DE102012111022A1

DE102012111022A1 - Verstärktes Fahrzeugstrukturteil, Fahrzeug und Verfahren

Info

Publication number: DE102012111022A1
Application number: DE102012111022.0A
Authority: DE
Inventors: Domenico Furfari; Elke Hombergsmeier
Original assignee: EADS Deutschland GmbH; Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH; Airbus Operations GmbH
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2014-06-26
Also published as: EP2733060B1; CN103820629A; US20140134043A1; EP2733060A1; CN103820629B; US10035577B2

Abstract

Es wird ein mit in einem Bereich verstärktes Fahrzeugstrukturteil, ein Fahrzeug mit einem derartigen Fahrzeugstrukturteil sowie ein dementsprechendes Verfahren zur Verstärkung eines Fahrzeugstrukturteils vorgeschlagen. Der Bereich weist in einer ersten Richtung eine Druckeigenspannung und in einer zweiten Richtung eine Druck- oder Zugeigenspannung auf, wobei das Verhältnis zwischen der Druckeigenspannung in der ersten Richtung und der Druck- oder Zugeigenspannung in der zweiten Richtung zwischen –0,2 und +1,0 liegt. Somit wird die Ausbreitungsrichtung von Rissen in einem solchen Bereich gedreht, ein schnellerer Druckausgleich ermöglicht und die weitere Rissausbreitung verhindert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Fahrgzeugstrukturteil sowie ein Fahrzeug mit einem Bereich, in dem in einer ersten Richtung eine Druckeigenspannung und in einer zweiten, zur ersten Richtung senkrecht stehenden Richtung eine Druck- oder Zugeigenspannung vorliegt. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verstärkung eines Fahrzeugstrukturteils.
TECHNISCHER HINTERGRUND
An Fahrzeugstrukturteilen, beispielsweise von Flugzeugen, kann es zu einer Rissbildung kommen, die zu großen Beschädigungen bis hin zum Versagen der Fahrzeugstruktur führen kann. Risse in Flugzeugstrukturen sind in der Regel auf eine Materialschwächung in Folge von besonderen statischen oder dynamischen mechanischen Belastungen zurückzuführen.
Beispielsweise kann sich eine Rissbildung und ein Rissfortschritt auch als Folge von einer versehentlichen Beschädigung einer Flugzeugstruktur in Form von Einritzungen bei einer unsachgemäßen Wartung ergeben. Solche versehentlich erzeugten Schäden können die Ausgangsstelle für eine nachfolgende Rissbildung bzw. einen nachfolgenden Rissfortschritt bilden. Daher ist es zweckmäßig, solche Schäden durch Reparaturmaßnahmen zu beheben, um einer Rissausbildung vorzubeugen. Risse können aber auch andere Ursachen haben.
Im Rahmen der Wartung können die Schadstellen repariert werden, indem der gesamte Bereich, indem sich Risse gebildet haben, ausgeschnitten wird und durch neues Material, was dort eingefügt wird bzw. darüber angeordnet wird, ersetzt wird. Im Falle von Kratzern, wo es erwartet wird, dass sich Risse ausgehend von den Kratzern bilden werden, kann der Reparaturvorgang in der gleichen Weise, wie bei der Rissreparatur durchgeführt werden. Das Ersetzen von Tragwerkbereichen ist zeitaufwändig und hat erhöhte Reparatur und Betriebskosten zur Folge. Materialbereiche, die für eine Rissbildung gefährdet sind, können mittels einem Laserschockstrahlen (Laserschockhärten, Laserschockbehandeln oder -hämmern) vor dem Einsatz behandelt werden. Laserschockstrahlen ist ein Verfahren zum Erzeugen eines Bereiches von tiefen Druckeigenspannungen, indem die Oberfläche von einem Werkstück durch Laserschockstrahlen bearbeitet wird. Das Laserschockstrahlen verwendet üblicherweise Strahlungspulse aus gepulsten Lasern, um Stoß- bzw. Schockwellen auf die Oberfläche von einem Werkstück zu übertragen. Durch den auf die Bauteiloberfläche auftretenden gepulsten Laserstrahl aus der Laserstrahlquelle, wird mittels eines Plasmas eine starke lokale Druckkraft auf einen Abschnitt der Oberfläche erzeugt. An der Auftreffstelle des Laserstrahls entsteht dabei unter einem geschlossenen Flüssigkeitsfilm durch eine plötzliche Abtragung oder Verdampfung einer dünnen Schicht dieser Oberfläche oder einer Beschichtung (wie zum Beispiel eines metallischen Klebebandes oder eines Anstrichs) ein Plasma, wodurch eine Explosivkraft erzeugt wird. Der Druckimpuls aus dem sich rasch ausdehnenden Plasma gibt eine in den Gegenstand wandernde Schockwelle ab. Diese von dem Laserimpuls bewirkte Druckschockwelle führt zu tiefen lokalen Druckverformungen im Bauteil. Diese lokalen plastischen Verformungen erzeugen im Material Druckeigenspannungen. Das Laserschockstrahlen wird in dem US-Patent 3,850,698 mit der Bezeichnung „Altering Material Properties“; und dem US-Patent 4,401,477 mit der Bezeichnung „Laser Shock Processing“ beschrieben. Beim Laserschockstrahlen wird eine starke lokale Druckkraft auf einen Teil der Werkstückoberfläche übertragen. Laserschockstrahlen wird verwendet, um eine druckbeanspruchte Schutzschicht an der äußeren Oberfläche von einem Werkstück hervorzurufen, so dass die Widerstandsfähigkeit des Werkstückes gegenüber einem Ermüdungsbruch wesentlich vergrößert wird. Diese Anwendung ist z. B. in dem US-Patent 4,937,421 mit der Bezeichnung „Laser Peening System and Method“ beschrieben.
In DE 10 2008 044 407 A1 sowie in US 2001/0290770 A1 wird ein Verfahren zum Bestrahlen eines Flugzeugstrukturteils mit einer Schadstelle beschrieben, welches während der Wartung des Flugzeugs durchgeführt wird. Dabei wird ein Bereich des Flugzeugstrukturteils nahe der Schadstelle mittels eines gepulsten Laserstrahls behandelt. Hierbei verläuft eine Druckwelle durch den bestrahlten Bereich des Flugzeugstrukturteils und erzeugt eine Druckvorspannung in diesem Bereich. So kann an für kritisch befundenen Bereichen die Ausbreitung neuer oder bestehender Risse verlangsamt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, den Wartungsaufwand von Fahrzeugen herabzusetzen und die Schadenstoleranz zu erhöhen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Fahrzeugstrukturteil, ein Fahrzeug und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weiterbildungen und Ausführungsformen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Es wird ein Fahrzeugstrukturteil vorgeschlagen, in dem in einem ersten Bereich eine Druckeigenspannung in einer ersten Richtung und eine Druck- oder Zugeigenspannung in einer zweiten, zur ersten Richtung senkrecht stehenden Richtung vorliegt. Das Verhältnis zwischen der Druckeigenspannung in der ersten Richtung und der Druck- oder Zugeigenspannung in der zweiten Richtung liegt zwischen –0,2 und +1,0.
Hierbei werden Zugeigenspannungen als positive und Druckeigenspannungen als negative Größen mit der Einheit Pa definiert. Diese Druck- und Zugeigenspannungen werden allgemein auch als Resteigenspannungen bezeichnet. Weiter kann der Bereich auch Druck- und/ oder Zugeigenspannungen in Richtung senkrecht zur ersten und zweiten Richtung aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der erste Bereich von einer Oberfläche des Fahrzeugstrukturteils in das Fahrzeugstrukturteil hinein. Beispielsweise liegt die Druckeigenspannung in einer tangential zur Oberfläche des Fahrzeugstrukturteils verlaufenden ersten Richtung und die Druck- oder Zugeigenspannung in einer tangential zur Oberfläche des Fahrzeugstrukturteils verlaufenden, zur ersten Richtung senkrecht stehenden Richtung vor.
Somit kann demnach eine Druckeigenspannung durch das Anlegen einer Zugkraft in der Richtung der Druckeigenspannung kompensiert werden. Eine Zugeigenspannung kann entsprechend durch das Anlegen einer Druckkraft kompensiert werden.
Beispielsweise liegt in der ersten Richtung eine Druckeigenspannung und in der zweiten Richtung eine Zugeigenspannung vor. Der Bereich kann so angeordnet sein, dass die zu erwartende Rissausbreitungsrichtung eines zukünftigen Risses, der sich in dem Fahrzeugstrukturteil ausbreitet, im Anfangsstadium im Wesentlichen mit der zweiten Richtung übereinstimmt.
Wenn der Riss den ersten Bereich erreicht, verhindert die im ersten Bereich vorliegende Druckeigenspannung in der ersten Richtung die Rissausbreitung entlang der zweiten Richtung. Gleichzeitig fördert die Zugeigenspannung im ersten Bereich, die entlang der zweiten Richtung verläuft, eine Rissausbreitung entlang der ersten Richtung.
So kann die Rissausbreitungsrichtung von der ursprünglichen zweiten Richtung in die erste Richtung gedreht werden, spätestens wenn der Riss den Resteigenspannungen enthaltenden Bereich erreicht. Somit führt die gezielte Konfiguration des Verhältnisses der Resteigenspannungen in der ersten und der zweiten Richtung zu einer kontrollierten Drehung der Rissausbreitungsrichtung.
Die Druck- und/oder Zugeigenspannungen enthaltenden Bereiche im Sinne der Erfindung führen zur Drehung der Ausbreitungsrichtung des Risses und somit beispielsweise zu U-förmigen oder L-förmigen Rissen. Solche U- oder L-förmigen Risse können zum Aufklappen des vom Riss umrandeten, U- oder L-förmigen Bereichs des Flugzeugstrukturteils und somit zu wesentlich schnellerem Druckausgleich im Vergleich zu geraden Rissen führen. So kann die Bildung langer Risse verhindert, das Strukturteil vor dem Komplettversagen geschützt und somit schadenstoleranter gemacht werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Druckeigenspannung in der ersten Richtung und die Druck- oder Zugeigenspannung in der zweiten Richtung durch Laserschockstrahlen erzeugt. Hierbei wird eine mit einer dünnen Schicht (beispielsweise mit einem metallischen Klebeband oder einem Anstrich) versehene Oberfläche mit einem gepulsten Laserstrahl bestrahlt. An der Auftreffstelle des Laserstrahls entsteht dabei durch eine plötzliche Abtragung oder Verdampfung dieser dünnen Schicht ein Plasma, wodurch eine Explosivkraft erzeugt wird. Der Druckimpuls aus dem sich rasch ausdehnenden Plasma gibt eine in das Fahrzeugstrukturteil wandernde Schockwelle ab, die zu tiefen, lokalen Druckverformungen und somit zu Resteigenspannungen im Fahrzeugstrukturteil führt.
Das Verhältnis der Resteigenspannungen in den verschiedenen Richtungen kann durch Prozessparameter, beispielsweise die Wellenlänge der vom Laser emittierten Strahlung, die Leistungsdichte der Strahlung, die Wiederholungsrate des Lasers, der Strahldurchmesser, oder die Geometrie des Laserpulses gesteuert werden. Ferner kann ein Bereich in mehreren Lagen durch Laserschockstrahlen bearbeitet werden. Hierbei kann das Verhältnis der Resteigenspannungen beispielsweise durch die Anzahl der bestrahlten Lagen und deren Überdeckungsgrad gesteuert werden.
Zur Durchführung des Laserschockhärtens bzw. Laserschockstrahlens kommen im Wesentlichen zwei verschiedene Anordnungen zum Einsatz. Bei der direkten Ablation (direct ablation) wird die einfallende Laserstrahlung auf der freien Werkstoffoberfläche absorbiert. Der sich dabei ausbildende Materialdampf (Plasma) kann sich ungehindert in die umgebende Atmosphäre ausbreiten.
Im Gegensatz dazu arbeitet man bei der beschränkten Ablation (confined ablation) mit einer für die Laserstrahlung transparenten Deckschicht, welche auf die Werkstoffoberfläche aufgebracht wird. Die einfallende Strahlung durchdringt ungehindert die Deckschicht und trifft auf die Oberfläche, wo sie absorbiert wird und das Plasma erzeugt. Die Ausbreitung des Plasmas wird nun jedoch von der Deckschicht behindert. Das Ziel dieser Anordnung ist es, den Druck auf die Oberfläche, sowie die Einwirkzeit des Druckes zu verlängern. Bei einer Modifikation der beschränkten Ablation wird die Oberfläche des Werkstückes zusätzlich noch mit einer Absorptionsschicht versehen, welche sich zwischen Oberfläche und Deckschicht befindet und statt dieser ablatiert wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann sich der Bereich von einem Oberflächenbereich des Fahrzeugstrukturteils über 30% bis 100% der Materialdicke des Fahrzeugstrukturteils in das Fahrzeugstrukturteil hinein erstrecken. Dies kann beispielsweise durch die Wellenlänge der vom Laser emittierten Strahlung, der Leistungsdichte der Strahlung, der Wiederholungsrate des Lasers, oder des Strahldurchmessers gesteuert werden. Weiter kann ein Bereich auch in mehreren Lagen durch Laserschockstrahlen behandelt werden. Hierbei kann die Tiefe der Resteigenspannungen durch die Anzahl der Lagen und deren Überdeckungsgrad gesteuert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Bereich in Form eines Streifens ausgeführt, wobei der streifenförmige Bereich auf einer Oberfläche des Fahrzeugstrukturteils angeordnet ist und in das Fahrzeugstrukturteil