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Leichtbauplatte mit Versteifungsrippen, insbesondere Integralplatte
für Flugzeugflügel Die Erfindung betrifft eine Leichtbauplatte mit Versteifungsrippen,
insbesondere Integralplatte für Flugzeugflügel, mit zumindest einem die Deckhaut
durchbrechenden Ausschnitt.
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Als Integralplatten bezeichnet man solche Bauelemente, deren zueinander
parallel verlaufende,-im Querschnitt meist rechteckige Versteifungsrippen aus einem
Stück mit der Deckhaut, und zwar spanabhebend oder durch Pressen hergestellt sind.
Die Integralbauweise tritt im modernen Flugzeugbau an die Stelle der sogenannten
differentiellen Bauweise mit Deckhaut und angenieteten Einzelprofilen.
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Im Flugzeugbau werden bekanntlich besonders hohe Anforderungen an
die Festigkeitseigenschaften der Konstruktionsteile gestellt, insbesondere an deren
Ermüdungsfestigkeit, während andererseits die Gewichtsersparnis eine ausschlaggebende
Rolle spielt. Diesen Erfordernissen steht jedoch häufig die Notwendigkeit gegenüber,
die Plattenfläche aus konstruktiven Gründen durch Ausnehmungen zu unterbrechen,
worunter die Festigkeitseigenschaften einer Platte gegebenen Gewichtes erheblich
leiden. Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die Festigkeitseigenschaften von Leichtbauplatten
mit zumindest einem Ausschnitt in der Deckhaut zu verbessern.
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Die in Leichtbauwerken, wie z. B. in Tragkästen von Flugzeugflügeln,
verwendeten Integralplatten sind häufig mit Ausschnitten versehen, die unterschiedliche
Formen und Abmessungen haben können. Diese Ausschnitte dienen der überwachung des
Leichtbauwerks (Inspektionen) und dem Einbau zusätzlicher Teile.
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In beanspruchten Integralplatten bilden Ausschnitte Störstellen im
Kraftverlauf. In der Umgebung des Ausschnittes kommt es zu Spannungsüberhöhungen
(Kerbwirkung), und die Ermüdungsfestigkeit von vor allem dynamisch auf Zug belasteten
Integralplatten sinkt empfmdlich ab.
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Häufig wird der Rand des Ausschnittes zusätzlich mit Bohrungen für
Schrauben- oder Nietlöcher versehen, um Deckel oder andere Bauelemente, z. B. Tankstutzen
oder Treibstoffpumpen, zu befestigen. Derartige Bohrungen erhöhen noch die durch
den Ausschnitt bedingten Spannungsspitzen, da sie un Bereich der ungünstigen Spannungsverteilung
(Kerbin-Kerb-Problein) angebracht werden müssen. Hierdurch wird die Ermüdungsfestigkeit
der Integralplatte weiter verschlechtert.
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Die der Erlmdung zugrunde liegende Aufgabe soll zunächst durch die
Fig. 1 und 2 der Zeichnung erläutert werden. Fig. 1 zeigt einen Tragflügelkasten
mit einem Ausschnitt in perspektivischer Darstellung; F i g. 2 erläutert
die Spannungsverteilung Über die Fläche der Unterplatte des Tragflügelkastens nach
F i g. 1 an Hand eines Diagramms.
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In F i g. 1 bilden die Integralplatten 1 und 2 die Unter-
und die Oberplatte des Tragkastens. Sie sind durch Seitenwände. 3 miteinander
verbunden. Mit 4 und 4' sind die für Integralplatten charakteristischen, in der
Längsausdehnung der Platten verlaufenden Versteifangsrippen bezeichnet. In der vorwiegend
auf Zug beanspruchten UnterpIatte 1 befindet sich ein Ausschnitt
5, der im vorliegenden Beispiel kreisförmige Gestalt hat.
