Welche strukturellen Versagensarten können auftreten?
Welche Aspekte müssen bei der Entwicklung von Strukturen beachtet werden? Nenne 4 Aspekte.
Lastannahmen
Materialauswahl
Strukturrechnung
Dauerfestigkeit
Sturkturtest
teuer -> mehr Rechnungen als Tests
Zeit und Kosten für Entwicklung und Fertigung
In welchen Formen kann Leichtbau realisiert werden?
Leichtbau Materialien
(CFRP, Aluminium Legierungen,…)
Durch Form(gebung)
Lasteinleitungen, etc. durch Stringer, Rips, Wellbleche, … versteifen
Leichtbau Systeme:
z.B. Integraltanks
Kombination von Fertigungsmethoden
Sandwichstrukturen (Leichtbauwerkstoff und Form)
Nenne 5 Lastfälle, die es zu betrachten gilt.
Nenne 4 Beispiele für Fälle wo strukturelle Detailentwürfe betrachtet werden müssen.
Nenne 4 Aspekte die bei der Materialauswahl betrachtet werden müssen.
Nenne je 3 statische und dynamische Analysen, die in der Strukturauslegung erfolgen müssen.
Welche Qualitätskontrollen und Verifikationen sind relevant für die Struktur?
Welcher Aspekt macht Leichtbau in der Luftfahrt so bedeutsam?
Bsp. A320 (500 Nm, 150PAX):
Masseneinsparung von 1% -> Kraftstoffeinsparung von 0,9%
~60t Kersion/Flug
~72k€/Jahr
Lastfälle
In welche Kategorien werden die auftretenden Belastungen eingeteilt?
Air Load (due to Aerodynamic pressure)
Mass loads (weight & inertia forces)
Power plant loads (thrust from engines, vibrations, gyro effect)
Landing gear loads (landing impact, movement ground)
Additional loads (cabin pressure, tank pressure, reaction forces flaps/actutors, bird strike)
Welche Kategorien der einschränkenden Belastungen sind in den Zertifizierungsrichtlinien definert?
Limit Loads
Die maximale Belastung, der das Luftfahrzeug während des Betriebs voraussichtlich ausgesetzt sein wird und die von der Struktur ohne bleibende Verformung aufgenommen werden muss
Ultimate Loads
Durch Multiplizierung der Limit loads durch einen Sicherheitsfaktor j.
Was gibt das v-n-Diagramm an?
Limits der akzeptablen Flugenvelope, durch angabe eines dimensionslosen Lastfaktor n und einer Geschwindigkeit v.
Zwischen welchen Lasten wird im V-n-Diagramm grundsätzlich unterschieden?
Grundlasten im Stationären Reiseflug
Manöverlasten
Änderung der Trajektorie oder Höhe
Flare / Turn,…
Böenlasten
Turbulenzen
Nenne 4 essenzielle Strukturelemente eines Flugzeugs.
Schale / Haut
Balken / Spars
Stringer
Frames/Spante
Ribs / Rippen
Was ist die Funktion von Spars & Stringern?
Absorbtion und Leitung von Biegelasten und Längskräften
Absorbtion und Leitung von Querkräften (Balken/Spars)
Erhögung der erlaubten Beulspannung durch Verkleinerung der Hautflächen und Versteifung der Kanten
Was sind die Funktionen der Frames (Spant) und Rips
Querschnittsfläche halten
Verteilung von konzentriert eingeleiteten Lasten
Versteifung gegen Beulen
Wie werden in dem vorliegenden Tragflügel die Lasten (Querkraft, Torsion, Normalkraft) absorbiert und weitergeleitet?
Welche Verbindungselemente sind in Flugzeugen üblich?
Die Verbindung zwischen Stringern, Spanten und der Schale wird hauptsächlich durch Clips (Klammern) und Nieten (Rivets).
Clips ermöglichen das Nieten und einen besseren Kraftfluss in der Verbindungsstelle
Verbindungselemente haben einen signifikanten Anteil an der Masse
Bennene alle Elemente eines A340-Tragflügels
Bennene die eingezeichneten Elemente der A340-Tragfläche
Wie verändert sich das Flächenträgheitsmoment und das maximal ertragbare Biegemoment, wenn sich der Abstand der Decksichichten vergrößern?
