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Hochintegrale Oberschale und M³F-Vorderkante eines CFK-Flügels unter NLF-Randbedingungen
Wissenschaftstag 2015Braunschweig, 7. Oktober 2015
Prof. Dr.-Ing. Christian Hühne, Christian Ückert
Warum natürliche laminare Strömung (NLF)?
- Laminare Strömung (laminar flow) reduziert den Luftreibungswiderstand (friction drag) signifikant
- Reduktion des Luftwiderstandes zwischen5 und 8 Prozent möglich
Ziel: Natürliche laminare Strömung
Herausforderung: Deformationen aus Produktion (PID) und Lasten (LID)
Warum natürliche laminare Strömung (NLF)?
LaWiPro (LuFo IV-3 2010 – 2013)
Laminar Wing Production
- Entwicklung einer integralen CFK Flügelschalenbauweise fürLaminarflügel
- Entwicklung einesindustrialisierbarenFertigungsprozesses und eineszellularen Werkzeugkonzeptes
- Entwicklung einer semi-analytischenSimulationsmethode für Prozess-induzierte Deformationen (PID)
Move.On LaWOp (LuFo IV-4, 2013-2015)
Laminar Wing Operation
- Fertigung einer integralenFlügeloberschale für Laminarflügel
- Welligkeitsanalyse der Flügeloberschale
- Entwicklung eines Trennstellen-und Austauschkonzeptes für einelaminare Flügelnase
- Fertigung eines Funktionsmustersfür Montage- und Austauschversuche
- Optische 3D-Digitalisierung mit GOM ATOS
- Globaler Vergleich mit CAD nach Best-fit und anhand charakteristischer Punkte zeigt globale Verformung
- Signifikanter Einfluss der Schwerkraft auf die Bauteilform bei unterschiedlichen Lagerungsbedingungen
- Untersuchung der Messdaten in Schnitten
- Bewertung der „Zwickelwelligkeit“ durch Vergleich mit Interpolationspolynom. Aerodynamische Anforderungen werden eingehalten.
Seite 9
L1 L2 (L1 – L2)„Zwickelwelligkeit“
Optische Vermessung Best-fit-Vergleich mit CAD
Vergleich horizontaler Lagerungsbedingungen
Welligkeiten der laminaren Flügelschale
Verbindungskonzept
Stahlfolien dicke
EPDM Lage
Fertigungskonzept
Montage konzept
- Aerodynamische Anforderungen (steps & gaps, waviness)
- Erosionsschutz- Impact Robustheit- Thermische Deformationen („Bi-Metall
Effekt“)- Austauschbarkeit (Interchangeability)- Reparierbarkeit- Gewicht- Kosten
Source: www.airbus.com
Reiseflug Boden, kalt Boden, heiß Autoklav
-56°C +100°C +180°C
WIPS aktiv
156K
236K
NLF
+23°C
Montage Fertigung
Konzeptauswahl Flügelvorderkante
+23°C-T
+T
+100°C
-56°C
+23°C-T -56°C
+T
-56°C+100°C
Freie Verformung
Zwangskräfte und Welligkeit
Statisch bestimmte Lagerung
Thermo-elastische Deformationen
- Regenerosionstests an 0,8 mm CFK-Lage abgedeckt mit 250 µm-Stahlfolie
- Testzeit bis 180 Minuten- Visuelle Untersuchung:
kein Schaden detektierbar- Mikroskopische Untersuchung: geringe Änderung
der Oberflächentopografie durch Lochfraß- Rauheitsmessung mittels Stylus Profilometer:
- geringe Zunahme der Rauheit an der Vorderkante- erfüllt aerodynamische Anforderungen
Seite 12
Regenerosionstests
Versuchsaufbau Regenerosionstest
Vergrößerung der Probenoberfläche vor und nach Erosionstests Rauheitsmessung
- Die Flügelvorderkante erreicht ihre Sollkontur unter Reiseflugbedingungen bei -56°C → Fertigung in kompensiertem Werkzeug
- Die thermo-elastischen Deformationen haben keinen Einfluss auf die Stufenhöhe an der Trennstelle
- Trennstelle zwischen Flügelvorderkante und Flügelschale wird als „Floating LapJoint“ ausgeführt
- Nur die Schwankungen der prozessinduzierten Deformationen müssen bei der Montage ausgeglichen werden
- Die Austauschbarkeit wird durch lösbare Verbindungselemente gewährleistet, die Montagetoleranzen ausgleichen können
„Plug & Fly“ Konzept
