DE19730381C1 - Strukturelemente mit großen unidirektionalen Steifigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Strukturelemente mit großen unidirektionalen Steifigkeiten, bei denen unidirektionale Faserbündel in schubsteife Umhüllungen vollständig eingebettet sind, die schubsteifen Umhüllungen mit einer schubsteifen, aus Ge­ legelagen ausgebauten Torsionsschale über schubsteife vertikale Wandungen verbunden sind, die insbesondere durch Falten der obersten Gelegelage der Torsionsschale gebildet sind, und ein Teil der vertikalen Wandungen zu Stringern ausgebildet ist.

Strukturelemente mit großen unidirektionalen Steifigkeiten sind bekannt (DE 195 29 476 A1, EP 0 758 607 A2). Die EP 0 758 607 A2 offenbart einen Flügel mit schubsteifen Flügelschalen aus Faserverbundwerkstoffen für Luft­ fahrzeuge. Bei dem Flügel mit schubsteifer Flügelschale aus Faserverbund­ werkstoffen, insbesondere faserverstärkten Kunststoffen, sind auf der Innen­ seite der Flügelschalen Zug- und Druckkräfte aufnehmende Elemente ange­ bracht. Diese weisen sich in Längsrichtung des Flügels erstreckende unidirek­ tionale Fasern auf. Auf der Innenseite der Flügelschalen sind in Längsrichtung des Flügels in Abstand voneinander Stringer ausgebildet, deren Faseranteil durch ein Fasergelege gebildet ist, das mit dem Fasergelege der Flügelschale verbunden ist. Zwischen in Abstand voneinander liegenden Stringern sind uni­ direktionale Faserbündel angeordnet, die in die Kunstharzmatrix der Flügel­ schalen schubsteif eingebettet sind. Sie erstrecken sich in Längsrichtung des Flügels und weisen einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt auf. Der Raum zwischen zwei Stringern zur Aufnahme einer Mehrzahl von Faser­ bündeln ist durch parallel zu den Stringern sich erstreckende Zwischenwände in der Breite unterteilt. Der Faseranteil der Stringer und/oder der Zwischenwände ist durch Faltung wenigstens der inneren Faserlage der Torsionshaut der Flug­ schale gebildet. Die Trennwände können mit Gelegeabschnitten versehen sein, die auf der Oberseite der Faserbündel aufliegen.

Faserverbundstrukturen werden üblicherweise aus multidirektionalen Laminaten aufgebaut. Die Dimensionierung ebenso wie die Faserorientierung in den ein­ zelnen Laminatschichten erfolgt dabei nach Dehnungskriterien derart, daß in­ nerhalb der Struktur an keiner Stelle ein vorgegebener Dehnungswert über­ schritten werden darf. Als Grenzwert der Dehnungen von Faserverbund­ strukturen hat sich bei Luftfahrtstrukturelementen je nach Anwendungsfall eine Dehnung von bis zu ε = 0,4% bei maximaler Betriebslast (Limit load) bzw. bis zu ε = 0,6% bei Bruchlast (Ultimate load) durchgesetzt.

Diese Grenze der Dehnungen in den Strukturelementen begründet sich auf der Annahme, daß die Behäutung der lasttragenden Fasern, im allgemeinen eine Kunststoffmatrix, bis zu diesen Werten betriebsbedingt keine Risse oder an­ deren Schädigungen erfährt, die zu einem Versagen des Strukturelementes führen könnten. Die Kunststoffmatrix dient hier also nicht nur zur Formhaltung des Strukturelementes und zur Stützung der Einzelfasern, die insbesondere bei Druckbeanspruchung ohne diese Stützung nicht zur Lastaufnahme geeignet wären. Vielmehr stellt sie auch das einzige lastübertragende Glied in der Struk­ tur für quer zu den Laminatebenen wirkenden Beanspruchungen dar.

