DE102018104122A1

DE102018104122A1 - Verbundstrukturelement

Info

Publication number: DE102018104122A1
Application number: DE102018104122.5A
Authority: DE
Inventors: Sergey SELYUGIN; Jan-Roland Balzer
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2018-02-23
Filing date: 2018-02-23
Publication date: 2019-08-29
Also published as: EP3530452A1; US11136108B2; US20190263499A1; CN110181881A; EP3530452B1

Abstract

Offenbart ist ein Verbundstrukturelement (12, 14) mit einer im Wesentlichen ebenen Hauptsektion (22), die ein Koordinatensystem mit einer ersten Achse (a), die sich entlang einer Längsachse (L) des Strukturelements (12, 14) erstreckt, und einer zweiten Achse (b) definiert, die sich senkrecht zu der Längsachse (L) innerhalb der ebenen Hauptsektion erstreckt und einen Winkel von +90° mit der ersten Achse (a) definiert, wobei das Strukturelement (12, 14) einen grundlegenden Schichtaufbau (28) von Einzelschichten (30, 34, 36) enthält, die jeweils aus einem faserverstärkten Verbundmaterial mit einer im Wesentlichen unidirektionalen Faserausrichtung (32) bestehen, wobei der Schichtaufbau (28) N von oben nach unten in der folgenden Form angeordnete Schichten umfasst, wobei N eine positive ganze Zahl größer oder gleich 5 ist: [[α, β]_M; [γ]_K; [β, α]_M], wobei α, β und γ eine Schicht (30, 34, 36) repräsentieren, die jeweils einen zwischen der ersten Achse (a) und der unidirektionalen Faserausrichtung (32) der einen Schicht eingeschlossenen Winkel aufweist, [x]_y y Schichten bedeutet, die jeweils einen Winkel x aufweisen, [x, y]_z z Schichtpaare bedeutet, wobei jedes Schichtpaar jeweils Winkel x, y aufweist, α = -20°, β = 40°, γ = -75° oder α = 20°, β = -40°, γ = 75°, wobei jeder Winkel eine Toleranz von -5° bis +5° aufweist und K eine positive ganze Zahl größer oder gleich 1 ist und M eine positive ganze Zahl größer oder gleich 1 ist, gemäß dem Folgenden: N = 4·M + K.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen ein Verbundstrukturelement (z. B. zur Verwendung als Spant oder Holm), mit hoher Widerstandsfähigkeit gegenüber Ausbeulen infolge von Scherung und Post-Ausbeulen.
Beispielsweise betrifft die vorliegende Offenbarung auch scherbelastete Verbundlaminatplatten. Solche sind beispielsweise für Luftfahrzeugkomponenten, wie etwa Holme und Spante, geeignet, ohne darauf beschränkt zu sein. Scherbelastete Paneele werden auch weithin beispielsweise im Bauwesen, im Automobil- oder Schiffbau verwendet.
Hintergrund
1 zeigt ein der vorliegenden Offenbarung zugrundeliegendes Grundprinzip. Das heißt, der Ausdruck „Ausbeulen“ bedeutet einen Verlust an struktureller (mechanischer) Stabilität. Das bedeutet, dass für ein gewisses Belastungsniveau (das sogenannte Eigenwertniveau) Auslenkungen aus der Ebene heraus der in der Ebene belasteten Platte auftreten können. Die Richtungen von Schichtausrichtungswinkeln von 0° und 90° sind auf der rechten Seite von 1 durch Pfeile gezeigt. In Bezug auf diese 0°-Richtung kann der Winkel des faserverstärkten Verbundmaterials der Schicht mit einer im Wesentlichen unidirektionalen Faserausrichtung definiert werden.
1 zeigt den ersten Ausbeulmodus der in der Ebene scherbelasteten (große Pfeile) Großwinkelschicht (die den Winkel von -45° oder +45° aufweist, welche in alternierenden Schichtpaaren angeordnet sein kann), die 16 Lagen aufweist und eine 2 mm dicke Platte mit einem symmetrischen Schichtaufbau betrifft. Der Scherfluss ist konstant.
Ferner bedeutet der Ausdruck „Post-Ausbeulen“ strukturelle Deformationen für den Fall von Lasten über dem Ausbeulniveau, sowohl als Auslenkungen aus als auch in Form von Verlagerungen in der Ebene.
Im Stand der Technik gibt es einen herkömmlichen Schichtaufbau mit Laminaten von Winkeln mit 0°/45°/90°/135°. Dies bedeutet, dass Schichten, die jeweils Winkel von 0°, 45°, 90° und 135° aufweisen, laminiert sind.
Gemäß US 7,840,389 B2 und US 7,668,701 B2 gibt es einen Stand der Technik auf dem Gebiet einer Schichtaufbauwahl für Verbundplatten/-paneele, der Post-Ausbeulen erwähnt. Allerdings enthält dieser Stand der Technik keine bestimmten Lösungen mit Schichtaufbauwinkelwerten.
Gemäß US 8,306,789 B2 gibt es auch einen Stand der Technik auf dem Gebiet der Schichtaufbauwahlverfahren für Verbundpaneele im Allgemeinen, ohne irgendwelchen Bezug auf Post-Ausbeulen. Dieser Stand der Technik beschreibt Designoptimierungsverfahren/-prozesse ohne jegliche besondere Lösung (auf Post-Ausbeulen-Widerstandsfähigkeit abzielend) mit Schichtaufbauwinkelwerten.
Gemäß US 8,556,213 B2 gibt es einen Stand der Technik auf dem Gebiet der Schichtaufbauwahlverfahren für gegen Ausbeulen designte Verbundpaneele, ohne Betrachtung des Post-Ausbeulens.
Ferner basiert die Schichtaufbaulösung der vorliegenden Offenbarung auf dem auf den vorliegenden Anmelder zurückgehenden Patent EP 2 910 365 B1 (im Folgenden als „Stand-der-Technik-Dokument 1“ bezeichnet) und auf den theoretischen Ergebnissen des Vortrags „ON LAY-UP OPTIMIZATION OF ANISOTROPIC COMPOSITE PLATES IN POST-BUCKLING“, S. Selyugin, Proceedings of the 17^th European Conference of Composite Materials (ECCM17), Munich, 26 to 30 June 2016 (im Folgenden als „Stand-der-Technik-Dokument 2“ bezeichnet).
Kurzdarstellung
Demnach gibt es Bedarf für eine Implementation eines Schemas, das eines oder mehrere der oben erörterten Probleme oder andere verwandte Probleme vermeidet.
Die vorliegende Offenbarung richtet sich auf die folgenden Ziele:

• Bereitstellen eines symmetrischen Schichtaufbaus des Verbundstrukturelements mit hoher Widerstandsfähigkeit gegenüber sowohl Ausbeulen infolge von Scherung als auch Post-Ausbeulen. Das heißt, dass sich die vorliegende Offenbarung dem Bereitstellen einer optimierten Schichtaufbaulösung für scherbelastete Verbundlaminatplatten widmet, die in einem Bereich „jenseits von Ausbeulen“ in einem Post-Ausbeul-Bereich eingesetzt werden.
• Wie oben gezeigt wurde, werden rechteckige (in beiden Richtungen) scherbelastete Platten mit symmetrischem Schichtaufbau betrachtet. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird angenommen, dass die Platte gemäß der Offenbarung jenseits von Ausbeulen ohne Bruch arbeitet (mit Lasten von dem 1,5-Fachen des Ausbeulniveaus). Solche Platten können beispielsweise Fächer zwischen Versteifungselementen von Spanten und Holmen von vertikalen Hecksteuerflächen (Vertical Tail Plane - VTP) für Luftfahrzeuge modellieren.

