DE69716422T2

DE69716422T2 - Monolitische struktur mit verbesserter rissfestigkeit

Info

Publication number: DE69716422T2
Application number: DE69716422T
Authority: DE
Inventors: H. Hunter; E. Tritsch
Original assignee: Sikorsky Aircraft Corp
Current assignee: Sikorsky Aircraft Corp
Priority date: 1996-05-31
Filing date: 1997-04-24
Publication date: 2003-06-12
Anticipated expiration: 2017-04-25
Also published as: TW345557B; DE69716422D1; EP0901450A1; JP2001503695A; CN1220639A; CN1073524C; EP0901450B1; CA2256340A1; WO1997045320A1; US5980206A

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich auf Strukturelemente, die arbeitsfähig Vibrationsbiegelasten entgegenwirken und insbesondere auf monolithische Strukturen mit verbesserten Struktureigenschaften zum Bereitstellen einer verbesserten Risstoleranz.

Hintergrund der Erfindung

In dem Bereich des Strukturenentwurfs gibt es eine beständige Suche in der Technik nach Strukturen und Materialien, welche die Eigenschaften der unbegrenzten Lebensdauer vorweisen und/oder strukturell redundant sind, für Anwendungen, in welchen ausfallsicherer Betrieb wünschenswert ist. Zum Beispiel ist es in der Luftfahrtindustrie essentiell, dass gewisse flugsicherheitskritische, mechanische Systeme, wie z. B. die Hauptrotornabenanordnung eines Drehflüglers selbst bei dem Vorliegen eines Strukturrisses oder eines Ausfalls kontinuierlich in Betrieb bleiben. Demgemäß ist es allgemeine Praxis für Konstrukteure von derartigen mechanischen Systemen, Strukturelemente mit der erforderlichen Masse und/oder Materialzusammensetzung zum Aufnehmen des vollen Spektrums der aufgetragenen Lasten anzuwenden oder alternativ Mehrelementkonstruktionen zum Bereitstellen redundanter Lastpfade im Falle eines Ausfalls eines einzelnen Elements zu verwenden.
Strukturelemente mit metallischem Aufbau bieten einfache Herstellung mittels spangebender Bearbeitung, Giessen oder Schmieden, jedoch weisen solche metallischen Strukturen typischerweise eine niedrige Risstoleranz auf. In diesem Zusammenhang ist Risstoleranz die Fähigkeit einer Struktur, einer Ermüdungsrissausbreitung zu widerstehen und - was wichtiger ist - einer derartigen, bis zum Totalausfall gehenden Ausbreitung zu widerstehen. Um dieses Materialchrakteristikum zu kompensieren, müssen die Konstrukteure sicherstellen, dass hinreichend Struktur, d. h. Materialmasse, vorhanden ist, um die Normalspannungen und die Scherspannungen auf einem Niveau zu halten, welches das Entstehen oder das schnelle Wachstum von Rissen in dem Strukturelement verhindert. Es wird gewürdigt, dass Konstruktionsmethoden, welche die Masse der Struktur erhöhen, um ausfallsicheren Betrieb zu ermöglichen, strukturell ineffizient sind. Ferner beeinflusst in einer gewichtskritischen Luftfahrzeuganwendung eine derartige strukturelle Ineffizienz den Kraftstoffverbrauch und die Flugleistung des Luftfahrzeugs nachteilig.
Fortschritte in der Materialzusammensetzung, wie solche in dem Bereich von faserverstärkten Harz-Matrix-Materialien, haben besser akzeptierbare Lösungen für die Anforderungen an Ausfallsicherheit bereitgestellt. Zum Ersten stellen die verstärkenden Fasern darin inhärent mehrfache Lastpfade bereit, insofern als die Strukturfasern als individuelle Elemente betrachtet werden können, welche in Abhängigkeit der Fasermenge oder des Faserinhalts in der Lage sind, auf die aufgetragenen Lasten redundant zu reagieren. Zum Zweiten ist der Fehlerzustand solcher Verbundmaterialien eher durch eine Delamination oder einen Matrixdefekt als durch einen Defekt quer über die strukturellen Fasern gekennzeichnet. Das bedeutet, dass sich Risse in der bindenden Matrix ausbreiten und dass sie die strukturelle Integrität der Verbundstruktur nicht signifikant verändern. Zum Letzten stellen solche Verbundstrukturen überlegene Eigenschaften bezüglich des Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht bereit, daher sind sie speziell für Luftfahrtanwendungen vorteilhaft. US-Patent 4 585 393 von Hibyan et al. offenbart eine leichtgewichtige, schadentolerante Gabelanordnung für Hubschrauber-Rotornaben, bei welcher eine Kombination von unidirektional orientierten Verbundmaterialfasern, z. B. Grafit oder Fieberglas, die gewünschte Ausfallsicherheit bereitstellt.
Während Verbandmaterialien diese und andere Strukturvorteile bieten, ist die komplexe Geometrie vieler Strukturelemente, z. B. I-Balken, T-Balken und X- Balken, oftmals finanziell für eine Herstellung aus Verbundmaterial und im Speziellen für eine automatisierte Herstellung aus Verbundmaterial ungeeignet. Yao et al. beschreiben in US-Patent 4 650 401 eine Kreuzform aus Verbundmaterial mit einem im Wesentlichen X-förmigen Querschnitt, bei welchem die Kreuzform dazu fungiert, eine Hubschrauber-Rotorblattanordnung mit einem zentralen Drehmomentantriebsnabenelement strukturell zu verbinden. Es wird gewürdigt, dass Herstellprobleme auftreten, wenn versucht wird, die Fasern in der sachgerechten Orientierung auszurichten, um die verschiedenen Lastpfade durch die Rippenbereiche der Kreuzform aufzunehmen. Demgemäß wurde ein Ausweg über ein umständliches, manuelles Auflegen von Verbundmaterialfasern geschaffen, um die gewünschte Faserorientierung zu erreichen. Alternativ werden einfache rechteckförmige Querschnitte angewendet, wie sie von Hibyan et al. angewendet werden, um die Herstellung zu vereinfachen, während die gewünschte Faserorientierung erhalten bleibt.
