Strukturlabor

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Leichtbau - Flugzeug-Flügelholm

Am Beispiel eines Flugzeug-Flügelholms soll das Potential zur Reduktion des Gewichts von Flugzeugen durch eine intelligente Leichtbaukonstruktion und den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen demonstriert werden.

Motivation - Reduktion des Gewichtes von Flugzeugen

Um die globale Klimaerwärmung und deren Folgen zu begrenzen, muss der Ausstoss von CO2 deutlich reduziert werden. Die gegenwärtige Mobilität der Menschen soll trotzdem erhalten oder sogar weiter ausgebaut werden (z.B. in Schwellenländern). Um das zu ermöglichen, müssen zukünftige Flugzeuge wesentlich weniger Energie verbrauchen oder/und mit erneuerbaren Energieformen angetrieben werden. Im Wesentlichen helfen drei Strategien den Energieverbrauch von Flugzeugen zu verringern: die Verringerung des Gewichts, die Verbesserung der Effizienz des Antriebs, und die Verringerung des Luftwiderstandes. Strukturen aus faserverstärkten Kunststoffen haben das Potential, die Masse von Flugzeugen zu reduzieren. Diese Faserverbundmaterialien sind bereits heute schon etabliert für den Bau von Primärstrukturen von Klein- und Segelflugzeugen und erzielen einen stetig steigenden Gewichtsanteil bei Flugzeugen der kommerziellen Luftfahrt (vgl. Airbus A350 XWB: 53 % des Strukturgewichts besteht aus faserverstärktem Kunststoff).

Aufgabenstellung

Im Rahmen des Strukturlabors soll ein innovativer Tragflügelholm aus faserverstärkten Kunststoffen konstruiert, hergestellt und geprüft werden. Dabei müssen die vorgegebenen Anforderungen betreffend minimaler Last, minimaler Steifigkeit, Bauraum, etc. eingehalten werden. Die Auslegung als Biegeträger erfolgt mit einer analytischen Handrechnung und einer FE-Berechnung sowie zusätzlich mit einer detaillierten Beurteilung der kritischen Stellen (Verbindungselemente, Knicken, Beulen, etc.). Die Tragflügelholme aus faserverstärkten Kunststoffen werden im Nasslaminierverfahren hergestellt und mit einem speziellen Versuchsaufbau experimentell validiert.

Lernziele

Ziel des Strukturlabors ist es, häufig vorkommende Problemstellungen der Strukturmechanik anhand geeigneter Auslegungsansätze und Experimente zu visualisieren und zu diskutieren. Die Studierenden bearbeiten in Gruppen die Auslegung, Konstruktion sowie den Bau von möglichst leichten Trägerkonstruktionen in verschiedenen Ausführungen, bereiten den experimentellen Aufbau vor und führen die Versuche durch. Dabei werden, wie heute in Leichtbaustrukturen üblich, faserverstärkte Kunststoffe mit unterschiedlichen Bauweisen (Schalenkonstruktionen, Sandwich) eingesetzt. Erfasst und diskutiert werden die Durchbiegung des Balkens, lokale Dehnungen an kritischen Stellen, das Eintreten von Instabilitäten sowie das Versagen der Struktur.

Die Studierenden können beim Strukturlabor unter anderem Folgendes lernen:

• Auslegung von Strukturen mit FEM > das Werkzeug für Strukturingenieure
• Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen > die leistungsfähigsten Leichtbaumaterialien
• Validierung der Auslegung mit Versuchen > Vergleich von Theorie und Praxis
• Kostenabschätzung > ein zentraler Aspekt in der Industrie
  

Koordination

• Markus Zogg