Entwicklung eines skalierten digitalen Zwillings einer Flugzeugtragfläche mittels Prüfstand, Testflugzeug sowie Fluid- und Struktur-Simulation

Abstract

In der vorliegenden Thesis erfolgt die Konzeptionierung und Erstellung eines skalierten digitalen Zwillings einer Flugzeugtragfläche. Dazu wird die Tragfläche eines Testflugzeugs betrachtet, die mit Sensorik ausgestattet wird. Die Tragfläche wird sowohl an dem Testflugzeug als auch an einem isolierten Prüfstand untersucht. Das Testflugzeug dient der Generierung realer Flugdaten sowie der Validierung des Prüfstands und der numerischen Modelle. Der Prüfstand wird später als Datengenerator verwendet, um daran Methoden für den digitalen Zwilling zu erarbeiten. Für die Entwicklung des digitalen Zwillings wird zuvor ein Konzept entwickelt. Dieses umfasst einen Zeitplan, der sich in kurz-, mittel- und langfristige Ziele gliedert. Ferner wird das Gesamtkonzept skizziert, welches aus einer Anwendungsschicht sowie virtuellen und physischen Komponenten besteht. Das Konzept leitet sich aus den Projekten oLAF und INTELWI ab, an denen das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. beteiligt ist. Ferner werden allgemeine und spezielle Ansätze für den digitalen Zwilling aus der Literatur herangezogen. Im Endeffekt soll der digitale Zwilling mithilfe einer geeigneten Dateninfrastruktur und Datenfusion eine Aussage über den Gesundheitszustand der Tragfläche treffen. Der Fokus liegt dabei auf den Untersuchungen der am Prüfstand befestigten Tragfläche. Das Testflugzeug wird lediglich theoretisch ausgelegt. Die Struktur wird physisch wie numerisch anhand eines Kalibrierungsversuchs am Prüfstand untersucht. Dazu werden vorerst statische Belastungen berücksichtigt. Diese werden durch Stahlgewichte hervorgerufen, die über Adapter an der Tragfläche befestigt werden. Die Verschiebungen der Tragfläche werden durch Sensoren aufgezeichnet. Mit den Kalibrierungsmessungen wird die Aussagekraft der Sensordaten überprüft. Die Belastungen werden durch Dehnungsmessstreifen aufgenommen. Die Dehnungsmessstreifen geben die Belastungen gut wieder und können sogar Schwingungen der Tragfläche abbilden. Infrarot- und Ultraschallsensoren weisen eine zu geringe Genauigkeit auf. Drifts oder Schwankungen treten nicht auf, jedoch werden viele Ausreißern identifiziert. Die Daten der inertialen Messeinheiten liefern im Allgemeinen gute Rohdaten. Eine Bestimmung der Tragflächenauslenkungen bleibt jedoch aus, da die Beschleunigungen und Winkel nicht konvertiert werden können. Hinsichtlich der Struktur-Simulation kann ein Modell aufgebaut werden, welches die Auslenkungen der Tragfläche gut wiedergibt. Die Spannungen können jedoch nicht validiert werden. Mithilfe der Literatur wird ein Fluid-Modell aufgebaut. Die Validierung des Modells kann nicht erreicht werden. Dadurch können entsprechende Fluid-Struktur-Simulationen ebenfalls nicht realisiert werden. Für die Fluid-Struktur-Interaktion wird die Ein- und Zwei-Wege-Kopplung in Betracht gezogen. Basierend auf der Literatur wird ein neuer Ansatz auf Grundlage eines reduzierten zweidimensionalen Schnittmodells verfolgt. Seitens der Anwendungssicht wird eine Benutzeroberfläche aufgebaut, mit der der digitale Zwilling bedient werden kann. Dadurch können Prozesse gestartet und Daten archiviert werden. Für die Simulationen wird eine SSH-Verbindung zum CARA-Hochleistungsrechner aufgebaut. Über die Anwendungsschicht können die Simulationen konfiguriert und gestartet werden. Zum jetzigen Zeitpunkt sind noch nicht alle Funktionen der Anwendungsschicht lauffähig.