Während Mehrelement-Konstruktionen die Herstellung durch Verwendung einfacher Querschnittsformen zusammen mit dem Erreichen der gewünschten strukturellen Redundanz vereinfachen können, benötigen solche Konstruktionen oftmals erhöhte Platzanforderungen und eine komplizierte Montage. US-Patent 4 264 277 von McCafferty beschreibt eine Anordnung zum redundanten Haltern einer Hubschrauber-Rotorblattanordnung an einem Nabenelement, bei welchem ein Sekundärzapfen oder Bindestab innerhalb eines Hauptarms zum Aufnehmen der Rotorblattlasten für den Fall eines Ausfalls des Hauptarms angeordnet ist. Obwohl die dort offenbarte Halterungsanordnung separate Lastpfade zur Verfügung stellt, wird gewürdigt, dass eine derartige Anordnung einen großen Konstruktionsraum benötigt und eine komplizierte Montage umfasst.
Demgemäß existiert eine Notwendigkeit, ein Strukturelement zu schaffen, welches strukturell effizient und nicht komplex ist, und welches die Herstellung vereinfacht, während es die gewünschte Risstoleranz für einen ausfallsicheren Betrieb aufweist.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein monolithisches Strukturelement mit einer nicht-komplexen, strukturell effizienten Querschnittsform bereitzustellen, welches die Ausbreitung von Ermüdungsrissen verzögert.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein derartiges monolithisches Strukturelement bereitzustellen, welches aus homogenen Materialien hergestellt ist um dessen Herstellung zu vereinfachen.
Es ist ferner eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein derartiges monolithisches Strukturelement zur Verwendung in einer Hubschrauber-Rotornabenanordnung bereitzustellen, bei welchem dessen kritische Komponenten die Eigenschaften von unbegrenzter Lebensdauer aufweisen.
Es ist ferner eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein derartiges monolithisches Strukturelement zur Benutzung in einer Hubschrauber-Rotornabenanordnung bereitzustellen, wobei die geometrische Form der monolithischen Struktur einen verbesserten Freiraum zwischen den benachbarten Rotornabenanordnungs-Komponenten bereitstellt.
Diese und andere Aufgaben werden durch ein Längsstrukturelement gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 23 erreicht. Das Trägheitsverhältnis, wie es in den Ansprüchen 1 und 23 definiert ist, hat den vorteilhaften Effekt, die Rissausbreitung in dem Strukturelement zu verzögern und zu blockieren.
Die Querschnittsgestalt wie sie für die Benutzung in einer Hubschrauber-Rotornabenanordnung angepasst ist, stellt eine verbesserte Risstoleranz und einen verbesserten Freiraum zwischen den Rotornabenanordnungs-Komponenten bereit. Genauer gesagt, die Querschnittsgestalt hat eine Doppel-T- Querschnittsform und wird in Bereichen verwendet, die dem Mittelabschnitt jeder Rotor-Montagegabel und den Schersegmenten des Naben-Halteelements entsprechen. Die Doppel-T-Querschnittsform und im Speziellen die dicht zueinander beabstandeten Strukturrippen ermöglichen größere Winkelauslenkungen Schlagbewegungs-Weise zwischen der Gabel und dem Naben- Haltebauteil, wodurch eine größere Konstruktionsflexibilität und/oder Verringerung der Größe und des Gewichts der Rotornabenanordnung erreicht werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren begleitenden Merkmale und Vorteile kann an Hand der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung erreicht werden, wenn sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen betrachtet wird, bei welchen:
Fig. 1a eine perspektivische Ansicht eines monolithischen Strukturelements gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt und die repräsentativen Lasten, die auf ein solches monolithisches Strukturelement aufgebracht werden, darstellt;
Fig. 1b eine charakteristische Querschnittsansicht, welche entlang Linie 1b-1b von Fig. 1a aufgenommen wurde, darstellt;
Fig. 2 ein charakteristischer Querschnitt durch ein konventionelles C-förmiges Strukturbauteil zum Zwecke der Darstellung der Ausbreitung eines Risses oder eines Bruchs darin und der Neigung eines C-förmigen Bauteils, eine weitere Bruchausbreitung zu fördern, ist;
Fig. 3 eine charakteristische Querschnittsansicht durch das monolithische Strukturelement zum Zwecke der Darstellung der Ausbreitung eines Risses oder eines Bruchs darin und der Neigung des monolithischen Strukturelements, eine weitere Bruchausbreitung zu verzögern, ist;
Fig. 4 eine charakteristische Querschnittsansicht einer Ermüdungstest-Probe, welche die Lehre der vorliegenden Erfindung verwendet, darstellt;
Fig. 5a ein Grundelement im Querschnitt mit einem im Wesentlichen Y-förmigen Querschnitt darstellt;
Fig. 5b ein modifiziertes Y-förmiges Element im Querschnitt darstellt, welches gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung optimiert ist;
Fig. 5c ein Strukturelement in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zum Darstellen der verschiedenen alternativen Ausführungsformen davon darstellt;
Fig. 6a und 6b eine perspektivische Ansicht einer Gelenk-Rotornabenanordnung (Fig. 6a) und eine isolierte Ansicht auf eine Kombination aus Rotor- Montagegabel und Schersegment (Fig. 6b) darstellen, wobei die Rotor-Montagegabel und das Schersegment ein monolithisches Strukturelement gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung benutzen;
Fig. 6c und 6d Querschnittsansichten darstellen, die entlang der Linien 6c- 6c bzw. 6d-6d der Fig. 6b aufgenommen sind, bei welchen der Mittelabschnitt der Rotor-Montagegabel und das entsprechende Schersegment jeweils eine generell Doppel-T-förmige Querschnittsgestalt haben;
Fig. 7a und 7b eine schematische Seiten- und Oberansicht der Rotor- Montagegabel und des entsprechenden Schersegments darstellen, wobei die Doppel-T-Querschnittsgestalt einen verbesserten Freiraum zwischen der oberen und der unteren radialen Speiche der Rotor-Nabenanordnung und der Rotor-Montagegabel (Fig. 7a) und zwischen einem radialen Arm der Rotor- Montagegabel und dem entsprechenden Schersegment (Fig. 7b) bereitstellt.

