-
Die
Erfindung betrifft ein metallisches, integrales Strukturbauteil
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Die Erfindung findet insbesondere in der
Luftfahrttechnik Anwendung, beispielsweise bei integralen Hautfeld-Stringer-Strukturen.
-
Ein
Großteil
der Flugzeugstrukturen, wie z. B. Rumpf und Flügel, wird aus metallischen
Werkstoffen hergestellt. Um primär
Steifigkeits- und Festigkeitsanforderungen zu erfüllen, werden
bekanntlich Hautfelder mit entsprechenden Versteifungselementen
versehen. Beispielsweise wird die Außenhaut des Flugzeugrumpfes
in Längsrichtung
durch Stringer und in Umfangsrichtung mit Spanten verstärkt. Wird
als Fügeverfahren
zum Verbinden von Hautfeld und Versteifungselement das Nieten oder Kleben
verwendet, spricht man von einer differentialen Bauweise.
-
Daneben
sind integrale Strukturbauteile bekannt, bei denen eine direkte
Verbindung zwischen Hautfeld und Versteifungselementen beispielsweise mittels
Laserschweißen
(
DE 196 39 667 C1 )
oder gleichzeitigem Extrudieren von Hautfeld und Versteifungselementen
hergestellt wird. Derartige integrale Strukturbauteile können aber
auch mittels Gießen, Schmieden,
Fräsen,
Sintern oder anderen Urformverfahren als Monolith hergestellt werden.
-
Wesentlich
bei der Anwendung derartiger Strukturbauteile in Flugzeugen ist
deren Rissfortschritts- sowie Restfestigkeitsverhalten. Bei einem schlechten
Rissfortschrittsverhalten können
durch in der Struktur fortlaufende Risse die Versteifungselemente
beschädigt
oder zerstört
werden, was ein deutlich vermindertes Rissfortschritts- und Restfestigkeitsverhalten
zur Folge hat und insbesondere bei integralen Strukturen problematisch
ist, was nachstehend noch genauer erläutert wird.
-
Im
Falle einer differentialen Bauweise läuft der Hautriss unter dem
Versteifungselement hindurch. Das Versteifungselement bleibt aber
unbeschädigt
und überbrückt den
Riss, so dass als positiver Effekt der Riss in seiner weiteren Ausbreitung
behindert wird. Bei einer solchen Differentialbauweise wirken die
genieteten oder verklebten Versteifungselemente als Rissstopper
bzw. Rissverzögerer.
Der Rissfortschritt in der Rumpfbeplankung wird gestoppt bzw. verzögert, da
die Rissspitze durch die genietete oder geklebte Versteifung über eine
bestimmte Anzahl von Lastwechseln zusammengehalten wird. Gleichzeitig
bleibt die Restfestigkeit des angerissenen Bauteils auf einem hohen
Niveau, da das unbeschädigte
Versteifungselement weiterhin einen Teil der statischen Gesamtlast übernehmen
kann.
-
Im
Gegensatz dazu teilt sich im Fall einer integralen Bauweise die
Rissspitze im Fußbereich
des Versteifungselements in einen Hautriss und einen Versteifungsriss
auf, und beide Risse breiten sich in den Teilkomponenten aus. Ein
durch einen Teilanriss geschädigtes
Versteifungselement besitzt im Gegensatz zu einem differential angebrachten
Versteifungselement prinzipiell sowohl eine reduzierte Festigkeit als
auch eine reduzierte Steifigkeit. Dadurch erfolgt kein effektives
Zusammenhalten des Hautrisses, so dass dieser in seiner weiteren
Ausbildung unzureichend behindert wird. Dieses Verhalten führt zu einer verminderten
Restfestigkeit und zu einem ungünstigen
Rissfortschrittsverhalten.
-
Bisher
werden Strukturbauteile in der Luftfahrttechnik regelmäßig nach
vorgeschriebenen Wartungsintervallen inspiziert und auf Risse untersucht (sog.
