DLR Center of Excellence Composite Structures

Ein neues Designkonzept für einen CFK-FlugzeugrumpfWerkstoffkolloquium 2006 – Wettbewerb der Werkstoffe

Dr.-Ing. L. Herbeck

Dipl.-Ing. C. Kindervater Institut für Bauweisen und Konstruktionsforschung

Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik

DLR Center of Excellence Composite Structures

Inhalt

1. DLR Center of Excellence “Composite Structures”

2. Faserverbundwerkstoffe im Flugzeugbau

3. Design Konzepte für einen CFK-Rumpf

4. AIRBUS DLR Leitkonzept CFK Rumpf Next Generation

DLR Center of Excellence Composite Structures

DLR Center of Excellence „Composite Structures“

OE Faserverbundtechnologie (Dr. L. Herbeck)

Duromere Faserverbundwerkstoffe, Konstruktionsprinzipien, Entwicklung von Leichtbaustrukturen und deren Fertigungstechnologien

OE Strukturmechanik (Dr. J. Teßmer)

Numerische und experimentelle Analyse von aktiven und passiven Leichtbaustrukturen

Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik

OE Rechnergestützte Bauteilgestaltung (Dr. W. Dudenhausen)

Konstruktion, Herstellung und Fertigungsautomatisierung von überwiegend faserverstärkten Thermoplasten und Hybridstrukturen

OE Strukturelle Integrität (C. Kindervater)

Crash und High Velocity Impact Simulation und TestSicherheit für die Insassen

Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung

DLR Center of Excellence Composite Structures

Prozesskette der Faserverbundstrukturenentwicklung

Anwendungsnähe

Werkstoff-entwicklung

Materialauswahl

Grad der Konkretisierung

Entwurf Dimensionierung

Konstruktion

Fertigung, Demonstratoren,

Prototypen

Qualifikation

Montage,Betrieb, SHM,

Reparatur

Von der Idee bis zum Prototypen und darüber hinaus

DLR Center of Excellence Composite Structures

Programmatische Einordnung des LeitprojektsBrücke zwischen Grundlagenforschung und industrieller Anwendung

Quelle: Airbus Research and Technology

DLR CoE Composite Structures

CFK-Rumpf-NG

DLR Center of Excellence Composite Structures

Inhalt

1. DLR Center of Excellence “Composite Structures”

2. Faserverbundwerkstoffe im Flugzeugbau

3. Design Konzepte für einen CFK-Rumpf

4. AIRBUS DLR Leitkonzept CFK Rumpf Next Generation

DLR Center of Excellence Composite Structures

mechanische BelastbarkeitKorrosions- und

Chemikalienbeständigkeit

hohe Steifigkeit und Festigkeit bei geringer Dichte

bauteilspezifischeAusrichtung der Fasern

Leichtbaupotential

FaserverbundwerkstoffeEin Material mit herausragenden Eigenschaften

Funktionspotentiale(Kopplungseigenschaften,

Multifunktional)

DLR Center of Excellence Composite Structures

C-Fasern

Steifigkeit und Festigkeit von Fasern im Vergleich zu Metallen

CNT

ECNT > 640 GPa cm3/g

σCNT > 37 GPa cm3/g

Glasfaser

Aramidfaser

HT

HST

IM

HM

StahlAluminium

Kunststoffe0

1

2

3

4

0 100 200 300Spez. E-Modul [GPa*cm³/g]

Sp

ez.

Zu

gfe

sti

gkeit

[G

Pa*c

m³/

g]

DLR Center of Excellence Composite Structures

Steifigkeit und Festigkeit von Laminaten im Vergleich

C-Fasern

Glasfaser 50/40/10

Aramidfaser 50/40/10

HT 50/40/10

HST 50/40/10

IM 50/40/10

HM 50/40/10

StahlAluminium

Kunststoffe0

1

1

2

0 50 100Spez. E-Modul [GPa*cm³/g]

Sp

ez.

Zu

gfe

sti

gkeit

[G

Pa*c

m³/

g]

In Dickenrichtung Festigkeit und Steifigkeit der Kunststoffe!

DLR Center of Excellence Composite Structures

CFK-Rumpf Entwurfsraum für Kosten und Gewicht

Heutige Metalle

Heutige Faserverbunde

Simple Flying Bus

EMIR

DLR

Kosten [%]10-10-20-30-40

Gewicht [%]

10

-10

-20

-30

Zukünftige Faserverbundtechnologien

Quelle Airbus

Neue Metalltechnologien

DLR Center of Excellence Composite Structures

Einsatz von Faserverbundwerkstoffen (Bsp. Flugzeugbau)

B737-300 B747-400A300 A310-200

A320 A340-300A340-600

MD80B757 B767 MD90

B777

B787

A380

A400M

A350 XWB

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

Jahr des Erstfluges

Fas

erve

rbu

nd

ante

il a

m S

tru

ktu

rgew

ich

t

DLR Center of Excellence Composite Structures

Herausforderungen für die Faserverbundwerkstoffe

Dreidimensionale Belastungen (Impact)