Die austauschbare Flügelvorderkante erfordert sowohl an der Trennstelle zur Flügelschale als auch am Rippenanschluss Ausgleichsmöglichkeiten
An der Trennstelle werden hierfür zwei ineinander liegende Exzenterbuchsen genutzt
Jeweils 0,5mm Exzentrizität ermöglichen den Ausgleich von Bohrungspositionsabweichungen von 0 bis 1mm
Relatives Verdrehen der Exzenter zueinander ermöglicht ein lineares Verschieben der Bauteile zueinander
Pendelstützen verbinden Rippen und Krügerklappenauflage über ein Stehlager an der Vorderkante
Sowohl rippenseitig als auch im Stehlager sind Gelenklager zum Toleranzausgleich vorgesehen
Die Längenverstellung der starren Pendelstütze erfolgt durch eine Exzenterbuchse auf Seiten der Rippe, die durch ein Blech gegen Verdrehen gesichert ist
„Plug & Fly“ Konzept
Detailkonstruktion der Vorderkante mit Ziel einer positiven Stufe, Bauteilschrumpf der Flügelschale berücksichtigt
Umkonstruktion der Flügelschale vor dem Vorderholm
Simulation der prozessinduzierten und thermischen Deformationen
Bildung einer kompensierten Werkzeugfläche
Ableiten von Werkzeuginnen-flächen
Ableiten der Kerngeometrie, thermische Kompensation und Hinzufügen von Details
Fertigung Demobox und Flügelvorderkanten
Dichtigkeitstest des Flügelvorderkantenwerkzeugs mit Heißwasseranschlüssen
CAD-Model des kompensierten Flügelvorderkanten-
werkzeugs mit TieflochbohrungenBestückung Formwerkzeug
Besäumte und mit Beschlägen versehene Funktionsmuster der Flügelvorderkanten
Fertigung Demobox und Flügelvorderkanten
Eingabemaske für Justierung der Exzenterbuchsen-Paarungen
Installation Vorflügel-RippeninterfaceExzenterbuchsen-InstallationSet-Up für Montage und Austauschversuche
Fertigung Demobox und Flügelvorderkanten
- Montage der Flügelvorderkanten über Exzenterinstallation und Ausführen des Vorflügel-Rippen-Interface
• Messsystem: ATOS Triple Scan der Firma gom• Bestimmen der Stufenhöhe zwischen Flügelvorderkante
und Flügelkasten• Auswertung mittels eingepasster Fitting-Ebene und
einer für die Messung erstellten Referenzebene
Bereich der Trennstelle zwischen Flügelvorderkante und Flügelkasten
Definition der Stufenhöhe
Optische Vermessung der Demobox
Vermessung der Trennstelle
Vermessung der Trennstelle – Flügelvorderkante 1 & 2
Stufenhöhe Mittelwert
Zulä
ssig
e S
tufe
nhöh
e Tr
enns
telle
Spannweitenposition [mm]
• Zulässige Stufenhöhe wird eingehalten
• Geringe Variation der Stufenhöhe
• Stufenhöhe am oberen Ende des zulässigen Bereichs, Ursachen und Maßnahmen zur weiteren Verbesserung identifiziert Positive Stufe im Design vorgesehen (Mitte d. zul. Bereich)
Vermessung der Trennstellen
2010
2012
2014
2016
2011
2013
2015
2018
2017
LDAinOp
EWiMa
HyMovDeIce
2019
Hybrid Moveables De-Icing
-„Brent crude oil price 1986-2014“ von Furfur - [1], data (not the graphics), originally from the US Department of Energy. Lizenziert unter CC BY-SA 3.0 über Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Brent_crude_oil_price_1986-2014.svg#/media/File:Brent_crude_oil_price_1986-2014.svg
Zusammenfassung und Ausblick
- DLR: Markus Kleineberg, Olaf Steffen, Tobias Bach, Erik Kappel, Denise Düring, Jens Bold, Alexander Pototzky, Lars Heinrich, Tobias Forßbohm, Robert Kaps, Viktor Staryh, Matthias Grote, etc.
- Airbus (Bremen, Stade, Filton):Heinz Hansen, Burkhard Gölling, Vernon Holmes, Mike Smith, Ciaran O‘Rourke, Manuela Schradick, Wolfgang Vöge, Dustin Shapy, Bernhard Schlipf, Christian Heck, Axel Schnülle, Axel Herrmann, Nicole Jordan
- GOM: BraunschweigPeter Czajka
- Premium Aerotec, Varel:Hilmar Apmann, Jörg Ottersberg, Hartmut Kasemir, …
- BMWi & PT
Vielen Dank an unsere Kollegen
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