hinein reicht. Dieser Streifen kann die Ausbreitungsrichtung von Rissen, die in einem ausgedehnten Flächenbereich des Fahrzeugstrukturteils entstehen, drehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Bereich in Form eines geraden Streifens ausgeführt. Dieser gerade Streifen kann beispielsweise bei Flugzeugstrukturteilen in Längs- oder Umfangsrichtung zum Flugzeugrumpf angeordnet sein. Somit können die Ausbreitungsrichtung von Rissen, die sich in Längs- oder Umfangsrichtung zum Flugzeugrumpf ausbreiten, gedreht werden. Eine weitere Möglichkeit ist, dass die Streifen diagonal zur Rumpfrichtung angeordnet sind, oder dass sich ein oder mehrere Streifen spiralförmig um den Flugzeugrumpf winden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Streifen mindestens eine Krümmung auf. So kann der Streifen beispielsweise um andere Strukturen, beispielsweise um Ablassöffnungen, herum geführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Streifen eine Breite von 50 mm–10 mm, oder von 40 mm–20 mm auf.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann das Fahrzeugstrukturteil zur Aufnahme einer Zugbelastung, die durch den Fahrbetrieb hervorgerufen wird, ausgeführt sein. Hierbei ist die erste Richtung nicht senkrecht zur Zugbelastung angeordnet. Somit weist der erste Bereich in Richtung der Zugbelastung eine Komponente der Druckeigenspannung auf, welche der Zugbelastung entgegenwirkt. Dies führt dazu, dass Risse, die durch die Zugbelastung entstehen, gestoppt und gedreht werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Fahrzeugstrukturteil einen zweiten Bereich auf, in dem eine Druckeigenspannung in einer dritten Richtung und eine Druck- oder Zugeigenspannung in einer dazu senkrecht stehenden vierten Richtung vorliegt. Das Verhältnis zwischen der Druckeigenspannung in der dritten und der Druck- oder Zugeigenspannung in der vierten Richtung liegt zwischen –0,2 und +1,0. Durch das Vorsehen mehrerer solcher Bereiche kann die Ausbreitung langer Risse großflächig verhindert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen der erste Bereich und der zweite Bereich die gleiche Form auf und sind zueinander parallel angeordnet. Beispielsweise können auf einem Strukturteil eines Flugzeugrumpfs, bei dem es sich beispielsweise um ein Hautblech handelt, entlang des Flugzeugrumpfs mehrere in Umfangsrichtung angeordnete Bereiche ausgeführt sein. So kann die Ausbreitung von geraden Rissen in Längsrichtung zum Flugzeugrumpf verhindert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind der erste Bereich und der zweite Bereich parallel angeordnet und weisen einen Abstand von 50 cm–10 cm, oder von 40 cm–20 cm zueinander auf. Der Abstand des ersten und zweiten Bereichs hängt auch von der Größe des Strukturteils sowie von der Größe der Komponente ab, die das Strukturteil enthält. Ferner hängt der Abstand des ersten und zweiten Bereichs auch vom Einsatzort der Komponente ab.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der erste Bereich und der zweite Bereich nicht parallel zueinander angeordnet. So können beispielsweise bei einem Flugzeugstrukturteil eines Flugzeugrumpfs Bereiche in Längs- sowie in Umfangsrichtung angeordnet sein und somit die Rissausbreitung in Längs- sowie Umfangsrichtung verhindert werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einem Fahrzeugstrukturteil angegeben, das einen oder mehrere solche Bereiche enthält. Beispielsweise kann ein solches Fahrzeug ein Flugzeug sein. Das Fahrzeug kann aber auch ein Luftschiff, Hubschrauber, Satellitenkomponente, Zug, Schiff oder Kraftfahrzeug sein.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verstärkung eines Strukturteils einer großformatigen Komponente (zum Beispiel ein Fahrzeug oder der Mast, das Getriebe, die Blattanbindung eines Windkraftwerks), das die Schritte des Erzeugens einer Druckeigenspannung in einer ersten Richtung und des Erzeugens einer Druck- oder Zugeigenspannung in einer zweiten, zur ersten Richtung senkrecht stehenden Richtung aufweist, wobei das Verhältnis zwischen der Druckeigenspannung in der ersten Richtung und der Druck- oder Zugeigenspannung in der zweiten Richtung zwischen –0,2 und +1,0 liegt. Das Verfahren kann auch in einem Arbeitsschritt durchgeführt werden.
