DE102009013585A1

DE102009013585A1 - Rumpfzellenstruktur für ein Flugzeug in Hybridbauweise

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Publication number: DE102009013585A1
Application number: DE102009013585A
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dietrich Dipl.-Ing. Dolzinski; Norbert Dipl.-Ing. Heltsch; Arne Dipl.-Ing. Hartwig; Markus Dr. Ing. Müller; Markus Joerg Dipl.-Ing. Weber; Jens-Ulrich Dipl.-Ing. Prowe; Paul Dr. Ing. Jörn
Original assignee: EADS Deutschland GmbH; Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2010-09-23
Anticipated expiration: 2029-03-18
Also published as: US20120056037A1; DE102009013585B4; CN102427998B; EP2408665A2; US9586668B2; WO2010106040A3; CA2755840A1; JP2012520787A; CN102427998A; RU2482995C1; RU2011141820A; WO2010106040A2; BRPI1009128A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rumpfzellenstruktur in Hybridbauweise für ein Flugzeug, wobei die Rumpfzellenstruktur mit einer Vielzahl von Hautfeldern 2, 3, 30-32, 42, 43, 70, 71, Längssteifen 53, 88, 89 und Quersteifen, insbesondere Spanten 18, 59, unter Schaffung einer Vielzahl von Längs- und/oder Quernähten 1, 29, 41, 77, 83 gebildet ist. Mindestens ein Hautfeld 2, 31, 32, 71 ist doppelschalig und mindestens ein Hautfeld 3, 30, 43, 70 monolithisch ausgebildet. Erfindungsgemäß ist im Bereich der mindestens einen Längsnaht 1, 83 zwischen einem monolithischen und einem doppelschaligen Hautfeld 2, 3, 70, 71 mindestens eine Längslasche 10, 81, 82 mit einem ersten und einem zweiten Längsflansch 11, 12 vorgesehen, wobei die Längsflansche 11, 12 mittels eines geneigten Steges 13 zueinander versetzt verbunden sind. Im Bereich der mindestens einen Quernaht 29, 41, 77 zwischen einem monolithischen und einem doppelschaligen Hautfeld 30, 31, 42, 43, 70, 71 ist mindestens ein Lastübergang 34, 56, 90, 91 zur Anbindung mindestens einer auf dem monolithischen Hautfeld 43, 70 befindlichen Längssteife 53, 88, 89 an das mindestens eine doppelschalige Hautfeld 42, 71 vorgesehen. Durch die Längslaschen 10, 82 ist eine lastflussgerechte Verbindung zwischen einen monolithischen und einem doppelschaligen Hautfeld 2, 3, 70, 71 gegeben, wobei zugleich die Kernstruktur 4, 74 des doppelschaligen Hautfeldes 2, 71 seitlich abgeschlossen wird. Die Lastübergänge 29, 41, 90, 91 im Bereich der ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Rumpfzellenstruktur für ein Flugzeug, wobei die Rumpfzellenstruktur mit einer Vielzahl von Hautfeldern, Längssteifen und Quersteifen, insbesondere Spanten, unter Schaffung einer Vielzahl von Längs- und/oder Quernähten gebildet ist, wobei mindestens ein Hautfeld doppelschalig und mindestens ein Hautfeld monolithisch ausgeführt ist.
Bekannte Ausführungsformen von Flugzeugrumpfzellen, insbesondere im Fall von großvolumigen Passagierflugzeugen, sind in der Regel mit monolithischen Hautfeldern gebildet. Die monolithischen Hautfelder können mit metallischen Materialien und/oder mit Faserverbundwerkstoffen hergestellt sein. Zur Aussteifung der monolithischen Hautfelder sind eine Vielzahl von in Flugrichtung parallel zueinander beabstandet verlaufende Längssteifen sowie Spantprofile als Quersteifen, die in Querrichtung zur Flugrichtung angeordnet sind, vorgesehen. Die Fertigung der Längssteifen und der Spantsegmente und ihre Befestigung auf einem monolithischen Hautfeld bedeuten einen erheblichen Fertigungsaufwand.
Rumpfzellen mit Hautfeldern in doppelschaliger Bauweise sind im Allgemeinen bei kleineren Flugzeugtypen anzutreffen. Im Fall der doppelschaligen Bauweise von Hautfeldern kommen ebene und/oder zumindest bereichsweise mindestens einfach gekrümmte Sandwichelemente zum Einsatz, bei denen eine innere und eine äußere Decklage durch eine Kernstruktur, beispielsweise in der Form eines Honigwabenkerns, eines Hartschaumkerns oder eines Faltwabenkerns unter Schaffung eines definierten Abstandes miteinander verbunden sind. Die Decklagen können mit Faserverbundwerkstoffen, mit metallischen Werkstoffen oder mit Hybridwerkstoffen, wie zum Beispiel Glare^®, gebildet sein.
