DE102009057018A1 - Aircraft fuselage structure has skin field, where diagonal stiffening elements are formed by skin-field polygons, and stiffening frames are designed for limiting fuselage section - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Flugzeugrumpfstruktur gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an aircraft fuselage structure according to the preamble of patent claim 1.
Derzeit ist es üblich, Flugzeugrumpfstrukturen aus Rumpfschalen herzustellen, denen einzelne im Wesentlichen rechteckige Hautfelder bildende Versteifungsstrukturen zugeordnet sind. Vielfach werden die Rumpfschalen durch unmittelbar mit der Innenfläche der Schale verbundene und in Längsrichtung verlaufende Versteifungsprofile, so genannten Stringern, und darüber kreuzenden Versteifungsprofilen in Umfangsrichtung, so genannten Spanten, ausgeführt. Die jeweiligen Versteifungsprofile werden zumeist in einem differenziellen Montageprozess vorzugsweise mit Nietverbindungen gefügt.Currently, it is customary to manufacture aircraft fuselage structures from fuselage shells to which individual substantially rectangular skin panels forming stiffening structures are assigned. In many cases, the fuselage shells are carried out by stiffening profiles, which are connected directly to the inner surface of the shell and extend in the longitudinal direction, so-called stringers, and stiffening profiles which cross over them in the circumferential direction, so-called frames. The respective stiffening profiles are usually joined in a differential assembly process, preferably with riveted joints.
Neben dieser konventionellen Bauweise ist beispielsweise aus der
Isogrid-Strukturen werden üblicherweise in zylindrischen Rumpfstrukturen mit konstantem Radius und insbesondere in nicht auf Innendruck belasteten Anwendungen wie etwa Raketenstufen in der Raumfahrt angewandt. Im Fall einer Anwendung bei einer Flugzeugrumpfstruktur erweist sich die in Form und Weite konstante Gitterstruktur eines Isogrids als nicht gewichtsoptimal, da in einem Flugzeugrumpf über den Umfang und in Längsrichtung erheblich unterschiedliche Hauptlastrichtungen und Lastamplituden vorherrschen. Eine in Form und Weite konstante Gitterstruktur kann somit nicht zu einer gewichtsoptimalen Lösung führen.Isogrid structures are commonly used in cylindrical fuselage structures of constant radius, and in particular in non-internal pressure applications such as space rocket stages. In the case of an application in an aircraft fuselage structure, the lattice structure of an isogrid which is constant in shape and width proves to be not optimal in terms of weight, since substantially different main load directions and load amplitudes prevail in an aircraft fuselage over the circumference and in the longitudinal direction. A constant lattice structure in shape and width can not lead to a weight-optimized solution.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Flugzeugrumpfstruktur zu schaffen, bei der eine hohe Struktursteifigkeit mit geringem fertigungstechnischem Aufwand und weniger eingeschränkter Größe und Form der Versteifungsstruktur der Rumpfschalen sowie von Rumpfausschnitten bei gleichzeitiger Reduktion des Strukturgewichts ermöglicht ist.In contrast, the invention has for its object to provide an aircraft fuselage structure, in which a high structural rigidity with low manufacturing complexity and less limited size and shape of the stiffening structure of the fuselage shells and fuselage cutouts while reducing the structural weight is made possible.
Diese Aufgabe wird durch eine Flugzeugrumpfstruktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by an aircraft fuselage structure having the features of patent claim 1.
