DE102009047040A1

DE102009047040A1 - Zelle, welche Impakt-gefährdet oder Crash-gefährdet ist, und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102009047040A1
Application number: DE102009047040A
Authority: DE
Inventors: Ralf Sturm; Christof Kindervater; Rainer Kehrle; Yves Klett
Original assignee: FOLDCORE GmbH; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: FOLDCORE GmbH; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2009-11-24
Filing date: 2009-11-24
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2029-11-25
Also published as: DE102009047040B4

Abstract

Zelle, welche Impakt-gefährdet oder Crash-gefährdet ist, umfassend mindestens eine Zellwand, welche mindestens bereichsweise eine Sandwichstruktur aufweist mit einer ersten Decklage, einer zweiten Decklage und einer zwischen der ersten Decklage und der zweiten Decklage liegenden Kernstruktur, wobei die Kernstruktur mindestens einen Triggerbereich aufweist, an welchem die Strukturfestigkeit der Kernstruktur in einer Dickenrichtung der Sandwichstruktur kleiner ist als außerhalb des mindestens einen Triggerbereichs.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zelle, welche Impakt-gefährdet oder Crash-gefährdet ist, umfassend eine Zellwand.
Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, insbesondere Flugkörper.
Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Anmeldung Nr. 10 2009 020 891.7 vom 8. Mai 2009 des gleichen Anmelders ist ein Flugkörper mit einem Rumpf, umfassend eine Mehrzahl von Spanten, jeweils an einem Spant angeordneten Bodenträgereinrichtung, welche an gegenüberliegenden Seiten des Spants mit dem Spant verbunden ist, eine erste Strebeneinrichtung und eine zweite Strebeneinrichtung, welche jeweils mit der Bodenträgereinrichtung und dem Spant verbunden sind, quer zu der Bodenträgereinrichtung orientiert sind und einen dreieckförmigen Bereich zwischen der Bodenträgereinrichtung und dem Spant umschließen, wobei die erste Strebeneinrichtung und die zweite Strebeneinrichtung an gegenüberliegenden des Spants mit dem Spant verbunden sind, bekannt. Mindestens eine Querstrebe ist mit dem Spant und der jeweiligen Strebeneinrichtung an dem jeweiligen dreieckförmigen Bereich verbunden, wobei die mindestens eine Querstrebe den jeweiligen dreieckförmigen Bereich in einen Versteifungsbereich oberhalb der mindestens einen Querstrebe, welche der Bodenträgereinrichtung zugewandt ist, und in einen Energieabsorptionsbereich unterhalb der mindestens einen Querstrebe aufteilt.
Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Anmeldung Nr. 10 2009 020 896.8 vom 8. Mai 2009 des gleichen Anmelders ist ein Flugkörper bekannt, umfassend eine tragende Struktur, welche mindestens ein als Energieabsorptionsvorrichtung dienendes, zu stauchendes Element umfasst, und mindestens ein Stauchelement, welches in einem Crash-Wirkbereich des mindestens einen zu stauchenden Elements angeordnet ist, wobei in einem Crashfall des Flugkörpers bei einer Krafteinwirkung auf das mindestens eine zu stauchende Element mittels des Stauchelements eine Stauchung eines Stauchbereichs des mindestens einen zu stauchenden Elements erfolgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zelle der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche im Crashfall bzw. Impaktfall einen hohen Schutz für den Innenraum der Zelle aufweist.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Zelle erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Zellwand mindestens bereichsweise eine Sandwichstruktur aufweist mit einer ersten Decklage, einer zweiten Decklage und einer zwischen der ersten Decklage und der zweiten Decklage liegenden Kernstruktur, wobei die Kernstruktur mindestens einen Triggerbereich aufweist, an welchem die Strukturfestigkeit der Kernstruktur in einer Dickenrichtung der Sandwichstruktur kleiner ist als außerhalb des mindestens einen Triggerbereichs.
Die Sandwichstruktur mit dem lokal geschwächten mindestens einen Triggerbereich lässt sich so realisieren, dass die lokale Schwächung an dem mindestens einen Triggerbereich bei statischen Belastungen keine Auswirkungen hat. Bei überhöhten Belastungen und insbesondere überhöhten Druckbelastungen oder Biegebelastungen kann an dem lokal geschwächten Triggerbereich einer Kernstruktur ein Kollabieren der Kernstruktur erfolgen. Dadurch lässt sich effektiv Energie absorbieren.
Im Überlastfall lässt sich dabei die strukturelle Integrität sichern, da die erste Decklage und/oder die zweite Decklage erhalten bleiben. Dadurch lässt sich auch bei Kollabieren der Kernstruktur an einem Triggerbereich ein Gelenk realisieren; an einen Triggerbereich angrenzende Bereiche verschwenken sich zueinander. Eine solche Gelenkausbildung ist vorteilhaft beispielsweise beim Aufsetzcrashfall eines Flugkörpers. (Siehe dazu die oben zitierten nicht vorveröffentlichten Anmeldungen.)
Weiterhin lässt sich dadurch auch ein Impaktschutz realisieren. Insbesondere, wenn eine Mehrzahl von beabstandeten Triggerbereichen vorgesehen ist, dann lässt sich dadurch ein Aufbiegen einer Zellwand beim Auftreffen eines Impaktors erreichen mit entsprechender Energieabsorption, ohne dass der Impaktor die Zellwand durchdringen kann. Der Impaktor kann durch die Zellwand in der Art eines Netzes ”aufgefangen” werden.
