DE2109692B2

DE2109692B2 - Flügelkasten für Luftfahrzeuge in Verbundbauweise

Info

Publication number: DE2109692B2
Application number: DE2109692A
Authority: DE
Inventors: Helmut 2800 Bremen Nussbaum; Hilmar 2870 Delmenhorst Schnell
Original assignee: VEREINIGTE FLUGTECHNISCHE WERKE- FOKKER 2800 BREMEN GmbH
Current assignee: VEREINIGTE FLUGTECHNISCHE WERKE- FOKKER 2800 BREMEN GmbH
Priority date: 1971-03-02
Filing date: 1971-03-02
Publication date: 1980-08-28
Also published as: DE2109692C3; FR2128527A1; US3780969A; FR2128527B1; DE2109692A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Flügelkasten für Luftfahrzeuge in Verbundbauweise aus einer dünnwandigen Schale.

Es ist bekannt, daß Strukturteile von Flugzeugen, an die besondere Steifigkeitsforderungen gestellt sind, aus Gründen der Gewichtsersparnis aus faserverstärktem Matrix-Werkstoff hergestellt werden. So wurde bereits ein Höhenleitwerk aus BFK (borfaserverstärkter Kunststoff) entwickelt und erprobt. Es handelt sich dabei um eine 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, Vorflügel und Deckel sowie Schalenteile einer Flugzeugzelle, sind aus faserverstärktem Matrix-Werkstoff gefertigt worden bzw. befinden sich im Projektstadium.

Diese Bauteile aus faserverstärktem Matrix-Werkstoff ersetzen naturgemäß zur Zeit noch verwendete Mctallkonstruktionen bzw. Teile von ihnen. Die physikalischen Eigenschaften dieser Matrix-Werkstoffe, wie z. B. Moduli und Wärmeausdehnungskoeffizienten, sind je nach verwendeter Faserorientierung bzw. -kombination in weiten Grenzen variabel.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für den faserverstärkten Matrix-Werkstoff einen Aufbau aus Einzellagen für einen Flügelkasten der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine Anglcichung der physikalischen Eigenschaften des Matrix-Werkstoffes an die am Verbund mitbeteiligten Metalle der Struktur ermöglicht. Insbesondere soli der Strukturaufbau bestmöglich an den anisotropen Charakter des Faser-Werkstoffes und die speziellen Erfordernisse der Fasertechnologie einerseits und die physikalischen Eigenschaften der am Verbund beteiligten Metalle andererseits angepaßt werden.

Als Lösung dieser Aufgabe ist der Flügelkasten in

ίο Verbundbauweise erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die dünnwandige Schale aus einer im Flügelquerschnitt geschlossenen Laminatschale aus faserverstärkten Matrix-Werkstoff besteht, die die Funktionen von Flügeldecken und Holmstegen übernimmt, daß geteilte, im Übergangsbereich zwischen Flügeldecke und Holmsteg mit der Schale verklebte Metallprofilleisten vorgesehen sind, die die Aufgaben der Holmgurte übernehmen, daß die Flügelrippen aus einem anderen Metall als die Metallprofilleisten hergestellt sind und daß das aus dem faserverstärkten Matrix-Werkstoff bestehende Laminat in Längs- und Querrichtung unterschiedliche, den verwendeten Metallen angepaßte Werte des Ε-Moduls aufweist.
Schalen aus faserverstärktem Matrix-Werkstoff für Flügel von Luftfahrzeugen sind an sich durch die US-Patentschrift 3028292 bekannt. Diese Schalen übernehmen jedoch nicht die Funktion von Flügeldecken. Es kam ferner davon ausgegangen werden, daß Holmgurte zum Stand der Technik gehören.

Insbesondere weist der faserverstärkte Matrix-Werkstoff bei einem Verbund, der aus einer BFK-Schale, Titan-Gurtprofilen und Aluminium-Rippen besteht, ein Lagenzahlverhältnis von
I₀.:»«,.: f_±4S. = 2:1:2

auf, wobei die Faserorientierung 0° in Richtung der Holmgurlc verläuft. Dabei ist vorausgesetzt, daß ein schichtweiser, zur Laminatmittelebene symmetrischer Lagenaufbau vorhanden ist.

Für den faserverstärkten Matrix-Werkstoff 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 zur Zeit noch sehr hohen Kosten für den faserverstärkten Matrix-Werkstoff zu sehen ist.

Der erfindungsgemäße Aufbau des Flügelkastens

so ermöglicht einen fast ungestörten Schubfluß in der geschlossenen Schale und eine der Fasertechnologie entsprechende Krafteinleitung aus den Anschlußstrukturen in die Schale.

