DE102009048748B4

DE102009048748B4 - Verbindungsanordnung für Sandwichschalenelemente eines Luftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102009048748B4
Application number: DE102009048748.4A
Authority: DE
Inventors: Markus J. Weber
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2009-10-08
Filing date: 2009-10-08
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2029-10-09
Also published as: DE102009048748A1

Abstract

Verbindungsanordnung für die Stoßverbindung zweier Sandwichelemente (12) eines Luftfahrzeugs, die jeweils aus einer Kernlage (14) und zwei beiderseitigen Decklagen (16, 18) bestehen, wobei die Stoßstellen der zu verbindenden Sandwichelemente (12) jeweils ein Z-Profil (26) mit einem Stegabschnitt (28) und zwei Profilflanken (30, 32) aufweisen, wobei der Stegabschnitt (28) die Kernlage (14) überdeckt, ferner dessen eine Profilflanke (30b, 32a) außenseitig an einer der Decklagen (16b, 18a) befestigt ist und die andere Profilflanke (30a, 32b) innenseitig an der anderen Decklage (16a, 18b) befestigt ist, die über die Kernlage (14) hinausragt, wobei ferner die beiden Z-Profile (26) miteinander überlappend angeordnet sind und die dabei jeweils aufeinander liegenden Profilflanken (30, 32) miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung für die Stoßverbindung zweier Sandwichelemente eines Luftfahrzeugs, die jeweils aus einer Kernlage und zwei beiderseitigen Decklagen bestehen.
Der Rumpf eines Verkehrsflugzeugs muss häufig aus fertigungstechnischen Gründen in Umfangsrichtung in mehrere Schalen unterteilt werden. Üblicherweise werden diese Längsnähte an Flugzeugrümpfen konstruktiv als Überlappungsverbindungen ausgebildet. Für doppelschalige Flugzeugrümpfe (Sandwichbauweise) scheidet jedoch eine direkte Überlappung der Schalen aufgrund deren erheblicher Dicke aus.
Herkömmlicherweise werden derartige Sandwichelemente mit sogenannten „Abrampungen” versehen, bei denen jeweils eine der beiden Decklagen über die Kernlage und die zweite Decklage hinaus ragt und diese beiden dann aneinanderstoßen freiliegenden Decklagenabschnitte mittels eines flächigen Verbindungsteiles miteinander verbunden (vorzugsweise vernietet) sind. Darüber hinaus sind zwei Z-Profile vorgesehen, welche jeweils die freien Enden der Kernlagen abdecken und mit jeweils einer Profilflanke auf der zweiten Decklage befestigt sind und mit der zweiten Profilflanke am Verbindungsprofil. 1 der Zeichnung zeigt eine derartige herkömmliche Verbindungsanordnung. Bei dieser Ausführung ist jedoch die hohe Biegesteifigkeit der Sandwich-Rumpfschale im Bereich der Verbindung in einem Maße reduziert, das zum Ausgleich zusätzliche Strukturversteifungselemente erfordert.
Eine alternative vorbekannte Verbindungsanordnung ist in 2 dargestellt, bei der die miteinander zu verbindenden Sandwichbauteile jeweils verkürzte Kernlagen aufweisen und ein Hohlprofil in dem Hohlraum zwischen benachbarten Kernlagen angeordnet und mit den jeweiligen Decklagen verbunden ist. Diese Anordnung hat den Nachteil einer komplizierten Montage, die zudem durch Fertigungstoleranzen erschwert wird. Ferner ist die Anzahl der notwendigen Verbindungsnieten doppelt so hoch wie bei der erstgenannten Ausführung.
Die EP 1 864 792 A1 offenbart in 20 eine Stoßverbindung eines Kerns eines Sandwichbauelements, bei der zwei sich überlappende Lagen eines Z-Profils die beiden Kernhälften miteinander verbinden, wobei die Decklagen durchlaufend sind.
Die WO 2008/157 075 A1 offenbart eine Sandwichstruktur zur Verwendung als Boden in einem Luftfahrzeug, das Z-artige Versteifungsrippen aufweist.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verbindungsanordnung für ein Luftfahrzeug bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile vermeidet und eine baulich einfache sowie Fertigungstoleranzen ausgleichende Verbindung von Sandwichelementen ermöglicht, wobei darüber hinaus die Biegesteifigkeit im Bereich der Verbindungsstellen nicht signifikant vermindert ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebene Verbindungsanordnung sowie die im Anspruch 8 angegebene Verwendung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung ist eine Verbindung der jeweils beiden Decklagen bei geringem Abstand zwischen den jeweiligen Kernlagen möglich, wodurch nur eine geringe bzw. gar keine Verminderung der Biegesteifigkeit der Gesamtkonstruktion an der Nahtstelle einhergeht. im Gegenteil ist durch Überlappungen der jeweils inneren und äußeren Decklagen eine erhöhte lokale Biegesteifigkeit erzielbar. Da bei der Montage die überlappende Verbindung der beiden benachbarten Z-Profile einen Freiraum zwischen den jeweiligen Stegabschnitten ermöglicht, kann dadurch ein Toleranzausgleich erfolgen, wodurch Toleranzprobleme bei der Herstellung und Montage vermieden werden. Ferner wird eine seitliche Stützung der Kernlage im Bereich der Überlappungsverbindung durch den Stegabschnitt des jeweiligen Z-Profils erreicht.
Da die jeweiligen Z-Profile bereits bei der Herstellung der Sandwichelemente angebracht werden, ergibt sich ein Schutz der Schalenkanten bzw. eine verminderte Gefahr von Beschädigung beim Transport bzw. der Montage des daraus gefertigten Luftfahrzeugs. Sofern die benachbarten Sandwichelemente mit Nieten verbunden werden, sind nur zwei Nietenfelder erforderlich. Alternativ ist es natürlich auch möglich, die Z-Profile miteinander zu verkleben oder zu verschweißen.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass man einen definierten Freiraum zwischen den benachbarten Stegabschnitten lassen kann und so Hohlräume beispielsweise zur Be- und/oder Entlüftung, Drainage oder Hindurchführung von Leitungen bereitstellen kann. Gleichzeitig erfolgt eine doppelte Abdichtung des aus derartigen Sandwichschalenelementen gefertigten Rumpfes sowohl an der inneren als auch der äußeren Decklage.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist für eine Vielzahl von Materialien für die Kernlage einsetzbar, Schäume, Pin-verstärkte Schäume, (Honig-)Waben oder belüftete Kerne wie Faltwaben oder Pins. Es sind ferner keine zusätzlichen Verbindungselemente (wie beispielsweise Doppler etc.) nötig.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Stegabschnitte der beiden Z-Profile im montierten Zustand zur Bildung eines Hohlraumes von einander beabstandet. Dies ermöglicht eine Nutzung des Hohlraumes für die Führung von Leitungen (Hydraulik oder elektrische Leitungen).
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausbildung weist der Stegabschnitt des Z-Profils mindestens einen Durchbruch für die Durchleitung von Fluiden, insbesondere Gasen auf. Somit ist es möglich, über die Hohlräume und die Durchbrüche eine Be- und/oder Entlüftung und/oder Drainage von Flüssigkeiten wie Kondenswasser der Kernlagen zu erreichen.
Gemäß noch einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Profilflanken mit den jeweiligen Decklagen verklebt. Dies ermöglicht eine feste Verbindung, die bereits bei der Fertigung der Sandwichelemente erfolgen kann.
Besonders bevorzugt ist die Erfindung anwendbar für die Rumpfschalenelemente, also im wesentlichen eindimensional gekrümmte Rumpfelemente eines Verkehrsflugzeugs. Dabei ist die Verbindungsanordnung vorzugsweise entlang der geradlinigen Schalenkanten (also bei einem Flugzeugrumpf die Kanten in Längsrichtung) vorzusehen. Die Z-Profile werden vorzugsweise aus dem selben oder ähnlichen Material der Decklagen, Leichtmetall, insbesondere faserverstärkten Kunststoffen wie CFK gefertigt. Die Dicke beträgt vorzugsweise ein viertel bis zur Hälfte der Decklagendicke.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
1: eine erste herkömmliche Verbindungsanordnung;
2: eine zweite herkömmliche Verbindungsanordnung;
3: die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung;
4: das Verfahren zur Herstellung von Sandwichelementen mit Z-Profil;
5: eine schematische Darstellung einer Verbindungsanordnung mit Belüftung;
6: eine schematische Darstellung eines ersten Anwendungsbereiches der Erfindung in einem Luftfahrzeug; und
7: eine schematische Darstellung eines zweiten Anwendungsbereiches der Erfindung in einem Luftfahrzeug.
In 1 ist eine erste herkömmliche Verbindungsanordnung 10a dargestellt, bei der zwei Sandwichelemente 12a, 12b miteinander verbunden werden, die jeweils aus einer Kernlage 14a, 14b sowie zwei Decklagen 16a, 16b und 18a, 18b bestehen. Die eigentliche Verbindungsanordnung 10a besteht aus einer Verbindungslage 20, die auf der jeweils unteren Decklage 18a, 18b aufliegt und damit verbunden ist. Diese unteren Decklagen 18a, 18b erstrecken sich dabei um die Hälfte der Breite der Verbindungslage 20 weiter als die Kernlagen 14 bzw. die gegenüberliegenden Decklagen 16. Ferner sind zwei Z-Profile 22a, 22b vorgesehen, deren jeweils eine Profilflanke auf der Verbindungslage 20 aufliegt und damit verbunden ist und die jeweils gegenüberliegende Profilflanke oben auf der jeweiligen Decklage 16 aufliegend verklebt ist. Der Stegabschnitt zwischen den beiden Profilflanken verschließt dabei die Kernlagen 14.
In 2 ist eine zweite herkömmliche Verbindungsanordnung 10b dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile wie in 1. Bei der Verbindungsanordnung 10b erstrecken sich beide Decklagen 16, 18 über die Kernlage 14 hinaus, so dass ein länglicher Hohlraum gebildet ist, in dem ein Verbindungsprofil 24 angeordnet ist, das mit allen vier Decklagen 16a, 16b, 18a, 18b verbunden, vorzugsweise vernietet ist.
In 3 ist die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung 10c dargestellt, wobei wiederum gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile bezeichnen wie in den 1 und 2. Diese Verbindungsanordnung 10c umfasst zwei Z-Profile 26a, 26b, die jeweils aus einem Stegabschnitt 28a, 28b und zwei beiderseitigen Profilflanken 30a, b und 32a, b bestehen. Dabei erstreckt sich bei den Sandwichschalenelementen 12a, 12b jeweils eine Decklage 16a bzw. 18b um die Länge der Profilflanken 30a, 32b weiter als die Kernlagen 14 und die jeweils gegenüberliegenden Decklagen 16b, 18a. Die Profilflanken 30, 32 sind dabei vorzugsweise mit den jeweiligen Decklagen 16, 18 verklebt. In der in 3 dargestellten Ausführungsform verbleibt zwischen den beiden Z-Profilen 26 ein Spalt 34, der sowohl als Toleranzausgleich dienen kann als auch bewusst gelassener Hohlraum zur Durchführung von beispielsweise Leitungen dienen kann. Die Sandwichelemente 12 sind dabei bereits bei deren Herstellung mit den Z-Profilen 26 versehen, so dass zur Montage der Sandwichelemente die beiden Z-Profile 26 ineinander gelegt und dann diese miteinander verbunden werden. Als bevorzugte Verbindungsart sind Nietverbindungen 36 im oberen Bereich von 3 angedeutet. Auf gleiche Weise würde man die beiden gegenüberliegenden Profilflanken 32 miteinander verbinden. Alternativ zu Nietverbindungen ist natürlich auch ein Verkleben oder Verschweißen möglich.
In 4 ist das Verfahren zur Herstellung der Sandwichelemente 12 dargestellt. Wie anhand des Sandwichelements 12a dargestellt ist, werden die Decklagen 16a, 18a und die Kernlage 14a miteinander verbunden (vorzugsweise verklebt oder alternativ durch gleichzeitige Infiltration mit einem Schaum als Kernmaterial) wobei anschließend die Profilflanken des Z-Profils 26a mit den beiden Decklagen 16a, 18a verklebt werden. Rechts in 4 ist schematisch ein fertiges Sandwichelement 12b mit befestigtem Z-Profil 26b dargestellt.