Schadenstoleranz-Konzept). Zur Zulassung eines Luftfahrzeuges muss nachgewiesen
werden, dass durch Risse innerhalb eines Inspektionsintervalls keine
zum Versagen der Struktur führenden Schädigungen
auftreten.
-
Ferner
ist bekannt, dass durch spezielle Strukturformen metallische Schalenbauteile
mit ausreichendem Rissfortschritts- und Restfestigkeitsverhalten
geschaffen werden können.
In
DE 199 24 909 C1 ist
z. B. die Aufdickung eines Versteifungselements in dessen Fußbereich
beschrieben.
-
DE 103 31 990 A1 offenbart
zur Unterbindung der Rissausbreitung eine schmale metallisch induzierte
Feinkornzone in ein Aluminium-Strukturbauteil einzubringen, um eine
gezielte Rissablenkung entlang der Verbindungslinie bzw. Fügeebene von
Hautfeld und Versteifungselement hervorzurufen. Um das Fortschreiten
von Nebenrissen entlang der Fügeebene
zu reduzieren bzw. zu stoppen, können
in dem Versteifungselement zusätzliche
Borungen vorgesehen sein, die entlang der Fügeebene, benachbart zum angeschweißten Hautfeld,
angeordnet sind.
-
In
EP 1323 631 A1 wird
zur Verbesserung des Rissfortschrittsverhaltens integraler Strukturen die
Verwendung einer separaten Komponente, die in das Versteifungsprofil
zur Bildung einer internen Grenzfläche eingebracht ist, vorgeschlagen.
-
Ferner
geht aus
EP 1 291 279
A2 und
EP 1 166
950 A2 hervor, dass durch gezieltes Einbringen eines separaten
Bauteils nicht durch integrale Maßnahmen, sondern durch gezieltes
Anordnen einer Differentialbauweise, das Schadenstoleranzverhalten,
insbesondere hinsichtlich Rissfortschritt und Restfestigkeit, verbessert
werden kann.
-
Aus
der Patentschrift
DE
103 01 445 B4 ist ferner ein Leichtbau-Strukturbauteil,
insbesondere für
Flugzeuge, bekannt, welches aus mindestens einem Hautblech und darauf
längs oder
quer oder längs
und quer angeordneten Versteifungselementen besteht, die jeweils
mit ihrem Fuß stoffschlüssig vollständig zumindest
teilweise mit dem Hautblech verbunden sind, wobei der Steg des Versteifungselementes
auf seiner dem Hautblech zugewandten Seite aus zwei Schenkeln besteht,
die beide mittels zweier getrennter Fügezonen stoffschlüssig mit
dem Hautfeld verbunden sind.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein metallisches, integrales
Strukturbauteil zu schaffen, bei dem auf besonders einfache Art
und Weise die Rissablenkung eines sich im Hautfeld ausbreitenden
Risses möglich
ist, um eine Ausbreitung des Risses auf mit dem Hautfeld integral
verbundene Versteifungselemente wirksam zu verhindern, so dass ein
verbessertes Rissfortschritts- und Restfestigkeitsverhalten gewährleistet
ist.
-
Die
Aufgabe wird durch ein metallisches Strukturbauteil gelöst, das
ein Hautfeld sowie mindestens ein an dem Hautfeld angeordnetes Versteifungselement
umfasst, wobei das Versteifungselement in integraler Bauweise mit
dem Hautfeld verbunden ist, und das sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet,
dass das Hautfeld und/oder aufgedickte Abschnitte des Hautfeldes
mit zumindest einer Aussparung versehen sind, wobei die Dicke des
Hautfeldes und/oder des aufgedickten Abschnitts im Bereich der Aussparung
reduziert ist.
