DE102007030026A1

DE102007030026A1 - Strukturbauteil mit Spant- und Querträgerelement

Info

Publication number: DE102007030026A1
Application number: DE102007030026A
Authority: DE
Inventors: Philipp Westphal; Wolf-Dietrich Dolzinski; Thorsten Roming; Thorsten SCHRÖER; Dieter Kohlgrüber; Marius Lützenburger
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Airbus Operations GmbH
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Airbus Operations GmbH
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2009-01-02
Also published as: ATE506254T1; RU2009144359A; JP2010531769A; US8439307B2; CA2690590A1; US20130009008A1; EP2173614B1; EP2173614A2; WO2009003870A2; CN101952166A; WO2009003870A3; BRPI0813459A2; DE602008006409D1; CN101952166B; RU2466904C2; WO2009003870A4

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Strukturbauteil für ein Luft- oder Raumfahrzeug mit einer Außenhaut. Das Strukturbauteil umfasst ein Spantelement zur Versteifung der Außenhaut und ein Querträgerelement. Dabei ist das Spantelement entsprechend einer inneren Kontur der Außenhaut bogenförmig gekrümmt. Das Querträgerelement verbindet zwei Bogenabschnitte des Spantelements quer miteinander. Das Querträgerelement weist eine höhere Steifigkeit auf als das Spantelement. Unter einem weiteren Gesichtspunkt schafft die Erfindung ein Flugzeug mit einem derartigen Strukturbauteil.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strukturbauteil für ein Luft- oder Raumfahrzeug, und insbesondere ein Strukturbauteil, das ein Spantelement und ein Querträgerelement aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Flugzeug mit einem derartigen Strukturbauteil.
Obwohl auf beliebige Leichtbaustrukturen mit einer versteiften Außenhaut anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf die Unterseite eines Flugzeugrumpfs näher erläutert.
Üblicherweise werden Rumpfschalen für Flugzeuge in so genannter Leichtbauweise aus einer Außenhaut hergestellt, die an der Innenseite durch eine zweidimensionale Struktur aus in Längsrichtung des Flugzeugs verlaufenden Stringern und quer zur Längsrichtung des Flugzeugs verlaufenden Spanten als Versteifungselementen verstärkt ist. Im Innern des Flugzeugrumpfs sind Bauteile und Strukturen, die mit der Nutzung des Flugzeugs zusammenhängen, an den Spanten befestigt, wie z. B. Frachtraum- oder Passagierraumfußböden.
1 zeigt als Beispiel einen Schnitt durch die untere Hälfte eines herkömmlichen Verkehrsflugzeugrumpfs mit im Wesentlichen zylindrischer Form. Ein Spant 106 verläuft ringförmig entlang der Innenseite der Außenhaut 100, die der Übersichtlichkeit halber nur stellenweise dargestellt ist. Der Spant 106 weist an seiner Fußseite, die an der Außenhaut 100 aufliegt, regelmäßige Aussparungen 112 auf, durch die in Flugzeuglängsrichtung verlaufende Stringer 110 den Spant passieren.
Der Flugzeugrumpf ist etwa auf Höhe seiner größten Weite von einem Passagierraumfußboden 108 durchzogen. Der Passagierraumfußboden 108 wird einerseits an seinen Rändern vom Spant 106 direkt getragen und ist andererseits zwischen seinen Rändern durch senkrecht verlaufende Stützstangen 114, 114' gegen den Spant 106 abgestützt. Im Passagierfußboden 108 verlaufen Schienen 116 in Flugzeuglängsrichtung, die bei Einsatz des Flugzeugs zum Passagiertransport hier nicht dargestellte Passagiersitze tragen.
In der Nähe der Rumpfunterseite 102 ist eine Frachtraumstruktur 118 am Spant 106 befestigt, die u. a. einen horizontal verlaufenden Frachtraumquerträger 126 umfasst. Dieser Frachtraumquerträger wird an seinen Enden direkt am Spant 106 befestigt und ist im Bereich zwischen den Enden üblicherweise durch eine zentrale Abstützung 122 und seitliche Abstrebungen 124 gegen den Spant 106 abgestützt. Ein zentrales Profil 120 verläuft in der Mitte des Frachtraumquerträgers 126 in Flugzeuglängsrichtung. Der Frachtraumquerträger 126, das zentrale Profil 120 sowie seitlich angebrachte Auflageschienen 105 tragen einen Frachtraumfußboden 104, der der Übersichtlichkeit halber nur teilweise dargestellt ist.