Großflächige unidirektionale Querschnitte, beispielsweise Faserbündel, erfahren bei Belastung große Querdehnungen, die sich in der Schale beispielsweise ei­ nes Flächentragwerkes als Querzug- und Querdruckspannungen äußern. Derartige Spannungen treten überall dort auf, wo die Querdehnungen in irgendeiner Form behindert werden. In einem Bauteil mit großen unidirektionalen Steifigkeiten führt dies zu konstruktiven Einschränkungen und zur Überdimensionierung der nicht in Hauptbelastungsrichtung orientierten Stei­ figkeiten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, gattungsgemäße Struktur­ elemente mit großen unidirektionalen Steifigkeiten zu schaffen, bei denen Quer­ zugspannungen durch Vorsehen konstruktiver Maßnahmen abgebaut werden.

Die Erfindung wird nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß Trennschichten zwischen den schubsteifen Umhüllungen der unidirektionalen Faserbündel vorgesehen sind. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen definiert.

Dadurch wird ein Strukturelement mit großen unidirektionalen Steifigkeiten ge­ schaffen, bei dem die konstruktiv abgeminderten Querzugspannungen durch unidirektionale Steifigkeiten in Richtung der Querzugspannungskomponente aufgenommen werden. Dadurch wird eine Aufteilung der belasteten Querschnitte in der Weise erreicht, daß bestimmten Beanspruchungen die entsprechenden Steifigkeiten zugeordnet werden können.

Der Erfindung liegt nämlich insbesondere die Erkenntnis zugrunde, daß die obenstehend genannte Dehnungsgrenze, die bei quasi-isotropen Strukturele­ menten sicherlich ein geeignetes Mittel ist, um eine sichere Dimensionierung des Strukturelementes zu gewährleisten, bei Strukturelementen mit betont an­ isotroper Ausbildung jedoch nicht mehr zulässig ist. Während bei quasi-isotro­ pen multidirektionalen Laminaten in jeder Richtung ausreichende Steifigkeiten gegeben sind, um auch die durch Querkontraktionseffekte bedingten Spannungskomponenten aufnehmen zu können, ist dies jedoch bei unidirek­ tional betonten Steifigkeiten nicht mehr möglich. Besonders schwierig erweist sich dies bei großflächigen unidirektionalen Querschnitten, wie beispielsweise Flächentragwerken von Luftfahrzeugen.

Besonders bevorzugt wird die vertikale Wandung durch Falten der unter dem unidirektionalen Faserbündel angeordneten Gelegelagen oder Gelegelage als aufsteigende und absteigende Hautschicht gebildet und zwischen den beiden Hautschichten eine Trennschicht eingebracht. Die Trennschicht sorgt dafür, daß zwischen den benachbarten unidirektionalen Faserbündeln der Spannungsfluß zumindest der Zugspannungen unterbrochen wird. Während Druckspannungen durch Kontakt der gefalteten vertikalen Wandungen weiter übertragen werden, werden Zugspannungen nicht zwischen den benachbarten unidirektionalen Faserbündeln übertragen. Diese werden vielmehr vollständig von besonders bevorzugt quer zur vertikalen Wandung wirkenden und quer zur Längserstreckung der unidirektionalen Faserbündel liegenden unidirektionalen Steifigkeiten übertragen, die ober- und unterhalb der unidirektionalen Faser­ bündel vorgesehen sind.

Das vorteilhafte Einbringen der Trennschichten innerhalb der Faltungen ist ferti­ gungstechnisch leicht zu bewerkstelligen.

Als besonders vorteilhaft erweist sich das Vorsehen der Trennschichten im Hinblick auf die Nutzung bei Tragflügeln von Großflugzeugen, bei denen die Abmessungen quer zur Belastungsrichtung größer als 10 m sein können. In solchen Tragflügeln können sich in unidirektionalen Faserbündeln Querzug­ spannungen erheblicher Größenordnung aufbauen. Diese können zum Aufreißen der unidirektionalen Faserbündel führen. Durch Vorsehen der erfindungsgemäßen Trennschichten wird ein solches Aufreißen vermieden, da die Querzugspannungen von entsprechend orientierten Fasergelegen, nämlich den ober- und unterhalb der unidirektionalen Faserbündel quer zu deren Längserstreckung vorgesehenen unidirektionalen Steifigkeiten, insbesondere unidirektionalen Gelegelagen, aufgenommen werden.

Besonders bevorzugt wird zum Vermeiden thermisch bedingter Eigenspannungen, welche Dehnungen zur Folge haben, und die infolge der beim Fertigungsprozeß durchlaufenden Temperaturunterschiede sowie im Betriebseinsatz entstehen, in den Strukturelementen eine gleichmäßige Dicke oder gleiche Anzahl von ober- und unterhalb der unidirektionalen Faserbündel bzw. der quer zu deren Längserstreckung wirkenden unidirektionalen Gelegelagen angeordneten schubsteifen Gelegelagen der Torsionsschale vorgesehen. Die Anzahl der schubsteifen Gelegelagen wird besonders bevorzugt in Abhängigkeit des Einflusses der Stringer in der Torsionsschale gewählt. Es wird dadurch eine Symmetrie bezüglich der schubsteifen Gelegelagen geschaffen.

Besonders bevorzugt wird die obere oder oberste und die untere oder die unterste, quer zur Längserstreckung der unidirektionalen Faserbündel wirkende unidirektionale Gelegelage durchgehend ausgebildet. Alternativ dazu kann die obere oder oberste unidirektionale Gelegelage aber auch im Bereich der Stringer unterbrochen sein, während die untere oder unterste unidirektionale Gelegelage durchgehend ausgebildet ist.

Besonders bevorzugt weisen die unidirektionalen Faserbündel einen im we­ sentlichen rechteckförmigen Querschnitt auf. Die Trennschichten sind bevorzugt aus einem durch Harz nicht benetzbarem Material gefertigt.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden Ausführungs­ beispiele von Strukturelementen anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen in:

Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strukturelementes mit zwei Stringern,

Fig. 2 eine seitliche Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strukturelementes mit oberer durchgehend ausgebildeter unidirektionaler Gelegelage und

Fig. 3 ein Diagramm mit über der Quererstreckung des Strukturelemen­ tes aufgetragenem Dehnungsverlauf.

Fig. 1 zeigt eine seitliche Schnittansicht eines Strukturelementes 1 mit zwei Stringern 10. Die beiden Stringer 10 umschließen zwei unidirektionale Faser­ bündel 30 rechteckförmigen Querschnitts. Die beiden unidirektionalen Faser­ bündel 30 sind durch eine Trennschicht 20 voneinander getrennt. Die Trenn­ schicht 20 liegt vorzugsweise in der Symmetrielinie zwischen den beiden Stringern 10.

Die unidirektionalen Faserbündel 30 sind von schubsteifen Umhüllungen 31 umgeben. Die schubsteifen Umhüllungen sind vorzugsweise +/- 45° Faser­ gelege. Die unidirektionen Faserbündel 30 erhalten dadurch einen Zusammenhalt. Zugleich wird ihnen Schubsteifigkeit aufgrund der Umhüllung 31 verliehen. Die jeweiligen Enden der Umhüllungen 31 liegen im Bereich neben den Stringern mit Abstand zu diesen. Durch die weitere Ummantelung vermittels der weiteren Gelegelagen ist die Umhüllung bereits durch lediglich aneinander­ stoßende Enden geschlossen. Im Bereich der Stringer ist aus der Schale des Strukturelementes eine weitere schubsteife Lage herausgezogen. Sie wird hier als Lagenteil 34 bezeichnet. Das Lagenteil 34 bildet einen vertikalen Schenkel 11 einer Falte aus, welcher den Stringer 10 bezüglich seiner Längserstreckung bildet.

Im oberen Bereich des Stringers 10 ist der vertikale Schenkel 11 abgewinkelt und bildet eine abgewinkelte untere Gelegelage 12. Die beiden voneinander wegweisenden abgewinkelten unteren Gelegelagen 12 beider vertikaler Schen­ kel 11 des Stringers 10 werden von zwei Schichten abgedeckt, nämlich einer mittleren Gelegelage 14 und einer darüber angeordneten oberen Gelege­ lage 13. Durch die mittlere Gelegelage 14 kann eine unidirektionale Flanschver­ stärkung in Längsrichtung des im Querschnitt T-förmigen Stringers bewirkt wer­ den.

Zwischen den beiden vertikalen Schenkeln 11 der beiden Stringer 10 und auf den schubsteifen Umhüllungen 31 der beiden unidirektionalen Faserbündel 30 aufliegend ist eine unidirektionale obere Gelegelage 40 vorgesehen. Die uni­ direktionale Gelegelage 40 weist eine Faserorientierung auf, die quer zur Längserstreckung der unidirektionalen Faserbündel 30 verläuft. Wird für die unidirektionalen Faserbündel 30 eine Faserorientierung von 0° vorgesehen, er­ gibt sich daher für die undirektionale Gelegelage 40 eine Faserorientierung von 90°.

Auf der Unterseite der schubsteifen Umhüllungen 31 der unidirektionalen Fa­ serbündel 30 ist durchgehend ausgebildet eine untere unidirektionale Gelege­ lage 41 vorgesehen. Sie weist dieselbe Faserorientierung auf wie die obere unidirektionale Gelegelage 40.

Von den unidirektionalen Gelegelagen 40, 41 werden Querzugspannungen, die auf das Strukturelement wirken, aufgenommen. Es findet dadurch eine weit­ gehende Entkopplung von Querzugspannungen in den unidirektionalen Faserbündeln von den außerhalb der Faserbündel wirkenden Spannungskom­ ponenten statt.

Auf das Strukturelement wirkende Schubspannungen werden von oberhalb der unidirektionalen Gelegelagen 40, 41 vorgesehenen schubsteifen Gelege­ lagen 50 aufgenommen. Auf der Unterseite der unidirektionalen Gelegelage 41 sind in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 drei dieser schubsteifen Gelege­ lagen 50 angeordnet. Die Anzahl der Gelegelagen 50 wird vorteilhaft in Ab­ hängigkeit vom Einfluß der Stringer gewählt. Um eine Spannungsfreiheit von thermisch bedingten Eigenspannungen in dem Strukturelement zu erzielen, werden die auf der Unterseite der unidirektionalen Gelegelage 41 und auf der Oberseite der unidirektionalen Gelegelage 40 angeordneten schubsteifen Gelegelagen 50 in gleichmäßiger Dicke oder gleicher Anzahl gewählt. In Fig. 1 sind daher auf der Oberseite der unidirektionalen Gelegelagen 40 ebenfalls drei schubsteife Gelegelagen 50 angeordnet.

Die schubsteife Gelegelage 50, die direkt auf der oberen unidirektionalen Gele­ gelage 40 aufliegt, weist im Bereich der Stringer 10 abgewinkelte Randstrei­ fen 51 auf. Diese lagern außen an den vertikalen Schenkel 11 der Stringer 10 an. Sie bilden daher eine Verstärkung in diesem Bereich für die Stringer 10.

Die beiden darüber angeordneten schubsteifen Gelegelagen 50 sind zwischen den abgewinkelten Randstreifen 51 eingepaßt angeordnet.

Um die beiden nebeneinander angeordneten unidirektionalen Faserbündel 30 voneinander zu entkoppeln, also eine Übertragung von Querzugspannungen, die zum Aufreißen der Faserbündel führen könnte, zu vermeiden, ist die Trenn­ schicht 20 zwischen diesen beiden unidirektionalen Faserbündeln angeordnet. Die Trennschicht liegt zwischen einer aufsteigenden Hautschicht 21 und einer absteigenden Hautschicht 22. Die beiden Hautschichten 21 und 22 sind Teil einer Faltung von unter den unidirektionalen Faserbündeln 30 vorgesehenen Schichten der Torsionsschale, insbesondere der schubsteifen Gelegelagen 50. Die Trennschicht 20 besteht vorzugsweise aus einem durch Harz nicht benetz­ baren Material.