Eine ideale doppelschalige Bauweise weist insbesondere den Vorteil auf, dass weniger oder keine Längssteifen und Spante zur Aussteifung der Rumpfzelle erforderlich sind, wodurch sich der Fertigungsaufwand verringert und sich Gewichtsvorteile ergeben können. Darüber hinaus ist unter Umständen, im Gegensatz zu monolithischen Hautfeldern, eine Reduzierung der thermischen Primärisolation doppelschaliger Hautfelder möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rumpfzelle in Hybridbauweise zu schaffen, bei der ebene und/oder mindestens einfach gekrümmte Hautfelder in monolithischer und in doppelschaliger Bauweise unter Schaffung von Längs- und/oder Quernähten durch kraftflussoptimierte Schnittstellen so miteinander kombiniert werden, dass sich Gewichtseinsparungen ergeben, wobei zugleich der Fertigungsaufwand vermindert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Rumpfzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass im Bereich der mindestens einen Längsnaht zwischen einem monolithischen und einem doppelschaligen Hautfeld mindestens eine Längslasche mit einem ersten und einem zweiten Längsflansch vorgesehen ist, wobei die Längsflansche mittels eines geneigten Steges zueinander versetzt verbunden sind und/oder im Bereich der mindestens einen Quernaht zwischen einem monolithischen und einem doppelschaligen Hautfeld mindestens ein Lastübergang zur Anbindung mindestens einer auf dem monolithischen Hautfeld befindlichen Längssteife an das mindestens eine doppelschalige Hautfeld vorgesehen ist, kann eine nahezu beliebige Abfolge von monolithischen und doppelschalig ausgeführten Hautfeldern zu einer komplexen Rumpfzellenstruktur kombiniert werden. Hierbei ist es möglich, monolithische und in doppelschaliger Bauweise ausgeführte Hautfelder in denjenigen Bereichen einer Rumpfzellenstruktur einzusetzen, in denen die jeweilige Bauweise die höchsten statischen und konstruktiven Vorteile verspricht.
Grundsätzlich kann auch eine komplette Rumpfsektion mit doppel schaligen Hautfeldern aufgebaut sein und eine daran anschließende Rumpfsektion ausschließlich mit monolithischen Hautfeldern ausgeführt sein.
Infolge der in der Schnittstelle zwischen einem doppelschaligen Hautfeld und einem monolithischen Hautfeld im Längsnahtbereich vorgesehenen Längslasche mit einer geneigten Stufe können Kräfte, die von den beiden Decklagen des Sandwichteils ausgehen, zusammengeführt und in das monolithische Hautfeld eingeleitet werden. Darüber hinaus sorgt die Längslasche für einen Abschluss der Kernstruktur des doppelschaligen Hautfeldes.
Im Schnittstellenbereich einer Quernaht zwischen einem monolithischen Hautfeld und einem in doppelschaliger Bauweise ausgeführten Hautfeld sind eine Vielzahl von Lastübergängen vorgesehen, die zur Lastüberleitung zwischen den auf dem monolithischen Hautfeld angeordneten Längssteifen und einer Decklage des in doppelschaliger Bauweise ausgeführten Hautfeldes dienen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Rumpfzellenstruktur sieht vor, dass der erste Längsflansch mit einer inneren Decklage eines doppelschaligen Hautfeldes verbunden ist und der zweite Längsflansch mit einer äußeren Decklage des doppelschaligen Hautfeldes verbunden ist, und der zweite Längsflansch mittels einer Lasche und/oder eines Profils, insbesondere mittels eines T-Profils, mit einem monolithischen Hautfeld unter Schaffung einer Längsnaht verbunden ist.
Durch das bevorzugt als T-Profil ausgeführte Profil bzw. unter Zuhilfenahme einer geeigneten Lasche wird das monolithische Hautfeld innenseitig auf Stoß mit dem zweiten Längsflansch der Längslasche verbunden. Zugleich überbrückt die äußere Decklage des doppelschaligen Hautfeldes außenseitig den Stoß zwischen dem zweiten Längsflansch und dem monolithischen Hautfeld. Die Verbindung sämtlicher genannter Komponenten untereinander kann durch Niete, Bolzen, zumindest bereichsweise ausgeführte Verklebungen oder eine beliebige Kombination der genannten Fügetechniken erfolgen.
Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mindestens ein Spant eines monolithischen Hautfeldes eine unterseitige Ausnehmung im Bereich eines Spantendes aufweist und im Bereich des Spantendes mindestens ein Winkel angeordnet ist.
Durch den Winkel wird eine mechanische Anbindung des Spantendes an das doppelschalige Hautfeld ermöglicht, da im Bereich des doppelschaligen Hautfeldes in der Regel keine Spante erforderlich sind. Der Winkel kann optional ein integraler Bestandteil des Spantes sein.
Im Fall einer im Bereich des doppelschaligen Hautfeldes im Verhältnis zum monolithischen Hautfeld reduzierten Spantanzahl kann somit eine kraftflussgerechte Anbindung der Spante an das doppelschalige Hautfeld erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist im Bereich der mindestens einen Quernaht mindestens eine Querlasche mit einem ersten und einem zweiten Querflansch angeordnet, wobei die Querflansche mittels einer Stufe weitestgehend parallel zueinander versetzt miteinander verbunden sind.
Durch die Querlasche werden, wenn auch nicht primär, Lasten zwischen dem doppelschaligen Hautfeld und dem monolithischen Hautfeld transferiert. Zugleich erfolgt durch die Querlasche ein Abschluss der Kernstruktur des doppelschaligen Hautfeldes.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Rumpfzellenstruktur sind in den weiteren Patentansprüchen dargelegt.
In der Zeichnung zeigt:
1 Eine prinzipielle perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß ausgeführten Längsnaht zwischen einem doppelschaligen Hautfeld und einem monolithischen Hautfeld,
2 eine Querschnittsdarstellung der 1 im Bereich des Spantendes,
3 eine Querschnittsdarstellung entlang der Schnittlinie III-III in der 2,
4 eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß ausgeführten Quernaht zwischen einem monolithischen Hautfeld und einem doppelschaligen Hautfeld mit einer Vielzahl von Lastübergängen,
5 eine detaillierte Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäß ausgeführte Quernaht, und
6 eine Ausführungsvariante einer Quernaht zwischen einem monolithischen und einem doppelschaligen Hautfeld mit einem im Quernahtbereich integrierten Fenster.
Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß ausgeführten Längsnaht 1 zwischen einem doppelschaligen Hautfeld 2 und einem monolithischen Hautfeld 3 einer in Hybridbauweise, das heißt durch eine Kombination von monolithischen und doppelschaligen Hautfeldern hergestellten Flugzeugrumpfzelle.
Das doppelschalige Hautfeld 2 ist mit einer Kernstruktur 4 gebildet, die mit einer inneren Decklage 5 und einer äußeren Decklage 6 versehen ist. Die äußere Decklage 6 ist mit einer optionalen Aufdickung 7 und einer Haut 8 gebildet. Eine der Flugrichtung der nicht dargestellten Flugzeugrumpfzelle entsprechende x-Achse 9 verläuft angenähert parallel zur Längsnaht 1.
Die Längsnaht 1 wird im Wesentlichen mit einer Längslasche 10 gebildet. Die Längslasche 10 verfügt über einen ersten Flansch 11 und einen zweiten Flansch 12, die in etwa parallel zueinander versetzt mittels eines geneigten Steges 13 miteinander verbunden sind. Der Begriff der ”Parallelität” ist im Anmeldungskontext nicht im strengen Sinne der ebenen Geometrie zu verstehen. Vielmehr bedeutet der Terminus ”parallel” vorliegend, das zwei ebene und/oder zumindest abschnittsweise mindestens einfach gekrümmte Flächen, wie zum Beispiel die Flansche 11, 12 fiktiv zumindest bereichsweise gleichmäßig zueinander beabstandet im Raum verlaufen. Dies bedeutet, dass beispielsweise die beiden Flansche 11, 12 in näherungsweise hohlzylindrischen Rumpfzellenabschnitten über eine im Wesentlichen einfach gekrümmte Oberflächengeometrie verfügen, während die Flansche 11, 12 in einem Heck- und Cockpitbereich der Rumpfzelle in der Regel eine komplex sphärische, das heißt eine zumindest bereichsweise zweifach gekrümmte Oberflächengeometrie, aufweisen. Im Fall von gekrümmten Oberflächengeometrien kann der Krümmungsgrad lokal variieren. In ebenen Bereichen einer Oberflächengeometrie weisen jedoch auch die Flansche 11, 12 entsprechend eine plane Geometrie auf.
Ein Neigungswinkel des Steges 13 beträgt bevorzugt weniger als 45°. Der erste Flansch 11 ist im Bereich der Längsnaht 1 mit der inneren Decklage 5 verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise durch Vernieten, Verbolzen und/oder Verkleben erfolgen. Der zweite Flansch 12 der Längslasche 10 stößt stumpf an das monolithische Hautfeld 3 unter Schaffung der eigentlichen Längsnaht 1 an. Die eigentliche Verbindung zwischen dem zweiten Flansch 12 und dem monolithischen Hautfeld 3 erfolgt im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 durch ein im Wesentlichen quer zur x-Achse 9 verlaufendes T-Profil 14 mit einem Sockelflansch 15 und einem darauf mittig senkrecht angeordneten Steg 16. Hierbei ist der Sockelflansch 15 des T-Profils 14 sowohl mit dem zweiten Flansch 12 als auch mit dem monolithischen Hautfeld 3 fest verbunden. Zusätzlich überbrückt unterseitig die äußere Decklage 6 den Bereich der Längsnaht 1, die durch den Stumpfstoß zwischen dem zweiten Flansch 12 und dem monolithischen Hautfeld 3 gebildet ist, das heißt es besteht eine mechanische Verbindung zwischen dem T-Profil 14, dem zweiten Flansch 12, dem monolithischen Hautfeld 3 sowie der äußeren Decklage 6 des doppelschaligen Hautfeldes 2. Die Verbindung zwischen den sämtlichen erwähnten Komponenten kann in bekannter Weise durch Niete, Bolzen und/oder zumindest bereichsweise Verklebungen erfolgen. Ein Verbindungselement ist in 1 repräsentativ für alle übrigen mit der Bezugsziffer 17 versehen.
In etwa quer zur Längsnaht 1 verläuft ein Spant 18 mit einem Fußflansch 19 und einem Kopfflansch 20, die durch einen hierzu senkrecht verlaufenden Steg 21 miteinander verbunden sind. Im Bereich eines Spantendes 22 befindet sich eine unterseitige Ausnehmung 23 im Spant 18 sowie ein Winkel 24 zur Anbindung des Spantendes 22 an das doppelschalige Hautfeld 2. Der Winkel 24 verfügt über einen ersten und einen zweiten Schenkel 25, 26, die mit der inneren Decklage 5 des doppelschaligen Hautfeldes 2 und dem Spantende 22 verbunden sind. Die Schenkel 25, 26 schließen einen Winkel von etwa 90° ein. Der Winkel 24 ermöglicht eine in statischer Hinsicht optimale Anbindung des Spantendes 22 an das doppelschalige Hautfeld 2. In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante kann ein weiterer Winkel auf der anderen Seite des Steges 21 des Spantes 18, gegenüberliegend zum Winkel 24, vorgesehen sein.
Unterhalb des zweiten Schenkels 26 des Winkels 24 befindet sich eine optionale Ausnehmung 27 innerhalb der Kernstruktur 4 des doppelschaligen Hautfeldes 2. Diese taschenartige Ausnehmung 27, mit einer im gezeigten Ausführungsbeispiel quaderförmigen geometrischen Gestalt, dient zur Aufnahme eines in 1 nicht dargestellten Verstärkungsprofils, um das Spantende 22 zusätzlich zur Anbindung an die innere Decklage 5 auch mit der äußeren Decklage 6 des doppelschaligen Hautfeldes 2 zu verbinden. Die unterseitig des Spantes 18 im Bereich des Spantendes 22 vorgesehene Ausnehmung 23 ermöglicht den Höhenausgleich zwischen dem doppelschaligen Hautfeld 2 mit einer großen Materialstärke und dem vergleichsweise dünnschichtigen monolithischen Hautfeld 3.
