DE102010038408A1

DE102010038408A1 - Strukturelement für ein Luft- und Raumfahrzeug und Verfahren zum Herstellen eines derartigen Strukturelementes

Info

Publication number: DE102010038408A1
Application number: DE102010038408A
Authority: DE
Inventors: Ichwan Zuardy; Karim Grase; Wolfgang Vöge; Axel Herrmann
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2010-07-26
Filing date: 2010-07-26
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2030-07-27
Also published as: DE102010038408B4; CN102442421B; CN102442421A; US8882469B2; US20120020801A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Strukturelement (1), insbesondere für ein Luft- und Raumfahrzeug (10), mit einem Kern (2), dessen Materialdichte zum Optimieren des Eigenschwingverhaltens des Strukturelementes (1) zumindest abschnittsweise variiert. Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Strukturelementes (1), insbesondere für ein Luft- und Raumfahrzeug (10), mit folgenden Verfahrensschritten: Vorsehen eines einen Kern (2) aufweisenden Strukturelementes (1); Ermitteln des Eigenschwingverhaltens des Strukturelementes (1); und zumindest abschnittsweises Variieren der Materialdichte des Kerns (2) des Strukturelementes (1) derart, dass das Eigenschwingverhalten des Strukturelementes (1) optimiert ist. Die vorliegende Erfindung schafft noch ferner ein Luft- und Raumfahrzeug (10) und ein Rotorblatt, insbesondere für eine Windturbine, mit einem derartigen Strukturelement (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strukturelement für ein Luft- und Raumfahrzeug und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Strukturelementes.
Das Eigenschwingverhalten von Strukturelementen eines Luft- und Raumfahrzeuges bestimmt das strukturdynamische Verhalten des gesamten Luft- und Raumfahrzeuges oder zumindest der betroffenen Strukturelemente. Beispielsweise regt eine mit ihrer Eigenfrequenz schwingende Strukturkomponente, z. B. ein Triebwerk, ein benachbartes Strukturelement, z. B. ein Triebwerksgehäuse, ebenfalls zu Schwingungen an. Die benachbarten und miteinander gekoppelten Strukturelemente regen sich so gegenseitig an, woraus unerwünschte Verformungen der Strukturelemente resultieren können. Weiterhin bestimmt das Eigenschwingverhalten eines Strukturelementes auch dessen sogenanntes aeroelastisches Verhalten oder das aeroelastische Verhalten des gesamten Luft- und Raumfahrzeuges. Die Wechselwirkung des Strukturelementes mit einer Luftströmung wird als Aeroelastik und das Verhalten des Strukturelementes in der Luftströmung wird als aeroelastisches Verhalten des Strukturelementes bezeichnet. Das Strukturelement ist neben strukturdynamischen Effekten auch durch Luftströmungen elastischen Verformungen unterworfen. Die elastischen Verformungen resultierend sowohl aus den strukturdynamischen Eigenschaften als auch aus den aeroelastischen Eigenschaften eines Strukturelementes können beispielsweise zu unerwünschten Schwingungen des Strukturelementes führen. Dies wiederum kann eine erhöhte Geräuschentwicklung, einen teilweisen Funktionsverlust des Strukturelementes, wie beispielsweise bei einem Flattern einer Steuerfläche, oder gar eine frühzeitige Materialermüdung verursachen.
Zum Beeinflussen des Schwingungsverhaltens des Strukturelementes, sind der Anmelderin verschiedene Vorgehensweisen betriebsbekannt. Oftmals werden Zusatzmassen an ein betroffenes Strukturelement angebracht, wodurch beispielsweise die Eigenschwingfrequenzen des Strukturelementes beeinflussbar sind. Diese Vorgehensweise führt hinsichtlich des Schwingungsverhaltens des Strukturelementes zwar zu guten Ergebnissen, jedoch ergibt sich hierbei der Nachteil, dass bei einem Betrieb des Luft- und Raumfahrzeuges nicht benötigte, d. h. sogenannte tote bzw. nichttragende, Massen bewegt werden müssen. Dies führt u. a. nachteilig zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch aufgrund des Mehrgewichtes.
