DE102007038634B3 - Impuls-absorbierendes Struktur-Bauteil - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Impuls absorbierendes Struktur-Bauteil (1), insbesondere für ein Luftfahrzeug, mit
- einer Impuls absorbierenden Schicht (4),
- einer auf der Impuls absorbierenden Schicht angebrachten Deckschicht (2), wobei das Material der Impuls absorbierenden Schicht (4) eine höhere Bruchdehnung aufweist als die Deckschicht (2), und
wobei die Impuls absorbierende Schicht (4) ein regelmäßiges Muster von Erhebungen und Vertiefungen aufweist, so dass sich beim Auftreffen eines Masseteils (M) auf der Deckschicht (2) in der Impuls absorbierenden Schicht (4) ein Fangsack (12) ausbildet, mit dem die kinetische Energie des Masseteils (M) abgebaut wird,
wobei das Struktur-Bauteil (1) - in Richtung auf die Ausbreitung des Fangsacks (12) gesehen - hinter der Impuls absorbierenden Schicht (4) eine offene Struktur aufweist, derart, dass die Ausbildung des Fangsacks (12) ohne weitere Wechselwirkung mit dem Struktur-Bauteil (1) erfolgen kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein impuls-absorbierendes Struktur-Bauteil, insbesondere für ein Luftfahrzeug.
  • Aus der DE 101 29 576 A1 ist ein Struktur-Element mit einer zwischen zwei Deckschichten eingelegten energieabsorbierenden Schicht bekannt, bei dem zumindest eine Deckschicht lasttragend ist. Die energieabsorbierende Schicht ist nur an den Rändern mit den Deckschichten verbunden. Die energieabsorbierende Schicht ist eben ausgebildet und weist eine höhere Bruchdehnung auf als die Deckschichten. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass diese zwar Impulse aufnehmen kann, dass jedoch mit einem bei gleicher Festigkeit erhöhten Gewicht oder bei gleichem Gewicht mit verminderter Festigkeit zu rechnen ist. Insbesondere ist wegen der Unterbindung der energieabsorbierenden Schicht zwischen den Deck-Schichten im Belastungsfall mit einer Kerbwirkung für letztere zu rechnen. Als energieabsorbierende Schicht wird trockenes oder harzarmes Aramid-Gewebe oder PBO verwendet, welche mit einer lasttragenden Schale verbunden ist. Dadurch können Zugkräfte quer zur Bauteil-Ebene nicht übertragen werden, so dass das Bauteil bei bestimmten Betriebslasten gefährdet ist. Außerdem können sich die beiden Deckschichten auch bei dem Auftreten von Druckkräften in der Ebene der Deck-Schalen auseinander wölben.
  • In der DE 10 2004 029 485 A1 ist ein impuls-absorbierendes Struktur-Bauteil eines Luftfahrzeugs mit zwei Deckschichten und einer zwischen diesen angeordneten Zwischenschicht offenbart, wobei das Material der Zwischenschicht derart gewählt ist, dass diese eine höhere Bruchdehnung aufweist als die der beiden Deckschichten. Die Zwischenschicht verläuft alternierend zwischen den Deckschichten, derart, dass sich beim Auftreffen eines Masseteils ein Fangsack ausbildet, mit dem die kinetische Energie des Masseteils abgebaut wird. Nachteilig an diesem Bauteil ist, dass es sehr fertigungsaufwändig ist. In Versuchen hat sich außerdem ergeben, dass die Funktionsfähigkeit des Fangsacks teilweise eingeschränkt ist, da es im Einzelfall zu Rissen im Fangsack kommt.
  • Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Impuls-absorbierendes Struktur-Bauteil zu schaffen, das mit geringem Fertigungsaufwand hergestellt werden kann, und dessen Funktionsfähigkeit mit hoher Sicherheit gewährleistet werden kann.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Bauteil weist eine dreidimensionale impuls-absorbierende Schicht auf, die ein regelmäßiges Muster von Erhebungen und Vertiefungen aufweist. Auf den Erhebungen der Impuls-absorbierenden Schicht ist eine Deckschicht aufgebracht. Die übrigen Bereiche der impuls-absorbierenden Schicht sind abgehoben von der Deckschicht. Das Material der impuls-absorbierenden Schicht weist eine höhere Bruchdehnung auf als die Deckschicht. Beim Auftreffen eines Masseteils auf der Deckschicht bildet sich in der impuls-absorbierenden Schicht ein Fangsack aus, mit dem die kinetische Energie des Masseteils abgebaut wird.
