DE60216454T2

DE60216454T2 - Flugzeugpaneel

Info

Publication number: DE60216454T2
Application number: DE60216454T
Authority: DE
Inventors: Mats Folkesson; Stefan Thuresson
Original assignee: Saab AB
Current assignee: Saab AB
Priority date: 2001-06-07
Filing date: 2002-04-30
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2022-05-01
Also published as: US20040155148A1; DE60216454D1; ES2276935T3; EP1399362A1; SE519185C2; SE0102083D0; WO2002098734A1; US7025305B2; EP1399362B1; SE0102083L; ATE346789T1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Flugzeugpaneel und insbesondere ein Flugzeugrumpf-Außenhautpaneel, das eine Sandwichkonstruktion mit einem Außenhautanteil aus einem hochfesten Material, einem Innenhautanteil aus einem hochfesten Material und mit einem Zwischenkernmaterial aufweist.
Flugzeuge, seien es militärische oder zivile sind einem hohen Grad an Beanspruchung unterworfen und müssen festgelegten Luftfahrtvorschriften genügen. Trotzdem darf ihre Herstellung keine zu hohen Kosten mit sich bringen. Diese sich etwas widersprechenden Kriterien treffen insbesondere auf die Herstellung gekrümmter Außenhautpaneele zu, die für den Rumpf, die Flügel und andere Teile des Flugzeugs verwendet werden, wo leichte Materialien und einfache Herstellungsverfahren wichtig sind, um die Kosten auf einem akzeptablen Stand zu halten.
Derzeit werden Außenhautpaneeloberflächen moderner Flugzeuge durch eines oder mehrere der nachstehenden Verfahren unterstützt:

• Rahmen
• Versteifungen
• Wabensandwich

DE 30 05 015 offenbart ein Flugzeugrumpf-Außenhautpaneel mit allen Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
Herkömmliche Rumpfaußenhautpaneele werden mit Umfangsrahmen und Längsversteifungen verstärkt. US 4,498,325 offenbart ein typisches Rumpfaußenhautpaneel mit Umfangsrahmen und Längsversteifungen. Die Kombination von Rahmen und Versteifungen wird dazu verwendet, um den Rumpfbehälter die erforderliche Steifigkeit und ausreichende Menge an Material zu geben, um allen Flugzeugbelastungen, sowohl von Gesichtspunkt der Statik als auch Ermüdung zu widerstehen. Für die Versteifungselemente besteht insbesondere der Hauptzweck darin die Außenhautpaneel-Oberfläche in einer optimalen Konfiguration zu unterteilen, so dass eine Verformung der Oberfläche vermieden wird. Die Versteifungen tragen auch zur Verhinderung einer Rissausbreitung in dem Außenhautpaneel bei.
Es bestehen jedoch erhebliche Nachteile in der derzeitigen Konstruktion, welche den Einbau der Versteifungen und Rahmen erfordert. Die Herstellung von Versteifungen mit unterschiedlicher Geometrie ist sehr teuer. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Versteifungseinbau durch Vernieten zeitaufwendig und teuer ist. Das Verfahren verursacht eine große Anzahl von Löchern durch die Außenhaut, was immer die Möglichkeit für Korrosions- und Ermüdungsprobleme erhöht. Ein weiteres Problem ist die Überschneidungstelle, bei der die Versteifungen die Rahmen passieren. In dem Saab 340 und Saab 2000 Projekt besitzen die Rahmen Ausschnitte für die Versteifungen, welche die Steifigkeit der Rahmen verringern. In weiteren Lösungen werden Klammern an der Überschneidungsstelle zwischen den Versteifungen und den Rahmen verwendet, um den Rahmen mit der Außenhaut zu verbinden. Ein weiteres Problem bei dieser Lösung besteht darin, dass sie die Komplexität erhöht. Weitere Techniken für den Einbau der Versteifungen können einige von diesen Nachteilen reduzieren, sind aber immer noch zeitaufwendig und schwierig.
Tests mit neuen Verbundstoffkonstruktionen finden bei einer Anzahl von Firmen statt. Die Verbundstoff-Lösungen haben ein Potential, dass Gewicht deutlich aufgrund ihrer einzigartigen speziellen Anpassungsfähigkeit zu verringern. Es bestehen jedoch noch einige bezüglich der Anwendung von Verbundstoffen in Kabinenstrukturen zu lösende größere Probleme. Die Epoxidharze, die für Strukturanwendungen verwendet werden, erfüllen nicht die Feuer-, Toxizitäts- und Rauchentwicklungs-(FTS-)Anforderungen. Ferner sind die Crash-Tauglichkeitsanforderungen sehr schwierig zu erfüllen, da die Verbundstoffe einen hohen Sprödigkeitsgrad besitzen. Ein aus Kohlenstofffaser hergestelltes Außenhautpaneel würde Energie nicht in demselben Umfang absorbieren wie ein Aluminiumpaneel. Ein Problem mit bekannten Leichtkonstruktionen besteht darin, dass sie sich als empfindlicher für Beschädigung und schwieriger für Reparatur und Wartung erwiesen haben. Diese beiden Qualitäten sorgen für ein Zögern der Flugzeugbetreiber, diese neuen Konstruktionslösungen einzusetzen. Dieses wird wahrscheinlich einen stärkeren Strukturzusammenbruch und dadurch weniger Schutz für die Passagiere bewirken, sofern nicht neue Verbundstoffkonstruktionen auftauchen.
Es wäre daher sehr erwünscht, neue Paneelstrukturen mit reduziertem Gewicht und erhöhten Kostenwirkungsgrad in der Fertigung zu entwickeln.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorstehenden und weiteren Aufgaben werden durch ein Flugzeugpaneel gelöst, das eine Sandwichkonstruktion mit einem Außenhautabschnitt aus hochfestem Material, einen Innenhautabschnitt aus einem hochfestem Material und einem Zwischenkernmaterial aufweist. Das Kernmaterial enthält Bereiche mit einem Kernmaterial niedriger Dichte und ein Verstärkungs gitter aus einem hochfesten Material mit Längs- und Quergitterelementen.
Das Kernmaterial kann einen leichten Aluminiumschaumkern und ein Verstärkungsgitter aus Aluminium mit Längs- und Quergitterelementen enthalten.