Eine Verbindung der schubsteifen Umhüllungen 31 der unidirektionalen Faser­ bündel 30 mit den schubsteifen Gelegelagen 50 der Torsionsschale besteht also über die schubsteifen vertikalen Wandungen in Form der vertikalen Schen­ kel 11 der Stringer 10 und der aufsteigenden und absteigenden Hautschich­ ten 21, 22 in Verbindung mit der Trennschicht 20. Die vertikalen Wandungen können mit den darunter angeordneten schubsteifen Gelegelagen 50 der Tor­ sionsschale durch Vernähen verbunden sein.

Die Stringer 10 dienen zur Beulstützung der Torsionsschale. Die vertikalen Wände, die durch aufsteigende und absteigende Hautschichten 21, 22 mit da­ zwischen angeordneter Trennschicht 20 gebildet sind, dienen neben der Ent­ kopplung der unidirektionalen Faserbündel 30 voneinander auch zur Erhöhung der Schadenstoleranz des Strukturelementes aus anisotropem Werkstoff und dem Verhindern des Wachsens von Schäden über die dadurch gebildeten Grenzen hinaus.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Struktur­ elementes 1 in der seitlichen Schnittansicht dargestellt. Im Unterschied zu dem Strukturelement gemäß Fig. 1 ist in Fig. 2 eine, symmetrisch zu der unidirek­ tionalen unteren Gelegelage 41 gebildete obere unidirektionale Gelegelage 42 als durchgehend ausgebildetes Element vorgesehen. Dementsprechend sind auch die Stringer 10 hinsichtlich ihrer vertikalen Schenkel 11 durch eine abge­ winkelte Gelegelage 52 der oberhalb der unidirektionalen oberen Gelegelage 42 gebildeten und angeordneten schubsteifen Gelegelage 50 gebildet. Die darüber angeordnete schubsteife Gelegelage 50 mit abgewinkeltem Randstreifen 51 ist entsprechend gebildet, wie in Fig. 1 beschrieben.

Auf der Oberseite der unidirektionalen Gelegelage 42 und auf der Unterseite der unidirektionalen unteren Gelegelage 41 sind in Fig. 2 lediglich zwei Lagen von schubsteifen Gelegelagen 50 vorgesehen.

Um auch im Bereich der Stringer 10 zwischen der oberen unidirektionalen Gele­ gelage 42 und der unteren ebenfalls durchgehenden unidirektionalen Gelege­ lage 41 eine Entkopplung der unidirektionalen Faserbündel 30 zu erzielen, sind auch hier aufsteigende und absteigende Hautschichten 21, 22 mit dazwischen eingefügter Trennschicht 20 gebildet. Die aufsteigenden und absteigenden Hautschichten 21 und 22 bestehen, wie bereits in Fig. 1 beschrieben, ebenfalls aus schubsteifen Fasergelegen. Die dazwischen angeordnete Trennschicht 20 besteht vorzugsweise ebenfalls aus einem durch Harz nicht benetzbaren Mate­ rial.

Alternativ zu den in Fig. 1 und Fig. 2 beschriebenen Ausführungsformen kann auch eine Kombination aus diesen beiden Ausführungsformen vorgesehen sein. Dabei wäre dann beispielsweise die obere unidirektionale Gelegelage jeweils bei einem Stringer durchgehend, wie in Fig. 2 dargestellt, gebildet und bei ei­ nem anderen Stringer nicht durchgehend, wie in Fig. 1 dargestellt, gebildet. Diesbezüglich kann eine entsprechende Anpassung an den Einzelfall vorge­ nommen werden.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm mit Auftragung der in einem der Strukturelemente gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 infolge von Querzug wirkenden Dehnungszustände innerhalb der unidirektionalen Faserbündel. Es ergibt sich eine konstante Dehnung ε im Bereich der unidirektionalen Faserbündel 30. Im Bereich der Trennschichten 20, in Umhüllung von den aufsteigenden und absteigenden Hautschichten 21 und 22, wird die Dehnung ε zu Null. Eine Übertragung der Dehnungen findet also in diesem Bereich nicht statt. Die gewünschte Entkopplung der einzelnen unidirektionalen Faserbündel 30 voneinander ist somit erzielt.

