DE102008057247B3

DE102008057247B3 - Paneel in einer Semimonocoque-Bauweise und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE102008057247B3
Application number: DE102008057247A
Authority: DE
Inventors: Boris Dr.-Ing. Kolesnikov; Axel Dipl.-Ing. Fink; Lars Dr.-Ing. Herbeck; Markus Dipl.-Ing. Kleineberg; Thomas Dipl.-Ing. Kruse; Michael Dipl.-Ing. Hanke; Christian Dr.-Ing. Hühne
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2008-11-13
Filing date: 2008-11-13
Publication date: 2010-01-28
Anticipated expiration: 2028-11-14

Abstract

Ein Paneel in einer Semimonocoque--Bauweise besitzt eine Haut 4 oder Beplankung und auf die Haut 4 aufgesetzte Stringer 2 mit einem Hut-Profil. Das Hut-Profil weist eine Achse 5 in Längsrichtung, eine Breite in Querrichtung und eine Höhe 30 als Abstand von der Haut 4 auf. Ferner sind Spanten 3 vorgesehen. Zumindest einer der Stringer 2 mit Hut-Profil weist eine in Richtung der Achse 5 und in Querrichtung jeweils gekrümmte Oberfläche 7 auf. Die größte Breite in Querrichtung des Hut-Profils und die größte Höhe des Stringers 2 sind bevorzugt zwischen zwei benachbarten Spanten 3 angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Paneel in einer Semimonocoque-Bauweise mit einer Haut oder Beplankung, mit auf die Haut aufgesetzten Stringern mit einem Hutprofil, das eine Achse in Längsrichtung, eine Breite in Querrichtung und eine Höhe als Abstand von der Haut besitzt, und mit Spanten. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Paneel in einer Semimonocoque-Bauweise.
Bauelemente in Semimonocoque-Bauweise werden insbesondere bei großen Passagierflugzeugen häufig eingesetzt und stellen beispielsweise bei Flugzeugen der Typen Airbus A-320 und Boeing 737 die am häufigsten verwendete Bauweise für Rümpfe, Flügel und Leitwerke dar.
Im Unterschied zur Monocoque-Bauweise werden bei einer Semimonocoque-Bauweise nicht nur selbsttragende Häute oder Beplankungen eingesetzt, sondern die Bauteile, die sogenannten Paneele, besitzen bei einer Semimonocoque-Bauweise neben den Häuten und Beplankungen außerdem Verstärkungen in Form von Stringern und zusätzlich meist in Form von Rippen oder Spanten.
Für die Ausbildung der Stringer ist es bekannt, ein Profil in Form eines „L”, eines „Z” oder auch in Form eines Querschnitts eines Hutes zu verwenden, also in Form eines Rechteckes mit an zwei unteren Ecken angesetzten Hutkrempen. Die Stringer besitzen dann im Sprachgebrauch L-Profile, Z-Profile oder Hut-Profile. Das Rechteck des Hutprofils kann dabei auch abgerundet sein oder die Form eines Trapezes oder einer vergleichbaren geometrischen Struktur besitzen.
Ein Hut-Profil kann in einer Kombination mit einer Haut entweder eine geöffnete Kontur aufweisen, wie dies beispielsweise in der US-PS 6,003,812 vorgeschlagen wird, oder sie kann mit der Haut eine geschlossene Kontur bilden, wie dies beispielsweise aus der GB 2,110,736 A , der DE 691 00 380 T2 , der US 6,613,258 B1 oder bei etwas abgewandelten U-förmigen oder trapezförmigen Profilen auch aus der DE 694 22 776 T2 und der US 2008/0042011 A1 bekannt ist. Geschlossene U-förmige Profile zur Verwendung zwischen den Spanten sind auch schon aus der US-PS 1,300,777 bekannt.
Hut-Profile, die mit einer Haut eine geschlossene Kontur bilden, verleihen den Paneelen mit den entsprechenden Stringern einen höheren Beulwiderstand bei Druckbeanspruchung und eine höhere Torsionssteifigkeit für die aus diesen Paneelen bestehenden Bauteile, also den Rümpfen, Flügeln, etc. der Flugzeuge.