Das Außenhautpaneel kann eine Aluminiumaußenhaut, ein Zwischen-Aluminiumverstärkungspaneel, einen leichten Schaumkern und eine Aluminiuminnenhaut aufweisen. Das Zwischenaluminiumverstärkungspaneel und der leichte Schaumkern sind Abstandsmaterialien, welche das Paneel als eine Sandwichkonstruktion wirken lassen. Die Versteifungen bzw. Längsversteifungsträger sind in das Zwischenaluminiumverstärkungsgitter als die Längsgitterelemente integriert und können unter anderem als Rissbegrenzungseinrichtungen dienen.
Die erfindungsgemäße Ausführungsform ist so angeordnet, dass sie dem Rumpfbehälter die erforderliche Steifigkeit und ausreichende Materialmenge gibt, um allen Flugzeugbelastungen sowohl von dem Gesichtspunkt der Statik als auch dem Ermüdung zu widerstehen, und um Befestigungspunkte für Rahmen in dem Flugzeugrumpf zu unterstützen und bereit zu stellen.
Ein Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Konzeptes besteht darin, dass die Herstellungs- und Einbaukosten der Versteifungen vermieden werden können. Ferner benötigen die Rahmen für das neue Außenhautpaneel keinerlei schwächende Ausschnitte für die Versteifungen. Das neue Paneel erreicht dasselbe oder ein geringeres Gewicht wie derzeitige Konstruktionslösungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die verschiedenen Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann auf diesem Gebiet durch das Lesen der nachstehenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche und durch Bezugnahme auf die nachstehenden Zeichnungen ersichtlich, in welchen:
1 eine Aufrissansicht eines Innenoberflächenabschnittes eines herkömmlichen Flugzeugrumpfes mit Versteifungen und einem Rahmen ist.
2 eine Teilaufrissansicht auf einen Innenseitenoberflächenabschnitt des erfindungsgemäßen Flugzeugpaneels mit integrierten Versteifungen ist, und
3 eine vergrößerte Ansicht des Paneels von 2 ist.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1 ist ein mit Umfangsrahmen 12 und Längsversteifungen 11 verstärktes herkömmliches Rumpfaußenhautpaneel dargestellt. Klammern 13 werden zwischen jeder Versteifung 11 zum Verbinden jedes Rahmens 12 mit der Außenhaut 10 verwendet. Die Klammern 13 werden mit der Haupt 10 und dem Rahmen 12 vernietet, was eine sehr teure und zeitaufwendige Befestigung ist.
In 2 ist ein Flugzeugpaneel 1 dargestellt, welche eine Sandwichkonstruktion mit einem Außenhautanteil 2 aus einem hochfesten Material, einem Innenhautanteil 5 aus einem hochfesten Material und einem Zwischenkernmaterial aufweist. Der Außenhautanteil und der Innenhautanteil bestehen bevorzugt beide aus Aluminium, welches gut für diesen Zweck sowohl von Aspekten des Preises, als auch der Crashtauglichkeit geeignet ist. Ausführungsformen, in welchen Material mit unterschiedlich hoher Festigkeit für den einen oder beide Hautabschnitte verwendet wird, sind ebenfalls möglich. Das Kernmaterial weist ein Abstandsmaterial auf, welches das Paneel als eine beschädigungstolerante Sandwichkonstruktion wirken lässt. Dieses Abstandsmaterial enthält Bereiche 3 mit einem Kernmaterial niedriger Dichte, das von einem Verstärkungsgitter 4 mit einem hochfesten Material mit Längsgitterelementen 4a und Quergitterelementen 4b umgeben ist. In einer Ausführungsform wird ein Kunststoffschaum für das Kernmaterial niedriger Dichte verwendet. Ein Aluminiumschaum kann ebenfalls verwendet werden. Das Verstärkungsgitter 4 ist bevorzugt aus Aluminium hergestellt.
In 3 ist eine Teilansicht des Flugzeugpaneels 1 aus 2 dargestellt. In 3 sind das Verstärkungsgitter 4 und die Bereiche 3 mit Kernmaterial niedriger Dichte frei gelegt, um ein besseres Verständnis des Aufbaus des Zwischenkernmaterials zu ermöglichen. Das Zwischenkernmaterial ist von beiden Seiten mit einem Außenhautabschnitt 2 und einem Innenhautabschnitt 5 gemäß Darstellung in 2 umgeben.