Die 2 zeigt eine vereinfachte Querschnittsdarstellung durch die erfindungsgemäße Längsnaht 1 zwischen dem doppelschaligen Hautfeld 2 und dem monolithischen Hautfeld 3.
Die Längsnaht 1 entsteht infolge der Verbindung des zweiten (rechtsseitigen) Längsflansches 12 der Längslasche 10 mit dem monolithischen Hautfeld 3 durch den Sockelflansch 15 des T-Profils 14 im Zusammenspiel mit der die Längsnaht 1 unterseitig vollständig über lappenden äußeren Decklage 6 des doppelschaligen Hautfeldes 2. Die Anbindung der inneren Decklage 5 erfolgt durch den ersten, linksseitigen Längsflansch 11 der Längslasche 10. Durch die starre Längslasche 10 in Verbindung mit der äußeren Decklage 6 werden Kräfte, die von den Decklagen 5, 6 des doppelschaligen Hautfeldes 2 ausgehen, zunächst zusammengeführt und dann zugleich ober- und unterseitig in die monolithische Haut 3 übergeleitet.
Zur Erhöhung der Biegesteifigkeit der Längsnaht 1 ist der Fußflansch 19 des Spantes 18 mit dem monolithischen Hautfeld 3 und das Spantende 22 über den Winkel 24 zumindest mit der inneren Decklage 5 des doppelschaligen Hautfeldes 2 verbunden. Die im Bereich des Spantendes 22 in einem unteren Bereich des Spantes 18 vorgesehene Ausnehmung 23 dient zum Niveauausgleich zwischen dem doppelschaligen Hautfeld 2 und dem monolithischen Hautfeld 3 und ermöglicht darüber hinaus die Querdurchführung des T-Profils 14.
In die Kernstruktur 4 kann eine optionale, hier quaderförmig ausgestaltete Ausnehmung 27 bzw. Tasche eingelassen sein. Die fakultative Ausnehmung 27 dient zur Integration eines Hohlkörpers mit einer geeigneten Querschnittsgeometrie, wie zum Beispiel ein Doppel-T-Profil 28. Das Doppel-T-Profil 28 kann ergänzend zur gezeigten Anbindung durch die Verbindungselemente zumindest bereichsweise flächig mit den Deckhäuten verbunden, zum Beispiel verklebt sein. Hierdurch kann das Spantende 22 in mechanisch wirksamer Weise zusätzlich an die äußere Decklage 6 des doppelschaligen Hautfeldes 2 angebunden werden. Im Gegensatz zur Darstellung nach 1 sind die zur Schaffung der kompletten Längsnaht 1 erforderlichen Verbindungselemente nicht durch Kreise bzw. Ellipsen sondern durch strichpunktierte Linien angedeutet. Das Doppel-T-Profil 28 bzw. ein in die Ausnehmung 27 aufzunehmender Hohlkörper kann mit einem metallischen Material und/oder mit einem Faserverbundwerkstoff gebildet sein.
Die 3 zeigt eine vereinfachte Querschnittsdarstellung gemäß der Schnittlinie III-III in 2.
Der optionale Fußflansch 19 des Spantes 18, der erste Flansch 11 der Längslasche 10 und die innere Decklage 5 können über nicht näher bezeichnete Verbindungselemente zusammen gefügt werden. Die mechanische Anbindung des Spantes 18 an das doppelschalige Hautfeld 2 erfolgt durch den Winkel 24, wobei der erste Schenkel 25 mit dem Steg 21 des Spantes 18 verbunden ist und der zweite Schenkel 26 mit dem ersten Längsflansch 11, der inneren Decklage 5 und dem Doppel-T-Profil 28 zusammengefügt ist. Zusätzlich ist auch die äußere Decklage 6 des doppelschaligen Hautfeldes 2 mit dem Doppel-T-Profil 28 verbunden. Anstelle des Doppel-T-Profils 28 als Profilkörper kann zur Anbindung des Spantendes 22 jede denkbare Profilform mit geeigneter Querschnittsgeometrie, zum Beispiel ein Rechteckhohlprofil, in die Ausnehmung 27 in der Kernstruktur 4 im doppelschaligen Hautfeld 2 integriert werden.
Das Doppel-T-Profil 28 ermöglicht somit, dass das Spantende 22 mittels des Winkels 24 sowohl mit der inneren Decklage 5 als auch mit der äußeren Decklage 6 des doppelschaligen Hautfeldes 2 verbunden ist, so dass eine statisch effektive Überleitung von Kräften zwischen den Hautfeldern im Bereich der Längsnaht 1 der aneinander stoßenden Hautfelder 2, 3 erreicht wird.
Die 4 illustriert eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäß ausgeführten Quernaht zwischen einem monolithischen Hautfeld und einem doppelschaligen Hautfeld mit einer Vielzahl von Lastübergängen.
Eine Quernaht 29 besteht zwischen einem monolithischen Hautfeld 30 und einem doppelschaligen Hautfeld 31. Ein weiteres doppelschaliges Hautfeld 32 ist mittels eines doppelschaligen Interfaces 33 mit dem doppelschaligen Hautfeld 31 verbunden. Die hierbei zum Einsatz kommenden Verbindungselemente, insbesondere Niete und/oder Bolzen, sind durch kleine Kreise angedeutet.