Alternativ ist es möglich, die Steifigkeit des betroffenen Strukturelementes derart zu verändern, dass das Eigenschwingverhalten beeinflusst wird. Dies kann beispielsweise durch eine Anpassung der Geometrie oder Topologie des Strukturelementes oder bei Faserverbundbauweisen durch entsprechendes Variieren der Faserorientierungen und/oder des Faserlagenaufbaus erfolgen. Nachteilig an dieser Vorgehensweise hat sich allerdings die Tatsache herausgestellt, dass die hinsichtlich Leichtbau und aerodynamischem Verhalten optimierte Geometrie des Strukturelementes verändert werden muss. Auch die Veränderung der Faserrichtungsorientierung und/oder des Lagenaufbaus bedeutet eine hinsichtlich der erzielbaren mechanischen Eigenschaften unerwünschte Veränderung.
Weiterhin ist es möglich passive oder aktive Dämpferelemente einzusetzen. Der Einsatz von Dämpferelementen bedeutet jedoch eine Erhöhung der Anzahl der Bauteile des Strukturelementes. Dies bedeutet nachteilig ein zusätzliches Gewicht und erhöht weiterhin nachteilig die Komplexität des Strukturelementes.
Die DE 698 05 302 T2 beschreibt beispielsweise ein Strukturelement für ein Luft- und Raumfahrzeug, dessen Steifigkeit zum Steuern des Schwingungsverhaltens des Strukturelementes aktiv verändert werden kann. Hierzu wird mittels eines in dem Strukturelement integrierten Piezoelementes ein Wirkungsquerschnitt des Strukturelementes und damit dessen Steifigkeit verändert. Das in einer Ausnehmung des Strukturelementes angeordnete Piezoelement wird dazu von einem ungedehnten in einen gedehnten Zustand überführt, wobei das Piezoelement nur im gedehnten Zustand an zwei gegenüberliegenden Wänden der Ausnehmung anliegt und so Kräfte von der einen Wand auf die andere Wand überträgt. Hierdurch wird die Steifigkeit des Strukturelementes verändert und dessen aeroelastische Eigenschaften sind somit aktiv beeinflussbar. Dieser Lösungsansatz erfordert jedoch die Verwendung von Zusatzkomponenten, welche neben einem zusätzlichen Gewicht zusätzlich nachteilig eine Erhöhung der Komplexität und der Ausfallwahrscheinlichkeit des Strukturelementes bedeuten.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Strukturelement für ein Luft- und Raumfahrzeug zur Verfügung zu stellen, welches die vorgenannten Nachteile beseitigt.
Diese Aufgabe wird durch ein Strukturelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 und/oder durch ein Luft- und Raumfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 und/oder durch ein Rotorblatt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst.
Demgemäß ist ein Strukturelement für ein Luft- und Raumfahrzeug mit einem Kern vorgesehen, dessen Materialdichte zum Optimieren des Eigenschwingverhaltens des Strukturelementes zumindest abschnittsweise variiert.
Ferner ist ein Verfahren zum Herstellen eines Strukturelementes für ein Luft- und Raumfahrzeug vorgesehen, mit folgenden Verfahrensschritten: Vorsehen eines einen Kern aufweisenden Strukturelementes; Ermitteln des Eigenschwingverhaltens des Strukturelementes; und zumindest abschnittsweises Variieren der Materialdichte des Kerns des Strukturelementes derart, dass das Eigenschwingverhalten des Strukturelementes optimiert ist.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, die Materialdichte des Kerns des Strukturelementes zumindest abschnittsweise zu variieren. Hierdurch sind innerhalb des Kerns beispielsweise Massenkonzentrationen erreichbar, mittels welcher das Eigenschwingverhalten und somit die aeroelastischen und/oder strukturdynamischen Eigenschaften des Strukturelementes beeinflussbar sind.
