FE-Berechnung: CFK-Bauteile sparen Gewicht beim Regionaljet

Faser statt Niete

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Im Leichtbau spielen Verbundwerkstoffe mit niederem spezifischem Gewicht und „konstruierbarer“ Steifigkeit eine große Bedeutung. Durch die Zusammenarbeit von Anwendern und Software-Anbietern sind heute einsatzfähige kommerzielle Programme zur Auslegung von CFK-Bauteilen verfügbar.

Der Autor, Dr.-Ing. Klaus Schlemper, leitet eine Beratungsfirma für den Einsatz von CAE-Technologie: International CAE Consult, Ottobrunn

Die Dornier Luftfahrt GmbH ist Teil der amerikanisch-deutschen Fairchild Aerospace Corp. Die Übernahme der industriellen Führung durch Fairchild 1996 führte zu einer Neuausrichtung der Firmenstrategie. Heute baut der ehemalige Flugzeugpionier in Oberpfaffenhofen bei München mit ca. 2000 Mitarbeitern Regionaljets und fertigt Komponenten und Baugruppen für die Airbus-Familie.
Der 328JET mit einer Kapazität für 32 Passagiere wurde so konzipiert, dass er bei gleicher Wirtschaftlichkeit aber höherer Leistung die entsprechenden Turboprop-Vorgänger ersetzt.
Die Konstruktion begann 1997, die Erprobung erfolgte noch 1998 und die Zertifizierung wurde Mitte 1999 erreicht. Ähnlich wie beim Vorgänger setzen die Entwickler bei Dornier konsequent auf die Verwendung von Faserverbundwerkstoffen; so machen Composite-Bauteile ca. 25% des Flugzeuggewichts aus. Bei der Neugestaltung des 328JET wurden die meisten Baugruppen als Änderungskonstruk-tion von der Turboprop-Maschine übernommen, angepasst und zum Teil verstärkt, einige Bauteile wurden aber auch komplett neu gestaltet. Die Vorgehensweise bei der rechnergestützten Vordimensionierung eines CFK-Seitenleitwerkpaneels ist im Folgenden beschrieben. Die Kontur des Leitwerks (Loft) liegt als Catia-Modell vor. Die Catia-Direktschnittstelle Catexpress wandelt die CAD-Daten in lesbare Informationen für den Finite Element (FE) Pre-/Postprozessor MSC.Patran um.
Schnittstelle allein reicht nicht aus!
„Tatsächlich erfordert das Ergebnis aus Catxpress immer noch eine zeitaufwendige Nacharbeit zur Erstellung eines verwendungsfähigen Geometriemodells“ so Dr. Mendler, Design Responsible Engineer bei Fairchild/Dornier. Die so erzeugte Geometrie stellt die Außenfläche des Seitenleitwerks dar, hieraus wird nun ein FE-Modell erstellt inkl. der Randbedingungen, wie Lagerung und Belastung. Für die Definition der Element-Eigenschaften: Materialwerte und Elementdicken kommt der MSC.Laminate Modeler (LM) zum Einsatz, um Lagenaufbau, -orientierung, E-Modul und Querkontraktion für jede Schicht zu definieren.
Ein quasiisotropes Materialverhalten für einen Teilbereich im Paneel wird durch Kombina-tion von vier Lagenrichtungen: 0°, +45°, 90° und -45° zu einem Lagenpaket erreicht. Mit der spezifizierten Lagendicke für das verwendete CFK-UD-Material (UD = unidirektional) bilden die vier Lagen jeweils eine Wandstärke von 0,5 mm, d.h. für eine geforderte Wandstärke von 8 mm braucht man 64 Lagen.
Die LM_Ply-Definition gestattet die Gebiets- und Richtungsangabe der Lagen im FE-System. An dieser Stelle kommt der Bezug des Programms zur Fertigung zum Tragen, wenn durch die Angabe eines Startpunktes und der Anwendungsrichtung (Application Direction) die Oberfläche von diesen Angaben ausgehend belegt wird. Die Angabe einer Referenzrichtung (Reference Direction) schafft einen klaren Bezug für alle Lagenausrichtungen.