-
Durch
entsprechend angeordnete Aussparungen werden definierte Dickensprünge in das Hautfeld
eingebracht. Als „Dicke" wird die Ausdehnung
des Hautfeldes in einer Richtung senkrecht zur Hautfeld-Ebene verstanden.
Dabei kann die Dicke des Hautfeldes an sich variieren, beispielsweise durch
aufgedickte Bereiche des Hautfeldes. Erfindungswesentlich ist jedoch,
dass durch entsprechende Aussparungen stellenweise die Dicke des
Hautfeldes gezielt reduziert wird, so dass Dickensprünge in das
Hautfeld eingebracht werden. Je nach Art der Einbringung der Aussparungen
sind die Dickensprünge
abrupt (z. B. bei gefrästen
Aussparungen) oder sie weisen einen eher graduellen Übergang
von einer maximalen Dicke bis zu einer minimalen Dicke auf (z. B.
bei geätzten
Aussparungen). Die Aussparung kann selbstverständlich auch in Form eines Loches
(z. B. Langloches) ausgebildet sein. Trifft ein im Hautfeld fortschreitender
Riss auf eine Aussparung, ist der Riss gezwungen, einen durch den
Dickensprung vorgegebenen Pfad einzunehmen. Folglich wird der Riss
aus seiner ursprünglichen
Richtung abgelenkt bzw. seine Richtung wird gedreht, so dass er nicht
auf mit dem Hautfeld verbundene Versteifungselemente übergeht.
Innerhalb des vorgegebenen Pfades wird die Spannung reduziert, wodurch
die Rissausbreitung zusätzlich
gehemmt oder sogar ganz gestoppt wird.
-
Zweckmäßigerweise
ist die zumindest eine Aussparung, die in dem Hautfeld und/oder
in dem aufgedickten Abschnitt des Hautfelds vorgesehenen ist, benachbart
zum Versteifungselement angeordnet.
-
Vorzugsweise
ist die zumindest eine Aussparung im Wesentlichen parallel zur Verbindungslinie
von Hautfeld und Versteifungselement angeordnet. Dadurch wird auf
besonders effektive Weise die Ausbreitung eines sich im Hautfeld
ausbreitenden Risses auf Versteifungselemente verhindert.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weist
die zumindest eine Aussparung eine längliche Form auf und kann beispielsweise
als Langloch ausgebildet sein. Alternative kann die zumindest eine Aussparung
eine zickzack- oder wellenförmige
Gestalt aufweisen.
-
Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
sind mehrere längliche
Aussparungen, z. B. in Form von Langlöchern, vorgesehen, die jeweils
in der Ebene des Hautfeldes bezüglich
einer Richtung senkrecht zum Versteifungselement – nachfolgend
auch als y-Richtung bezeichnet – unter einem
Winkel φ geneigt
angeordnet sind. Typischerweise nimmt der Winkel φ Werte zwischen
+90° und –90° ein, wobei
jedoch vorzugsweise alle Aussparungen identisch ausgerichtet sind,
d. h. unter gleichem Winkel φ angeordnet
sind.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird der aufgedickte Abschnitt des Hautfeldes durch einen Fußbereich
des Versteifungselements, über
den das Versteifungselement an dem Hautfeld angebracht ist, gebildet.
Dabei sind vorzugsweise die Aussparungen in dem Fußbereich
des Versteifungselements angeordnet.
-
Typischerweise
werden die Aussparungen mittels Fräsen, insbesondere chemischem
Fräsen,
in das Hautfeld und/oder den aufgedickten Abschnitt des Hautfeldes,
insbesondere den Fußbereich
des Versteifungselements, eingebracht. Selbstverständlich können auch
andere Verfahren (z. B. Ätzen)
verwendet werden.