Die erfindungsgemäße Flugzeugrumpfstruktur ist mit Hautfeldern versehen, der Versteifungselemente in Umfangsrichtung, winklig zur Längsachse angestellte diagonale Versteifungselemente, sogenannte Steifen, und Versteifungsrahmen, insbesondere Fenster- und/oder Türrahmen, zugeordnet sind, die Rumpfausschnitte etwa für Fenster, Türen, Tore und/oder Wartungsöffnungen begrenzen, wobei insbesondere Rumpfausschnitte zur Bildung von Fenstern in einem in Längsrichtung verlaufenden sogenannten Fensterband angeordnet sind. Erfindungsgemäß sind die Versteifungselemente mit zumindest einem der Versteifungsrahmen verbunden. Dadurch ist ein Kraftfluss über den Fenster- oder Türrahmen ermöglicht, so dass insgesamt eine lastoptimierte Struktur erreicht wird, die gegenüber herkömmlichen Strukturen bei gleicher oder höherer Steifigkeit ein geringeres Strukturgewicht aufweist. Hierdurch wird ferner erreicht, dass die Wahl der Ausschnittsgröße und -form freier erfolgen kann, da die Versteifungsrahmen der Rumpfausschnitte den Lastpfad der Versteifungselemente jeweils fortsetzen. Entsprechend kann eine sonst übliche Verstärkung der Außenhaut und/oder der Versteifungselemente in Umfangsrichtung im Bereich des Ausschnitts oder insbesondere im Bereich eines Fensterbands verringert werden, so dass eine weitere Gewichtsreduzierung ermöglicht ist.The aircraft fuselage structure according to the invention is provided with skin panels, the stiffening elements in the circumferential direction, obliquely to the longitudinal axis employed diagonal stiffening elements, so-called stiffeners, and stiffening frames, in particular window and / or door frames are assigned, the fuselage cutouts for windows, doors, gates and / or maintenance openings limit, in particular fuselage cutouts are arranged to form windows in a longitudinally extending so-called window band. According to the invention, the stiffening elements are connected to at least one of the stiffening frames. This allows a power flow over the window or door frame, so that overall a load-optimized structure is achieved, which has a lower structural weight compared to conventional structures with the same or higher rigidity. In this way it is further achieved that the selection of the cutout size and shape can be made more freely, since the stiffening frame of the fuselage cutouts continue the load path of the stiffening elements respectively. Accordingly, an otherwise usual reinforcement of the outer skin and / or the stiffening elements in the circumferential direction in the region of the cutout or in particular in the region of a window strip can be reduced, so that a further reduction in weight is made possible.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zumindest eines der Versteifungselemente mit mindestens einem Eckbereich des Versteifungsrahmens z. B. eines Fenster- und/oder Türrahmens verbunden. Die Versteifungselemente schließen sich hierbei vorzugsweise strahlenförmig an den Versteifungsrahmen an.According to a particularly preferred embodiment of the invention, at least one of the stiffening elements with at least one corner region of the stiffening frame z. B. a window and / or door frame connected. The stiffening elements preferably follow this radially to the stiffening frame.
Die Versteifungselemente sind vorzugsweise entsprechend der vorherrschenden Hauptlastrichtung im jeweiligen Rumpfbereich angeordnet und so dimensioniert, dass insgesamt eine Leichtbaustruktur mit hoher Steifigkeit und einer geringen Sensitivität gegen Beulen erreicht wird. Die zuvor genannte Isogrid-Struktur stellt hierbei einen Spezialfall für Hautfelder in Form gleichschenkliger Dreiecke dar.The stiffening elements are preferably arranged in accordance with the prevailing main load direction in the respective fuselage area and dimensioned so that overall a lightweight structure with high rigidity and a low sensitivity to dents is achieved. The aforementioned isogrid structure represents a special case for skin fields in the form of isosceles triangles.
Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel ist zumindest zwei einander diagonal gegenüberliegenden Eckbereichen des Versteifungsrahmens jeweils mindestens ein mit diesen verbundenes Versteifungselement zugeordnet. Bei einer erfindungsgemäßen Variante ist jedem Eckbereich des Versteifungsrahmens zumindest ein mit diesem verbundenes Versteifungselement zugeordnet. Dadurch wird eine vorteilhafte Krafteinleitung in den Versteifungsrahmen des Ausschnitts und damit ein möglichst gleichmäßiger Lastfluss erreicht. Hierbei kann beispielsweise auf diagonale Versteifungselemente zwischen Fensterausschnitten im Fensterband verzichtet werden.In a specific embodiment, at least two mutually diagonally opposite corner regions of the stiffening frame are each assigned at least one stiffening element connected thereto. At a According variant of the invention is associated with each corner region of the stiffening frame at least one stiffening element connected thereto. As a result, an advantageous introduction of force into the stiffening frame of the cutout and thus the most uniform possible load flow is achieved. In this case, for example, can be dispensed with diagonal stiffening elements between window openings in the window hinge.
