DE102011003314A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: einen ersten Schritt einer rechnergestutzten Simulation fur eine Mehrzahl von Querschnitten des Bauteils auf Grundlage eines 3D-Querschnittsmodells, und Erhalten eines ersten Ergebnisses, welches ein im Wesentlichen durch thermische und/oder chemische Reaktionen bedingtes Schrumpfen des Bauteils darstellt; einen zweiten Schritt einer weiteren rechnergestützten Simulation fur die Mehrzahl von Querschnitten des Bauteils auf Grundlage eines 2D-Schalenmodells, und Erhalten eines zweiten Ergebnisses, welches ein im Wesentlichen durch thermische und/oder chemische Reaktionen bedingtes Schrumpfen des Bauteils darstellt; Bestimmen eines Skalierungsfaktors für das zweite Ergebnis, so dass das zweite Ergebnis dem ersten Ergebnis entspricht; Bestimmen von Skalierungsfaktoren für beliebige Querschnitte, welche zwischen zwei benachbarten Querschnitten aus der Mehrzahl von Querschnitten liegen, durch Interpolation; Vorhersage eines Bauteilverzugs des Bauteils; und Herstellen des Bauteils auf Grundlage des vorhergesagten Bauteilverzugs.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere ein Bauteil mit Verstärkungselementen für ein Luft- und Raumfahrzeug.
• Bauteile und Strukturen für Luft- und Raumfahrzeuge werden zunehmend großer dimensioniert, wobei solche Bauteile und Strukturen monolithisch aus mit Kohlenstofffasern verstärktem Kunststoff (CFK) hergestellt werden. Als Beispiele mögen aktuelle Verkehrsflugzeuge dienen, welche Flugel mit einer Spannweite von weit über 30 Metern aufweisen. Die Flügel umfassen Flügelschalen, welche dementsprechend groß dimensioniert sind. Die Schalen sind in bekannter Weise mit Verstärkungselementen, sogenannten Stringern, verstarkt, wobei als Material für die Schalen und die Verstarkungselemente üblicherweise das oben bereits erwahnte CFK-Material dient. Schale und Verstärkungselemente sollen im Folgenden kurz als Komponenten und die Verbindung selber als Bauteil bezeichnet werden.
• Die Verbindung aus Schale und Verstärkungselementen wird oftmals in monolithischer Weise hergestellt, wobei entweder das komplette Bauteil, also Schale mit daran angeordneten Verstarkungselementen, in einem Aushartevorgang in einem Autoklaven ausgehartet wird, oder zunachst die Schale in einem Autoklaven ausgehartet wird, dann die Verstarkungselemente an der Schale befestigt werden, und dann diese Verbindung aus ausgehärteter Schale und nichtausgehärteten Verstärkungselementen in einem weiteren Aushärtevorgang in einem Autoklaven ausgehartet wird. Denkbar ist allerdings auch, dass zunächst die Verstarkungselemente ausgehartet werden, dann die Verstärkungselemente an der nichtausgehärteten Schale befestigt werden, und dann diese Verbindung in einem Aushärtevorgang zusammen ausgehärtet wird.
• In jedem Fall unterliegen Bauteil bzw. Komponenten durch das Aushärten, bei dem durch chemische Reaktion Wärme freigesetzt wird, einer Änderung ihrer physikalischen Eigenschaften, das heißt Bauteil bzw. Komponenten andern z. B. ihre Länge und Ausrichtung, wobei als Folge unerwünschte Verspannungen, d. h. ein sogenannter Bauteilverzug, im Endprodukt, das heißt dem Bauteil, auftreten, welche physikalisch beispielsweise als Momente und Verzugswinkel beschrieben werden. Ein wesentlicher Grund für das Entstehen von Bauteilverzug ist das Wärmeausdehnungsverhalten der Materialien, insbesondere des verwendeten Harzes, was durch Warmeausdehnungskoeffizienten angegeben wird.
• Im Stand der Technik existieren Verfahren, mit denen ein Aushärtevorgang auf einem Computer simuliert werden kann, so dass Änderungen solcher physikalischer Eigenschaften durch den Aushartevorgang vorhergesagt werden können. Solche Simulationsverfahren sind beispielsweise das CHILE-Verfahren (CHILE = Curing Hardening Instantaneously Elastic Formulation), das VE-Verfahren (VE = Visco Elastic) oder das PVE-Verfahren (PVE = Pseudo Visco Elastic). Bei diesen Verfahren wird das Bauteil bzw. werden seine Komponenten in dreidimensionale (3D-)Elemente mit bekannten Parametern aufgeteilt, und diese 3D-Elemente dann dem Simulationsverfahren unterworfen, um so im Ergebnis den Bauteilverzug vorherzusagen. Aufgrund des Ergebnisses der Vorhersage des Bauteilverzugs werden dann Änderungen im Herstellungsverfahren vorgenommen, um so entsprechend zu einem Bauteil-Endprodukt mit gewünschten physikalischen Eigenschaften zu gelangen.