Die lokale Schwächung der Strukturfestigkeit der Zellwand in der Dickenrichtung lässt sich auf einfache Weise über einen Wabenkern, Schaumkern oder Faltkern usw. realisieren.
Die Zellwand lässt sich in Leichtbauweise realisieren.
Insbesondere ist die Druckfestigkeit in dem mindestens einen Triggerbereich kleiner als außerhalb des mindestens einen Triggerbereichs. Die Verringerung der Druckfestigkeit lässt sich durch Verringerung der Drucksteifigkeit und/oder Versagensspannung und/oder Versagensdehnung im Druck realisieren.
Insbesondere ist die Druckfestigkeit in dem mindestens einen Triggerbereich um mindestens 5% geringer als die Druckfestigkeit außerhalb des mindestens einen Triggerbereichs. Dadurch lassen sich die oben erwähnten Effekte erzielen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schubsteifigkeit in dem mindestens einen Triggerbereich mindestens näherungsweise die gleiche ist wie außerhalb des mindestens einen Triggerbereichs. Dadurch wird für den Fall der statischen Belastung die Schubsteifigkeit der Sandwichstruktur durch den lokal gestörten Bereich, nämlich den Triggerbereich, nicht beeinflusst.
Günstig ist es, wenn die erste Decklage und die zweite Decklage mindestens näherungsweise parallel zueinander sind. Dadurch lässt sich die strukturelle Integrität im Crashfall oder Impaktfall gewährleisten.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste Decklage und/oder die zweite Decklage aus einem faserverstärkten Material und insbesondere einem faserverstärkten Kunststoffmaterial hergestellt sind. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine Zellwand in Leichtbauweise realisieren. Im Crashfall oder Impaktfall lässt sich auf effektive Weise die Gefahr des Aufbrechens beider Decklagen verringern.
Es ist günstig, wenn die erste Decklage und die zweite Decklage den mindestens einen Triggerbereich ungestört überdecken. Es lassen sich die oben erzielten Effekte auf einfache Weise erzeugen. Ferner werden die Eigenschaften der Sandwichstruktur für den statischen Bereich minimal beeinflusst.
Günstig ist es, wenn die Zellwand aus einem oder mehreren Paneelen mit einer Doppelschalenstruktur gebildet ist. Die erste Decklage und die zweite Decklage bilden eine Doppelschale. Durch entsprechende Paneele lässt sich die Zellwand auf einfache Weise realisieren.
Der mindestens eine Triggerbereich kann durch eine geometrische Ausbildung der Kernstruktur und/oder durch Materialvariation der Kernstruktur und/oder Höhenvariation der Kernstruktur gebildet sein.
Bei einer günstigen Ausführungsform ist die Kernstruktur eine Faltstruktur. Eine Faltstruktur lässt sich auf einfache Weise herstellen. Es lässt sich auf einfache Weise ein Leichtbaumaterial für die Zellwand realisieren. Durch die Faltstruktur sind Kanäle bereitgestellt, über die sich beispielsweise Kondenswasser auf einfache Weise abführen lässt. Ferner lassen sich einer Faltstruktur gezielt Eigenschaften und damit auch Triggerbereiche einstellen. Es ist dadurch auch möglich, beispielsweise an einem Paneel Triggerbereiche unterschiedlicher Strukturfestigkeit zu realisieren.
Insbesondere weist die Faltstruktur an einem Triggerbereich eine lokale Schwächung der Beulsteifigkeit auf. Dadurch lässt sich bei einer Drucküberlast ein Kollabieren der Kernstruktur erreichen.
Insbesondere weist die Faltstruktur Faltbereiche mit einem ersten Stegelement, einem zweiten Stegelement, einem ersten Verbindungselement zwischen dem ersten Stegelement und dem zweiten Stegelement, und einem zweiten Verbindungselement, welches mit dem zweiten Stegelement und dem ersten Stegelement eines benachbarten Faltbereichs verbunden ist, auf, wobei der Faltbereich über seine Stirnseiten an der ersten Decklage und der zweiten Decklage abgestützt ist. Eine solche Faltstruktur lässt sich auf einfache Weise realisieren. Insbesondere über Längen der Verbindungselemente lassen sich die Strukturfestigkeitseigenschaften der Faltstruktur auf einfache Weise einstellen. Dadurch lassen sich auch gezielt die Eigenschaften von Triggerbereichen einstellen.
Bei einer Ausführungsform sind das erste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement mindestens näherungsweise parallel zueinander. Dadurch lässt sich eine Faltstruktur mit effektiver Platznutzung realisieren.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn das erste Stegelement und das zweite Stegelement mindestens näherungsweise parallel zueinander liegen oder in einem spitzen Winkel zueinander liegen.