Zusätzlich ermöglicht die vorliegende Offenbarung die folgenden Vorteile:

• Die vorgeschlagenen Schichtaufbaulösungen verbessern erheblich die Post-Ausbeul-Lasttragfähigkeit der Strukturelemente (z. B. Verbundstrukturelemente) in beiden scherbelasteten ebenen Richtungen, wobei das Ausbeullastniveau für die Lastrichtungen nahezu gleich ist und nahe an einem Maximalniveau liegt.
• Die vorgeschlagenen Lösungen könnten im Vergleich mit dem Stand der Technik zu Strukturgewichtseinsparungen von bis zu 10% führen.
• Für dasselbe Niveau an Scherbelastung (in beiden Richtungen) führt die Lösung der vorliegenden Offenbarung zu etwa 50% geringerer maximaler Post-Ausbeul-Auslenkung und maximaler Post-Ausbeul-Minimalgrunddehnung (im Vergleich zu einer Winkelschicht-Konfiguration nach dem Stand der Technik).
• Das Ausbeulniveau (ungefähr gleich für beide Lastrichtungen) unterscheidet sich um einige %, was beträchtlich höher ist als bei dem Winkelschicht-Schichtaufbau nach dem Stand der Technik). Die Lagen in den vorgeschlagenen Schichtaufbauten, die sich über mehreren [-75°]-Schichten nahe der Mittelebene befinden, widerstehen hauptsächlich Biegeverdrehen, aufgrund von Scherbeulen, als dem Anfangspunkt für Post-Ausbeul-Analyse. Es gibt Lagenpaare [-20°, +40°] (mit einer möglichen Abweichung von +/-5°). Die Lagen nahe der Mittelebene widerstehen den 2D-Dehnungen auf die optimale Weise, wobei die letzteren Dehnungen für das Post-Ausbeulen wichtig sind.
• Die Schichtaufbaulösung gemäß der vorliegenden Offenbarung kann für scherbelastete Verbundstrukturelemente (insbesondere VTB-Spante und Holme) implementiert werden.
• Die Schichtaufbaulösung gemäß der vorliegenden Offenbarung verbessert erheblich die Post-Ausbeul-Lasttragfähigkeit der Strukturelemente in beiden Lastrichtungen, wobei das Ausbeullastniveau für die Lastrichtungen nahezu gleich ist und nahe an dem Maximalniveau liegt.
• Die Schichtaufbaulösung gemäß der vorliegenden Offenbarung kombiniert sowohl Ausbeul- als auch Post-Ausbeul-Hochleistungsfähigkeit für beide Lastrichtungen.

Eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme werden durch den Erfindungsgegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Fortentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen ausgeführt.
Figurenliste
Die Ausführungsformen der hier präsentierten Technik werden hier nachfolgend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, worin:

1 ein der vorliegenden Offenbarung zugrundeliegendes Grundprinzip zeigt;
2 eine Ausführungsform einer Haupteinrichtung des Verbundstrukturelements gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
3 eine Modifikation des Verbundstrukturelements der vorliegenden Offenbarung zeigt;
4 einen Spant eines ersten Ausführungsbeispiels des Verbundstrukturelements gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
5 einen Holm eines zweiten Ausführungsbeispiels des Verbundstrukturelements gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
6 eine Torsionsbox gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels des Verbundstrukturelements gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
7 eine erste Ausführungsform der Schichtanordnung des Verbundstrukturelements zeigt;
8 eine zweite Ausführungsform der Schichtanordnung des Verbundstrukturelements zeigt;
9 eine dritte Ausführungsform der Schichtanordnung des Verbundstrukturelements zeigt;
10 eine vierte Ausführungsform der Schichtanordnung des Verbundstrukturelements zeigt; und
11 eine fünfte Ausführungsform der Schichtanordnung des Verbundstrukturelements zeigt.