Beste Art zum Ausführen der Erfindung

Es wird jetzt auf die Zeichnungen verwiesen, bei welchen gleiche Bezugszeichen sich entsprechende oder gleiche Elemente über die verschiedenen Ansichten identifizieren, wobei Fig. 1a und 1b eine exemplarische Ausführungsform eines monolithischen Strukturelements 10 gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen. In dem hierin benutzten Zusammenhang beschreibt der Ausdruck "monolithisch" eine Struktur, welche aufgebrachte Lasten mittels eines einzigen Lastpfades aufnimmt bzw. aufgetragene Lasten mittels eines einzigen Lastpfades weiterleitet. Die Querschnittsgestalt des monolithischen Strukturelements 10 ist speziell daran angepasst, strukturelle Eigenschaften bereitzustellen, welche die Ausbreitung eines Risses oder eines Bruchs verzögern oder aufhalten. Genauer gesagt, das monolithische Strukturelement ist in einer Querschnittsform ausgestaltet, so dass deren Haupt-Biegeachse vorteilhaft hinsichtlich eines Risses oder eines Bruchs positioniert ist, wodurch der Riss oder Ermüdungsbruch gezwungen wird, sich in Regionen von reduzierender Spannungsintensität auszubreiten. Die generelle Entwurfsmethodik zum Beeinflussen solcher Struktureigenschaften wird in den folgenden Absätzen diskutiert, jedoch wird, um ein Verständnis der zugrunde liegenden Prinzipien mitzuteilen, die Erfindung in dem Zusammenhang einer speziell angepassten Doppel-T-Querschnittsgestalt mit Strukturrippen in einem kritischen Abstand erläutert.
Die strukturellen Charakteristiken und funktionalen Vorteile des monolithischen Strukturelements 10 werden unter Herausnehmung der aufgebrachten Lasten, der Trägheitsmomente der Querschnittsgestalt und der Orientierung der Hauptachsen davon beschrieben. Folglich, um einen Referenzrahmen bereitzustellen, wird ein zweidimensionales XY-Koordinatensystem gezeigt, welches sich an gleicher Stelle wie der Schwerpunkt des Querschnitts befindet. Ferner, soweit die Lehren der vorliegenden Erfindung auf die charakteristische Querschnittsgestalt des Strukturelements 10 gerichtet sind, werden der Verweis auf das monolithische Strukturbauteil 10 und auf dessen Querschnittsgestalt austauschbar benutzt.
Wie gezeigt, ist das monolithische Strukturelement 10 statischen Scherlasten V und Vibrationsscherlasten V unterworfen, welche statische Biegelasten M und Vibrationsbiegelasten M um die X-Achse des Referenzkoordinatensystems erzeugen, die im Folgenden als die "Achse für aufgebrachte Lasten" bezeichnet wird. Das Strukturelement 10 hat zumindest ein Paar von Strukturrippen 14a, 14b, deren Basisbereiche 16a, 16b integral mit einem zentralen Verbindungselement 18 ausgebildet sind. Während das Verbindungselement 18 in Kombination mit seitwärts vorstehenden Seitenelementen 18a, 18b gezeigt wird, ist das Verbindungselement 18 als der Bereich definiert, der sich zwischen den Rippen 14a, 14b befindet und diese strukturell verbindet, d. h. der Bereich, der in Kombination mit den Basisbereichen 16a, 16b angeordnet ist. Die Strukturrippen 14a, 14b stehen auswärts aus dem Verbindungselement 18, z. B. im rechten Winkel zu der Achse X für aufgebrachte Lasten, hervor und sind in dem Zugspannungsfeld T angeordnet (siehe Fig. 1b), das durch die statischen und Vibrations-Biegemomentlasten M erzeugt wird. Das heißt, dass die Strukturrippen 14a, 14b auf der Seite der Achse X für aufgebrachte Lasten angeordnet sind, welche die Strukturrippen in Folge des statischen Anteils der Biegemomentlasten M in Zugspannung versetzt. Eine solche relative Anordnung ist sinnvoll, insofern als Ermüdungsbrüche tendenziell, in Zonen von Spitzen-Zugspannungen entstehen und sich in Zugspannungsyzonen ausbreiten, d. h. im Vergleich zu Druckspannungsregionen.
Die Strukturrippen 14a, 14b sind im Wesentlichen parallel zueinander und sind äquidistant zu dem Schwerpunkt CT und in der Nähe des Schwerpunkts CT des Querschnitts 10 angeordnet. In dem hierin benutzten Zusammenhang wird "in der Nähe des Schwerpunktes CT des Querschnitts" als der Normalen-Abstand DN von der Y-Achse zu der inneren Oberfläche der Strukturrippen 14a oder 14b definiert. Vorzugsweise ist dieser Abstand so klein, wie es die Herstellungskriterien und/oder Herstellungstechniken erlauben. Beispielsweise schreiben die Herstellungskriterien, die bei Sikorsky Aircraft Corp. angewendet werden, vor, dass die Breite von bearbeiteten Schlitzen zumindest ein Viertel ihrer Gesamttiefe beträgt. Dieser Standard wurde basierend auf der Krümmung von verwendeten Schneidscheiben und deren Fähigkeiten, derartige Schlitze reproduzierbar innerhalb der gewünschten Herstelltoleranzen zu bearbeiten, festgesetzt. Demgemäß wird für das zitierte Beispiel eine Strukturrippe 14a oder 14b mit einer Länge L von ungefähr 2,0 inch (5,1 cm) einen minimalen Abstand zwischen den Strukturrippen 14a, 14b von mindestens 0,5 inch (1,7 cm) benötigen und konsequenterweise einen Normalen-Abstand DN von ungefähr 1/8 der Länge L oder ungefähr 0,25 inch (0,64 cm) benötigen.
Die Erfinder entdeckten, dass geringfügige Veränderungen des Abstands und des Ortes der Strukturrippen 14a, 14b und folglich der Querschnitts-Trägheitsmomente IX, IY eine signifikante Verbesserung in Bezug auf die Verzögerung oder das Anhalten von Bruchausbreitung in dem Strukturelement 10 bewirken können. Speziell wurde festgestellt, dass eine Bruchausbreitung unterdrückt wird, wenn das Verhältnis der Trägheitsmomente IX/IY (im Folgenden als das Trägheitsmomentenverhältnis bezeichnet) größer als oder gleich 1,0 gehalten wird, wenn sich ein Bruch in einer der Strukturrippen 14a, 14b ausbreitet. Das bedeutet dass wenn sich ein Bruch in einer der Rippen 14a ausbreitet, die verbleibende Struktur dieses Trägheitsmomentenverhältnis IX/IY erzeugen muss, sogar wenn der Bruch versucht das Verhältnis zu ändern. In dem weitesten Sinn der Erfindung können die berechneten Werte von IX und IY nur auf den Beiträgen beruhen, die von den Strukturrippen 14a, 14b in Kombination mit den Beiträgen des zentralen Verbindungselements 18 erzeugt werden (im Folgenden als das "Teil-Trägheitsmomentenverhältnis" bezeichnet). Um die risstoleranten Eigenschaften des Strukturelements vollständig zu optimieren, ist das Trägheitsmomentenverhältnis für den gesamten Querschnitt vorzugsweise größer als oder gleich 1,0, d. h. einschließlich der Beiträge, welche von den angefügten Strukturen erzeugt werden, z. B. die seitwärts vorstehenden Seitenelemente 18a, 18b (im Folgenden als das "Gesamt-Trägheitsmomentenverhältnis" bezeichnet). Die Bedeutung von solchen Teil- und Gesamt-Trägheitsmomentenverhältnissen IX/IY wird in den folgenden Absätzen diskutiert.
Das Teil-/Gesamt-Trägheitsmomentenverhältnis IX/IY kann als eine geometrische Beschreibung der Querschnittsgestalt gesehen werden, welche sich direkt auf die räumliche Position und/oder Orientierung der Haupt-Biegeachsen des Querschnitts 10 bezieht. Die Haupt-Biegeachsen XP, YP sind die Achsen, um die die Trägheitsmomente bzw. das Trägheitsprodukt PXY der Querschnittsfläche null ergibt. Ferner sind das Trägheitsprodukt PXY und die Winkelorientierung θ der Hauptachsen XP, YP durch die Gleichungen 1.0 und 2.0 definiert:
Pxy = xydA (1.0)
wobei x und y die Koordinaten eines jeden differenziellen Flächenelements relativ zu dem zweidimensionalen X-, Y-Koordinatensystem sind und dA die Fläche des differenziellen Elements ist; und
θ = ¹/&sub2;tan&supmin;¹[2Pxy/(Ix - Iy)] (2.0)
ist.