Das die inneren und äußeren Hautabschnitte umfassende Verstärkungselement 4 vergrößert die Verwindungsfähigkeit des gesamten Hautpaneels. Die Quergitterelemente sind so angeordnet, dass sie der gewünschten Position von Rahmen 6 entsprechen. In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist das Verstärkungsgitter symmetrisch, wobei die Längsgitterelemente parallel und in gleichem Abstand zueinander angeordnet sind. Das Zwischenverstärkungselementgitter kann leicht zu neuen Mustern entlang des Rumpfverlaufs, abhängig von den Lastpegeln optimiert werden. Eine vergrößerte Randdicke um das Paneel verbessert die Verbindungsbedingungen mit dem nächsten Paneel.
Die Längsgitterelemente 4a entsprechen den in früheren Konstruktionen von Flugzeugrumpfpaneelen verwendeten Versteifungen und tragen zur Aufnahme von Längsbelastungen in einem unter Druck stehenden Behälter bei und funktionieren als Rissbegrenzungselemente. In der Umfangsrichtung dienen die Quergitterelemente 4b als Längsrissbegrenzungselemente. Jedoch werden Umfangsrahmen 6, um das allgemeine Stabilitäts verhalten zu beherrschen, und weitere Einbauten in dem Flugzeug benötigt, und können nicht durch die Quergitterelemente 4b ersetzt werden. Die Umfangsrahmen 6 werden an dem Hautpaneel durch eine Anzahl von Befestigungselementen durch die Quergitterelemente 4b hindurch befestigt. Wenn das Rissbegrenzungsmerkmal in Längsrichtung eingeführt wird, können die Rahmen 6 dünner und dadurch leichter als in den vorstehenden Lösungen gemacht werden. Die Gesamtmaterialmenge für diese neue Paneelkonstruktion überschreitet nicht das für die frühere Versteifungslösung benötigte Material.
Die Zwischenaluminiumverstärkung verbessert die Beschädigungstoleranzeigenschaften im Hinblick auf eine Restfestigkeitsfähigkeit und Rissausbreitung. Das Paneel hat einen Begrenzungseffekt auf die Rissausbreitung aufgrund einer höheren Paneelsteifigkeit und demzufolge reduzierter Verwindungseffekte. Die Zwischenaluminiumverstärkung stellt eine effizientere Rissbegrenzungsvorrichtung bereit.
Die neue Konstruktion bietet die Möglichkeit, die in 1 dargestellten internen Versteifungen ohne Beeinträchtigung der Feldstabilitäts-Steifigkeit in den Paneelen wegzulassen. Die Umfangsrahmen 6 werden an dem Hautpaneel 1 durch eine Anzahl von Befestigungselementen befestigt und die Quergitterelemente 4b sollten daher so dimensioniert sein, dass sie wenigstens eine Reihe von Befestigungselementen ermöglichen. Die Rahmen können direkt auf die Quergitterelemente genietet werden und benötigen keine schwächenden Ausschnitte für die Versteifungen.
Die vergrößerte Hautdicke aufgrund der Sandwichkonstruktion erleichtert die Befestigungselementeauswahl für den Einbau der Rahmen. Das neue Hautpaneel besitzt eine positive Temperaturisolationseigenschaft und verbessert auch die Geräuschisolationseigenschaft. Dieses ermöglicht eine Gewichts reduzierung in der normalen Kabinenisolation oder bessere Geräuschzustände in der Kabine.
Der Fachmann auf diesem Gebiet kann aus der vorstehenden Beschreibung erkennen, dass die Lehren der vorliegenden Erfindung in einer Vielfalt von Formen implementiert werden kann. Daher soll, obwohl diese Erfindung in Verbindung mit ihren spezifischen Ausführungsformen beschrieben wurde, der tatsächliche Schutzumfang der Erfindung nicht darauf beschränkt sein, da für den ausgebildeten Fachmann bei dem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der nachstehenden Ansprüche weitere Modifikationen ersichtlich werden.

Claims

Flugzeugrumpf-Außenhautpaneel (1), das eine Sandwichkonstruktion mit einem Außenhautanteil (2) aus einem hochfesten Material, einem Innenhautanteil (5) aus einem hochfesten Material und einem Zwischenkernmaterial aufweist, wobei das Kernmaterial Bereiche (3) aus Kernmaterial mit niedriger Dichte und ein Verstärkungsgitter (4) aus einem Material mit hoher Festigkeit mit Längsgitterelementen (4a) und Quergitterelementen (4b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsgitterelemente als Rissauffangelemente dienen und die Quergitterelemente (4b) dafür eingerichtet sind, zu unterstützen und Fixierungspunkte für Rahmen (6) bereitzustellen.
Flugzeugrumpf-Außenhautpaneel (1) nach Anspruch 1, wobei die Rahmen an dem Hautpaneel mittels mehreren Befestigungselementen durch die Quergitterelemente (4b) hindurch befestigt sind.