DE2336541C3

DE2336541C3 - Anordnung zum Einleiten von Kräften in ein flächiges Bauteil mit Sandwichstruktur

Info

Publication number: DE2336541C3
Application number: DE2336541A
Authority: DE
Inventors: Rolf Ing.(Grad.) 8000 Muenchen Guenther
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1973-07-18
Filing date: 1973-07-18
Publication date: 1980-04-24
Also published as: FR2237760B3; GB1471573A; US3890749A; FR2237760A1; DE2336541B2; DE2336541A1

Description

Die Erfindung geht aus von einer Anordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs I angegebenen und durch die GB-PS 7 23 535 bekanntgewordenen Art.

Auf mehreren technischen Spezialgebieten wird angestrebt, flächige Bauteile in Leichtbauweise herzustellen und z. B. punktförmig in einer Weise anzulenken, daß neben einer allgemein hohen Leistungsaufnahme auch größere Sicherheit gegen Totalausfall (fail safe) lebenswichtiger Strukturen bei teilweiser Zerstörung bzw. Verletzung derselben sowie größere Ermüdungssicherheit bei Dauerbelastung erzielt werden können. Die bekannten flächig wirkenden Krafteinleitungselemente sind jedoch unzureichend, weil die eingeleiteten Kräfte nur ungleichmäßig verteilt in die Konstruktionssysteme einfließen können und daher z. B. die gefürchteten Ermüdungserscheinungen des Materials an ungleich hJher belasteten Stellen heraufbeschwören.

Bei den zu optimierenden Strukturen handelt es sich in der Regel um Bauteile, deren Außenseiter mehr oder weniger glatte, ebenflächige oder konturhaltige Deckhäute sind und deren innere Struktur die sog.

Kastenbauweise aufweist und bisher von einem eigensteifen System aus Holmen, Rippen, Stringern usw. gebildet wird (Festigkeitslehre für den Leichtbau von Dr.-Ing. Schappitz, 2. Auflage, VDJ-Verlag, Düsseldorf, 1963, S. 3 bis 5).

Im Austausch gegen Metall, Holz oder andere Werkstoffe bietet sich die Verwendung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen an, zumal diese bekanntlich den konventionellen Werkstoffen, in vieler Hinsicht überlegen sind.

Flächige Bauteile, bei deren Konstruktion die konventionellen Elemente unter Einbeziehung von Stützsystemen herangezogen wurden, werden nach neuerer Erkenntnis daher häufig in Sandwichbauweise ausgeführt. In diesen Fällen aber ist die Einleitung der Kräfte problematisch, weil Sandwichbauplatten nur dann widerstandsfähig für die Einleitung von Kräften sind, wenn größere Flächenteile sowohl der oberen als auch der unteren Deckschicht für die Anlenkung erfaßt werden können. Nur dann können Jie bei Belastung

-to wirksam werdenden Kräfte ohne Schaden auf die Anlenkpunkte übergeleitet werden.

Es sind schon metallische Verstärkungselemente für plattenförmige Kunststoffteile bekanntgeworden, bei welchem am Metallteil sich in den Kunststoff erstrek-

■i> kende Drähte befestigt sind (DE-PS 19 Il 389). Diese Verstärkiingselemente eignen sich jedoch nicht für die Einleitung von Kräften in flächige Sandwichbaustrukturen, die aus einem Wabenkern mit beiderseits aufgebrachten z. B. aufgeklebten Deckschichten bestehen, weil die geometrische Gestaltung hier eine andere ist und weil mittels des bekannten Verstärkungselementec keine kraftschlüssige Verbindung zwischen zwei Deckschichten hergestellt wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Anordnun-

>'> gen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen und durch die GB-PS 7 23 535 bekanntgewordenen Art insoweit zu verbessern, daß die einfließende Kraft gleichmäßig verteilt eingeleitet wird, damit eine gleichmäßige günstige Spannungsverteilung in der

¹⁾⁰ Konstruktion entsteht und somit Materialermüdungserscheinungen weitgehend vermieden sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei der Erfindung die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs I angegebenen Gestaltungsmerkmale vorgesehen, wobei in den Unter-

^h*' ansprüchen 2 bis 9 noch weitere für die Aufgabenlösung vorteilhafte und förderliche Weiterbildung beansprucht sind.

Ks ist zwnr durch die DE-AS 10 40 321 bei einer

Anordnung zum Verbinden eines Kunststoffteils mit einem anderen Bauteil mittels eines dem Kunststoffteil zugeordneten Befestigungsteils bekanntgeworden, das Befestigungsteil so auszubilden, daß strahlenförmig von einem Mittelteil ausgehend Befestigungslappen angeordnet sind. Es ist fernerhin bei Konstruktionen bekanntgeworden, verschweißte Verbundplatten, sog. Doppler, vorzusehen. Es ist ferner durch die US-PS 34 76 422 eine Anordnung der der Erfindung ähnlichen Art bekanntgeworden, bei der Verbinderteile zwischen zwei Deckschichten, und zwar Querteile in der Nähe eines Eckteiles, in dem die Deckschichten zusammenlaufen, gewellt sind, und zwar gewellt durch die Stauchung dieser Querteile zur genannien Eckbildung. Jedoch sind die sonstigen technischen Verhältnisse bei dem jeweiligen Stand der Technik ganz anders gelagert wie bei der Erfindung.

