DE19845863A1

DE19845863A1 - Strukturelement mit großen unidirektionalen Steifigkeiten

Info

Publication number: DE19845863A1
Application number: DE19845863A
Authority: DE
Inventors: Matthias Piening; Arno Pabsch; Christof Sigle
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1998-10-05
Filing date: 1998-10-05
Publication date: 2000-04-13
Anticipated expiration: 2018-10-06
Also published as: GB2344807A; GB9923521D0; DE19845863B4; US6355337B1; GB2344807B

Abstract

Bei einem Strukturelement mit großen unidirektionalen Steifigkeiten, bei dem unidirektionale Faserstränge (30) in Umhüllungen (40, 41, 42) vollständig eingebettet sind, die Umhüllungen mit einer Hautschale (20) verbunden sind, und ein Teil der Hautschale zu Stringern (50, 55) ausgebildet ist, ist eine innere Gliederung im Querschnitt der Hautschale (20) vorgesehen, wobei in jeder Beanspruchungsrichtung senkrecht zur Hautebene Faserfestigkeiten und Fasersteifigkeiten vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strukturelement mit großen unidirektionalen Steifigkeiten, bei dem unidirektionale Faserstränge in Umhüllungen vollständig eingebettet sind, die Umhüllungen mit einer Hautschale verbunden sind, und ein Teil der Hautschale zu Stringern ausgebildet ist. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen von dimensionierten Faserfestigkeiten senkrecht zur Hautebene der Hautschale bei großen Strukturelementen.

Strukturelemente mit großen unidirektionalen Steifigkeiten sind bekannt. Beispielsweise offenbart die EP 0 758 607 A2 einen Flügel mit schubsteifen Flügelschalen aus Faserverbundwerkstoffen für Luftfahrzeuge. Bei dem Flügel sind auf der Innenseite der Flügelschalen Zug- und Druckkräfte aufnehmende Elemente angebracht. Diese weisen sich in Längsrichtung des Flügels erstreckende unidirektionale Fasern auf. Auf der Innenseite der Flügelschalen sind in Längsrichtung des Flügels in Abstand voneinander Stringer ausgebildet, deren Faseranteil durch ein Fasergelege gebildet ist, das mit dem Fasergelege der Flügelschale verbunden ist. Zwischen in Abstand voneinander liegenden Stringern sind unidirektionale Faserbündel angeordnet, die in die schubsteifen Flügelschalen eingebettet sind. Sie erstrecken sich in Längsrichtung des Flügels und weisen einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Der Raum zwischen den Stringern nimmt eine Mehrzahl von Faserbündeln auf und ist durch parallel zu den Stringern sich erstreckende Zwischenwände in der Breite unterteilt. Der Faseranteil der Stringer und/oder der Zwischenwände ist durch Faltung zumindest der inneren Faserlage der Torsionshaut der Flügelschale gebildet. Die Zwischenwände können mit Gelegeabschnitten versehen sein, die auf der Oberseite der Faserbündel aufliegen.

Unter dem Begriff der Faserstrukturen werden üblicherweise Laminatstrukturen verstanden, die durch Schichtung unterschiedlich orientierter unidirektionaler Einzelschichten gebildet werden. Bei der Verwendung isotroper Werkstoffe werden ausreichende Festigkeiten in allen Beanspruchungsrichtungen benötigt. Es ist daher bekannt, Mehrschichtlaminate zu verwenden, um in allen Richtungen ausreichende Festigkeiten zu erreichen. Da sich mit der Faserorientierung alle richtungsbezogenen Eigenschaften schichtabhängig ändern, sind die Spannungen in einem Wandquerschnitt sehr inhomogen und das Versagensverhalten wird entsprechend komplex. Es können daher Spannungskomponenten wirksam werden, die in Richtung der geringsten Festigkeit wirken. Die Festigkeit einer rein längsbeanspruchten unidirektionalen Einzelschicht ist beispielsweise 50 bis 250 mal größer als bei Querzugbeanspruchung. Faserverbunde mit unidirektionaler Faserorientierung sind aber gegenüber Querdruckspannungen weitaus weniger empfindlich als gegenüber Querzugspannungen, weswegen bei Querdruckbeanspruchung die Festigkeit etwa dreifach höher ist. Besonders die Querzug-Spannungen können eine ungünstige Belastung der Grenzschicht zwischen den Faserbündeln darstellen. Hierbei werden Spannungen quer zur Faserorientierung übertragen. Die Harzschicht zwischen den Fasersträngen muß diese Spannungen ertragen können. Ein entsprechendes Problem stellt jedoch auch die Grenzschicht beanspruchung zwischen Faser und Harzeinbettung einer querbeanspruchten unidirektionalen Einzelschicht dar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Strukturelement zu schaffen, das die genannten Probleme überwindet und bei dem durch konstruktive Maßnahmen erheblich höhere Versagensgrenzen erzielt werden können als heute mit Laminatstrukturen erreichbar ist.

