Abschätzung des Leichtbaupotentials von Sekundärstrukturelementen

Abstract

Um den steigenden Leichtbauanforderungen in der Luftfahrt perspektivisch gerecht zu werden, ermöglichen Generative Fertigungsverfahren, neue Potentiale in der Bauteilgestaltung. Im Flugzeugbau stehen dabei die belasteten Sekundärstrukturelemente, sogenannte Brackets im Fokus. Zur Bewertung des Leichtbaupotentials generativ gefertigter Strukturelemente wurde daher eine Methode entwickelt, die das optimierte Bauteilgewicht auf Basis von Randbedingungen effizient abschätzt, d.h. ohne genaue Geometrieinformationen. Grundlage der Methode ist die Bewertung des Formleichtbaus, wobei dieser nochmals in die Themen Dimensionierung und Formgebung der Geometrie unterteilt wird. Hierfür wurden zwei neue Leichtbaukennzahlen definiert: der Auslastungsfaktor (AF) für die Dimensionierung und das Minimalgewicht (MG) für die Formgebung des Bauteils. Der Auslastungsfaktor beschreibt die durchschnittliche Materialauslastung bezogen auf die maximal zulässige Spannung des gewünschten Werkstoffs. Der durchschnittlich realisierbare Auslastungsfaktor konnte aus verschiedenen Bauteiloptimierungen mit ca. 23% bei einer Standardabweichung von 2,5% ermittelt werden. Dieser gilt für die gesamte Bauteilgruppe der Sekundärstrukturelemente. Das Minimalgewicht hingegen, beschreibt den theoretisch minimalen Materialbedarf, damit eine Last bei gegebenen Randbedingungen innerhalb der Festigkeitsgrenzen abgefangen werden kann. Diese individuelle Kennzahl eines Bauteils kann über eine FE-Analyse des gesamten möglichen Bauraums mit entsprechenden Randbedingungen ermittelt werden. Basierend auf diesen beiden Kennzahlen, Auslastungsfaktor der Bauteilgruppe und individuellem Minimalgewicht kann dann das künftige, optimierte Gewicht eines Bauteils abgeschätzt sowie die Leichtbaukategorien Dimensionierung und Formgebung bewertet werden.