DE102010018932B4 - Umfangsversteifung für einen Luftfahrzeugrumpf - Google Patents
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- B64C1/061—Frames
Abstract
Offenbart ist eine Umfangsversteifung für einen Rumpf eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs, das einen Verseifungsabschnitt mit einem Steg aufweist, von dem sich zumindest ein Innengurt und ein Außengurt erstrecken, wobei ein integrales Winkelprofil zur Anbindung an einen Hautabschnitt des Rumpfes vorgesehen und der Steg zur Hochachse der Umfangsversteifung angestellt ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Umfangsversteifung für einen Rumpf eines Luftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Umfangsversteifungen bzw. Spante, dienen insbesondere zur Versteifung eines Fahrzeugrumpfes, beispielsweise eines Flugzeugrumpfes, in Umfangsrichtung. Bekannte Spante werden zumeist als C- bzw. als Z-Profil mit einem Steg, von dem sich ein Innengurt und ein Außengurt erstreckt, konstruiert und sind über einen Schubkamm bzw. einen Clip mit einem Hautabschnitt des Rumpfes verbunden. Zusätzlich sind die Spante meist über Stützwinkel bzw. Cleats an jeweils einem Fußabschnitt von Längsversteifungen bzw. Stringern des Rumpfes abgestützt, die ein laterales Beulen der Spante bei hohen Druckbelastungen insbesondere auf den Innengurt verhindern sollen. Die Anbindung der Schubkämme und der Stützwinkel an die Spanten sowie an die Haut- bzw. Fußabschnitte erfolgt herkömmlicherweise über Nieten. Nachteilig an dieser bekannten Spannanbindung sind insbesondere die hohe Anzahl der Einzelteile, d. h. der Schubkämme, der Stützwinkel und der Nieten und die daraus resultierende aufwendige Montage sowie das verhältnismäßig hohe Rumpfgewicht.
- In dem US-Patent
US 7325771 B2 ist eine Spantanbindung ohne Stützwinkel gezeigt. Hierzu sind Spante mit einem symmetrischen C-Profil als faserverstärkte Verbundbauteile ausgeführt und ausschließlich über Schubkämme an ebenen rumpfseitigen Anbindungsflächen angebunden, die von jeweils sich längsseits berührenden Fußabschnitte benachbarter Längsversteifungen gebildet werden. Insbesondere bei gewichtsoptimierten und somit unsymmetrischen faserverstärkten Verbundspanten, dessen Gurte unterschiedliche Längen und/oder Dicken aufweisen, ist jedoch ein laterales Beulen der Spante bei hohen Druckbelastungen auf den Innengurt auch mit dieser Lösung nicht zu erreichen. Darüber hinaus sind weiterhin Schubkämme zur Anbindung der Spante erforderlich. Als weiterer Stand der Technik sind außerdem dieDE 39 00 167 A1 , dieFR 2 934 562 A1 EP 2 127 855 A1 und dieDE 10 2007 048 283 A1 bekannt. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Umfangsversteifung für einen Rumpf eines Luftfahrzeugs zu schaffen, das die vorgenannten Nachteile beseitigt und gegen ein laterales Beulen stabilisiert ist.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Umfangsversteifung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
- Eine erfindungsgemäße Umfangsversteifung für einen Rumpf eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeuges, hat einen Steg und zumindest einen Innengurt und einen Außengurt. Erfindungsgemäß weist die Umfangsversteifung ein integral mit dem Steg ausgebildetes Winkelprofil zur Anbindung an einen Hautabschnitt des Rumpfes auf. Darüber hinaus ist der Steg erfindungsgemäß zur Hochachse der Umfangsversteifung angestellt.
- Aufgrund der integralen Ausbildung des Winkelprofils mit dem Steg kann vollständig auf separate Schubkämme verzichtet werden. Durch die erfindungsgemäße Schrägstellung des Steges zur Umfangsversteifung wird die Lage des Schubmittelpunktes lateral verschoben, wodurch ein laterales Beulen des Profils auch bei unterschiedlich ausgeführten Innen- und Außengurten wirkungsvoll verhindert wird, so dass auf separate Stützwinkel verzichtet werden kann und die erfindungsgemäße Umfangsversteifung dennoch eine sehr hohe Stabilität gegen Beulen aufweist. Der Steg erstreckt sich im angebundenen Zustand nicht mehr rechtwinkelig zum die Umfangsversteifung aufnehmenden jeweiligen Hautabschnitt des Rumpfes sondern schräg. Somit entfällt bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht nur die Anbindung der Schubkämme an die Umfangsversteifung, sondern darüber hinaus auch die Verwendung von Stützwinkel, so dass die Montage gegenüber den bekannten Lösungen stark vereinfacht und zeitoptimiert ist. Dabei sind die Umfangsversteifungen sowohl in Metallbauweise als auch in faserverstärkter Verbundbauweise herstellbar. Die bisherigen geometrischen Profile der Umfangsversteifungen werden quasi in reelle Profile überführt.
- Die Umfangsversteifung ist besonders gegen Beulen stabilisiert, wenn sich die Gurte parallel zum jeweiligen Hautabschnitt des Rumpfs erstrecken und somit in einem Winkel ≠ 90° zum Steg angestellt sind. Dabei richtet sich ihr jeweiliges Profil vorzugsweise nach den zu erwartenden Belastungen. Somit ist grundsätzlich neben einem C-Profil eine Vielzahl unterschiedlicher Profile vorstellbar.
- Zum Beispiel kann die Umfangsversteifung als ein Z-Profil ausgeführt sein, dessen Innengurt in eine zum Außengurt entgegengesetzte Richtung zeigt.
- Ebenso kann die Umfangsversteifung als ein E-Profil mit einem Mittelgurt ausgeführt sein, der zwischen dem Innen- und dem Außengurt angeordnet ist. Der Mittelgurt bewirkt eine zusätzliche Verstärkung des Steges und erstreckt sich vorzugsweise parallel zum Außen- und zum Innengurt und somit zum jeweiligen Hautabschnitt des Rumpfes in die gleiche Richtung. Gleichzeitig kann der Mittelgurt eine Materialverjüngung und/oder laterale Verkürzung zumindest eines der beiden übrigen Gurte bewirken.
- Insbesondere erlaubt die Erfindung die Verwendung von Gurten unterschiedlicher lateraler Erstreckung und Dicke, so dass trotz unterschiedlicher Steifigkeiten der Gurte ein laterales Beulen der Umfangsversteifung sicher verhindert wird.
- Das Winkelprofil kann einen Fußschenkel und einen sich rechtwinklig von diesem erstreckenden orthogonalen Schenkel aufweisen, der integral mit dem Steg ausgebildet ist, der bei einem Ausführungsbeispiel in eine Richtung weg von dem Fußschenkel orientiert ist. Hierdurch wird der Schubmittelpunkt in lateraler Richtung betrachtet zwischen dem Flächenschwerpunkt des Fußschenkels und dem des Stegs positioniert, was eine zusätzliche Stabilisierung der Umfangsversteifung bewirkt.
- Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
- Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer schematischen Darstellung näher erläutert. Die einzige
1 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Umfangsversteifung. - Eine erfindungsgemäße Umfangsversteifung
1 zur Versteifung einer Außenhaut2 eines Flugzeugrumpfes in Umfangsrichtung y hat ein Winkelprofil4 und ein Versteifungsprofil6 . Die Umfangsversteifung1 kann als ein einzelner, einen Rumpfquerschnitt abbildender Ring oder als ein einzelnes Ringsegment ausgeführt sein, dass mit einer Vielzahl weiterer Ringsegmente einen geschlossenen Ring bildet. Das Winkelprofil4 und der Versteifungsabschnitt6 bestehen vorzugsweise aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff, beispielweise einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFRP bzw. CFK), und sind integral, d. h. einstückig, miteinander verbunden und somit in einem gemeinsamen Herstellungsprozess gefertigt. - Das Winkelprofil
4 hat einen Fußschenkel8 zur Anbindung an einen Außenhautabschnitt und einen sich rechtwinklig von dem Fußschenkel8 erstreckenden orthogonalen Schenkel10 , der sich radial zum Rumpf bzw. vom Außenhautabschnitt erstreckt und dessen freier Endabschnitt in das Versteifungsprofil6 übergeht. Der Fußschenkel8 ist beispielsweise über eine Vielzahl von in Umfangsrichtung y nebeneinander angeordneten Verbindungselementen wie Nieten12 an dem Außenhautabschnitt befestigt. Zusätzlich kann zwischen dem Fußschenkel8 und dem Außenhautabschnitt ein Klebemittel angeordnet sein. Ebenso kann der Fußschenkel8 ohne Verbindungselemente beispielsweise in einem Autoklavprozess bei Verwendung von einer duroplastischen Werkstoffmatrix oder in einem entsprechenden Pressprozess bei Verwendung von einer thermoplastischen Werkstoffmatrix mit der Außenhaut2 verschweißt bzw. verbacken sein. - Das Versteifungsprofil
6 hat einen Steg14 , einen Außengurt16 sowie einen Innengurt18 . Der Steg14 ist zur Hochachse h der Umfangsversteifung1 , die sich radial zum Rumpf bzw. vom Außenhautabschnitt erstreckt, um einen Stegwinkel α in eine Richtung weg von dem Fußschenkel8 angestellt, so dass sich der Steg14 nicht rechtwinkelig zum Außenhautabschnitt erstreckt und der Schubmittelpunkt20 der Umfangsversteifung1 gegenüber bekannten Z-förmigen Spanten lateral, d. h. entlang der Flugzeuglängsachse x, verschoben ist. Insbesondere ist der Schubmittelpunkt20 entgegengesetzt zur Flugrichtung entlang der Flugzeuglängsachse x verschoben, so dass er zwischen einem Flächenschwerpunkt des Fußschenkels8 und dem des Stegs14 positioniert ist. - Die Gurte
16 ,18 sind rechtwinkelig zur Hochachse h orientiert. Sie verlaufen parallel zueinander und insbesondere parallel zum Außenhautabschnitt2 . Sie sind endseitig des Steges14 angeordnet und erstrecken sich in entgegengesetzte Richtungen, wobei sich der Innengurt18 in Flugrichtung und der Außengurt16 entgegengesetzt zur Flugrichtung entlang der Flugzeuglängsachse x erstreckt. Die Gurte16 ,18 weisen eine lastoptimierte Erstreckung in Richtung der Hochachse h und somit eine lastoptimierte Materialstärke auf. Ebenso weisen sie eine lastoptimierte laterale Erstreckung in x-Richtung auf. In dem gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist bei gleicher Materialstärke der Außengurt16 gegenüber dem Innengurt18 lateral verkürzt ausgebildet. - Der Außengurt
16 ist im Bereich des freien Endabschnitts des orthogonalen Schenkels10 angeordnet und um einen Außengurtwinkel β < 90° zum Steg14 angestellt. - Der Innengurt
18 ist um einen Innengurtwinkel γ zum Steg14 angestellt, wobei aufgrund der Parallelität der beiden Gurte16 ,18 die Gleichung β = γ gilt. Somit bildet das Versteifungsprofil6 aufgrund der verschiedenen Gurtgeometrien ein unsymmetrisches Z-Profil und darüber hinaus aufgrund des verschobenen Schubmittelpunktes20 insbesondere ein reelles Z-Profil, dass selbst trotz der unterschiedlichen Gurtgeometrien bei hohen Druckbelastungen insbesondere auf den Innengurt18 nicht instabil wird. - Offenbart ist eine Umfangsversteifung für einen Rumpf eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs, das einen Verseifungsabschnitt mit einem Steg aufweist, von dem sich zumindest ein Innengurt und ein Außengurt erstrecken, wobei ein integrales Winkelprofil zur Anbindung an einen Hautabschnitt des Rumpfes vorgesehen und der Steg zur Hochachse der Umfangsversteifung angestellt ist.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Umfangsversteifung
- 2
- Außenhaut
- 4
- Winkelprofil
- 6
- Versteifungsprofil
- 8
- Fußschenkel
- 10
- orthogonaler Schenkel
- 12
- Niet
- 14
- Steg
- 16
- Außengurt
- 18
- Innengurt
- 20
- Schubmittelpunkt
- h
- Hochachse
- x
- Flugzeuglängsachse
- y
- Umfangsrichtung
- α
- Stegwinkel
- β
- Außengurtwinkel Innengurtwinkel
- γ
- Innengurtwinkel
Claims (8)
- Umfangsversteifung (
1 ) für einen Rumpf eines Luftfahrzeugs, das einen Steg (14 ) und zumindest einen Innengurt (18 ) und einen Außengurt (16 ) aufweist, gekennzeichnet durch ein integrales Winkelprofil (4 ) zur Anbindung an einen Hautabschnitt des Rumpfes und dadurch, dass der Steg (14 ) zur Hochachse (h) angestellt ist. - Umfangsversteifung nach Anspruch 1, wobei die Gurte (
16 ,18 ) um jeweils einen Winkel β, γ ≠ 90° zum Steg angestellt sind. - Umfangsversteifung nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die Gurte (
16 ,18 ) parallel zum Hautabschnitt erstrecken. - Umfangsversteifung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Gurte (
16 ,18 ) in entgegengesetzte Richtungen weisen. - Umfangsversteifung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Mittelgurt vorgesehen ist, der sich parallel zwischen dem Innengurt (
18 ) und dem Außengurt (16 ) erstreckt. - Umfangsversteifung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest zwei Gurte (
16 ,18 ) unterschiedliche Längen und/oder Dicken aufweisen. - Umfangsversteifung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Gurte (
16 ,18 ) identische Längen und/oder Dicken aufweisen. - Umfangsversteifung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Winkelprofil (
4 ) einen Fußschenkel (8 ) und einen sich rechtwinklig von diesem erstreckenden orthogonalen Schenkel (10 ) aufweist und der Steg (14 ) in eine Richtung weg von dem Fußschenkel (8 ) angestellt ist.
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