• Die oben beschriebenen herkömmlichen Verfahren liefern relativ gute Vorhersage-Ergebnisse, solange nur relativ kleine Bauteile bzw. relativ kleine Abschnitte von Bauteilen in der Großenordnung einiger Millimeter betrachtet werden. Herkommliche Simulations-Verfahren können großere Bauteile, wie die oben erwähnten Flügelschalen mit einer Ausdehnung von über 30 Metern, aufgrund mangelnder Speicherkapazitaten, wofür ein Bedarf immens wäre, nicht hinreichend detailliert modellieren. Daraus folgt, dass eine Herstellung von relativ großen Bauteilen nach den herkömmlichen Verfahren als nachteilig empfunden wird, da eine Vorhersage des Bauteilverzugs relativ ungenau ist, und damit die Herstellung eines Bauteils mit vorbestimmten, gewunschten Eigenschaften relativ schwierig bzw. eher zufällig ist.
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils für ein Luft- und Raumfahrzeug, zur Verfügung zu stellen, welches die vorgenannten Nachteile beseitigt.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Demgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils vorgesehen, insbesondere eines Bauteils für ein Luft- und Raumfahrzeug, welches eine relativ genaue Vorhersage eines Bauteilverzugs erlaubt, wobei die Kenntnis über den potentiellen Bauteilverzug in die Herstellung des Bauteils einfließt, so dass das Bauteil letztendlich vorbestimmte, d. h. gewünschte, Eigenschaften aufweist.
• Ferner ist ein Bauteil, insbesondere für ein Luft- und Raumfahrzeug, vorgesehen, wobei das Bauteil im Wesentlichen eine Schale und wenigstens ein die Schale verstärkendes Element, d. h. Verstärkungselement, umfasst, und wobei das Bauteil nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
• Die der Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, in einem ersten Schritt eine rechnergestützte Simulation für eine Mehrzahl von Querschnitten des Bauteils auf Grundlage eines 3D-Querschnittsmodells durchzuführen und daraus ein erstes Ergebnis zu erhalten, welches ein im Wesentlichen durch thermische und/oder chemische Reaktionen bedingtes Schrumpfen des Bauteils darstellt; in einem zweiten Schritt eine weitere rechnergestützte Simulation fur die Mehrzahl von Querschnitten des Bauteils auf Grundlage eines 2D-Schalenmodells durchzufuhren und daraus ein zweites Ergebnis zu erhalten, welches ein im Wesentlichen durch thermische und/oder chemische Reaktionen bedingtes Schrumpfen des Bauteils darstellt; dann Bestimmen eines Skalierungsfaktors fur das zweite Ergebnis, so dass das zweite Ergebnis dem ersten Ergebnis entspricht; dann Bestimmen von Skalierungsfaktoren für beliebige Querschnitte, welche zwischen zwei benachbarten Querschnitten aus der Mehrzahl von Querschnitten liegen, und zwar durch Interpolation; dann Vorhersage eines Bauteilverzugs des Bauteils anhand der vorherigen Schritte; und dann Herstellen des Bauteils auf Grundlage des vorhergesagten Bauteilverzugs. Hierbei ist von Vorteil, dass im Vergleich zu bereits beschriebenen Lösungsansätzen eine Einschrankung bei der Herstellung und der Vorhersage des Bauteilverzugs auf relativ kleine Bauteile bzw. Bauteilabschnitte nicht notwendig ist, so dass auch relativ große Bauteile mit relativ guter Genauigkeit simuliert und darauf aufbauend hergestellt werden können.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteranspruchen und aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren der Zeichnungen.