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

Generic Parts

Components

Assembly

Coupon

Entwicklungspyramide: laminare Flügeloberschale

Generic Parts

Components

Coupon

Assembly

Entwicklungspyramide: Flügelvorderkante

Fertigung der laminaren Flügelschale

- 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.

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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

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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

Ausblick – Welche Geometrie ist zu untersuchen?

Real part

Detailed Design model

PID model LID model

Auswertung der Welligkeiten (Schnitt)

2010

2012

2014

2016

2011

2013

2015

2018

2017

2019

Zusammenfassung

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

Prof. Dr. Chr. HühneAbteilungsleiter Funktionsleichtbau

DLRInstitut für Faserverbundleichtbauund Adaptronik

Lilienthalplatz 738108 Braunschweig

Tel: 0531 295 2310Email: christian.huehne@dlr.de

Vielen Danke!