Als herkömmliche Materialien für die beschriebenen Frachtraum- und Passagierraumfußbodenstrukturen werden dabei wie auch für Außenhaut, Stringer und Spanten seit Jahrzehnten Aluminium und Aluminiumlegierungen verwendet. Diese werden jedoch zunehmend durch Faserverbundwerkstoffe, insbesondere durch kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) ersetzt, da hierdurch bei gleicher Festigkeit und Steifigkeit ein geringeres Gesamtgewicht des Flugzeugs und damit ein geringerer Energieverbrauch im Flugbetrieb erzielt werden kann. Weitere Vorteile der Faserverbundwerkstoffe gegenüber Aluminiumwerk stoffen sind die geringe Materialermüdung sowie die Vermeidung von Korrosionsproblemen.
Beim Ersetzen von Aluminiumwerkstoffen durch Faserverbundwerkstoffe ist jedoch zu berücksichtigen, das sich beide Materialklassen bei Beanspruchung über die Belastungsgrenze hinaus stark unterschiedlich verhalten. Während Aluminiumwerkstoffe sich unter Überlast allmählich plastisch verformen und dabei Energie aufnehmen, kommt es bei Faserverbundwerkstoffen, insbesondere bei CFK, zu einem plötzlichen Bruch des Materials mit sehr geringer Energieaufnahme. Aus diesem Grunde ist davon auszugehen, dass die in 1 gezeigte Rumpfstruktur unter Überlast, z. B. bei einem Absturz aus geringer Höhe, ein unterschiedliches Verhalten zeigt, je nachdem, ob die Struktur aus Aluminiumwerkstoffen oder Faserverbundwerkstoffen gefertigt wurde.
Bei einer aus Aluminium gefertigten Struktur nach 1 verformen sich die Außenhaut 100, Stringer 110 und Spanten 106 wie auch die Frachtraumstruktur 118 unter Einwirkung der Aufprallkräfte an der Unterseite 102 des Flugzeugrumpfs. Hierdurch würde ein großer Anteil der Aufprallenergie absorbiert und dadurch die Bauteile im oberen Bereich der Kabine gleichmäßiger verzögert. Dadurch werden die auf die Passagiere auf dem Passagierboden 108 einwirkenden Beschleunigungen begrenzt und deren Überlebenswahrscheinlichkeit erhöht.
Bei einer aus einem Faserverbundmaterial gefertigten Struktur nach in 1 ist hingegen ein Sprbdbruch der Außenhaut 100, der Stringer 110, und des Spantes 106 zu erwarten, bei dem nur wenig Energie absorbiert würde. Da die darüber liegende Frachtraumstruktur 118 lediglich dazu ausgelegt ist, im Flugbetrieb auftretende Belastungskräfte der Fracht in den Spant 106 abzuleiten, ist auch hier mit einem frühzeitigen Versagen zu rechnen. Aufgrund der geringeren Energieabsorption im Bereich der Frachtraumstruktur wird der größte Teil der Aufprallenergie in die Seitenschalen 109 sowie die Stützstangen 114, 114' eingeleitet, die ebenfalls brechen können und sich unter Gefährdung des Lebens und der Unversehrtheit der Passagiere in den Passagierraum bohren können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Energieabsorptionsverhalten einer Flugzeugrumpfstruktur im Überlastfall zu verbessern, insbesondere dann, wenn die Struktur im Wesentlichen aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Strukturbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Flugzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 19 gelöst.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, ein Strukturbauteil für ein Luft- oder Raumfahrzeug bereitzustellen, dass ein Spantelement und ein Querträgerelement vereint, wobei das Querträgerelement eine höhere Steifigkeit/Festigkeit aufweist als das Spantelement. Das Spantelement dient ausschließlich der Versteifung einer Außenhaut des Luft- bzw. Raumfahrzeugs und ist dazu entsprechend der inneren Kontur der Außenhaut bogenförmig gekrümmt. Das Querträgerelement verbindet zwei Bogenabschnitte des Spantelements quer miteinander und übernimmt in stärkerem Maße als dieses strukturmechanische Lasten.