-
Das
erfindungsgemäße Strukturbauteil
lässt sich
auf besonders einfache Weise herstellen, wenn zunächst in
den Fußbereich
des Versteifungselements Aussparungen (z. B. Langlöcher) beispielsweise
mittels chemischem Fräsen
eingebracht werden. In einem weiteren Schritt wird das Versteifungselement über Anschweißen des
Fußbereiches
an dem Hautfeld mit diesem integral verbunden. Auf diese Weise werden
Dickensprünge
in den durch den Fußbereich
des Versteifungselements gebildeten aufgedickten Abschnitt des Hautfeldes
auf besonders einfache Weise eingebracht.
-
Selbstverständlich kann
auch zunächst
ein Versteifungselement, egal ob mit oder ohne Fußbereich,
an das Hautfeld angeschweißt
werden. Anschließend
werden dann an den gewünschten
Stellen Aussparungen, z. B. mittels Fräsen, in das Hautfeld eingebracht.
-
Das
erfindungsgemäße Strukturbauteil
weist bessere Schadenstoleranz-Eigenschaften
als bekannte integrale Strukturen auf, da durch Drehung und Hemmung
des Risses, die an dem Hautfeld angebrachten Versteifungselemente
keine Schädigung erfahren.
-
Setzt
man das erfindungsgemäße Strukturbauteil
z. Bq. in Flugzeugen ein, ist dies ohne Mehrkosten realisierbar,
da die Dickensprünge
im Hautfeld ohne zusätzlichen
Bearbeitungsprozess, insbesondere während des chemischen Fräsens der
Hautfelder, eingebracht werden können.
-
Weitere
Ausbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden
nachstehend anhand der 1 bis 7 beschrieben.
In den Figuren sind jeweils gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen
versehen.
-
Es
zeigt:
-
1 eine
schematische dreidimensionale Darstellung einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Strukturbauteils
mit zumindest einer länglichen
Aussparung;
-
2 eine
Teilansicht der länglichen
Aussparung von 1 in vergrößerter Darstellung, zur Erläuterung
der Rissablenkung;
-
3 eine
schematische dreidimensionale Darstellung einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Strukturbauteils;
-
4 eine
Draufsicht auf die in 3 dargestellten Aussparungen;
-
5 eine
Ansicht, die der von 4 entspricht, aber eine wellen-
bzw. zickzackförmige
Aussparung zeigt;
-
6 eine
schematische dreidimensionale Darstellung einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Strukturbauteils,
das ein Hautfeld mit einer Hautaufdickung umfasst; und
-
7 eine
schematische dreidimensionale Darstellung einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Strukturbauteils,
bei dem ein Versteifungselement ohne Fußbereich direkt an dem Hautfeld
in integraler Bauweise angeordnet ist.
-
1 zeigt
in schematischer dreidimensionaler Darstellung ein metallisches
Schalenbauteil 1, gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung. Das Strukturbauteil 1 besteht aus einem
Hautfeld 2 und einem Versteifungselement 3, die
in integraler Bauweise auf bekannte Art und Weise (z. B. mittels Schweißen) miteinander
verbunden sind. Die Versteifungselemente 3 sind typischerweise
Stringer oder Spanten, wobei in 1 zur besseren
Darstellung lediglich ein derartiges Versteifungselement 3 dargestellt
ist. Das Versteifungselement 3 weist hier einen Fußbereich 4 auf, über den
das Versteifungselement 3 mit dem Hautfeld 2 verbunden
ist. Der Fußbereich 4 wird
nachstehend auch als aufgedickter Abschnitt des Hautfeldes 2 bezeichnet.
Benachbart zu dem Versteifungselement 3 ist in dem aufgedickten
Abschnitt 4 des Hautfeldes 2 eine längliche
Aussparung 5 angeordnet, die im Wesentlichen parallel zur
Verbindungslinie (d. h. Schweißnaht)
von Hautfeld 2 und Versteifungselement 3 verläuft, was
nachfolgend auch als x-Richtung bezeichnet wird und durch das in 1 angedeutete
Koordinatensystem zum Ausdruck kommt. Zur Vereinfachung der zeichnerischen
Darstellung ist lediglich eine einzige Aussparung 5 dargestellt,
die sich links vom Versteifungselement 3 befindet. Selbstverständlich können auch
mehrere derartige Aussparungen 5 sowohl links als auch
rechts vom Versteifungselement 3, in nicht aufgedickten
und/oder aufgedickten Abschnitten des Hautfeldes 2 angeordnet
sein. Die Aussparung 5 kann auch eine beliebig andere Form
aufweisen (z. B. kreisförmig).
