DE3906170A1 - Druckspant - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckspant aus Faserverbund­ werkstoffen für ein Flugzeug mit Druckrumpf.

Gegenwärtig werden die Druckspante, die den Abschluß einer bedruckten Flugzeugzelle bilden, aus Metall (meistens Alu- Legierung und Titan) in differenzierter Bauweise herge­ stellt. Aus Sicherheitsgründen werden Rißstopper eingebaut, da die verwendeten Metalle eine relativ ungünstige Rißfort­ schrittsgeschwindigkeit aufweisen. So besteht beispielsweise der zukünftige Druckspant des Airbus A330/A340 aus ca. 50 Einzelteilen.

Das Flugzeug Beechcraft Starship der amerikanischen Beech Aircraft Corporation hat einen Druckrumpf aus Faserverbund­ werkstoff. Der hintere Druckspant besteht aus einer ebenen Sandwichplatte (Wabenkern mit zwei Deckplatten) aus Kunst­ stoff. Zur Stabilisierung sind aufgebrachte Aussteifungen (Rippen) notwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Druckrumpf vorzuschla­ gen, der leicht ist, billig herzustellen und einfach einzu­ bauen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem Druck­ spant mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ausführungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein, insbesondere monolithischer, Druck­ spant in Kalottenform verwendet, die eine hohe Stabilität bei geringem Materialverbrauch und damit geringem Gewicht ergibt. Durch den flachen Übergang zum Rumpf werden die für Fasermaterialien ungünstigen rechten Winkel vermieden. An den besonders beanspruchten Randbereichen werden erfindungs­ gemäß weitere Lagen von Faserverbundwerkstoff integriert, die aus einer besonders steifen Faserart (z.B. Kohlefaser) bestehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Druckspant in Hybridbauweise hergestellt, das heißt in der Mitte werden andere Materialien (elastischere) als am Rand ver­ wendet. Diese elastischen Materialien (Kevlar) können bei Verletzungen (Beschuß, Kerben) einen Rißfortschritt ver­ hindern. Um Verbindungselemente einzusparen, kann der ge­ samte Druckspant "insitu" (das heißt in einem Arbeitsgang) im Autoklaven ausgehärtet werden.

Das günstige Rißfortschrittverhalten von FVW, die Vielfalt der Variationsmöglichkeiten hinsichtlich Faserauswahl und der örtlichen Verstärkungsmatrix, verbunden mit der Möglich­ keit der Insitu-Aushärtung, stellen technische Merkmale dar, die gegenüber einer Metallbauweise erhebliche Vorteile auf­ zeigen.

Dies sind unter anderem

• - Reduzierung der Herstellkosten um ca. 60
• - Reduzierung des Gewichts ca. 40
• - Höhere Lebensdauer
• - Bessere Damage Tolerance-Bedingungen
• - Keine Abdicht- und Dichtigkeitsprobleme
• - Geringerer Fertigungsmittel-Aufwand
• - Geringere Prüfkosten
• - Kürzere Durchlaufzeiten
• - Geringerer Investitionsaufwand.

Der erfindungsgemäße Druckspant hat die Form einer Kalotte, die an ihren Rändern eine stärkere Krümmung als im Mittel­ teil aufweist, so daß der Rand parallel zum Flugzeugrumpf verläuft, wodurch sich eine einfache, dem organischen Material angepaßte Befestigungsmöglichkeit (Einkleben, Einnieten) ergibt. Der Rand kann also - entsprechend dem Querschnitt des Flugzeugrumpfs - Zylinderform oder Kegel­ form aufweisen. Die Kegelform eignet sich besonders für den hinteren Druckspant, weil in diesem Bereich in der Regel der Flugzeugrumpf konisch zusammengeführt wird.

Die Verstärkungen am Rand werden bevorzugt durch Einlagerung weiterer Faserschichten hergestellt. Dabei werden Fasern verwendet, die die Steifigkeit erhöhen (z.B. Kohlefasern). Zum Beispiel kann der Rand mehr als doppelt so stark ausge­ bildet sein wie die Mitte der Kalotte.

Verstärkungen (Aufdickungen) können auch zusätzlich an ande­ ren Stellen vorgesehen sein, wodurch der Druckspant den je­ weiligen Anforderungen angepaßt werden kann.