Gleichung 2.0 definiert zwei Winkel, welche mit den Haupt-Trägheitsmomenten IMAX, IMIN korrespondieren, wobei einer der bestimmten Winkel das Trägheitsmoment IMAX um die Hauptachsen XP, YP maximiert und der andere das Trägheitsmoment IMIN um die Hauptachsen XP, YP minimiert.
Um ein besseres Verständnis für den Zusammenhang zwischen dem Rippenabstand/Rippenort, der räumlichen Position der Hauptachsen und der Bruchausbreitung zu erlangen, wird auf die Fig. 2 und 3 verwiesen, bei welchen ein Vergleich zwischen einer konventionellen C-förmigen Querschnittsgestalt 20 und der Querschnittsgestalt 10 der vorliegenden Erfindung gemacht wird. In Fig. 2 ist ein Riss oder Bruch 22 gezeigt, der am Punkt A in einer der Rippen 24 des C-förmigen Querschnitts entsteht und sich zu Punkten B und C davon dadurch ausbreitet dass er mehrfacher zyklischer Belastung unterworfen ist, d. h. Vibrationsbiegelasten M um die Achse X für aufgebrachte Lasten. Der Bruch 22 kann als physikalische Aufspaltung des C-Querschnitts gesehen werden, wobei am Punkt C die verbleibende Struktur 20R im Wesentlichen L-förmig ist. Anfänglich sind die Grundachsen XP, YP auf Grund der Symmetrie des Querschnitts horizontal und vertikal. Während sich der Bruch ausbreitet, drehen sich die Hauptachsen XP, YP der Struktur 20 um einen Winkel 6 und werden im Raum repositioniert, da sich der Schwerpunkt Cc auf Grund des Verlustes der Strukturrippe 24 und in Konsequenz zu dem Verlust der Querschnittssymmetrie bewegt. Obwohl die Achse X für aufgebrachte Lasten rotatorisch fest verbleibt, erzeugt der Verlust der Symmetrie Momente MXP, MYP um die Hauptachsen Xp, YP, auf Grund der inhärenten Anforderung einer Struktur, in sich selbst ein Spannungsgleichgewicht herzustellen.
Die rotatorische und räumliche Repositionierung der Hauptachsen XP, YP begünstigt eine Ausbreitung des Bruchs 22, insofern als die Spannungsintensität an jedem der Punkte A, B oder C hoch bleibt. Wie hierin benutzt, definiert die Spannungsintensität die Neigung eines Bruchs, sich in einer Struktur auszubreiten, und ist eine Funktion von MXPcY/IX + MYPcX/IY, wobei cX, cY der Separierabstand, gemessen von den Hauptachsen XP, YP zu dem Bruch 22, ist und IX und IY die Trägheitsmomente der Struktur (oder der übrig gebliebenen Struktur) um die der Hauptachsen XP bzw. YP sind. Es wird durch Prüfung der Veränderung des Hauptachsen-Ortes gewürdigt, dass die Spannungsintensität an jedem Bruchausbreitungspunkt A, B oder C hoch bleibt, insofern als solche Punkte A, B, C distal von den Grundachsen XP, YP beabstandet sind.
In Fig. 3 ist ein Bruchausbreitungsszenario analog zu dem oben Beschriebenen für die beispielhafte Doppel-T-Querschnittsgestalt 10 der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Strukturen 14a, 14b sind äquidistant zu dem Schwerpunkt CT und in der Nähe des Schwerpunkts Cr angeordnet und, wenn diese zusammen mit dem Verbindungselement 18 betrachtet werden, produzieren sie ein Teil-Trägheitsverhältnis IX/IY, welches größer oder gleich 1,0 ist. Wie gezeigt, breitet sich ein Riss oder Bruch 30 in einer der Strukturrippen 14a aus, d. h. von Punkt A nach C, wobei Punkt C mit dem Basisbereich 16a der Strukturrippe 14a korrespondiert. Das Teil-Trägheitsverhältnis, welches durch die Strukturrippen 14a, 14b und durch das Verbindungselement 18 definiert ist, bewirkt, dass sich die Grundachsen XP, YP um einen kleinen Winkel 6 drehen, während sich der Bruch 30 ausbreitet. Vorzugsweise ist die Rotation kleiner als ca. 35º, in mehr bevorzugter Weise ist sie kleiner als ca. 25º. Es wird gewürdigt, dass der Abstand CX, CY von dem Bruch 30 zu den Grundachsen XP, YP abnimmt, während sich der Bruch in der Strukturrippe 14a ausbreitet. Folglich kann ausgesagt werden, dass sich der Bruch in eine Zone reduzierender Spannungsintensität ausbreitet und dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Bruchs reduziert wird oder die Ausbreitung gestoppt wird.
Um die Bruch stoppenden Eigenschaften eines derartigen monolithischen Strukturelements 10 zu verifizieren, wurden mehrere Testproben, die einen anfänglich geschaffenen Bruch in einer der Strukturrippen aufweisen, mittels Vier-Punkt-Biegung einer Ermüdungsbeanspruchung unterzogen. Unter Bezugnahme auf Fig. 4 wird eine der Testproben gezeigt, bei welcher die Strukturrippen 14a, 14b der Testprobe in der Nähe des Schnittschwerpunkts angeordnet waren und bei welcher das Teil-Trägheitsverhältnis IX/IY, das durch die Kombination von Rippen 14a, 14b und dem zentralen Verbindungselement erzeugt wird, ungefähr 1,6 betrug. Die Testprobe wurde aus einem homogenen Polymethylmethacrylat-Material (PMMA) hergestellt und war 30,48 cm (12 inch) lang, 6,314 cm (2,486 inch) hoch und 6,35 cm (2,5 inch) breit. Ferner waren die Strukturrippen 14a, 14b jeweils ungefähr 3,43 cm (1,35 inch) lang, ungefähr 1,12 cm (0,44 inch) breit und hatten einen Abstand von ungefähr 1,27 cm (0,5 inch). Die Probe wurde einer maximalen Scherbelastung V von 336 kg (740 lbs) ausgesetzt, welche ein maximales Moment M von 334,8 Nm (2960 lbs-in) erzeugte. Unter Belastung breitete sich ein anfänglicher Eckriss oder Eckbruch 30' am Punkt A' zu Punkt B' nach 59973 Zyklen aus. Der Bruch 30' breitete sich schnell zum Punkt C' nach weiteren 31 Zyklen aus, aber die Ausbreitung verlangsamte sich danach beträchtlich. Genauer gesagt breitete sich der Bruch nach 105882 Zyklen zu Punkt D' aus und war nach 308664 Zyklen am Punkt E' wirksam gestoppt. Ermüdungstests wurden an vier zusätzlichen Proben durchgeführt, welche alle ähnliche Bruchausbreitungseigenschaften aufwiesen. Die Ergebnisse der Tests mit den Proben zeigen, dass eine solche Querschnittsgestalt 10 einen effektiven Mechanismus zum Verlangsamen des Wachstums von Brüchen, die in einer der Strukturrippen beginnen, bereitstellt. Obwohl die Bedingungen zum Stoppen einer Bruchausbreitung in Abhängigkeit von den tatsächlich auf das Strukturelement aufgebrachten Lasten variieren werden, wurden die vorteilhaften Ermüdungsbruch-Wachstumseigenschaften des Strukturelements in diesen Ermüdungstests deutlich demonstriert.
Während viele der Entwurfsmethodik-Richtlinien zuvor angesprochen wurden, werden im Folgenden diese und andere Richtlinien zum Herstellen von risstoleranten Strukturen zusammengefasst. Es wird betont, dass jede Richtlinie separat diskutiert wird, jedoch muss verstanden werden, dass die Richtlinien voneinander abhängig sind und diese zum Zweck der Optimierung iterativ untersucht werden müssen. Erstens sollen die Strukturrippen 14a, 14b in dem Zugspannungsfeld T angeordnet sein, welches durch die Biegemomente M um die Achse X für aufgebrachte Lasten erzeugt wird. Wie zuvor gesagt, ist diese Platzierung insofern sinnvoll, als dass die Bruchausbreitung sehr häufig mit Zugbelastung zusammenhängt. Vorzugsweise sollen die Strukturrippen 14a, 14b der Gesamtheit der aufgetragenen Zuglasten aufnehmen. Bezogen auf Letzteres ist es bevorzugt, zu bewirken, dass der Schwerpunkt CT des Querschnitts jenseits der Grenzen fällt, die durch das zentrale Verbindungselement 18 definiert sind, so dass Zugbelastungen hauptsächlich durch die Strukturrippen 14a, 14b aufgenommen wird. Das kann durch ein Verlängern der Rippen 14a, 14b erreicht werden, d. h. durch Erhöhung von IX, so dass der Schwerpunkt CT zu einem Ort zwischen den Strukturrippen 14a, 14b und jenseits des zentralen Verbindungselements 18 verschoben wird. Eine solche Platzierung des Schwerpunkts CT verhindert das Eindringen eines Bruchs in die Zone, die durch das zentrale Verbindungselement 18 definiert ist, und in Konsequenz den letztendlichen Ausfall des Strukturelements 10. Zum Zweiten sind die Strukturrippen 14a, 14b vorzugsweise entlang des gesamten Rippenversteifungsbereichs Rs des Querschnitts voneinander separat (siehe Fig. 1b). In dem hierin benutzten Zusammenhang ist Rippenversteifungsbereich der Bereich des Strukturelements 10, welcher hauptsächlich zu der Biegesteifigkeit der Struktur beiträgt, d. h. um die Achse X für aufgebrachte Lasten, und vorzugsweise zu mindestens etwa 20% zu der Biegesteifigkeit beiträgt. Folglich wird sich eine Bruchausbreitung in einer der Strukturrippen 14a oder 14b in Richtung zu deren entsprechenden Basisbereichen 16a oder 16b bewegen, ohne den Beitrag zur Biegesteifigkeit, der von der übrig gebliebenen Strukturrippe 14a oder 14b bereitgestellt wird, zu beeinflussen. Drittens sollen die Strukturrippen 14a, 14b so nahe wie machbar an dem Schwerpunkt CT des Querschnitts sein, so dass der Beitrag des Y-Achsen-Trägheitsmoments IY klein ist, verglichen mit dem Beitrag des X-Achsen Trägheitsmoments IX. Das Teil-Trägheitsverhältnis IX/IY der Kombination aus Strukturrippen und Verbindungselement soll größer als oder gleich ca. 1,0 gehalten werden, so dass die Drehung und/oder Veränderung der örtlichen Position der Hauptbiegeachsen minimiert ist. In optimaler Weise soll das Gesamtträgheitsverhältnis IX/IY der Querschnittsform größer als 1,0 sein.
Während Obiges die Richtlinien oder die Regeln beschreibt, welche zum Herstellen von risstoleranten Strukturen beachtet werden sollen, beschreibt Folgendes die Schritte zum Entwurf eines Strukturelements, welches (i) die erforderlichen strukturellen Anforderungen erfüllt und (ii) eine risstolerante Struktur erzeugt. Der Entwurf einer Struktur ist typischerweise durch Festigkeits- und Gewichtsanforderungen, Raumbeschränkungen und Schnittstellenanforderungen zum Anbringen des Strukturelements an anschließenden Komponenten vorgeschrieben. Beispielsweise zeigt Fig. 5a ein konventionelles Y-förmiges Strukturelement 40, welches für Festigkeit, benötigte Steifigkeit um eine Achse X für aufgebrachte Lasten und für passenden Eingriff mit einer benachbarten Komponente 42 entworfen wurde. Das versteifende Element 44 und ein Teil des zentralen Steges 46 sind in dem Zugspannungsfeld um eine Achse X für aufgebrachte Lasten angeordnet, jedoch ist, wie gezeigt, die Y-förmige Struktur 40 nicht für Risstoleranz ausgelegt. Ein Bruch 48, der in dem versteifenden Element 44 entsteht, wird sich in den zentralen Steg 46 ausbreiten und ferner bewirken, dass der Schwerpunkt CY und die Hauptachse PX vertikal verschoben werden. Folglich ist ein größerer Teil des zentralen Steges 46 der Zugbelastung ausgesetzt, so dass der Bruch 48 weiter fortschreiten kann und möglicherweise das Y-förmige Profil trennt.
In Abb. 5b wurde das versteifende Element unter Benutzung der oben beschriebenen Richtlinien umgestaltet, um eine verbesserte Risstoleranz bereitzustellen. Genauer gesagt wurde das versteifende Element so umgestaltet, dass es zumindest zwei Strukturrippen 14a, 14b bildet, so dass das Teil-Trägheitsverhältnis IX/IY der kombinierten Strukturrippen 14a, 14b und des zentralen Verbindungselements 18 größer oder gleich 1,0 ist. Hinsichtlich des umgestalteten Querschnitts 10 kann das gesamte Trägheitsverhältnis kleiner als 1,0 sein, jedoch wenn die Grundquerschnittsstruktur 40 umgestaltet wird, ist es nämlich notwendig sicherzustellen, dass das Gesamt-Trägheitsverhältnis IX/IY zumindest konstant bleibt oder vorzugsweise ansteigt. Dies kann durch Verlängerung der Strukturrippen 14a, 14b in der Richtung der Y-Achse erreicht werden (Vergrößerung von 1x), um den erhöhten Beitrag zu lv auf Grund des Abstands der Strukturrippen 14a, 14b in X-Achsen-Richtung (obwohl klein) zu kompensieren. Durch die Beibehaltung oder die Vergrößerung des Gesamt-Trägheitsverhältnisses IX/IY wird die Risstoleranz verbessert, obwohl das Gesamt- Trägheitsverhältnis IX/IY weniger als das optimale Verhältnis von 1,0 oder mehr betragen kann.
Zusammengefasst umfasst die Konstruktion von derartigen risstoleranten Strukturen die Definition einer Grundquerschnittsgestalt 40, welche die vordefinierten strukturellen und funktionellen Anforderungen erfüllt, z. B. die Spannungszulässigkeiten, die Anschlussanforderungen, etc., und die Umgestaltung der Grundquerschnittsgestalt 40, um eine modifizierte Querschnittsgestalt zu bilden, die zumindest ein Paar von Strukturrippen aufweist, welche (1) ein Teil- Trägheitsverhältnis IX/IY von zumindest 1,0 erzeugen und (ii) das Gesamt- Trägheitsverhältnis IX/IY, das dem Gesamtquerschnitt entspricht, gegenüber dem Gesamt-Trägheitsmomentenverhältnis IX/IY, das von der Grundquerschnittsgestalt definiert ist, beibehalten oder erhöhen, oder vorzugsweise (iii) ein Gesamt-Trägheitsmomentenverhältnis von 1,0 oder mehr erzeugen.
Wie im Kapitel "Hintergrund der Erfindung" diskutiert wurde, erzeugen herkömmliche Methoden, einem Strukturelement Risstoleranzen zu verleiten, Strukturzunahme, die Benutzung von faserverstärkten Verbundmaterialien oder Mehr Elementkonstruktionen. Deren Nachteile umfassen strukturelle Ineffizienz, Gewichtsnachteile, kostspielige Herstellungstechniken und komplizierte Montage. Die Lehren der vorliegenden Erfindung liefern ein monolithisches Strukturelement 10, welches risstolerant ist, ohne dass Nachteile erhöhten Gewichts erzeugt werden, die mit einer Strukturzunahme verbunden sind. Ferner kann das monolithische Strukturelement 10 unter Verwendung homogener Materialien hergestellt werden, z. B. Metall oder Kunststoff, und unter Benutzung konventioneller Herstellungstechniken, wie z. B. spangebende Bearbeitung, Giessen oder Schmieden, hergestellt werden. Es wird gewürdigt, dass solche Herstellungstechniken einstufige Formgebungsverfahren umfassen, z. B. eine spangebende Bearbeitung, die automatisiert sein können und die folglich weniger kostspielig sind als die mehrstufigen, manuellen Formgebungsverfahren, die typischerweise für Verbundmaterialstrukturen benötigt werden. Schließlich schafft das Strukturelement 10 eine einheitliche Struktur, die kein zweites oder redundantes Strukturelement benötigt, um in einer redundanten, lastaufnehmenden Funktion zu agieren. Das bedeutet, dass das Strukturelement 10 die notwendige Risstoleranz ohne das zusätzliche Gewicht und ohne die zusätzliche Komplexität, die mit Mehr Elementkonstruktionen verbunden ist, bereitstellt.
Obwohl das Strukturelement in Form eines Strukturrippen-Paars gezeigt und beschrieben wurde, wird gewürdigt, dass mehrere Rippen eingesetzt werden können. Fig. 5c zeigt ein Strukturelement 10 mit drei (3) Strukturrippen 14a, 14b und 14c, bei welchem die Rippen 14a-14c in der Nähe des Schwerpunktes CT des Profils 10 angeordnet sind. Ferner, während zwei Strukturrippen 14a, 14b äquidistant vom Schwerpunkt CT entfernt sind, fällt die Zentralrippe 14c mit der Y-Achse zusammen, und demgemäß ist sie nicht "äquidistant entfernt", wie in den vorangehenden Ausführungsformen beschrieben. Außerdem, obwohl die zuvor beschriebenen Ausführungsformen Strukturrippen 14a, 14b zeigen, welche im Wesentlichen parallel sind, d. h. mit parallelen Seitenoberflächen, wird gewürdigt, dass die Oberflächen 14as, 14bs schräg sein oder zueinander gekippt sein können.

Anwendung in einem Hubschrauber-Rotornabenanordnung

Das hier beschriebene monolithische Strukturelement ist in jeder Anwendung nützlich, in welcher Risstoleranz wünschenswert ist. Eine solche Anwendung, die eine Gelenk-Rotornabenanordnung betrifft, ist unten beschrieben, bei welcher gewisse Strukturkomponenten oder Teile davon ein monolithisches Strukturelement verwenden, d. h. eine Querschnittsgestalt, gemäß der zuvor hierin beschriebenen Lehren. Die Strukturkomponenten oder Teile davon, welche von der Querschnittsgestalt profitieren, sind diejenigen, welche hohen statischen Biegemomentenlasten und Vibrationsbiegemomentenlasten ausgesetzt sind. Während der Beschreibung der Querschnittsgestalt der Strukturkomponenten oder der Teile davon wird es die Diskussion vereinfachen, wenn die gleichen Bezugszeichen wie zuvor bestimmt verwendet werden, als die generischeren Querschnittsgestalten gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden.
In Fig. 6a ist eine Rotornabenanordnung 50 gezeigt, die ein Naben-Halteelement 52 aufweist, das zum Antreiben einer Mehrzahl von Rotorblattanordnungen 54 um eine Rotationsachse 56 betriebsfähig ist. Das Naben-Halteelement 52 weist eine Mehrzahl von radialen Speichen 60 und Schersegmenten 62 auf, welche Paare von radialen Speichen, d. h. jeweils eine obere und eine untere radiale Speiche 60a bzw. 60b, miteinander strukturell verbinden. Jedes Schersegment 62 bildet in Verbindung mit seinen entsprechenden radialen Speichen 60 einen Strukturring zum Aufnehmen einer Rotor-Montagegabel 64. Die Rotor-Montagegabel 64 ist generell C-förmig und umschreibt ringartig das entsprechende Schersegment 62. Genauer gesagt und unter Verweis auf Fig. 6a und 6b weist die Rotor-Montagegabel 64 einen Mittelabschnitt 64 m auf, welcher sich durch den entsprechenden Strukturring erstreckt, und ein Paar von radialen Armen 64a, 64b, welche auswärts aus dem Mittelabschnitt 64 m und zu beiden Seiten des Schersegmentes vorstehen, auf. Die radialen Arme 64a, 64b sind in Kombination zusammen mit dem Wurzelende der Rotorblattanordnung 54 mittels einer Zwischenmanschettenanordnung 66 angeordnet (Fig. 6a).
Zwischen dem Mittelabschnitt 64 m der Gabel 64 und dem entsprechenden Schersegment 62 ist eine achsensymmetrische, elastomerische Lagerungsanordnung 70 (in Abb. 6b nicht gezeigt) zwischengeschaltet welche eine multidirektionale Auslenkung der entsprechenden Rotorblattanordnung 54 aufnimmt. Ferner überträgt die achsensymmetrische, elastomerische Lagerungsanordnung 70 die Lasten aus der Rotorblattanordnung 54 und erzeugt dabei resultierende statische Lastvektoren und Vibrationslastvektoren V, welche statische Biegemomentlasten und Vibrationsbiegemomentlasten M auf dem Mittelabschnitt 66 m der Rotor-Montagegabel 64 m und dem entsprechenden Schersegment 62 erzeugen. Eine solche elastomerische Lagerungsanordnung 70 ist in einer anhängigen Patentanmeldung der gleichen Anmelderin, Aktenzeichen S-4901, mit dem Titel "Axisymmetric Elastomeric Beaning Assembly for Helicopter Rotors" vollständiger beschrieben.
In Fig. 6c und 6d ist die Querschnittsgestalt 10 des Mittelabschnittes 64 m der Rotor-Montagegabel 64 und das entsprechende Schersegment 62 derart gestaltet, daß sie Doppel-T-Querschnittsform bilden. Die Doppel-T-Querschnittsform ist gekennzeichnet durch die Strukturrippen 14a, 14b, die auswärts aus dem zentralen Verbindungselement 18 vorstehen, welches seitwärts vorstehende Seitenelemente 18a, 18b aufweist. In Übereinstimmung mit den zuvor beschriebenen Lehren sind die Strukturrippen 14a, 14b in dem Zugspannungsfeld angeordnet, das durch die statischen Biegemomentlasten M und Vibrationsbiegemomentlasten M erzeugt wird. Ferner befinden sich die Strukturrippen 14a, 14b äquidistant zu dem Schwerpunkt CT des Doppel-T-Querschnitts 10 und in dessen Nähe. Außerdem ist die Doppel-T-Querschnittsgestalt 10 gekennzeichnet durch ein Teil-Trägheitsmomentenverhältnis, welches größer oder gleich 1,0 ist, und für die beschriebene Ausführungsform beträgt es ca. 8,0.
Wie hierin zuvor diskutiert, stellt die spezifische Gestaltung des Doppel-T- Querschnitts eine verbesserte Risstoleranz durch Verzögern der Ermüdungsbruchausbreitung bereit. Insofern als die Rotor-Montagegabel 64 und die Schersegmente 62 durch vibratorisches Biegen hochbelastet sind und für Ermüdungsbruchausbreitung anfällig sind, sind solche Querschnittsgestalten besonders für derartige Anwendungen gut geeignet. Außerdem zeigen Ermüdungstests, dass, wenn der Doppel-T-Querschnitt 10 verwendet wird, die Rotor-Montagegabel 64 und das Naben-Halteelement 52 für unbegrenzte Lebensdauer eingestuft werden können.
Die Rotor-Montagegabel 64 und das Schersegment 62 werden vorzugsweise aus Standardmetall, z. B. Aluminium oder Titanium, konstruiert, wobei die gewünschte Doppel-T-Querschnittsgestalt 10 mittels konventioneller spangebender Bearbeitungs-, Giss-, oder Schmiedetechniken erzeugt werden kann. Solche Konstruktions- und Herstellungsmethoden sind relativ billig, verglichen mit aus Verbundmaterialien gestalteten Gabeln und/oder Naben-Halteelementen des Standes der Technik.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Risstoleranz-Vorteilen und Herstellungs-Vorteilen bietet die Querschnittsgestalt einen verbesserten Freiraum zwischen der Rotor-Montagegabel 64 und den radialen Speichen des Naben- Halteelements und/oder zwischen dem Schersegment 62 und den radialen Armen 64a, 64b der Rotor-Montagegabel. Ein derartig vergrößerter Freiraum stellt eine größere Konstruktionsflexibilität bereit und/oder ermöglicht es, dass die Rotornabenanordnung kleiner dimensioniert wird, folglich ist diese leichter und aerodynamisch effizienter. Dieses Merkmal ist schematisch in den Fig. 7a und 7b gezeigt, worin die Gabel 64 in einer stark ausgelenkten Stellung gezeigt wird, so dass sie sich in enger Nähe zu den benachbarten Komponenten der Rotornabenanordnung befindet. In Fig. 7a wird eine Seitenansicht der Gabel 64 und des Schersegments 62 dargestellt, worin gewürdigt wird, dass die Doppel-T-Querschnittsgestalt 10 und, genauer gesagt, der enge Abstand der Strukturrippen eine hohe winklige Auslenkung (in Schlagrichtung) der Rotor- Montagegabel im Vergleich zu einer konventionellen rechteckförmigen Querschnittsform, die gestrichelt dargestellt ist, erleichtert. Die Zone I zeigt die Behinderung, welche typischerweise die winklige Auslenkung der Rotor-Montagegabel 64 begrenzen würde und welche jetzt durch die Doppel-T-Querschnittsgestalt 10 der vorliegenden Erfindung umgangen wird. Ähnlich dazu wird in Fig. 7b eine Draufsicht auf das Schersegment gezeigt, worin die Doppel-T-Querschnittsgestalt 10 größere Kantenweise winklige Auslenkungen im Vergleich zu einer konventionellen C-förmigen Querschnittsgestalt 80 ermöglicht die gestrichelt dargestellt ist.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf deren exemplarische Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, soll durch Fachleute verstanden werden, dass das Vorhergehende und andere Änderungen, Auslassungen und Zusätze hierin und hierzu gemacht werden können, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Längsstrukturelement (10), des verbesserte Risstoleranz-Eigenschaften hat und betriebsfähig ist, statische Biegemomentlasten (M) und Vibrationsbiegemomentlasten (M) um eine Achse (X) für aufgebrachte Lasten aufzunehmen, wobei das Strukturelement (10) aufweist:

eine monolithische Struktur mit einer charakteristischen Querschnittsgestalt (10), die einen Schnittschwerpunkt (CT) definiert, der der Ursprung eines X- Y-Bezugskoordinatensystems ist, wobei die Querschnittsgestalt (10) ferner aufweist:

ein zentrales Verbindungselement (18), das sich im Querschnitt im Wesentlichen parallel zu der X-Achse erstreckt; und

mindestens zwei Strukturrippen (14a, 14b), die mit dem zentralen Verbindungselement (18) integral ausgebildet sind und durch dieses verbunden sind und zur gleichen Seite davon nach außen vorstehen, wobei sich die Strukturrippen (14a, 14b) in der Nähe des Schnittschwerpunkts (CT) befinden, um, bei Gebrauch in dem Zugspannungungsfeld, das durch den statischen Anteil der Biegemomentlasten (M) erzeugt wird, angeordnet zu sein;

wobei das zentrale Verbindungselement (18) und die Strukturrippen (14a, 14b) ein Trägheitsmomentenverhältnis IX/IY bilden, wobei das Trägheitsmomentenverhältnis IX/IY größer oder gleich 1,0 ist, und wobei das Trägheitsmomentenverhältnis IX/IY ein Teil-Trägheitsmomentenverhältnis ist, welches lediglich auf den Beiträgen des zentralen Verbindungselements (18) und der Strukturrippen (14a, 14b) beruht, oder ein Gesamt-Trägheitsmomentenverhältnis ist, das die Beiträge, die durch eine angefügte Struktur (18a, 18b) der Struktur geliefert werden, einschließt.

2. Strukturelement (10) nach Anspruch 1, wobei das zentrale Verbindungselement (18) seitlich vorstehende Seitenelemente (18a, 18b) aufweist und wobei das Verbindungselement (18) in Kombination mit den Strukturrippen (14a, 14b) eine Doppel-T-Querschnittsform bildet.

3. Strukturelement (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strukturrippen (14a, 14b) gleichen Abstand von dem Schnittschwerpunkt (OT) haben.

4. Strukturelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Strukturrippen (14a, 14b) parallel sind.

5. Strukturelement (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Doppel- T-förmige Querschnittsform ein Gesamt-Trägheitsmomentenverhältnis IX/IY definiert, wobei das Trägheitsmomentenverhältnis IX/IY größer oder gleich 1,0 ist.

6. Strukturelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Querschnittsgestalt (10) einen Rippenversteifungsbereich (RS) definiert, der substanziell zur Biegesteifigkeit beiträgt, und wobei die Strukturrippen (14a, 14b) entlang des gesamten Rippenversteifungsbereichs (RS) separiert sind.

7. Strukturelement (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Strukturrippen (14a, 14b) eine Länge L definieren und wobei jede der Strukturrippen (14a, 14b) einen Normalen-Abstand (DN) von dem Schwerpunkt (CT) definiert, wobei der Normalen-Abstand (DN) etwa 1/8 der Länge (L) beträgt.

8. Strukturelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die monolithische Struktur aus einem homogenen Material gebildet ist.

9. Rotoranordnungsgabel (64) zur Verwendung in Kombination mit einem Naben-Halteelement (52) einer Gelenkrotor-Nabenanordnung (50), wobei die Rotoranordnungsgabel (64) dazu ausgebildet ist, die Rotoranordnung (54) mit dem Naben-Halteelement (52) zu verbinden und die im Betrieb auf die Rotoranordnung (54) aufgebrachten zentrifugalen Lasten aufzunehmen, wobei die Rotoranordnungsgabel (64) einen Mittelabschnitt (64m) und ein Paar von sich radial erstreckenden Armen (64a, 64b) aufweist, die davon wegragen, wobei der Mittelabschnitt (64m) betriebsfähig ist, die darauf aufgebrachten statischen Biegemomentlasten (M) und Vibrations-Biegemomentlasten (M) um eine Achse X für aufgebrachte Lasten aufzunehmen, und ferner ausgestaltet ist, um eine verbesserte Risstoleranz und einen verbesserten Spielraum zwischen der Rotoranordnungsgabel (64) und den radialen Speichen (60a, 60b) des Naben-Halteelements (52) zur Verfügung zu stellen, wobei der Mittelabschnitt (64 m) der Rotoranordnungsgabel (64) gekennzeichnet ist durch,

eine monolithische Struktur mit einer Doppel-T-Querschnittsgestalt (10), wobei die Doppel-T-Querschnittsgestalt (10) einen Schnittschwerpunkt (Cr) definiert und ferner aufweist:

ein zentrales Verbindungselement (18);