Somit ist es im Vergleich zu bereits beschriebenen Lösungsansätzen weder erforderlich Zusatzgewichte einzusetzen, noch Veränderungen an der Geometrie oder dem Faserverbundlagenaufbau des Strukturelementes vorzunehmen und/oder zusätzliche Komponenten in Form von Dämpferelementen einzusetzen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren der Zeichnung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Strukturelementes weist dieses mittels der variierenden Materialdichte des Kerns eine Massenverteilung innerhalb des Strukturelementes derart auf, dass eine vorbestimmte Eigenschwingfrequenz des Strukturelementes zum Optimieren des Eigenschwingverhaltens desselben gewährleistet ist, wodurch die aeroelastischen und/oder strukturdynamischen Eigenschaften des Strukturelementes vorteilhaft beeinflussbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Strukturelementes ist der Kern des Strukturelementes als Schaumkern, massiver Kern, Holzkern oder Wabenkern ausgebildet. Dies ermöglicht vorteilhaft einen besonders variablen Aufbau des Strukturelementes, wodurch dessen Einsatzbereich erweitert ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Strukturelementes weist dieses eine Sandwichstruktur mit einer den Kern zumindest abschnittsweise umgebenden Deckschicht, insbesondere einer mit Kohlefasern gebildeten Deckschicht, auf. Die Deckschicht ermöglicht vorteilhaft das Erreichen einer hohen Steifigkeit und der gewünschten mechanischen Eigenschaften des Strukturelementes. Weiterhin ermöglicht sie vorteilhaft das Einleiten von Lasten in das Strukturelement.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Strukturelementes weist der Kern Kernsegmente mit unterschiedlicher Materialdichte auf. Dies ermöglicht eine einfache und komfortable Variation der Materialdichte des Kerns, wodurch sich die Herstellungskosten des Strukturelementes reduzieren.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Strukturelementes sind die Kernsegmente derart angeordnet, dass die Materialdichte des Kerns zumindest abschnittsweise variiert, wodurch eine Veränderung der Materialdichte des Kerns durch entsprechende Auswahl von Kernsegmenten mit bestimmter Materialdichte möglich ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Strukturelementes weisen die Kernsegmente mit der unterschiedlichen Materialdichte in sich jeweils eine homogene Materialdichte auf. Hierdurch sind die Kerne kostengünstig und schnell mittels zukaufbarer Schaumelemente herstellbar.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Eigenschwingverhalten des Strukturelementes mittels einer Simulation oder eines Schwingversuches ermittelt. Hierdurch ist das Eigenschwingverhalten schnell und reproduzierbar bestimmbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kern mit Kernsegmenten mit unterschiedlicher Materialdichte ausgebildet. Dies ermöglicht eine einfache und komfortable Variation der Materialdichte des Kerns, wodurch sich das Verfahren zur Herstellung des Strukturelementes vereinfacht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert.
Von den Figuren zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Strukturelementes;
2 eine Seitenansicht eines Kerns der bevorzugten Ausführungsform des Strukturelementes gemäß der 1;
3 eine Aufsicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines Strukturelementes;
4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Strukturelementes;
5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Strukturelementes; und
6 eine perspektivische Ansicht einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform des Strukturelementes.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird anhand der 1 und 2 erläutert, wobei die 1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Strukturelementes und die 2 eine Seitenansicht eines Kerns des Strukturelementes illustriert.
Die 1 illustriert ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Strukturelementes 1 für ein Luft- oder Raumfahrzeug. Das Strukturelement 1 ist beispielsweise als Landeklappenträgerverkleidung 1 bzw. als sogenanntes Fairing 1 ausgebildet. Das Strukturelement 1 gemäß der 1 weist eine in etwa tropfenförmige Geometrie auf. Ein Aufnahmebereich 12 des Strukturelementes 1 dient der zumindest abschnittsweisen Aufnahme eines nicht dargestellten Landeklappenträgers eines Luft- oder Raumfahrzeuges.
Das Strukturelement 1 weist bevorzugt einen Kern 2 auf, der vorzugsweise als Schaumkern 2 ausgebildet ist. Beispielsweise ist der Schaumkern 2 als mit einem Kunststoffmaterial gebildeter, geschlossenzelliger Schaumkern 2 ausgestaltet. Als Kunststoffmaterial findet beispielsweise Polymethacrylimid Anwendung. Das Kernmaterial wird beispielsweise mittels eines sogenannten Raumgewichtes des für den Kern 2 verwendeten Schaummaterials charakterisiert. Dieses ist bevorzugt als Masse pro Volumeneinheit, beispielsweise als kg/m³, definiert. Demnach weist ein Schaummaterial mit einem hohen Raumgewicht im Vergleich zu einem Schaummaterial mit einem geringen Raumgewicht pro Volumeneinheit einen höheren Massenanteil und/oder Volumenanteil an Kunststoffmaterial auf. Das Raumgewicht wird folgend auch als Materialdichte des Schaumkerns 2 bezeichnet. Alternativ sind auch andere Kunststoffmaterialien außer Polymethacrylimid, Metallschäume wie beispielsweise Aluminium- oder Titanschäume oder eine Kombination aus Kunststoff- und Metallschäumen für den Kern 2 einsetzbar.
Eine Materialdichte bzw. das Raumgewicht des Kerns 2 variiert zum Optimieren des Eigenschwingverhaltens, das heißt, der aeroelastischen und/oder strukturdynamischen Eigenschaften des Strukturelementes 1 zumindest abschnittsweise. Die Materialdichte des Kerns 2 variiert beispielsweise in einer Querrichtung x, in einer Längsrichtung y und/oder in einer Hochrichtung z des Strukturelementes 1. Mittels der variierenden Materialdichte des Kerns 2 ist eine Massenverteilung innerhalb des Strukturelementes 1 derart ausgebildet, dass beispielsweise eine Eigenschwingfrequenz des Strukturelementes 1 zum Optimieren der aeroelastischen und/oder strukturdynamischen Eigenschaften des Strukturelementes 1 verändert ist. Beispielsweise ist mittels der variierenden Materialdichte des Kerns 2 die Massenverteilung innerhalb des Strukturelementes 1 derart ausgebildet, dass eine Eigenschwingfrequenz des Strukturelementes 1 reduziert ist. Die variierende Materialdichte des Kerns 2 wird bevorzugt dadurch erreicht, dass der Kern 2 Kernsegmente 4–7 aufweist, wobei die Kernsegmente 4–7 bevorzugt unterschiedliche Materialdichten bzw. Raumgewichte aufweisen. Die Kernsegmente 4–7 können wiederum in kleinere Bauteile unterteilt sein, die bevorzugt alle das gleiche Raumgewicht aufweisen. Beispielsweise weist das Kernsegment 4 drei Schaumbauteile auf, welche in 2 in einer Explosionsdarstellung gezeigt sind. Die Kernsegmente 4–7 unterschiedlichen Raumgewichts sind bevorzugt derart angeordnet, dass die Materialdichte des Kerns 2 innerhalb des Strukturelementes 1 zumindest abschnittsweise variiert. Die Anzahl und die Größe der Kernsegmente 4–7 ist beliebig, beispielsweise können abweichend von dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des Kerns 2 mehr oder weniger als vier Kernsegmente 4–7 vorgesehen sein. Die Kernsegmente 4–7 sind bevorzugt derart angeordnet, dass aufgrund der Massenverteilung in dem Kern 2 eine Eigenschwingfrequenz des Strukturelementes 1 in vorbestimmter Weise verändert, beispielsweise reduziert, wird. Beispielsweise wird mittels der Anordnung der Kernsegmente 4–7 in Vergleich zu einem homogenen Kern eine geringere Eigenschwingfrequenz erreicht. Bevorzugt weist jedes Kernsegment 4–7 in sich jeweils eine homogene Materialdichte bzw. Raumgewicht auf. Beispielsweise nimmt die Materialdichte des Kerns 2 von einer Anströmkante 8 zu einer Abströmkante 9 des Strukturelementes 1 kontinuierlich zu. Hierzu weist beispielsweise das Kernsegment 7 eine Raumgewicht von 31 kg/m³, das Kernsegment 6 ein Raumgewicht von 51 kg/m³, das Kernsegment 5 ein Raumgewicht von 71 kg/m³ und das Kernsegment 4 beispielsweise ein Raumgewicht von 110 kg/m³ auf. Hierdurch wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Eigenfrequenz des Strukturelementes 1 reduziert, wodurch dessen Eigenschwingverhalten beeinflusst, insbesondere verbessert, wird. Im Vergleich zu einem Strukturelement mit einem Kern aus einem homogenen Schaummaterial mit einem entsprechend hohen Raumgewicht, welches die Eigenfrequenz in gleichem Umfang reduziert, ist das Strukturelement 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform der 1 und 2 deutlich leichter. Auch im Vergleich zu Serienlösungen mit einem Honigwabenkern und Zusatzgewicht wird eine deutliche Gewichtsreduktion erreicht. Zusätzlich zu dem Vorteil der Gewichtsreduktion ermöglicht der segmentierte Aufbau des Kerns 2 eine schnelle und kostengünstige Produktion desselben, da die Kernsegmente 4–7 beispielsweise mittels einer CNC-Bearbeitungsmaschine entsprechend den Erfordernissen aus Schaumhalbzeugen herstellbar sind. In einer alternativen Ausführungsform des Strukturelementes 1 ist der Kern 2 beispielsweise als massiver Kern 2 ausgebildet. Beispielsweise als Kunststoffkern 2, insbesondere als massiver Kunststoffkern 2, vorzugsweise mit mehreren Kernsegmenten 4–7, die mit Kunststoffen unterschiedlicher Dichte gebildet sein können, ausgebildet. Als Material für den massiven Kern 2 oder für Kernsegmente 4–7 des Kerns 2 können auch monolithische Metallwerkstoffe wie beispielsweise Aluminium- oder Titanlegierungen Anwendung finden. Weiterhin kann der Kern 2 auch als Holzkern 2, insbesondere als massiver Holzkern 2 ausgebildet sein. Der Holzkern 2 weist vorzugsweise eine beliebige Anzahl an Kernsegmenten 4–7 auf, die bevorzugt mit Holzmaterialien unterschiedlichen Raumgewichtes, wie beispielsweise Pappelholz oder Eichenholz, gebildet sind. In einer weiteren Ausführungsform des Strukturelementes 1 ist der Kern 2 als sogenannter Wabenkern 2, insbesondere als Honigwabenkern 2 oder Faltwabenkern 2 oder dergleichen, ausgebildet. Der Wabenkern 2 weist beispielsweise Kernsegmente 4–7 mit unterschiedlichen Zelldichten der Waben auf. Weiterhin kann der Kern 2 mit einem sogenannten Abstandsgewebe oder Abstandsgewirke gebildet sein. Ferner ist der Kern 2 als Tubuskern 2 oder als Kern 2 mit Noppenwaben ausgebildet. Alternativ kann der Kern 2 beispielsweise als sogenannter „corrugated core” ausgebildet sein. Der Kern 2 kann auch als Keramikkern 2 ausgebildet sein. Einzelne Kernsegmente 4–7 des Kerns 2 können mit einem Keramikmaterial gebildet sein. Insbesondere kann der Kern 2 als eine Kombination der vorgenannten und/oder beliebiger Kernformen bzw. Kernmaterialien ausgebildet sein, beispielsweise als Kombinationskern 2. Der Kombinationskern 2 weist beispielsweise Schaummaterial, massives Kunststoff-/Holzmaterial und/oder Wabenmaterial oder dergleichen auf.
Das Strukturelement 1 weist weiterhin bevorzugt eine Sandwichstruktur mit einer den Kern 2 zumindest abschnittsweise umschließenden Deckschicht 3 auf. Die Deckschicht 3 ist bevorzugt mit einem Faserverbundwerkstoff gebildet, insbesondere mit einem Kohlefaserverbundwerkstoff. Die Deckschicht 3 umschließt den Kern 2 vorzugsweise vollständig. Zur besseren Illustration ist in 2 die schraffiert dargestellte Deckschicht 3 nur als einen Abschnitt des Kerns 2 bedeckend dargestellt. Die Deckschicht 3 weist bevorzugt eine geringe Dicke von Bruchteilen eines Millimeters bis zu wenigen Millimetern auf. Die Deckschicht 3 sorgt für die erforderliche mechanische Stabilität und Steifigkeit des Strukturelementes 1.
Beispielsweise dient die Deckschicht 3 dem Einleiten von Lasten in das Strukturelement 1.
Abweichend von der kontinuierlichen Veränderung der Dichteverteilung des Kerns 2 gemäß dem Ausführungsbeispiel des Strukturelementes 1 nach den 1 und 2 kann die Materialdichte des Kerns 2 auch nur in einem definierten Bereich erhöht werden. Ist das Strukturelement 1 beispielsweise als Wandsegment ausgebildet, kann in einem bestimmten Bereich des Wandsegmentes ein Kernsegment mit einem hohen Raumgewicht vorgesehen sein, um in diesem Bereich eine Eigenschwingfrequenz des Wandsegmentes zu verändern. Die dieses eine Kernsegment umgebenden weiteren Kernsegmente weisen beispielsweise ein identisches Raumgewicht auf. Es ist allerdings für den Fachmann offensichtlich, dass der Kern bzw. die Kernsegmente beliebig zum Gewährleisten einer gewünschten Dichtevariation ausgestaltet sein können.
Die 3 illustriert ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Strukturelementes 1 für ein Luft- und Raumfahrzeug 10, wobei das Strukturelement 1 gemäß dieser Ausführungsform als Tragfläche 1 ausgebildet ist. Die schraffiert dargestellte Deckschicht 3 des Strukturelementes 1 ist nur abschnittsweise illustriert. Der Kern 2 des Strukturelementes 1 weist beispielsweise Kernsegmente 4, 5 auf, wobei beispielsweise das Kernsegment 5, welches an einer Flügelspitze 11 angeordnet ist, ein höheres, insbesondere ein deutlich höheres, Raumgewicht als das Kernsegment 4 aufweist. Die Anzahl und Größe der Kernsegmente 4, 5 ist beliebig. Beispielsweise kann auch eine Vielzahl an Kernsegmenten vorgesehen sein, wobei vorzugsweise das Raumgewicht der jeweiligen Kernsegmente ausgehend von dem Kernsegment 4 hin zu der Flügelspitze 11 kontinuierlich zunimmt.
Die 4 illustriert eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Strukturelementes 1. Zur besseren Darstellung ist das Strukturelement 1 in einer perspektivischen Teilschnittansicht gezeigt. Das Strukturelement 1 ist beispielsweise als Kastenträger 1 bzw. als Biege-Torsionskasten 1 ausgebildet. Der Kastenträger 1 bildet beispielsweise eine Tragfläche 1, eine Flügelbox 1 oder ein Leitwerk 1, wie beispielsweise ein Höhenleitwerk 1, ein Seitenleitwerk 1, eine Landeklappe 1 oder dergleichen, eines Luft- und Raumfahrzeuges. Das Strukturelement 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel gemäß der 4 beispielsweise zwei voneinander beabstandet in einer Längsrichtung des Strukturelementes 1 verlaufende Holme 13, 14 auf. Die Holme 13, 14 sind vorzugsweise mit einem kohlefaserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet. Die Holme 13, 14 weisen im Querschnitt in etwa eine U-Form auf, wobei an Seitenschenkeln 21–24 der jeweiligen U-Form bevorzugt jeweils Beplankungselemente 15, 16 aufliegen. Das Strukturelement 1 weist beispielsweise ein oberes Beplankungselement 15 und ein unteres Beplankungselement 16 auf. Das Strukturelement 1 weist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Kerne 2 auf, wobei jedem Beplankungselement 15, 16 ein Kern 2 zugeordnet ist. Die Kerne 2 sind gemäß der Ausführungsbeispiele des Strukturelementes 1 nach den 1 bis 3 beliebig segmentiert und weisen beispielsweise die gestrichelt dargestellten Segmente 4–7 auf. Die Anzahl und Anordnung der Segmente ist beliebig. Die Kerne 2 sind zumindest abschnittsweise jeweils mit einer Deckschicht 3 umgeben, die bevorzugt mit einem kohlefaserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet ist. Die Deckschicht 3 umschließt einen jeweiligen Kern 2 bevorzugt vollständig. In den Holmen 13, 13 zugeordneten und sich in Längsrichtung des Strukturelementes 1 erstreckenden Randbereichen 17–20 der Beplankungselemente 15, 16 sind die Beplankungselemente 15, 16 beispielsweise mit den Holmen 13, 14 verbunden. Die Verbindung zwischen den Holmen 13, 14 und den Beplankungselementen 15, 16 erfolgt beispielsweise mittels Vernieten oder Verkleben. Das Verkleben kann beispielsweise mittels einem sogenannten Cobonding-Verfahren durchgeführt werden. Hierbei werden beispielsweise die unausgehärteten Beplankungselemente 15, 16 mit den bereits ausgehärteten Holmen 13, 14 nass auf hart verbunden. Bevorzugt erstreckt sich der jeweilige Kern 2 nicht bis in den jeweiligen Randbereich 17–20. Das heißt, die Randbereiche 17–20 und die Seitenschenkel 21–24 der Holme 13, 14 bilden bevorzugt jeweils monolithische Anschlussbereiche aus. Bevorzugt sind die monolithischen Anschlussbereiche als monolithische kohlefaserverstärkte Anschlussbereiche ausgeführt. Diese bestehen lediglich aus kohlefaserverstärktem Kunststoffmaterial. Die Ausführungsform des Strukturelementes 1 gemäß der 4 findet bevorzugt bei Großflugzeugen, wie beispielsweise bei Passagiermaschinen, Anwendung.