Derartige Konzepte sind seit vielen Jahrzehnten bekannt, wie diese Druckschriften und weitere Beispiele zeigen. Im Laufe der Zeit ist die Bauweise sowohl bei Metallwerkstoffen als auch bei Faserverbundwerkstoffen eingesetzt worden. Optimierungen sind gerade auf diesem Sektor vielfach versucht worden. Wesentlich ist dabei die Stabilität der Paneele gegenüber einer Druck- und einer Schubbeanspruchung und somit die Tragfähigkeit der entsprechenden Paneele bei Belastung. Wichtig ist auch der Aspekt des Gewichts, da eine Vergrößerung der Stringer, Spanten und sonstiger Elemente zu einem zusätzlichen Gewicht führt, was gerade bei einem Einsatz im Flugwesen zu einem Mehrverbrauch von Treibstoff führt und besonders unerwünscht ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher dem gegenüber, einen Vorschlag für einen Aufbau von Paneelen mit Stringern zu unterbreiten, der zu einer Erhöhung der Tragfähigkeit von Paneelen bei Druck- oder Schubbeanspruchungen führt, ohne das Gewicht zu erhöhen, oder jedenfalls bei unveränderter Tragfähigkeit zu einer Reduzierung des Gewichtes führt.
Eine weitere Aufgabe besteht dann darin, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Paneels vorzuschlagen.
Die erst genannte Aufgabe wird durch die Erfindung bei einem gattungsgemäßen Paneel dadurch gelöst, dass zumindest einer der Stringer mit Hutprofil eine in Richtung der Achse und in Querrichtung jeweils gekrümmte Oberfläche aufweist, und dass die größte Breite in Querrichtung des Hutprofils des Stringers zwischen zwei benachbarten Spanten angeordnet ist.
Die zweite Aufgabe wird bei einem Verfahren dadurch gelöst, dass zunächst von der Haut und den Stringern aus Faserverbundgeweben oder -gelegen trockene Vorformlinge ausgeschnitten und angeordnet werden, dass Füllstoffe zwischen den Vorformlingen für die Haut und die Stringer angeordnet werden, dass die Füße der Stringer mit der Haut mittels Vernähungs- oder Heftklammertechnik fixiert und verbunden werden, dass die so angeordneten Elemente mit einem Harzsystem getränkt, und dass die getränkten Elemente mit oder ohne Autoklav polymerisiert werden.
Erfindungsgemäß wird jetzt von einer Optimierungsmöglichkeit Gebrauch gemacht, die bisher noch gar nicht betrachtet worden ist. Konventionell hat man versucht, die Dimensionen oder die Werkstoffe der Stringer zu verändern oder auch eine möglichst geschickte Auswahl von Profilen, also etwa von L-, Z- oder Hut-Profilen einzusetzen oder die Hut-Profile mit Rechtecken oder trapezförmig oder mit einem U-förmigen Profil auszustatten.
Die Erfindung ändert jetzt jedoch das Profil in Richtung der Längsachse. Das Profil eines Stringers ist also über die Länge des Stringers variabel. Dabei werden die Änderungen des Profils so gewählt, dass die größte Breite des sich ändernden Hutprofils gerade im Bereich zwischen je zwei benachbarten Spanten liegt.
Besonders bevorzugt liegt in diesem Bereich auch die größte Höhe des sich ändernden Hut-Profils. Das Hut-Profil ist dabei in beiden Richtungen gekrümmt.
Auf diese Weise wird von der Möglichkeit Gebrauch gemacht, dass ein Stringer eben nicht nur wie bisher im Stand der Technik betrachtet eine Länge und ein konstantes Profil besitzt, sondern dass er insgesamt dreidimensional ist und dies auch geometrisch für die Gestaltung genutzt werden kann. Auf diese Weise wird es möglich, die Tragfähigkeit von Paneelen bei Druck- und Schubbeanspruchungen weiter zu verbessern und zu erhöhen.
Ein besonderer Effekt entsteht im Bereich der Spanten. Bei konventionellen Paneelen mit Stringern und Spanten in einer Semimonocoque-Bauweise weisen die Spanten sehr große Ausschnitte für die durch die Spanten hindurch führenden und senkrecht zu den Spanten verlaufenden Stringer auf, wie auch die oben genannten Druckschriften in ihren Darstellungen deutlich zeigen. Das bedeutet, dass die Spanten durch diese Ausschnitte erheblich geschwächt werden. Die Tragfähigkeit dieser Spanten wird also herabgesetzt. Will man diese herabgesetzte Tragfähigkeit der Spanten nicht akzeptieren, musste man herkömmlich eine zusätzliche Verstärkung der Spanten über das an sich erforderliche Maß hinaus vornehmen, was dann wiederum zu einem zusätzlichen Gewicht der Gesamtkonzeption führte.