  • Erfindungsgemäß weist das Struktur-Bauteil – in Richtung auf die Ausbreitung des Fangsacks gesehen – hinter der impuls-absorbierenden Schicht eine offene Struktur auf, derart, dass die Ausbildung des Fangsacks ohne Wechselwirkung mit Elementen des Strukturbauteils erfolgen kann. Eine Beschädigung des Fangsacks wird somit ausgeschlossen, so dass seine Funktionsfähigkeit nicht eingeschränkt wird.
  • Die Deckschicht dient vor allem zur Aufnahme und Übertragung der Betriebslasten und zur Gewährleistung der Formsteifigkeit des Bauteils und weist deshalb eine höhere Festigkeit auf als die impuls-absorbierende Schicht. Jedoch trägt auch die impuls-absorbierende Schicht durch ihr Design nicht unwesentlich zur Steifigkeit des Bauteils bei.
  • Zur Erzielung einer ausreichenden Festigkeit der Struktur kann die Dicke der Deckschicht insbesondere zwischen 3 bis 5 mm gewählt werden.
  • Die Deckschicht besteht vorteilhaft aus einem kohlefaser-verstärkten Kunststoff (CFK) hoher Festigkeit. Das Fasermaterial kann dabei sowohl unidirektional oder als Gewebe oder Gewirke vorliegen.
  • Die impuls-absorbierende Schicht besteht vorteilhaft aus einem glasfaser-verstärkten Kunststoff (GFK) hoher Bruchdehnung. Das Fasermaterial liegt dabei vorteilhaft in Form von Geweben oder Gewirken vor. Die Dicke der impuls-absorbierenden Schicht wird bevorzugt im Bereich zwischen 0,5–1 mm gewählt.
  • Als Matrixmaterialien für die genannten Schichten wie auch für alle sonstigen in dieser Patentanmeldung beschriebenen faserverstärkten Schichten eignen sich insbesondere Epoxidharze und Thermoplaste.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird auf der impuls-absorbierenden Schicht eine weitere Schicht gleicher Form aufgebracht. Anders ausgedrückt: Es entsteht dadurch eine dreidimensionale, Erhebungen und Vertiefungen aufweisende Gesamtschicht, die aus zwei Teilschichten besteht, nämlich der impuls-absorbierenden Schicht und der weiteren Schicht, wobei die weitere Schicht eine geringere Bruchdehnung aufweist als die impuls-absorbierende Schicht. Die weitere Schicht ist dabei zwischen Deckschicht und impuls-absorbierender Schicht angeordnet. Sie dient insbesondere zur Erhöhung der Steifigkeit des Bauteils und kann hinsichtlich der verwendeten Materialien und ihrer Bruchdehnung der Deckschicht entsprechen.
  • Die weitere Schicht weist dabei bevorzugt eine Schichtdicke von 0,5–1,5 mm auf. Sie besteht insbesondere aus einem kohlefaser-verstärkten Kunststoff (CFK) hoher Festigkeit. Das Fasermaterial kann dabei sowohl unidirektional oder multidirektional als Gewebe oder Gewirke vorliegen.
  • Die impuls-absorbierende Schicht kann in einer solchen Ausführung die gleichen Eigenschaften aufweisen wie bei der oben beschriebenen Ausführung ohne weitere Schicht, d. h. sie weist insbesondere eine Dicke von 0,5–1,0 mm auf und besteht vorteilhaft aus einem glasfaser-verstärkten Kunststoff (GFK) hoher Bruchdehnung wobei das Fasermaterial vor allem in Form von Geweben oder Gewirken vorliegt.
  • Die impuls-absorbierende Schicht und ggf. die darauf angeordnete weitere Schicht kann insbesondere wellenförmig ausgebildet sein, wobei die einzelnen Wellenberge und Wellentäler neben einer abgerundeten Form (z. B. halbkreisförmig, sinusförmig) auch dreieckig oder trapezförmig ausgebildet sein können.