Fertigungstechnologie

Elektrische Leitfähigkeit

Strukturauslegung, Materialqualifikation

Impacttolerante Harzsysteme, (NANO- Partikeln)

3 D Faserarchitektur

Von der Manufaktur zur Produktionstechnik

Elektrisch leitende Harzsysteme, (NANO- Partikeln)

Elektrisch leitende Fasern (Nickelbeschichtung)

Schnelle Berechnungsverfahren

Virtuelles Testen

DLR Center of Excellence Composite Structures

Inhalt

1. DLR Center of Excellence “Composite Structures”

2. Faserverbundwerkstoffe im Flugzeugbau

3. Design Konzepte für einen CFK-Rumpf

4. AIRBUS DLR Leitkonzept CFK Rumpf Next Generation

DLR Center of Excellence Composite Structures

Reference Structure “Standard Body” Fuselage

Today’s Fuselage Metal Design :

Riveted Stringer/Frame Design

Many Cut-outs (Mainly in the Lower Fuselage Area)

Nose Gear Bay, Landing Gear Well

Complete Pressurized Fuselage Structure

A 1:1 Substitution of this Metal-Design for a CFRP-Fuselage won’t lead to the Demanded Targets.

DLR Center of Excellence Composite Structures

Philosophy for a CFRP-Fuselage

A Fuselage is not only a Structure but a Complete System

Concepts for the integration of function elements of the interior /system

Use of the Specific Advantages of Advanced Composites

Conceptional Degrees of Freedom (Stacking of Layers, …)

Excellent Structural Mechanical Behaviour (Fatigue, Crash, ...)

Consideration of CFRP-Material Characteristics is necessary

Anisotropic Material Behaviour

Sensitivity to Impacts and Notches

Material and Structure is manufactured in one step

With all Disciplines new Design Concepts have to be developed

Material Research, Design, Analysis, Manufacturing

DLR Center of Excellence Composite Structures

Global Design Concept: Gondola Concept

Separation of the Functions of upper and lower Fuselage Area:

Secondary StructureCargo Compartment +

Crash Structure

Primary StructurePassenger Area

Suspension of theCargo Plattform Cargo Plattform

Floor Panel and Seat rails(stressed)

Side Shells

Primary Structure /The Passenger Area Highly Integrated Structure contains a stressed Floor Panel and two circular side panels

Cargo Compartment / Crash Structure:Structure contains a Cargo platform and is fastened to the Primary Structure

p

p

DLR Center of Excellence Composite Structures

Local Design Concepts: Shells

Frame

Stringer

Detektor-Skin

Stressed Skin

Advantages/Potential:

• No intersection of stringers and frames

• Continuous fastening of stingers and frames

• Foam Core supports the Stingers regarding buckling

• Outer skin is used as a Detection Skin – Reduce Maintenance Efforts

• Multifunctional Elements: Foam Core and Detection Skin is used for heat insulation and noise absorption

• Integral Design - Foam Core is used as a Tooling Aid

Open Questions:

• Additional Mass because of the Foam Core?

• More Complex Manufacturing than Monolithic Structure?

• Moisture Absorption of the Foam Core?

• Inspection Aspect?

impact

DLR Center of Excellence Composite Structures

upper panel design:

- integrated stringers - integrated frames- CFRP/Titanium-Interface

floor panel design:

- integrated stringers - bonded frames with corrugated stiffeners

manufactured by:Institute of Composite Structuresand Adaptive Systemsin SLI Technology

manufactured by:Institute of Structures and DesignIn VARI Technology

Manufacturing Concept: Structural Base Line

DLR Center of Excellence Composite Structures

Demonstrator

CFRP-Fuselage Demonstrator Section 16/17 (Frame 47/48)

DLR Center of Excellence Composite Structures

Design and Manufacturing of the Demonstrator

DLR Center of Excellence Composite Structures

„Gondola“ design for Cargo load - Crash - Impact - Fire

crashbulkheads

Protectiveshell:Impact&fire

Support of conceptdevelopment by crash

simulation

Cargofloor

DLR Center of Excellence Composite Structures

• Impact/FOD and fire resistant outer shell (e.g. hail, runway, tyre and rim debris)

• Tension straps in the upper flange of the cargo floor bulkhead restricts/reduces flatening of the outer shell which would result in the generation of forces in the y-direction

• In total three „plastic“ hinges between EA strut and cargo floor absorb energy and reduce forces in y-direction of the EA 

• The EA strut transfers cargo loads to the upper shells and absorbs energy at the bottom part in the case of a crash