Bezugszeichenliste

1

Strukturelement

10

Stringer

11

vertikaler Schenkel

12

abgewinkelte untere Gelegelage

13

obere Gelegelage

14

mittlere Gelegelage

20

Trennschicht

21

aufsteigende Hautschicht

22

absteigende Hautschicht

30

unidirektionales Faserbündel

31

schulbsteife Umhüllung

34

Lagenteil

40

unidirektionale Gelegelage, obere

41

unidirektionale Gelegelage, untere

42

unidirektionale Gelegelage, obere

50

schubsteife Gelegelage

51

abgewinkelter Randstreifen

52

abgewinkelte Gelegelage

Claims (10)

1. Strukturelement mit großen unidirektionalen Steifigkeiten, bei dem unidirek­ tionale Faserbündel in schubsteifen Umhüllungen vollständig eingebettet sind, die schubsteifen Umhüllungen mit einer schubsteifen, aus Gelegelagen gebildeten Torsionsschale über schubsteife vertikale Wandungen verbunden sind, und ein Teil der vertikalen Wandungen zu Stringern ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß den Spannungsfluß zwischen benachbarten unidirektionalen Faser­ bündeln (30) unterbrechende Trennschichten (20) zwischen den schubsteifen Umhüllungen (31) der unidirektionalen Faserbündel vorgesehen sind.

2. Strukturelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikalen Wandungen durch Falten der unter dem unidirektionalen Faserbündel (30) angeordneten Gelegelagen (50) als aufsteigende (21) und absteigende Hautschichten (22) gebildet und zwischen beiden Haut­ schichten (21, 22) die Trennschicht (20) eingebracht ist.

3. Strukturelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß quer zu den vertikalen Wandungen wirkende und quer zur Längser­ streckung der unidirektionalen Faserbündel (30) angeordnete unidirektionale Steifigkeiten (40, 41, 42) vorgesehen sind, die ober- und unterhalb der unidi­ rektionalen Faserbündel (30) vorgesehen sind.

4. Strukturelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die unidirektionalen Steifigkeiten (40, 41, 42) unidirektionale Gelege­ lagen sind.

5. Strukturelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vermeiden thermisch bedingter Eigenspannungen in dem Struktur­ element (1) schubsteife Gelegelagen (50) der Torsionsschale in gleichmäßiger Dicke und/oder gleicher Anzahl ober- und unterhalb der schubsteifen Umhüllungen (31) der unidirektionalen Faserbündel (30) oder der quer zu letzteren wirkenden unidirektionalen Gelegelagen (40, 41, 42) angeordnet sind.

6. Strukturelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der schubsteifen Gelegelagen in Abhängigkeit des Einflusses der Stringer (10) wählbar ist.

7. Strukturelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die obere oder oberste und die untere oder unterste quer zu der Längs­ erstreckung der unidirektionalen Faserbündel (30) wirkende unidirektionale Gelegelage (41, 42) durchgehend ausgebildet ist.

8. Strukturelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die obere oder oberste unidirektionale Gelegelage (41) im Bereich der Stringer (10) unterbrochen ist und die untere oder unterste unidirektionale Gelegelage (41) durchgehend ausgebildet ist.

9. Strukturelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die unidirektionalen Faserbündel (30) einen im wesentlichen rechteck­ förmigen Querschnitt aufweisen.

10. Strukturelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht (20) aus einem durch Harz nicht benetzbarem Material besteht.