Ausführliche Beschreibung
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann die vorliegende Offenbarung folgendermaßen zusammengefasst werden: Der Zweck der vorliegenden Offenbarung besteht z. B. darin, einem Ingenieur eine einfache Regel für das Wählen des symmetrischen nicht-herkömmlichen Schichtaufbaus mit hoher Widerstandsfähigkeit gegenüber sowohl Ausbeulen als auch Post-Ausbeulen an die Hand zu geben. Die Schichtaufbaulösungen verbessern erheblich die Post-Ausbeul-Lasttragfähigkeit der Strukturelemente in beiden Lastrichtungen, wobei das Ausbeullastniveau für die Lastrichtungen nahezu gleich ist und nahe an dem Maximalniveau liegt. Die auf der aktuellen Analyse basierenden vorgeschlagenen Lösungen könnten im Vergleich zu dem heutigen Design zu Strukturgewichtseinsparungen von bis zu 10% führen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verbundstrukturelement mit einer im Wesentlichen ebenen Hauptsektion bereitgestellt, die ein Koordinatensystem mit einer ersten Achse, die sich entlang einer Längsachse des Strukturelements erstreckt, und einer zweiten Achse definiert, die sich senkrecht zu der Längsachse innerhalb der ebenen Hauptsektion erstreckt und einen Winkel von +90° mit der ersten Achse definiert, wobei das Strukturelement einen Schichtaufbau von Einzelschichten enthält, die jeweils aus einem faserverstärkten Verbundmaterial mit einer im Wesentlichen unidirektionalen Faserausrichtung bestehen, wobei der Schichtaufbau N von oben nach unten in der folgenden Form angeordnete Schichten umfasst, wobei N eine positive ganze Zahl größer oder gleich 5 ist: [[α, β]_M; [γ]_K; [β, α]_M], wobei α, β und γ eine Schicht repräsentieren, die jeweils einen zwischen der ersten Achse und der unidirektionalen Faserausrichtung der einen Schicht eingeschlossenen Winkel aufweist, [x]_y y Schichten bedeutet, die jeweils einen Winkel x aufweisen, [x, y]_z z Paare von Schichten bedeutet, wobei jedes Paar von Schichten jeweils Winkel x, y aufweist, α = -20°, β = 40°, γ = -75° oder α = 20°, β = -40°, γ = 75°, wobei jeder Winkel eine Toleranz von -5° bis +5° aufweist und K eine positive ganze Zahl größer oder gleich 1 ist und M eine positive ganze Zahl größer oder gleich 1 ist, gemäß dem Folgenden: N = 4.M + K.
Gemäß einer ersten Weiterbildung des ersten Aspekts weist das Verbundstrukturelement bevorzugt die folgende Struktur auf: [[α, β]_M; [α]; [γ]_K; [α]; [β, α]_M], wobei N = 2 + 4·M + K ist.
Gemäß einer zweiten Weiterbildung des ersten Aspekts weist das Verbundstrukturelement bevorzugt ferner mindestens eine weitere Schicht auf, die einen Winkel δ aufweist, der zwischen der ersten Achse und der unidirektionalen Faserausrichtung der mindestens einen weiteren Schicht eingeschlossen ist, wobei δ bevorzugt 90° nahe der Mittelebene, -20° weit von der Mittelebene weg oder ein beliebiger anderer Wert ist und die mindestens eine weitere Schicht zwischen einer oder mehreren der N Schichten angeordnet ist und der Schichtaufbau N + P Schichten umfasst, wobei P eine positive natürliche Zahl größer oder gleich 1 ist und die Anzahl weiterer Schichten angibt. In diesem Fall umfasst der Schichtaufbau bevorzugt N in der folgenden Form von oben nach unten angeordnete Schichten: [[α, β]_M, [δ]_L, [γ]_K, [δ]_P, [γ]_K, [δ]_L, [β, α]_M], wobei N = 4*M + 2*L + 2*K + P ist. Zusätzlich oder alternativ ist K bevorzugt gleich oder kleiner N/3, besonders bevorzugt gleich oder kleiner N/4. Diese zweite Weiterbildung führt zu einem allgemeinen Schichtaufbau, welcher alle möglichen Anzahlen von Lagen in einem Schichtaufbau abdeckt, bei dem der grundlegende Schichtaufbau einige Randbedingungen trotz Symmetrie aufweist und falls die Menge an Lagen mit einem Winkel γ = -75° zu groß wird. Auch werden aus Gründen der Herstellungsstabilität bevorzugt einige (bevorzugt einige wenige) Schichten mit Winkeln von bevorzugt 90° nahe der Mittelebene, -20° weit von der Mittelebene weg oder mit anderen Ausrichtungen zwischen einigen Lagen zu dem Laminat hinzugefügt, allerdings unter Beibehaltung der Symmetrie des Gesamtschichtaufbaus. Dieser allgemeinere Schichtaufbau ist bevorzugt definiert als: [[α, β]_M, [δ]_L, [γ]_K, [δ]_P, [γ]_K, [δ]_L, [β, α]_M]. In dieser Hinsicht gilt bevorzugt das Folgende:α = -20°, β = 40°, γ = -75°, δ = -20° oder 90° oder ein beliebiger anderer Winkel, bevorzugt 90° nahe der Mitte (oder der Mittelebene) und -20° weit weg von der Mitte (oder der Mittelebene), wobei jeder Winkel eine Toleranz von -5° bis +5° aufweist und K eine positive ganze Zahl größer oder gleich 1 ist und M eine positive ganze Zahl größer oder gleich 1 ist, L den Wert 0 oder 1 aufweist und P einen Wert von 0, 1 oder 2 aufweist. Der Schichtaufbau umfasst N = 4*M + 2*L + 2*K + P.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Torsionsbox zur Verwendung in einer Luftfahrzeug-Strukturkomponente bereitgestellt, die mindestens einen Spant, der ein Verbundstrukturelement gemäß dem ersten Aspekt ist, und mindestens einen Holm umfasst, der ein Verbundstrukturelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Luftfahrzeug bereitgestellt, das eine Torsionsbox gemäß dem zweiten Aspekt umfasst.
Darüber hinaus versteht der Fachmann, dass die hier erläuterten Dienste, Funktionen und Schritte unter Verwendung von Software implementiert werden können, die zusammen mit einem programmierten Mikroprozessor oder unter Verwendung einer anwendungspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), eines digitalen Signalprozessors (DSP) oder eines Allzweckcomputers funktioniert. Auch versteht sich, dass, obgleich die folgenden Ausführungsformen im Zusammenhang mit Verfahren und Vorrichtungen beschrieben werden, die hier präsentierte Technik auch in einem Computerprogrammprodukt sowie in einem System, umfassend einen Computerprozessor und einen mit dem Prozessor gekoppelten Arbeitsspeicher, umgesetzt sein kann, wobei der Arbeitsspeicher mit einem oder mehreren Programmen codiert ist, die die hier offenbarten Dienste, Funktionen und Schritte ausführen. Dies gilt insbesondere für einen Aspekt des (adaptiven) Steuerns eines Herstellungsprozesses und/oder eines Analyseprozesses, der zu dem Verbundstrukturelement der vorliegenden Offenbarung gehört.
In der folgenden Beschreibung werden zu Zwecken der Erläuterung und nicht der Beschränkung spezielle Einzelheiten dargelegt, um ein eingehendes Verständnis der hier präsentierten Technik bereitzustellen. Es ist dem Fachmann bewusst, dass die vorliegende Technik in anderen Ausführungsformen ausgeübt werden kann, die von diesen speziellen Einzelheiten abweichen.
Hier wird nachfolgend das sogenannte Post-Ausbeul-Verhältnis (post-buckling ratio - PBR) (d. h. das Niveau von Lasten über vorbestimmten hohen Ausbeullasten) von bis zu 1,5 betrachtet. Dies ist das für die Analyse von Lasttragfähigkeit verwendete Niveau von Post-Ausbeulen z. B. in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Einfache Unterstützungsrandbedingungen (wie höchst konservative) werden in der vorliegenden Offenbarung durchweg berücksichtigt.
2 zeigt eine Ausführungsform einer Haupteinrichtung des Verbundstrukturelements gemäß der vorliegenden Offenbarung.
Wie in der Ausführungsform von 6 gezeigt ist, ist ein Verbundstrukturelement 12, 14 beispielsweise zur Verwendung als Spant 12 oder Holm 14 vorgesehen (später zu beschreiben). Das Strukturelement 12, 14 umfasst eine im Wesentlichen ebene Hauptsektion 22 (siehe auch 4), die ein Koordinatensystem mit einer ersten Achse, die sich entlang der Längsachse L des Strukturelements 12, 14 erstreckt, und einer zweiten Achse b definiert, die sich senkrecht zu der Längsachse L innerhalb der ebenen Hauptsektion erstreckt und einen Winkel von +90° mit der ersten Achse a definiert.
Ferner enthält das Strukturelement 12, 14 einen Schichtaufbau 28 von Einzelschichten 30, 34, 36, 38, die jeweils aus einem faserverstärkten Verbundmaterial mit einer im Wesentlichen unidirektionalen Faserausrichtung 32 bestehen, wobei der Schichtaufbau 28 N von oben nach unten in der folgenden Form angeordnete Schichten umfasst, wobei N eine positive ganze Zahl größer oder gleich 5 ist): [[α, β]_M; [γ]_K; [β, α]_M].