Letztlich betrifft die Erfindung ein solches Verfahren, wobei die Druckeigenspannung in der ersten Richtung und die Druck- oder Zugeigenspannung in der zweiten Richtung durch Laserschockstrahlen erzeugt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt einen mit Laserschockstrahlen bestrahlten Bereich im Querschnitt.
2 zeigt einen Resteigenspannungen enthaltenen streifenförmigen Bereich gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Draufsicht sowie eine Verteilung der Druckeigenspannung entlang des streifenförmigen Bereichs.
3 zeigt eine anisotrope Verteilung von Resteigenspannungen in einem streifenförmigen Bereich gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4 zeigt eine isotrope Verteilung von Resteigenspannungen in einem streifenförmigen Bereich gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Strukturteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das zwei parallel zueinander angeordnete streifenförmige Bereiche aufweist.
6 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Strukturteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das einen geraden und zwei gekrümmte, nicht parallel zueinander angeordnete streifenförmige Bereiche aufweist.
7 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Strukturteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das gerade streifenförmige Bereiche aufweist, die in einem Karomuster angeordnet sind.
8 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Strukturteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das gerade streifenförmige Bereiche aufweist, die in einem Rautenmuster angeordnet sind.
9 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein zwei Strukturteile aufweisendes Flugzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die streifenförmigen Bereiche auf dem Fahrzeugstrukturteil des Flugzeugrumpfs in einem Karomuster und auf dem Fahrzeugstrukturteil der Tragfläche in einem Rautenmuster angeordnet sind.
10 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Erzeugung von Resteigenspannungen enthaltenden Strukturteilen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder Rückbezügen. Sind in der nachfolgenden Beschreibung in verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen angegeben, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente. Gleiche oder ähnliche Elemente können aber auch durch unterschiedliche Bezugszeichen bezeichnet sein.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
In 1 ist ein Bereich 101 eines Fahrzeugstrukturteils im Querschnitt abgebildet.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass es sich bei dem Fahrzeugstrukturteil auch um ein Strukturteil einer anderen Vorrichtung handeln kann, beispielsweise um ein Schalensegment des Mastes, des Getriebes, oder der Blattanbindung eines Windkraftwerks.
Der bestrahlte Oberflächenbereich 102 kann eine Beschichtung 103 aufweisen (beispielsweise ein metallisches Klebeband oder einen Anstrich). Über dem Oberflächenbereich 102 des Fahrzeugstrukturteils kann sich wiederum ein Flüssigkeitsfilm 104, so z. B. ein Wasserfilm, befinden. Um im Bereich 101 Resteigenspannungen zu erzeugen, wird mit einem gepulsten Laserstrahl 105 der Oberflächenbereich 102 durch den Flüssigkeitsfilm 104 hindurch bestrahlt. An der Auftreffstelle des Laserstrahls 105 entsteht dabei durch eine plötzliche Abtragung oder Verdampfung der Beschichtung ein Plasma 106, wodurch eine Explosivkraft erzeugt wird. Der dadurch entstehende Druckimpuls wird von dem Flüssigkeitsfilm 104 reflektiert und bewirkt eine Druckschockwelle 107, die in das Fahrzeugstrukturteil 501 hinein propagiert. Diese lokalen plastischen Verformungen erzeugen im Material Resteigenspannungen, die im Bereich 101 des Fahrzeugstrukturteils 501 eine Tiefe 109 von 30% bis zu 100% der Materialdicke 108 aufweisen.
In 2 ist ein Resteigenspannungen enthaltender, gerader streifenförmiger Bereich 101 in der Draufsicht dargestellt. Dabei bezeichnet y die Position in einer ersten, tangential zur Oberfläche, in Längsrichtung des streifenförmigen Bereichs 101 verlaufenden Richtung 201, wobei die Position y = 0 die Position in der Mitte des streifenförmigen Bereichs 101 bezeichnet. Gleichermaßen bezeichnet x die Position in einer tangential zur Oberfläche, senkrecht zur ersten Richtung 201 verlaufenden zweiten Richtung 202, wobei x = 0 die Position in der Mitte des streifenförmigen Bereichs 101 bezeichnet. Ferner ist die Resteigenspannung 203 in Richtung der ersten Richtung 201 in Abhängigkeit der Position y in der ersten Richtung 201 abgebildet. Dabei ist die Position x senkrecht zum streifenförmigen Bereich 101 konstant bei x = 0. Innerhalb des streifenförmigen Bereichs 101 herrscht eine Druckeigenspannung 207 vor. Unmittelbar außerhalb des streifenförmigen Bereichs weist das Fahrzeugstrukturteil eine Zugeigenspannung 206 auf und in weiterer Entfernung zum Bereich 101 geht die Zugeigenspannung asymptotisch gegen 0 zurück (vergleiche Bezugszeichen 205).
In 3 sind die Verteilungen der Resteigenspannungen in einem streifenförmigen Bereich 101 dargestellt, der eine Länge von 100 mm und eine Breite von 10 mm aufweist, wobei die Resteigenspannungen anisotrop ausgeführt sind.
In Diagramm 301 ist die Resteigenspannung 303 in Richtung 202 senkrecht zum streifenförmigen Bereich 101 in Abhängigkeit der Position y in Richtung 201 des streifenförmigen Bereichs 101 abgebildet, wobei die Position x konstant bei x = 0 ist und die gestrichelten Linien 310 sowie 311 die Ränder des streifenförmigen Bereichs 101 darstellen. Innerhalb des streifenförmigen Bereichs 101 weist das Fahrzeugstrukturteil 501 eine Zugeigenspannung 306 auf. Unmittelbar außerhalb des streifenförmigen Bereichs 101 weist das Fahrzeugstrukturteil 501 eine Druckeigenspannung 305 auf, die mit zunehmendem Abstand asymptotisch gegen 0 zurückgeht 304. In Diagramm 302 ist die Resteigenspannung 203 in Richtung 201 des streifenförmigen Bereichs 101 in Abhängigkeit der Position x in Richtung 202 senkrecht zur Richtung 201 des streifenförmigen Bereichs 101 dargestellt, wobei die Position y konstant bei y = 0 ist und die gestrichelten Linien 312 sowie 313 die Ränder des streifenförmigen Bereichs 101 darstellen. Innerhalb des streifenförmigen Bereichs 101 weist das Fahrzeugstrukturteil 501 eine Druckeigenspannung 309 auf. Unmittelbar außerhalb des streifenförmigen Bereichs 101 weist das Fahrzeugstrukturteil eine Zugeigenspannung 308 auf, die mit wachsendem Abstand zum streifenförmigen Bereich 101 asymptotisch gegen 0 zurückgeht 307.
In 4 sind die Verteilungen der Resteigenspannungen in einem streifenförmigen Bereich 101 dargestellt, der eine Länge von 100 mm und eine Breite von 10 mm aufweist, wobei die Resteigenspannungen isotrop ausgeführt sind.
In Diagramm 401 ist die Resteigenspannung 303 in Richtung 202 senkrecht zum streifenförmigen Bereich 101 in Abhängigkeit der Position y in Richtung 201 des streifenförmigen Bereichs 101 abgebildet, wobei die Position x konstant bei x = 0 ist und die gestrichelten Linien 310 sowie 311 die Ränder des streifenförmigen Bereichs 101 darstellen. Innerhalb des streifenförmigen Bereichs 101 weist das Fahrzeugstrukturteil 501 eine Druckeigenspannung 405 auf. Unmittelbar außerhalb des streifenförmigen Bereichs 101 weist das Fahrzeugstrukturteil 501 eine Zugeigenspannung 404 auf, die mit zunehmendem Abstand asymptotisch gegen 0 zurückgeht 403. In Diagramm 302 ist die Resteigenspannung 203 in Richtung 201 des streifenförmigen Bereichs 101 in Abhängigkeit der Position x in Richtung 202 senkrecht zur Richtung 201 des streifenförmigen Bereichs 101 dargestellt, wobei die Position y konstant bei y = 0 ist und die gestrichelten Linien 312 sowie 313 die Ränder des streifenförmigen Bereichs 101 darstellen. Innerhalb des streifenförmigen Bereichs 101 weist das Fahrzeugstrukturteil 501 eine Druckeigenspannung 309 auf. Unmittelbar außerhalb des streifenförmigen Bereichs weist das Fahrzeugstrukturteil eine Zugeigenspannung 308 auf, die mit wachsendem Abstand zum streifenförmigen Bereich 101 asymptotisch gegen 0 zurückgeht 307.
In 5 ist schematisch ein Fahrzeugstrukturteil 501 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Draufsicht abgebildet. Dieses Fahrzeugstrukturteil 501 weist zwei gerade, parallele streifenförmige Bereiche 502 und 503 auf, die zueinander einen Abstand 505 haben. Das Fahrzeugstrukturteil kann dazu ausgeführt sein, eine Zugbelastung 504 aufzunehmen. Beispielsweise sind die streifenförmigen Bereiche 502 und 503 in Richtung 509 der Zugbelastung 504 angeordnet. Eine Rissausbreitungsrichtung 508 steht im Wesentlichen senkrecht zur Richtung 509 der Zugbelastung 504. Bei größerem Abstand zu einem Resteigenspannungen enthaltenden Bereich 502 oder 503 breitet sich ein Riss 507 im Wesentlichen in Rissausbreitungsrichtung 508 aus. Je mehr der Riss 507 sich einem der Bereiche 502 oder 503 nähert, desto mehr ändert er seine Ausbreitungsrichtung in Richtung 509 der streifenförmigen Bereiche und der Zugbelastung. So kann der Riss eine U-förmige Form aufweisen, die zum schnelleren Druckausgleich führt.
In 6 ist schematisch ein Fahrzeugstrukturteil 501 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Draufsicht abgebildet. Dieses Fahrzeugstrukturteil 501 weist einen geraden streifenförmigen Bereich 502 auf. Ferner weist das Fahrzeugstrukturteil 501 zwei weitere streifenförmige Bereiche 601 und 602 auf, die mindestens eine Krümmung 604 enthalten. Einer der zwei weiteren gekrümmten streifenförmigen Bereiche 602 kann beispielsweise um eine Ablassöffnung 605 angeordnet sein. Weiter können diese zwei weiteren streifenförmigen Bereiche 601 und 602 nicht parallel zueinander 604 angeordnet sein, so dass sie sich schneiden und eine Überlappungsstelle 603 bilden. Ein Riss 606 kann beispielsweise derart von seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt werden, dass er eine U-förmige Form beschreibt. Gleichzeitig kann ein kritischer Bereich, beispielsweise eine Ablassöffnung 605, vor Rissen geschützt werden.
In 7 ist schematisch ein Fahrzeugstrukturteil 501 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Draufsicht dargestellt. Das Fahrzeugstrukturteil 501 enthält mehrere gerade streifenförmige Bereiche 502. Diese geraden streifenförmigen Bereiche 502 sind in einem Karomuster 701 angeordnet, indem sie sich in einem rechten Winkel 702 schneiden und Überlappungsbereiche 603 bilden. So kann die Ausbreitungsrichtung sowohl von sich in Richtung 705 ausbreitenden Rissen 703, als auch von sich in Richtung 706 ausbreitenden Rissen 704 gedreht werden und somit die Bildung längerer Risse in beide Richtungen verhindert werden.
In 8 ist schematisch ein Fahrzeugstrukturteil 501 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Draufsicht dargestellt. Das Fahrzeugstrukturteil 501 weist mehrere gerade streifenförmige Bereiche 502 auf, die in einem rautenförmigen Muster 801 angeordnet sind. Dabei schneiden sich die streifenförmigen Bereiche in einem spitzen Winkel 802 und einem stumpfen Winkel 803 und bilden Überlappungsbereiche 603.
In 9 ist ein Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung am Beispiel eines Flugzeuges 901 schematisch in der Draufsicht dargestellt. Das Flugzeug weist einen Flugzeugrumpf 902 sowie zwei Tragflächen 903 und 904 auf. Der Flugzeugrumpf 902 sowie die Tragfläche 903 können ein Fahrzeugstrukturteil 101 aufweisen. Auf dem Fahrzeugstrukturteil 101 des Flugzeugrumpfs können beispielsweise streifenförmige Bereiche 502 ausgeführt sein, die in einem Karomuster 701 angeordnet sind. Demgegenüber können auf dem Fahrzeugstrukturteil 101, das auf einer Tragfläche 903 angeordnet ist, die streifenförmigen Bereiche 502 in einem Rautenmuster 801 angeordnet sein.
In 10 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Verstärkung eines Fahrzeugstrukturteils 101 abgebildet. In einem ersten Schritt 1001 wird in einem ersten Bereich eine Druckeigenspannung 203 in einer ersten Richtung 201 und eine Druck- oder Zugeigenspannung 204 in einer zweiten, zur ersten Richtung 201 senkrecht stehenden Richtung 202 erzeugt, wobei das Verhältnis zwischen der Druckeigenspannung 203 in der ersten Richtung 201 und der Druck- oder Zugeigenspannung 204 in der zweiten Richtung 202 zwischen –0,2 und +1,0 liegt. In einem zweiten Schritt 1002 wird in einem zweiten Bereich eine Druckeigenspannung 203 in einer dritten Richtung und eine Druck- oder Zugeigenspannung in einer vierten Richtung erzeugt, wobei das Verhältnis zwischen der Druckeigenspannung 203 in der dritten Richtung und der Druck- oder Zugeigenspannung 204 in der vierten Richtung zwischen –0,2 und +1,0 liegt. Hierbei können sich der erste und der zweite Bereich teilweise oder ganz überdecken. Anschließend können weitere solche Bereiche erzeugt werden.
Ergänzend sei darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ oder „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „ein“ oder „einer“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebenen
Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
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 3850698 [0004]
US 4401477 [0004]
US 4937421 [0004]
DE 102008044407 A1 [0005]
US 2001/0290770 A1 [0005]

Claims

Fahrzeugstrukturteil (501), aufweisend: einen ersten Bereich (101), in dem eine Druckeigenspannung (203) in einer ersten Richtung (201) und eine Druck- oder Zugeigenspannung (303) in einer zweiten, zur ersten Richtung senkrecht stehenden Richtung (202) vorliegt; wobei das Verhältnis zwischen der Druckeigenspannung (203) in der ersten Richtung (201) und der Druck- oder Zugeigenspannung (303) in der zweiten Richtung (202) zwischen –0,2 und +1,0 liegt.
Fahrzeugstrukturteil (501) gemäß Anspruch 1, wobei die Druckeigenspannung (203) in der ersten Richtung (201) und die Druck- oder Zugeigenspannung (303) in der zweiten Richtung (202) durch Laserschockstrahlen (105) erzeugt sind.
Fahrzeugstrukturteil (501) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich der erste Bereich (101) von einem ersten Oberflächenbereich (102) des Fahrzeugstrukturteils (501) über 30% bis 100% der Materialdicke (108) des Fahrzeugstrukturteils (501) in das Fahrzeugstrukturteil (501) hinein erstreckt (109).
Fahrzeugstrukturteil (501) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Bereich (101) in Form eines Streifens (601) ausgeführt ist.
Fahrzeugstrukturteil (501) gemäß Anspruch 4, wobei der erste Bereich (101) in Form eines geraden Streifens (502) ausgeführt ist.
Fahrzeugstrukturteil (501) gemäß Anspruch 4, wobei der erste Bereich (101) in Form eines mindestens eine Krümmung aufweisenden Streifens (601) ausgeführt ist.
Fahrzeugstrukturteil (501) gemäß einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, wobei der Streifen (601) eine Breite von 50 mm bis 10 mm, oder von 40 mm bis 20 mm aufweist.
Fahrzeugstrukturteil (501) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ausgeführt zur Aufnahme einer Zugbelastung (504), die durch den Fahrbetrieb eines das Fahrzeugstrukturteil (501) aufweisenden Fahrzeugs (901) hervorgerufen wird; wobei die Druckeigenspannung (203) in der ersten Richtung (201) eine Komponente in Richtung der Zugbelastung (504) aufweist, welche zur Verringerung der Zugbelastung (504) ausgeführt ist.
Fahrzeugstrukturteil (501) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend: einen zweiten Bereich (503), in dem eine Druckeigenspannung (203) in einer dritten Richtung und eine Druck- oder Zugeigenspannung (303) in einer vierten, zur dritten Richtung senkrecht stehenden Richtung vorliegt; wobei das Verhältnis zwischen der Druckeigenspannung (203) in der dritten Richtung und der Druck- oder Zugeigenspannung (303) in der vierten Richtung zwischen –0,2 und +1,0 liegt.
Fahrzeugstrukturteil (501) gemäß Anspruch 9, wobei der erste Bereich (502) und der zweite Bereich (503) die gleiche Form aufweisen und bezüglich ihrer Längsausdehnung zueinander parallel angeordnet (506) sind.
Fahrzeugstrukturteil (501) gemäß Anspruch 10, wobei der erste Bereich (101) und der zweite Bereich (101) einen Abstand (505) von 50 cm bis 10 cm, oder von 40 cm bis 20 cm zueinander aufweisen.
Fahrzeugstrukturteil (501) gemäß Anspruch 9, wobei der erste Bereich (502) und der zweite Bereich (601) nicht parallel zueinander angeordnet (604) sind.
Fahrzeug (901) mit einem Fahrzeugstrukturteil (501) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Verfahren (1001) zur Verstärkung eines Strukturteils (501), aufweisend die Schritte: Erzeugen einer Druckeigenspannung (203) in einer ersten Richtung (201); Erzeugen einer Druck- oder Zugeigenspannung (303) in einer zweiten, zur ersten Richtung (201) senkrecht stehenden Richtung (202); wobei das Verhältnis zwischen der Druckeigenspannung (203) in der ersten Richtung (201) und der Druck- oder Zugeigenspannung (303) in der zweiten Richtung (202) zwischen –0,2 und +1,0 liegt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Druckeigenspannung (203) in der ersten Richtung (201) und die Druck- oder Zugeigenspannung (303) in der zweiten Richtung (202) durch Laserschockstrahlen (105) erzeugt werden.