Wenn in einem Triggerbereich das erste Verbindungselement und/oder das zweite Verbindungselement eine größere Länge aufweisen als außerhalb des Triggerbereichs, dann kann dadurch auf einfache Weise eine lokale Schwächung der Strukturfestigkeit in Dickenrichtung erreicht werden. Durch gezielte Wahl dieser Längen lässt sich die Strukturfestigkeit in Dickenrichtung graduell einstellen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Mehrzahl von beabstandeten Triggerbereichen vorgesehen. Dadurch lässt sich ein kaskadierender Effekt erreichen.
Dies ist beispielsweise vorteilhaft im Zusammenhang mit Impaktschutz. Wenn ein Impaktor auf eine entsprechende Zellwand auftrifft, dann wird diese durch Gelenkausbildung eingebeult. Wenn mehrere Triggerbereiche beteiligt sind, dann kann eine relative Ausbeultiefe erreicht werden mit Energieaufnahme in der Zellwand und gleichzeitiger Absorption der Impaktorenergie. In Art eines Trampolineffekts (allerdings ohne elastische Rückstellung) kann dann die Impaktorenergie absorbiert werden und ein Zellinnenraum dadurch geschützt werden.
Es ist dabei möglich, dass mehrere Triggerbereiche mit variierender und insbesondere abnehmender Strukturfestigkeit in einer Reihe angeordnet sind. Dadurch lässt sich über eine gezielte Kaskadierung Crashenergie bzw. Impaktenergie über einen großen Bereich absorbieren.
Insbesondere erfolgt im Versagensfall an einem Triggerbereich eine Gelenkausbildung. Bei Überlast erfolgt ein Kollabieren der Kernstruktur in einem Triggerbereich. Durch die Decklagen, die Bereiche der Zellwand verbinden, die benachbart zu der kollabierenden Kernstruktur an dem Triggerbereich sind, können diese sich zueinander verschwenken. Es erfolgt eine Ausbeulung. Dadurch kann Crashenergie bzw. Impaktenergie aufgenommen werden.
Eine erfindungsgemäße Zelle ist insbesondere in einem Fahrzeug wie beispielsweise ein Flugkörper oder ein Landfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug integriert. Eine erfindungsgemäße Zelle ist grundsätzlich in allen Fahrzeugen einsetzbar, bei denen Crashenergie oder Impaktenergie aufgenommen werden soll.
Erfindungsgemäß wird ein Fahrzeug, insbesondere Flugkörper, bereitgestellt, welches mit mindestens einer erfindungsgemäßen Zelle versehen ist.
Beispielsweise ist die mindestens eine Zellwand an einem Rumpf angeordnet. Dadurch lässt sich beispielsweise ein Passagierraum eines Flugkörpers im Crashfall schützen.
Beispielsweise ist die mindestens eine Zellwand im Bereich eines Frachtbodens und vertikalen Stützstreben angeordnet. Dadurch lässt sich im Crashfall ein definiertes ”Einstülpen” einer Rumpfhülle mit Energieabsorption erreichen.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn die mindestens eine Zellwand unterhalb einer Bodenträgereinrichtung angeordnet ist.
Es ist ferner aus dem gleichen Grund günstig, wenn die mindestens eine Zellwand im Bereich des Bermuda-Dreiecks angeordnet ist. Dreieckförmige Bereiche unterhalb einer Bodenträgereinrichtung eines Flugkörperrumpfs, welche durch vertikale Stützstreben begrenzt sind, werden auch als Bermuda-Dreiecke bezeichnet. Sie liegen direkt unterhalb der Bodenträgereinrichtung und ihre Stabilität hat im Crashfall einen Einfluss auf eine Passagierzelle. Durch das Vorsehen der erfindungsgemäßen Lösung wird die Passagierzelle effektiv geschützt.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Rumpfes eines Flugzeugs mit einem Beispiel einer erfindungsgemäßen Zelle;
2 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einer Zellwand;
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Kernstruktur;
4(a) eine schematische Darstellung eines Bereichs einer erfindungsgemäßen Zellwand bei statischer Belastung;
4(b) die gleiche Darstellung wie 4(a) bei einer definierten Belastung oberhalb des statischen Lastspektrums;
4(c) die gleiche Darstellung wie 4(b) in einem Zustand, bei welchem die Kernstruktur in einer Dickenrichtung nachgibt;
4(d) die gleiche Darstellung wie 4(c) bei Kollabieren der Kernstruktur mit Gelenkausbildung;
5 ein Diagramm der Lastaufnahme L in Abhängigkeit der Verschiebung S bei einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zellwand im Vergleich mit einer Zellwand ohne Triggerbereich;
6 eine schematische bereichsweise Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zellwand;
7 eine schematische bereichsweise Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zellwand; und
8(a) bis (c) ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zellwand in schematischer Darstellung mit mehreren Triggerbereichen in einem Impaktfall.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zelle, welches in 1 schematisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, ist an einem Rumpf 12 eines Flugkörpers realisiert. An dem Rumpf 12 sind Flügel, Heckflosse und dergleichen angeordnet.
Der Rumpf 12 weist eine Rumpfhaut 14 auf, welche zumindest teilweise durch eine Zellwand 16 der Zelle 10 gebildet ist.
Der Rumpf 12 weist einen ersten Innenraum 18 und einen zweiten Innenraum 20 auf. Der erste Innenraum 18 und der zweite Innenraum 20 sind durch einen Boden 22 getrennt. Der erste Innenraum 18 ist beispielsweise ein Passagierraum, in welchem eine oder mehrere Reihen von Sitzen 24 angeordnet sind. Der zweite Innenraum 20 ist beispielsweise mindestens teilweise ein Laderaum.
