DE102010018932A1

DE102010018932A1 - Umfangsversteifung für einen Luftfahrzeugrumpf

Info

Publication number: DE102010018932A1
Application number: DE102010018932A
Authority: DE
Inventors: Torsten Noebel
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2011-11-03
Anticipated expiration: 2030-05-01
Also published as: US20110290939A1; DE102010018932B4; US8640990B2

Abstract

Offenbart ist eine Umfangsversteifung für einen Rumpf eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs, das einen Verseifungsabschnitt mit einem Steg aufweist, von dem sich zumindest ein Innengurt und ein Außengurt erstrecken, wobei ein integrales Winkelprofil zur Anbindung an einen Hautabschnitt des Rumpfes vorgesehen und der Steg zur Hochachse der Umfangsversteifung angestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Umfangsversteifung für einen Rumpf eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Umfangsversteifungen bzw. Spante, dienen insbesondere zur Versteifung eines Fahrzeugrumpfes, beispielsweise eines Flugzeugrumpfes, in Umfangsrichtung. Bekannte Spante werden zumeist als C- bzw. als Z-Profil mit einem Steg, von dem sich ein Innengurt und ein Außengurt erstreckt, konstruiert und sind über einen Schubkamm bzw. einen Clip mit einem Hautabschnitt des Rumpfes verbunden. Zusätzlich sind die Spante meist über Stützwinkel bzw. Cleats an jeweils einem Fußabschnitt von Längsversteifungen bzw. Stringern des Rumpfes abgestützt, die ein laterales Beulen der Spante bei hohen Druckbelastungen insbesondere auf den Innengurt verhindern sollen. Die Anbindung der Schubkämme und der Stützwinkel an die Spanten sowie an die Haut- bzw. Fußabschnitte erfolgt herkömmlicherweise über Nieten. Nachteilig an dieser bekannten Spannanbindung sind insbesondere die hohe Anzahl der Einzelteile, d. h. der Schubkämme, der Stützwinkel und der Nieten und die daraus resultierende aufwendige Montage sowie das verhältnismäßig hohe Rumpfgewicht.
In dem US-Patent US 73/257,71 B2 ist eine Spantanbindung ohne Stützwinkel gezeigt. Hierzu sind Spante mit einem symmetrischen C-Profil als faserverstärkte Verbundbauteile ausgeführt und ausschließlich über Schubkämme an ebenen rumpfseitigen Anbindungsflächen angebunden, die von jeweils sich längsseits berührenden Fußabschnitte benachbarter Längsversteifungen gebildet werden. Insbesondere bei gewichtsoptimierten und somit unsymmetrischen faserverstärkten Verbundspanten, dessen Gurte unterschiedliche Längen und/oder Dicken aufweisen, ist jedoch ein laterales Beulen der Spante bei hohen Druckbelastungen auf den Innengurt auch mit dieser Lösung nicht zu erreichen. Darüber hinaus sind weiterhin Schubkämme zur Anbindung der Spante erforderlich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Umfangsversteifung für einen Rumpf eines Luftfahrzeugs zu schaffen, das die vorgenannten Nachteile beseitigt und gegen ein laterales Beulen stabilisiert ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Umfangsversteifung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Eine erfindungsgemäße Umfangsversteifung für einen Rumpf eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeuges, hat einen Steg und zumindest einen Innengurt und einen Außengurt. Erfindungsgemäß weist die Umfangsversteifung ein integral mit dem Steg ausgebildetes Winkelprofil zur Anbindung an einen Hautabschnitt des Rumpfes auf. Darüber hinaus ist der Steg erfindungsgemäß zur Hochachse der Umfangsversteifung angestellt.
Aufgrund der integralen Ausbildung des Winkelprofils mit dem Steg kann vollständig auf separate Schubkämme verzichtet werden. Durch die erfindungsgemäße Schrägstellung des Steges zur Umfangsversteifung wird die Lage des Schubmittelpunktes lateral verschoben, wodurch ein laterales Beulen des Profils auch bei unterschiedlich ausgeführten Innen- und Außengurten wirkungsvoll verhindert wird, so dass auf separate Stützwinkel verzichtet werden kann und die erfindungsgemäße Umfangsversteifung dennoch eine sehr hohe Stabilität gegen Beulen aufweist. Der Steg erstreckt sich im angebundenen Zustand nicht mehr rechtwinkelig zum die Umfangsversteifung aufnehmenden jeweiligen Hautabschnitt des Rumpfes sondern schräg. Somit entfällt bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht nur die Anbindung der Schubkämme an die Umfangsversteifung, sondern darüber hinaus auch die Verwendung von Stützwinkel, so dass die Montage gegenüber den bekannten Lösungen stark vereinfacht und zeitoptimiert ist. Dabei sind die Umfangsversteifungen sowohl in Metallbauweise als auch in faserverstärkter Verbundbauweise herstellbar. Die bisherigen geometrischen Profile der Umfangsversteifungen werden quasi in reelle Profile überführt.
Die Umfangsversteifung ist besonders gegen Beulen stabilisiert, wenn sich die Gurte parallel zum jeweiligen Hautabschnitt des Rumpfs erstrecken und somit in einem Winkel ≠ 90° zum Steg angestellt sind. Dabei richtet sich ihr jeweiliges Profil vorzugsweise nach den zu erwartenden Belastungen. Somit ist grundsätzlich neben einem C-Profil eine Vielzahl unterschiedlicher Profile vorstellbar.
Zum Beispiel kann die Umfangsversteifung als ein Z-Profil ausgeführt sein, dessen Innengurt in eine zum Außengurt entgegengesetzte Richtung zeigt.