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird der zweite Schritt für eine vorbestimmte Temperatur des Bauteils und vorzugsweise auch für ein vorbestimmtes an dem Bauteil angreifendes Einheitsmoment durchgefuhrt. Im ersten Fall spricht man vom sogenannten Temperaturlastfall, im zweiten Fall spricht man vom sogenannten Momentenlastfall. Weiterhin wird bevorzugt, dass der Schritt des Bestimmens des Skalierungsfaktors auf Grundlage einer Summe aus dem Temperaturlastfall und aus dem Momentenlastfall durchgeführt wird, woraus sich der Vorteil ergibt, dass die Bestimmung des zu erwartenden Bauteilverzugs bzw. darauf aufbauend die Herstellung des Bauteils mit noch großerer Genauigkeit durchgeführt werden kann.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnungen näher erläutert.
• Von den Figuren zeigen:
• 1 eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Bauteils;
• 2 eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Verstarkungselements im Normalzustand und mit Materialverzug unter Wärmeeinfluss;
• 3 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
• 4 ein Diagramm für die Darstellung von Trendlinien verschiedener Blade-Strukturen; und
• 5 eine schematische Darstellung von Knoten in einem Schalen-Ausschnitt.
• In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
• 1 zeigt einen Querschnitt 11 eines Ausschnitts eines Bauteils 10, welches eine Schale 15, und ein erstes Verstärkungselement 20 sowie ein zweites Verstärkungselement 25 umfasst. Hierbei erstreckt sich die Langsrichtung des Bauteils 10 senkrecht zur Zeichenebene, wobei die Länge des Bauteils 10 mehrere Meter betragen kann. Die Schale 15 ist im dargestellten Beispiel Teil einer Flügelschale eines Flugzeugs. Auf der Oberfläche 30 der Schale 15, welche aus einem faserverstärkten Material besteht, ist das erste die Schale 15 verstärkende und in der 1 durch zwei Winkel 21, 22 dargestellte Element 20 (sogenannter Stringer) angebracht. Als weiteres zusatzlich die Schale 15 verstarkendes Element ist ein Streifenzuschnitt (sogenannter Blade) 25 zwischen den Winkeln 21, 22 angeordnet. Das Material von Stringer und Blade ist ebenfalls faserverstärkter Kunststoff.
• Bei der Herstellung des Bauteils 10 wird zunachst in einem ersten Schritt die Schale 15 vollstandig in einem Autoklaven ausgehartet. Danach werden in einem zweiten Schritt Stringer 20 und/oder Blade 25 mit der Schale 15 verbunden, und dann in einem dritten Schritt die Verbindung von Schale 15, Stringer 20 und/oder Blade 25 wiederum in einem Autoklaven ausgehärtet, so dass das Bauteil 10 entsteht.
• Es ist allerdings auch vorstellbar, dass eine ausgehärtete Schale mit einem ausgehärteten Stringer verbunden wird. Ebenso kann die Materialdicke von Schale, Stringer und/oder Blade variieren.
• Wie oben bereits erwähnt, unterliegt das Bauteil 10 bzw. unterliegen die zusammen das Bauteil 10 ergebenden Komponenten Schale 15, Stringer 20 und Blade 25 während des jeweiligen Aushärtevorganges einem Materialverzug, der sich in einer Anderung der Lange und/oder Ausrichtung der jeweiligen Komponente außern kann, wie es beispielhaft in 2 dargestellt ist. Hierbei ist das Profil 21 des in 1 dargestellten Stringers 20 in einem Zustand vor dem Aushartevorgang (Zustand A) und nach dem Aushartevorgang (Zustand B) gezeigt, wobei aufgrund von Abkühlung und chemischem Schwinden am Ende des Herstellungsprozesses ein Winkel α zwischen Schenkeln S1, S2 des Profils 21 zu einem kleineren Winkel α' des sich ergebenden Profils 21' wird (sogenannter ”Spring In”-Effekt).
• Vor der Herstellung des Bauteils wird zur Bestimmung eines sich durch die Herstellung ergebenden Bauteilverzugs zunächst mithilfe eines Querschnittmodells eine oder mehrere Querschnittsflächen von Stringer und/oder Blade modelliert, d. h. in mathematischer Weise nach einem Finite Elemente-Modell für ein Verhalten unter Wärmebelastung beschrieben, wie weiter unten mit Bezug auf 3 im Detail erlautert wird. Dabei werden Materialparameter, wie zum Beispiel Temperaturausdehnungskoeffizienten, Steifigkeiten, chemisches Schwinden der verwendeten Materialien, mit berucksichtigt. Aus der Ermittlung von realen Materialverzügen können entsprechende Korrekturfaktoren gewonnen werden, welche ebenfalls in die mathematische Beschreibung der Komponenten mit einfließen, um eine bessere Anpassung an reale Zustande zu erhalten.