Vorzugsweise bestimmen die Winkel der diagonalen Steifen zur Längsachse und die Weite der durch die Steifen gebildeten dreieckigen Hautfelder die Ausschnittsgröße und -form in Abhängigkeit der strukturmechanischen Anforderungen. Die Versteifungsrahmen können erfindungsgemäß im Wesentlichen rechteckig ausgebildet werden, da die Rahmen mittragend sind. Dadurch wird eine gegenüber herkömmlichen Lösungen mit ovalen oder runden Kabinenfenstern vergrößerte Fensterfläche ermöglicht.The angles of the diagonal stiffeners to the longitudinal axis and the width of the triangular skin fields formed by the stiffeners preferably determine the cutout size and shape as a function of the structural mechanical requirements. The stiffening frame can be formed according to the invention substantially rectangular, since the frames are mitbefill. As a result, an enlarged compared to conventional solutions with oval or round cabin windows window surface is made possible.
Zwischen zumindest zwei mit mindestens einem Versteifungselement verbundenen Versteifungsrahmen, vorzugsweise einem Fensterrahmen, kann zumindest ein Versteifungsrahmen, vorzugsweise ein Fensterahmen, angeordnet sein, dem weder ein diagonales, noch ein Versteifungselement in Umfangsrichtung zugeordnet ist. Die zumindest in den Eckbereichen ohne Versteifungselemente ausgeführten zwischengeordneten Rahmen sind hierbei innerhalb eines Hautfeldes angeordnet.Between at least two stiffening frames connected to at least one stiffening element, preferably a window frame, at least one stiffening frame, preferably a window frame, can be arranged, to which neither a diagonal nor a stiffening element in the circumferential direction is assigned. The intermediate frames executed at least in the corner regions without stiffening elements are in this case arranged within a skin panel.
Die Abstände und Winkel der Versteifungselemente zueinander werden vorzugsweise lastabhängig ausgebildet. Als vorteilhaft erweist sich hierbei eine in Umfangsrichtung schrittweise Änderung der Beabstandung der Versteifungselemente. Besonders vorteilhaft ist hierbei eine Änderung der Beabstandung an Positionen mit signifikanten Wechseln der Hauptlastrichtung und Lastamplitude. Bei einer Ausführungsform der Flugzeugrumpfstruktur sind die Abstände der Versteifungselemente zueinander unterhalb eines Fußbodens, beispielsweise des Kabinenbodens, gegenüber den Abständen oberhalb des Fußbodens verringert. Vorzugsweise sind hierzu die Maschenweite halbierende zusätzliche Versteifungselemente vorgesehen.The distances and angles of the stiffening elements to each other are preferably formed load-dependent. In this case proves to be advantageous in a circumferential direction gradually changing the spacing of the stiffening elements. Particularly advantageous here is a change in the spacing at positions with significant changes in the main load direction and load amplitude. In one embodiment of the aircraft fuselage structure, the spacings of the stiffening elements relative to one another below a floor, for example of the cabin floor, are reduced in relation to the distances above the floor. For this purpose, the mesh width is preferably provided by halving additional reinforcing elements.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die zuvor genannte Änderung der Abstände durch zusätzliche Versteifungselemente unmittelbar unterhalb des Fensterbandes ausgeführt. Das Hautfeld kann im Bereich der Versteifungsrahmen, insbesondere der Fenster- und/oder Türrahmen, zumindest ein flächiges Verstärkungsfeld, insbesondere ein Verstärkungshautfeld, aufweisen.In a further advantageous embodiment, the aforementioned change in the distances is performed by additional stiffening elements immediately below the window band. In the region of the stiffening frames, in particular of the window and / or door frames, the skin panel can have at least one planar reinforcing panel, in particular a reinforcing skin panel.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Anstellung der Versteifungselemente zur Längsachse entlang des Umfangs entsprechend den Änderungen der Hauptlastrichtung angepasst. Dies führt zu geringeren Winkeln zur Flugzeuglängsachse im oberen und unteren Bereich des Flugzeugrumpfes, insbesondere in der maßgeblich auf Zug- und Druck in Längsrichtung belasteten Ober- und Unterschale. In den im Wesentlichen auf Schub belasteten seitlichen Bereichen des Flugzeugrumpfs, den Seitenschalen, werden die Winkel der Versteifungselemente größer eingestellt, so dass diese auf eine Schubbelastung hin optimiert sind. Vorteilhafterweise wird diese Anpassung der Winkel zusammen mit der zuvorgenannten schrittweisen Änderung der Beabstandung der Versteifungselemente ausgeführt.According to a further advantageous embodiment, the employment of the stiffening elements is adapted to the longitudinal axis along the circumference according to the changes of the main load direction. This leads to lower angles to the longitudinal axis of the aircraft in the upper and lower regions of the aircraft fuselage, in particular in the upper and lower shell, which are primarily loaded with tension and pressure in the longitudinal direction. In the lateral areas of the fuselage, the side shells, which are essentially loaded with thrust, the angles of the stiffening elements are set larger, so that they are optimized for a thrust load. Advantageously, this adjustment of the angle is carried out together with the aforementioned stepwise change in the spacing of the stiffening elements.
Bei einer Flugzeugrumpfstruktur mit zumindest einer oberen Rumpfschale und mindestens einer unteren Rumpfschale hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Schalenstöße derart anzuordnen, dass diese nicht durch den Bereich der Fenster- und/oder Türrahmen verlaufen. Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, die Fenster- und/oder Türrahmen unterhalb oberer Schalenstöße anzuordnen. Dadurch werden Durchsetzungen in der Hinterbaustruktur sowie eine technisch anspruchsvolle Verbindung der Hinterbaustruktur mit den Schalen in den Rahmenbereichen vermieden bzw. durch die geringere Anzahl an Versteifungselementen in der oberen Rumpfschale deutlich reduziert.In an aircraft fuselage structure with at least one upper fuselage shell and at least one lower fuselage shell, it has proved to be advantageous to arrange the shell joints such that they do not extend through the region of the window and / or door frames. To be particularly advantageous, it has been shown to arrange the window and / or door frame below upper shell joints. As a result, enforcement in the hindleg structure and a technically sophisticated connection of the rear structure with the shells in the frame areas avoided or significantly reduced by the smaller number of stiffening elements in the upper fuselage shell.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung bilden Hautfelder mit den Versteifungselementen eine integrale oder integral gefertigte Rumpfschale aus. Dadurch wird eine Reduktion der Prozessschritte in der Rumpfmontage und eine weitere Gewichtsoptimierung der Rumpfstruktur erreicht.According to a preferred embodiment of the invention, skin panels with the stiffening elements form an integral or integrally fabricated hull shell. This achieves a reduction of the process steps in the hull assembly and a further weight optimization of the fuselage structure.
Der den Rumpfausschnitt begrenzende Versteifungsrahmen bildet vorzugsweise ein umlaufendes Profil aus, das ein weiterer Bestandteil der Leichtbaustruktur ist und gegenüber bisherigen Bauweisen die strukturmechanische Leistungsfähigkeit verbessert, da auf Fügestellen in diesem hochbelasteten Bereich verzichtet werden kann. Dadurch kann ein zusätzliches Potential zur Reduktion von Montagekosten sowie des Gewichts erreicht werden.The stiffening frame delimiting the fuselage cutout preferably forms a circumferential profile, which is a further component of the lightweight structure and, compared to previous designs, improves the structural mechanical performance since it is possible to dispense with joints in this highly stressed area. As a result, an additional potential for reducing assembly costs and weight can be achieved.
