Konzeptentwicklung und Simulation einer bionischen Hubschrauberkabinenstruktur unter Betrachtung des Vogelschlags

Kurzfassung

Title: Design concept and simulation of a biomimetic helicopter canopy structure with respect to bird strike Summary: Bird strike poses a risk on the aviation which has effects in terms of damage to the airframe structures and critical flight conditions. So far biomimetic designs have shown proven structural solutions under static loadings. Based on this potential, it was analysed if an optimisation for dynamic loadings is possible. The objective of this work is to develop a biomimetic concept for a rotorcraft radome. The findings were transferred into finite element simulation. The behaviour of the biomimetic structure under bird strike was compared to a reference component designed as a typical sandwich construction with face sheets of glass fibre reinforced plastics (GFRP) A screening of impact resistant biological structures in wildlife was performed. The hammer of the peacock mantis shrimp (lat. Odontodactylus scyllarus) was found to be the best fitting model organism. Its structure was abstracted and transferred into a technically applicable design. This developed design was analysed in different configurations, load cases and modelling & simulation approaches. The monolithic radome based on a biomimetic structure could reach a weight reduction of approximately 15 % compared to a an aeronautical sandwich for this component. By its nature, a catastrophic damage in case of impact can be avoided in contrast to the reference. This impact resilience presumably makes a continued safe flight possible. // Titel: Konzeptentwicklung und Simulation einer bionischen Hubschrauberkabinenstruktur unter Betrachtung des Vogelschlags Kurzfassung: Vogelschlag stellt in der Luftfahrt ein großes Risiko dar, aus welchem enorme Schäden und kritische Flugsituationen entstehen können. Da die Bionik bereits unter statischen Belastungen ein großes Potential zur Optimierung gezeigt hat, gilt es zu klären, inwiefern dies auch unter dynamischen Belastungen möglich ist. Ziel dieser Arbeit ist es, ein bionisches Konzept für ein Hubschrauber-Radom zu entwickeln und die gewonnenen Erkenntnisse per Finite Elemente Simulation zu untersuchen. Hierzu wird das Verhalten der bionischen Struktur unter Vogelschlag mit dem eines Referenzbauteils in klassischer Sandwichbauweise mit Deckschichten aus glasfaservestärktem Kunststoff verglichen. Anhand eines Screenings werden Analogien zu schlag-resistenten Strukturen in der Biologie gesucht und bewertet. Der am besten geeignete Modellorganismus in Fauna und Flora, der Hammer des Fangschreckenkrebs (lat. Odontodactylus scyllarus), wird abstrahiert, sodass die Struktur technisch nutzbar wird. Die entwickelte Struktur wird in verschiedenen Konfigurationen, Modellierweisen und unter mehreren Lastfällen simuliert. Anhand der bionischen Struktur wird ein monolithisches Radom entwickelt, dessen Gewicht um zirka 15% unter dem des klassischen Sandwich-Bauteils liegt. Gleichzeitig wird ein katastrophaler Schaden im Vergleich zum Referenzbauteil verhindert und somit die Wahrscheinlichkeit eines sicheren Weiterfluges erhöht.