Hier repräsentieren α, β und γ eine Schicht 30, 34, 36, die jeweils einen zwischen der ersten Achse a und der unidirektionalen Faserausrichtung 32 der einen Schicht eingeschlossenen Winkel aufweist, wie in 2 gezeigt ist. Ferner bedeutet die Bezeichnung „[x]_y“ eine Anzahl von y Schichten, die jeweils einen Winkel x aufweisen, und die Bezeichnung „[x, y]_z“ bedeutet eine Anzahl von z Paaren von Schichten, wobei jedes Paar von Schichten jeweils Winkel x, y aufweist. Wie in 2 gezeigt ist, legt die Reihenfolge von x, y die Reihenfolge der Laminierung fest (definiert von oben nach unten): [α, β] steht für eine Schicht mit einem Winkel α gefolgt von einer Schicht mit einem Winkel β, wohingegen [β, α] für eine Schicht mit einem Winkel β gefolgt von einer Schicht mit einem Winkel α steht.
Wiederum ist der Winkel α gleich -20°, der Winkel β ist gleich 40° und der Winkel γ ist gleich -75°. Alternativ ist der Winkel α gleich 20°, der Winkel β ist gleich -40° und der Winkel γ ist gleich 75°. Jeder der obigen Winkel weist eine Toleranz von -5° bis +5° auf.
Letztlich sind die Parameter der obigen Formel wie folgt eingestellt. K ist eine positive ganze Zahl größer oder gleich 1 und M ist eine positive ganze Zahl größer oder gleich 1. Ferner ist N gleich 4·M + K.
Mit anderen Worten weist der endgültige Schichtaufbau 28 bevorzugt eine Anordnung der Art [[[-20°, +40°]_M; [-75°]_K]_S] auf, wobei die Bezeichnung [x]_S bedeutet, dass die Schichtanordnung x relativ zu der Symmetrieebene oder Mittelebene gespiegelt ist, siehe beispielsweise 7.
Insbesondere ist analog die folgende an der X-Achse a oder der Y-Achse b gespiegelte Lösung des Schichtaufbaus 28 gültig:
[[[20°,-40°]_M; [75°]_K]_S] oder
Mit anderen Worten heißt das, dass auf der Grundlage der Studien der vorliegenden Erfinder die folgende Wahl des Schichtaufbaus 28 vorgeschlagen wird. Der Schichtaufbau 28, der zu der besten Post-Ausbeul-Leistungsfähigkeit (sowohl für Auslenkung als auch für Druckdehnung) und hohen Ausbeullasten führt, ist wie folgt. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit reicht die Gesamtlaminatdicke vorzugsweise von 5 Schichten bis zu einer Dicke von insgesamt 5 mm und ein Plattenaspektverhältnis reicht bevorzugt von 1,5 bis 4. Die Platte modelliert beispielsweise monolithische Fächer von Luftfahrzeug-VTP-Spanten und -Holmen. Das PBR beträgt bevorzugt bis zu 1,5. Die Einzelschichtdicke ist bevorzugt gleich oder kleiner 0,25 mm.
Der vorgeschlagene Schichtaufbau 28 ist somit: symmetrisch, eine Anzahl von Schichten nahe-der-Mitte sind [-75°]-Schichten (mit praktisch geringem Einfluss auf das Ausbeulniveau), weitere Schichten, von der Mittelebene gezählt, sind Paare von [-20°, +40°] (die Paare repräsentieren den gemittelten Schichtaufbau, was gleiches Ausbeulniveau für beide Lastrichtungen ergibt). Zulässige Abweichung für alle obigen Winkel ist +/-5°. Ferner sind bis zu 25% der Schichten nahe-der-Mittelebene bevorzugt [-75°]-Schichten. Mit anderen Worten ist der oben beschriebene Parameter K bevorzugt gleich N/4 aber kleiner als N/3. Je höher das PBR ist, umso größer muss K sein.
Zusätzlich weist ein allgemeinerer Schichtaufbau 28 in dem Verbundstrukturelement 12, 14 bevorzugt die folgende Struktur auf: [[α, β]_M; [α]; [γ]_K; [α]; [β, α]_M], wobei N = 2 + 4·M + K.
Mit noch anderen Worten gesagt, weist der Schichtaufbau 28 bevorzugt auch eine Anordnung einer ungeraden Anzahl von Schichten auf, wie [[-20°,+40°]_M; -20°; [-75°]_K; -20°; [+40°,-20°]_M] oder [[-20°,+40°]_M; [-75°]_K; [+40°,-20°]_M], wobei K in dem letzteren Fall eine ungerade Zahl ist. Insbesondere ist analog die an der X-Achse a oder der Y-Achse b gespiegelte allgemeine Lösung des Schichtaufbaus 28 gültig: [[20°,-40°]_M; 20°; [75°]_K; 20°; [-40°,20°]_M] oder [[20°,-40°]_M; [75°]_K; [-40°,+20°]_M], wobei K in dem letzteren Fall eine ungerade Zahl ist.
3 zeigt eine Modifikation des Verbundstrukturelements der vorliegenden Offenbarung.
Diese Modifikation führt zu einem allgemeinen Schichtaufbau, welcher alle möglichen Anzahlen von Lagen in einem Schichtaufbau abdeckt, bei dem der grundlegende Schichtaufbau einige Randbedingungen trotz Symmetrie aufweist und falls die Menge an Lagen mit einem Winkel γ = -75° zu groß wird. Auch werden aus Gründen der Herstellungsstabilität bevorzugt einige (wenige) Schichten mit Winkeln von bevorzugt 90° nahe der Mittelebene, -20° weit von der Mittelebene weg oder mit anderen Ausrichtungen zwischen einigen Lagen zu dem Laminat hinzugefügt, allerdings unter Beibehaltung der Symmetrie des Gesamtschichtaufbaus.
Der allgemeine Schichtaufbau ist bevorzugt definiert als: [[α, β]_M, [δ]_L, [γ]_K, [δ]_P, [γ]_K, [δ]_L, [β, α]_M], wobei α = -20, β = 40, γ = -75, δ = -20°, 90° oder ein anderer Wert ist, bevorzugt 90° nahe der Mitte und -20° weit weg von der Mitte. Bevorzugt weist jeder Winkel eine Toleranz von -5° bis +5° auf und K ist eine positive ganze Zahl größer oder gleich 1 und M ist eine positive ganze Zahl größer oder gleich 1, L weist den Wert 0 oder 1 auf und P weist einen Wert von 0, 1 oder 2 auf. Die Auslage umfasst bevorzugt N = 4*M + 2*L + 2*K + P. Zusätzlich ist K bevorzugt gleich N/4 aber kleiner als N/3.
Das heißt, dass das Verbundstrukturelement bevorzugt ferner mindestens eine weitere Schicht 38 umfasst, die einen zwischen der ersten Achse (a) und der unidirektionalen Faserausrichtung 32 der mindestens einen weiteren Schicht eingeschlossenen Winkel δ aufweist, δ beträgt bevorzugt 90° nahe der Mitte und -20° weit weg von der Mitte oder einen beliebigen anderen Wert. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit ist, wie in 3 gezeigt, die Schicht 38 bevorzugt zwischen der äußerstliegenden Schicht 36, die den Winkel γ ausweist, und der Schicht 34, die den Winkel β aufweist (oder der Einzeloberschicht 30, die den Winkel α aufweist), angeordnet, während eine andere Schicht 38 bevorzugt in der Mitte zwischen mehreren Schichten 36, die den Winkel γ aufweisen, angeordnet ist, wobei allerdings immer die Symmetrie des Gesamtschichtaufbaus respektiert wird.
Das heißt, dass die mindestens eine weitere Schicht 38 bevorzugt zwischen der einen oder den mehreren der N Schichten angeordnet ist. Ferner umfasst der Schichtaufbau bevorzugt N + P Schichten, wobei P eine positive natürliche Zahl größer oder gleich 1 ist und die Anzahl weiterer Schichten 38 festlegt.
4 zeigt einen Spant 12 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des Verbundstrukturelements gemäß der vorliegenden Offenbarung, wohingegen 5 einen Holm 14 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verbundstrukturelements gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt. Darüber hinaus zeigt 6 eine Torsionsbox 10 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel des Verbundstrukturelements gemäß der vorliegenden Offenbarung.
Das heißt, dass die Torsionsbox 10 (z. B. zur Verwendung in einer Luftfahrzeug-Strukturkomponente, wie einer VTP) mindestens einen Spant 12, der das oben beschriebene Verbundstrukturelement ist, und mindestens einen Holm 14, der das oben beschriebene Verbundstrukturelement ist, umfasst.
In dieser Hinsicht ist 6 eine Perspektivansicht der Torsionsbox 10, z. B. für eine vertikale Hecksteuerfläche (VTP) eines Luftfahrzeugs. Die Torsionsbox 10 umfasst zwei Arten von Verbundstrukturelementen (wie oben beschrieben), welche mit einer im Allgemeinen länglichen Gestalt designt sind und die Form der Spanten 12 und der Holme 14 annehmen, wobei jede, wie in 6 veranschaulicht, eine entsprechende Längsachse L aufweist.
Im Folgenden werden die Torsionsbox 10, der Spant 12 und der Holm 14 im Kontext einer Flugzeugimplementation beschrieben. Dementsprechend deckt die vorliegende Offenbarung auch ein Flugzeug, das die in der vorliegenden Offenbarung beschriebene Torsionsbox 10 umfasst, ab. Dies schließt allerdings nicht die Möglichkeit anderer Implementationsfelder aus. Beispielsweise wird die vorliegende Offenbarung bevorzugt auf einen Tragflügel zur Verwendung in Schiffsanwendungen angewandt, der mindestens ein wie hier beschriebenes Verbundstrukturelement umfasst. Ferner wird die vorliegende Offenbarung bevorzugt auf einen Träger oder ein Fachwerk zur Verwendung im Bauwesen oder der Automobilindustrie angewandt, der/die mindestens ein wie hier beschriebenes Verbundstrukturelement umfassen.
Im Hinblick auf eine Vorwärtsflugrichtung Fd, z. B. des Luftfahrzeugs, ist die Torsionsbox 10, wenn in dem Luftfahrzeug installiert, so angeordnet, dass sich die Holme 14 im Wesentlichen quer zu der Vorwärtsflugrichtung Fd erstrecken und sich die Spante 12 im Wesentlichen parallel zu der Vorwärtsflugrichtung Fd erstrecken. In 6 definiert daher der Holm 14 linkerhand eine hintere Kante und der Holm 14 rechterhand definiert daher eine vordere Kante der Torsionsbox 10.
