Optimierung von nicht konventionellen Strukturen als Flugzeugrumpfversteifung

Die Optimierung der Flugzeugstruktur mit dem Ziel Einsparungen beim Gesamtgewicht zu erreichen, ist immer wieder Gegenstand von verschiedensten Untersuchungen. Neben dem Einsatz neuer Werkstoffe, z. B. Faserverbundwerkstoffe, kann eine Verbesserung der konventionellen metallischen Tragstruktur Gewicht sparen und damit die Betriebskosten senken. Das Ziel dieser Arbeit ist die Abschätzung des Einsparpotenzials einer Flugzeugrumpfstruktur mit nicht konventionell rechtwinkliger Versteifungsanordnung. Dadurch soll wie in der Natur beim Pflanzen- und Knochenwachstum eine ideal an die Belastung angepasste Ausnutzung der Materialien erfolgen. Eine schräg versteifte Struktur des Flugzeugrumpfes ist in der Lage dies bei Schubbelastungen zu leisten und wurde bereits vereinzelt untersucht. Im Vorfeld der Dimensionierung einer kompletten Flugzeugrumpfstruktur werden Teilstrukturanalysen mit Hilfe der Finite Elemente Methode bezüglich der hauptsächlichen Auslegungskriterien Stabilitätsversagen und Damage Tolerance, das Fortschreiten eines Risses und die Restfestigkeit einer Struktur mit einem sehr großen Schaden, durchgeführt. Diese bilden die Grundlage für die Generierung von Approximationsfunktionen mit der Response Surface Methode. Dadurch stehen der Dimensionierung einer grob modellierten Gesamtstruktur des kompletten Flugzeugs mit dem modifizierten Widemer-Tool sehr detaillierte Ergebnisse zur Verfügung. Diese sind in jedem Iterationsschritt für die aktuelle Kombination der Geometrieparameter Haut-, Versteifungsdicke und Abstand der Versteifungen abrufbar und müssen nicht rechenzeitintensiv neu berechnet werden. Für die Einschätzung des Potenzials eines neuen Strukturkonzepts mit schräg angeordneten Versteifungen wird zum Vergleich eine konventionell rechtwinklig versteifte Struktur herangezogen. Als Anwendungsbeispiel und zur Validierung der Ergebnisse des auf dem Finite Elemente Programm Ansys® basierenden Dimensionierungstools dient ein generisches Flugzeugmodell eines Airbus A320 mit einer regelmäßigen Rumpfstruktur. Die Einflüsse infolge lokaler Ausschnitte von Fenstern, Passagiertüren und Frachttoren sowie Lasteinleitungsstellen bleiben dabei unberücksichtigt. Das Gesamtmodell des Flugzeugs enthält alle relevanten Strukturbauteile inklusive der Fußbodenstrukturen, dimensioniert werden lediglich die Haut- und Versteifungselemente des Rumpfes.