Die Erfindung ist anhand einiger Ausführungsbcispiele erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch einen Flügel,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung (teilweise geschnitten) eines Flügelkastenstückes,

M> Fig. 3 die Ausbildung eines Holmgurtprofils für den Anschluß der Flügelnase durch eine kombinierte Formreibschlußverbindung, und

Fig. 4 die Ausbildung eines Holmgurtprofils für den Anschluß der Flügclnasc durch eine Vcrschrau-

(i5 bung.

Der Flügelkasten besteht aus einer im Querschnitt geschlossenen Schale I aus faserverstärktem Matrix-Werkstoff (Fig. 1).

Die Holmgurte 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 zum Holmsteg einschließen, so daß die Holmgurte aus mindestcns zwei Einzelprofilen bestehen. Bezogen auf den Querschnitt der Laminatschale sind die Holmgurte als innerer Holmgurt la und als äußerer Holmgurt Ib ausgebildet, wobei der äußere Holmgurt 2b je nach dem für die Anschlußstruktur verwendten Flügelver- iu fahren wieuer aus mehreren Einzelprofilen bestehen kann.

Quer zu den Gurten ist eine Flügelrippe 3 angeordnet, die üblicherweise aus einem anderen Metall als die Holmgurte hergestellt ist. Bei A ist die Faserorientierung der Einzellagen des faserverstärkten Matrix-Werkstoffes angedeutet, wobei in der A"-Richtung, die der Richtung der Holmgurte entspricht, die 0°-Orientierung der Faser und in der Y-Richtung, die mit der Lage der Rippen übereinstimmt,die 80"-Orientierung der Faser liegt. Bei Verwendung von Titan für die Holmgurte la und 2b und Aluminium für die Rippen 3 soll die Anzahl der Einzellagen in dem faserverstärkten Matrix-Werkstoff mit 0 "-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^o-Faserorientierung entspricht.

In Fig. 3 ist eine Gestaltungsmöglichkeit der Holmgurte 2 für eine lösbare kombinierte Reibfo?,Tischlußverbindung mit einem Nasenkasten 4, der ebenso wie die Endkästen meist als lösbare Baueinheit ausgebildet ist, dargestellt. 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.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel (Fig. 4) wird der Nasenkasten 4 zwischen der lösbaren Lasche 2/und dem mit der Schale 1 verklebten Holmgurt 2e mit Hilfe einer einfachen Schraubverbindung 5 gehalten. Der innere Holmgurt la ist auch hier mit der Schale 1 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 Untergrut 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 folgende Verfahren zur Verfügung stehen:

a) Ein möglichst konturgetreuer Kern wird durch lagenweises Auflegen von Prepreg-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 Matrix-Werkstoffes werden gleichzeitig die Rippen 3 bzw. Holmgurte la und 2b mit der Ober- und Unterschale verklebt. So entsteht ein mit sämtlichen Einbauten versehener Röhrenkasten, bei dem nach Entfernen des Stützkerns die weitere Bearbeitung von außen erfolgen kann.

b) Das zweite Fertigungsverfahren arbeitet nach dem Blasprinzip. Dabei werden auf einen mit einer Blasfolie abgedeckten Kern die Holmgurte la und anschließend der faserverstärkte Matrix-Werkstoff 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 la mit der Schale 1. Das Einkleben der Rippen 3 erfolgt nach dem Herauslösen des Kerns durch die offenen Stirnseiten des Flügelkastens. Dabei wird der für die Klebung nötige Anpreßdruck mit Hilfe einer Vorrichtung erzeugt, die ebenfalls nach dem vorbeschriebenen Blasprinzip arbeitet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Flügelkasten für Luftfahrzeuge in Verbundbauweise aus einer dünnwandigen Schale, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die dünnwandige Schale aus einer im Flügelquerschnitt geschlossenen Laminatschale (1) aus faserverstärktem Matrix-Werkstoff besteht, die die Funktionen von Flügeldecken und Holmstegen übernimmt, daß

b) geteilte, im Ubergangsbereich zwischen Flügeldecke und Holmsteg mit der Schale (1) verklebte Metallprofilleisten (2a, 2b) vorgesehen sind, die die Aufgaben der Holmgurte übernehmen, daß

c) die Flügelrippen (3) aus Einern anderen Metall als die Metallprofilleisten hergestellt sind, und daß

d) das aus dem faserverstärkten Matrix-Werkstoff bestehende Laminat in Längs- und Querrichtung unterschiedliche, den verwendeten Metallen angepaßte Werte des E-Moduls aufweist.

2. Flügelkasten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Verbund, bestehend aus BFK-Schale, Titan-Gurtprofilen und Aluminium-Rippen, der faserverstärkte Matrix-Werkstoff ein Lagenzahlverhältnis von

'0"^:iW^:i±45=^==2:1:2

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