Der durch die Erfindung erzielte technische Fortschritt ist gegenüber dem vorstehend abgehandelten Stand der Technik insbesondere dadurch glaubhaft, da durch die Erfindungsmerkmale die duich die GB-PS 7 23 535 bekanntgewordenen und im Oberbeg-iff des Anspruchs 1 angegebenen Anordnungen insoweit verbessert werden, daß die einfließende Kraft gleichmäßig verteilt eingeleitet wird, damit eine gleichmäßig günstige Spannungsverteilung in der Konstruktion entsteht und somit Materialermüdungserscheinungen weitgehend vermieden sind.

Auch eine ausreichende Erfindunghöhe ist bei der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik dadurch gegeben, daß die Aufgabe unter geschickter Ausnutzung technischer Möglichkeiten in einfacher Weise erfolgreich gelöst wurde. Beim Stand der Technik sind nicht genügend technische Hinweise zu erkennen, die ohne weiteres auf die Gesamtheit der Lösungsmittel hinweisen. Zwar sind einzelne Gestaltungsmerkmale der Lösungsmittel bereits nahegelegt, vor allem ist jedoch die Ausführung der Stege mit in Längsrichtung mit sich gegebenenfalls abflachender Wellung und/oder variabler Wellvnstreckung durch den Stand der Technik nicht nahegelegt worden.

Die Merkmale der Erfindung und deren technischen Vorteile ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigt

F i g. 1 eint Draufsicht auf eine Ki jfteinleitungsanordnung:

F i g. 2 eine Ansicht des Anlenkbereichs der Krafteinleitungsanordnung nach Fig. 1 in Pfeilrichtung A;

Fig.3 eine Seitenansicht in Pfeilrichtung B der Anordnung nach F i g. 1;

Fig.4 und 5 die Seitenansicht von zwei verschiedenen Ausführung der Stege;

Fig.6 bis 9 die Draufsicht auf mehrere Stegformen und

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht des Anlenkbereichs der Krafteinleitungsanordnung nach Fig. 1.

Die Anordnung zur Einleitung von Kräften in flächige Bauteile mit Sandwichstruktur besteht im wesentlichen aus Verstärkungsplatten (Dopplern) als Deckschichten der Sandwichstruktur, aus mehreren zwischen den Verstärkungsplatten angeordneten und diese miteinander verbindenden Stegen und aus einem für die Weiterleitung der Kräfte geeignet ausgebildeten Anlenkbereich.

Gemäß Fig. 1 bis J sind zwischen oberen Verstärkungsplatten 10, Il und 12 und unteren Verstärkungsplatten 13, 14 und 15 gewellte Stege 1 bis 9 angeordnet.

Die Verstärkungsplatten jeder Seite überdecken einander mit abgestufter Größe, so daß nahe dem Anlenkbereich 16 Verstärkungsplatten 10,11 und 12 der Ober- bzw. 13, 14 und 15 der Unterseite übereinanderlappen.

Die Stege 1 bis 9 können aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen oder aus anderen geeigneten Werkstoffen bestehen. In Richtung zum Anlenkbereich 16 werden sie stufenweise um die Dicke der

ίο vorhandenen Verstärkungsplatte 10bis 12 bzw. 13 bis 15 schmaler (F i g. 3 und 5). Die Zwischenräume zwischen den Stegen 1 bis 9 und den Verstärkungsplatten 10 bis 15 sind u. a. zur Erhöhung der Festigkeit und zur Erleichterung der Fertigung des gesamten Bauteils mit einem Wabenkern 18 z.B. aus Hartschaum oder ähnlichem (F ig. 1) ausgefüllt.

Im Anlenkbereich 16 sind alle Stege 1 bis 9 zusammengeführt und in einer gemeinsamen Bohrung 19, welche in der Plattenebene verläuft, mittels einer Büchse 20 gehalten. Beide Enden öe.r Büchse 20 durchsetzen die Mittelstege 21, 22 von U-förmigen Beschlagen 23,24, an deren rechtwinklig umgebogenen Rändern die Verstärkungsplatten 12 bzw. 15 fixiert sind.

Wie F i g. 4 und 5 zeigen, ist die Breite der Stege 25 und 26 entweder verlaufend (F i g. 4) oder in Stufen 27 bis 29 (F i g. 5) entsprechend der Stärke und Anzahl der aufliegenen Verstärkungsplatten 10 bis 15 (Fig. 1) in Richtung zum Anlenkbereich reduziert.

Die Fig.6 bis 9 zeigen in Draufsicht verschiedene Ausbildu.nesformen für Stege.

Die Stege können aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, vorzugsweise aber sind sie aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen aufgebaut. Zu ihrer Versteifung ist es vorgesehen, mehrere Schichten aufeinander zu legen und z. B. mittels Diffusionsschweißung miteinander zu verbinden.