Ebenso kann die Umfangsversteifung als ein E-Profil mit einem Mittelgurt ausgeführt sein, der zwischen dem Innen- und dem Außengurt angeordnet ist. Der Mittelgurt bewirkt eine zusätzliche Verstärkung des Steges und erstreckt sich vorzugsweise parallel zum Außen- und zum Innengurt und somit zum jeweiligen Hautabschnitt des Rumpfes in die gleiche Richtung. Gleichzeitig kann der Mittelgurt eine Materialverjüngung und/oder laterale Verkürzung zumindest eines der beiden übrigen Gurte bewirken.
Insbesondere erlaubt die Erfindung die Verwendung von Gurten unterschiedlicher lateraler Erstreckung und Dicke, so dass trotz unterschiedlicher Steifigkeiten der Gurte ein laterales Beulen der Umfangsversteifung sicher verhindert wird.
Das Winkelprofil kann einen Fußschenkel und einen sich rechtwinklig von diesem erstreckenden orthogonalen Schenkel aufweisen, der integral mit dem Steg ausgebildet ist, der bei einem Ausführungsbeispiel in eine Richtung weg von dem Fußschenkel orientiert ist. Hierdurch wird der Schubmittelpunkt in lateraler Richtung betrachtet zwischen dem Flächenschwerpunkt des Fußschenkels und dem des Stegs positioniert, was eine zusätzliche Stabilisierung der Umfangsversteifung bewirkt.
Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer schematischen Darstellung näher erläutert. Die einzige 1 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Umfangsversteifung.
Eine erfindungsgemäße Umfangsversteifung 1 zur Versteifung einer Außenhaut 2 eines Flugzeugrumpfes in Umfangsrichtung y hat ein Winkelprofil 4 und ein Versteifungsprofil 6. Die Umfangsversteifung 1 kann als ein einzelner, einen Rumpfquerschnitt abbildender Ring oder als ein einzelnes Ringsegment ausgeführt sein, dass mit einer Vielzahl weiterer Ringsegmente einen geschlossenen Ring bildet. Das Winkelprofil 4 und der Versteifungsabschnitt 6 bestehen vorzugsweise aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff, beispielweise einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFRP bzw. CFK), und sind integral, d. h. einstückig, miteinander verbunden und somit in einem gemeinsamen Herstellungsprozess gefertigt.
Das Winkelprofil 4 hat einen Fußschenkel 8 zur Anbindung an einen Außenhautabschnitt und einen sich rechtwinklig von dem Fußschenkel 8 erstreckenden orthogonalen Schenkel 10, der sich radial zum Rumpf bzw. vom Außenhautabschnitt erstreckt und dessen freier Endabschnitt in das Versteifungsprofil 6 übergeht. Der Fußschenkel 8 ist beispielsweise über eine Vielzahl von in Umfangsrichtung y nebeneinander angeordneten Verbindungselementen wie Nieten 12 an dem Außenhautabschnitt befestigt. Zusätzlich kann zwischen dem Fußschenkel 8 und dem Außenhautabschnitt ein Klebemittel angeordnet sein. Ebenso kann der Fußschenkel 8 ohne Verbindungselemente beispielsweise in einem Autoklavprozess bei Verwendung von einer duroplastischen Werkstoffmatrix oder in einem entsprechenden Pressprozess bei Verwendung von einer thermoplastischen Werkstoffmatrix mit der Außenhaut 2 verschweißt bzw. verbacken sein.
Das Versteifungsprofil 6 hat einen Steg 14, einen Außengurt 16 sowie einen Innengurt 18. Der Steg 14 ist zur Hochachse h der Umfangsversteifung 1, die sich radial zum Rumpf bzw. vom Außenhautabschnitt erstreckt, um einen Stegwinkel α in eine Richtung weg von dem Fußschenkel 8 angestellt, so dass sich der Steg 14 nicht rechtwinkelig zum Außenhautabschnitt erstreckt und der Schubmittelpunkt 20 der Umfangsversteifung 1 gegenüber bekannten Z-förmigen Spanten lateral, d. h. entlang der Flugzeuglängsachse x, verschoben ist. Insbesondere ist der Schubmittelpunkt 20 entgegengesetzt zur Flugrichtung entlang der Flugzeuglängsachse x verschoben, so dass er zwischen einem Flächenschwerpunkt des Fußschenkels 8 und dem des Stegs 14 positioniert ist.
Die Gurte 16, 18 sind rechtwinkelig zur Hochachse h orientiert. Sie verlaufen parallel zueinander und insbesondere parallel zum Außenhautabschnitt 2. Sie sind endseitig des Steges 14 angeordnet und erstrecken sich in entgegengesetzte Richtungen, wobei sich der Innengurt 18 in Flugrichtung und der Außengurt 16 entgegengesetzt zur Flugrichtung entlang der Flugzeuglängsachse x erstreckt. Die Gurte 16, 18 weisen eine lastoptimierte Erstreckung in Richtung der Hochachse h und somit eine lastoptimierte Materialstärke auf. Ebenso weisen sie eine lastoptimierte laterale Erstreckung in x-Richtung auf. In dem gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist bei gleicher Materialstärke der Außengurt 16 gegenüber dem Innengurt 18 lateral verkürzt ausgebildet.
Der Außengurt 16 ist im Bereich des freien Endabschnitts des orthogonalen Schenkels 10 angeordnet und um einen Außengurtwinkel β < 90° zum Steg 14 angestellt.
Der Innengurt 18 ist um einen Innengurtwinkel γ zum Steg 14 angestellt, wobei aufgrund der Parallelität der beiden Gurte 16, 18 die Gleichung β = γ gilt. Somit bildet das Versteifungsprofil 6 aufgrund der verschiedenen Gurtgeometrien ein unsymmetrisches Z-Profil und darüber hinaus aufgrund des verschobenen Schubmittelpunktes 20 insbesondere ein reelles Z-Profil, dass selbst trotz der unterschiedlichen Gurtgeometrien bei hohen Druckbelastungen insbesondere auf den Innengurt 16 nicht instabil wird.
Offenbart ist eine Umfangsversteifung für einen Rumpf eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs, das einen Verseifungsabschnitt mit einem Steg aufweist, von dem sich zumindest ein Innengurt und ein Außengurt erstrecken, wobei ein integrales Winkelprofil zur Anbindung an einen Hautabschnitt des Rumpfes vorgesehen und der Steg zur Hochachse der Umfangsversteifung angestellt ist.
Bezugszeichenliste

