DE102009060693A1

DE102009060693A1 - Versteifungselement für ein Luftfahrzeug und Flächengebilde mit einem derartigen Versteifungselement

Info

Publication number: DE102009060693A1
Application number: DE102009060693A
Authority: DE
Inventors: Torsten 25436 Noebel
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2011-06-30
Also published as: US20110155852A1

Abstract

Offenbart ist ein Versteifungselement 10, beispielsweise eine T-, I-, L-, Z-, J oder Omega-Steife, aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff zur Versteifung eines Flächengebildes 12 eines Luftfahrzeuges, dessen zumindest einer Fuß 18, 20 Abschnitte 32, 34 mit unterschiedlichen Steifigkeiten aufweist, sowie ein Flächengebilde 12 für ein Flugzeug mit derartigen Versteifungselementen 10.

Description

Die Erfindung betrifft ein Versteifungselement für ein Luftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Flächengebilde mit zumindest einem derartigen Versteifungselement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.
Ein derartiges Versteifungselement ist zum Beispiel in dem Patent DE 10 2006 045 633 B4 der Anmelderin gezeigt (vgl. auch 1 und 2). Dieses Versteifungselement 1 bildet Längsversteifungen einer Hinterbaustruktur eines Flugzeughautfeldes 2 und weist einen Fuß 4 mit einem konstanten Querschnitt zur Befestigung an dem Hautfeld 2 und einen sich von dem Fuß 4 orthogonal weg erstreckenden Steg 6 bzw. Flansch auf. Es besteht aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff, beispielsweise CFK bzw. CFRP, und wird über eine Klebung 8 an dem Hautfeld angebunden. Unter ungünstiger, jedoch nicht unwahrscheinlicher Belastung kann es allerdings wie in den 1 und 2 dargestellt, zu einem Versagen der Klebung 8 und somit zu einer Ablösung des Fußes 4 von dem Hautfeld 2 kommen, was unmittelbar zu einem sofortigen Versagen der Hinterbaustruktur führt. Ein Versagen der Klebung 8 tritt z. B. dann auf, wenn das Hautfeld 2 bei einer Innendruckbelastung eine Verformung ausführt, die der Fuß 4 nicht nachführen kann (1). Ebenso kann ein sogenanntes Nachbeulen in einem Ablösen des Fußes 4 von dem Hautfeld 2 resultieren (2). Weiterhin kann ein Ablösen des Fußes 4 bei stoßartigen Einschlägen und dgl. auftreten. Um ein Ablösen des Versteifungselementes 1 zu verhindern, wird herkömmlicherweise die Steifigkeit des Hautfelds 2 über zusätzliche Materialbahnlagen erhöht, so dass das Hautfeld 2 zwar eine dem Fuß 6 angepasste Verformbarkeit aufweist, jedoch auch mit einem entsprechenden Zusatzgewicht versehen ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Versteifungselement zur Versteifung eines Flächengebildes, das die vorgenannten Nachteile beseitigt und zuverlässig mit dem Flächengebilde verbindbar ist, sowie ein Flächengebilde für ein Flugzeug mit zumindest einem derartigen Versteifungselement zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Versteifungselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Flächengebilde mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11.
Ein erfindungsgemäßes Versteifungselement zur Versteifung eines Flächengebildes eines Luftfahrzeugs hat einen Steg und zumindest einen Fuß zur Anbindung an das Flächengebilde. Erfindungsgemäß hat der zumindest eine Fuß einen stegnahen Innenabschnitt und zumindest einen stegfernen Außenabschnitt, der eine größere Elastizität als der Innenabschnitt aufweist. Aufgrund der vergrößerten lastizität im Randbereich bzw. Auslauf des Fußes ist dieser weicher und kann somit dem Beulverhalten des Flächengebildes besser folgen, wodurch kritische Spannungen am Auslauf des Fußes zum Flächengebilde reduziert sind, was ein wesentlich späteres Ablösen des Fußes von dem Flächengebilde zur Folge hat. Gleichzeitig bewirkt der steife Innenabschnitt eine ausreichende Stabilisierung des Stegs. Die somit größere Verformbarkeit des Fußes kann effektiv bei der Dimensionierung des Hautfeldes berücksichtigt werden, da dessen Elastizität nicht mehr durch zusätzliche Materialbahnlagen verringert werden muss.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel haben die Abschnitte eine dem Flächengebilde zugewandte stufenlose Anbindungsfläche, wobei der Außenabschnitt gegenüber dem Innenabschnitt materialverjüngend ausgebildet ist. Dies kann beispielsweise über eine Abstufung erfolgen, indem der Außenabschnitt mit einer gegenüber dem Innenabschnitt reduzierten Anzahl von Materialbahnlagen ausgebildet ist.
Zur Vermeidung einer sprunghaften Abstufung bzw. zur Bildung eines harmonischen Überganges zwischen den Fußabschnitten im Bereich der Abstufung ist bei einem Ausführungsbeispiel im Bereich der Abstufung ein pastenartiges Füllmittel angeordnet ist. Ebenso kann die Abstufung auch mehrere Einzelabstufungen aufweisen und somit schrittweise erfolgen.
Die Lasteinleitung von dem Flächengebilde in das Versteifungselement lässt sich verbessern, wenn die Anbindungsfläche von einer sich über die Fußabschnitte erstreckenden Materialbahn gebildet ist. Insbesondere lässt sich die Lastverteilung in dem Versteifungselement verbessern, wenn die Materialbahn zumindest abschnittsweise über den Steg geführt ist bzw. eine Materialbahnlage des Steges bildet.
Die Fertigung des erfindungsgemäßen Versteifungselementes lässt sich vereinfachen, wenn der Steg und der stegnahe Innenabschnitt eine einheitliche konstante Materialstärke aufweisen. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel weisen der Innenabschnitt und der Steg jedoch unterschiedliche Materialstärken auf.
Um das Versteifungselement auch mittels mechanischen Verbindungselementen wie z. B. Nieten an dem Flächengebilde befestigen zu können, ist es vorteilhaft, wenn der Innenabschnitt eine Erstreckung in Querrichtung aufweist, die die Aufnahme derartiger mechanischer Verbindungselemente ermöglicht.
Ein erfindungsgemäßes Flächengebilde für ein Flugzeug, ist über eine Versteifungsstruktur verstärkt, die eine Vielzahl von Versteifungselementen mit jeweils einem Steg und zumindest einem Fuß aufweist. Erfindungsgemäß weisen die Füße jeweils einen stegnahen Innenabschnitt und zumindest einem stegfernen Außenabschnitt auf, der elastischer als der Innenabschnitt ausgeführt ist. Hierdurch werden kritische Spannungen insbesondere im seitlichen Auslauf des Fußes reduziert, was insbesondere bei mit den Flächengebilden verklebten Versteifungsstrukturen zu einer geringeren Belastung der Klebungen führt. Das Flächengebilde kann zum Bespiel ein Hautfeld aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff wie CFK und die Versteifungsstruktur eine entsprechende Hinterbaustruktur bestehend aus einer Vielzahl von Stringern und Spanten aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff sein. Ebenso kann das Flächengebilde eine Steuerfläche oder eine Flügelfläche darstellen und die Versteifungsstruktur können Rippen oder Holme bilden. Beispiele sind Seiten- bzw. Höhenleitwerksflächen und Landeklappenflächen.
Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen
1 und 2 jeweils einen Querschnitt durch ein bekanntes an einem Flächengebilde befestigtes Versteifungselement und
3 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Versteifungselement.
Gemäß 3 ist ein bevorzugtes Versteifungselement 10 zur Stabilisierung eines Hautfeldes 12 eines Flugzeugrumpfes als eine Omega-Steife ausgebildet. Das Versteifungselement 10 und das Hautfeld 12 bestehen jeweils aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff und sind über zwei Klebungen 14, 16 miteinander verbunden.
Das Versteifungselement 10 hat zwei voneinander entfernt liegende Füße 18, 20 sowie einen Steg 22, der einen trapezförmigen Hohlraum 24 definiert. Der Steg 22 hat zwei zueinander angestellte Stegflanken 26, 28, die sich jeweils von einem der Füße 14, 16 erstrecken und über einen mittleren Stegabschnitt 30 miteinander verbunden sind.
Die Füße 14, 16 haben jeweils einen stegnahen Innenabschnitt 32 und einen stegfernen Außenabschnitt 34, die zusammen eine ebene Anbindungsfläche 36 zur Anbindung an dem Hautfeld 12 bilden. Der Außenabschnitt 34 ist gegenüber dem Innenabschnitt 32 abgestuft und somit materialverjüngt und elastisch ausgebildet, was durch eine Reduzierung von nicht näher bezeichneten Materialbahnlagen bzw. Laminaten des Versteifungselementes 10 erreicht wird. Dabei kann der Außenabschnitt 34 von lediglich einer Materialbahn 38 bzw. einem Laminat gebildet sein.
Die Innenabschnitte 32 sowie der Steg 22 weisen eine einheitliche konstante Materialstärke auf und sind somit entsprechend steif ausgebildet. Zur Optimierung der Lasteinleitung in das Versteifungselement 10 sowie der Lastverteilung in dem Versteifungselement 10 ist die zumindest eine die Außenabschnitte 34 bzw. die Anbindungsfläche 36 bildende Materialbahn 38 über die Innenabschnitte 32 und den Steg 22 geführt.
Zum Vermeidung von Spannungsspitzen im Übergang zwischen den Innen- und Außenabschnitten 32, 34 ist im Bereich der Abstufung jeweils ein pastenartiges Füllmittel 40 angeordnet.
Um das Versteifungselement 10 auch nach dem unwahrscheinlichen Fall einer Ablösung bzw. eines Versagens der Klebungen 14, 16 an dem Hautfeld 12 befestigen zu können, weisen die Außenabschnitte 34 eine derartige Erstreckung in Querrichtung auf, dass die Füße 18, 20 auch mittels mechanischer Verbindungselemente 42 wie z. B. Niete mit dem Hautfeld 12 verbunden werden können.
Offenbart ist ein Versteifungselement 10, beispielsweise eine T-, I-, L-, Z-, J oder Omega-Steife, aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff zur Versteifung eines Flächengebildes 12 eines Luftfahrzeuges, dessen zumindest einer Fuß 18, 20 Abschnitte 32, 34 mit unterschiedlichen Steifigkeiten aufweist, sowie ein Flächengebilde 12 für ein Flugzeug mit derartigen Versteifungselementen 10.
Bezugszeichenliste

1: Versteifungselement
2: Hautfeld
4: Fuß
6: Steg
8: Klebung
10: Versteifungselement
12: Hautfeld
14: Klebung
16: Klebung
18: Fuß
20: Fuß
22: Steg
24: Hohlraum
26: Stegflanke
28: Stegflanke
30: Stegabschnitt
32: Innenabschnitt
34: Außenabschnitt
36: Anbindungsfläche
38: Materialbahn
40: Füllmittel
42: Verbindungselement

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 102006045633 B4 [0002]

Claims

Versteifungselement (10) zur Versteifung eines Flächengebildes (12) eines Luftfahrzeugs mit einem Steg (22) und mit zumindest einem Fuß (18, 20) zur Anbindung an das Flächengebilde (12), dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Fuß (18, 20) einen stegnahen Innenabschnitt (32) und zumindest einen stegfernen Außenabschnitt (34) hat, der eine größere Elastizität als der Innenabschnitt (32) aufweist.
Versteifungsstruktur nach Anspruch 1, wobei die Abschnitte (32, 34) eine dem Flächengebilde (10) zugewandte stufenlose Anbindungsfläche (36) bilden und der Außenabschnitt (34) gegenüber dem Innenabschnitt (32) materialverjüngt ausgebildet ist.
Versteifungselement nach Anspruch 2, wobei die Materialverjüngung über zumindest eine Abstufung erfolgt.
Versteifungselement nach Anspruch 3, wobei im Bereich der Abstufung ein Füllmittel (40) zur Bildung eines harmonischen Überganges zwischen den Abschnitte (32, 34) angeordnet ist.
Versteifungselement nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei der Außenabschnitt (34) eine gegenüber dem Innenabschnitt (32) reduzierte Anzahl von Materialbahnlagen aufweist
Versteifungselement nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Anbindungsfläche (36) von einer sich über die Abschnitte (32, 34) erstreckende Materialbahn (38) gebildet ist.
Versteifungselement nach Anspruch 6, wobei die Materialbahn (38) eine Materialbahnlage des Stegs (22) bildet.
Versteifungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Innenabschnitt (32) und der Steg (22) eine einheitliche konstante Materialstärke aufweisen.
Versteifungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Innenabschnitt (32) und der Steg (22) unterschiedliche Materialstärken aufweisen.
Versteifungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Innenabschnitt (32) eine derartige Quererstreckung hat, dass die Aufnahme eines mechanischen Verbindungselementes (42) ermöglicht ist.
Flächengebilde (12) für ein Flugzeug, das über eine Versteifungsstruktur verstärkt ist, die eine Vielzahl von Versteifungselementen (10) mit jeweils einem Steg (22) und mit zumindest einem Fuß (18, 20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Fuß (18, 20) einen stegnahen Innenabschnitt (32) und zumindest einen stegfernen Außenabschnitt (34) hat, der elastischer als der Innenabschnitt (32) ausgeführt ist.