Energy Absorber

Tension Strap in Cargo-Floor

PlasticHinges

Impact Resistant Outer Shell

Design of Gondola structure

DLR Center of Excellence Composite Structures

Crashtest and numerical simulation

Evaluation of Crash bulkhead

Crashtests in drop tower

• Drop weight mass: 200 kg

• Impact velocity: 8 m/s

Comparisontest and simulation

• About 7500 Finite Elements

• Boundary cond. Equivalent to test

• Special interfaces for bulkhead failure

DLR Center of Excellence Composite Structures

Summary Saving Potential: Costs & Weight

New design Concept when using LRI :The following saving potentials with respect to costs and weight were identified:

Integration of Functions of the Interior into the Structure

Foam Core and Detection Skin is used for heat insulation and noise absorption

Integration of the Floor and the Seat Tracks into the stressed Structure

Use of Composite Material in the Area of undisturbed Load-Bearing Structures

Non-Load-Bearing Cargo Doors and Fairing Panels in the Area of the Secondary

Structures / Cargo Compartment (Reduction of Reinforcements)

Reduction of (Bolted) Joints by a higher Degree of Integration

Use of Cost Effective Manufacturing Methods and Advanced dry Fibre Products

(Non Crimp Fabric, Braided Tubes, UD Fabrics)

Use of innovative Preform-Concepts (Tackifier, Foam Core)

DLR Center of Excellence Composite Structures

Inhalt

1. DLR Center of Excellence “Composite Structures”

2. Faserverbundwerkstoffe im Flugzeugbau

3. Design Konzepte für einen CFK-Rumpf

4. AIRBUS DLR Leitkonzept CFK Rumpf Next Generation

DLR Center of Excellence Composite Structures

AIRBUS DevelopmentComposite Fuselage Development Plan

AIRBUS

TANGO (5th FP)

FUBACOMP(5th FP)

EU - Framework Programmes

L(V) Rumpf?

8th FP

DLR ASTRA

D - LUFO II-IV

L(II)CFK-Rumpf

PRO-CFK

L(III) EMIR L(IV) RAPID

7th FP MAAXIMUS

LOKOST

ALCAS (6th FP)

NACRE (6th FP)

CFK-Rumpf Projekte

Schwarzer-Rumpf CFK-Rumpf NG

D - HGF/DLR

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

DLR Center of Excellence Composite Structures

SektionGroße Ausschnitte Lange Schalen

Forschungszielbereiche des Leitprojektes

DLR Center of Excellence Composite Structures

Wissenschaftliche Ziele CFK Rumpf NG

1. Gewichtsreduktion um 15 - 20% durch: neue verbesserte Werkstoffe, intelligente Bauweisen ermöglicht durch SHM, optimierte Strukturen durch verbesserte Simulations- und Reparaturverfahren

2. Kostenreduktion um 40% durch: Großserientaugliche Fertigungsverfahren mit angepassten Werkstoffen, industrialisierte Produktionsmethoden für große Bauteile, der Nachweis erfolgt über Kostenanalyseverfahren

3. Sichere Zelle für sicheres Fliegen durch verbesserte Vulnerability, Crash und Impact optimierte, Durchbrand sichere, permanent überwachte (SHM) und exakt simulierbare Strukturen, Zerstörungsfreie Prüfverfahren erkennen jeden Fehler

4. Umweltfreundliches, komfortables Fliegen durch: Reduktion der Produktionsabfälle, den Einsatz nachwachsender Rohstoffe, Verbesserten Passagierkomfort (Leise, helle Kabine), der Nachweis erfolgt über Systemanalysen

DLR Center of Excellence Composite Structures

Übersicht der Projektinhalte 2007 - 2010

1. Neue Werkstoffe und Innovative Produktionsverfahren,Faserverbundgerechte Bauweisen

2. Virtuelles Testen, Schnelle Tools für das Design und Zerstörungsfreie Prüfverfahren (NDT),Strukturintegrität: Vulnerability (Crash, HVI,…)

3. Akustik und Structural Health Monitoring (SHM), Reparatur und Recycling für neue Bauweisen und sicheren Betrieb

Lange SchalenSektionGroße Ausschnitte

DLR Center of Excellence Composite Structures

Partner und Kompetenzen

DLR Institute und Einrichtungen

Faserverbundleichtbau und Adaptronik (FA)Industrialisierte Produktionsmethoden, SHM, Simulations- und Reparaturverfahren, Kostenanalyse, neue Werkstoffe

Bauweisen- und Konstruktionsforschung (BK)Crash/HVI Optimierung, „Design to Crash and HVI“, Simulationsverfahren für hochdynamische Belastung, Hybride Bauweisen mit polymeren Faserverbunden

Antriebstechnik (AT)Durchbrandsicherheit

Fachgruppe Lufttransport und Technologiebewertung (FLT)Technologiebewertung

DLR Center of Excellence Composite Structures

Die Luftfahrzeugstrukturen der Zukunft

sind nicht rein

Schwarz oder Silber

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Das Ergebnis des Wettbewerbs der Werkstoffe ist ein: