DE2109692A1

DE2109692A1 - Flugelkasten fur Luftfahrzeuge in Ver bundbauweise

Info

Publication number: DE2109692A1
Application number: DE19712109692
Authority: DE
Inventors: Helmut 00 Bremen Schnell Hilmar 2870 Delmenhorst P Nußbaum
Original assignee: Vereinigte Flugtechnische Werke Fokker Gmbh, 2800 Bremen
Priority date: 1971-03-02
Filing date: 1971-03-02
Publication date: 1972-09-07
Also published as: FR2128527A1; DE2109692B2; DE2109692C3; US3780969A; FR2128527B1

Description

71-B 11-04 Bremen, den 23. Februar 1971

Mei/kl

Vereinigte Flugtechnische Werke-Fokker Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Flügelkasten für Luftfahrzeuge in Verbundbauweise

Die Erfindung betrifft einen Flügelkasten für Luftfahrzeuge in Verbundbauweise aus faserverstärktem Matrixwerkstoff mit Metallen.

Es ist bekannt, daß Strukturteile von Flugzeugen, an die besondere Steifigkeitsforderungen gestellt sind, aus Gründen der Gewichtsersparnis aus faserverstärktem Matrixwerkstoff hergestellt werden. So wurde bereits ein Höhenleitwerk aus BFK (borfaserverstärkter Kunststoff) Λ

entwickelt und erprobt. Es handelt sich dabei um ein.e Sandwich-Konstruktion, bei der ein konventioneller Titan-Rahmen beidseitig mit BFK-Decklagen mit spezieller Lagenanordnung beplankt ist. Ferner wurde bereits ein Segment eines Tragflügelkastens in einer BFK-Sandwich-Konstruktion hergestellt und geprüft. Weitere Bauteile, z.B. Landeklappen, VorflUgel und Deckel, sowie Schalenteile einer Flugzeugzelle, sind aus faserverstärktem Matrixwerkstoff gefertigt worden bzw. befinden sich im Projektstadium.

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Diese Bauteile aus faserverstärktem Matrixwerkstoff ersetzen naturgemäß zurzeit noch verwendete Metall— konstruktionen bzw. Teile von ihnen. Die physikalischen Eigenschaften dieser Katrixwerkstoffe, wie z.B. Loduli und Wärmeausdehnungskoeffizienten, sind j.e_Jia_Qh,__yer— wendeter Faserorientierung bzw. -kombination in weiten Grenzen variabel.

Aufgabe der Erfindung ist es, für den faserverstärkten I^atrixwerkstof f einen Aufbau aus Einzellagen zu finden, der eine Angleichung der physikalischen Eigenschaften des Matrixwerkstoffes an die am Verbund mitbeteiligten Metalle der Struktur ermöglicht.

Insbesondere im Hinblick auf die Erstellung eines Flügelkastens für Luftfahrzeuge soll der Strukturaufbau bestmöglich an den anisotropen Charakter des Faserwerk— stoffes und die speziellen Erfordernisse der Faser— technologie einerseits und die physikalischen Eigenschaften der am Verbund befestigten Metalle andererseits angepaßt werden.

Erfindungsgemäß ist ein Flügelkasten in Verbundbauweise dadurch gekennzeichnet, daß er

a) aus einer im Flügelquerschnitt geschlossenen Schale aus faserverstärktem Matrixwerkstoff, die die Funktionen von Flügeldecken und Holmstegen übernimmt,

b) aus geteilten, mit der Schale verklebten Metall— profilleisten, die die Aufgaben der Holmgurte übernehmen, und

c) aus metallischen Rippen besteht.

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Vorzugsweise weist der faserverstärkte Matrixwerkstoff bei Verwendung verschiedener Metalle für die Gurtprofilleisten und die Rippen in Längs- und Querrichtung unterschiedliche, den verwendeten Metallen~ä"rigepa~ßte Werte des E—Moduls auf. Dazu besteht der faserverstärkte Matrixwerkstoff aus zahlenmäßig unterschiedlichen Einzel— lagen hinsichtlich der Faserorientierung.

Insbesondere weist der faserverstärkte Matrixwerkstoff bei einem Verbund, der aus BFK-Schale, Titan-Gurtprofilen

und Aluminium—Rippen besteht, ein Lagenzahlverhaltnxs von \

V ^s V '· * i 45° = 2 : 1 : 2

auf, wobei die Faserorientierung O in Richtung der Holm— gurte verläuft. Dabei ist vorausgesetzt, daß ein schicht— weiser, zur Laminatmittelebene symmetrischer Lagenaufbau vorhanden ist.

Für den faserverstärkten Matrixwerkstoff ist die Anzahl aller Lagen einer bestimmten Faserrichtung im Laminat gleichbedeutend mit der Angabe der Gesamtschichtdicke der betreffenden Faserorientierung.

Durch eine derartige Verbundbauweise ist es möglich,* eine ^

Gewichtseinsparung von ca. 30 % zu erzielen. Dieser Vorteil wiegt in den meisten Fällen den Nachteil auf, der in den zurzeit noch sehr hohen Kosten für den faserverstärkten Matrixwerkstoff zu sehen ist.

Der erfindunßsgemäße Aufbau des Flügelkastens ermöglicht einen fast ungestörten Schubfluß in der geschlossenen Schale und eine der Fasertechnologie entsprechende Krafteinleitung aus den Anschlußstrukturen in die Schale.

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■ - 4 -

In den beigefügten Zeichnungen sind einige Beispiele für den erfindungsgeraäßen FlUgelkasten dargestellt, und zwar zeigen

Fig·. 1 schematisch einen' Flügelschnitt,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung

(teilweise geschnitten) eines Flügel— kastenstückes,

Fig. 3 die Ausbildung eines Holmgurtprofiles * für den-Anschluß der Flügelnase durch eine kombinierte Formreibschlußver— bindung und

Fig. 4 ' die Ausbildung eines Holmgurtprofils für den Anschluß der Flügelnase durch eine"Verschraubung.

Der FlUgelkasten besteht aus einer im Querschnitt geschlossenen Schale 1 aus faserverstärktem Matrixwerk— stoff (Fig. l).

Die Holmgurte 2 sind geteilt. Sie setzen sich aus mit der Laminatschale verklebten Titan-Profilen zusammen, die so angeordnet sind, daß sie die Laminatschale an den Übergängen von der Flügeldecke la zum Holmsteg Ib einschließen, so daß die Holmgurte aus mindestens zwei Einzelprofilen bestehen. Bezogen auf den Querschnitt der La— minatschale, werden die Profile 2 als innerer Holmgurt 2a bzw. als äußerer Holmgurt 2b bezeichnet, wobei der äußere Holmgurt 2b je nach dem für die Anschlußstruktur verwendeten Flügelverfahren wieder aus mehreren Einzelprofilen' bestehen kann.

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In der Fig. 2 ist ein Flügelkastenstück perspektivisch dargestellt, wobei die bereits erwähnten Teile des Flügelkastens mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Zusätzlich ist die Anordnung einer Flügelripp.e„3„dargestellt, die im allgemeinen aus einem anderen Metall als die Holmgurte hergestellt ist. Bei A ist die Faserorientierung der Einzellagen des faserverstärkten Matrix— Werkstoffes angedeutet, wobei in der X-Richtung, die der Richtung der Holmgurte entspricht, die O -Orientierung

der Faser und in der Y-Richtung, die mit der Lage der *

Rippen übereinstimmt, die 90 -Orientierung der Faser liegt. Bei Verwendung von Titan für die Holm gurte 2.a, 2b und Aluminium für die Rippen 3» soll die Anzahl der Ein— zellagen in dem faserverstärkten Matrixwerkstoff mit O -Faserorientierung doppelt so groß sein wie die Anzahl der Einzellagen mit 90 -Faserorientierung, während die Gesamtzahl der Lagen mit + 45 -Faserorientierung der Anzahl der Lagen mit 0 -Faserorientierung entspricht.

In Fig. 3 ist eine Gestaltungsmöglichkeit der Holmgurte für eine lösbare kombinierte Reibformschlußverbindung mit einem Nasenkasten 4» der ebenso wie die Endkästen meist als

lösbare Baueinheit ausgebildet ist, skizziert. Der innere ^

Holmgurt 2a und ein Teil des äußeren Holmgurtes 2c sind mit der Schale 1 verklebt. Die nach der Definition zum äußeren Holmgurt zählende lösbare Lasche 2d ist mit den übrigen Gurtteilen verschraubt und stellt zusammen mit dem Gurtteil 2c die formschlüssige Verbindung zwischen dem Nasenkasten 4, der gegebenenfalls auch in Verbundbauweise hergestellt sein kann, und der BFK-Schale 1 sicher.