• Bei der Auswahl der Querschnittsflachen der Komponenten sind insbesondere Abschnitte von Interesse, die relativ stark gekrümmt sind, da diese in erhohtem Maße zu dem sich ergebenden Bauteilverzug beitragen.
• Ausgehend von dem oben erwähnten Querschnittsmodell wird nun ein entsprechender, d. h. ein dem Stringerquerschnitt zugeordneter Querschnitt der Schale modelliert, wobei wiederum die Materialparameter Temperaturausdehnungskoeffizienten und Steifigkeiten der verwendeten Materialien verwendet werden.
• Aus der Modellierung der Querschnitte hinsichtlich Temperatur und Belastung ergeben sich entsprechende Verzugswinkel und Momente (in [Nm/m]), welche dem vorherzusagenden Bauteilverzug entsprechen.
• Aus der Kenntnis des so vorherbestimmten moglichen Bauteilverzugs der Komponenten bzw. einer Kombination der Komponenten lassen sich Eigenschaften (Längenanderung, Ausrichtung, Verzugswinkel usw.) des herzustellenden Bauteils bestimmen, so dass für die tatsächliche Herstellung des Bauteils eine Dimensionierung der Komponenten entsprechend berücksichtigt werden kann, um ein Bauteil mit den gewünschten Eigenschaften zu erzeugen, ohne durch ein mühsames und kostspieliges Trial & Error-Verfahren zu dem gewünschten Bauteil zu gelangen.
• Mit Bezug auf 3 soll nun das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden.
• 3 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wird die Entwicklung von einem Material-Modell bis zu der Berechnung von komplexen Strukturen beschrieben.
• Das vorgestellte Verfahren führt dazu, dass auch Bauteilverzuge von großen Komponenten innerhalb einer akzeptablen Rechenzeit und Genauigkeit simuliert werden können und die Simulation durch eine vereinfachte Modellbildung schnell anpassungsfahig ist.
• Die bekannten Berechnungsverfahren für kleine Bauteile können, wie oben bereits erwahnt, den Aushärteprozess mit vielen Parametern sehr realistisch wiedergeben. Jedoch stoßen diese Verfahren bei großen und/oder komplexen Bauteilen schnell an die Kapazitätsobergrenze der zur Verfügung stehenden Rechenleistung.
• So ergibt sich der sogenannte „Spring-In”-Effekt eines T-formigen Stringers 20 mit zwei L-förmigen Profilen 21 und 22 hauptsachlich aus der Kontraktion des Laminats in eine Richtung, die außerhalb der Ebene der Schale 15 liegt. Außerdem können auch Kontraktionen des puren Harzes in einem Radiusfüllmaterial 23, 23, wie in 1 dargestellt, zu einem solchen Effekt fuhren. Dieser Effekt kann nur durch Simulationen mit 3-dimensionalen (3D) Elementen berechnet werden. Jedoch kann der Effekt auch durch die Einfuhrung von Momenten in das 2-dimensionale(2D)-Schalenmodell erfasst werden, welche die selben Deformationen ergeben.
• Andererseits können auch so genannte Verzugs-Effekte, die sich aus dem Schwinden in Richtung der Ebene der Schale 15 ergeben, durch Berechnung mit 2D-Schalenelementen erfasst werden.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher zunächst der Querschnitt eines Stringers 20 im Detail mit 3D-Elementen nach den bekannten Verfahren modelliert und simuliert (Schritt 100), um den Spring-In des Stringers 20 zu erhalten. Dazu kann beispielsweise ein 3D-Material-Teststuck entwickelt (Schritt 110) werden, welches mit einem 3D-Modell mit einer geeigneten Computersoftware simuliert (Schritt 130) wird. Durch Experimente am Teststück (Schritt 120) und Parameter-Studien (Schritt 140) wird das simulierte 3D-Modell an das 3D-Material-Teststück angepasst.