Durch die Aussparung 5 wird die Dicke des Hautfeldes 2 bzw.
des durch den Fußbereich 4 aufgedickten
Abschnitts des Hautfeldes variiert, d. h. die Abmessungen in z-Richtung
werden derart verändert,
dass die Dicke des Hautfeldes 2 innerhalb des Bereiches
der Aussparung 5 reduziert ist.
-
Trifft
ein sich im Hautfeld 2 ausbreitender Riss, der in 2 mit „A" bezeichnet ist,
auf die Aussparung 5, wird der Riss gezwungen, einen durch den Hautdickensprung
vorgegebenen Pfad einzunehmen. Bei dem in 2 gezeigten
Beispiel erfolgt dies derart, dass der Riss A an der Stelle B nach rechts
abgelenkt wird, und somit einen Richtungswechsel erfährt. Innerhalb
des durch die Aussparung 5 vorgegebenen Pfades wird die
Rissspitze spannungsfrei, so dass die Rissausbreitung gehemmt oder
sogar ganz gebremst wird. Durch eine derartige Rissablenkung bzw.
Rissdrehung wird vermieden, dass der Riss auf das Versteifungselement
(in 2 nicht dargestellt) übergeht, so dass das Versteifungselement
keine Schädigung
erfährt.
-
Das
in 1 dargestellte Strukturbauteil 1 kann
wie folgt hergestellt werden: Zunächst wird in den Fußbereich 4 des
Versteifungselements 3 die gewünschte Anzahl von Aussparungen 5 mittels
Fräsen (insbesondere
chemischem Fräsen)
eingebracht. Dabei kann die Aussparung 5 beispielsweise
in Form eines Langloches, wie es in 1 und 2 dargestellt
ist, ausgebildet sein, wobei das Material des Stringerfußes 4 im
Bereich der Aussparung 5 ganz entfernt wird. Anschließend wird
der Fußbereich 4 des
Versteifungselements 3 mit dem Hautfeld 2 verschweißt.
-
Alternativ
kann auch in einem ersten Schritt das Versteifungselement 3 bzw.
dessen Fußbereich 4 mit
dem Hautfeld 2 verschweißt werden. Anschließend wird
dann vorzugsweise in den aufgedickten Abschnitt des Hautfeldes,
der sich durch den Fußbereich 4 des
Versteifungselements 3 bildet, die gewünschte Anzahl von Aussparung
mittels Fräsen
eingebracht. Dabei kann sowohl Material des Fußbereiches 4 als auch
des darunter liegenden Hautfeldes 2 entfernt werden, oder
lediglich Material des Fußbereiches 4,
je nachdem, welche Dickenänderung
gewünscht
wird. Die Form, Ausrichtung bzw. Orientierung der Aussparungen kann
je nach Anwendungszweck variieren. Selbstverständlich können auch alternativ oder zusätzlich die
Aussparungen in einem nicht aufgedickten Abschnitt des Hautfeldes
angeordnet werden.