Der Boden 22 sitzt an einer Bodenträgereinrichtung 26. Entsprechende Bodenträger der Bodenträgereinrichtung 26 sind über vertikale Querstreben 28 an einem Rumpfelement 30 wie beispielsweise einem jeweiligen Spant abgestützt. Zwischen dem jeweiligen Bodenträger der Bodenträgereinrichtung 26, der vertikalen Querstrebe 28 und dem Rumpfelement 30 ist ein dreieckförmiger Bereich gebildet, der auch als Bermuda-Dreieck bezeichnet wird. Es liegt direkt unterhalb der Bodenträgereinrichtung 26; die Stabilität des Bermuda-Dreiecks hat im Crashfall einen Einfluss auf die Zelle 10 und insbesondere eine Passagierzelle.
Beabstandet zu der Bodenträgereinrichtung 26 ist in einem unteren Bereich der Zelle 10 eine weitere Bodenträgereinrichtung 32 angeordnet. Die weitere Bodenträgereinrichtung 32 ist beispielsweise an gegenüberliegenden Seiten mit entsprechenden Rumpfelementen 30 verbunden. Sie ist nach unten über eine Strebeneinrichtung 34 abgestützt.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist die Zellwand 16 durch ein oder mehrere Paneele 36 realisiert, welche eine Doppelschalenstruktur aufweisen.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Paneels 36 (2) umfasst eine erste Decklage 38 und eine zweite Decklage 40. Die erste Decklage 38 und die zweite Decklage 40 sind beabstandet zueinander. Sie sind insbesondere parallel ausgerichtet. Das Paneel 36 kann dabei gerade ausgebildet oder gekrümmt ausgebildet sein.
Zwischen der ersten Decklage 38 und der zweiten Decklage 40 ist eine Kernstruktur 42 angeordnet, an welcher sich auf der einen Seite die erste Decklage 38 und auf der gegenüberliegenden Seite die zweite Decklage 40 abstützt.
Die Decklagen 38, 40 sind mit der Kernstruktur 42 beispielsweise verklebt oder verschweißt.
Die Zellwand 16 hat über das Paneel 36 mit Doppelschalenstruktur eine Sandwichstruktur.
Die Kernstruktur 42 ist an einem Paneel 36 nicht homogen ausgebildet, sondern weist mindestens einen Triggerbereich 44 auf, an welchem die (Druck-)Strukturfestigkeit der Kernstruktur 42 in einer Dickenrichtung 46 reduziert ist im Vergleich zu Bereichen 48 der Kernstruktur 42 außerhalb eines solchen Triggerbereichs 44. Dadurch lässt sich in einem Crashfall oder Impaktfall, wie unten stehend noch näher erläutert wird, an der Zellwand 16 ein Gelenk ausbilden.
An dem Triggerbereich 44 ist insbesondere die Druckfestigkeit der Kernstruktur 42 im Vergleich zu Bereichen 48 außerhalb des Triggerbereichs 44 reduziert. Die Schubfestigkeit in dem Triggerbereich 44 ist mindestens näherungsweise durch den Triggerbereich 44 unbeeinflusst, d. h. die Schubfestigkeit an einem Triggerbereich 44 entspricht mindestens näherungsweise der Schubfestigkeit in den Bereichen 48.
Die erste Decklage 38 und die zweite Decklage 40 überdecken ungestört einen Triggerbereich 44, d. h. die erste Decklage 38 und die zweite Decklage 40 sind an einem Überdeckungsbereich des Triggerbereichs 44 gleich ausgebildet wie außerhalb des Überdeckungsbereichs.
Die erste Decklage 38 und die zweite Decklage 40 sind insbesondere aus einem faserverstärkten Material und insbesondere einem faserverstärkten Kunststoffmaterial (CFK-Material) hergestellt. Eine Faserrichtung liegt dabei quer und insbesondere senkrecht zu der Dickenrichtung 46. In dem Sandwichverbund wird außerhalb eines Crashfalls bzw. Impaktfalls die Zellwand 16 vor allem auf Schub belastet, während die Druckbelastung bzw. Biegebelastung relativ gering ist. Durch die Sandwichstruktur der Zellwand 16 werden die Schubeigenschaften im Verbund höchstens geringfügig beeinflusst. Insbesondere wird das statische Verhalten der Zellwand 16 nicht modifiziert. Hohe Druckbelastungen und Biegebelastungen, wie sie beispielsweise im Crashfall oder Impaktfall auftreten können, erzeugen jedoch Belastungen in der Dickenrichtung 46 bzw. mit einer großen Komponente in der Dickenrichtung 46, die zu einem Kollabieren der Kernstruktur 42 vorrangig an einem Triggerbereich 44 führen können. Durch das Kollabieren der Kernstruktur 42 an einem Triggerbereich 44 lässt sich elastische Energie absorbieren. Ferner lässt sich ein beidseitiger Bruch der Decklagen 38 und 40 über Kollabieren der Kernstruktur 42 an einem Triggerbereich 44 verhindern. Dadurch lässt sich im Crashfall oder Impaktfall die strukturelle Integrität erhalten.