Genau diese Nachteile müssen bei der Erfindung nicht mehr in Kauf genommen werden. Erfindungsgemäß finden sich bei bevorzugten Ausführungsformen im Bereich der Spanten gerade die Bereiche der Stringer, die besonders schmal sind und eine besonders niedrige Höhe aufweisen. Das führt dazu, dass in den Spanten besonders kleine Ausschnitte benötigt werden, sodass die Tragfähigkeit der Spanten besonders wenig beeinträchtigt wird. Das Gewicht von etwa eingesetzten Verstärkungen wird dadurch deutlich reduziert und kann in bestimmten Ausführungsformen sogar ganz entfallen.
Weitere Vorteile und Möglichkeiten sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung ist insbesondere in Flugzeugbau, aber auch in anderen technologischen Bereichen einsetzbar, in denen es auf gewichtssparende und gleichwohl gegen Druck- und Schubbeanspruchungen Widerstand leistende Bauformen mit Paneelen ankommt.
Im Folgenden werden anhand der Zeichnung einigen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform der Erfindung schematisch in Draufsicht, darunter im Längsschnitt und daneben im Querschnitt;
2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung schematisch in Draufsicht, darunter im Längsschnitt und daneben im Querschnitt;
3 schematisch einen Abschnitt der Ausführungsform aus der 1 mit zusätzlich eingezeichneten Kraftlinien;
4 eine perspektivische Draufsicht auf die Situation aus 3;
5 schematisch eine Draufsicht ähnlich einem Ausschnitt aus 1 mit einem zusätzlich eingezeichneten Idealisierungsersatzschema;
6 ein Idealisierungsfachwerksystem zur Erläuterung der 5;
7 eine dritte Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt und darunter im Querschnitt;
8 eine vierte Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt und darunter im Querschnitt;
9 eine fünfte Ausführungsform der Erfindung in schematischer Draufsicht und darunter in zwei Querschnitten;
10 eine sechste Ausführungsform schematisch im Längsschnitt und darunter im Querschnitt;
11 eine siebte Ausführungsform der Erfindung in einer ähnlichen Darstellung wie in der 10;
12 eine achte Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt sowie darunter im Querschnitt und einem speziell herausgezeichneten Schnitt durch den Querschnitt; und
13 eine perspektivische Ansicht einer schematischen Ausführungsform mit Angaben zu den Verfahrensschritten bei der Herstellung.
Die in der 1 dargestellte erste Ausführungsform eines Paneels 1 besitzt eine Beplankung oder Haut 4, auf der Stringer 2 mit einem Hut-Profil angebracht sind. Das Paneel 1 ist also in einer Semimonocoque-Bauweise aufgebaut.
Rechts neben der Draufsicht ist ein Schnitt längs der Linie B-B dargestellt, der die Stringer 2 geschnitten zeigt, sodass man das Hut-Profil gut erkennt.
Parallel zum Schnitt B-B und somit senkrecht zu den Stringern 2 sind Spanten 3 vorgesehen. Die Spanten 3 kann man im Profil insbesondere in dem Längsschnitt längs der Linie A-A unterhalb der Draufsicht erkennen. Die Spanten 3 besitzen ein sogenanntes Z-Profil. Sie weisen also einen vom Flugzeug aus gesehen äußeren, an der Haut 4 angeordneten äußeren Gurt 21 und einen inneren, auf der von der Haut 4 abgewandten Seite liegenden inneren Gurt 22 auf.
Die Stringer 2 besitzen Achsen 5 in ihrer Längsrichtung, wobei alle Achsen 5 der verschiedenen Stringer 2 zueinander parallel sind.
Auch die Spanten 3 besitzen Achsen 6, die ebenfalls untereinander parallel sind.