Welche Vorteile bringen Komposit-Werkstoffe in der Luftfahrtindustrie?
Geringe Masse mit hohem Steifigkeitsverhalten
Mechanische Eigenschaften können an Lasten angepasst werden
Hohe Festigkeit
Korrosionsbeständig
Gute Steifigkeit und Formstabilität
Energieabsorbitions-Kapazität
Was bringt das Verkleben der Verstärkungen (Rips, Stringers, Frames) an die Außenschale während des Laminierprozesses?
Erhöhter Widerstand gegen Delamination
Vorbeugen der Ablösung von Rippen und Stringern von der Schalenstruktur
Welchen Vorteil bringt ein vernähen der CFK-Schichten?
Optimaler Kraftfluss zwischen den Komponenten.
Nenne 4 Nachteile die mit Faserverbundwerkstoffen einhergehen.
Delamination der Deckschichten/des Kernmaterials
Erfordert nichtzersörende Test (NDT)
Foreign object damage (FOD)
sensitvity to local impact.
Überdimensionierung reduziert Massenvorteil
Komplizierte Produkion & hohe Kosten
Anfälligkeit für Feuchtigkeit und hohe Temperaturen
Blitzableitung
Enteisung
Entsorgung
Welcher Anteil an CFRP-Bauteilen ist im A350-900 XWB (2009) verbaut?
Nenne drei Baugruppen des A380, der mit CFRP gefertigt ist.
Was ist GLARE?
GLAss-REinforced is a layer material consisting of aluminium and GFRP layers
(25% of the A380 consists of CFRP, 3% of GLARE (upper fuselage shell)
Welche Vorteile hat GLARE?
Leichter als Aluminium
Höhere Festigkeit als Alu
höherer Feuer- und Blitzschlagschtz als CFRP
Für wie viel Flugstunden werden Flugzeuge ausgelegt?
180.000 Flugstunden
Kommerzielle fliegen diese maximal 60.000h
Sicherheitsfaktor 3
Was besagt das Safe-Life Principle?
Während der angegebenen Lebensdauer des Luftfahrzeugs dürfen keine wesentlichen Ermüdungsschäden auftreten.
Was besagt das Fail-Safe Prinicple und das Damage Tolerance Principle?
Bis zum Ende einer längeren Betriebszeit dürfen keine Ermüdungsschäden aufgetreten sein.
Der Betrieb des Luftfahrzeugs darf auch nach Auftreten von Ermüdungsrissen fortgesetzt werden, wenn die
folgende Punkte gegeben oder beachtet werden:
Regelmäßige Inspektionen
Kleine Schäden, die bei einer Inspektion nicht entdeckt werden können, können toleriert werden, ohne die Sicherheit zu gefährden
Die Struktur muss eine ausreichend hohe Restfestigkeit für die vorgesehene Lebensdauer aufweisen, trotz potenziell erheblichen Ermüdungsschäden
Was zeigt die Stress-number (Wöhler) Kurve auf?
Den Abfall der Festigkeit über die Anzahl der Lastzyklin N bis zum Versagen
Wie wird die zulässige Dauerfestigkeit bestimmt?
Ablesen aus Diagramm
Anzahl der Lastzyklen muss höher sein als erwartete Lastzyklen (Sicherheitsfaktor 3)
Was zeigt das Haigh-Diagramm auf?
Plot der zulässigen Lastzyklen bis zum Bruch als Funktion der alternierenden Last
Mittlere Spannung
Alternierende Last
Was sind load collectives (Lastkollektive)?
Alternierende (oder oszillierende) Lasten, die auf eine Komponenten wirken während des Flugbetriebs heißen Kombiniert Lastkollektive
Für welche Lasten können Lastkollektive erstellt werden?
Unterschiedliche zum Beispiel
Sink raten
Spannungen
Kräfte (z. B. für Ermüdungsversuche (fatigue tests))
Für welche Anwendung werden Lastkollektive verwendet?