Die Rumpfschalen werden vorzugsweise als Faserverbundwerkstoff-Bauteil, insbesondere als CFK-Bauteil, hochintegral ausgeführt, um werkstoffspezifische Vorteile optimal ausnutzen zu können. Insbesondere können die Rumpfschalen mittels eines Harzinfusionsverfahrens hergestellt werden.The hull shells are preferably designed as a fiber composite component, in particular as a CFRP component, highly integrated in order to optimally utilize material-specific advantages. In particular, the hull shells may be made by a resin infusion process.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Flugzeugrumpfstruktur ist zwischen zwei benachbarten Fensterrahmen als Versteifungselement in Umfangsrichtung jeweils ein Rumpfspant, vorzugsweise ein Omega-Rumpfspant, angeordnet. Derartige Omega-Rumpfspanten sind vorteilhaft herstellbar und reduzieren die Anzahl der benötigten Bauteile zur Anbindung an die Rumpfschale und zur seitlichen Stabilisation, sogenannte Clips und Cleats. Die Belastung wird aufgrund der beiden Schenkelfüße des Omega-Rumpfspants auf eine größere Fläche verteilt. Die Lasteinleitung kann durch Verbinden von Fußbodenquerträgern und Stützprofilen über Verbindungselemente mit den Omega-Spanten erfolgen. Lokale Hautverstärkungen und Doppler sind ebenfalls möglich.In one exemplary embodiment of the aircraft fuselage structure, in each case a fuselage bulkhead, preferably an omega fuselage bulkhead, is arranged between two adjacent window frames as stiffening element in the circumferential direction. Such omega fuselage frames are advantageous to produce and reduce the number of components required for Connection to the fuselage shell and for lateral stabilization, so-called clips and cleats. The load is distributed over a larger area due to the two leg feet of the Omega trunk frame. The load can be transferred by connecting floor cross members and support profiles via connecting elements with the omega frames. Local skin enhancements and Doppler are also possible.
Die Verbindungselemente können integral ausgebildet oder mittels Kleben und/oder Nieten mit den Fußbodenquerträgern, Stützprofilen und Rumpfspanten gefügt werden. Bei bereits auf dem Hautfeld befestigten Omega-Spanten kann die Verbindung mittels sogenannten Blindnieten erfolgen.The connecting elements can be integrally formed or joined by gluing and / or riveting to the floor cross members, support profiles and fuselage frames. For already mounted on the skin field omega frames, the connection can be done by means of so-called blind rivets.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Bestandteil der weiteren Unteransprüche.Other advantageous developments of the invention are part of the further subclaims.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Zuvor genannte Versteifungsrahmen von Rumpfausschnitten und deren Anbindung an die Versteifungselemente werden im Folgenden anhand von Fensterausschnitten dargestellt. Es zeigen:In the following preferred embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to schematic drawings. Previously mentioned stiffening frames of fuselage cutouts and their connection to the stiffening elements are shown below by means of window cutouts. Show it:
Wie insbesondere
Die Fensterrahmen
Die Hautfelder
Die Winkel und Weite der Hautfeld-Vielecke
Wie
Gemäß
Vorteilhafterweise wird das Ausführungsbeispiel aus
Wie
Die erfindungsgemäße Flugzeugrumpfstruktur
Offenbart ist eine Flugzeugrumpfstruktur
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1a–h1a-h
- FlugzeugrumpfstrukturAircraft fuselage structure
- 22
- Rumpfschalefuselage shell
- 44
- Hautfeld-VieleckSkin panel polygon
- 66
- Versteifungselementstiffener
- 88th
- Versteifungsrahmenstiffening frame
- 1010
- Rumpfausschnitthull Extract
- 1212
- Eckbereichcorner
- 1414
- Versteifungsrahmenstiffening frame
- 16a–d16a-d
- Rumpfschalefuselage shell
- 1818
- Kabinenbodencabin floor
- 2020
- Versteifungselementstiffener
- 2222
- Rumpfspantbulkhead
- 2424
- FußbodenquerträgerFloor beams
- 2626
- Stützprofilsupport profile
- 2828
- Verbindungselementconnecting element
- 3030
- Verbindungselementconnecting element
- 3232
- Kreuzungsbereichcrossing area
- 3434
- Profilverstärkungprofile reinforcement
- 36a–d36a-d
- Schalenstoßshell shock
- 3838
- Dreiecksstrukturtriangular structure
- 4040
- Fensterelementelement window
- 4242
- Fensterbandwindow strip
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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