Die Verlaufsrichtung der x-Achse 9 ist gleichbedeutend mit der Flugrichtung. Auf dem monolithischen Hautfeld 30 sind eine Vielzahl von nicht dargestellten Längssteifen angeordnet, die angenähert pa rallel zur x-Achse 9 verlaufen und die mit einer Vielzahl von Lastübergängen, von denen ein Lastübergang 34 repräsentativ für alle übrigen mit einer Bezugsziffer versehen ist, mit dem doppelschaligen Hautfeld 31 verbunden sind. Der Lastübergang 34 verfügt an einem Ende über einen Trapezflansch 35, mit dem die mechanische Ankopplung an das doppelschalige Hautfeld 31 erfolgt. Unterhalb des Trapezflansches 35 erstreckt sich ein weitestgehend parallel zur x-Achse 9 verlaufender Profilabschnitt 36 mit einer L-förmigen Querschnittsgeometrie, der zur mechanischen Anbindung der auf dem monolithischen Hautfeld verlaufenden Längssteifen dient. Bevorzugt ist der Lastübergang 34 einstückig ausgebildet. Zur besseren Anbindung des doppelschaligen Hautfeldes 31 verläuft unterhalb des Lastübergangs 34 eine optionale Querlasche 37, die über einen ersten Querflansch 38 und einen zweiten Querflansch 39 verfügt, die durch eine im Wesentlichen senkrecht verlaufende Stufe 40 miteinander verbunden sind. Die Querflansche 38, 39 verlaufen angenähert parallel zueinander beabstandet, wobei ein Abstand der beiden Querflansche 38, 39 der im Wesentlichen senkrechten Stufe 40 entspricht. Die Querlasche 37 ist bevorzugt einstückig ausgebildet. Durch die Querlasche 37 wird zugleich ein Abschluss der Kernstruktur des doppelschaligen Hautfeldes 31 erzielt.
Das Zusammenfügen von dem monolithischen Hautfeld 30, den darauf befindlichen Längssteifen, den Lastübergängen 34, der Querlasche 37 sowie dem doppelschaligen Hautfeld 31 erfolgt durch in 4 nicht dargestellte Verbindungselemente, insbesondere Niete, Schraubbolzen, Verkleben, Verschweißen oder eine beliebige Kombination der genannten Fügearten.
Die 5 illustriert eine detaillierte Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäß ausgestaltete Quernaht 41 zwischen einem doppelschaligen Hautfeld 42 und einem monolithischen Hautfeld 43.
Das doppelschalige Hautfeld 42 umfasst eine Kernstruktur 44, die mit einer inneren Decklage 45 und einer äußeren Decklage 46 versehen ist. Die äußere Decklage 46 umfasst eine Aufdickung 47 sowie die eigentliche Haut 48. Im Quernahtbereich verläuft eine Querlasche 49, die einen ersten Querflansch 50 sowie einen zweiten hierzu weitestgehend parallel beabstandet verlaufenden Querflansch 51 aufweist, wobei die beiden Querflansche 50, 51 durch eine in etwa senkrechte Stufe 52 miteinander verbunden sind. Im Bereich des monolithischen Hautfeldes 43 verläuft eine Längssteife 53, in deren Endabschnitt 54 ein kleiner vertikaler Versatz 55 zum Höhenausgleich vorgesehen ist. Der Endabschnitt 54 liegt im Bereich der Quernaht 41 auf dem zweiten Querflansch 51 auf. Die mechanische Ankopplung zwischen der Längssteife 53 im Bereich des monolithischen Hautfeldes 43 und dem doppelschaligen Hautfeld 42 erfolgt durch einen Lastübergang 56, der an einem Ende einen Trapezflansch 57 aufweist und dessen hiervon weggerichtetes Ende in einem Profilabschnitt 58 mit einer im Wesentlichen L-förmigen Querschnittsgeometrie ausläuft.
Im Bereich des doppelschaligen Hautfeldes 42 wird die Quernaht 41 durch den Trapezflansch 57 gebildet, der mit dem ersten Querflansch 50 der Querlasche 49 sowie der inneren Decklage 45 verbunden ist. Darüber hinaus wird der Profilabschnitt 58 des Lastübergangs 56 mit dem zweiten Querflansch 51 sowie der äußeren Decklage 46 verbunden. Schließlich erfolgt auf der monolithischen Seite der Quernaht 41 eine Verbindung zwischen der Längssteife 53, dem zweiten Querflansch 51 und dem monolithischen Hautfeld 43 sowie dem Endabschnitt 54 der Längssteife 53.
Der Vollständigkeit halber sind in der Darstellung der 5 ein Spant 59 sowie ein Stützwinkel 60 dargestellt, die im Bereich der Quernaht 41 gleichfalls mit dem Endabschnitt 54 der Längssteife 53, dem zweiten Querflansch 51 sowie dem monolithischen Hautfeld 43 verbunden sind.
Alternativ kann in einer Ausnehmung 61 der Kernstruktur 44 ein Profilkörper bzw. ein Profilabschnitt, zum Beispiel ein Doppel-T-Profil 62, integriert sein, um zusätzlich insbesondere eine Anbindung des Lastübergangs 56 an die äußere Decklage des doppelschaligen Hautfeldes 42 zu bewirken (vgl. 3). Das Doppel-T-Profil 62 kann mit einem metallischen Material und/oder mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet sein. Die Anbindung des Doppel-T-Profils 62 an die Kernstruktur 44, die Decklagen 45, 46 und den Lastübergang 56 kann durch Verbindungselemente und/oder durch eine zumindest bereichsweise ausgeführte Klebeverbindung und/oder durch Einschäumen erfolgen.