Seitenelemente (18a, 18b) die seitlich von dem zentralen Verbindungselement (18) wegragen; und

mindestens ein Paar von Strukturrippen (14a, 14b), die mit dem zentralen Verbindungselement (18) integral ausgebildet sind und durch dieses verbunden sind und davon nach außen im Wesentlichen in Richtung zu dem Naben-Halteelement (52) wegragen, wobei die Strukturrippen (14a, 14b) in dem Zugspannungsfeld, das durch den statischen Anteil der Biegemomentlasten (M) erzeugt wird, angeordnet sind und in der Nähe des Schnittschwerpunktes (CT) positioniert sind;

wobei das zentrale Verbindungselement (18) und die Strukturrippen (14a, 14b) ein Trägheitsmomentenverhältnis IX/IY bilden, wobei das Trägheitsmomentenverhältnis IX/IY größer oder gleich 1,0 ist und wobei das Trägheitsmomentenverhältnis IX/IY ein Teil-Trägheitsmomentenverhältnis ist, welches Lediglich auf den Beiträgen des zentralen Verbindungselements (18) und der Strukturrippen (14a, 14b) beruht oder ein Gesamt-Trägheitsmomentenverhältnis ist, das die Beiträge, die durch eine angefügte Struktur (18a, 18b) der Struktur geliefert werden, einschließt.

10. Rotoranordnungsgabel (64) nach Anspruch 9, wobei die Strukturrippen (14a, 14b) gleichen Abstand von dem Schnittschwerpunkt (CT) haben.

11. Rotoranordnungsgabel (64) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Strukturrippen (14a, 14b) parallel sind.

12. Rotoranordnungsgabel (64) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Querschnittsgestalt (10) einen Rippenversteifungsbereich (RS) definiert, der substanziell zur Biegesteifigkeit beiträgt, und wobei die Strukturrippen (14a, 14b) entlang des gesamten Rippenversteifungsbereichs (RS) separiert sind.

13. Rotoranordnungsgabel (64) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Strukturrippen (14a, 14b) eine Länge (L) definieren und wobei jede der Strukturrippen (14a, 14b) einen Normalen-Abstand (DN) von dem Schwerpunkt (CT) definiert, wobei der Normalen-Abstand -(DN) etwa 1/8 der Länge (L) beträgt.

14. Rotoranordnungsgabel (64) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die monolithische Struktur aus einem homogenen Material gebildet ist.

15. Rotoranordnungsgabel (64) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das Teil-Trägheitsverhältnis ungefähr 8,0 beträgt.

16. Naben-Halteelement (52) zum Verbinden einer Rotoranordnungsgabel (64) einer Rotoranordnung (54) mit dem Naben-Halteelement (52) und um den im Betrieb auf die Rotoranordnung (54) aufgebrachte zentrifugale Lasten aufzunehmen, wobei das Naben-Halteelement ein Schersegment (62) aufweist, das betriebsfähig ist, die darauf aufgebrachten statischen Biegemomentlasten (M) und Vibrations-Biegemomentlasten (M)um eine Achse (X) für aufgebrachte Lasten aufzunehmen, wobei das Schersegment (62) ausgestaltet ist, um eine verbesserte Risstoleranz und einen verbesserten Spielraum zwischen dem Naben-Halteelement (52) und der Rotoranordnungsgabel (64) zur Verfügung zu stellen und ferner gekennzeichnet ist durch

eine monolithische Struktur mit einer Doppel-T-Querschnittsgestalt (10), wobei die Doppel-T-Querschnittsgestalt (10) einen Schnittschwerpunkt (CT) definiert und ferner aufweist:

ein zentrales Verbindungselement (18) mit seitlich wegragenden Seitenelementen (18a, 18b); und

mindestens ein Paar von Strukturrippen (14a, 14b), die mit dem zentralen Verbindungselement (18) integral ausgebildet sind und durch dieses verbunden sind und davon im Wesentlichen in Richtung zu der Rotoranordnung (54) wegragen, wobei die Strukturrippen (14a, 14b) in dem Zugspannungsfeld angeordnet sind, welches von dem statischen Anteil der Biegemomentlasten (M) erzeugt wird und in der Nähe des Schnittschwerpunkts (CT) positioniert sind;

und wobei das zentrale Verbindungselement (18) und die Strukturrippen (14a, 14b) ein Trägheitsmomentenverhältnis IX/IY bilden, wobei das Trägheitsmomentenverhältnis IX/IY größer oder gleich 1,0 ist, und wobei das Trägheitsmomentenverhältnis IX/IY ein Teil-Trägheitsmomentenverhältnis ist, welches lediglich auf den Beiträgen des zentralen Verbindungselements (18) und der Strukturrippen (14a, 14b) beruht, oder ein Gesamt-Trägheitsmomentenverhältnis ist, das die Beiträge, die durch eine angefügte Struktur (18a, 18b) der Struktur geliefert werden, einschließt.

17. Naben-Halteelement (52) nach Anspruch 16, wobei die Strukturrippen (14a, 14b) gleichen Abstand von dem Schnittschwerpunkt (C7) haben.

18. Naben-Halteelement (52) nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, wobei die Strukturrippen (14a, 14b) parallel sind.

19. Naben-Halteelement (52) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Querschnittsgestalt (10) einen Rippenversteifungsbereich (RS) definiert, der substanziell zur Biegesteifigkeit beiträgt, und wobei die Strukturrippen (14a, 14b) entlang des gesamten Rippenversteifungsbereichs (RS) separiert sind.

20. Naben-Halteelement (52) nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die Strukturrippen (14a, 14b) eine Länge (L) definieren und wobei jede der Strukturrippen (14a, 14b) einen Normalen-Abstand (DN) von dem Schwerpunkt (CT) definiert, und wobei der Normalen-Abstand (DN) etwa 1/8 der Länge (L) beträgt.

21. Naben-Halteelement (52) nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei die monolithische Struktur aus einem homogenen Material gebildet ist.

22. Naben-Halteelement (52) nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei das Teil-Trägheitsmomentenverhältnis ungefähr 8,0 beträgt.

23. Verfahren zum Ausbilden eines risstoleranten Strukturelementes (10), welches betriebsfähig ist, statischen Biegemomentlasten (M) und Vibrations- Biegemomentlasten (M) um eine Achse X für aufgebrachte Lasten aufzunehmen, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

Definieren eines monolithischen Strukturelements mit einer Grundquerschnittsgestalt (40), welche zuvor definierte strukturelle und funktionale Anforderungen erfüllt, wobei das monolithische Strukturelement ein Gesamt- Trägheitsverhältnis IX/IY definiert; und

Umgestalten der Grundquerschnittsgestalt (40), um eine modifizierte Querschnittsgestalt (10) mit mindestens zwei Strukturrippen (14a, 14b) zu bilden, welche von einem zentralen Verbindungselement (18) der Grundquerschnittsgestalt (40) nach außen wegragen, wobei die Strukturrippen (14a, 14b) in dem Zugspannungsfeld angeordnet sind, das von dem statischen Anteil der Biegemomentlasten (M) erzeugt wird, wobei die Strukturrippen (14a, 14b) ferner in der Nähe des Schnittschwerpunkts (CT) sind; und

wobei die modifizierte Querschnittsgestalt (10) ein Gesamt-Trägheitsverhältnis IX/IY definiert, wobei dieses Gesamt-Trägheitsverhältnis größer als oder gleich dem Gesamt-Trägheitsverhältnis IX/IY der Grundquerschnittsgestalt (40) ist.