Da das Querträgerelement die Bogenabschnitte des Spantelements quer miteinander verbindet, befindet es sich weiter von der Außenhaut entfernt als das Spantelement. Bei einer Überlastung der Hülle des Luft- bzw. Raumfahrzeugs bricht also zunächst das Spantelement und absorbiert einen geringen Anteil der Aufprallenergie. Da das Querträgerelement eine größere Steifigkeit/Festigkeit aufweist als das Spantelement, bricht es nicht gleichzeitig mit dem Spantelement, sondern kaskadenartig zeitversetzt, unter Einwirkung der um die durch den Bruch des Spantelements verminderten Energie. Somit wird das Luft- bzw. Raumfahrzeug stufenartig und damit sanfter abgebremst, was die Gefährdung der Passagiere vermindert.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist weiterhin mindestens ein Energieabsorberelement vorgesehen, das eine Lasteinleitungszone des Spantelements mit einem gegenüberliegenden Abstützabschnitt des Querträgerelements verbindet. Dies ist besonders vorteilhaft, da auch nach einem Bruch des Spantelements bei einem Aufprall mindestens eines der Bruchteile durch das Energieabsorberelement gegen das Querträgerelement abgestützt bleibt. Im weiteren Verlauf des Aufpralls wird das Energieabsorberelement weiter gegen das noch intakte Querträgerelement gedrückt, wobei aufgrund des spezifischen Designs des Energieabsorberelements fortlaufend Energie absorbiert wird. Hierdurch wird das Luft- bzw. Raumfahrzeug gleichmäßig abgebremst.
Gemäß bevorzugter Weiterbildungen verläuft das Energieabsorberelement wesentlich in zum Spantelement senkrechter Richtung und/oder in zum Querträgerelement senkrechter Richtung. Hierdurch ergibt sich eine besonders stabile Abstützung und damit große Energieabsorption bei geringem Materialeinsatz.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist das Energieabsorberelement an einem dem Spantelement zugewandten Ende einen Triggerbereich auf, der dazu ausgebildet ist, bei Überlastung des Energieabsorberelements früher als andere Bereiche des Energieabsorberelements zu versagen. Das Energieabsorberelement kann z. B. im Triggerbereich durch Bohrungen oder lokal fehlende Faserlagen gezielt geschwächt sein. Dadurch wird ein Erstversagen in der Nähe des Spantelementes und eine nachfolgend stabile Versagens- oder Crashfront erzeugt, die sich längs dem Energieabsorberelement auf den Querträgers zu bewegt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist das eine in Richtung des Querträgerelements zunehmende lokale mechanische Festigkeit des Absorptionselementes verstärkt werden. Durch die beschriebene Bauweise absorbieren zunächst die nahe der Außenwand liegenden Bereiche des Energieabsorbers, während die weiter im Inneren liegenden Bereiche unversehrt bleiben. Dies verbessert die Anbindung des Energieabsorberelements an das Querträgerelement im Verlauf der fortschreitenden Zerstörung des Energieabsorberelements.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das Energieabsorberelement als ein Profilteil ausgebildet. Dies verleiht ihm eine große Knickstabilität und ermöglicht eine hohe spezifische Energieabsorption bei einer vergleichsweise geringen Zusatzmasse.
Vorzugsweise weist das Energieabsorberelement ein geschlossenes, insbesondere kreisförmiges oder elliptisches Profil auf. Ein solches Profil hat eine besonders hohe Knickstabilität und sehr hohe spezifische Energieabsorptionseigenschaften.
Alternativ weist das Energieabsorberelement ein halbgeschlossenes, insbesondere ein Ω-förmiges, halbkreisförmiges oder halbelliptisches Profil auf. Ein solches Profil lässt sich unter Material- und Gewichtseinsparung mit seiner geöffneten Seite an einer Fläche befestigen, z. B. an einer zwischen Spantelement und Querträgerelement vorgesehenen Stützstrebe.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das Energieabsorberelement mit dem Spantelement und/oder dem Querträgerelement einstückig ausgebildet. Dies hat den Vorteil geringerer Herstellungskosten durch eine geringe Zahl von Bauteilen sowie geringeren Gewichts durch entfallende Verbindungselemente.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das Spantelement zur Versteifung der Außenhaut an einer Rumpfunterseite des Luft- bzw. Raumfahrzeugs ausgebildet. Dies ist vorteilhaft, da ein Absturz aus geringer Höhe im Allgemeinen zu einem Erstaufprall der Rumpfunterseite führt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist das Spantelement ein Z- oder L-Profil auf. Dies ist besonders vorteilhaft, da diese Profilformen die einfache Montage eines Absorberelements auf einer Seite ermöglichen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das Querträgerelement zum Tragen eines Frachtraumbodens des Luft- bzw. Raumfahrzeugs ausgebildet. Die doppelte Funktion des Querträgerelements ermöglicht es, Gewicht und Kosten einzusparen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung verläuft das Querträgerelement zwischen den beiden Bogenabschnitten des Spantelements im Wesentlichen geradlinig. Dies hat den Vorteil größtmöglicher Stabilität bei geringem Materialeinsatz.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist das Querträgerelement ein J- oder I-Profil auf. Dies ist besonders vorteilhaft, da diese Profile eine große Steifigkeit unter Biegebelastung aus Richtung des Spantelements aufweisen. Insbesondere das asymmetrische J-Profil belässt zudem Raum zur Montage eines Absorberelements auf einer Seite.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das Spantelement mit dem Querträgerelement einstückig ausgeführt. Dies ermöglicht geringere Herstellungskosten durch die verringerte Bauteilzahl. Dies ist insbesondere auch bei Fertigung des Strukturbauteils aus Aluminium von Vorteil.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist weiterhin mindestens ein Kupplungselement zur Kupplung mindestens eines der Bogenabschnitte an ein Versteifungselement des Luft- bzw. Raumfahrzeugs vorgesehen. Das Kupplungselement weist eine mechanische Festigkeit auf, die niedriger ist als die mechani sche Festigkeit des Versteifungselements. Dies ist vorteilhaft, da im Falle eines Aufpralls die Energie, die nicht über das Spantelement und das Querträgerelement absorbiert wurde, über das Kupplungselement in die mit dem Versteifungselement verbundene restliche Struktur des Luft- bzw. Raumfahrzeugs eingeleitet wird. Da die mechanische Festigkeit des Kupplungselements geringer ist als diejenige des Versteifungselements, versagt zunächst das Kupplungselement unter Absorption weiterer Energie und verringert damit die z. B. auf den Passagierraum wirkenden Verzögerungen.
Vorzugsweise ist die mechanische Festigkeit des Kupplungselements niedriger als die mechanische Festigkeit des Querträgerelements. Dies hat den Vorteil, dass die stabilisierende Funktion des Querträgerelements bei einem Aufprall erhalten bleibt. Weiterhin vorzugsweise ist die mechanische Festigkeit des Kupplungselements höher als die mechanische Festigkeit des Absorberelements, wodurch das Kupplungselement erst beginnt Energie zu absorbieren, wenn der verfügbare Crashweg des Energieabsorberelements aufgebraucht ist. Dies bewirkt eine kontinuierliche und damit gleichmäßigere Abbremsung der Rumpfstruktur.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert.
Von den Figuren zeigen:
1 eine schematische Querschnittsansicht einer unteren Hälfte eines herkömmlichen Flugzeugrumpfs;
2 eine Perspektivansicht eines Strukturbauteils gemäß einer ersten Ausführungsform;
3A–C schematische Profilquerschnitte von Strukturbauteilen unterschiedlicher Ausführungsformen;
4 eine Perspektivansicht eines Strukturbauteils gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
5 eine schematische Querschnittsansicht einer unteren Hälfte des Rumpfs eines Flugzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
2 zeigt in perspektivischer Ansicht ein Strukturbauteil 200 zur Versteifung der Außenhaut eines Flugzeugrumpfs an dessen Unterseite. Das Strukturbauteil 200 ist einteilig aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff geformt.
Das Strukturbauteil 200 umfasst ein Spantelement 202, das ein L-förmiges Profil aufweist und entsprechend der inneren Krümmung des zu versteifenden Außenhautabschnitts an der Unterseite des Flugzeugrumpfs bogenförmig gekrümmt ist. Der durch das L-förmige Profil gebildete, zur Anlage an die Außenhaut bestimmte Spantfuß ist in regelmäßigen Abständen durch Aussparungen 112 unterbrochen, durch die bei einer Montage des Strukturbauteil 200 im Flugzeugrumpf Durchlassöffnungen für die Außenhaut verstärkende Stringer in Flugzeuglängsrichtung verlaufen.
Die Bogenabschnitte 206, 206' an den beiden Enden des Spantelements 202 sind in der Art einer Kreisbogensehne durch ein Querträgerelement 204 geradlinig verbunden. Das Querträgerelement weist ein Profil in der Form eines „J" auf und ist mit dickerer Wandstärke ausgeführt als das Spantelement 202. Aufgrund des Profils und der Wandstärke ist die Steifigkeit des Querträgerelements 204 deutlich höher als die des Spantelements 202.
Das Spantelement 202 ist in seinem mittleren Bereich durch zwei Stützstreben 207 gegen das Querträgerelement 204 abgestützt. Die Stützstreben 207 verlaufen in etwa senkrechter Richtung zum Spantelement 202, d. h. in etwa radialer Richtung des durch das Spantelement 202 beschriebenen Kreisbogens. Die Stützstreben 207 sind von geringerer mechanischer Festigkeit als der Querträger 204.
Bei einem Bruch des Spantelements 202 – z. B. durch einen Aufprall des Flugzeugs mit seiner Unterseite – bleiben die Bruchstücke des Spantelements 202 zunächst durch die Stützstreben 207 gegen das Querträgerelement 204 abgestützt. Aufgrund der geringeren Festigkeit der Stützstreben 207 werden diese jedoch – je nach Stärke des Aufpralls – im weiteren Verlauf des Aufpralls zerstört, während sich die Bruchstücke des Spantelements 202 dem Querträger 204 nähern. Die Stützstreben 207 sind vorzugsweise derart als Energieabsorberelemente ausgebildet, z. B. als ein Hohlprofil, dass sie während dieses Zerstörungsvorgangs eine möglichst große Menge an Energie absorbieren, wobei je nach Ausgestaltung die Energieaufnahme über eine sukzessive Zerstörung oder Fragmentierung erfolgt. Alternativ können die Stützstreben 207 dazu ausgebildet sein, hier nicht gezeigte Energieabsorberelemente zu tragen, die separat gefertigt und parallel zu den Stützstreben 207 verlaufend an diesen montiert werden.
Die 3A zeigt bei alleiniger Betrachtung der durchgezogenen Linien einen Querschnitt des Profils eines Strukturbauteils 200, wie z. B. des in 2 dargestellten. Zu erkennen sind die „L"-Form des Profils des Spantelements 202 und die „J"-Form des Profils des Querträgerelements 204. Dem waagerecht verlaufenden Abschnitt des „L"-Profils des Spantelements 202 stehen im Vergleich drei waagerecht verlaufende Gurtabschnitte des „J"-Profils des Querträgerelements 204 gegenüber, was eine höhere Steifigkeit des Querträgerelements 204 bedingt. Der Unterschied der Steifigkeit ist weiter dadurch vergrößert, dass der waagerechte Profilabschnitt (Gurt) des Spantelements 202 eine geringere Breite w im Vergleich zur jeweiligen Breite W der Gurte des Querträgerelements 204 aufweist.
Die Profile von Querträgerelement 204 und Spantelement 202 lassen sich auf viele Weisen variieren. Einige Möglichkeiten sind in 3A durch gestrichelte Linien angedeutet. So kann z. B. das Profil des Querträgerelements 204 durch Hinzunehmen des zusätzlichen waagerechten Profilabschnitts 300 in Form eines „I" ausgestaltet werden. Gleichzeitig oder alternativ kann das Profil des Spantelements 202 durch Hinzunehmen des zusätzlichen waagerechten Profilabschnitts 302 in Form eines „Z" ausgestaltet werden.