Die Fasern können praktisch in allen bekannten Gelegearten verwendet werden: Gewebe, Gewirk oder unidirektionale Ge­ lege. Durch Verdrehen der einzelnen Fasergelege gegenein­ ander ergibt sich so ein homogener Aufbau. Als Fasermateria­ lien und als Harzmaterialien können alle für den Flugzeugbau bekannten Stoffe eingesetzt werden. Als besonders geeignet hat sich erwiesen: Kevlar für den Mittelbereich - und den Rand - wegen seiner Zähigkeit und der guten Elastizität, was ein besseres Rißfortschrittverhalten zeigt und Einlagern von Kohlefasern am Rand, die dort die Steifigkeit erhöhen.

Die Erfindung wird anhand einer Figur näher erläutert.

Diese Figur zeigt schematisch den Schnitt durch einen Heck­ abschnitt eines Flugzeugs 1, bei dem der Rumpf konisch zu­ sammenläuft. Der erfindungsgemäße Druckspant 2 hat im wesentlichen eine Kalottenform. Die der Druckkabine zuge­ wandte Seite (links) ist konkav. An den Rändern 2 a weicht die Form in dieser Ausführung von der Kalotte ab und ist dem Rumpfquerschnitt angepaßt, sie verläuft parallel dazu, wodurch eine leichte Befestigung durch Nieten, Verschweißen oder Verkleben am Rumpf erfolgen kann.

Der Druckspant 2 ist an den Randbereichen 2 a durch Einlagern weiterer Faserschichten verstärkt. In einer konkrekten Aus­ führung hat der Druckspant 2 einen Durchmesser von 1950 mm, einen Krümmungsradius in der Mitte von ≈ 3000 mm und einge­ lagerte Verstärkungen auf den äußeren ≈ 250 mm. In der Mitte ist der Druckspant 2 aus 10 Lagen Kevlar aufgebaut, am Rand sind zusätzlich 14 Lagen CFK eingearbeitet.

Bevorzugt wird der Druckspant in seiner Mitte aus 5 bis 15 Schichten hergestellt. Als Randverstärkungen werden bevor­ zugt 10 bis 20 Lagen hinzugefügt.

Möglich, aber nicht gezeigt, sind Ausführungen des Druck­ spants mit Aussteifungen, die je nach Anforderung aufge­ bracht werden können. Diese können zum einen durch Integra­ tion weiterer Faser/Harz-Schichten erfolgen (Aufdickungen) oder zum anderen durch Aufbringen von Stringern, Spanten oder Profilen beliebiger Art.

Das Aufbringen kann in einem Arbeitsgang - Insitu - erfolgen oder nachträglich durch herkömmliche Verbindungsmittel, z.B. durch Kleben oder Nieten. Bei dem kalottenförmigen Druck­ spant können z.B. Aussteifungsprofile in radialer Richtung auf die konvexe Seite des Körpers aufgebracht werden. Eine, nicht gezeigte, Ausführung enthält z.B. 8 Versteifungen, die radial angeordnet sind, den Mittelbereich freilassen und zum Rand des Bauteils führen.

Claims (6)

1. Druckspant (2) aus Faserverbundwerkstoff für ein Flug­ zeug (1) mit Druckrumpf, gekennzeichnet durch

• - eine Kalottenform, die am Rand fließend in eine dem Flugzeugquerschnitt entsprechende Form übergeht,
• - eine Verstärkung im Randbereich durch Einlagerung weiterer Faserschichten,
• - Verwendung von steifen Fasermaterialien (CFK) zu­ mindest in den Randverstärkungsschichten.

2. Druckspant (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er am Rand (2 a) Zylinder- oder Kegelform aufweist.

3. Druckspant (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er auch im Bereich außerhalb des Randes mit Verstärkungen oder Aufdickungen versehen ist.

4. Druckspant (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er aus gleichartigen oder unterschiedlichen Fasergeweben oder aus unidirektionalem Material hergestellt ist.

5. Druckspant (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung einer relativ ela­ stischen Faser (Kevlar) in der Mitte und die Verwendung von Kohlefasern für die Randverstärkungsschichten.

6. Druckspant (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zusätzliche Aussteifungen mit Pro­ filen aller Art, wobei der gesamte Druckspant mit den Aussteifungen in einem ausgehärtet wird (Insitu), oder die Versteifungen nachträglich und mit herkömmlichen Verbindungsverfahren befestigt wurden (monolithischer Aufbau).