Bei einer alternativen, nicht in 5 dargestellten Ausführungsform der Quernaht 41 endet die Längssteife 53 bereits vor der Quernaht 41. In diesem Fall erfolgt die Ausbildung des Lastübergangs 56 wahlweise als integrales oder als differentielles Bauteil. Integral gestaltet wäre der Lastübergang 56 derart zu fertigen, dass dabei Trapezflansch 57 und Profilabschnitt 58 in einem einzigen Bauteil vereint werden. Eine Differentialbauweise sieht die Gestaltung des Lastübergangs 56 wahlweise aus zwei oder mehreren Bauteilen für Trapezflansch 57, Profilabschnitt 58 und die Anbindung mittels eines separaten Profils bzw. Profilkörpers, die beispielsweise eine L-förmige aber auch jede andere denkbare Querschnittsgeometrie aufweisen können, an die Längssteife 53 vor. Eine Anbindung des Lastübergangs 56 kann dabei wahlweise direkt an die Längssteife 53 und/oder zwischen zwei Längssteifen erfolgen, wobei eine zusätzliche Querstosslasche zur Verbindung von monolithischem und doppelschaligem Hautfeld 43, 42 verwendet werden kann.
Der Vorteil dieser Ausführungsvariante liegt unter anderem darin, dass der ansonsten zum Höhenausgleich notwendige, insbesondere beim Einsatz von Faserverbundwerkstoffen jedoch fertigungstechnisch nur aufwändig auszubildende Versatz 55 im Endbereich der Längssteife 53 entfallen kann.
Die Verbindung sämtlicher genannten Komponenten erfolgt, wie in 5 mit strichpunktierten Linien angedeutet, durch Bolzen, Niete, Schrauben, Verschweißen und/oder durch eine zumindest bereichsweise Verklebung.
Die 6 illustriert in einer Prinzipdarstellung eine Ausführungsvariante einer Quernaht zur Verbindung eines monolithischen Hautfeldes mit einem doppelschaligen Hautfeld in einer Draufsicht vom Innenraum einer nicht näher dargestellten Rumpfzellenstruktur aus gesehen.
Ein monolithisches Hautfeld 70 ist mit einem doppelschaligen Hautfeld 71 verbunden. Das doppelschalige Hautfeld 71 umfasst eine innere und eine äußere Decklage 72, 73, zwischen denen eine Kernstruktur 74 angeordnet ist.
Im Bereich eines monolithischen Fensterrahmens 75 mit einem darin aufgenommenen Fensterelement 76 sowie im Bereich einer Quernaht 77 ist die Kernstruktur 74 einschließlich der inneren Decklage 72 des doppelschaligen Hautfeldes 71 zur Schaffung einer Ausnehmung 78 im doppelschaligen Hautfeld 71 entfernt worden. Die Geometrie der Ausnehmung 78 entspricht angenähert einem unmittelbar an die Quernaht 77 anschließenden rechteckigen Randstreifen, an den rechtsseitig ein viereckiger Bereich für den Fensterrahmen 75 angrenzt.
Die Quernaht 77 ist zum Beispiel mittels einer innenseitig angeordneten und befestigten, hier jedoch nicht näher dargestellten Querstoßlasche zwischen dem monolithischen Hautfeld 70 und der in diesem Bereich freigelegten äußeren Decklage 73 des doppelschaligen Hautfeldes 71 gebildet. In dem Bereich des doppelschaligen Hautfeldes 71, in dem die Kernstruktur 74 noch vorhanden und beidseitig mit den Decklagen 72, 73 versehen ist, befinden sich zwei so genannte doppelschalige Fensterrahmen 79, 80, die zur Integration in doppelschalige Hautfelder ausgebildet sind.
Der seitliche Abschluss der quer zur Verlaufsrichtung der Quernaht 77 ansonsten offenen Kernstruktur 74 erfolgt – wie in der Schnittdarstellung I angedeutet – durch eine waagerecht verlaufende Längslasche 81. Zu erkennen ist, dass diese Längslasche 81 die äußere mit der inneren Decklage 72, 73 verbindet. Eine weitere Längslasche 82 verläuft unterhalb der drei Fensterrahmen 75, 79 und 80 in horizontaler Richtung. Mittels der unteren Längslasche 82 kann unter Schaffung einer Längsnaht 83 optional eine Anbindung eines nicht mit einer Bezugsziffer versehenen monolithischen Hautfeldes an das doppelschalige Hautfeld 71 erfolgen. Die Ausgestaltung der Längslaschen 81, 82 entspricht der Ausgestaltung der weiter oben, im Rahmen der Erläuterung der 1 bis 3 bereits näher beschriebenen Längslasche, mit zwei jeweils durch einen geneigten Steg verbundenen Längsflanschen. Der Aufbau der Längsnaht 83 folgt ebenfalls dem Aufbau der im Rahmen der Beschreibung der 1 bis 3 erläuterten Längsnaht.
Der seitliche Abschluss der Kernstruktur 74 parallel zur Verlaufsrichtung der Quernaht 77 erfolgt – wie aus der Schnittdarstellung III ersichtlich – mittels einer Querlasche 84, die zwei mit einem senkrechten, stufenartigen Steg verbundene, nicht mit einer Bezugsziffer versehene Querflansche aufweist. Durch die Querlasche 84 wird eine Verbindung zwischen den beiden Decklagen 72, 73 des doppelschaligen Hautfeldes 71 und zusätzlich noch eine Anbindung an den Fensterrahmen 75 erreicht.