Die Stützstreben 207 weisen ein einfaches Flachprofil auf, wodurch ihre Festigkeit geringer ist als die jeweilige Festigkeit des Spantelements 202 und des Querträgerelements 204.
Die 3B und 3C zeigen beispielhaft in schematischen Profilquerschnitten weitere Ausführungsformen des Strukturbauteils 200. Dabei ist das Strukturbauteil 200 jeweils nicht einstückig gefertigt, sondern in unterschiedlichen Weisen aus Einzelbauteilen zusammengesetzt.
Bei dem in 3B gezeigten Profil ist z. B. das Spantelement 202 aus einem Spantfußprofilteil 304 und einem Spantflügelteil 306 zusammengesetzt. Das Querträgerelement 204 ist aus einem Querträgerkopfteil 308 und einem Querträgerflügelteil 310 zusammengesetzt. Ein Mittelteil 312 umfasst Abschnitte des Spantelements 202 und des Querträgerelements 204 wie auch die Stützstreben 207.
Das in 3C gezeigte Profil ist aus zwei U-förmig profilierten Hälften 314, 316 zusammengesetzt, deren Wände sich im Bereich des Querträgerelements 204 überlappen, was diesem eine erhöhte Steifigkeit verschafft.
4 zeigt in perspektivischer Darstellung eine weitere Ausführungsform eines Strukturbauteils 200. Wie bei der in 2 gezeigten Ausführungsform umfasst das Strukturbauteil 200 ein Spantelement 202 und ein mit diesem einstückig gebildetes Querträgerelement 204, das zwei Bogenabschnitte 206, 206' des Spantelements geradlinig miteinander verbindet. Die verbundenen Bogenabschnitte 206, 206' liegen jedoch nicht an den Enden des Spantelements 202; vielmehr setzt sich das Spantelement 202 über die Bogenabschnitte 206, 206' hinaus fort und endet in Kupplungselementen 214 zur Kupplung an weitere Versteifungselemente des Flugzeugrumpfs, z. B. reguläre Spante.
Das Profil des Querträgerelements 204 ist T-förmig ausgebildet, wobei der Querbalken des T-Profils an der Oberseite liegt. Das Spantelement 202 weist im Bereich zwischen den Bogenabschnitten 206, 206', an denen es mit dem Querträgerelement 204 verbunden ist, ein L-Profil auf, während das Profil in den übrigen, außerhalb der Bogenabschnitte 206, 206' liegenden Bereichen in ein Z-Profil eines regulären Spants übergeht.
Das T-Profil des Querträgerelements 204 und das L-Profil des Spantelements 202 bieten beidseitig je eine flache Anlagefläche, an die Energieabsorberelemente 208 mit einem halbgeschlossenen, Ω-förmigen Profil in zum Querträgerelement 204 senkrechter Richtung angelegt sind. Die Energieabsorberelemente 208 sind als separate Bauteile gefertigt und mit dem Spant- 202 und Querträgerelement 204 durch Kleben, Nieten und/oder Bolzen verbunden. Die Energieabsorberelemente 208 können z. B. aus CFK, Metallen oder alternativen Verbundstrukturen wie Sandwichstrukturen gefertigt sein. Dabei kann das Material für die Energieabsorberelemente 208 unabhängig von dem Material des Spantelements 202 und des Querträgerelements 204 gewählt werden, so dass eine Optimierung der Energieabsorptionseigenschaften ermöglicht wird. Am dem Spantelement 202 zugewandten Ende jedes Energieabsorberelements 208 ist jeweils ein Triggerbereich 209 derart ausgebildet, dass er bei Überlastung des Energieabsorberelements 208 früher als andere Bereiche des Energieabsorberelements 208 versagt.
Zwischen Spantelement 202 und Querträgerelement 204 sind weiterhin seitliche Stützstreben 207 eingefügt, die in dem gezeigten Beispiel einstückig mit Spantelement 202 und Querträgerelement 204 gebildet sind und bei geeigneter Ausgestaltung z. B. als Hohlprofile ebenfalls die Funktion eines Energieabsorberelements 208 im Falle eines Aufpralls übernehmen können.