Die Aufgabe wird für ein Strukturelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß eine innere Gliederung im Querschnitt der Hautschale vorgesehen ist, wobei in jeder Beanspruchungsrichtung senkrecht zur Hautebene Faserfestigkeiten und Fasersteifigkeiten vorgesehen sind. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Steifigkeiten nicht durch Vorsehen einer flächigen textilen Struktur aus unterschiedlich orientierten Einzelschichten auf die Kraftflüsse in der Struktur angepaßt werden können. Vielmehr entsteht dabei eine teil-isotrope Struktur, die zudem eine geringe Festigkeit senkrecht zur Ebene der Hautschale aufweist und zu Delamination neigt.

Vorteilhaft wird mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen ein Bauteilversagen wie bei der Verwendung unidirektionaler Einzelschichten in einem Mehrschichtverbund verhindert, bei der bei Belastung Spannungskomponenten quer zur Faserorientierung auftreten und Schubspannungen erzeugt werden, die das ungewollte Bauteilversagen weit unterhalb von theoretischen oder an Fasersträngen gemessenen Werten verursachen. Durch Ausbilden einer erfindungsgemäßen Struktur wird ein Strukturelement geschaffen, bei dem erheblich höhere Versagensgrenzen erzeugt werden, da die kritischen Spannungskomponenten durch den Aufbau des Strukturelements vermieden werden. Es werden in den erfindungsgemäß ausgestalteten Strukturelementen innere Kraftflüsse in Richtung der lasttragenden Fasern bzw. Faserstränge erzwungen. Durch die Übereinstimmung von Kraftflußrichtung und Faserorientierung kann die Faserfestigkeit vollständig ausgenutzt werden, da die Fasern lediglich einer reinen Längskraftbelastung ausgesetzt sind. Das Strukturelement wird vorteilhaft fasergerecht beansprucht.

Besonders bevorzugt werden daher die Faserstränge von Quer- und Schub beanspruchungen im wesentlichen vollständig entkoppelt. Um eine fertigungsbedingt einfachere Lösung zu schaffen, kann aber auch eine Überlagerung der weniger kritischen Querdruckspannungen akzeptiert werden. Dann werden vorteilhaft die druckbelasteten Faserstränge gegen Ausknicken gestützt. Über die die Faserstränge umgebenden Umhüllungen können infolge der Entkopplung keine Kraftflüsse übertragen werden. Die Umhüllungen schließen dabei die Faserstränge wie Zellen ein. Dadurch verhält sich der eingeschlossene Faserstrang wie ein biegeweicher Stab, der ohne eine äußere Stützung keine Querlastkomponenten und ohne ausreichende Knickstützung keine Druckkräfte aufnehmen kann. Zur Stützung ist erfindungsgemäß die schubsteife Hautschicht vorgesehen. Die Hautstringer sind mit der Hautschale im Bereich des Stringerfußes verbunden und stützen die Faserstränge ebenfalls. Auch Hautschale und Stringer stützen sich gegenseitig, wobei die Stringer für eine Beulstützung der Hautschale sorgen. In den Stringern liegen im wesentlichen unidirektionale Spannungszustände vor. In den Stringerflaschen also den sich im Bereich des Stringerfußes ausbildenden Hohlräumen, sind daher vorzugsweise unidirektionale Steifigkeiten angeordnet.

Um einen gewichtsoptimalen Aufbau und ein optimales Verformungsverhalten bei großer Festigkeit zu erhalten sind die Fasersteifigkeiten entsprechend der Richtung der durch die äußere Belastung bewirkten Schnittgrößen global ausgerichtet. Die Faserstränge werden also global in Richtung ihrer Erstreckung orientiert. Wird ein derart ausgerüstetes schlankes Strukturelement biegebeansprucht erfolgt eine Ausrichtung der Faserstränge in spannweitiger, im wesentlichen zueinander paralleler Richtung. Der Spannungszustand in den Fasersträngen bleibt dann auch bei anderen Belastungen einachsig, beispielsweise bei Querbiegung oder Schubverformung. Die Faserstränge können daher vorteilhaft unter Ausnutzen ihrer Faserfestigkeit kontinuierlich dimensioniert werden. Weitere Dehnungsberechnungen sind nicht mehr erforderlich. Es wird lediglich die schubsteife Hautschale entsprechend der anwendungsspezifisch auftretenden Aufgabe hinsichtlich des Stützens der Faserstränge und des gewünschten Verformungsverhaltens des Bauteils ausgelegt. Die Hautdicke kann unabhängig und kontinuierlich gestaltet werden.

In den unidirektional ausgerichteten Fasersträngen sind die Orientierungen und/oder Vorzugsrichtungen der Materialeigenschaften mit dem jeweiligen Spannungszustand konform. Besonders bevorzugt wird ein kohlefaserverstärkter Kunststoff angewendet. Durch die vorteilhafte Orientierung der Fasern in Richtung der unidirektionalen Spannungen können Faserfestigkeiten und -steifigkeiten vollständig ausgenutzt werden. Da die Faserstränge und die schubsteife Hautschale vorteilhaft unabhängig voneinander dimensioniert werden können, ist eine gezielte Anpassung an die jeweiligen Erfordernisse möglich.