Die Spante 12 sind bevorzugt so angeordnet, dass sie sich zwischen den Holmen 14 erstrecken und bevorzugt damit verbunden sind, beispielsweise durch herkömmliche Mittel. Dementsprechend sind die Spante 12 und die Holme 14 bevorzugt in einer im Wesentlichen kreuz- oder netzförmigen/vermaschten Weise angeordnet, um die Torsionsbox 10 zu definieren. Folglich definieren zwei angrenzende Spante 12 und zwei gegenüberliegende Sektionen der Holme 14 bevorzugt einen im Wesentlichen rechteckigen Hohlraum 16 innerhalb der Torsionsbox 10.
Die Torsionsbox 10 ist bevorzugt mit nicht dargestellten dünnwandigen Platten oder Häuten vervollständigt, die, in 6, die obere und die untere Oberfläche der Torsionsbox 10 abdecken. Diese Häute sind bevorzugt durch Stringer versteift, die im Wesentlichen parallel zu den Holmen 14 verlaufen.
Wie ferner in 6 gezeigt ist, sind die Spante 12 und Holme 14 bevorzugt mit einer Mehrzahl von Versteifungselementen 18 versehen, die sich im Wesentlichen quer zu den jeweiligen Längsachsen L erstrecken und entlang dieser Längsachsen L verteilt sind. Das Gebiet zwischen zwei angrenzenden Versteifungselementen 18 wird im Folgenden als ein „Fach 19“ bezeichnet. Zum Zweck der Veranschaulichung sind nur ein Versteifungselement 18 und ein Fach 19 für nur einen der Spante 12 und der Holme 14 mit Bezugszeichen versehen.
5 stellt einen Holm 14 der Torsionsbox von 1 detaillierter dar, wobei die Ausrichtung derjenigen des Holms 14 rechterhand in 6 entspricht. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit ist in 5 der Holm 14 in einer Teilperspektivansicht gezeigt und mit einem C-förmigen Profil ausgelegt. Dementsprechend umfasst der Holm 14 eine untere und eine obere Flanschsektion 20 sowie eine ebene Hauptsektion 22, die eine Versteifungssektion des Holms 14 ausbildet, welche sich zwischen den Flanschsektionen und im Wesentlichen quer dazu erstreckt. Innerhalb der ebenen Hauptsektion 22 sind die Versteifungselemente 18 bevorzugt so angeordnet, dass sie die zahlreichen Fächer 19 begrenzen.
Darüber hinaus sind die auf den Holm 14 während eines Betriebs des Luftfahrzeugs ausgeübten Hauptlasten sowie die daraus resultierenden Spannungen in 5 durch Pfeile A, B angezeigt. Eine obere Reihe von aufwärts zeigenden Pfeilen A zeigt die Richtung einer auf den Holm 14 einwirkenden Hauptluftlast an. Darüber hinaus zeigen zwei sich parallel zu der Längsachse L erstreckende Pfeile B weitere auf den Holm 14 ausgeübte Kräfte an. Die aus den Kräften resultierenden Hauptscherkräfte gemäß Pfeilen A und B sind durch Pfeile C mit asymmetrischen Spitzen angezeigt, welche sich innerhalb der ebenen Hauptsektion 22 und den Fächern 19 entlang verschiedener Richtungen erstrecken. Natürlich kann es weitere auf den Holm 14 einwirkende Lasten geben, beispielsweise Druckkräfte in einer den Pfeilen A entgegengesetzten Richtung, welche hauptsächlich durch die Versteifungselemente 18 kompensiert werden.
Weiterhin ist in 5 ein Koordinatensystem gezeigt, das die sich entlang der Längsachse L erstreckende und einen Winkel von 0° definierende erste Achse a und eine sich senkrecht zu der Längsachse L innerhalb der ebenen Hauptsektion 22 erstreckende zweite Achse b umfasst. Somit definiert die zweite Achse b einen Winkel von +90° mit der ersten Achse a. Wie in 5 gezeigt ist, erstreckt sich die zweite Achse b parallel zu den Pfeilen A und in der Richtung der jeweiligen Hauptluftlast. Das Koordinatensystem von 5 fällt mit dem oben im Zusammenhang mit dem Verbundstrukturelement beschriebenen Koordinatensystem zusammen.
Bezüglich dieses Koordinatensystems ist eine zu positiven Scherkräften und Scherflüssen führende direkte Scherlast so definiert, dass sie in dem Koordinatensystem zu einem positiven Scherwinkel führt, d. h. einem Scherwinkel, wie durch die Kräfte gemäß den Pfeilen B in 5 eingeführt. Das Szenario von zu negativen Scherflüssen führender entgegengesetzter Scherlast tritt in dem entgegengesetzten Fall auf, d. h. wenn die Pfeile B jeweils in entgegengesetzte Richtungen zeigen.
Hinsichtlich der vorliegenden Spannungen innerhalb der ebenen Hauptsektion 22 ist es somit offensichtlich, dass eine hohe Ausbeul-Widerstandsfähigkeit bevorzugt sowohl direkter als auch entgegengesetzter Scherbelastung entgegenwirkt.
4 ist eine Detailansicht eines Spants 16 der Torsionsbox 10 von 6 sowie der damit zusammenhängenden Hauptlasten und -spannungen. Um Wiederholungen zu vermeiden, sind im Folgenden im Vergleich mit der früheren Beschreibung gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen verknüpft.
4 repräsentiert eine Seitenansicht der Spante 12, wie anhand der Erstreckung der Längsachse L gezeigt ist. Der Spant 12 ist bevorzugt mit einer leicht ovalen Gestalt sowie einem I-förmigen Querschnitt (in 4 nicht veranschaulicht) ausgestaltet. Dementsprechend ist der Spant 12 an der oberen und der unteren Kante in 4 mit Flanschsektionen 20 und einer ebenen Hauptsektion 22 versehen, die eine sich dazwischen erstreckende Versteifungssektion ausbildet. An den Außenenden des Spants 12 sind entlang der Längsachse L Verbindungssektionen 24 vorgesehen, welche zu dem C-Profil der Holme 14 komplementär ausgeformt sind, um mit diesen verbunden zu werden. Darüber hinaus sind entlang den Flanschsektionen 20 mehrere Aufnahmesektionen 21 vorgesehen, um Stringer aufzunehmen, wie sie jeweils an einer oberen und einer unteren Platte angebracht sind, welche eine Haut der Torsionsbox 10 ausbildet.
Ähnlich wie bei dem in Verbindung mit 5 erörterten Holm 14 wird eine durch Pfeile A angezeigte Hauptluftlast in einer Richtung im Wesentlichen quer zu der Längsachse L auf den Spant 12 ausgeübt. Zusätzlich werden durch Pfeile B angezeigte Kräfte in der Richtung der Längsachse L ausgeübt, was folglich gemäß den Pfeilen C innerhalb der Versteifungssektion 22 des Spants 12 entlang zweier verschiedener Richtungen zu Hauptscherkräften führt. Wiederum ist ein Koordinatensystem durch eine erste Achse a definiert, die sich entlang der Längsachse L des Spants 12 erstreckt und einen Winkel von 0° definiert, wohingegen sich eine zweite Achse b senkrecht zu der Längsachse innerhalb der ebenen Hauptsektion 22 erstreckt und einen Winkel von 90° mit der ersten Achse a definiert. In dem gezeigten Fall erstreckt sich die zweite Achse b parallel zu den Pfeilen A und somit in der Richtung der jeweiligen Hauptluftlast.
Um die Hauptscherlasten auszugleichen, wie im Hinblick auf die vorigen Figuren erörtert wurde, sind die Spante 12 und Holme 14 als einstückige Glieder (Verbundstrukturelemente) ausgestaltet und sind aus einem Schichtaufbau 28 von Einzelschichten aus Faserverbundmaterial hergestellt, wie oben beschrieben wurde und wie hier nachstehend weiter beschrieben wird.
7 zeigt eine erste Ausführungsform der Schichtanordnung des Verbundstrukturelements 12, 14 die dem grundlegenden Schichtaufbau folgt.
Wie in 7, erste Zeile der Tabelle gezeigt ist, wird der allgemeine Stand der Technik mit Bezug auf eine positive und eine negative Belastung evaluiert (oben beschrieben). Der allgemeine Stand der Technik lehrt einen symmetrische Schichtaufbau, für dieses Experiment, von Schichten in der Form [-45°, 45°]_4S, was bedeutet, dass - von oben nach unten - 4 Paare von [-45°, 45°]-Schichten angeordnet sind, gefolgt von 4 Paaren von [45°, -45°]-Paaren.
Ferner wird eine Anordnung wie in dem Patentdokument 1, wie in der zweiten Zeile der Tabelle gezeigt ist, evaluiert. Die Anordnung weist eine Schichtanordnung der Art [-20°, 40°]_4S auf (was bedeutet, dass - von oben nach unten - 4 Paare von [-20°, 40°]-Schichten angeordnet sind, gefolgt von 4 Paaren von [20°, -40°]-Paaren) was ein nahezu gleich hohes Ausbeulniveau für beide Belastungsrichtungen ergibt (Stand-der-Technik-Dokument 1). Diese Anordnung wird als eine Analysenanfangsreferenz in den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet.
Das heißt, dass eine direkte Suche nach der Lösung gemäß der vorliegenden Offenbarung mit hoher Widerstandsfähigkeit gegen Post-Ausbeulen vorgenommen wird, indem Schichtausrichtungen nahe der Mittelebene variiert werden. Die präsentierten Ergebnisse entsprechen ferner einer Präzision von 1-2% für Vorgaben (Minimum maximaler Auslenkung und maximale Druckdehnung sind kleiner als 5·10^-3).
Hinsichtlich der in der dritten Zeile gezeigten vorliegenden Anwendung zeigt die durchgeführte Analyse, dass die Ausrichtungswinkelwerte für mehrere mittelebenennahe Schichten einander gleich oder gleich [-75°] sein sollten, wie oben beschrieben wurde.
Zusammenfassend weist das auf 16 Schichten basierende Verbundstrukturelement 12, 14 die folgende Struktur auf: [[-20°, 40°]₃; [-75°]₄; [40°, -20°]₃]. Weitere mögliche Anordnungen sind:

[[-20°, 40°]₅, [-75°]₄, [40°, -20°]₅] oder
[[-20°, 40°]₂, [-75°]₂, [40°, -20°]₂].

Als experimentelle Randbedingungen war das gewählte Material ein Band von 0,125 mm und des Typs T300/5208 und ein symmetrischer Schichtaufbau wurde verwendet. Die Plattendicke betrug t = 2 mm, die Plattenabmessungen waren 200x600 mm, und 50 N/mm Scherflussbelastung (sowohl positive als auch negative Richtungen) wurde angewandt.
Wie oben gezeigt, waren die evaluierten Ausgestaltungen, die folgenden:

▪ Erste Zeile: herkömmlicher Stand der Technik mit Anwendung der Anordnung von [-45°, +45°]_4S, wie oben beschrieben.
▪ Zweite Zeile: Anordnung nach dem Stand der Technik von Patentdokument 1, das heißt [-20°/40°]_4S, wie oben beschrieben.
• Dritte Zeile: eine bevorzugte Anordnung der vorliegenden Offenbarung, das heißt in diesem Falle [[-20°, 40°]₃ , -75°, -75°]_S, was eine symmetrische Anordnung - von oben nach unten - von 3 [-20°, 40°]-Schichtpaaren, gefolgt von 4 [-75°]-Schichten und wiederum gefolgt von 4 [40°, -20°]-Schichtpaaren bedeutet.

Der erste Eintrag in jeder Zelle zeigt die Maximalauslenkung in mm, während der zweite Eintrag die maximale Druckdehnung (eine dimensionslose Größe) zeigt.
Die entsprechenden Eigenwerte für die Winkel-Schicht-Lösung (abhängig vom Vorzeichen der Belastung) waren 1,39/-1,79. Wie in der Tabelle weiter gezeigt ist, entspricht das Lastniveau PBR = 1,5 mal dem Niveau 1,75, d. h., 2,625.
Die Lösung des Schichtaufbaus 28 (dritte Zeile) übertrifft den [-45°, +45°]_4S-Ansatz des herkömmlichen Stands der Technik hinsichtlich maximaler Auslenkung und maximaler Druckdehnung und liefert eine beträchtliche Verbesserung in Bezug auf den Ansatz von Patentdokument 1 (zweite Zeile). Somit ist dokumentiert, dass das Einsetzen einer Reihe von [-75°]-Schichten einen überraschend nutzbringenden Effekt hinsichtlich der Post-Ausbeul-Widerstandsfähigkeit liefert.
8 zeigt eine zweite Ausführungsform der Schichtanordnung des Verbundstrukturelements, die einer allgemeineren Formulierung folgt. Wie in 8 gezeigt ist, weist das Verbundstrukturelement 12, 14 bevorzugt die folgende Struktur auf:

[[-20°, 40°]₄, [-20°], [-75°]₆, [-20°], [40°, -20°]4]

28

[[-20°, 40°]₂, [-75°]₂, [40°, -20°]₂] oder
[[-20°, 40°]₄, [-20°], [-75°]₆, [-20°], [40°, -20°]₄] oder
[[-20°, 40°]₄, [-75°]₂, [90°]₂, [-75°]₂,[40°, -20°]₄] oder
[[-20°, 40°]₄, [-75°], [-90°], [-75°]₂, [-90°], [-75°], [40°, -20°]₄].

Als experimentelle Randbedingungen war das gewählte Material ein Band von 0,125 mm und des Typs T300/5208 und ein symmetrischer Schichtaufbau wurde verwendet. Die Plattendicke betrug in diesem Fall t = 3 mm, die Plattenabmessungen waren 200x600 mm, und 50 N/mm Scherflussbelastung (sowohl positive als auch negative Richtungen) wurde angewandt.
Wie oben gezeigt, waren die evaluierten Ausgestaltungen, die folgenden:

▪ Erste Zeile: herkömmlicher Stand der Technik mit Anwendung der Anordnung von [-45°, +45°]_4S, wie oben beschrieben.
▪ Zweite Zeile: Anordnung nach dem Stand der Technik von Patentdokument 1, das heißt [-20°/40°]_4S, wie oben beschrieben.
▪ Dritte Zeile: eine bevorzugte Anordnung der vorliegenden Offenbarung, das heißt in diesem Falle [[-20°, 40°]₃, -20°, [-75°]₃]_S, was eine symmetrische Anordnung - von oben nach unten - von 3 [-20°, 40°]-Schichtpaaren, gefolgt von 1 [-20°]-Schicht, gefolgt von 6 [-75°]-Schichten, gefolgt von 1 weiteren [-20°]-Schicht und wiederum gefolgt von 4 [40°, -20°]-Schichtpaaren bedeutet.

Der erste Eintrag in jeder Zelle zeigt die Maximalauslenkung in mm, während der zweite Eintrag die maximale Druckdehnung (eine dimensionslose Größe) zeigt.
Die entsprechenden Eigenwerte für die Winkel-Schicht-Lösung (abhängig vom Vorzeichen der Belastung) waren 4,92/-5,84. Wie weiter in der Tabelle gezeigt ist entspricht das PBR = 1,3 (für die „schwache“ Richtung der herkömmlichen Anordnung in der ersten Zeile) mal dem Niveau 4,92, d. h., 6,396.
Die Lösung des Schichtaufbaus 28 (dritte Zeile) übertrifft auch hier den [-45°, +45°]_4S-Ansatz des herkömmlichen Stands der Technik hinsichtlich maximaler Auslenkung und maximaler Druckdehnung und liefert eine beträchtliche Verbesserung in Bezug auf den Ansatz von Patentdokument 1 (zweite Zeile). Somit ist dokumentiert, dass das Einsetzen einer Reihe von [-75°]-Schichten einen überraschend nutzbringenden Effekt hinsichtlich der Post-Ausbeul-Widerstandsfähigkeit liefert.
Damit die Lösung von 8 hinsichtlich ihrer Implementation realistischer wird, werden einige Zusatzschichten bevorzugt zwischen [-75°]-Schichten hinzugefügt, um die Herstellungsstabilität zu erhöhen.
9 zeigt eine dritte Ausführungsform der Schichtanordnung des Verbundstrukturelements. In Übereinstimmung mit 8 weist das Verbundstrukturelement 12, 14 bevorzugt die folgende Struktur auf: [[α, β]₄; [α]₁; [γ]₆; [α]₁; [β, α]₄].
Als experimentelle Randbedingungen war das gewählte Material ein Band von 0,125 mm und des Typs T300/5208 und ein symmetrischer Schichtaufbau wurde verwendet. Die Plattendicke betrug in diesem Fall t = 3 mm, die Plattenabmessungen waren in diesem Fall 200x400 mm, und 50 N/mm Scherflussbelastung (sowohl positive als auch negative Richtungen) wurde angewandt.
Wie oben gezeigt, waren die evaluierten Ausgestaltungen, die folgenden:

• Erste Zeile: herkömmlicher Stand der Technik mit Anwendung der Anordnung von [-45°, +45°]_4S, wie oben beschrieben.
• Zweite Zeile: Anordnung nach dem Stand der Technik von Patentdokument 1, das heißt [-20°/40°]_4S, wie oben beschrieben.
• Dritte Zeile: eine bevorzugte Anordnung der vorliegenden Offenbarung, das heißt in diesem Falle [[-20°, 40°]₃, -20°, [-75°]₃]_S, was eine symmetrische Anordnung - von oben nach unten - von 3 [-20°, 40°]-Schichtpaaren, gefolgt von 1 [-20°]-Schicht, gefolgt von 6 [-75°]-Schichten, gefolgt von 1 weiteren [-20°]-Schicht und wiederum gefolgt von 4 [40°, -20°]-Schichtpaaren bedeutet.

Der erste Eintrag in jeder Zelle zeigt die Maximalauslenkung in mm, während der zweite Eintrag die maximale Druckdehnung (eine dimensionslose Größe) zeigt.
Die entsprechenden Eigenwerte für die Winkel-Schicht-Lösung (abhängig vom Vorzeichen der Belastung) waren 5,5/-6,5. Wie weiter in der Tabelle gezeigt ist entspricht das Lastniveau PBR = 1,3 (für die „schwache“ Richtung der herkömmlichen Anordnung in der ersten Zeile) mal dem Niveau 5,5, d. h., 7,16.
Die Lösung des Schichtaufbaus 28 (dritte Zeile) übertrifft auch hier den [-45°, +45°]_4S-Ansatz des herkömmlichen Stands der Technik hinsichtlich maximaler Auslenkung und maximaler Druckdehnung und liefert eine beträchtliche Verbesserung in Bezug auf den Ansatz von Patentdokument 1 (zweite Zeile). Somit ist dokumentiert, dass das Einsetzen einer Reihe von [-75°]-Schichten einen überraschend nutzbringenden Effekt hinsichtlich der Post-Ausbeul-Widerstandsfähigkeit liefert.
Für die Lösung von 9 sind die Ergebnisse denen von 8 ähnlich. In Übereinstimmung mit 8 werden, damit die Lösung hinsichtlich ihrer Implementation realistischer wird, ferner einige Zusatzschichten bevorzugt zwischen [-75°]-Schichten hinzugefügt, um die Herstellungsstabilität zu erhöhen.
10 zeigt eine vierte Ausführungsform der Schichtanordnung des Verbundstrukturelements. Das Verbundstrukturelement weist bevorzugt die folgende Struktur auf:

[[α, β]₃; [γ]₄; [β, α]₃].

Als experimentelle Randbedingungen war das gewählte Material ein Band von 0,125 mm und des Typs T300/5208 und ein symmetrischer Schichtaufbau wurde verwendet. Die Plattendicke betrug t = 2 mm, die Plattenabmessungen waren in diesem Fall 200x400 mm, und 50 N/mm Scherflussbelastung (sowohl positive als auch negative Richtungen) wurde angewandt.
Wie oben gezeigt, waren die evaluierten Ausgestaltungen, die folgenden:

• Erste Zeile: herkömmlicher Stand der Technik mit Anwendung der Anordnung von [-45°, +45°]_4S, wie oben beschrieben.
• Zweite Zeile: Anordnung nach dem Stand der Technik von Patentdokument 1, das heißt [-20°/40°]_4S, wie oben beschrieben.
▪ Dritte Zeile: eine bevorzugte Anordnung der vorliegenden Offenbarung, das heißt in diesem Falle [[-20°, 40°]₃ , [-75°]₂]_S, was eine symmetrische Anordnung - von oben nach unten - von 3 [-20°, 40°]-Schichtpaaren, gefolgt von 4 [-75°]-Schichten und wiederum gefolgt von 4 [40°, -20°]-Schichtpaaren bedeutet.