Die Stringer 2 mit ihrem Hut-Profil besitzen eine Oberfläche 7. Diese Oberfläche 7 ist in zwei Richtungen gekrümmt, wie man deutlich einerseits im Schnitt längs der Linie A-A und andererseits im Schnitt längs der Linie B-B erkennt. Die größte Breite des Hut-Profils des Stringers 2 und ebenso die größte Höhe des Stringers 2 gesehen als Abstand von der Haut 4 befinden sich jeweils in der Mitte der Abstände zwischen je zwei benachbarten Spanten 3. Die geringste Höhe und die kleinste Breite der Stringer 2 sind jeweils in den Bereichen der Spanten 3 selbst angeordnet.
Die Springer 2 mit ihrem Hut-Profil und der Oberfläche 7 besitzen außerdem Füße 8. Diese Füße 8 entsprechen im Schnitt längs der Linie B-B rechts im Bild der Krempe des im Schnitt symbolisierten Hutes. Diese Füße 8 sind flach und zwei Füße 8 von je zwei benachbarten Stringern 2 gehen ineinander über. Die Stringer 2 bilden also insgesamt ebenfalls ein flächenhaft ausgedehntes Gebilde.
In der 2 ist in ähnlicher Form eine zweite Ausführungsform eines Paneels 1 dargestellt. Man sieht wiederum die Haut 4 mit den Stringern 2 und den Spanten 3, wobei die Stringer 2 eine Oberfläche 7 aufweisen, die in zwei Richtungen gekrümmt ist. Die Stringer 2 besitzen auch eine innere, der Haut gegenüber liegende Oberfläche 10, die bei konstanter Dicke der Stringer 2 weitgehend parallel zur äußeren Oberfläche 7 verläuft. Zwischen der inneren Oberfläche 10 und der Oberfläche der Haut 4 entsteht ein geschlossener Raum in den Stringern 2. In diesen geschlossenen Räumen sind in dieser Ausführungsform Rippen 9 angebracht. Die Rippen 9 sind in der Mitte der Abstände zwischen den Spanten 3 positioniert. Die Achsen 11 der Rippen 9 verlaufen parallel zu den Achsen 6 der Spanten 3, wie man in der Draufsicht und in dem Schnitt längs der Linie A-A im unteren Bereich der 2 am besten erkennt.
Die Rippen 9 weisen äußere, der Haut 4 benachbarte Gurte 23 und innere, dem Stringer 2 benachbarte Gurte 24 auf, wie man am besten in dem Schnitt längs der Linie B-B erkennen kann.
In der 3 ist ein Paneel 1 ähnlich der Ausführungsform aus der 1 in einer etwas anderen Darstellung wiedergegeben, nämlich hier zusätzlich mit Kraftlinien. Das Paneel 1 mit dem Stringer 2 und den Spanten 3 auf der Haut 4 befindet sich in einem Kraftzustand, bei dem das Paneel mit Druck durch eine Kraft 12 beansprucht wird. Die Pfeile 12 symbolisieren, dass die Kraft 12 von Außen parallel zu der Achse 5 der Stringer 2 eine Druckbeanspruchung ausübt.
Jedes Element 13 einer Mantellinie der doppelt gekrümmten Oberfläche 7 des Hutprofils des Stringers 2 wird dann durch eine Druckkraft 14 beansprucht. Durch die konvexe Krümmung des Stringers 2 entlang der Mantellinie wird in jedem infinitesimalen Element eine Resultierende 15 gebildet. Diese Resultierende 15 ist nach Außen gerichtet, und zwar normal zur gekrümmten Oberfläche 7 des Stringers 2.
Die Gesamtheit aller Resultierenden 15 bildet ein Kraftfeld 16, das in der 4 in perspektivischer Draufsicht auf die Darstellung aus 3 gut zu erkennen ist. Das Kraftfeld 16 wirkt auf den Stringer 2 und ruft in der Richtung 17, also in Umfangsrichtung des Springers 2, eine Zugbeanspruchung hervor. Aus der Druckbeanspruchung 12 auf den Stringer 2 wird also eine Zugbeanspruchung in Umfangsrichtung 17 des selben Stringers 2. Dadurch wird die Oberfläche 7 des Stringers 2 gegen eine Beulenbildung bei der Druckbelastung des Paneels 1 in Folge der Kraft 12 stabilisiert.
In der 5 ist nun eine Darstellung der Anordnung aus der 1 oder auch aus den 3 und 4 gezeigt, wobei zusätzlich ein Idealisierungsersatzschema mit gradlinigen Elementen 18 eingezeichnet ist. Die jetzt krummlinig verlaufenden Füße 8 des Springers 2 (vergleiche 1 in Draufsicht) besitzt eine große Ähnlichkeit zu diesem Idealisierungsersatzschema mit seinen gradlinigen Elementen 18.