Mittels einer Querlasche 85 und zwei daran angebundenen Trapezflanschen 86, 87 erfolgt eine Anbindung der Längssteifen 88, 89 des monolithischen Hautfeldes 70 an das doppelschalige Hautfeld 71 im Bereich der Quernaht 77. Die Anbindung der Längssteifen 88, 89 an die Trapezflansche 86, 87 erfolgt mittels nicht bezeichneter Profilabschnitte mit einer jeweils bevorzugt L-förmigen Querschnittsgeometrie (vgl. insb. 4, Bezugsziffer 36), wobei die Profilabschnitte bevorzugt als integrale Bestandteile der Trapezflansche 86, 87 ausgeführt sind. Alternativ können die Profilabschnitte mittels geeigneter Verbindungselemente mit den Trapezflanschen 86, 87 verbunden sein. Die Trapezflansche 86, 87 bilden zusammen mit einem der beiden Profilabschnitte jeweils einen von zwei Lastübergängen 90, 91 zur Überleitung von Kräften zwischen den Hautfeldern 70, 71.
Die Ausführung der Querlaschen 84, 85 folgt wiederum der Ausgestaltung der zur Schaffung der Quernaht zwischen einem monolithischen und einem doppelschaligen Hautfeld verwendeten Querlaschen nach Maßgabe der 4 und 5. Die Längslaschen 81, 82 sowie die Querlaschen 84, 85 können durch jeweils endseitig angeschnittene Gehrungen im Idealfall weitgehend spaltfrei und passgenau aneinander anschließend ausgebildet sein.
Die Schnittdarstellung II zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung der in das doppelschalige Hautfeld 71 eingesetzten Fensterrahmen 79, 80, während die Schnittdarstellung IV eine schematische Schnittdarstellung durch den monolithischen Fensterrahmen 75 und die äußere Decklage 73 des doppelschaligen Hautfeldes 71 sowie das monolithische Hautfeld 70 illustriert.
Die anhand der 6 erläuterte alternative Ausführung der Quernaht 77 zwischen dem monolithischen Hautfeld 70 und dem doppelschaligen Hautfeld 71 ermöglicht neben der Integration eines Fensterrahmens 75 im Bereich der Quernaht 77 vor allem eine ”Entzerrung” der Quernaht 77 in statischer Hinsicht, das heißt einen vorteilhafteren Lastfluss vom monolithischen Hautfeld 70 in das doppelschalige Hautfeld 71 und umgekehrt. Denn der Fensterrahmen 75 ist im Bereich der Ausnehmung 78 angeordnet, die durch das Entfernen der Kernstruktur 74 und der inneren Decklage 72 aus dem doppelschaligen Hautfeld 71 im Bereich der Quernaht 77 geschaffen wurde. Im Bereich dieser Ausnehmung 78 stellt das doppelschalige Hautfeld 71 ein ”pseudo”-monolithisches Hautfeld dar, wodurch die eigentlich geradlinig verlaufende Quernaht 77 zumindest im Bereich des Fensterrahmens 75 in das doppelschalige Hautfeld 71 ”hineingetragen” und die Wirkung des Stumpfstoßes zwischen den Hautfeldern 70, 71 in statischer Hinsicht lokal entzerrt wird.
Die erfindungsgemäß hergestellten Längs- und Quernähte können zwischen beliebig bereichsweise ebenen und/oder abschnittsweise mindestens einfach gekrümmten monolithischen und doppelschaligen Hautfeldern Anwendung finden.

1: Längsnaht
2: doppelschaliges Hautfeld
3: monolithisches Hautfeld
4: Kernstruktur
5: innere Decklage
6: äußere Decklage
7: Aufdickung
8: Haut
9: x-Achse
10: Längslasche
11: erster Längsflansch
12: zweiter Längsflansch
13: geneigter Steg
14: T-Profil
15: Sockelflansch – T-Profil
16: Steg – T-Profil
17: Verbindungselement
18: Spant
19: Fußflansch – Spant
20: Kopfflansch – Spant
21: Steg – Spant
22: Spantende
23: Ausnehmung (Spant)
24: Winkel
25: erster Schenkel – Winkel
26: zweiter Schenkel – Winkel
27: Ausnehmung (Tasche)
28: Doppel-T-Profil
29: Quernaht
30: monolithisches Hautfeld
31: doppelschaliges Hautfeld
32: doppelschaliges Hautfeld
33: doppelschaliges Interface
34: Lastübergang
35: Trapezflansch
36: Profilabschnitt
37: Querlasche
38: erster Querflansch
39: zweiter Querflansch
40: Stufe
41: Quernaht
42: doppelschaliges Hautfeld
43: monolithisches Hautfeld
44: Kernstruktur
45: innere Decklage
46: äußere Decklage
47: Aufdickung
48: Haut
49: Querlasche
50: erster Querflansch
51: zweiter Querflansch
52: Stufe
53: Längssteife
54: Endabschnitt – Längssteife
55: Versatz – Längssteife
56: Lastübergang
57: Trapezflansch – Lastübergang
58: Profilabschnitt – Lastübergang
59: Spant
60: Stützwinkel
61: Ausnehmung
62: Doppel-T-Profil
70: monolithisches Hautfeld
71: doppelschaliges Hautfeld
72: innere Decklage
73: äußere Decklage
74: Kernstruktur
75: Fensterrahmen (monolithisch)
76: Fensterelement
77: Quernaht
78: Ausnehmung (im doppelschaligen Hautfeld)
79: Fensterrahmen (doppelschalig)
80: Fensterrahmen (doppelschalig)
81: Längslasche
82: Längslasche
83: Längsnaht
84: Querlasche
85: Querlasche
86: Trapezflansch
87: Trapezflansch
88: Längssteife
89: Längssteife
90: Lastübergang
91: Lastübergang

Claims

Rumpfzellenstruktur für ein Flugzeug, wobei die Rumpfzellenstruktur mit einer Vielzahl von Hautfeldern (2, 3, 30–32, 42, 43, 70, 71), Längssteifen (53, 88, 89) und Quersteifen, insbesondere Spanten (18, 59), unter Schaffung einer Vielzahl von Längs- und/oder Quernähten (1, 29, 41, 77, 83) gebildet ist, wobei mindestens ein Hautfeld (2, 31, 32, 71) doppelschalig und mindestens ein Hautfeld (3, 30, 43, 70) monolithisch ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der mindestens einen Längsnaht (1, 83) zwischen einem monolithischen und einem doppelschaligen Hautfeld (2, 3, 70, 71) mindestens eine Längslasche (10, 82) mit einem ersten und einem zweiten Längsflansch (11, 12) vorgesehen ist, wobei die Längsflansche (11, 12) mittels eines geneigten Steges (13) zueinander versetzt verbunden sind und/oder im Bereich der mindestens einen Quernaht (29, 41, 77) zwischen einem monolithischen und einem doppelschaligen Hautfeld (30, 31, 32, 42, 43, 70, 71) mindestens ein Lastübergang (34, 56, 90, 91) zur Anbindung mindestens einer auf dem monolithischen Hautfeld (30, 43, 70) befindlichen Längssteife (53, 88, 89) an das mindestens eine doppelschalige Hautfeld (31, 32, 42, 71) vorgesehen ist.