• Der Spring-In ergibt sich bei diesem 3D-Modell hauptsächlich aus dem thermischen und chemischen Schrumpfen des Modells. Es zeigt sich, dass die Hautdicke, die Hautlaminierung und die Bladedicke die Parameter mit dem größten Einfluss auf den Spring-In sind. Dabei produzieren sowohl die Haut-Dicke wie auch die Laminierung selbst keinen Spring-In, reduzieren jedoch den Spring-In, der durch den Stringer verursacht werden kann. Außerdem wird durch die Haut die Kontraktion des Blades behindert. Die sich ergebende Kraft erzeugt ein Moment in der Haut, welches den Spring-In erzeugt.
• Zusatzlich haben die L-Profil-Laminierung und das Gebiet des Radiusfullmaterials einen großen Einfluss auf den Spring-In. Dabei sinkt der Winkel des L-Profil-Radius während der Kühlung. Die Größe der Winkeldifferenz hängt dabei von der Laminierung des L-Profils ab. Außerdem führt die Kontraktion des Füllmaterials zu einer lokalen Deformation der Haut und bewirkt dadurch auch eine Steigerung des Spring-Ins.
• Alternativ zu dem linearen Ansatz kann der Spring-In auch mit einem technisch aufwendigeren Ansatz berechnet werden, welcher nichtlineare Effekte mit einbezieht. Auch kann der Spring-In direkt mit einem Stringer-Teststück gemessen werden.
• Der Spring-In selbst wird bei dem 3D-Modell jeweils aus der Auslenkung an der Unterseite der Haut abgeleitet. Aus den Ergebnissen wird der Winkel am Ende des Stringerfußes ermittelt.
• Nachdem das simulierte 3D-Modell optimiert wurde, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem weiteren Schritt der gleiche Querschnitt mit dem 2D-Schalenmodell, beispielsweise als 1 Meter Stringer mit Haut berechnet (Schritt 200). Die zu untersuchende Struktur wird dabei bei ihrer Simulation in eine Gitterstruktur eingeteilt.
• Da die Deformation des 2D-Modells nicht exakt die Deformation des detaillierten 3D-Modells beschreiben kann, wird ein Verfahren gewählt, bei dem aquivalente Momente verwendet werden. Als Ergebnis ist der Spring-In an der Grenze des Stringer-Fußes in beiden Modellen äquivalent. Um dies zu erreichen, wird das 2D-Modell des selben Stringers für zwei Lastfalle (Schritt 210 und 220) berechnet.
• Lastfall 1 enthalt eine Temperatur von beispielsweise –160°C. Lastfall 2 enthält ein Einheitsmoment. Dabei werden die Momente paarweise in entgegengesetzter Richtung an Gitterpunkten bzw. Knoten des Stringer-Fußes rechts und links des Blades zugewiesen. Die Momente werden am Stringer-Fuß so nahe wie möglich an dem Blade angesetzt. Fur das Modellieren mit zwei Elementreihen für die Füße ist die unmittelbar benachbarte Position zum Blade die Reihe der Knoten im Zentrum der Stringer-Füße.
• Die Berechnung des 2D-Stringermodells ergibt einen Wert für den Spring-In für jeden Lastfall. Ähnlich wie bei dem detaillierten Modell wird der Spring-In aus der Auslenkung an der Unterseite der Haut abgeleitet.
• Ein Spring-In-Wert wird somit aus der Temperatur abgeleitet, ein weiterer aus den Momenten. Es werden wieder die Winkel am Ende des Stringerfußes ermittelt. Materialparameter sind hier die Steifigkeiten und Temperaturausdehnungskoeffizienten vom Datenblatt des Teststücks. Das chemische Schwinden braucht hier nicht berücksichtigt zu werden, da die Kalibrierung der Parameter für den hier auftretenden Parameter „Temperaturausdehnung in Richtung ”quer zur Faser” nur den einfachen Wert ohne Zuschlag ergeben hat.
• Das Moment wird dann so skaliert, dass die Summe aus den Winkeln der L-Profile aus Temperaturlastfall und Momentlastfall dem Winkel der L-Profile aus der Berechnung des 3D-Querschnittmodells entspricht.
• Um die Winkel des detaillierten Modells zu erhalten, müssen die Momente skaliert werden. Eine Addition des Spring-Ins aus dem Temperatur-Last-Fall und des Spring-In aus dem Lastfall mit den skalierten Momenten fuhren zu den gewünschten Spring-In-Werten: γ_2D = γ_{2D_Temp} + X·γ_{2D_Moment} = γ_3D X = (γ_3D – γ_{2D_Moment})/γ_{2D_Moment} (1) wobei γ_2D der sich ergebende Spring-In des 2D-Modells ist und γ_{2D_Temp} der Spring-In des 2D-Modells mit einer Temperaturlast ist. Außerdem ist γ_{2D_Moment} der Spring-In des 2D-Modells mit einem Moment von 1 Nmm/mm, γ_3D der Spring-In des detaillierten 3D-Modells und X der Skalierungsfaktor des Moments.