  • In weiteren Ausführungen ist die impuls-absorbierende Schicht noppenförmig oder eierkarton-förmig ausgebildet.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Struktur-Bauteil wird die Schädigung von funktionswesentlichen Bestandteilen von Luft-, Land- oder Wasserfahrzeugen oder Gerätschaften, Maschinen, Anlagen und Gebäudeteilen infolge Impulsübertragung durch Vogelschlag, hydrodynamischen Druckstoß oder Druckwellen – insbesondere durch Explosionen – verhindert.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von konkreten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Fig. näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen impuls-absorbierenden Struktur-Bauteils in der unverformten Gestalt, das als ebenes Bauteil gebildet ist; die impuls-absorbierende Schicht ist wellenförmig mit trapezförmigem Wellenquerschnitt ausgebildet;
  • 2 eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Struktur-Bauteils in Schnittdarstellung in der unverformten Gestalt, d. h. vor dem Auftreffen eines Masseteils auf das Struktur-Bauteil; die impuls-absorbierende Schicht ist wellenförmig mit abgerundetem Wellenquerschnitt ausgebildet;
  • 3 das Struktur-Bauteil nach der 2 in einer Schnittdarstellung nach dem Auftreffen des Masseteils auf das Struktur-Bauteil:
  • 4 eine schematische Schnitt-Darstellung eines Ausschnitts einer weiteren Ausführungsform eines ebenen Struktur-Bauteils in der unverformten Gestalt, bei der die impuls-absorbierende Schicht wellenförmig mit dreieckigem Wellenquerschnitt ausgebildet ist;
  • 5 eine schematische Schnitt-Darstellung eines Ausschnitts einer weiteren Ausführungsform eines ebenen Struktur-Bauteils in der unverformten Gestalt, bei der die impuls-absorbierende Schicht noppenförmig ausgebildet ist;
  • 6 eine schematische Perspektiv-Darstellung eines Ausschnitts einer weiteren Ausführungsform eines ebenen Struktur-Bauteils in der unverformten Gestalt, bei der die impuls-absorbierende Schicht eierkarton-förmig gebildet ist;
  • 7 eine perspektivische Drahtlinien-Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Struktur-Bauteils, das hier als vorderes Schalenteil eines Flugzeug-Flügels eingesetzt ist und somit als gekrümmtes Bauteil ausgebildet ist;
  • 8 eine schematische Schnitt-Darstellung eines Ausschnitts einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Struktur-Bauteils in der unverformten Gestalt, bei der auf der Impuls-absorbierenden Schicht eine zusätzliche Schicht angeordnet ist.
  • Das erfindungsgemäße Struktur-Bauteil 1 ist, wie beispielsweise aus der 1 hervorgeht, aus einer Deckschicht 2 aus CFK und einer darauf angeordneten impuls-absorbierenden Schicht 4 aus GFK gebildet. Die impuls-absorbierende Schicht 4 ist dreidimensional in der Form einer fortlaufenden ebenen Welle ausgebildet, wobei die einzelnen Wellenberge und Wellentäler im Querschnitt trapezförmig sind. Die Befestigung zwischen Deckschicht 2 und impuls-absorbierender Schicht 4 erfolgt an der der Deckschicht zugewandten Trapezseite mittels Kleben. Die Verklebung kann bereits bei der Herstellung der beiden Schichten 2, 4 erfolgen, und zwar vor der Aushärtung des Matrixmaterials.
  • Das Material der impuls-absorbierenden Schicht 4 ist derart gewählt, dass diese eine höhere Bruchdehnung aufweist als die der Deckschicht 2. Die Deckschicht 2 wird der Seite zugewandt, aus der der Einschlag eines Masseteils zu erwarten ist. Die impuls-absorbierende Schicht 4 bildet den hinteren Abschluss des Struktur-Bauteils 1, so dass der sich bei Einschlag eines Masseteils sich bildende Fangsack sich unbeeinträchtigt von sonstigen Strukturelementen ausbilden und ausbreiten kann. Es besteht somit keine Gefahr, dass der Fangsack durch Kollision mit weiteren Strukturelementen beschädigt wird.