Servive Life Calculations / Predictions
Service life tests/analysis
Für welche Betrachtung sind Kumulative Diagramme sehr hilfreich?
Betrachtung der Wahrscheinlichkeit, dass ein Grenzwert überschritten wird.
Besser relative Werte als absolute!
Im besten Fall auf einen bestimmten Kennwert (häufig Flugstunde) bezogen.
Wie wird die Kumulierte Frequenz am Beispiel von Beschleunigungsspitzen aufgrund von Böen berechnet?
Die Häufigkeit der Überschreitung innerhalb der geflogenen Flugstunden führt zu.
Die Wahrscheinlichkeit P, dass ein Wert in der betrachteten Periode überschritten wird ist:
Was ist die Palmgren-Miner Regel und welche Annahmen liegen dieser zugrunde?
Methode zur Servie life Calculation
Empirisch nachgewiesen
Annahmen:
Komponenten haben generell limitierte Lebenszeit
Schaden entstehen aus jeden Lastzyklus
Auch kleine Lasten verursachen Schäden, die mit wachsender Zeit wachsen
Summe aller dynamischen Lasten beeinflussen die Lebenszeit
Regel:
Ein Lastzyklus verursacht einen Schaden von 1/N
Zerstört bei Scahden von !
Bennene die fehlenden Schritte:
Nenne vier Struktur-Tests die ein Flugzeug für die Zulassung absolvieren muss und wofür diese Tests benötigt werden?
Komponenten Tests
statische und dynamishce Tests für kritische Komponenten (neue Komponenten)
Large-Scale static tests
Breaking load
Large-scale dynamic testing
Ermüdungserscheinigungen
Bird strike testing
Kollisionen
Ground vibration test (GVT)
Eigenfrequenzen und Dämpfung (Flattern)
Special tests
zum Beispiel: drop hammer tests -> Verfication of landing gear desgin
Welchen Einfluss haben die Struktur-Test auf die Entwicklungskosten?
Ca. 5,5%
Nenne je zwei Baugruppen, die für die Subdivision der Flugzeugstruktur getestet werden müssen:
Was wird bei den statischen Tests getestet und wie weit gehen diese tests?
Gesamte Struktur und alle großen Komponenten (Flügel, Rumpf, Hecksektion)
Bis zum Versagen getestet
Sicherheit von i.d.R. 1,5
Was wird bei den dynamischen Tests getestet und wie weit gehen diese tests?
Bestimmung der Ermüdungsfestigkeit
2,5 bis 3 fache Flugzeuglebenszeit
Bennene die fehlenden Komponenten:
Nenne drei statische Versuche, die bei Landing Flaps und deren Aktuatoren durchgeführt werden.
Welche Komponenten werden beim Bird strike testing betrachtet
Rumpfnase und Cockpitscheiben
Nasenleisten der Flügel
Ausgefahrene Landeflaps
Leitwerks-Vorderkanten
Was ist das Ziel von Ground vibration tests?
Überprüfung der berechneten Eigenmoden und Bestimmung der strukturellen Dämpfung am Originalflugzeug
Wie sieht der Versuchsaufbau von Ground vibration tests aus?
Montage des Flugzeugs auf elastischer Stützvorrichtung zur Simulation der Freiflugbedingungen
Anbringen von Shakern und Beschleunigungssensoren
Wie läuft ein ground vibration test ab?
Schwingung der Struktur mit elektrodynamischen Erregern (Shaker; Anzahl abhängig von der Flugzeuggröße). Um die unterschiedlichen Biege- und Torsionsformen richtig anzuregen, werden die Shaker phasen- und phasengegenphasig an unterschiedlichen Positionen angesteuert
Messung von Eigenschwingungen (50-200) mit Beschleunigungssensoren (z.B. 250)
Aufzeichnung der Kraftsignale
Bewertung und aufzeigen der natürlichen Schwingung während der Tests
Was passiert mit den Ergebnissen eines Ground vibration test?
Eigenschwingungen in die Flatteranalyse einbringen
Anpassungen an der Steifigkeit, Masse und Strukturellen Dämpfung einzelner Komponetnen
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