Strukturdynamik und Aeroelastik eines Leichtflugzeugs sehr hoher Streckung

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Strukturdynamik und Aeroelastik eines Leichtflugzeugs sehr hoher Streckung. Das Leichtflugzeug basiert auf dem Konzept eines Mehrkörperflugsystem, dessen Einzelflugzeuge gesondert in die Stratosphäre auf steigen und sich dort zu einem Verbundflugzeug verbinden. Ziel dieser Arbeit sollen strukturdynamische und aeroelastische Analysen für einen Strukturentwurf eines Einzelflugzeugs sein. Der Strukturentwurf umfasst die Dimensionierung der Wandstärke der Primärstrukturen der Tragflächen, sowie ein Simulationsmodell des Flugzeugs für diese Untersuchungen. Für den Strukturentwurf wird eine Vordimensionierung der Primärstruktur am Beispiel des Flügels erarbeitet. Dazu werden verschiedene Bauweisen betrachtet und miteinander verglichen. Dieser Vergleich zeigt den Vorteil der Verwendung eines Rohrholms mit einer Einbautiefe von 25% der Flügelprofiltiefe. Des Weiteren erfolgt eine Laminatauslegung auf der Grundlage von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Die Umsetzung des Simulationsmodells erfolgt mit Hilfe des DLR-internen Programms ModGen, sowie MSC Nastran. Dazu wird ein Strukturmodell aus sechs Flugzeugkomponenten aufgebaut. Dieses beinhaltet die Geometrie der Komponenten und definiert die Lastreferenzachse mit einer Vorder- und Hinterkante. Die aerodynamischen Eigenschaften des Flugzeugs werden von einem aerodynamischen Modell basierend auf der Potentialtheorie repräsentiert. Die sämtlichen Massen werden durch ein Massenmodell, das Teil des Strukturmodells ist, abgebildet. Der CFK-Rohrholm wird mit einem eigens für diese Arbeit in der Programmiersprache Python geschriebenen Algorithmus modelliert und iterativ dimensioniert. Die Dimensionierung basiert auf definierten Manöverlasten. Die zur Analyse der strukturdynamischen Eigenschaften des Simulationsmodells notwendigen Eigenfrequenzen und Eigenformen werden mittels der Solution 103 in dem Programm MSC Nastran ermittelt. Zur aeroelastischen Analyse werden die kritischen Geschwindigkeiten der Ruderwirksamkeit und Torsionsdivergenz berechnet und mit der maximalen zulässigen Fluggeschwindigkeit verglichen. Die Untersuchungen zeigen, dass die Primärstrukturen der Tragflächen von zwei kritischen Manöverlasten dimensioniert werden. Des Weiteren ergibt sich auch, dass die auftretenden Lasten zu den Spitzen der Tragflächen hin stark abnehmen, sodass eine vordefinierte Mindestwandstärke als Nebenbedingung greift. Der Vergleich der maximalen zulässigen Fluggeschwindigkeit für die ausgelegte Flugzeugstruktur mit den kritischen Geschwindigkeiten der Ruderwirksamkeit und Torsionsdivergenz zeigt, dass die Ruderwirksamkeit gegeben ist, jedoch die kritische Geschwindigkeit der Torsionsdivergenz in einem Lastfall überschritten wird. Die Modalanalyse ergibt, dass aufgrund der gleichen Steifigkeit in Biege- und Schwenkrichtung des Rohrholms, gleiche Bewegungsformen in zwei Raumrichtungen existieren und die dazugehörigen Eigenwerte dicht beieinander liegen.