Faserstränge aus Kohlenstoffasern erweisen sich aufgrund ihrer sehr hohen Steifigkeiten oder sehr hohen Festigkeiten in Abhängigkeit von dem jeweiligen Fasertyp als vorteilhaft. Die spezifischen Kennwerte liegen bis zu sieben- bis achtfach über beispielsweise denen von Aluminiumlegierungen, wobei die Werte bei unidirektionaler Belastung noch 3,5-4mal höher liegen als bei quasi isotroper Auslegung. Bei letzterer werden Steifigkeiten gleichmäßig in allen Richtungen orientiert, meistens 0°, 90° und ± 45°. Dabei geht jedoch die richtungsbezogene Leistungsfähigkeit eines anisotropen Werkstoffes verloren, wie er vorzugsweise für die erfindungsgemäßen Faserstränge eingesetzt wird. Die Fasern werden im Verbund in allen Richtungen beansprucht und damit Querdehnungen ausgesetzt, also Spannungskomponenten quer zu den Fasern, die zu einem vorzeitigen Versagen des Strukturelementes führen. Außerdem weisen Faserwerkstoffe gegenüber Metallen ein wesentlich besseres Ermüdungsverhalten auf, solange sie nur in Faserrichtung beansprucht werden.

Vorzugsweise ist eine längstragende Schicht zur Aufnahme von Längsdehnungen und eine schubtragende Schicht zur Aufnahme von Schubverformungen in vorbestimmbarer Größe vorgesehen. Die Faserorientierungen im Laminat der Hautschale betragen also vorzugsweise ± 45° und/oder 0°, wobei aus konstruktiven Gesichtspunkten diese Winkel etwas modifiziert werden können. Zur Erzielung einer Verformungskopplung müssen die Faserstränge in einem Winkel ± β /≠ 0 (vorzugsweise 0° bis 25°) zur Belastungsrichtung orientiert werden. Um das Kopplungsverhalten zu unterstützen, kann eine oder beide Orientierungen der ± 45°-Schicht einen bis etwa 10° abweichenden Winkel einnehmen. Besonders bevorzugt sind die beiden Schichten miteinander verbunden, wobei eine Grenzschicht zwischen beiden Schichten zur Aufnahme der durch die gemeinsame Verformung bedingten Kräfte vorgesehen sein kann. Es werden in der Hautschale also vorteilhaft keine 90°-Schichten vorgesehen, da diese Schichten Matrixrisse nicht aufhalten können und zusätzliche interlaminare Beanspruchungen verursachen. Bei Verwendung von Faserwerkstoffen entstehen teilweise immense Steifigkeitsunterschiede, weswegen sich die dadurch für die Hautschale ergebende höhere elastische Dehnfähigkeit als besonders vorteilhaft erweist.

Bevorzugt sind Faserfestigkeiten und/oder -steifigkeiten des Strukturelementes in Auffaltungen der Hautschale oder Stringern vorgesehen. Sie können aber auch im Bereich der Faserbündel in der Umhüllung angeordnet sein. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Anordnung im Bereich des schubsteifen Laminats der Hautschale. Besonders bevorzugt sind sie dort als Nähverstärkung vorgesehen.

Besonders bevorzugt sind die Stringer der Hautschale in die Ausrichtung der Faserorientierung mit einbezogen. Dadurch können Strukturelemente in extremer Leichtbauweise geschaffen werden, die eine hohe Schadenstoleranz und eine gezielte Auslegung ihres Verformungsverhaltens bei Belastung aufweisen.

Bevorzugt können eine oder mehrere Trennschichten eingebracht werden. Diese können entweder in oder an einer aufsteigenden Hautauffaltung bzw. einem Stringer oder aber innerhalb der schubsteifen Umhüllung eines Faserstranges vorgesehen sein. Dies erweist sich als besonders vorteilhaft um einer Rißbildung vorzubeugen. Dies kann nicht schon durch das bloße Einlegen der Trennschicht zwischen zwei benachbarte Schichten, z. B. zwei Umhüllungen, erreicht werden. Das Vorsehen einer Trennschicht zwischen den schubsteifen Umhüllungen der unidirektionalen Faserstränge führt zu einer Unterbrechung der Kraftflüsse zwischen den unidirektionalen Fasersträngen, wobei die Querzugdehnungen und Schubdehnungen an den Grenzflächen der Faserquerschnitte unterbrochen werden. Bei Längszugbelastung zieht sich der Querschnitt der Faserstränge aufgrund der Querkontraktion zusammen, wodurch die einzelnen Stränge auseinanderklaffen und sämtliche Normal- und Schubkraftflüsse unterbunden werden. Bei Längsdruckbelastung weiten sich die Querschnitte der Stränge entsprechend, wodurch die Stränge aneinander gepreßt werden. Es entstehen Querdruckspannungen in den Querschnitten, jedoch nicht Schubspannungen, da die eingefügte Trennschicht ein Abgleiten der Grenzflächen aufeinander gestattet, ähnlich wie bei einem aufeinander abgleitenden Bretterstapel.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt also gerade darin, daß die Anzahl der Strukturvariablen auf ein überschaubares Maß verringert werden kann. Die einzelnen Strukturelemente können kontinuierlich dimensioniert und die Steifigkeiten und Festigkeiten entsprechend den globalen Kraftflüssen anwendungsspezifisch genau ausgerichtet werden. Größere Steifigkeitssprünge treten nicht mehr auf, weswegen die interlaminaren Spannungen auf ein geringstmögliches Maß verringert werden können. Bei den unidirektionalen Fasersträngen können die einzelnen Fasern oder ein Roving hierbei als kleinste Einheit anwendungsspezifisch angepaßt werden. In der Hautschale, die insbesondere eine Torsionsschale ist, ist dies vorzugsweise das ± 45°-La minatschichtpaar, welches meist eine Schichtdicke von 0,25 mm aufweist.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die gerichteten Kraftflüsse zum Erzielen einer optimalen Lastaufnahme so beeinflußt werden können, daß zugleich das gewünschte Verformungsverhalten des gesamten Strukturelementes erzielt wird. Dadurch ist es möglich, ein Strukturelement zu schaffen, das einerseits sehr nachgiebig ist und andererseits große Festigkeit aufweist. Die Aufnahme auch großer Längskraft- und Schubflüsse erfolgt getrennt in zwei miteinander verbundenen Schichten. Dabei erträgt jede Schicht die ihr aufgegebene Belastungskomponente, und eine Grenzschicht zwischen den beiden Schichten erträgt vorzugsweise die durch die gemeinsame Verformung beider Schichten bedingten Kräfte. Bevorzugt wird die Längsdehnung somit von der längstragenden Schicht und die Schubverformung von der schubtragenden Schicht aufgenommen.