Durch das Vorsehen der Kernstruktur 42 lässt sich die Zellwand 16 beispielsweise in Leichtbauweise realisieren.
Für die Kernstruktur 42 können beispielsweise, wie unten näher erläutert wird, Faltstrukturen oder Schaumkerne oder dergleichen verwendet werden.
Ein Ausführungsbeispiel einer Kernstruktur ist eine Faltstruktur 50 (3). Diese Faltstruktur umfasst eine Mehrzahl von Streifen 52, welche getrennt voneinander sind oder zusammenhängend sein können. Die Streifen 52 sind dabei parallel hintereinander angeordnet.
Die Streifen 52 weisen jeweils eine untere Seite 54a und eine obere Seite 54b auf. Die untere Seite 54a stützt sich an der ersten Decklage 38 ab und die obere Seite 54b stützt sich an der zweiten Decklage 40 ab.
An den Streifen 52 sind jeweilige Faltbereiche 56 gebildet. Ein solcher Faltbereich 56 umfasst ein erstes Stegelement 58 und ein beabstandetes zweites Stegelement 60. Das erste Stegelement 58 und das zweite Stegelement 60 sind über ein erstes Verbindungselement 62 verbunden. An dem zweiten Stegelement 60 sitzt beabstandet zu dem ersten Verbindungselement 62 ein zweites Verbindungselement 64, welches mit dem ersten Stegelement 58 eines benachbarten Faltbereichs verbunden ist.
Zwischen dem ersten Stegelement 58, dem zweiten Stegelement 60 und dem ersten Verbindungselement 62 ist ein Hohlraum gebildet.
Das erste Verbindungselement 62 und das zweite Verbindungselement 64 sind mindestens näherungsweise parallel zueinander orientiert. Das erste Stegelement 58 und das zweite Stegelement 60 sind mindestens näherungsweise parallel zueinander oder liegen, wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3, in einem spitzen Winkel zueinander.
Das erste Verbindungselement 62 und das zweite Verbindungselement 64 weisen jeweils eine bestimmte Länge in einer Längenrichtung 66 auf. Die Längenrichtung 66 liegt dabei quer zu der Dickenrichtung 46.
Ein Triggerbereich 44 lässt sich durch Variation in der Länge des ersten Verbindungselements 62 und/oder des zweiten Verbindungselements 64 in der Längenrichtung 66 an Faltbereichen 56 realisieren.
Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Triggerbereich 44 dadurch hergestellt, dass das erste Verbindungselement 62 und das zweite Verbindungselement 64 von jeweiligen Faltbereichen 56 im Triggerbereich 44 größer ist als in Bereichen 48 außerhalb des Triggerbereichs 44. Dadurch ist der Zwischenraum zwischen einem ersten Stegelement 58 und einem zweiten Stegelement 60 eines Faltbereichs 46 im Triggerbereich 44 größer als für einen Faltbereich 56 außerhalb des Triggerbereichs 44. Im Triggerbereich 44 ist die Faltstruktur 50 ”offener” und weist bei gleicher Schubfestigkeit in der Längenrichtung 66 eine verminderte Druckfestigkeit auf.
Es wurden Messungen bezüglich der Strukturfestigkeit an einer Faltstruktur mit der Ausbildung gemäß 3 durchgeführt, wobei in einem Beispielsfall das erste Verbindungselement 62 und das zweite Verbindungselement 64 jeweils eine Länge von 5 mm aufwiesen und in einem zweiten Beispiel eine Länge von jeweils 15 mm aufwiesen. Es wurde auch die Schubsteifigkeit in der Längenrichtung 66 und in einer Querrichtung 68 dazu ermittelt.

Es ergaben sich folgende Ergebnisse:

			5 mm Länge des ersten Verbindungselements	15 mm Länge des ersten Verbindungselements
Dichte	pε	kg/mm	7.71 E–08	5.75E–08
Drucksteifigkeit	E-Modul	GPa	0.1457	0.147
Versagensspannung	σ_d	GPa	1.98 E–3	1.14 E–3
Versagensdehnung in Druck	ε_d	-	0.0133	0.0126
Schubsteifigkeit in Längenrichtung	G_w	GPa	0.034	0.034
Schubversagensspannung in Längenrichtung	τ_w	GPa	0.095 E–3	0.95 E–3
Schubversagensdehnung in Längenrichtung	ε12_w	-	0.014	0.014
Schubsteifigkeit in Querrichtung	G_L	GPa	0.05	0.033
Schubversagensspannung in Querrichtung	τ_l	GPa	1.57 E3	0.86 E–3
Schubversagensdehnung in Querrichtung	ε12_l	-	0.0156	0.013

Man erkennt, dass die Schubfestigkeit in der Längenrichtung 66 durch die unterschiedliche Ausgestaltung der Verbindungselemente praktisch nicht beeinflusst ist. Dagegen ist die Druckfestigkeit in der Dickenrichtung 46 stark beeinflusst. Insbesondere ist die Versagensspannung bei Druckbelastung bei der größeren Länge der Verbindungselemente erheblich kleiner als bei der kleineren Länge. Auch die Versagensdehnung im Druck ist deutlich kleiner.