Rumpfzellenstruktur nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Längsflansch (11) mit einer inneren Decklage (5) eines doppelschaligen Hautfeldes (2) verbunden ist und der zweite Längsflansch (12) mit einer äußeren Decklage (6) des doppelschaligen Hautfeldes (2) verbunden ist und der zweite Längsflansch (12) mittels einer Lasche und/oder eines Profils, insbesondere mittels eines T-Profils (14), mit einem monolithischen Hautfeld (3) unter Schaffung einer Längsnaht verbunden ist.
Rumpfzellenstruktur nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Spant (18) eines monolithischen Hautfeldes (3) eine unterseitige Ausnehmung (23) im Bereich eines Spantendes (22) aufweist und im Bereich des Spantendes (22) mindes tens ein Winkel (24) angeordnet ist.
Rumpfzellenstruktur nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Winkel (24) einen ersten und einen zweiten Schenkel (25, 26) aufweist, die unter einem Winkel von 90° aneinander anschließen, wobei der erste Schenkel (25) im Bereich des Spantendes (22) mit dem Spant (18) verbunden, insbesondere vernietet und/oder verklebt ist und der zweite Schenkel (26) mit dem ersten Längsflansch (11) verbunden ist.
Rumpfzellenstruktur nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schenkel (26) mittels eines in einer Ausnehmung (27) der Kernstruktur (4) aufgenommenen Profilkörpers, insbesondere eines Doppel-T-Profils (28), an das doppelschalige Hautfeld (2) angebunden ist.
Rumpfzellenstruktur nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Decklage (6) eine Haut (8) mit einer zumindest bereichsweisen Aufdickung (7) umfasst.
Rumpfzellenstruktur nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der mindestens einen Quernaht (29, 41) mindestens eine Querlasche (37, 49) mit einem ersten und einem zweiten Querflansch (38, 39, 50, 51) angeordnet ist, wobei die Querflansche (38, 39, 50, 51) mittels einer Stufe (40, 52) weitestgehend parallel zueinander versetzt miteinander verbunden sind.
Rumpfzellenstruktur nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lastübergang (34, 56) einen Flansch, insbesondere einen Trapezflansch (35, 57), zur Anbindung einer inneren Decklage (45, 72) eines doppelschaligen Hautfeldes (31, 42, 71) und einen daran unterseitig im Wesentlichen parallel zum Trapezflansch (35, 57) sich erstreckenden Profilabschnitt (36, 58) mit einer insbesondere L-förmigen Querschnittsgeometrie zur Anbindung der mindestens einen Längssteife (53) aufweist.
Rumpfzellenstruktur nach Patentanspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Querflansch (38, 50) mit der mindestens einen inneren Decklage (45) eines doppelschaligen Hautfeldes (31, 42) verbunden, insbesondere vernietet und/oder verklebt, ist und der zweite Querflansch (39, 51) mit einer äußeren Decklage (46) des doppelschaligen Hautfeldes (31, 42) und dem monolithischen Hautfeld (43, 70) verbunden ist.
Rumpfzellenstruktur nach einem der Patentansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lastübergang (34, 56) einstückig ausgebildet ist.
Rumpfzellenstruktur nach einem der Patentansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Längssteife (53) in einem Endabschnitt (54) einen vertikalen Versatz (55) zum Höhenausgleich aufweist.
Rumpfzellenstruktur nach einem der Patentansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Quernaht (29, 41) ein Spant (59) mit mindestens einem Stützwinkel (60) angeordnet ist.
Rumpfzellenstruktur nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Quernaht (77) in die Kernstruktur (74) und in die innere Decklage (72) des doppelschaligen Hautfeldes (71) mindestens eine großflächige Ausnehmung (78) eingebracht ist.
Rumpfzellenstruktur nach Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Ausnehmung (78) ein seitlicher Abschluss der Kernstruktur (74) durch Längslaschen (81, 82) und Querlaschen (84, 85) erfolgt.
Rumpfzellenstruktur nach Patentanspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Ausnehmung (78) mindestens ein monolithischer Fensterrahmen (75) integriert ist.
Rumpfzellenstruktur nach einem der Patentansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Längslasche (10, 81, 82) und die mindestens eine Querlasche (37, 49, 83, 84) mit ei nem metallischen Material und/oder mit einem faserarmierten duroplastischen Kunststoffmaterial einstückig ausgebildet sind.