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Am Rand des Ausschnittes 5 ist die Platte 1
zwecks Versteifung
materialmäßig aufgedickt; die Versteifungsrippen 4' sind in der Umgebung des Ausschnitts
in der dargestellten Weise unterbrochen. In dem am Rande des Ausschnittes
5 materialmäßig aufgedickten Bereich befinden sich Befestigungslöcher, die
konzentrisch zum Ausschnitt angeordnet, aber in Fig. 1 der übersichtlichkeit
halber nicht eingezeichnet sind.
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F i g. 1 veranschaulicht gut, wie in starkem Maße der Ausschnitt
5 eine Kerbe darstellt, in deren Bereich erhöhte Spannungen auftreten, die
bei dynamischer Belastung zu einem vorzeitigen Versagen der Gesamtkonstruktion führen
können.
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In F i g. 2 sind auf der Ordinate y die Materialspannungen
über die die Abszisse x bildende Breite
der Unterplatte
1 aufgetragen. Um den Ausschnitt 5,
dessen Durchmesser auf der Abszisse
mit D, bezeichnet ist, sind konzentrisch die bei der Beschreibung der F i
g. 1 erwähnten Befestigungslöcher angeordnet, deren Durchmesser auf der Abszisse
mit D., vermerkt ist.
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Die bei einer bestimmten Belastung in einer ungestörten Integralplatte
ohne Ausschnitt vorhandene Spannungsverteilung -ist in F i g. 2 durch die
Gerade AB dargestellt. Eine solche homogene Spannungsverteilung ermöglicht eine
optimale Werkstoffausnutzung und stellt den vom Konstrukteur angestrebten Idealfall
dar. Die,-Störung der Spannungsvertei# lung durch den Ausschnitt 5 und die
Befestigungslöcher ist durch die Kurvenzüge CDE und FGHI veranschaulicht.
Der- g«strichelt eingetragene Kurvenzag CDI entspricht. der Störung der Spannungsverteilung
durch den -Ausschnitt 5, und zwar bezieht sich diese Spannungsverteilung
auf die durch die Mitte des Ausschnitts gelegte Bezugsebene. Die Spannung steigt
zun-r Rande des --Ausschnitts stark an. Dieser Anstieg wird durch örtlich
eng begrenzte, von den Befestigungslöchern verursachte Spannungsspitzen überlagert.
Hier erreicht die Materialspannung in kleinen Bereichen- Werte, die einem
Vielfachen der. Spannungswerte im ungestörten Bereich der Integralplatte entsprechen.
An diesen Stellen höchster Spannungen, beginnt bei dynamischer- Belastung der Anriß,
der zum Bruch der Integralplatte führt.
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Nach dem Erfindungsgedanken. soll der ungünstige Einfluß eines Ausschnittes
in einer Integralplatte auf die Verteilung. der--Sp-anAungen -- in der belasteten
Platte durch eine zweckmäßige Gestaltung der Querschnitte über die gesamte Platte
in einem stärkeren Maße vermindert werden, als das bei bekannten konstruktiven Lösungen
der Fall ist.
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Eine bekannte Maßnahme zur Verminderung der Spannungsspitzen besteht
darin, daß die Platte in der Umgebung des Ausschnitts materialmäßig aufgedickt wird.
Dadurch wird der Kraftfluß aber auf den Ausschnitt konzentriert- was zu unnötig
hohen Spannungsspitzen führt. ,
Weiterhin wurde versucht, eine Ausschnittsform
mit einem aufgedickten Rand zu finden, bei der im gestörten Bereich der -Platte
die gleichen Spannungen auftreten wie in einem Bereich ohne einen Ausschnitt. Diese
Versuche beschränken sich jedoch nur auf unversteifte Platten und ergaben Ausschnittsformen,
die in der Praxis nur bedingt brauchbar sind.
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Bei der Lösung der gestellten Aufgabe geht die Erfindung von dem Gedanken
aus, daß es notwendig ist, den Kraftfluß um den oder die Ausschnitte einer Leichtbauplatte
herumzuleiten, ihn also nicht am Ausschnitt zu konzentrieren. Dieses Ziel läßt sich
durch konstruktive Anpassung der Plattenabmessungen an den Kräfteverlauf im engeren
Bereich des Ausschnittes einer Leichtbauplatte erfindungsgemäß dadurch erreichen,
daß die Wandstärke der Deckhaut und bzw. oder der Rippen in Rippenrichtung vor und
hinter dem Ausschnitt verringert und seitlich vom Ausschnitt verstärkt ist. Die
vorgeschlagenen Querschnittsänderungen können stufenweise vorgenommen werden. Noch
vorteilhafter ist es, wenn die Material-stärke allmählich zu- bzw. abnimmt.
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Es wird also. eiqib_, Materialverstärkung beidseitig eines Ausschnitts
in der Längsausdehnung der Platte angeordnet. Die Materialverstärkung beginnt in
größerer Entfernung vom Ausschnitt, erreicht ihr Maximum seitlich desselben und
wird dann wieder vorzugsweise kontinuierlich verringert.
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Die Materialverstärkung kann einzeln für die Deckhaut oder die Versteifungsrippen,
aber auch gleichzeitig für die Deckhaut und die Versteifungsrippen durchgeführt
werden. Sie wird natürlich auf beiden Seiten des Ausschnitts vorgenommen.
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Zusätzlich oder an Stelle der beschriebenen Querschnittsgestaltung
der Deckhaut und der Versteifungsrippen beidseitig des Ausschnitts wird die Stärke
der Deckhaut und bzw. oder der Versteifungsrippen über die Breite des Ausschnitts
vor und hinter diesem in Richtung zum Ausschnitt hin vermindert. Diese Verminderung
erfolgt vorzugsweise kontinuierlich.
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Infolge der seitlich eines Ausschnitts in der Längsausdehnung der
Platte angeordneten Materialverstär7. kungen werden die in der Längsrichtung wirksamen'
Kräfte in diese materialverstärkten Querschnitte der Platte gezogen, so daß keine
hohen Spannungsspitzen am Rande des Ausschnitts auftreten können.
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Infolge der in Richtung zum Ausschnitt vorzugs weise kontinuierlichen
Materialabnahme über die Breite des Ausschnitts vor und hinter dem Ausschnitt werden
die in Längsrichtung wirksamen Kräfte nach der Seite abgeleitet, wodurch der Aufbau
von großen Spannungsspitzen am Rande des Ausschnitts verhindert wird.
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. Zwar ist schon die Anwendung jeder der vorstehend beschriebenen
Maßnahmen für sich allein von Vorteil; am besten ist es jedoch, beide Maßnahmen
zu koppeln.
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Die Erfindung ist besonders vorteilhaft anwendbar bei Leichtbau-Integralplatten
mit mindestens einem Ausschnitt. Sie ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern
kann auch bei Platten in Differentialbauweise (Verbindung der Versteifungsrippen
mit der Deckhaut durch Nieten, Bolzen, Punkten, Schweißen, Kleben) und Sandwichbauweise
angewendet werden.
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Die Erfindung wird nun an Hand der F i g. 3 bis 7
weiter
erläutert.
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F i g. 3 zeigt die Draufsicht auf eine erfindungsgemäß gestaltete
Leichtbau-Integralplatte mit einem kreisförmigen Ausschnitt; F i g. 4 bis
7 stellen Schnitte IV-IV, V-V- VI-VI und VII-VII nach F i g. 3 dar.
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Um den Ausschnitt 5 sind konzentrisch Befestigungslöcher
6 angeordnet, wie schon bei der Erläuterung der F i g. 1 erwähnt.
Am Rande des Ausschnitts ist in bekannter Weise eine Materialverstärkung
7 vorgesehen.
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- Die beidseitig des Ausschnitts 5 am entferntesten
verlaufenden Versteifungsrippen 4 sind durchlaufend in einer gleichbleibenden Dicke
ausgeführt, wie sie normalerweise für sämtliche Versteifungsrippen einer Platte
ohne einen Ausschnitt gewählt werden würde. Die näher zum Ausschnitt 5 gelegenen
Versteifungsrippen 4" werden von beiden Enden der Platte her in Richtung zum Ausschnitt
hin kontinuierlich derart materialmäßig verstärkt, daß sie beidseitig des Ausschnitts
etwa die vierfache Dicke aufweisen wie an den Enden der Platte. Schließlich wird
die Dicke der vor und hinter dem Ausschnitt über dessen Breite verlaufenden Versteifungsrippen
4' von den Enden der Platte her in der Richtung zum Ausschnitt hin
kontinuierlich
derart vermindert, daß sie in der Nähe des Ausschnitts nur etwa halb so groß ist
wie an den Plattenenden.
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Im Bereich des Querschnitts IV-IV der Platte gemäß F i g. 3
weist die Deckhaut der Platte noch eine gleichbleibende Materialstärke auf, wie
auch in der F i g. 4 veranschaulicht ist.
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Während im Bereich des Querschnitts V-V nach F i g. 3 die Versteifungsrippen
4 mit gleichbleibender Materialstärke durchlaufen, wie aus der F i g. 5
ersichtlich
ist und vorstehend beschrieben wurde, ist die Deckhaut der Platte in diesem Bereich
8 beidseitig des Ausschnitts 5 zwischen den Versteifungsrippen 4 und
4,"' materialmäßig um etwa das Doppelte verstärkt. Ebenso beträgt die Materialstärke
der Versteifungsrippen 4" im Querschnitt V-V etwa das Doppelte wie im Querschnitt
IV-IV. Die Deckhaut zwischen den Versteifungsrippen 4" und 4' beidseitig des Ausschnitts
hat im Querschnitt V-V noch die gleiche Materialstärke wie im Querschnitt IV-IV.
Dagegen ist die Materialstärke der Deckhaut 8' zwischen den beiden Versteifungsrippen
4' im Querschnitt V-V gegenüber dem Querschnitt IV-IV um die Hälfte herabgemindert.
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In dem näher zum Ausschnitt 5 hin gelegenen Querschnitt VI-VI
nach F i g. 3 ist die Materialstärke sowohl der Versteifungsrippen 4 als
auch der Deckhaut zwischen diesen weiter unverändert. Dagegen ist die Deckhaut
8" zwischen der näher zum Ausschnitt gelegenen Versteifungsrippe 4 und der
Versteifungsrippe 4" beidseitig des Ausschnitts um das Sechsfache, die Versteifungsrippe
4" beidseitig des Ausschnitts um das Vierfache materialverstärkt. Die Materialstärke
der Deckhaut 8... zwischen den Versteifungsrippen V und 4' beidseitig des
Ausschnitts und zwischen den beiden Versteifungsrippen 4' ist auf die Hälfte der
Materialstärke des Querschnitts IV-IV vermindert. Zweckmäßig sind in diesem Querschnittsbereich
größere Hohlkehlen 9 zwischen den Versteifungsrippen V und 4' vorgesehen.
Im Querschnitt VII-VII gemäß F i g. 3, der durch die Mitte des Ausschnitts
geht, sind die Materialstärken der Versteifungsrippen 4 und 4" und der zwischen
diesen Rippen liegenden Deckhäute die gleichen wie im Querschnitt VI-VI. Die an
sich bekannte Materialverstärkung 7 um den Ausschnitt 5
herum erfaßt
noch die Befestigungslöcher 6 und dient zur Versteifung des Randes des Ausschnitts
beim Einbau von zusätzlichen Teilen.
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Die Vermessung einer Leichtbau-Integralplatte der Gestaltung gemäß
den F i g. 3 bis 7 ergab eine 30-bis 40%ige Senkung der Spannungserhöhungen
im Vergleich zu bekannten Gestaltungen einer Leichtbau-Integralplatte mit einem
Ausschnitt.
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Bei der Gestaltung der Materialverstärkungen bzw. -verminderungen
der Deckhaut und der Versteifungsrippen, wie sie beispielsweise an Hand der F i
g. 3
bis 7 der Zeichnung beschrieben wurde, muß natürlich die Breite
der Platte, die Geometrie der Deckhäute und der Versteifungsrippen, die Größe und
die Form eines Ausschnitts und schließlich auch die Art der Bauweise der Platte
Berücksichtigung finden.