Dadurch lässt sich ein Triggerbereich 44 mit größerer Länge der Verbindungselemente in der Längenrichtung 66 im Vergleich zu Bereichen 48 außerhalb von Triggerbereichen 44 realisieren.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es insbesondere vorgesehen, dass in. einem Triggerbereich 44 die Druckfestigkeit im Vergleich zu einem Bereich 48 außerhalb eines Triggerbereichs 44 um mindestens 5% geringer ist. insbesondere ist die Versagensdehnung im Druck und/oder die Versagensspannung im Vergleich zu einem Bereich 48 um mindestens 5% geringer. Es kann auch alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass die Drucksteifigkeit um mindestens 5% geringer ist.
Eine Faltstruktur 50 lässt sich grundsätzlich durch Falten eines faltbaren Materials wie beispielsweise eines Papiermaterials oder dergleichen realisieren.
Eine Faltstruktur lässt sich grundsätzlich auch beispielsweise aus einem Leichtmetallblech über Biegen bilden. Eine Kernstruktur lässt sich grundsätzlich auf der äußeren Gestalt einer Faltstruktur realisieren, ohne dass ein Falten durchgeführt wird. Dies wird hier auch als Faltstruktur verstanden.
Die Kernstruktur 42 und insbesondere die Faltstruktur 50 weisen in einem Triggerbereich 44 eine lokale Schwächung der Beulsteifigkeit auf.
Im Falle einer hohen Druckbelastung, wie beispielsweise einem Crashfall oder Impaktfall, funktioniert eine erfindungsgemäße Zellwand 16 wie folgt (4(a) bis 4(d)):
In 4(a) ist ein Paneel 36 mit einem Triggerbereich 44 schematisch gezeigt, wenn eine statische (Schub-)Belastung (angedeutet durch die ”Stempel” 70) vorliegt. Das doppelschalige Paneel 36 verhält sich ohne Beeinträchtigung trotz des bezüglich seiner Druckfestigkeit lokal geschwächten Triggerbereichs 44.
Wenn eine Druckbelastung 72 (4(b)) wirkt, welche oberhalb des statischen Lastspektrums liegt, dann ist diese Druckbelastung 72 kritisch. Eine solche kritische Druckbelastung in der Dickenrichtung 46 führt an einem Triggerbereich 44 zu einem Druckversagen der Kernstruktur 42. Diese wird gewissermaßen eingedrückt, wobei eine Energieabsorption stattfindet.
Wie in 4(c) angedeutet, führt ein Nachgeben des Kernmaterials in Dickenrichtung 46 zu einer Schädigung der Kernstruktur 42 an dem Triggerbereich 44; dies resultiert in einem Kollabieren der Kernstruktur 42 an dem Triggerbereich. Dieses Kollabieren ist dabei lokal begrenzt auf einen Triggerbereich 44.
Das Kollabieren der Kernstruktur 42 an dem Triggerbereich 44 führt zu einer signifikanten Abnahme der Dicke (Höhe) in dem Triggerbereich 44. Durch diese Höhenabnahme nimmt die Biegesteifigkeit der Sandwichstruktur in dem Triggerbereich 44 erheblich ab. Der auf Biegung geschwächte Bereich funktioniert dann als Gelenk 74 (4(d)).
Durch das Kollabieren der Kernstruktur an einem Triggerbereich 44 bleibt mindestens eine der Decklagen 38 und 40 intakt. Dies wird weiter gefördert durch eine Faserverbundstruktur für eine solche Decklage 38, 40. Dadurch, dass mindestens eine Decklage 38, 40 intakt bleibt, ist die strukturelle Integrität auch an einer Bruchstelle 76 beispielsweise der Decklage 40 gewährleistet. Die vor dem Bruch durch die Belastung des Paneels 36 elastisch gespeicherte Energie wird durch das Kollabieren zu einem großen Teil absorbiert.
In 5 ist ein Diagramm der Lastaufnahme von einem doppelschaligen Paneel 36 in Abhängigkeit der Verschiebung S bei einem Druck-Biege-Test gezeigt, bei dem das Paneel in eine Führung eingespannt ist. Die Kurve 78 zeigt Messwerte an einer erfindungsgemäßen Lösung mit einem Triggerbereich 44. Die Kurve 80 zeigt den Fall einer Sandwichstruktur ohne Triggerbereich 44.
Man erkennt, dass bei der erfindungsgemäßen Lösung die Lastaufnahme vor dem Versagensfall näherungsweise gleich ist wie bei einer Sandwichstruktur ohne Triggerbereich 44. Dies bedeutet, dass die entsprechende Belastbarkeit durch den Triggerbereich nicht wesentlich modifiziert wird. Das Einbringen des Triggerbereichs 44 hat keine signifikante Auswirkung auf die Steifigkeit im statischen Bereich. Es ist daher sinnvoll, wenn die Triggerlast, welche zu einem Kollabieren der Kernstruktur 42 an einem Triggerbereich 44 führt, so definiert wird und über die Kernstruktur 42 so eingestellt wird, dass diese sich oberhalb der statischen Belastungsgrenze befindet. Dadurch muss für die Wirksamkeit des Triggermechanismus die statische Auslegung nicht berücksichtigt werden bzw. es ist möglich, eine erfindungsgemäße Lösung nachträglich in einen doppelschaligen Verbindung einzubauen, ohne dass beispielsweise eine aufwendige Neuberechnung notwendig ist.