Die 5 illustriert ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Strukturelementes 1. Das Strukturelement 1 ist beispielsweise als Tragfläche 1 eines Segelflugzeuges, als Propellerblatt 1, Rotorblatt 1 eines Helikopters oder als Windturbinenblatt 1 bzw. Rotorblatt 1 einer Windturbine ausgebildet. Das Strukturelement 1 ist in einer massiven Schaumsandwichbauweise aufgebaut, wobei der Kern 2 einen Innenbereich des Strukturelementes 1 vorzugsweise vollständig ausfüllt. Eine Außenkontur des Kerns 2 kann in etwa einer Außenkontur des Strukturelementes 1 entsprechen. Der Kern 2 kann den Innenbereich des Strukturelementes 1 beispielsweise auch nur abschnittsweise ausfüllen, die Deckschicht 3 berührt den Kern 2 dann vorzugsweise nicht vollflächig sondern beispielsweise nur teilflächig, linien- und/oder punktförmig. Der Kern 2 ist gemäß der Ausführungsformen des Strukturelementes 1 nach den 1 bis 4 vorzugsweise in die gestrichelt dargestellten Segmente 4–7 segmentiert. Die Anzahl und die Anordnung der Segmente ist beliebig. Die Deckschicht 3 umschließt den Kern 2 bevorzugt vollständig. Die Deckschicht 3 bildet eine Außenhaut des Strukturelementes 1. Vorzugsweise ist die Deckschicht 3 mit einem kohlefaserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet. Die Ausführungsform des Strukturelementes 1 findet beispielsweise bei Kleinflugzeigen Anwendung. Bevorzugt findet diese Bauweise auch Anwendung bei Propellerblättern 1, Rotorblättern 1 oder Windturbinenblättern 1.
Die 6 illustriert ein noch weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Strukturelementes 1. Das Strukturelement 1 ist beispielsweise als sogenannter Schaumsandwichrumpf 1 für eine Rumpfzelle eines Flugzeuges, als Rumpfstruktur 1 eines Schienenfahrzeuges oder als Raketenstufe 1 ausgebildet. Der bevorzugt von der Deckschicht 3 umschlossene Kern 2 ist beliebig segmentiert und mit beliebigen Kernmaterialen gebildet. Die Kernsegmente sind in 6 gestrichelt dargestellt. Beispielsweise sind Segmente 4–7 mit Bezugszeichen versehen.
Die Vorgehensweise zur Herstellung eines derartigen Strukturelementes 1 für ein Luft- und Raumfahrzeug 10 ist beispielsweise wie folgt. Zunächst wird das Strukturelement 1 hinsichtlich seines Bauteilgewichts, seiner Steifigkeit und seiner mechanischen Eigenschaften für den jeweiligen Anwendungsfall optimiert. Das Eigenschwingverhalten dieses Strukturelementes wird anschließend beispielsweise mittels einer Simulation berechnet oder mittels eines Schwingversuches bestimmt. Anschließend wird die Materialdichte des Kerns 2 des Strukturelementes 1 zumindest abschnittsweise derart variiert, dass die strukturdynamischen und/oder aeroelastischen Eigenschaften des Strukturelementes 1 optimiert sind. Hierzu weist der Kern 2 bevorzugt die Kernsegmente 4–7 auf, welche unterschiedliche Materialdichten bzw. Raumgewichte aufweisen und welche bevorzugt derart angeordnet werden, dass die Materialdichte des Kerns 2 zumindest abschnittsweise variiert. Die Kernsegmente 4–7 werden in den erforderlichen Abmessungen aus Schaumhalbzeugen mit unterschiedlichem Raumgewicht gefertigt, insbesondere gefräst. Die Deckschicht 3 wird abschließend auf den Kern 2 laminiert. Oder die Kernsegmente 4–7 werden auf die bereits fertig zugeschnittene Deckschicht 3 aufgelegt. Die Imprägnierung der Deckschicht mit einem Matrixmaterial erfolgt beispielsweise mittels eines sogenannten Vakuuminfusionsverfahrens.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere können Merkmale der einzelnen, oben aufgeführten Ausführungsbeispiele – sofern dies technisch sinnvoll ist – beliebig miteinander kombiniert werden.