Es erweist sich als besonders vorteilhaft, daß bei Ausschnitten in belasteten Hauffeldern eines Strukturelementes Längskraftflüsse um diesen Bereich des Ausschnitts bei Verwenden des erfindungsgemäßen Aufbaus des Strukturelementes herumgeleitet werden können, da durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen erreicht wird, daß der Spannungszustand innerhalb der Faserstränge im wesentlichen unidirektional ist. Spannungskonzentrationen die sich im Bereich von Ausschnitten in mit einer Last beaufschlagten Hautschalen oder Strukturelementen ergeben können, lassen sich durch Dimensionierung der Faserstrang-Querschnitte ausgegleichen. Gerade dadurch können Längskraftflüsse um die geschwächten Bereiche des Strukturelementes herum geleitet werden.

Bevorzugt wird für die Herstellung der dimensionierten Faserfestigkeiten senkrecht zur Hautebene der Hautschale bei großen Strukturelementen ein mit einem Differenzdruck arbeitendes RTM-Verfahren verwendet (Differential Pressure Resin Transfer Moulding). Dabei liefert ein Autoklav den für die Fertigung erforderlichen Gegendruck. Ein trockenes Gelege-Halbzeug wird in einer Formmulde des Autoklaven mittel einer Einseiten-Nähtechnik positioniert, fixiert und mit gesteuerter Fließgeschwindigkeit mit Harz benetzt.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen in:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß ausgestalteten Strukturelementes,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Faserstranges aus dem Strukturelement gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines teilweise aufgebrochenen Strukturelementes,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Strukturelementes mit Aufzeichnung der Kraftflüsse,

Fig. 5 eine Skizze zweier mit Kräften P belasteter Stäbe zur Verdeutlichung von Kraftflüssen in Stabwerken,

Fig. 6 eine Anschauungsskizze eines Faserstranges mit Torsionsschicht,

Fig. 7 eine Anschauungsskizze zugbelasteter unidirektionaler Faserstränge,

Fig. 8 eine Anschauungsskizze druckbelasteter unidirektionaler Faserstränge,

Fig. 9 eine Schnittansicht durch ein Strukturelement mit zwei Stringern und Trennschichten, und

Fig. 10 eine Prinzipskizze einer Torsionsschicht mit unidirektionalen Fasersträngen in unverformtem und verformtem Zustand.

Fig. 11 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgerüsteten Strukturelementes.

Fig. 12 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgerüsteten Strukturelementes.

Fig. 13 eine Ansicht eines Diagramms zur Darstellung von vertikalen Verschiebungen eines herkömmlich gestalteten und eines erfindungsgemäß ausgestalteten Biegebalkens, und

Fig. 14 eine Ansicht eines Autoklaven zur Herstellung eines erfindungsgemäß gestalteten Strukturelementes.

In Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß ausgestalteten Strukturelementes 10 dargestellt. Das Strukturelement 10 weist eine Hautschale 20 in Form einer Torsionsschale auf. Sie ist eine Torsionsschale aufgrund von Schublaminaten oder Torsionsschichten innerhalb der Hautschale. In diese sind unidirektionale Faserstränge 30 eingebettet. Die unidirektionalen Faserstränge selbst sind von einer Umhüllung 40 ummantelt.

Die Hautschale 20 weist auf ihrer Außenseite eine innere Schicht 21 und eine äußere Schicht 22 auf. Auf ihrer Innenseite weist die Hautschale 20 eine innere Schicht 23 auf. Aus der inneren Schicht 21 ist ein Stringer 50 aufgefaltet. Dieser erstreckt sich T-förmig auf der Innenseite der Hautschale im wesentlichen senkrecht zu dieser. Er dient der Einbindung der Faserstränge.