Ein Triggerbereich lässt sich auf verschiedene Weisen über die Kernstruktur 42 realisieren.
Bei einem Ausführungsbeispiel eines Paneels 82, welches in 6 schematisch gezeigt ist, sind wiederum Decklagen 38 und 40 vorgesehen. Eine Kernstruktur 84 liegt zwischen diesen Decklagen 38 und 40. Die Kernstruktur 84 weist einen Triggerbereich 44 auf, welcher nicht, wie bei der Faltstruktur 50, durch eine lokale Änderung der Geometrie realisiert ist, sondern durch Materialvariation erhalten ist. Eine solche Materialvariation lässt sich beispielsweise über eine Spleißstelle realisieren. Beispielsweise wird an einem solchen Triggerbereich 44 auch ein anderes Material wie beispielsweise ein dünneres Material oder ein Material mit verringerter Druckfestigkeit im Vergleich zu Bereichen 48 verwendet.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Paneels 86, welches in 7 schematisch in einer Schnittansicht gezeigt ist, sind eine erste Decklage 88 und eine zweite Decklage 90 vorgesehen. Es ist eine Kernstruktur 92 vorhanden. Ein Triggerbereich 44 an der Kernstruktur 92 ist dadurch realisiert, dass die Kernstruktur an dem Triggerbereich 44 in der Dickenrichtung 46 eine kleinere Höhe aufweist als in einem Bereich 48.
Durch eine solche lokale Reduktion der Kernhöhe lässt sich insbesondere eine lokal reduzierte Biegesteifigkeit erhalten. Dadurch kann bei einer hohen Biegebelastung das Versagen an einem Triggerbereich 44 erfolgen.
Erfindungsgemäße Paneele mit einem oder mehreren Triggerbereichen können an dem Rumpf 12 insbesondere unterhalb des ersten Innenraums 18 zur Begrenzung des zweiten Innenraums 20 vorgesehen sein. Beispielsweise wird ein entsprechendes erfindungsgemäßes Paneel 36 im Bereich des Bermuda-Dreiecks angeordnet.
Es ist auch alternativ oder zusätzlich möglich, dass ein Paneel 36 im Bereich der weiteren Bodenträgereinrichtung 32 angeordnet wird.
Ferner ist es möglich, dass erfindungsgemäße Paneele im Bereich der Strebeneinrichtung 34 angeordnet sind.
Bei einer Ausführungsform ist es vorgesehen, wie in 8(a) angedeutet, dass ein Paneel 94 eine Mehrzahl von beabstandeten Triggerbereichen 96 aufweist. Die Triggerbereiche können dabei gleich ausgebildet sein, d. h. die gleiche Reduktion in der Strukturfestigkeit in der Dickenrichtung aufweisen oder sie können eine variierende Strukturfestigkeit aufweisen.
Wenn beispielsweise die Strukturfestigkeit in einer Richtung reduziert wird (durch entsprechende Ausbildung der Triggerbereiche 96), dann lässt sich ein definiertes kaskadierendes Versagen einstellen. Die Triggerkraft lässt sich beispielsweise den notwendigen Bestimmungen anpassen.
Ein kaskadierendes Verhalten ist auch möglich, wenn die Triggerzonen 96 gleich ausgebildet sind.
Ein Beispielfall ist in den 8(a) bis (c) erläutert.
In 8(a) ist das Paneel 94 vor dem Impakt eines Projektils 98 gezeigt.
Wenn das Projektil 98 auf das Paneel 94 auftrifft, dann führt dies zu einer Verformung des Paneels 94 aufgrund mehrerer Triggerbereiche 96, die kollabieren können. Es entsteht eine Art Trampolineffekt. Das Projektil 98 taucht gewissermaßen in das Paneel 94 ein, welches eine Ausbuchtung 100 bildet. Es erfolgt eine kontrollierte Energieabsorption.
Es können dabei, wie in 8(c) gezeigt, beim weiteren ”Eindringen” des Projektils 98 weitere Triggerbereiche 96 involviert werden, welche weiter entfernt von dem Auftreffbereich des Projektils 98 sind. Dies ermöglicht ein ”Abfangen” des Projektils 98 durch Verformung und Energieabsorption des Paneels 94 ohne Strukturaufbrechung und ohne Durchdringung des Projektils 98.
Dadurch lässt sich durch ein erfindungsgemäßes Paneel auch eine Zelle 10 realisieren, welche mit einem Impaktschutz versehen ist. Dadurch können Impaktoren wie beispielsweise Vögel und dergleichen abgefangen werden.
Durch mehrmaliges Versagen der Kernstruktur kann Impaktenergie über einen größeren Bereich absorbiert werden, um ein Durchdringen der entsprechenden Zellwand, welche durch ein oder mehrere Paneele 94 gebildet ist, zu verhindern. Durch kaskadierende Zerstörung der Kernstruktur eines Paneels 94 wird die Impaktorenergie kontinuierlich absorbiert und das Projektil 98 wird ohne Durchdringen der Zellwand abgefangen.