Die Wellung der Stege kann, wie es in Fig.6 dargestellt ist, völlig gleichmäßig verlaufen. Statt einer Wellung ist in manchen Fällen jedoch ein konischer Verlauf der Stegdicke zweckmäßig. Eine solche Ausführungsform ist in F i g. 7 dargestellt.

In anderen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Wellung der Stege unregelmäßig zu gestalten, um sie dem Verlauf der wirksamen Kräfte anzupassen. Oft sind Formen vorteilhaft, wie sie beispielsweise in den F: g. 8 und 9 dargestellt sind. Am trapezförmigen gebogenen Steg nach Fig.9 sind Laschen 30 ausgeformt, die rechtwinklig zur Stegfläche verlaufen und eine gute Befestigung des Stegs ermöglichen.

Ein Steg kann dabei aus einer einzigen ggf. faserverstärkten Werkstoffschicht bestehen. Sein abgebogener Rand bildet dann als Leiste einen Klebefalz bei der Befestigung des Stegs zwischen einer oberen und einer unteren Sandwich-Deckschicht.

Es sind auch z. B. zweischichtige Stege möglich, bei denen zwischen ggf. faserverstärkten Werkstoi'fschichten ein als Lasche dienendes Blech eingeklemmt und mit den beiden Schichten verschweißt wird. Nach Umbiegen dient diese Lasche zur Befestigung des Stegs

ho zwischen einer oberen und einer unteren Deckschicht.

Fig. iO zeigt einen Anlenkbereich 37 in perspektivischer Sicht. Die zu einer Materialanhäufung 38 zusammengeiaQten Stegenden weisen eine gemeinsame Bohrung 47 auf, welche von einer Büchse 48 durchsetzt

*" wird. Letztere durchsetzt zugleich die Mittelstege zweier U-förmiger Beschläge 49, 50, deren seitliche Schenkel auf ihren Außenseiten 51 bis 54 zum Fixieren der nicht gezeichneten Verstärkungsplatten genutzt

werden.

Diese Anwendungsmögliehkciten der Krafteinleitungsanordnung sind überall gegeben, wo starke Kräfte auf großflächige Sandwichbauteile einwirken, also /. B. im Flugzeug- und Behälterbau, bei der Herstellung von Karosserien und Wagenaufbauten etc.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Einleiten von Kräften in ein flächiges Bauteil mit Sandwichstruktur, dessen Deckschichten faserverstärkt und in Richtung zu einem Anlenkbereich des Bauteiles stufenförmig übereinanderliegend zunehmend aufgedickt und von einem Verbindungsglied erfaßt sind, wobei im anliegenden Bereich ein die Deckschichten verbindendes Verstärkungsteil vorgesehen ist und ein zum Einbau mindestens eines Verbindungsgliedes geeignetes Anlenkmittel (Bohrung) angeordnet ist, d a durch gekennzeichnet, daß als Verstärkungsteil ein zu den Deckschichten (10 bis 15) etwa rechtwinklig verlaufendes und diese miteinander verbindendes Stegsystem (Stege 1 bis 9) dient und die Enden der Stege einerseits im Anlenkbereich (16) in einer als Verstärkungsteil wirkende Materialanhäufung zusammengefaßt sind, während sich ihre freien Enden andererseits strahlenförmig in den Wabenkern (18) erstrecken und dort verankert sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die freien Enden der Stege (1 bis 9) strahlenförmig in den Wabenkern (18) in Längsrichtung mit sich gegebenenfalls abflachender Wellung und/oder variabler Wellenstreckung erstrecken.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Stege (F i g. 7) in Richtung zum Anlenkbereich (16) etwa im gleichen Maße zunimmt wie die Dicke der zugehörigen L;ekschichten(6bis 15).

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (1 bis 9) in an sich bekannter Weise aus Verbundwerkstoffen in Kombination mit konventioneilen Werkstoffen bestehen.

5. Anordnung nach den Ansprüchen I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (1 bis 9) in an sich bekannter Weise eine zum Einbau mindestens eines Verbindungsgliedes, z. B. einer Büchse (20,48), geeignete Bohrung (10,47) aufweisen.

6. Anordnung nach den Ansprüchen I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das die Stege (1 bis 9) zusammenfassende Verbindungsglied (Büchse 20, 48) mittels eines zusätzlichen Formteils, z. B. eines Beschlages (23, 24, 49, 50), gegenüber der oder den Deckschichten (10 bis 15) festgelegt ist.

7. Anordnung nach den Ansprüchen I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Hohlräume zwischen den Stegen (1 bis 9) mit einem einen Wabenkern (18) bildenden Füllmaterial ausgefüllt sind.

8. Anordnung nach den Ansprüchen I bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur des Wabenkerns (18) der Sandwichbauteile an den sie durchdringenden Stegen (1 bis 9) und/oder an den Deckschichten (10 bis 15) fixiert ist.

9. Anordnung nach den Ansprüchen I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise an den Stegen (1 bis 9) ihrer Fixierung dienende Ansätze, z. B. Laschen (30) ausgeformt sind.