-
4 zeigt
in schematischer dreidimensionaler Darstellung eine weitere Ausführungsform
des Strukturbauteils 1, das ein Hautfeld 2 sowie
ein Versteifungselement 3 umfasst, wobei das Versteifungselement 3 einen
Fußbereich 4 aufweist, über den
das Versteifungselement 3 mit dem Hautfeld in integraler Bauweise
verbunden ist. In den aufgedickten Bereich 4 des Hautfeldes 2,
der sich durch den Fußbereich des
Versteifungselements 3 bildet, sind mehrere Aussparungen 5 eingebracht,
die benachbart zum Versteifungselement 3 angeordnet sind
und eine längliche
Form aufweisen. Dabei sind die einzelnen Aussparungen 5 in
x-Richtung hintereinander angeordnet, was im Zusammenhang mit 4,
in der eine Draufsicht der in 3 dargestellten
Aussparungen 5 dargestellt ist, noch genauer beschrieben
wird.
-
Wie 4 zu
entnehmen ist, sind die länglichen
Aussparungen 5 in der Ebene des Hautfeldes 2 bezüglich einer
Richtung senkrecht zum Versteifungselement 3, d. h. bezüglich der
y-Richtung, unter einem Winkel φ geneigt
angeordnet. Der Winkel φ liegt
typischerweise zwischen -90° und
+90°. Dadurch
wird auf besonders wirksame Weise verhindert, dass ein sich im Hautfeld 2 ausbreitender
Riss auf das Versteifungselement 3 übergeht, da immer eine Aussparungen 5 im
Ausbreitungspfad eines Risses vorhanden sein wird, die die Ausbreitungsrichtung
des Risses auf Grund eines definierten Dickesprunges auf einen vorbestimmten
Pfad zwingt und dadurch ablenkt, wie es im Zusammenhang mit 2 beschrieben
ist.
-
In 5 ist,
wie in 4, in Draufsicht eine alternative Ausgestaltung
gezeigt, bei der die Aussparung wellen- oder zickzackförmig ausgebildet
ist. Zur Unterscheidung der zuvor beschriebenen länglichen
Aussparungen, ist die Wellen- oder
zickzackförmig
Aussparung in 5 mit Bezugsziffer 50 bezeichnet.
Wie zuvor erläutert,
wird auch durch die Aussparung 50 ein Dickensprung im Hautfeld 2 und/oder
dem aufgedickten Bereichen 4 des Hautfeldes 2 gebildet,
der zur Ablenkung und Hemmung eines auf die Aussparung 50 treffenden
Risses führt. Da
die wellen- oder zickzackförmige
Aussparung 50 im Wesentlichen parallel zum Versteifungselement 3 verläuft, d.
h. in x-Richtung, wird ein sich im Hautfeld 2 in Richtung
Versteifungselement 3 ausbreitender Riss immer durch die
Aussparung 50 abgelenkt werden, so dass der Riss nicht
auf das Versteifungselement 3 übergeht.
-
In 6 ist
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung gezeigt, wobei das Strukturbauteil 1 ein Hautfeld 2 mit
aufgedicktem Bereich 4 umfasst, an dem ein Versteifungselement 3,
dass keinen Fußbereich
aufweist, in integraler Bauweise angeordnet ist. Vorzugsweise sind
die Aussparungen 5 in dem aufgedickten Bereich 4 des
Hautfeldes 2 angeordnet. Selbstverständlich können die Aussparungen auch, wie
im Zusammenhang mit 5 beschrieben, ausgebildet bzw.
angeordnet sein.
-
In 7 ist
eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Strukturbauteils 1 dargestellt,
bei dem ein Versteifungselement 3 ohne Fußbereich
mit einem Hautfeld 2 ohne aufgedicktem Abschnitt in integraler
Bauweise miteinander verbunden ist. Die Aussparungen 5 sind
in dem Hautfeld 2 angeordnet, vorzugsweise benachbart zu
dem Versteifungselement 3. Selbstverständlich können auch hier alternativ Aussparungen,
wie in 1 oder 5 beschrieben, verwendet werden.
Die Anordnung, Wirkungsweise und Funktion der Aussparungen ist dabei
selbstverständlich
identisch wie bei den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen.
-
Selbstverständlich ist
jegliche Kombination der voranstehend beschriebenen Ausführungsformen
möglich.