5 zeigt in einer ähnlichen schematischen Querschnittsansicht wie 1 die untere Hälfte eines Flugzeugrumpfs mit einem Strukturbauteil 200 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Wie in 1 ist die Außenhaut 100 mit Stringern 110 der Übersichtlichkeit halber nur partiell dargestellt.
Das Strukturbauteil 200 umfasst jeweils ein entsprechend der Außenhaut 100 an der Rumpfunterseite gebogenes Spantelement 202 und ein Querträgerelement 204, die einstückig ausgeführt sind, z. B. als integriertes CFK- oder Aluminium-Bauteil, sowie drei senkrecht zwischen beiden verlaufende Energieabsorberelemente 208. Das Spantelement 202 ist dabei zwischen den durch das Querträgerelement 204 verbundenen Bogenabschnitten 206, 206' mechanisch weniger stark ausgestaltet als in den außerhalb der Bogenabschnitte 206, 206' liegenden Bereichen, wo sein Profil dem Profil regulärer Spanten 106 entspricht, die zu beiden Seiten über Kupplungselemente 214 an das Strukturbauteil angeschlossen sind. Die Kupplungselemente 214 weisen eine höhere Festigkeit als die Energieabsorberelemente 208 auf, sind jedoch schwächer als die regulären Spanten 106.
Das Querträgerelement 204 verläuft zwischen den Bogenabschnitten 206, 206' des Spantelements 202 geradlinig und waagerecht und ist mechanisch stärker ausgeführt als das Spantelement 202 zwischen den Bogenabschnitten 206, 206'. Es trägt einen Frachtraumfußboden 104, der hier der Übersichtlichkeit halber nur partiell gezeigt ist. Die übrigen Strukturen des Flugzeugrumpfs sind unverändert gegenüber den in 1 gezeigten.
Im regulären Flugbetrieb trägt die gezeigte Struktur die regulären Strukturlasten, wobei insbesondere das Querträgerelement 204 aufgrund seiner hohen Steifigkeit Lasten übernimmt, die bei herkömmlichen Strukturen durch reguläre Spanten 106 getragen werden.
Im Falle eines Aufpralls auf den Boden, z. B. bei einer Notlandung führt die Struktur eine kaskadierte Absorption von Energie durch, bei der zunächst das Spantelement 202 deformiert/zerstört und gegen das steife Querträgerelement 204 gedrückt wird. Währenddessen werden die Energieabsorberelemente 208 nach und nach unter Absorption von Energie durch Deformation und/oder Fragmentierung zerstört. Hat sich die Wirkung der Energieabsorberelemente 208 erschöpft, trifft das Spantelement 202 auf den Querträger 204. Infolge der nunmehr über das Querträgerelement 204 auf die darüberliegende Struktur übertragenen Lasten versagen die Kupplungselemente 214 als nach den Energieabsorberelementen 208 nächst schwächeres Bauteil. Sie sind vorzugsweise wie die Energieabsorberelemente 208 dazu ausgebildet, bei diesem Vorgang eine signifikante Energiemenge zu absorbieren. Erst wenn sich die Wirkung auch der Kupplungselemente 214 erschöpft hat, trifft die durch die beschriebene kaskadierte Energieabsorption deutlich verringerte Aufprallenergie auf die darüberliegende Struktur. Im Vergleich zu herkömmlichen Flugzeugstrukturen sind die durch die Stützstangen 114 und die Spante 106 in der Seitenschale in den Passagierraumfußboden 108 und die Sitzschienen 116 eingeleitete Lasten erheblich verringert.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorliegend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizier bar.
Beispielsweise können die Energieabsorberelemente aus geschlossenen Profilen bereitgestellt werden. Energieabsorberelemente können sowohl einseitig als auch beidseitig an das Spantelement und das Querträgerelement angefügt werden.

