DE19509340A1 - Strukturelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Strukturelement in Leicht­ bauweise, insbesondere für den Einsatz in der Verkehrs­ technik.

Derartige Strukturelemente stellen beispielsweise die Tragflächen und Leitwerke von Flugzeugen dar. Mit Hilfe dieser Bauelemente werden die zum Fliegen erforder­ lichen Auf- und Abtriebskräfte erzeugt. Der Querschnitt dieser Bauelemente wird dazu benutzt, die Auftriebs­ kräfte und Abtriebskräfte zum Rumpf des Flugzeuges zu übertragen, wobei sowohl eine Kraftübertragung als auch eine Übertragung von Momenten erfolgt. Bekannt ist es, die betreffenden Bauelemente, die in der Regel eine in lotrechter Richtung oben angeordnete Oberschale und eine in lotrechter Richtung unten angeordnete Unter­ schale aufweisen, entweder aus metallischen Werkstoffen oder aus Faserverbundwerkstoffen aufzubauen. Beide Materialarten haben spezielle Eigenschaften, die bei einem Einsatz im Flugzeug sowohl Vorteile als auch Nachteile bedingen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Struk­ turelement der einleitend genannten Art derart zu kon­ struieren, daß eine gewichtssparende und kostengünstige Konstruktion durch optimale Ausnutzung der jeweiligen Werkstoffeigenschaften ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Teilbereiche dieses Strukturelementes aus mindestens einem metallischen Werkstoff und andere Teilbereiche aus mindestens einem Faserverbundwerkstoff bestehen.

Durch diese Materialkombination wird ausgenutzt, daß sich die üblicherweise in der Leichtbautechnik, insbe­ sondere im Bereich von Flugzeugkonstruktionen verwende­ ten Werkstoffe bezüglich ihrer Eigenschaften bei der Übertragung von Zug- und Druckkräften nachhaltig unter­ scheiden. Bei einem Flugzeugflügel werden die im Be­ reich der Unterseite angeordneten Werkstoffe aufgrund der Flügelbelastungen im Flug überwiegend auf Zug bean­ sprucht, die im Bereich der Flügeloberseite einge­ setzten Werkstoffe werden im Flug hingegen überwiegend druckbeaufschlagt. Bei dem Strukturelement nach der Erfindung ist es nunmehr möglich, für jeden dieser unterschiedlich beanspruchten Teilbereiche einen an die herrschenden Belastungen optimal angepaßten Werkstoff vorzusehen. Es wird somit die konventionelle Konstruk­ tionsweise verlassen, bei der für ein gesamtes Struk­ turelement, beispielsweise das gesamte Flugzeugtrag­ element, sowohl im Bereich der Oberschale als auch im Bereich der Unterschale Metall oder Faserverbundwerk­ stoffe verwendet werden.

Zur optimalen Ausnutzung der Materialeigenschaften metallischer Werkstoffe insbesondere wegen ihrer weit­ gehenden Ermüdungsfreiheit bei wiederkehrender Druck­ beaufschlagung ist gemäß der bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung vorgesehen, daß der metallische Werkstoff im überwiegend druckbeaufschlagten Teil­ bereich des Strukturelementes nach der Erfindung ein­ gesetzt wird.

Eine Nutzung günstiger Materialeigenschaften von Faser­ verbundwerkstoffen, insbesondere wegen ihrer hohen Un­ empfindlichkeit gegenüber häufig wiederkehrenden Zugbe­ anspruchungen, erfolgt dadurch, daß in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung das Faserverbundmaterial im überwiegend zugkraftbeaufschlagten Teilbereich dieses Strukturelementes eingesetzt wird.

Eine konstruktiv leichte Ausführungsform wird dadurch erreicht, daß der metallische Werkstoff aus einer Alu­ miniumlegierung besteht. Andererseits können besonders hohe Festigkeitsanforderungen dadurch erfüllt werden, daß der metallische Werkstoff aus einer Titanlegierung besteht.

Für spezielle Anwendungsfälle ist es im Rahmen der Er­ findung weiterhin möglich, als metallischen Werkstoff eine Stahllegierung vorzusehen.

Eine besonders gewichtsgünstige Konstruktion für die Erfüllung der geforderten Lebensdauer der zugbean­ spruchten Teilbereiche des erfindungsgemäßen Struktur­ elementes wird dadurch erreicht, daß der Faserverbundwerkstoff z. B. aus kohlenstoffaserver­ stärktem Kunststoff besteht.

Ein Hauptanwendungsgebiet des Strukturelementes nach der Erfindung wird dadurch erschlossen, daß dieses den Tragflügel eines Flugzeuges bildet. In gleicher Weise ist es möglich, daß ein derartiges Strukturelement als Höhenleitwerk eines Flugzeuges Verwendung findet.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung schematisch dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine Vorderansicht eines Flugzeuges mit einge­ zeichneten Kraftbelastungen im Bereich einer der Tragflächen und im Bereich des Höhenleit­ werkes und

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch einen Teil eines Strukturelementes eines solchen Flugzeuges.