1: Umfangsversteifung
2: Außenhaut
4: Winkelprofil
6: Versteifungsprofil
8: Fußschenkel
10: orthogonaler Schenkel
12: Niet
14: Steg
16: Außengurt
18: Innengurt
20: Schubmittelpunkt
h: Hochachse
x: Flugzeuglängsachse
y: Umfangsrichtung
α: Stegwinkel
β: Außengurtwinkel
γ: Innengurtwinkel

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

US 73/25771 B2 [0003]

Claims

Umfangsversteifung (1) für einen Rumpf eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs, das einen Steg (14) und zumindest einen Innengurt (16) und einen Außengurt (18) aufweist, gekennzeichnet durch ein integrales Winkelprofil (4) zur Anbindung an einen Hautabschnitt des Rumpfes und dadurch, dass der Steg (14) zur Hochachse (h) angestellt ist.
Umfangsversteifung nach Anspruch 1, wobei die Gurte (16, 18) um jeweils einen Winkel β, γ ≠ 90° zum Steg angestellt sind.
Umfangsversteifung nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die Gurte (16, 18) parallel zum Hautabschnitt erstrecken.
Umfangsversteifung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Gurte (16, 18) in entgegengesetzte Richtungen weisen.
Umfangsversteifung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Mittelgurt vorgesehen ist, der sich parallel zwischen dem Innengurt (16) und dem Außengurt (18) erstreckt.
Umfangsversteifung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest zwei Gurte (16, 18) unterschiedliche Längen und/oder Dicken aufweisen.
Umfangsversteifung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Gurte (16, 18) identische Längen und/oder Dicken aufweisen.
Umfangsversteifung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Winkelprofil (4) einen Fußschenkel (8) und einen sich rechtwinklig von diesem erstreckenden orthogonalen Schenkel (10) aufweist und der Steg (14) in eine Richtung weg von dem Fußschenkel (8) angestellt ist.