Flugzeugrumpf mit bionisch-wölbstrukturierter Unterstützungsstruktur

Technische Problemstellung

Flugzeugrümpfe unterliegen hohen mechanischen Belastungen durch Druck-, Biege-, Schub- und Torsionskräfte. Konventionelle Spanten-Stringer-Skin-Designs im Blechverbund aber auch im Faserverbund (z. B. Co-Bonding) stoßen an Grenzen bezüglich Stabilität, Gewicht und Fertigungsaufwand. Insbesondere lokale Beulversagen sowie ineffiziente Lastpfade behindern eine weitere Gewichtssenkung. Erforderlich ist eine Struktur mit:

• Hoher spezifischer Biegesteifigkeit und Beulsteifigkeit
• Gleichmäßiger Spannungsverteilung
• Effektiver Beulunterstützung im Sandwichaufbau
• Multifunktionaler Lastumleitung ohne zusätzliche Versteifungselemente
• Minimalem Gewicht und hoher Energieeffizienz

Herausforderung

Die Reduktion von Strukturmasse bei gleichzeitiger Erhöhung der Steifigkeit erfordert neue Leichtbauansätze. Konventionelle Sandwich-Designs benötigen aufwändige Fertigung und können lokale Instabilitäten nicht vollständig unterbinden. Zusätzlich sind anisotrope Eigenschaften hinderlich bei komplexen Lastpfaden in Flugzeugzellen.

Lösung und Ergebnis

Die bionisch-wölbstrukturierte Halbsandwich-Bauweise nutzt selbstversteifende Strukturen, die durch kontrolliertes lokales Beulen von Blechmembranen oder dünnen Faserverbundstrukturen in der Aushärtungsphase induziert werden. Der Prozess ermöglicht Strukturen, die schon ohne Sandwichverbund folgende Vorteile aufweisen:

• Bis zu 7-fache Biegesteifigkeit (gegenüber glattem Blech)
• Isotrope mechanische Eigenschaften für zielgerichtete Versteifung
• Hohe Energieabsorption (DeepHEX)
• Spannungsabbau durch lastverteilende Kernstruktur
• Beulunterstützung in Sandwichstrukturen durch gekrümmte Kerngeometrie
• Gewichtseinsparung bis zu 50 % gegenüber ebenen konventionellen Bauweisen

Anwendungspotenziale

Das Strukturprinzip eignet sich ideal für Primär- und Sekundärstrukturen im Luftfahrzeugrumpf, insbesondere für druckbelastete Sektionen und als integrale Shell-Panel-Konstruktionen. Weitere Anwendungen sind denkbar im Bereich des Dämpfungsverhaltens, zellinterner Funktionsintegration sowie sensorischer Einbettung.

Ausblick

Geplant sind Demonstratorstrukturen im Maßstab 1:1 mit Luftfahrtkunden sowie die Integration der VS-Halbsandwich-Technologie in bestehende Rumpfsegmente. Simulative und experimentelle Studien zur Knick- und Crash-Performance ergänzen die Entwicklung.