Vergleicht man dies mit der Darstellung aus 6, in der das Idealisierungsfachwerksystem 19 nochmals heraus gezeichnet ist, so zeigt sich, dass eine Kombination der äußeren Gurte 21 der Spanten 3 mit ihren Achsen 6, der Füße 8 der Stringer 2 und der äußeren Gurte 23 der Rippen 9 mit ihren Achsen 11 recht genau ein Idealisierungsfachwerksystem 19 mit den Elementen 18 darstellt.
Bei einer Druckbeanspruchung 12 oder einer Schubbeanspruchung 20 des Paneels 1, die in der 6 angedeutet ist, wird das Fachwerksystem 19 die Haut 4 entlasten und das Druck-Schub-Beul-Spannungsniveau der Haut 4 des Paneels 1 erhöhen.
Das Paneel 1 kann insbesondere auch aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt werden. Das Fachwerksystem 19, das erfindungsgemäß entsteht und in den 5 und 6 veranschaulicht und demonstriert ist, ermöglicht eine Transformation einer konventionellen Schubbeanspruchung einer Haut 4 in eine Zug-Druck-Beanspruchung von Fachwerkelementen. Erhöht man den Anteil von unidirektionalen (UD)-Schichten in diesen Fachwerkelementen, so kann die Ausnutzung der Festigkeit und der Steifigkeit von Faserverbundwerkstoffen noch weiter erhöht werden.
In der 7 ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hier ist jetzt nur eine vereinfachte Darstellung eines Längsschnittes längs einer Achse 5 eines Stringers 2 und darunter ein Schnitt längs der Linie C-C dargestellt.
Der Stringer 2 besitzt in diesem Fall eine variable Dicke 26. Gemeint ist hier nicht die Breite des Stringers, sondern die Dicke 26 des Materials des Stringers 2 selbst, also gewissermaßen der Abstand zwischen der inneren Oberfläche 10 und der äußeren Oberfläche 7 des Stringers 2. Diese Dicke 26 des Stringers 2 weist in dieser Ausführungsform variable Werte auf. Der Stringer 2 ist also in verschiedenen Bereichen seiner Erstreckung längs der Achse 5 unterschiedlich dick. Die größten Werte erreicht die Dicke 26 des Springers 2 in bestimmten Bereichen 27 in der Nähe der Spanten 3. Durch diese variable Dicke 26 der Stringer 2 kann ein Querschnitt des Stringers 2 beziehungsweise eine Normalspannung des Stringers 2 entlang der Achse 5 des Stringers 2 konstant gehalten werden.
Der Stringer 2 besitzt im Bereich 27 der Spanten 3 eine lokale konkave Krümmung und wird dadurch in seiner Umfangsrichtung 17 (vergleiche 4) im Gegensatz zum Fall einer konvexten Krümmung durch einen Druck beansprucht. Die Ausführung der Stringer 2 mit größeren Dicken 26 in Bereichen 27 der Spanten 3 verleiht dort in diesem Fall einen höheren Boilwiderstand.
Man sieht in der 7 auch, dass in den Spanten 3 für den Durchgang der Stringer 2 Ausschnitte 25 beziehungsweise Abschwächungen vorgesehen sein müssen. Dadurch, dass die durchgehenden Stringer 2 gerade im Bereich 27 der Spanten 3 ihre kleinsten Breiten und Höhen besitzen, können die Spantenausschnitte 25 beziehungsweise die Spantenabschwächungen entsprechend stark reduziert werden.
In der 8 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einem Paneel 1 einem Stringer 2, Spanten 3 und einer Haut 4 dargestellt, wobei ähnlich der Darstellung in der 7 ein einfacher schematischer Längsschnitt und ein Querschnitt hierzu längs der Linie D-D dargestellt sind.
