 4' (Versteifungsrippen 5') versehenen Struktur 1' gestaltet ist. Ersicht­ lich ist eine "verzerrte" Wabenstruktur, deren Struktur angepaßt ist an eine optimierte Lasteinleitung. Die Größe der durch die Versteifungsrippen 5' gebilde­ ten Waben wird angepaßt an die in die Struktur eingeleiteten Lasten.

Im Detail ist das Strukturbauteil 1' bzw. 10' in der Fig. 11 gezeigt. Hier sind Hautfeldversteifungselemente 3' ersichtlich, die zur Versteifung der Außenhaut 2' vorgesehen sind. Eine beispielhafte Anordnung der Hautfeldversteifungsele­ mente 3' ist der Fig. 11A zu entnehmen. Wesentlich ist für eine vorteilhafte Anordnung, daß der Kraftfluß im Bauteil optimiert und ein hoher Symmetriean­ teil erreicht wird, um unter anderem die Herstellung des Strukturbauteils 1' bzw. 10' fertigungstechnisch günstig durchführen zu können.

Das Strukturbauteil 1' ist weiterhin mit die Versteifungselemente 4' bildenden Versteifungsrippen 5' ausgestattet, die eine hexagonale oder auch eine rhom­ benförmige Anordnung bilden. Zur Gewichtsreduzierung sind wie schon im ersten Ausführungsbeispiel ebenfalls Aussparungen 6' bzw. 8' in den Verstei­ fungsrippen 5' bzw. der Innenhaut 7' vorgesehen. Vorzugsweise können die Ränder der Aussparungen 6' und 8' auch Versteifungen 6'A und 8'A aufweisen.

In einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) ist es auch möglich, eine regelmäßige Wabenstruktur als flächige Versteifungsstruktur für das Hautfeld vorzusehen. Möglich sind auch andere geometrische Anordnungen von Haut­ feldversteifungselementen und Strukturversteifungselementen, um eine flächige Versteifungsstruktur zu erzeugen. Wesentlich dabei ist, daß die gusstechnische Auslegung an die vorgegebenen Lastverläufe und Randbedingungen angepaßt und in einem Bauteil integriert werden kann.

Bezugszeichen

1

,

1

' Strukturbauteil

2

,

2

' Hautfeld

3

,

3

' Hautfeldversteifungselemente

4

,

4

' Versteifungselemente (Versteifungsstruktur)

5

,

5

' Versteifungsrippen

6

,

6

' Aussparungen in Rippen

5

,

5

'

6

A,

6

A' Lochrandverstärkung, Versteifung der Aussparung

6

7

,

7

' Innenhaut

8

,

8

' Aussparungen in Innenhaut

8

A,

8

A' Versteifung der Aussparung

8

10

,

10

' Passagiertür

11

Aussparung in der Tür für die Öffnungsmechanik

12

Aussparung in der Tür für das Fenster

13

,

13

' Lasteinleitungspunkt

14

Anschlußpunkt zwischen Hautfeldversteifung und Rippen

15

Fensterrahmen

16

Gehäuse

Claims (15)

1. Strukturbauteil (1, 1'), insbesondere für die Anwendung in Luftfahrt­ strukturen, wobei im wesentlichen ein großflächiges Hautfeld (2, 2') vor­ gesehen ist, welches Versteifungselemente (3, 4; 3', 4') aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Strukturbauteil (1, 1') aus einer großflächigen Gußstruktur gebildet ist.

2. Strukturbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das großflächige Hautfeld (2, 2') eine Außenhaut bildet und die Verstei­ fungselemente (3, 4; 3', 4') eine Versteifungsstruktur bilden.

3. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Strukturbauteil (1, 1') eine leicht konvex gekrümmte Form aufweist, die dem Krümmungsradius eines Flugzeugrumpfes entspricht und als in­ nendruckbelastbares Flugzeugbauteil (10) einsetzbar ist.

4. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungsstruktur Hautfeldversteifungselemente (3, 3') und Struk­ turversteifungselemente (4, 4') aufweist, wobei als Strukturversteifungs­ elemente (4, 4') Versteifungsrippen (5, 5') vorgesehen sind.

5. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Innenhaut (7, 7') auf die Versteifungsstruktur aufgebracht ist.

6. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Versteifungsrippen (5, 5') und/oder der Innenhaut (7, 7') Ausspa­ rungen (6, 8; 6', 8') vorgesehen sind.

7. Strukturbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den Rändern der Aussparungen (6, 8; 6', 8') Versteifungsmittel (6A, 8A; 6A', 8A') angeordnet sind.

8. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungselemente (3, 5; 3', 5') auf dem Hautfeld (2) in der Weise angeordnet sind, daß sie regelmäßig angeordnete Rechtecke ergeben ("Rechteckstruktur").

9. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungselemente (3, 5; 3', 5') auf dem Hautfeld (2) in der Weise angeordnet sind, daß sie mehrere nebeneinander angeordnete hexagonale Flächen ergeben, die eine Wabenstruktur bilden.

10. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungselemente (3, 5; 3', 5') auf dem Hautfeld (2) in der Weise angeordnet sind, daß sie nebeneinander angeordnete Vierecke ergeben, die eine Rautenstruktur bilden.

11. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungselemente (3, 5; 3', 5') auf dem Hautfeld (2) in der Weise angeordnet sind, daß sie nebeneinander angeordnete Vielecke ergeben.

12. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungsstruktur (3, 5; 3', 5') im Bereich des Außenrandes des Strukturbauteils (1) Lasteinleitungspunkte (13) umfaßt.

13. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gussstruktur (1, 1') mindestens eine Aussparung (11, 12) und/ oder mindestens ein Gehäuse (16) für weitere Bauteile vorgesehen ist.

14. Strukturbauteil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Verwendung für eine Primärstruktur eines Flugzeugrumpfes, wie beispielsweise eine Flugzeugtür (10), eine Zugangsklappe oder ein Frachttor vorgesehen ist.

15. Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gießverfahren, wie Sand-, Fein- oder Druckguß als Herstellungsver­ fahren genutzt und eine gussgeeignete Leichtmetall-Legierung (Al, Mg, Ti) verwendet wird.