• Man enthält das Moment fur den untersuchten Querschnitt in [Nm/m]. Es mussen jedoch die Momente für alle Querschnitte ermittelt werden.
• Insbesondere große Strukturen umfassen eine Vielzahl von Stringer-Konfigurationen mit verschiedenen Haut- und Blade-Schichten. Da es schwierig ist, für alle vorhandenen Stringer-Haut-Blade Konfigurationen die Momente explizit zu berechnen, ist es vorteilhaft, eine Moment-Dicken-Beziehung aufzustellen. Da die Stringer eine Abhangigkeit zwischen dem Spring-In und der Blade-Dicke zeigen, können die Moment-Skalierungsfaktoren interpoliert werden. Deshalb werden einige Haut- und Blade-Stapel von der großen Struktur gewählt, die den Bereich von der kleinsten zur größten Dicke in dem Modell abdeckt.
• Mit anderen Worten wird das vorhandene L-Profil dazu mit der minimalen, der maximalen und den am haufigsten im Modell verwendeten Hautdicken berechnet. Diese werden dann wiederum mit verschiedenen Blade-Dicken berechnet und dafur die Momente bzw. deren Skalierungsfaktoren nach Gleichung (1) ermittelt.
• Die Ergebnisse der Skalierungsfaktoren fur die Momente werden gegen die Haut-Dicke aufgetragen (siehe 4). Aus der sich ergebenden Trendlinie kann der Moment-Skalierungsfaktor und auch das Moment eines beliebigen Stringerquerschnitts im Modell interpoliert werden.
• 4 zeigt zwei Trendlinien für verschiedene Blade-Strukturen. In diesem Fall zeigt die obere Trendlinie das Moment für einen Stinger mit einem Blade mit 40 Schichten in Abhangigkeit von der Haut-Dicke. Die untere Trendlinie zeigt das Moment für Stringer ohne zusatzliche Blade-Schichten.
• Mit Hilfe der Trendlinie werden die Momente an den jeweiligen Knoten n angelegt (siehe 5). Dazu wird für jeden Knoten n der zu einem Blade benachbarten Elemente e und e + 1 die jeweiligen Hautdicke und die jeweilige Bladedicke aus dem Modell bestimmt, und der sich ergebende Moment-Skalierungsfaktor anhand der Trendlinie berechnet oder aus der interpolierten Trendlinie entnommen (siehe 4).
• Dann wird auf der halben Lange der Elemente von Knoten zu Knoten, der sogenannten Einflusslänge, und dem Moment-Skalierungsfaktor das Moment berechnet: m e / n = 1 / 2l·s_M (2) wobei m e / n das Moment am Knoten n des Elements e, l die Länge des Element von einem Knoten zum nächsten in Stringerrichtung und s_M der Moment-Skalierungsfaktor ist.
• Das Moment m am Knoten n des Elements e und das Moment m e+1 / n am Knoten n des benachbarten Elements e + 1 in Stringerrichtung werden addiert: m_n = m e / n + m e+1 / n (3)
• Die Momente werden anschließend gemittelt, so dass die Momente an den Knoten rechts m rechts / n und links m links / n vom Blade paarweise den gleichen Betrag haben. m mittel / n = 1 / 2m links / n + 1 / 2m rechts / n (4)
• Mit den gemittelten Momenten m mittel / n und der Temperatur kann die komplexe Struktur simuliert werden. Es können gegebenenfalls auch die Gravitation und sogenannte lineare Gaps mit einbezogen werden, um Verformungen zu berechnen, die mit den Verformungen des realen Bauteils gemessen in der Fertigungsform vergleichbar sind. Als Materialparameter werden wieder die Parameter Steifigkeit und Temperaturausdehnungskoeffizient vom Datenblatt des Teststücks angesetzt.
• Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele vollstandig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfaltige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere können Merkmale der einzelnen, oben aufgeführten Ausführungsbeispiele – sofern dies technisch sinnvoll ist – beliebig miteinander kombiniert werden.
• Die aufgeführten Materialien, Zahlenangaben und Dimensionen sind beispielhaft zu verstehen und dienen lediglich der Erläuterung der Ausfuhrungsformen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung.
• Selbstverstandlich ist auch eine Anwendung der Erfindung in anderen Gebieten, insbesondere im Fahrzeug- oder Schiffsbau, denkbar.
• Bezugszeichenliste