Das Paneel 1 besitzt wiederum einen geschlossenen Raum zwischen der Oberfläche 10 auf der Innenseite des doppelt gekrümmten Stringers 2 und der Haut 4. Dieser geschlossene Raum ist in dieser Ausführungsform mit einem Füllstoff 28 gefüllt. Dieser Füllstoff 28 kann ein Schaumstoff sein. Die äußere Oberfläche 7 des Stringers 2 ist ebenfalls doppelt gekrümmt und bildet zusammen mit der Haut 4 und dem Füllstoff 28 eine Art Sandwich-Struktur, die einen erhöhten Widerstand gegen Beulenbildung in der Haut 4 und auch in der Oberfläche 7 des Stringers 2 bei einer Druck-Schub-Beanspruchung des Paneels 1 besitzt. Der Füllstoff 28 kann auch bei der Fertigung des Stringers 2 mit Nutzen verwendet werden und dabei als Fertigungsmittel dienen, etwa bei einer Prepreg- oder einer Nasstechnologie.
In realen Bauteilen kann das Paneel 1 auch durch Zug beansprucht werden. In diesem Falle entsteht die Gefahr einer Beulenbildung in der Oberfläche 7 der Stringer 2 entlang der Achse. Die Rippen 9 und der Füllstoff 28 können nun sehr effektiv einen Widerstand gegen eine derartige Beulenbildung bei einer möglichen Zugbeanspruchung des Paneels 1 bilden.
In der 9 ist in drei Darstellungen eine Weiterbildung der Ausführungsform aus der 8 dargestellt. Der Stringer 2 mit seiner Achse 5 auf der Haut 4 enthält auch hier wiederum einen Füllstoff 28. Dies ist in zwei Schnittdarstellungen längs der Linien E-E und F-F zu erkennen, die zum Einen in der Mitte zwischen zwei Spanten 3 und zum Anderen dicht benachbart an einem Spant 3 verlaufen.
Man sieht dabei, dass der Füllstoff 28 einen durchgehenden Kanal 29 aufweist. Der Kanal 29 ist parallel zur Achse 5 des Stringers 2 orientiert und dient insbesondere für die Ventilation und die Entfernung einer möglichen Feuchtigkeit im geschlossenen Innenraum des Stringers 2 zwischen der Haut 4 und der Oberfläche 10.
In der 10 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, hier wiederum ein Längsschnitt längs der Achse 5 eines Stringers 2 auf einer Haut 4 mit zwei Spanten 3. Benachbart zu einem der Spanten 3 ist eine Linie G-G eingetragen und unter dem Längsschnitt ein Schnitt längs dieser Linie G dargestellt.
Der Stringer 2 besitzt eine Höhe 30, die in dieser Figur definiert zur Verdeutlichung eingetragen ist. Im Bereich 27 der Spanten 3 ist diese Höhe 30 gleich der Dicke 31 des Stringers 2 im gleichen Bereich. Der Stringer 2 ist dabei in dem Bereich 27 der Spanten 3 zwischen der Haut 4 und dem äußeren Gurt 21 des Spantes 3 positioniert. Dadurch wird es möglich, dass die Spanten 3 keine Spantenausschnitte 25 (vergleiche 7) für den durchgehenden Stringer 2 besitzen.
In der 11 ist eine ähnliche Darstellung wie in der 10 gewählt. Unter einem Längsschnitt eines Stringers 2 längs einer Achse 5 ist ein Querschnitt längs der Linie H-H im Bereich 27 der Spanten 3 dargestellt. Der gezeigte Stringer 2 weist Kanäle 32 in den Bereichen 27 des Stringers 2 benachbart zu den Spanten 3 auf. Die Kanäle 32 sind parallel zur Achse 5 des Stringers 2 orientiert und dienen für die Ventilation und die Entfernung einer möglichen Feuchtigkeit in geschlossenen Innenräumen eines Stringers 2.
In der 12 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, hier wiederum mit einem Längsschnitt eines Stringers 2 längs seiner Achse 5 und darunter einem Schnitt quer hierzu längs der Linie I-I benachbart zu einem Spanten 3 und rechts daneben heraus gezeichnet einen Schnitt durch diesen Querschnitt längs der Linie J-J.
Der Stringer 2 besitzt hier wiederum einen Füllstoff 28. Sowohl der Stringer hat Ventilationskanäle 32 in den Bereichen 27 benachbart zu den Spanten 3 als auch die Füllstoffe 28 besitzen Ventilationskanäle 29. Die Kanäle 29 und die Kanäle 32 fluchten dabei miteinander.
Das in der 12 gezeigt Paneel 1 weist zwischen der Haut 4 und dem äußeren Gurt 21 des Spantes 3 einen (weiteren) Füllstoff 33 auf. Als Füllstoff 33 kann ein Schaumstoff eingesetzt werden. Es kann sich um den gleichen Schaumstoff wie beim Füllstoff 28 handeln; es kann jedoch auch ein anderes Material eingesetzt werden. Der Gurt 21 der Spanten 3, die Haut 4 und der Füllstoff 33 bilden eine Sandwichstruktur mit einem erhöhten Widerstand gegen Beulenbildung in dem Gurt 21 und in der Haut 4. Der Füllstoff 33 kann auch als Unterstützung bei einer Integralfertigung des Paneels 1 mittel Prepreg- oder Nasstechnologie dienen und dabei als Fertigungsmittel wirken.
Die Verstärkung des Paneels 1 kann nicht nur mittels einzelner Stringer 2, sondern wie bereits angedeutet mittels eines wellenförmigen, in die Haut 4 integrierten Stringerfeldes ausgeführt werden. In diesem Fall wird vorzugsweise der äußere Spantengurt 21 mit der Haut 4 kontinuierlich durch Stringer 2 ohne Füllstoff 33 verbunden.
Das in der 13 angedeutet Verfahren zur Herstellung eines Paneels 1 etwa aus Faserverbundwerkstoffen enthält eine Reihe von Verfahrensschritten. Zunächst werden trockene Vorformlinge von der Haut 4 und den Stringern 2 aus Faserverbundgeweben oder -gelegen ausgeschnitten und positioniert. Danach wird der Füllstoff 28, etwa ein Schaumstoff, zwischen den Vorformlingen von Haut 4 und Stringer 2 angeordnet. Anschließend wird er durch ein Harzsystem getränkt und mit oder ohne Autoklav polymerisiert.
Die Stringer 2 und die Haut 4 werden in diesem Fall dann durch eine Harzschicht 34 verbunden.
Die Zugkräfte 15, welche bei einer Druckbeanspruchung des Paneels 1 durch eine die Kraft 12 in der Umfangsrichtung 17 des Stringers 2 entstehen (vergleiche 4), können eine Delaminierung zwischen der Haut 4 und den Füßen 8 des Stringers 2 hervorrufen. Um diesem Effekt entgegen zu wirken und ihn weit möglichst zu beseitigen können die Füße 8 der Stringer 2 und die Haut 4 vor der Impregnierung mit dem Harz zusätzlich mittels Vernähungsfaserfaden 35 oder auch mittels Heftklammern 36 fixiert und verbunden werden.
Die Spanten 3 des Paneels 1 können integral mit Stringern 2 und Haut 4 gefertigt oder separat und nachträglich zum Paneel 1 per Kleben oder Nieten gekoppelt werden.
Ein Vorformling aus Stringern 2 und Haut 4 des Paneels 1 kann auch integral durch eine sogenannte „Fiber placement”-Prepregtechnologie verwirklicht werden.
In bereits durchgeführten Analysen ist mittels FEM-Berechnungen bereits festgestellt worden, dass in der Tat Paneele 1 mit doppel gekrümmten Stringern 2, die durch Druck und Schub beansprucht sind, eine Tragfähigkeitserhöhung im Vergleich zu konventionellen Paneelen mit Hut-Stringern besitzen.

1: Paneel
2: Stringer
3: Spanten
4: Haut oder Beplankung
5: Achse der Stringer 2
6: Achse der Spanten 3
7: Oberfläche der Stringer 2
8: Füße der Stringer 2
9: Rippen
10: innere Oberfläche der Stringer 2
11: Achse der Rippen
12: Kraft
13: Mantellinienelement
14: Druckkraft
15: Resultierende
16: Kraftfeld
17: Umfangsrichtung
18: gradlinige Elemente
19: Idealisierungsfachwersystem
20: Schubbeanspruchung des Paneels 1
21: äußerer Gurt der Spanten 3
22: innerer Gurt der Spanten 3
23: äußerer Gurt der Rippen 9
24: innerer Gurt der Rippen 9
25: Ausschnitt der Spanten 3
26: Dicke der Stringer
27: Spantenbereich
28: Füllstoff
29: durchgehender Kanal im Füllstoff 28
30: Höhe des Stringers 2
31: Dicke des Stringers 2
32: Kanal im Spantenbereich 27
33: Füllstoff
34: Harzschicht
35: Vernähungsfaserfaden
36: Heftklammer

Claims

Paneel in einer Semimonocoque-Bauweise mit einer Haut (4), mit auf die Haut (4) aufgesetzten Stringern (2) mit einem Hutprofil, das eine Achse (5) in Längsrichtung, eine Breite in Querrichtung und eine Höhe (30) als Abstand von der Haut (4) besitzt, und mit Spanten (3), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Stringer (2) mit Hutprofil eine in Richtung der Achse (5) und in Querrichtung jeweils gekrümmte Oberfläche (7) aufweist, und dass die größte Breite in Querrichtung des Hutprofils des Stringers (2) zwischen zwei benachbarten Spanten (3) angeordnet ist.