Die Faserstränge 30 sind in den Umhüllungen 40 zwischen den beiden inneren Schichten 21 und 23 in der Hautschale 20 angeordnet. Die ummantelten unidirektionalen Faserstränge sind als sogenannte Endlos-Faserstränge ausgebildet. Sie weisen eine veränderliche oder variable Orientierung und einen veränderlichen Querschnitt auf. Dies kann besser Fig. 2 entnommen werden und ist dort durch die beiden Pfeile angedeutet. Der Querschnitt kann sich also über die Länge der Faserstränge ändern, wenn dies anwendungsbedingt erforderlich ist. Die Faserstränge können dabei beispielsweise schmaler werden, wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 1 angedeutet.

Im Hautquerschnitt des Strukturelementes sind weiterhin Fugen 60 zwischen den einzelnen aus mit den Umhüllungen 40 ummantelten Fasersträngen 30 gebildeten Segmenten 70 gebildet (Fig. 1). Diese dienen der Entkopplung der einzelnen Segmente voneinander. Dadurch können weder Querzugspannungen noch Schubspannungen innerhalb der Ebene, in der die Segmente 70 angeordnet sind, übertragen werden. Querdruckspannungen können jedoch übertragen werden, sofern die Segmente bei Längsdruckbeanspruchung einander berühren, wie in Fig. 8 gezeigt. Bei Druckbeanspruchung wirken auf die unidirektionalen Faserstränge in diesem Fall Längsspannungen und Querdruckspannungen. Bei Einwirken von reiner Zugbeanspruchung auf die unidirektionalen Faserstränge (Fig. 7) klaffen diese auseinander und es treten lediglich Längsspannungen auf. Durch Vorsehen der Umhüllungen 40 wird jedoch eine seitliche Knickstützung der Faserstränge und durch Vorsehen der Torsionsschale mit den unterschiedlich dimensionierten Steifigkeiten und Festigkeiten der Fasern ein Abtragen der auf das Strukturelement aufgebrachten Schubkräfte erreicht. Die Ränder der Faserstränge, die sich in Richtung der Fugen 60 erstrecken, bleiben dabei im wesentlichen spannungsfrei.

In Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgestalteten Strukturelementes 10 gezeigt. Dieses weist anstelle der Fugen 60 in Fig. 1 Trennschichten 61 zwischen den einzelnen Umhüllungen 40 der Faserstränge 30 auf. Des weiteren sind die Umhüllungen auf ihrer Innen- und Außenseite von Schubkräfte aufnehmenden Laminaten abgedeckt, die die inneren Schichten 21 und 23 bilden. Die Schichten 21 und 23 können daher auch als Torsionsschichten bezeichnet werden. Zwischen der inneren Schicht 21 und der äußeren Schicht 22 ist noch eine Grenzschicht 24 vorgesehen, die die durch die gemeinsame Verformung der beiden Schichten 21, 22 bedingten Kräfte aufnimmt.

Im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Hautschale ist der Stringer 50 als Auffaltung der auf der Außenseite der Hautschale 20 angeordneten Torsionsschicht 21 gebildet. Da der Stringer einteilig mit der Torsionsschicht ist, muß eine Ablösung der Stringer nicht befürchtet werden. Die Festigkeit des Verbundes von Hautschale und Stringer wird abhängig von der Auslegung der Auffaltung gewählt.

Die Torsionsschichten können unabhängig voneinander ausgelegt werden. Hierbei werden die Faserfestigkeiten optimal ausgenutzt. Es können dabei auch dreidimensionale Faserverstärkungen vorgesehen werden. Die Anzahl der Parameter für einen Entwurf eines erfindungsgemäß ausgestalteten Strukturelementes ist allerdings dennoch geringer als bei den bekannten aus Mehrschichtverbunden aufgebauten Tragwerken.

Mit diesem Aufbau ergibt sich der besondere Vorteil, daß eine Funktionstrennung in zwei Bereiche erzeugt wird, nämlich einen Bereich für die Aufnahme der Längsbeanspruchung und zum Bewirken einer Kopplung der Struktur und einen Bereich zum Abtragen der Schubkräfte und Erzielen einer optimalen Oberflächengüte.

Durch die erfindungsgemäße Entkopplung der Querzugspannungen und Schubspannungen innerhalb der Ebene, in der die Segmente 70 angeordnet sind, gleiten die einzelnen, in die Struktur der Hautschale 20 integrierten und mit den Schichten 21 und 23 verbundenen Faserstränge wie ein lose gepackter Bretterstapel aneinander ab. Eine Prinzipskizze hierzu gibt Fig. 10. Der linke Teil dieser Darstellung gibt eine Anordnung von parallel zueinander ausgerichteten Segmenten 70 innerhalb einer Torsionsschicht wieder. Der rechte Teil der Darstellung gibt hingegen eine verformte Torsionsschicht mit darin weiterhin parallel zueinander angeordneten Segmenten 70 wieder. Hierin wird besonders deutlich, daß die einzelnen Segmente innerhalb der Torsionsschichten sich gegeneinander verschieben und aneinander abgleiten. Die Torsionsschichten werden hingegen schubverformt.

Die Entkopplung der einzelnen Segmente bewirkt jedoch auch eine Abnahme der Längssteifigkeit der unidirektionalen Faserstränge bzw. der Schicht mit den unidirektionalen Fasersträngen. Aufgrund der Auswirkung der Kopplung der einzelnen Segmente über die Schichten der Hautschale kann aber dennoch eine Rückdrehung auf einen Torsionswinkel von Null bei vergleichsweise kleinen Orientierungswinkeln der Faserstränge an einem Kastenträger unter kombinierter Biege- und Torsionsbelastung erzielt werden. Bei kleineren Faserwinkeln ist der E-Modul dieser Faserschicht der Hautschale höher, und es ergibt sich eine geringere Durchbiegung des Strukturelementes. Dies kann dadurch erklärt werden, daß eine Struktur ohne Dehnungsbehinderungen (wie die erfindungsgemäße, bei der gerade die ansonsten im Stand der Technik aufgrund der Mehrschichtlaminate konstruierten Dehnungsbehinderungen vermieden werden) weicher ist als eine Struktur mit diesen. Außerdem ergibt sich aus der bei kleinerem Faserwinkel größeren Steifigkeit eine Gewichtsverminderung des gesamten Strukturelementes. Diese kann beispielsweise 18% und mehr gegenüber einer Laminatstruktur mit einem Mehrschichtlaminat-Aufbau betragen.

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht als Prinzipskizze eines Strukturelementes 10 mit eingezeichneten Kraftflüssen. Diese sind als Pfeile angedeutet. Die verschiedenen sich ergebenden Bereiche der unterschiedlichen Orientierungen der Kraftflüsse sind mit n_x, n_y, n_xy, n_yx wiedergegeben. In der Hautschale 20 verlaufen dabei die Kraftflüsse in allen angegebenen Orientierungen. In den Stringern 50 hingegen wird der Kraftfluß lediglich in Längsrichtung der Stringer geführt, also in ± n_x-Richtung. Auch die Stringer sind also entkoppelt, in ihnen liegen im wesentlichen unidirektionale Spannungszustände vor. In Stringerflaschen 51 (Fig. 9), also den sich im Bereich des Stringerfußes ausbildenden Hohlräumen, sind daher vorzugsweise unidirektionale Steifigkeiten angeordnet.

Das Prinzip einachsiger Spannungszustände wie in den Fasersträngen oder Stringern wird aus Fig. 5 deutlich, die eine Darstellung zweier in einer Ebene zusammenwirkender Stäbe 31, 32 zeigt die ein Dreieck bildend sich an einer Wand W abstützen. Sie geben eine vereinfachte Darstellung eines Stabwerkes wieder, stellvertretend für ein Flächentragwerk als Strukturelement 10. Auf die Stäbe wirken zwei durch Pfeile dargestellte Kräfte P oder Belastungen ein. Die Kraftflußrichtung in den Stäben stimmt dabei stets mit der Orientierung des Stäbe überein. Die Größe des Kraftflusses ist abhängig von der Orientierung der Stäbe zur Belastungsrichtung.

Auch Fig. 6 zeigt eine Prinzipskizze eines Faserstranges 30, der einseitig festgelegt und in Längsrichtung sich beidseitig gleitend an Torsionsschichten 21 und 23 abstützt. Bei auf den Strang einwirkender Kraft P wirkt in Längsrichtung des Stranges lediglich eine Längkraft P', Schubverformungen werden von den beiden Torsionsschichten aufgenommen.

In Fig. 9 sind die verschiedenen Möglichkeiten gezeigt Trennschichten zum Ermöglichen des Aneinandergleitens zweier benachbarter Umhüllungen in der Hautschale 20 anzuordnen. Die Trennschicht 62 ist in der aufsteigenden Hautfalte bzw. dem Stringer 55 angeordnet, die Trennschicht 63 an dem Stringer 55, zwischen Umhüllung 41 und dem Stringer. Alternativ dazu ist die Trennschicht 64 innerhalb der schubsteifen Umhüllung 42 vorgesehen.

Die schubsteifen Umhüllungen 41, 42 sind von den Torsionsschichten 21 und 23 mit einer ± 45°-Orientierung umgeben, wobei die Schicht 21 auf ihrer Außenseite die äußere Schicht 22 mit Gelegelagen mit einer Orientierung von vorzugsweise 0° aufweist. Dadurch werden alle Schub- und Druckbelastungen von diesen Schichten aufgenommen, so daß in den Fasersträngen 30 lediglich die Längskräfte wirken, wie dies in Fig. 6 und Fig. 7 zu sehen ist.

Fig. 11 und Fig. 12 zeigen Schnittansichten zweier weiterer Ausführungsformen von erfindungsgemäß gestalteten Strukturelementen. Das Strukturelement gemäß Fig. 11 weist einen keilförmigen Querschnitt auf. Dieser wird dadurch erzeugt, daß äußere Schichten 81 bis 84 versetzt zueinander aufeinander liegen und miteinander an Stellen 86 der Hautschale 20 vernäht sind. Diese versetzten Schichten sind von einer Deckschicht 85 zwecks einer Begradigung der Oberfläche abgedeckt. Auf diese Schicht 85 ist eine unidirektionale Schicht 87 aufgefügt, die mit auf den jeweiligen Anwendungsfall angepaßten Steifigkeiten versehen ist.

Auf der von der Schicht 85 abgewandten Oberfläche weist die Schicht 87 eine Schicht 88 auf, die beispielsweise dieselbe Orientierung wie die Schicht 85 aufweist. Auf der Schicht 88 ist eine weitere Schicht 89 angeordnet, die einen Stringer 52 aufweist. Dieser weist eine Rippe 53 auf, die auf ihren Außenseiten mit Schichten 90, 91 versehen ist. Am Rippenfuß sind die beiden Schichten 90, 91 mit der Schicht 89 vernäht.

Der Bereich des Rippenfußes ist bis zu der halben Höhe der im wesentlichen rechtwinklig von der Ebene der Schicht 89 abgewinkelten Schichten 90, 91 mit Harz bedeckt, wobei auf der Harzschicht 93 eine Deckschicht 92 angeordnet ist.

In Fig. 12 ist ein Strukturelement mit mehreren Segmenten 70 gezeigt das einen Flansch 56 aufweist. Dieser ist mit einer unidirektionalen Flanschverstärkung 57 versehen. Die übrigen Lagen des Flansches sind aus einzelnen Schichten der Hautschale 20 gebildet. Dies sind zwei Teile einer Umhüllung 43 und ein Teil einer inneren Schicht 94. Auch hier sind Vernähstellen 86 vorgesehen, an denen die einzelnen Schichten miteinander verbunden sind. Die Vernähstellen sind im Bereich der Ecken und des Fußbereiches des Flansches 56 angeordnet.

Die Bereiche der Segmente 70 mit den unidirektionalen Fasersträngen innerhalb der Umhüllungen sind voneinander durch Trennschichten 65 getrennt. Eine solche ist auch innerhalb des Flansches vorgesehen.

In Fig. 13 ist eine Ansicht eines Diagramms zur Darstellung von vertikalen Verschiebungen eines herkömmlich auf die Laminatstruktur bezogenen und eines erfindungsgemäß ausgestalteten Biegebalkens als Strukturelement gezeigt. Die Verschiebung ist bei gleichen Laminatdicken bzw. Massen am Balkenende in Abhängigkeit von Faserwinkel β gemessen. Die obere Kurve zeigt Verhalten des erfindungsgemäß ausgestalteten Strukturelementes. Die untere Kurve zeigt das Verhalten eines herkömmlich gestalteten Biegebalkens. Die Durchbiegung am Balkenende gibt die vollständige Rückdrehung des Balkens auf einen Torsionswinkel von Null wieder. Die erfindungsgemäße Entkopplung der einzelnen Schichten der Hautschale des Strukturelementes bewirkt bei unverändertem Faserwinkel eine Abnahme der Längssteifigkeit in der unidirektionalen Schicht. Aufgrund der größeren Kopplungswirksamkeit wird eine Rückdrehung des Balkens jedoch bei kleineren Faserwinkeln erzielt, wie dargestellt bei einem Faserwinkel β von 9,3° anstelle von 12,2°. Hieraus ergibt sich eine geringere Durchbiegung am Balken. Der Einfluß der Verformungskopplungen ist bezüglich der Auswirkung auf die Verformungen des Strukturelementes in derselben Größenordnung wie der der Steifigkeitswerte der Struktur. Dies ist besonders wichtig für die Auslegung von elastischen Tragflügeln, bei denen ein Zusammenwirken von Tragwerksverformung und Belastung auftritt.

In Fig. 14 ist beispielsweise eine Ansicht eines Autoklaven 100 zur Herstellung eines erfindungsgemäß gestalteten Strukturelementes dargestellt. Der Autoklav weist eine vakuumdichte Abdeckung 101 auf. Innerhalb dieser ist eine Formmulde 102 vorgesehen, auf die ein trockenes Gelege-Halbzeug 11 mit einer Einseitennähtechnik positioniert und fixiert ist.

Ein Leitungssystem 110 führt zu dem Autoklaven hin. In dieses werden Harz 111 und eine zweite Komponente in einem bestimmten Mischverhältnis eingeleitet. Über einen mit einem Hahn 112 versehenen Mischer 113 wird das Harzgemisch einer Injektionseinrichtung 120 zugeleitet. Diese setzt das Gemisch über eine Drossel 121 unter einen vorbestimmten Druck P_inj.

Andererseits wird in dem Autoklaven durch eine Vakuumpumpe 130 ein Druck P_V ein Unterdruck P_Ak in dem Autoklaven erzeugt.

Zwischen Injektionsdruck und Autoklavendruck besteht eine Differenz, die als Differenzdruck P_D wiedergegeben ist. Die Einstellung des Differenzdruckes mit Hilfe der Drossel ermöglicht eine Anpassung des Faservolumengehaltes und die Regulierung der Fließfrontgeschwindigkeit. Dieses Verfahren wird auch als DP-RTM-Verfahren bezeichnet, also Differential Pressure Resin Transfer Moulding, bei dem der Autoklavdruck den erforderlichen Gegendruck zum Harzverfüllen liefert.