Grafische Ergebnisdatenbank
Im Layup Definition – Fenster wird der Lagenaufbau bestimmt. Ein Verändern der standardmäßigen Toleranzen von 5% Dickensprüngen oder 5° Faserrichtungswechsel beim Übergang von einem zum benachbarten Element steuert die Anzahl der kreierten Properties und Materials-Einträge. Im vorliegenden Fall werden 11 Materials- und 25 Properties-Einträge pro Paneel vorgesehen. Zahlreiche Visualisierungshilfen ermöglichen es, die gewählten Eingabeparameter eingehend zu überprüfen, bevor die Berechnung gestartet wird. Nach dem MSC.Nastran-Lauf bietet der MSC.Patran Postprozessing Teil vielfältige Möglichkeiten, die Ergebnisdatenbank grafisch aufzuarbeiten.
Ermittlung kritischer Zonen
Als weitere Besonderheit erlaubt der LM die Anwendung diverser Bruchkriterien sowie auch die Programmierung benutzerspezifischer Versagensformeln. Folgende Bruchkriterien sind in das Programm integriert: Maximum Stress, Tsai-Wu, Hill und die Tsai-Wu-ähnlichen Ansätze von Hoffmann, Hankinson und Cowin. Die Identifizierung von kritischen Plies war bei der derzeitigen LM-Version im Falle der Elemente mit >20 Lagen stark eingeschränkt und wurde durch Export von MSC.PatranTabellen an ein externes XY-Plot Programm gelöst. Zwei Elemente liegen demnach klar im Versagensbereich (über Failure Index = 1) nach Tsai-Wu, während die Mehrheit eine hohe Sicherheit aufweist. Für den Lastfall „Seitenruderausschlag“ ergeben sich höhere Failure Indizes, wobei mindestens fünf Elemente nach dieser Theorie versagen würden. Eine Auftragung der maximalen Von-Mises-Spannungen aller Lagen identifiziert mögliche kritische Zonen. Weiteren Aufschluss über die Brauchbarkeit des Entwurfs gibt das Auftragen der Elementspannungs-Gradienten für die zugeordneten Faserrichtungen über der Lagennummer. Bei näherer Betrachtung der kritischen Gebiete konzentrieren sich die Änderungsmaßnahmen auf die Verstärkung der Lagerumgebung, bis keine Elemente mehr versagen.
Zur Orientierung hier nochmals die Prozesskette, die beim Entwurf durchlaufen wird:
n Design in Catia (z.T. mit Fibersimm), Übergabe der Geometrie durch Catexpress an MSC.Patran
n Finite Element Modellierung mit MSC.Patran, Modellierung des Laminats mit dem MSC.Laminate Modeler
n Berechnung der Laminats-Spannungen und -Dehnungen mit MSC.Nastran, Auswertung der Ergebnisse mit MSC.Patran, Spezialmodul MSC.Laminate Modeler
n X-Y Plots der Versagenskriterien (Dornier eigenes Programm)
n Interaktives Verändern der Entwurfsparameter: Wandstärke und Lagenorientierung an den kritischen Stellen, bis die gewünschten Werte erreicht sind, Abspeichern der Modelle und Ergebnisse in das PDM System-Metaphase (Anbieter: SDRC).
Ausführliche Informationen
MSC Nastran
KEM 566
MSC Patran
KEM 567
MSC Nastran for Windows
KEM 568
Beratung CAE-Technologie
KEM 569
Internet
25% des Gewichts aus Carbonbauteilen
Dornier/Fairchild hat bei der Konstruktion des Regionaljets 328JET insgesamt 25% des Flugzeuggewichts aus Carbonbauteilen realisiert und nicht zuletzt dadurch einen sehr wirtschaftlichen Jet geschaffen. Am Beispiel der Vorauslegung eines Seitenflossenpaneels wird die Vorgehensweise und der Einsatz der Composite Software der Firma. MSC-Software verdeutlicht.
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