Paneel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die größte Höhe (30) des doppelt, also in Längsrichtung (5) und in Querrichtung, gekrümmten Hutprofils des Stringers (2) zwischen zwei benachbarten Spanten (3) angeordnet ist.
Paneel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die größte Breite und die größte Höhe (30) des doppelt gekrümmten Hutprofils des Stringers (2) in der Mitte des Abstandes zwischen zwei benachbarten Spanten (3) angeordnet ist.
Paneel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem geschlossenen Raum, der zwischen der Haut (4) und der inneren Oberfläche (10) des Stringers (2) gebildet wird, zumindest eine Rippe (9) angeordnet ist.
Paneel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippe (9) parallel zu den zwei benachbarten Spanten (3) angeordnet ist.
Paneel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippe (9) in der Mitte zwischen den beiden benachbarten Spanten (3) angeordnet ist.
Paneel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stringer (2) eine Dicke (26) aufweist, und dass die Dicke (26) variable ist und im Bereich der Spanten (3) den größten Wert aufweist.
Paneel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem geschlossenen Raum, der zwischen der Haut (4) und der inneren Oberfläche des Stringers (2) gebildet wird, eine Füllung mit einem Füllstoff (28) vorgesehen ist.
Paneel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff (28) ein Schaumstoff ist.
Paneel nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Füllstoff (28) ein durchgehender Kanal (29) angeordnet ist.
Paneel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse des Kanals (29) im Füllstoff (28) parallel zu der Achse (5) des Stringers (2) in Längsrichtung orientiert ist.
Paneel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (30) des doppelt gekrümmten Hutprofils des Stringers (2) im Bereich der Spanten (3) gleich der Dicke (31) des Stringers (2) im gleichen Bereich ist.
Paneel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Stringer (2) im Bereich (27) der Spanten (3) einen durchgehenden Kanal (32) aufweist.
Paneel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse des Kanals (32) durch den Stringer (2) im Bereich (27) benachbart zu den Spanten (3) parallel zur Achse (5) des Stringers (2) in Längsrichtung orientiert ist.
Paneel nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen des Kanals (32) durch den Stringer (2) und des Kanals (29) durch den Füllstoff (28) im Bereich der Spanten (3) fluchten.
Paneel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stringer (2) im Bereich (27) der Spanten (3) zwischen der Haut (4) und einem äußeren Gurt (21) eines der Spanten (3) angeordnet ist.
Paneel nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen der Haut (4) und dem äußeren Gurt (21) des Spanten (3) einen Füllstoff (33) aufweist.
Paneel nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff (33) ein Schaumstoff ist.
Paneel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Füße (8) des Stringers (2) und die Haut (4) durch eine Harzschicht (34) verbunden sind.
Paneel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Füße (8) des Stringers (2) und die Haut (4) durch Vernähungsnähte (35) mit Faserfaden geheftet sind.
Paneel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Füße (8) des Stringers (2) und die Haut (4) mittels Heftklammern (36) verbunden sind.
Paneel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Paneel (1) aus Faserverbundwerkstoffen besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Paneels (1) in einer Semimonocoque-Bauweise nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst von der Haut (4) und den Stringern (2) aus Faserverbundgeweben oder -gelegen trockene Vorformlinge ausgeschnitten und angeordnet werden, dass Füllstoffe zwischen den Vorformlingen für die Haut (4) und die Stringer (2) angeordnet werden, dass die Füße (8) der Stringer (2) mit der Haut (4) mittels Vernähungs- oder Heftklammertechnik fixiert und verbunden werden, dass die so angeordneten Elemente mit einem Harzsystem getränkt, und dass die getränkten Elemente mit oder ohne Autoklav polymerisiert werden.