Gemäß Fig. 1 ist ein Flugzeug 1 mit einem aus Trag­ flächen 2 bestehenden Tragflügel, einem Höhenleitwerk 3 sowie Triebwerken 4 ausgestattet. Das Höhenleitwerk 3 und die Tragflächen 2 sind jeweils über einen Rumpf 5 verbunden. In Fig. 2 ist am Beispiel einer der Trag­ flächen 2 dargestellt, daß sowohl das Höhenleitwerk 3 als auch die Tragflächen 2 jeweils kraftübertragende Strukturelemente bilden, die aus je einer Oberschale 6 und einer Unterschale 7 bestehen.

Im Bereich der Tragflächen 2 und des Höhenleitwerkes 3 in Fig. 1 sind jeweils Auftriebskräfte 8, 9 und Ab­ triebskräfte 10, 11 eingezeichnet, die aus der jeweili­ gen Strömungsbelastung dieser Bauelemente im Flug re­ sultieren. Im Bereich der Tragflächen 2 ist erkennbar, daß die Auftriebskräfte 8 größer als die Abtriebskräfte 10 sind. Im Bereich des Höhenleitwerkes 3 sind die Ab­ triebskräfte 11 größer als die Auftriebskräfte 9. Im Bereich der Tragflächen 2 hat dies zur Folge, daß deren Oberschale 6 überwiegend mit Drucklasten beaufschlagt wird, die Unterschale 7 jedoch überwiegend mit Zug­ lasten. Im Bereich des Höhenleitwerkes 3 liegen umge­ kehrte Verhältnisse vor.

Diejenige der Schalen 6, 7 der Tragflächen 2 sowie des Höhenleitwerks 3, die überwiegend mit Zugkräften be­ lastet wird, wird jeweils aus einem Werkstoff in Faser­ verbundbauweise ausgebildet. Andererseits wird die­ jenige Schale, die überwiegend druckbelastet wird, aus einem metallischen Werkstoff gefertigt. Für den Bereich der Tragflächen 2 bedeutet dies, daß die Oberschale 6 aus einer vorzugsweise hoch festen Metallegierung be­ steht und die Unterschale 7 aus Faserverbundwerkstoff, während im Fall des Höhenleitwerks 3 die Oberschale aus Faserverbundwerkstoff und die Unterschale aus einem Metall besteht. Als metallische Werkstoff können bei­ spielsweise Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen oder auch Stahllegierungen verwendet werden. Als faserver­ stärkte Werkstoffe kommen vorzugsweise kohlenstoffaser­ verstärkte Kunststoffe (CFK) in Frage, aber auch Bor-, Glas- oder Synthesefasern mit unterschiedlichen Träger­ materialien.

Durch eine solchermaßen angepaßte Materialauswahl an die jeweils überwiegend vorliegenden Belastungsarten ist es möglich, derartige Strukturelemente optimal zu dimensionieren und damit eine erhebliche Gewichts­ reduzierung und Kostenersparnis zu erzielen. Darüber hinaus läßt sich auf diese Weise eine verbesserte Toleranz dieser Bauteile gegenüber der Existenz von Kerben bei häufig wiederkehrenden Belastungen erreichen, die sowohl herstellungsbedingt als auch be­ triebsbedingt sein können.

In Abhängigkeit vom Einsatzzweck des jeweiligen Bau­ teils ist dabei zu analysieren, ob überwiegend Druck­ kräfte oder überwiegend Zugkräfte auftreten, und in Abhängigkeit von diesem Ergebnis wird für das be­ treffende Bauteil die geeignete Materialkombination aus metallischen Werkstoffen und faserverstärkten Werk­ stoffen festgelegt.

Claims (11)

1. Strukturelement in Leichtbauweise, insbesondere für den Einsatz in der Verkehrstechnik, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Teilbereiche (6) des Strukturele­ mentes aus wenigstens einem metallischen Werkstoff und andere Teilbereiche (7) aus einem Faserverbund­ werkstoff bestehen.

2. Strukturelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der metallische Werkstoff in über­ wiegend druckbeaufschlagten Teilbereichen (6) vor­ gesehen ist.

3. Strukturelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserverbundwerkstoff in überwiegend zugbeanspruchten Teilbereichen (7) vor­ gesehen ist.

4. Strukturelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in Form eines Flugzeugtragelementes mit einer in lot­ rechter Richtung oben angeordneten Oberschale und eine in lotrechter Richtung unten angeordnete Unterschale, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Schalen (6, 7) aus metallischem Werkstoff und die andere der Schalen (6, 7) aus Faserverbundwerkstoff besteht.

5. Strukturelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Werk­ stoff aus einer Aluminiumlegierung besteht.

6. Strukturelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Werk­ stoff aus einer Titanlegierung besteht.

7. Strukturelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Werk­ stoff aus einer Stahllegierung besteht.

8. Strukturelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserverbundwerk­ stoff aus kohlenstoffaserverstärktem Kunststoff besteht.

9. Strukturelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserverbundwerk­ stoff aus Bor-, Glas- oder Synthesefaser verstärktem Kunststoff besteht.

10. Strukturelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalen (6, 7) einen Tragflügel (2) eines Flugzeuges (1) bilden, wobei die Oberschale (6) aus metallischem Werkstoff und die Unterschale (7) aus Faserverbundwerkstoff be­ steht.

11. Strukturelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalen ein Höhen­ leitwerk (3) eines Flugzeuges (1) bilden, wobei die Oberschale aus Faserverbundwerkstoff und die Unter­ schale aus metallischem Werkstoff besteht.