Bezugszeichenliste

10

Strukturelement

11

Gelege-Halbzeug

20

Hautschale

21

innere Torsionsschicht

22

äußere Schicht

23

innere Torsionsschicht

24

Grenzschicht

30

unidirektionaler Faserstrang

31

Stab

32

Stab

40

Umhüllung

41

Umhüllung

42

Umhüllung

43

Umhüllung

50

Stringer

51

Stringerflasche

52

Stringer

53

Rippe

55

Stringer

56

Flansch

57

Flanschverstärkung

60

Fuge

61

Trennschicht

62

Trennschicht

63

Trennschicht

64

Trennschicht

65

Trennschicht

70

Segment

81

äußere Schicht

82

äußere Schicht

83

äußere Schicht

84

äußere Schicht

85

Deckschicht

86

Vernähstellen

87

unidirektionale Schicht

88

Schicht

89

Schicht

90

abgewinkelte Schicht

91

abgewinkelte Schicht

92

Deckschicht

93

Harzschicht

94

innere Schicht

100

Autoklav

101

vakuumdichte Abdeckung

102

Formmulde

110

Leitungssystem

111

Harz

112

Hahn

113

Mischer

120

Injektionseinrichtung

121

Drossel

130

Vakuumpumpe
n_x

Kraftfluß in ± x-Richtung
n_y

Kraftfluß in ± y-Richtung
n_xy

Kraftfluß in xy-Richtung
n_yx

Kraftfluß in yx-Richtung
W Wand
P' (Längs-)Kraft
P Kraft
β Faserwinkel
P_inj

Injektionsdruck
P_V

Vakuumdruck
P_Ak

Autoklavendruck
P_D

Differenzdruck

Claims

1. Strukturelement mit großen unidirektionalen Steifigkeiten, bei dem unidirektionale Faserstränge (30) in Umhüllungen (40, 41, 42) vollständig eingebettet sind, die Umhüllungen mit einer Hautschale (20) verbunden sind, und ein Teil der Hautschale zu Stringern (50, 55) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine innere Gliederung im Querschnitt der Hautschale (20) vorgesehen ist, wobei in jeder Beanspruchungsrichtung senkrecht zur Hautebene Faserfestigkeiten und Fasersteifigkeiten vorgesehen sind.

2. Strukturelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hautdicke so groß gewählt ist, daß der Querschnitt unabhängig und kontinuierlich gestaltbar ist.

3. Strukturelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine längstragende Schicht (22) zur Aufnahme von Längsdehnungen und eine schubtragende Schicht (21, 23) zur Aufnahme von Schubverformungen in vorbestimmbarer Größe vorgesehen sind.

4. Strukturelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schichten miteinander verbunden sind, wobei eine Grenzschicht (24) zwischen beiden Schichten zur Aufnahme der durch die gemeinsame Verformung bedingten Kräfte vorgesehen ist.

5. Strukturelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt und die Faserorientierung der ummantelten Faserstränge (30) anwendungsspezifisch und belastungsabhängig anpaßbar und/oder angepaßt sind.

6. Strukturelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserfestigkeiten und/oder -steifigkeiten im Bereich der Faserstränge in der Umhüllung (40, 41, 42) angeordnet sind.

7. Strukturelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserfestigkeiten und/oder -steifigkeiten in Auffaltungen der Hautschale (20) oder Stringern (50, 55) vorgesehen sind.

8. Strukturelement nach einem der Ansprüche 1 bis 51 dadurch gekennzeichnet, daß die Faserfestigkeiten und/oder -steifigkeiten im Bereich des schubsteifen Laminats (21, 23) der Hautschale vorgesehen sind.

9. Strukturelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserfestigkeiten und/oder -steifigkeiten im Bereich des schubsteifen Laminats als Nähverstärkung vorgesehen sind.

10. Strukturelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasersteifigkeiten in Richtung der durch eine äußere Belastung (P) bewirkten Schnittgrößen ausgerichtet sind.

11. Strukturelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein unidirektional ausgerichteter Faserstrang (30) vorgesehen ist, dessen Orientierungen und/oder Vorzugsrichtungen der Materialeigenschaften mit dem Spannungszustand konform sind.

12. Strukturelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein anisotroper Werkstoff verwendet wird.

13. Strukturelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstränge aus kohlefaserverstärktem Kunststoff bestehen.

14. Strukturelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstränge (30) und/oder die schubsteife Hautschale (21, 23, 40, 41, 42) unabhängig voneinander dimensionierbar und den Erfordernissen anwendungsgerecht anpaßbar sind.

15. Strukturelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Trennschichten (61, 62, 63, 64) und/oder eine Fuge (60) in oder an einer aufsteigenden Hautauffaltung (50, 55) und/oder innerhalb der schubsteifen Umhüllung (40, 41, 42) eines Faserstranges (30) vorsehen sind.

16. Strukturelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserorientierung des Laminates (21, 22, 23) der Hautschale im wesentlichen ± 45° mit Winkelabweichungen von ± 10° und/oder 0° bis 25° mit Abweichungen von ± 10° beträgt.

17. Strukturelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausschnitten in belasteten Hautfeldern Längskraftflüsse um diesen Bereich herum geleitet sind.

18. Verfahren zum Herstellen von dimensionierten Faserfestigkeiten senkrecht zur Hautebene der Hautschale bei großen Strukturelementen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einem Differentialdruck arbeitendes RTM-Verfahren (Differential Pressure Resin Transfer Moulding) angewendet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein trockenes Gelege-Halbzeug in eine Formmulde des Autoklaven mittels einer Einseiten-Nähtechnik positioniert und fixiert wird, und daß das trockene Gelege-Halbzeug mit gesteuerter Fließgeschwindigkeit mit Harz benetzt wird.