  • Verschiedene Gestaltungsweisen der impuls-absorbierenden Schicht 4 sind in den 2, 4, 5 und 6 dargestellt. In einer ersten Alternative kann die impuls-absorbierende Schicht 4 wellenförmig gebildet sein (2 bis 4). Dabei können die Querschnitte der einzelnen Wellen abgerundet (2, 3) oder dreieckig sein (4) sein. In weiteren Ausführungsformen kann die impuls-absorbierende Schicht auch noppenförmige, über die gesamte Fläche regelmäßig verteilte Erhebungen (5) aufweisen oder nach Art eines Eierkartons (6) ausgeführt sein.
  • Durch die Formgebung der impuls-absorbierenden Schicht 4 sowie deren höherer Bruchdehnung im Vergleich zu der Deckschicht 2 wird erreicht, dass im Falle der Einwirkung eines Masseteils M auf das Struktur-Bauteil die Verzögerungs-Strecke vergrößert wird. Gleichzeitig wird erreicht, dass im Normalbetrieb das Struktur-Bauteil bzw. die impuls-absorbierende Schicht 4 Schubkräfte aus Betriebslasten übertragen kann.
  • Das Masseteil M ist generell ein räumliches Gebilde, das sich beim Einschlag mit einer nicht zu vernachlässigenden Relativ-Geschwindigkeit gegenüber dem Struktur-Bauteil 1 bewegt. Das Masseteil M kann ein Festkörper-Teil oder Festkörper-Bestandteil mit fester oder unbestimmter Struktur oder Gestalt sein. Weiterhin kann das Masseteil auch eine Menge eines Fluids, also eines Gases oder einer Flüssigkeit sein. Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Bauteils für ein Flugzeug kann es sich bei dem Fluid z. B. um einen Vogel, ein Geschoss, einen Betriebsstoff wie Treibstoff oder Hydraulik-Flüssigkeit handeln. Der Betriebsstoff kann dabei von außerhalb der Flugzeug-Struktur oder innerhalb derselben auf das Struktur-Bauteil einwirken. Letzteres kann z. B. der Fall sein, wenn Treibstoff innerhalb eines Treib stoff-Tanks aufgrund der Flugzeug-Bewegung einen Impuls auf die impuls-absorbierende Struktur, die die Tank-Wand sein kann, ausübt.
  • Das erfindungsgemäße Struktur-Bauteil 1 kann zusätzlich weitere Elemente oder Bestandteile aufweisen, wie z. B. Versteifungsrippen oder Stringer (vg. 7).
  • Im Folgenden wird die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Struktur-Bauteils 1 beim Auftreffen eines Masseteils M an Hand der 2 und 3 beschrieben:
    Es wird angenommen, dass sich das Masseteil M in einer Bewegungs-Richtung 10 auf das erfindungsgemäße Struktur-Bauteil 1 zu bewegt (2). Die Bruchdehnung der Deckschicht 2, die dem sich nähernden Masseteil M zugewandt ist, ist niedriger als die Bruchdehnung der impuls-absorbierenden Schicht 4.
  • Beim Aufprall des Masseteils M wird die Bruchdehnung der Deckschicht 2 überschritten und so ein Teil der Bewegungs-Energie des Masseteils M abgebaut. Bei einem angenommenen Maximal-Impuls des Masseteils M ist die Deckschicht 2 derart ausgelegt, dass diese durchschlagen wird. Durch das Versagen der Deckschicht 2 bildet sich eine Öffnung 11 aus (3). Dadurch wirkt das Masseteil M auf die impuls-absorbierende Schicht 4 ein. Aufgrund der Form und der höheren Bruchdehnung der impuls-absorbierenden Schicht 4 wird diese elastisch zusammengedrückt ohne jedoch zu brechen. Die Verbindung zwischen der Deckschicht 2 und der impuls-absorbierenden Schicht 4 löst sich kontrolliert, so dass sich ein Fangsack 12 ausbildet. Durch fortschreitendes Lösen von immer mehr Verbindungen zwischen Deckschicht 2 und impuls-absorbierender Schicht 4 weitet sich der Fangsack 12 immer mehr aus und die kinetische Energie wird zunehmend abgebaut.