Der erste Eintrag in jeder Zelle zeigt die Maximalauslenkung in mm, während der zweite Eintrag die maximale Druckdehnung (eine dimensionslose Größe) zeigt.
Die entsprechenden Eigenwerte für die Winkel-Schicht-Lösung (abhängig vom Vorzeichen der Belastung) waren 1,56/-2,00. Wie in der Tabelle weiter gezeigt ist, entspricht das Lastniveau PBR = 1,5 mal dem Niveau 1,83, d. h., 2,745.
Die Lösung des Schichtaufbaus 28 (dritte Zeile) übertrifft den [-45°, +45°]_4S-Ansatz des herkömmlichen Stands der Technik hinsichtlich maximaler Auslenkung und maximaler Druckdehnung und liefert eine beträchtliche Verbesserung in Bezug auf den Ansatz von Patentdokument 1 (zweite Zeile). Somit ist dokumentiert, dass das Einsetzen einer Reihe von [-75°]-Schichten einen überraschend nutzbringenden Effekt hinsichtlich der Post-Ausbeul-Widerstandsfähigkeit liefert.
Die Ergebnisse von 10 sind denen in 7 ähnlich, in welcher das Band Abmessungen von 200x600 mm aufwies.
11 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Schichtanordnung des Verbundstrukturelements. Das Verbundstrukturelement 12, 14 weist bevorzugt die folgende Struktur auf: [[α, β]₃; [γ]₃; [β, α]₃].
Als experimentelle Randbedingungen war das gewählte Material ein Band von 0,125 mm und des Typs T300/5208 und ein symmetrischer Schichtaufbau wurde verwendet. Die Plattendicke betrug t = 2 mm, die Plattenabmessungen waren in diesem Fall 200x400 mm, und 50 N/mm Scherflussbelastung (sowohl positive als auch negative Richtungen) wurde angewandt.
Wie oben gezeigt, waren die evaluierten Ausgestaltungen, die folgenden:

• Erste Zeile: herkömmlicher Stand der Technik mit Anwendung der Anordnung von [-45°, +45°]_4S, wie oben beschrieben, mit insgesamt 16 Schichten.
• Zweite Zeile: eine bevorzugte Anordnung der vorliegenden Offenbarung, das heißt in diesem Falle [-20°, 40°]₃ , [-75°]₃, [40°, -20°]₃, was eine symmetrische Anordnung - von oben nach unten - von 3 [-20°, 40°]-Schichtpaaren, gefolgt von 3 [-75°]-Schichten und wiederum gefolgt von 4 [40°, -20°]-Schichtpaaren, mit insgesamt 15 Schichten bedeutet.

Der erste Eintrag in jeder Zelle zeigt die Maximalauslenkung in mm, während der zweite Eintrag die maximale Druckdehnung (eine dimensionslose Größe) zeigt.
Die entsprechenden Eigenwerte für die Winkel-Schicht-Lösung (abhängig vom Vorzeichen der Belastung) waren 1,56/-2,00. Wie in der Tabelle weiter gezeigt ist, entspricht das Lastniveau PBR = 1,5 mal dem Niveau 1,56, d. h., 2,184.
Die Lösung des Schichtaufbaus 28 (zweite Zeile) ist mit dem [-45°, +45°]_4S-Ansatz des herkömmlichen Stands der Technik hinsichtlich maximaler Auslenkung und maximaler Druckdehnung vergleichbar, liefert aber eine Verbesserung hinsichtlich einer Gewichtseinsparung: die Ergebnisse der Tabelle zeigen, dass der Ansatz der vorliegenden Offenbarung im Vergleich zu dem herkömmlichen Stand der Technik eine Gewichtsreduktion von 6,3% erzielt. Somit ist dokumentiert, dass das Einsetzen einer Reihe von [-75°]-Schichten einen überraschend nutzbringenden Effekt nicht nur hinsichtlich der Post-Ausbeul-Widerstandsfähigkeit, sondern auch hinsichtlich Gewichtseinsparungen liefert.
Es versteht sich, dass die Vorteile der hier präsentierten Technik anhand der vorangehenden Beschreibung gänzlich verstanden werden und es ist klar, dass verschiedene Änderungen an der Form, den Konstruktionen und der Anordnung der beispielhaften Aspekte davon vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen oder ohne alle ihrer vorteilhaften Auswirkungen zu opfern. Da die hier präsentierte Technik auf viele Weisen variiert werden kann, versteht sich, dass die vorliegende Offenbarung nur durch den Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche begrenzt sein sollte.
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 7840389 B2 [0007]
US 7668701 B2 [0007]
US 8306789 B2 [0008]
US 8556213 B2 [0009]
EP 2910365 B1 [0010]

Claims

Verbundstrukturelement (12, 14) mit einer im Wesentlichen ebenen Hauptsektion (22), die ein Koordinatensystem mit einer ersten Achse (a), die sich entlang einer Längsachse (L) des Strukturelements (12, 14) erstreckt, und einer zweiten Achse (b) definiert, die sich senkrecht zu der Längsachse (L) innerhalb der ebenen Hauptsektion erstreckt und einen Winkel von +90° mit der ersten Achse (a) definiert, wobei das Strukturelement (12, 14) einen Schichtaufbau (28) von Einzelschichten (30, 34, 36) enthält, die jeweils aus einem faserverstärkten Verbundmaterial mit einer im Wesentlichen unidirektionalen Faserausrichtung (32) bestehen, wobei der Schichtaufbau (28) N von oben nach unten in der folgenden Form angeordnete Schichten umfasst, wobei N eine positive ganze Zahl größer oder gleich 5 ist: [[α, β]_M; [γ]_K; [β, α]_M], wobei: - α, β und γ eine Schicht (30, 34, 36) repräsentieren, die jeweils einen zwischen der ersten Achse (a) und der unidirektionalen Faserausrichtung (32) der einen Schicht eingeschlossenen Winkel aufweist, - [x]_y bedeutet, dass y Schichten jeweils einen Winkel x aufweisen; - [x, y]_z bedeutet z Schichtpaare, wobei jedes Schichtpaar jeweils Winkel x, y aufweist; - α = -20°, β = 40°, γ = -75° oder α = 20°, β = -40°, γ = 75°, wobei jeder Winkel eine Toleranz von -5° bis +5° aufweist; und - K eine positive ganze Zahl größer oder gleich 1 ist und M eine positive ganze Zahl größer oder gleich 1 ist, wie folgt: $- - N = 4 \cdot M + K .$
Verbundstrukturelement nach Anspruch 1, das die folgende Struktur aufweist: [[α, β]_M; [α]; [γ]_K; [α]; [β, α]_M], wobei: $- - N = 2 + 4 \cdot M + K .$
Verbundstrukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner Folgendes umfasst: mindestens eine weitere Schicht (38), die einen zwischen der ersten Achse (a) und der unidirektionalen Faserausrichtung (32) der mindestens einen weiteren Schicht eingeschlossenen Winkel δ aufweist, wobei: δ -20°, 90° oder ein anderer Wert ist; die mindestens eine weitere Schicht zwischen einer oder mehreren der N Schichten angeordnet ist; und der Schichtaufbau N + P Schichten umfasst, wobei P eine positive natürliche Zahl größer oder gleich 1 ist und die Anzahl weiterer Schichten (38) angibt.
Verbundstrukturelement nach Anspruch 3, wobei der Schichtaufbau (28) N in der folgenden Form von oben nach unten angeordnete Schichten umfasst: [[α, β]_M, [δ]_L, [γ]_K, [δ]_P, [γ]_K, [δ]_L, [β, α]_M], wobei: L 0 oder 1 ist; P zwischen 0 und 2 liegt; und N = 4*M + 2*L + 2*K + P.
Verbundstrukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: K gleich oder kleiner N/3 ist.
Verbundstrukturelement nach Anspruch 5, wobei: K gleich oder kleiner N/4 ist.
Torsionsbox (10) zur Verwendung in einer Luftfahrzeug-Strukturkomponente, umfassend: mindestens einen Spant (12), der ein Verbundstrukturelement (12, 14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist; und mindestens einen Holm (14), der ein Verbundstrukturelement (12, 14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
Luftfahrzeug, das eine Torsionsbox nach Anspruch 7 umfasst.