Bezugszeichenliste

10: Zelle
12: Rumpf
14: Rumpfhaut
16: Zellwand
18: erster Innenraum
20: zweiter Innenraum
22: Boden
24: Sitze
26: Bodenträgereinrichtung
28: Querstreben
30: Rumpfelement
32: weitere Bodenträgereinrichtung
34: Strebeneinrichtung
36: Paneel
38: erste Decklage
40: zweite Decklage
42: Kernstruktur
44: Triggerbereich
46: Dickenrichtung
48: Bereich
50: Faltstruktur
52: Streifen
54a: untere Seite
54b: obere Seite
56: Faltbereich
58: erstes Stegelement
60: zweites Stegelement
62: erstes Verbindungselement
64: zweites Verbindungselement
66: Längenrichtung
68: Querrichtung
70: Stempel
72: Druckbelastung
74: Gelenk
76: Bruchstelle
78: Kurve
80: Kurve
82: Paneel
84: Kernstruktur
86: Paneel
88: erste Decklage
90: zweite Decklage
92: Kernstruktur
94: Paneel
96: Triggerbereich
98: Projektil
100: Ausbuchtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009020891 [0003]
DE 102009020896 [0004]

Claims

Zelle, welche Impakt-gefährdet oder Crash-gefährdet ist, umfassend mindestens eine Zellwand (16), welche mindestens bereichsweise eine Sandwichstruktur aufweist mit einer ersten Decklage (38; 88), einer zweiten Decklage (40; 90) und einer zwischen der ersten Decklage (38; 88) und der zweiten Decklage (40; 90) liegenden Kernstruktur (42; 84; 92), wobei die Kernstruktur (42; 84; 92) mindestens einen Triggerbereich (44) aufweist, an welchem die Strukturfestigkeit der Kernstruktur (42; 84; 92) in einer Dickenrichtung (46) der Sandwichstruktur kleiner ist als außerhalb des mindestens einen Triggerbereichs (44).
Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfestigkeit in dem mindestens einen Triggerbereich (44) kleiner ist als außerhalb des mindestens einen Triggerbereichs (44).
Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfestigkeit in dem mindestens einen Triggerbereich (44) um mindestens 5 geringer ist als die Druckfestigkeit außerhalb des mindestens einen Triggerbereichs (44).
Zelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubsteifigkeit in dem mindestens einen Triggerbereich (44) mindestens näherungsweise die gleiche ist wie außerhalb des mindestens einen Triggerbereichs (44).
Zelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Decklage (38; 88) und die zweite Decklage (40; 90) mindestens näherungsweise parallel zueinander sind.
Zelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Decklage (38; 88) und/oder die zweite Decklage (40; 90) aus einem faserverstärkten Material und insbesondere faserverstärkten Kunststoffmaterial hergestellt sind.
Zelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Decklage (38; 88) und die zweite Decklage (40; 90) den mindestens einen Triggerbereich (44) ungestört überdecken.
Zelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zellwand (16) aus einem oder mehreren Paneelen (36) mit einer Doppelschalenstruktur gebildet ist.
Zelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Triggerbereich (44) durch eine geometrische Ausbildung der Kernstruktur (42) und/oder durch Materialvariation an der Kernstruktur (84) und/oder Höhenvariation der Kernstruktur (92) gebildet ist.
Zelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernstruktur eine Faltstruktur (50) ist.
Zelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Triggerbereich (44) die Faltstruktur (50) eine lokale Schwächung der Beulsteifigkeit aufweist.
Zelle nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Faltstruktur (50) Faltbereiche (56) jeweils mit einem ersten Stegelement (58), einem zweiten Stegelement (60), einem ersten Verbindungselement (62) zwischen dem ersten Stegelement (56) und dem zweiten Stegelement (58), und einem zweiten Verbindungselement (64), welches mit dem zweiten Stegelement (60) und einem ersten Stegelement eines benachbarten Faltbereichs verbunden ist, aufweist, wobei der Faltbereich (56) über seine Stirnseiten (54a, 54b) an der ersten Decklage (38) und der zweiten Decklage (40) abgestützt ist.
Zelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verbindungselement (62) und das zweite Verbindungselement (64) mindestens näherungsweise parallel zueinander sind.
Zelle nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Stegelement (58) und das zweite Stegelement (60) mindestens näherungsweise parallel zueinander sind oder in einem spitzen Winkel zueinander liegen.
Zelle nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Triggerbereich (44) das erste Verbindungselement (62) und/oder das zweite Verbindungselement (64) eine größere Länge aufweisen als außerhalb des Triggerbereichs (44).
Zelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von beabstandeten Triggerbereichen (44) vorgesehen ist.
Zelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Triggerbereiche (44) mit abnehmender Strukturfestigkeit in einer Reihe angeordnet sind.
Zelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Gelenkausbildung im Versagensfall an einem Triggerbereich.
Zelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Integration in ein Fahrzeug.
Fahrzeug, insbesondere Flugkörper, welches mit einer Zelle (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche versehen ist.
Fahrzeug nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zellwand (16) an einem Rumpf (12) angeordnet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zellwand (16) im Bereich einer Bodenträgereinrichtung (26; 32) angeordnet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zellwand (16) unterhalb eines Frachtbodenträgers angeordnet ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zellwand (16) im Bereich eines Bermuda-Dreiecks angeordnet ist.