  • Für einen vorgegebenen Maximal-Impuls sind die Bestandteile des Struktur-Bauteils, also die Deckschicht und die impuls-absorbierende Schicht 4, in ihrer Gestalt und in ihrer Bruch-Dehnung so ausgelegt, dass die kinetische Energie des Masseteils M vollständig abgebaut wird, oder zumindest auf ein solches Maß reduziert wird, dass für hinter der Struktur liegende Bereiche oder Anlagen der Schaden ein vorbestimmtes Maß nicht überschreitet.
  • In einer weiteren Ausführung gemäß 8 ist eine weitere Schicht 5 vorhanden, die auf der impuls-absorbierenden Schicht 4 aufgebracht (und zwar auf deren zur Deckschicht 2 hinweisenden Seite) und somit die gleiche Form wie diese aufweist. Diese weitere Schicht 5 entspricht hinsichtlich der verwendeten Materialien und ihrer Bruchdehnung und Festigkeit im Wesentlichen der Deckschicht 2. Sie dient insbesondere zur weiteren Erhöhung der Bauteilsteifigkeit ohne die Funktion der impuls-absorbierenden Schicht zu beeinträchtigen. Sie besteht zu diesem Zweck vorteilhaft aus CFK.
  • Die Schichtdicke der Deckschicht 2 kann in dieser Ausführung geringer gewählt werden (1–2 mm) als bei der oben beschriebenen Ausführung (3–4 mm), bei der diese weitere Schicht 5 nicht vorhanden ist.
  • Sämtliche in den 1 bis 7 dargestellte Ausführungen, die sich auf Ausführungen ohne die weitere Schicht 5, bezogen, können auch derart modifiziert werden, dass die dargestellte dreidimensionale, nicht ebene Schicht 4 zweischichtig ausgeführt wird, und zwar bestehend aus einer impuls-absorbierenden Schicht mit hoher Bruchdehnung aus GFK wie oben beschrieben und der weiteren Schicht mit geringerer Bruchdehnung bevorzugt aus CFK.

Claims (8)

  1. Impuls-absorbierendes Struktur-Bauteil (1) mit – einer impuls-absorbierenden Schicht (4), – einer auf der impuls-absorbierenden Schicht angebrachten Deckschicht (2), wobei das Material der impuls-absorbierenden Schicht (4) eine höhere Bruchdehnung aufweist als die Deckschicht (2), und wobei die impuls-absorbierende Schicht (4) ein regelmäßiges Muster von Erhebungen und Vertiefungen aufweist, so dass sich beim Auftreffen eines Masseteils (M) auf der Deckschicht (2) in der impuls-absorbierenden Schicht (4) ein Fangsack (12) ausbildet, mit dem die kinetische Energie des Masseteils (M) abgebaut wird, wobei das Struktur-Bauteil (1) – in Richtung auf die Ausbreitung des Fangsacks (12) gesehen – hinter der impuls-absorbierenden Schicht (4) eine offene Struktur aufweist, derart, dass die Ausbildung des Fangsacks (12) ohne weitere Wechselwirkung mit dem Struktur-Bauteil (1) erfolgen kann.
  2. Impuls-absorbierendes Struktur-Bauteil (1) eines Luftfahrzeugs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (2) eine Dicke zwischen 3–5 mm aufweist.
  3. Impuls-absorbierendes Struktur-Bauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der impuls-absorbierenden Schicht (4) eine weitere Schicht (5) gleicher Form aber geringerer Bruchdehnung angeordnet ist.
  4. Impuls-absorbierendes Struktur-Bauteil (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Schicht (5) zwischen Deckschicht (2) und impuls-absorbierender Schicht (4) angeordnet ist.
  5. Impuls-absorbierendes Struktur-Bauteil (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die impuls-absorbierende Schicht (4) aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff besteht.
  6. Impuls-absorbierendes Struktur-Bauteil (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern der impuls-absorbierenden Schicht (4) als Gewirke oder Gewebe vorliegen.
  7. Impuls-absorbierendes Struktur-Bauteil (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (2) und/oder die weitere Schicht (5) aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff besteht.
  8. Impuls-absorbierendes Struktur-Bauteil (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die impuls-absorbierende Schicht (4) wellenförmig mit trapezförmigen Wellenquerschnitt ausgebildet ist.
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