10

Bauteil

11

Querschnitt des Bauteils

15

Schale

20

Verstärkungselement/Stringer

21, 21'

Profil

22

Profil

23

Radiusfullmaterial

25

Verstarkungselement/Blade

S1, S2

Schenkel

A, B

Zustand A/Zustand B

100

Berechnung nach dem 3D-Modell

110

Entwicklung des 3D-Material-Modells

120

Experimente mit Test-Teilen

130

Simulation des 3D-Modells

140

Parameterstudien

200

Entwicklung eines vereinfachten 2D-Modells

210

Berechnung des Modells mit Temperaturlast

220

Berechnung des Modells mit Momentlast

300

Skalieren der Momente des 2D-Modells

400

Simulation und Vorhersage von komplexen Strukturen

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (10), insbesondere eines Bauteils (10) für ein Luft- und Raumfahrzeug, mit folgenden Verfahrensschritten: Durchfuhren einer rechnergestützten Simulation (100) fur eine Mehrzahl von Querschnitten (11) des Bauteils (10) auf Grundlage eines 3D-Querschnittsmodells zum Erhalten eines ersten Ergebnisses, welches ein im Wesentlichen durch thermische und/oder chemische Reaktionen bedingtes Schrumpfen des Bauteils (10) darstellt; Durchführen einer weiteren rechnergestutzten Simulation (200) fur die Mehrzahl von Querschnitten (11) des Bauteils (10) auf Grundlage eines 2D-Schalenmodells zum Erhalten eines zweiten Ergebnisses, welches ein im Wesentlichen durch thermische und/oder chemische Reaktionen bedingtes Schrumpfen des Bauteils (10) darstellt; Bestimmen (300) eines Skalierungsfaktors für das zweite Ergebnis derart, dass das zweite Ergebnis dem ersten Ergebnis entspricht; Bestimmen von Skalierungsfaktoren für beliebige Querschnitte, welche zwischen zwei benachbarten Querschnitten aus der Mehrzahl von Querschnitten liegen, mittels Interpolation; Vorhersage (400) eines Bauteilverzugs des Bauteils (10); und Herstellen des Bauteils (11) auf Grundlage des vorhergesagten Bauteilverzugs.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schritt (200) für eine vorbestimmte Temperatur des Bauteils (10) durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schritt (200) fur ein vorbestimmtes an dem Bauteil (10) angreifendes Einheitsmoment durchgefuhrt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen (300) des Skalierungsfaktors auf Grundlage einer Summe aus dem zweiten Ergebnis nach Anspruch 2 und aus dem zweiten Ergebnis nach Anspruch 3 durchgefuhrt wird.
5. Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellt ist.

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