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In Fig. 4 ist ebenfalls ein dreiteiliger Gurtverband 2a, 2e, 2f, angegeben. Der Nasenkasten 4 wird hier zwischen der lösbaren Lasche 2f \ind dem mit der Schale 1 verklebten Holmgurt 2e mit Hilfe einer, einfachen Schraubverbindung 5 gehalten. Der" innere Holmgurt 2a ist auch hier mit der Schale Ϊ verklebt und kann eventuell zur Aufnahme von Schälkräften zusätzlich mit dem äußeren Holmgurt 2e vernietet bzw. verschraubt sein.

Für Flügelkästen mit extrem kleiner Bauhöhe können die aufgrund ihrer Aufgabe in der Struktur als Holmstege Ib bezeichneten Schalenabschnitte völlig durch die inneren und äußeren Holmgurte eingeschlossen werden, d.h. Ober- und Untergurt werden aus nur einem Profilpaar, das sich aus dem bezüglich der Schale inneren und äußeren Profil zusammensetzt, gebildet.

Der Flügelkasten nach der Erfindung kann in an sich bekannter Weise gefertigt werden, wobei fol§ende Verfahren zur Verfügung stehen:

a) Ein möglichst konturgetreuer Kern wird durch lagen— weises Auflegen von Preprej-Tapes bzw. durch Wickeln von Einzelfäden oder Bändern aus faserverstärktem Werkstoff so beschichtet, daß eine allseitig geschlossene Laminatschale 1 entsteht. Der Kern besteht aus einem später lösbaren Stützmaterial, das die Lage der Rippen 3 und der inneren Holmgurte 2a fixiert. Mit der Aushärtung des faserverstärkten Matrixwerkstoffes werden gleichzeitig die Rippen 3 bzw. Holmgurte 2a, 2b mit der Ober- und Unterschale verklebt. So entst eht ein mit sämtlichen Einbauten versehener Röhrenkasten, bei dem nach Entfernen des StUtzkerns die weitere Bearbeitung von außen erfolgen kann.

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b) Das zweite Fertigungsverfahreh arbeitet nach dem Blasprinzip. Dabei werden auf einen mit einer Blasfolie abgedeckten Kern die Holmgurte 2a und anschließend der faserverstärkte Matrixwerkstoff durch Aufbringen der Einzellagen mit der vorgegebenen Faserorientierung angebracht. Nach dem Einbringen in eine Negativ-Form wird durch Einleiten von Luft zwischen Kern und Folie der zur Härtung nötige Druck aufgebracht. Auch bei diesem Verfahren erfolgt gleichzeitig die Verklebung der inneren Holmgurte 2a mit der Schale 1. Das Einkleben der Rippen 3 erfolgt nach dem Herauslösen des Kerns durch die offenen Stirn—' Seiten des Flügelkastens. Dabei wird der für die Klebung nötige Anpressdruck mit Hilfe einer Vorrichtung erzeugt^ die ebenfalls nach dem vorbeschriebenen Blasprinzip arbeitet.

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Claims

- 8 -Ansprüche

1. tlügelkasten für Luftfahrzeuge in Verbundbauweise, dadurch ^-—Sg ekennze. ichnet , daß er

a) aus einer in Flügelquerschnitt geschlossenen Schale (l) aus faserverstärktem Matrixwerkstoff, die die Funktionen von Flügeldecken und Holmstegen übernimmt,

b) aus geteilten, mit der Schale (l) verklebten Metallprofilleisten (2a, 2b), die die Aufgaben der Holmgurte übernehmen, und aus metallischen Rippen (3) besteht.

2. Flügelkasten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung verschiedener Metalle für die Holmgurte (2a - 2f) und die Rippen (3), der faserverstärkte Matrixwerkstoff in Längs- und Querrichtung unterschiedliche, den verwendeten Metallen angepaßte Werte des Ε-Moduls aufweist.

3· Flügelkasten nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der faserverstärkte Matrixwerkstoff aus zahlenmäßig unterschiedlichen Einzellagen hinsichtlich der Faserorientierung besteht.

k» Flügelkasten nach Anspruch 3, dadurch g e k e η n.— zeichnet , daß bei einem Verbund, bestehend aus BFK-Schale, Titan-Gurtprofilen und Aluminium-Rippen, der faserverstärkte toatrixwerkstoff ein Lagenzahlverhältnis von

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aufweist, wobei die Faserorientierung 0° in Richtung der Holmgurte verläuft. / ' ;

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