In 5 ist eine fertig montierte Verbindungsanordnung schematisch dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile bezeichnen wie in den vorgenannten Darstellungen. Die Ausführung gemäß 5 zeichnet sich dadurch aus, dass die Stegabschnitte 28a, 28b der Z-Profile 26a, 26b Perforationen 38 aufweisen, so dass eine Luftströmung über den Schlitz 34 erfolgen kann. Auf diese Weise ist eine aktive oder passive Ventilation der Kernlage 14 möglich, beispielsweise wenn bei einem Schlitz 34 Luft eingepumpt und bei der benachbarten Verbindungsanordnung über den dort ebenfalls vorhandenen Schlitz Luft abgesaugt wird. In 5 ist ferner zwischen den jeweils benachbarten Decklagen, also jeweils am Ende der äußeren Decklage eine Abdichtung 40 schematisch angeordnet.
In 6 ist ein Beispiel für die Befestigung von Kabinengepäckaufbewahrungsbehältern (overhead storage compartments) 42 an der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung 10c dargestellt. Diese sind mittels Halteplatten 44 so mit der Verbindungsanordnung 10c verbunden, dass Zuglasten auf die Anbindungsstelle einwirken und damit durch die doppelten Decklagen und doppelten Z-Profile kernablösende Zugkräfte und Kerbwirkungen durch Nietbohrungen in geringerem Maße auftreten.
In 7 ist eine weitere Anwendung dargestellt, bei der ein Kabinenboden 50 über eine Verbindungsplatte 52 mit der Verbindungsanordnung 10c verbunden ist. Mit dem gebogenen Pfeil im Kabinenboden 50 ist das maßgebende Biegemoment im Kabinenboden 50 angedeutet, der zu einer Druckbelastung im unteren Teil der Verbindungsplatte 52 und zu einer Zugbelastung im oberen Teil der Verbindungsplatte 52 führt, was durch entsprechende Pfeile angedeutet ist. Zu diesem Zweck kann es von Vorteil sein, wenn die Kernlage im druckbelasteten Bereich eine höhere Dichte bzw. Steifigkeit aufweist.
Das damit zu verbindende (obere) Sandwichelement 12d, welches die Fenster der Kabine aufweist, wird vorzugsweise erst dann mit dem unteren Sandwichelement 12c bzw. der Verbindungsplatte 52 verbunden (vernietet), wenn der Kabinenboden 50 mit dem unteren Sandwichelement 12c verbunden ist.

Claims

Verbindungsanordnung für die Stoßverbindung zweier Sandwichelemente (12) eines Luftfahrzeugs, die jeweils aus einer Kernlage (14) und zwei beiderseitigen Decklagen (16, 18) bestehen, wobei die Stoßstellen der zu verbindenden Sandwichelemente (12) jeweils ein Z-Profil (26) mit einem Stegabschnitt (28) und zwei Profilflanken (30, 32) aufweisen, wobei der Stegabschnitt (28) die Kernlage (14) überdeckt, ferner dessen eine Profilflanke (30b, 32a) außenseitig an einer der Decklagen (16b, 18a) befestigt ist und die andere Profilflanke (30a, 32b) innenseitig an der anderen Decklage (16a, 18b) befestigt ist, die über die Kernlage (14) hinausragt, wobei ferner die beiden Z-Profile (26) miteinander überlappend angeordnet sind und die dabei jeweils aufeinander liegenden Profilflanken (30, 32) miteinander verbunden sind.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegabschnitte (28) der beiden Z-Profile (26) im montierten Zustand zur Bildung eines Hohlraumes (34) voneinander beabstandet sind.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegabschnitte (28) der Z-Profile (26) mindestens einen Durchbruch (38) für die Durchleitung von Fluiden aufweisen.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen der aufeinander liegenden Profilflanken (30, 32) Nietverbindungen sind.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilflanken (30, 32) mit den jeweiligen Decklagen (16, 18) verklebt sind.
Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Z-Profile (26) aus einem Faserverbundwerkstoff, vorzugsweise CFK bestehen.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Z-Profile (26) aus dem gleichen Material bestehen wie die Decklagen (16b, 18a).
Verwendung der Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für die Rumpfschale eines Zivilflugzeugs oder Hubschraubers.