Beispielsweise ist das Strukturelement als Leitwerkfläche, als Steuerfläche oder als Rumpfsegment eines Luft- oder Raumfahrzeuges ausgebildet.
Die aufgeführten Materialien, Zahlenangaben und Dimensionen sind beispielhaft zu verstehen und dienen lediglich der Erläuterung der Ausführungsformen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung.
Selbstverständlich ist auch eine Anwendung der Erfindung in anderen Gebieten, insbesondere im Fahrzeug- oder Schiffsbau denkbar.
Bezugszeichenliste

1: Strukturelement
2: Kern/Schaumkern
3: Deckschicht
4: Kernsegment
5: Kernsegment
6: Kernsegment
7: Kernsegment
8: Anströmkante
9: Abströmkante
10: Luft- und Raumfahrzeug
11: Flügelspitze
12: Aufnahmebereich
13: Holm
14: Holm
15: Beplankungselement
16: Beplankungselement
17: Randbereich
18: Randbereich
19: Randbereich
20: Randbereich
21: Seitenschenkel
22: Seitenschenkel
23: Seitenschenkel
24: Seitenschenkel
x: Querrichtung
^y: Längsrichtung
z: Hochrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69805302 T2 [0006]

Claims

Strukturelement (1), insbesondere für ein Luft- und Raumfahrzeug (10), mit einem Kern (2), dessen Materialdichte zum Optimieren des Eigenschwingverhaltens des Strukturelementes (1) zumindest abschnittsweise variiert.
Strukturelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (1) mittels der variierenden Materialdichte des Kerns (2) eine Massenverteilung innerhalb des Strukturelementes (1) derart aufweist, dass eine vorbestimmte Eigenschwingfrequenz des Strukturelementes (1) zum Optimieren des Eigenschwingverhaltens desselben gewährleistet ist.
Strukturelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) des Strukturelementes (1) als Schaumkern (2), massiver Kern (2), Holzkern (2) oder Wabenkern (2) ausgebildet ist.
Strukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (1) eine Sandwichstruktur mit einer den Kern (2) zumindest abschnittsweise umgebenden Deckschicht (3), insbesondere einer mit Kohlefasern gebildeten Deckschicht (3), aufweist.
Strukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) Kernsegmente (4–7) mit unterschiedlicher Materialdichte aufweist.
Strukturelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernsegmente (4–7) derart angeordnet sind, dass die Materialdichte des Kerns (2) zumindest abschnittsweise variiert.
Strukturelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernsegmente (4–7) mit der unterschiedlichen Materialdichte in sich jeweils eine homogene Materialdichte aufweisen.
Verfahren zum Herstellen eines Strukturelementes (1), insbesondere für ein Luft- und Raumfahrzeug (10), mit folgenden Verfahrensschritten: Vorsehen eines einen Kern (2) aufweisenden Strukturelementes (1); Ermitteln des Eigenschwingverhaltens des Strukturelementes (1); und zumindest abschnittsweises Variieren der Materialdichte des Kerns (2) des Strukturelementes (1) derart, dass das Eigenschwingverhalten des Strukturelementes (1) optimiert ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Eigenschwingverhalten des Strukturelementes (1) mittels einer Simulation oder eines Schwingversuches ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) mit Kernsegmenten (4–7) mit unterschiedlicher Materialdichte ausgebildet wird.
Luft- und Raumfahrzeug (10) mit einem Strukturelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Rotorblatt, insbesondere für eine Windturbine, mit einem Strukturelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.