100: Außenhaut
102: Rumpfunterseite
104: Frachtraumfußboden
105: Auflageschiene
106: Versteifungselement (Spant)
108: Passagierraumfußboden
109: Seitenschale
110: Stringer
112: Aussparungen
114, 114': Stützstangen
116: Passagiersitzschienen
118: Frachtraumstruktur
120: Zentralprofil
122: Zentralstütze
124, 124': Seitliche Stützen
200: Strukturbauteil
202: Spantelement
204: Querträgerelement
206, 206': Bogenabschnitte
207: Stützstrebe
208: Energieabsorberelement
209: Triggerbereich
210: Lasteinleitungszone
212: Abstützabschnitt
214: Kupplungselement
300, 302: waagerechter Profilabschnitt
304: Spantfußprofilteil
306: Spantflügelteil
308: Querträgerkopfteil
310: Querträgerflügelteil
312: Profilmittelteil
314, 316: U-Profil
W: Breite eines Querträgerprofilabschnitts
w: Breite eines Spantprofilabschnitts

Claims

Strukturbauteil (200) für ein Luft- oder Raumfahrzeug mit einer Außenhaut (100), wobei das Strukturbauteil (200) umfasst: ein Spantelement (202) zur Versteifung der Außenhaut (100), welches entsprechend einer inneren Kontur der Außenhaut bogenförmig gekrümmt ist; und ein Querträgerelement (204), welches zwei Bogenabschnitte (206, 206') des Spantelements (202) quer miteinander verbindet und eine höhere Steifigkeit aufweist als das Spantelement (202).
Strukturbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin mindestens ein Energieabsorberelement (208) vorgesehen ist, welches eine Lasteinleitungszone (210) des Spantelements (202) mit einem gegenüberliegenden Abstützabschnitt (212) des Querträgerelements (204) verbindet.
Strukturbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieabsorberelement (208) wesentlich in zum Spantelement (202) senkrechter Richtung verläuft.
Strukturbauteil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieabsorberelement (208) wesentlich in zum Querträgerelement (204) senkrechter Richtung verläuft.
Strukturbauteil nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieabsorberelement (208) an einem dem Spantelement (202) zugewandten Ende einen Triggerbereich (209) aufweist, welcher dazu ausgebildet ist, bei Überlastung des Energieabsorberelements (208) früher als andere Bereiche des Energieabsorberelements (208) zu versagen (208).
Strukturbauteil nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieabsorberelement (208) eine in Richtung des Querträgerelements (204) zunehmende lokale mechanische Festigkeit aufweist.
Strukturbauteil nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieabsorberelement (208) als ein Profilteil ausgebildet ist.
Strukturbauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieabsorberelement (208) ein geschlossenes, insbesondere kreisförmiges oder elliptisches Profil aufweist.
Strukturbauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieabsorberelement (208) ein halbgeschlossenes, insbesondere ein Ω-förmiges, halbkreisförmiges oder halbelliptisches Profil aufweist.
Strukturbauteil nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieabsorberelement (208) mit dem Spantele ment (202) und/oder dem Querträgerelement (204) einstückig ausgebildet ist.
Strukturbauteil nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spantelement (202) zur Versteifung der Außenhaut (100) an einer Rumpfunterseite (102) des Luft- bzw. Raumfahrzeugs ausgebildet ist.
Strukturbauteil nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spantelement (202) ein Z- oder L-Profil aufweist.
Strukturbauteil nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Querträgerelement (204) zum Tragen eines Frachtraumbodens (104) des Luft- bzw. Raumfahrzeugs ausgebildet ist.
Strukturbauteil nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Querträgerelement (204) zwischen den beiden Bogenabschnitten (206, 206') im Wesentlichen geradlinig verläuft.
Strukturbauteil nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Querträgerelement (204) ein J- oder I-Profil aufweist.
Strukturbauteil nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spantelement (202) mit dem Querträgerelement (204) einstückig ausgeführt ist.
Strukturbauteil nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin mindestens ein Kupplungselement (214) zur Kupplung mindestens eines der Bogenabschnitte (206, 206') an ein Versteifungselement (106) des Luft- bzw. Raumfahrzeugs vorgesehen ist, wobei das Kupplungselement (214) eine mechanische Festigkeit aufweist, welche niedriger ist als die mechanische Festigkeit des Versteifungselements (106).
Strukturbauteil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Festigkeit des Kupplungselements (214) niedriger ist als die mechanische Festigkeit des Querträgerelements (204).
Strukturbauteil nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Festigkeit des Kupplungselements (214) höher ist als die mechanische Festigkeit des Absorberelements (208)
Flugzeug mit einem Strukturbauteil nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18.