DE1241269B - Leichtbauplatte mit Versteifungsrippen, insbesondere Integralplatte fuer Flugzeugfluegel - Google Patents

Leichtbauplatte mit Versteifungsrippen, insbesondere Integralplatte fuer Flugzeugfluegel

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DE1241269B
DE1241269B DEH55265A DEH0055265A DE1241269B DE 1241269 B DE1241269 B DE 1241269B DE H55265 A DEH55265 A DE H55265A DE H0055265 A DEH0055265 A DE H0055265A DE 1241269 B DE1241269 B DE 1241269B
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cutout
stiffening ribs
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ribs
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DEH55265A
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English (en)
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Dr-Ing Heinrich Hertel
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HEINRICH HERTEL DR ING
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HEINRICH HERTEL DR ING
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64CAEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C3/00Wings

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Body Structure For Vehicles (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • . Zwar ist schon die Anwendung jeder der vorstehend beschriebenen Maßnahmen für sich allein von Vorteil; am besten ist es jedoch, beide Maßnahmen zu koppeln.
  • 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.
  • Die Erfindung wird nun an Hand der F i g. 3 bis 7 weiter erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • - 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (2)

  1. Patentanspräche: 1. Leichtbauplatte mit Versteifungsrippen, insbesondere Integralplatte für Flugzeugflügel, mit zumindest einem die Deckhaut durchbrechenden Ausschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der Deckhaut und bzw. oder der Rippen in Rippenrichtung vor und hinter dem Ausschnitt verringert und seitlich vom Ausschnitt verstärkt ist.
  2. 2. Leichtbauplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der Deckhaut und Versteifungsrippen allmählich ab- bzw. zunimmt. 3. Leichtbauplatte nach Ansprach 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand des Ausschnittes in an sich bekannter Weise verstärkt ist.
DEH55265A 1965-02-23 1965-02-23 Leichtbauplatte mit Versteifungsrippen, insbesondere Integralplatte fuer Flugzeugfluegel Pending DE1241269B (de)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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