DE102009056997B4 - Versteifungsstruktur und Verfahren zur Herstellung einer derartigen Struktur - Google Patents

Abstract

Versteifungsstruktur (2) für Flugzeugrümpfe mit auf einem Hautfeld (4) angeordneten und in einer Ebene zu diesem verlaufenden dreidimensionalen Steifen (6, 36) aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff, die jeweils zumindest einen Fußabschnitt (8, 10) zur Befestigung am Hautfeld (4) und einen Steg (12) mit mehren Steglagen (16, 18) aufweisen, und die eine Vielzahl von in der Ebene liegenden Kreuzungsbereichen (1) bilden, wobei in den Kreuzungsbereichen (1) jeweils ein Verbindungselement (24) mit je einem Arm in einen Spalt (20) zwischen den Steglagen (16, 18) eines Steges (16, 18) eingesetzt und mit diesen verbunden ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Versteifungsstruktur und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Versteifungsstruktur.
• Eine derartige Versteifungsstruktur ist zum Beispiel in der Patentanmeldung US 2007/0108347 A1 beschrieben. Die gezeigte Versteifungsstruktur dient zur Versteifung eines Flugzeugrumpfes und weist eine Vielzahl von sich in einer Ebene kreuzenden Steifen auf. Als Material für die Versteifungsstruktur werden faserverstärkte Verbundwerkstoffe wie CFK verwendet. Neben den zahlreichen Vorteilen einer derartigen Gitterstruktur gegenüber den herkömmlichen Stringer-Spanten-Lösungen, ist jedoch die Ausgestaltung der Kreuzungs- bzw. Verbindungsbereiche zwischen den Steifen problematisch. Im Gegensatz zu den bekannten Gitterstrukturen in Metallbauweise, vgl. NASA Contractor Report, NASA CR-124075, Revision A „ISOGRID DESIGN HANDBOOK”, können die faserverbundwerkstoffartigen Versteifungsstrukturen nicht einstückig mit den Steifen aus dem Vollen gefräst oder andersartig mechanisch spanend gefertigt werden und bedürfen andersartiger konstruktiver und fertigungstechnischer Lösungen.
• In dem US-Patent 4 230 293 A ist ein faserverstärkter Flugzeugrumpf gezeigt, der eine Innenhaut und eine Außenhaut aufweist, zwischen denen eine Vielzahl von plattenartigen Kerne angeordnet sind. Die Innenhaut und die Außenhaut sind über jeweils eine spiralartige Versteifungsstruktur verstärkt, die über ein abgewickeltes Materialband hergestellt wird. Zwischen gegenüberliegenden Kreuzungsbereichen der Versteifungsstrukturen sind sternförmige Verstärkungselemente angeordnet, die stirnseitig an den Versteifungsstrukturen bzw. deren Materialbahnen angreifen und mit der Innen- sowie der Außenhaut verschraubt sind. Nachteilig an dieser Lösung sind insbesondere die aufwendige Fertigung im Wickelverfahren und die genaue Positionierung der Kreuzungsbereiche sowie der Verstärkungselemente zueinander. Ferner tragen die Verstärkungselemente nicht zur Stabilisierung bzw. Verstärkung der einzelnen Versteifungsstrukturen bei, sondern durch die durch die Materialbahnen in den Kreuzungsbereichen geführten Schrauben vielmehr zu deren Schwächung. Eine Harmonisierung eines Kraftflusses über die Kreuzungsbereiche einer Versteifungsstruktur hinweg wird durch die Verstärkungselemente nicht ermöglicht.
• Weiterer Stand der Technik ist in der DE 10 2007 061 425 A1 , der DE 1 921 798 C und in der WO 2009/095133 A2 gezeigt. Zum Beispiel zeigt die WO 2009/095133 A2 zwei gegenüberliegende Steifen, die mittels eines Verbindungselementes miteinander verbunden sind, das außen an den Stegen und Fußabschnitten der Steifen angreift.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Versteifungsstruktur, die die vorgenannten Nachteile beseitigt und belastbare Kreuzungsbereiche aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Versteifungsstruktur zu schaffen.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Versteifungsstruktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 5.
• Eine erfindungsgemäße Versteifungsstruktur für Flugzeugrümpfe hat auf einem Hautfeld angeordnete dreidimensionale Steifen aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff, die eine Vielzahl von in einer Ebene bzw. auf dem Hautfeld liegenden Kreuzungsbereichen bilden. Erfindungsgemäß ist in den Kreuzungsbereichen jeweils ein in die Versteifungsstruktur integriertes Verbindungselement angeordnet. Das Verbindungselement dient der Verstärkung der Kreuzungsbereiche und erlaubt einen möglichst ungestörten Kraftfluß über die Kreuzungsbereiche zwischen den einzelnen Steifen.
• Das Verbindungselement zeichnet zumindest abschnittsweise die geometrische Form von Körperabschnitten der Steifen im Kreuzungsbereich nach. Hierdurch ist es möglich, das Verbindungselement möglichst einfach in die Steifen zu integrieren. Zum Beispiel können die Verbindungselemente sternförmig sein. Sie werden bei der Herstellung der Steifen in deren Stege eingebunden.
• Bei einem Verbindungselement mit zumindest einem Fußabschnitt, beispielsweise aus einem ein L-, T-, C- oder einem Omega-Profil, kann seine Anbindung an das Hautfeld dadurch verbessert werden, dass die sich kreuzenden Steifen einen von dem jeweiligen Kreuzungsbereich zurückgesetzten Fußabschnitt aufweisen. Somit ist es möglich, dass das Verbindungselement direkt an dem Hautfeld angreift und gleichzeitig mit dem zurückgesetzten Fußabschnitt einen Überlappstoß bildet.
• Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Versteifungsstruktur mit Steifen aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff, die eine Vielzahl von in einer Ebene liegenden Kreuzungsbereichen bilden, wird in den Kreuzungsbereichen jeweils ein Verbindungselement angeordnet. Das Verbindungselement ist integral mit der Versteifungsstruktur ausgebildet bzw. konsolidiert worden. Somit kann eine nachträgliche differentielle Anbindung des Verbindungselementes an die Steifen und das Hautfeld entfallen, was nicht nur fertigungstechnisch aufwendiger ist, sondern, zum Beispiel bei der Verwendung von Nietverbindungen, auch einen geringeren Materialeinsatz bedeutet.
• Das Verbindungselement selbst besteht vorzugsweise aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff wie CFK und wird bevorzugterweise durch Weben, Wickeln oder aus einzeln abgelegten Faserbündeln (Roving) oder Faserbändern hergestellt. Hierdurch werden Materialunverträglichkeiten zwischen den Steifen und dem Verbindungselement vermieden und das Verbindungselement ist in nahezu jeder Geometrie herstellbar, so dass es hinsichtlich seiner Gestalt und seines Faserverlaufes optimal ausgelegt werden kann.
• Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
• Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert, wobei die 2, 6 und 11 bis 18 nicht zur Erfindung gehören.
• Es zeigen:
• 1 ein sternförmiges Verbindungselement mit vier Armen integriert in einen Kreuzungsbereich bei T-förmigen Steifen,
• 2 ein sternförmiges Verbindungselement mit vier Armen einseitig an T-förmigen Steifen. befestigt,
• 3 und 4 ein sternförmiges Verbindungselement mit sechs Armen und dessen Integration in einen Kreuzungsbereich,
• 5 und 6 ein sternförmiges Verbindungselement mit einem T-förmigen Profil und dessen Integration in einen Kreuzungsbereich,
• 7, 8, 9 und 10 ein sternförmiges Verbindungselement und dessen Integration bei zu Dreiecken angeordneten Steifen,
• 11 ein mehrteiliges Omega-förmiges Verbindungselement aus mehreren Einzellagen und dessen Integration in einen Kreuzungsbereich mit vier Armen,
• 12 ein kappenartiges Verbindungselement und dessen Integration in einen Kreuzungsbereich mit vier Armen,
• 13 das Verbindungselement aus 12 bei einer Versteifungsstruktur mit Spanten mit sechs Armen,
• 14 und 15 ein krallenartiges Verbindungselement und dessen Integration in einen Kreuzungsbereich, und
• 16, 17 und 18 ein zylinderartiges Verbindungselement und dessen Integration in einen Kreuzungsbereich.
• In den Figuren tragen gleiche konstruktive Elemente die gleichen Bezugsziffern, wobei bei mehreren gleichen konstruktiven Elementen in einer Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit. nur einige dieser konstruktiven Elemente mit einem Bezugszeichen versehen sind.
• 1 zeigt in der Ansicht a) einen Kreuzungsbereich 1 einer Versteifungsstruktur 2 zur Versteifung eines Hautfeldes 4. Das Hautfeld 4 ist beispielsweise eine Außenhaut eines Flugzeugrumpfes und besteht aus einem kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff hergestellt aus Prepregs oder textilen Flächengebilden (Ansicht b)).
• Die Versteifungsstruktur 2 weist eine Vielzahl von T-förmigen Steifen 6 mit jeweils zwei Fußabschnitten 8, 10 zur Befestigung an dem Hautfeld 4 und einem sich senkrecht von den Fußabschnitten 8, 10 weg erstreckenden klingenartigen Steg 12 auf. Die Steifen 6 sind einteilig aus drapierten sogenannten Non-Crimp-Fabrics ausgeführt und in den Kreuzungsbereichen 1 endseitig zusammengeführt (Ansicht c)). Die Stege 12 werden jeweils von zwei Lagen 16, 18 gebildet, die im vorgefertigten Zustand über jeweils einen Spalt 20 im Kreuzungsbereich 1 zur Aufnahme des Verbindungselements 24 voneinander beabstandet sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Kreuzungsbereich 1 von vier Steifen 6 gebildet, deren Fußabschnitte 8, 10 jeweils einen Überlappungsbereich 22 bilden und deren Stege 12 sich stirnseitig nahezu berühren (Ansicht a)).
• Gemäß der Ansicht d) in 1 ist im Kreuzungsbereich 1 der Steifen 6 ein erfindungsgemäßes Verbindungselement 24 aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff, beispielsweise CFK, angeordnet. Es ist sternförmig mit vier klingenartigen Armen 26 ausgebildet und in die Spalte 20 zwischen den Stegen 12 eingesetzt, so dass es vollständig in die Stege 12 bzw. die Steifen 6 integriert ist. Zum vollständigen Schließen der Spalte 20 kann hautseitig ein entsprechendes Füllmittel oder ein Kohlefaserzwickel verwendet werden. Das Verbindungselement 24 kann in einem sogenannten SMC-Verfahren (Sheet Moulding Compound, Ansicht e)), in Wickeltechnik aus einzelnen Fasern bzw. Filamenten (Ansicht f)) oder nach einer Webtechnik (Ansicht g)) hergestellt und gegebenenfalls vorimpregniert und vorausgehärtet sein.
• Zur Herstellung der Versteifungsstruktur 2 mit den verstärkten Kreuzungsbereichen 1 werden die Steifen 6 entsprechend zueinander positioniert (Ansicht c)) und das Verbindungselement 24 gemäß einem der vorgenannten Verfahren hergestellt (Ansichten e), f), g)). Dann wird es jeweils in die Spalte 20 zwischen den Steglagen 16, 18 der Steifen 6 eingesetzt und mit den Steifen 6 ausgehärtet (Ansicht d)).
• Gleichzeitig wird das Hautfeld 4 hergestellt und ausgehärtet (Ansicht b)). Anschließend werden die Steifen 6 bzw. die Verstärkungsstruktur 2 mit dem Hautfeld 4 verbunden (Ansicht a)). Vorzugsweise wird das Hautfeld 4 in einem Prozess mit der Verstärkungsstruktur 2 infiltriert und ausgehärtet, was eine zusätzliche Vernietung oder Verklebung der beiden Teile vermeidet.
• Es ist jedoch auch vorstellbar, die T-förmigen Steifen 6 aus zwei L-förmigen Körpern mit einem fußseitigen Schenkel und mit einem stegseitigen Schenkel zu bilden und dann das Verbindungselement 24 zwischen den stegseitigen Schenkeln anzuordnen.
• 2 zeigt in Ansicht a) eine Versteifungsstruktur 2, die aus Steifen 6 besteht, die eine Vielzahl von in einer Ebene liegenden Kreuzungsbereichen 1 bilden. Die Steifen 6 haben ein T-förmiges Profil und sind mit ihren Fußabschnitten 8, 10 an einem Hautfeld 4 befestigt. Das Hautfeld 4 besteht aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff hergestellt aus Prepregs oder textilen Flächengebilden.
• Die Kreuzungsbereiche 1 werden gemäß Ansicht b) jeweils von zwei Steifen 6 mit gegenüber dem Kreuzungsbereichen 1 zurückgesetzten Stegen 12 und mit durchlaufenden Fußabschnitten 8, 10 gebildet, so dass ein zentraler Überlappungsbereich 22 entsteht. Somit werden auftretende Belastungen zur Weiterleitung zwischen den Steifen 6 nicht ausschließlich über das Verbindungselement 24 und über das Hautfeld 4 weitergeleitet. Der bei der Zurücksetzung der Stege 12 entstehende Freiraum 14 ermöglicht die Aufnahme eines Verbindungselements 24 (Ansicht a).
• Das Verbindungselement 24 hat gemäß den Ansichten c) und d) eine sternförmige Gestalt mit vier klingenartigen Armen 26. Es hat eine Vielzahl von Durchgangsbohrungen 28 zur Befestigung an den Stegen 12 mittels Bolzen oder Nieten. Zusätzlich kann es mit einem Fußabschnitt 30, in dem ebenfalls Durchgangsbohrungen 29 ausgebildet sind, versehen sein. Die Herstellung des Verbindungselements 24 kann mittels eines Drapierverfahrens (Ansicht e)), dem SMC-Verfahren (Ansicht f)), in Wickeltechnik aus einzelnen Fasern bzw. Filamenten (Ansicht g)) oder nach einer Webtechnik (Ansicht h)) erfolgen.
• Zur Herstellung der Versteifungsstruktur 2 wird das Verbindungselement 24 getrennt von den Steifen 6 und dem Hautfeld 4 konsolidiert (Ansicht d)). Gleichzeitig werden die Steifen 6 auf dem Hautfeld 4 positioniert und mit diesem ausgehärtet (Ansicht b)). Dann wird das Verbindungselement 24 in den Freiraum 14 im Kreuzungsbereich 1 eingesetzt und mit seinen Armen 26 einseitig mit den Stegen 12 vernietet (Ansicht a)). Alternativ kann auch eine zweischnittige Verbindung zwischen den Armen 26 und den Steifen 6 hergestellt werden.
• Ein Ausführungsbeispiel sieht ebenfalls vor, das Verbindungselement 24 aus einem metallischen Werkstoff zu bilden, so dass in einem Crash-Fall eine plastische Verformung. des Verbindungselements 24 erfolgt und somit eine höhere Energieabsorption der Versteifungsstruktur 2 zumindest in den Kreuzungsbereichen 1 zu erreichen ist.
• 3 zeigt ein sternförmiges Verbindungselement 24 mit sechs flächigen Armen 26, deren freie Endabschnitte 34 durch beidseitige Fasen keilartig ausgebildet sind. Das Verbindungselement 24 besteht aus einem faserverstärktem Verbundwerkstoff und ist vorzugsweise nach einem Webverfahren oder Wickelverfahren hergestellt. Im unmittelbaren Kreuzungsbereich 32 der Arme werden die sich kreuzenden Fasern oder Filamente mit Verrundungen zur Verminderung von Spannungskonzentrationen versehen.
• Gemäß 4 wird das Verbindungselement 24 aus 3 im Kreuzungsbereich 1 einer Verstärkungsstruktur 2 eingesetzt. Die Verstärkungsstruktur 2 weist eine Vielzahl von T-förmigen Steifen 6 mit zwei Fußabschnitten 8, 10 und einem klingenartigen Steg 12 aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff auf. Das Verbindungselement 24 ist ähnlich dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel nach 1 in die Stege 12 integriert, wobei jedoch hier die Stege 12 stirnseitig an den Verrundungen im Kreuzungsbereich 32 angreifen bzw. zumindest bis zu diesem heran geführt sind. Darüber hinaus wird durch die keilar tigen Endabschnitte 34 der Arme 6 eine materialschwächende Stufenbildung in den Stegen 12 im Auslaufbereich der Arme 6 verhindert. Zusätzlich weist diese Verstärkungsstruktur 2 eine Vielzahl von zusätzlichen Steifen 36 in Umfangsrichtung (Spantrichtung) auf. Diese Spanten 36 sind wie die Steifen 6 ausgeführt, können jedoch an für diese Richtung spezifische Lasten durch veränderte Faserrichtungen und Materialstärken angepasst werden.
• 5 zeigt ein sternförmiges Verbindungselement 24 aus einem faserverstärktem Verbundwerkstoff mit einem T-Profil und sechs Armen 26 mit jeweils zwei Fußabschnitten 40, 42 und einem klingenartigen Steg 44, die sich radial von einem zylindrischen Körper 32 weg erstrecken. Die Fußabschnitte 40, 42 sind stufenartig mit einem zurückgestuften Endabschnitt 46 und einem zentrumsnahen nicht zurückgesetzten Abschnitt 48 ausgebildet.
• Wie in 6 gezeigt wird ein Kreuzungsbereich 1 einer Verstärkungsstruktur 2 von sechs T-förmigen Steifen 6 gebildet, die mit ihren Fußabschnitten 8, 10 auf einem Hautfeld 4 befestigt sind. Die Fußabschnitte 8, 10 sind gegenüber den Stegen 12 im Kreuzungsbereich 1 verkürzt ausgebildet. Zusätzlich sind die Stege 12 über einen Schlitz 50 von den Fußabschnitten 8, 10 getrennt, der etwa die Länge der Arme 26 des Verbindungselements 24 aus 5 aufweist.
• Im eingesetzten Zustand des Verbindungselements 24 im Kreuzungsbereich 1 liegen die Stege 12 der Steifen 6 stirnseitig an dem zylindrischen Körper 32 an. Die zurückgestuften Endabschnitte 46 tauchen in die Schlitze 50 ein und bilden dabei einen Überlappungsbereich 22 mit den Fußabschnitten 8, 10 der Steifen 6. Gleichzeitig greift das Verbindungselement 24 mit seinen nicht zurückgestuften Abschnitten 46 flächig und direkt an dem Hautfeld 4 an, wodurch eine sehr belastbare Verbindung zwischen dem Verbindungselement 24 und dem Hautfeld 4 erzielbar ist. Die Stege 44 des Verbindungselements 24 sind einseitig an den Stegen 12 der Steifen 6 befestigt.
• 7 zeigt eine Versteifungsstruktur 2 für einen Flugzeugrumpf, die eine Vielzahl von vorgefertigten dreieckartigen Vorformlingen bzw. Halbzeugen 52 aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff wie CFK aufweist. Die Dreiecke 52 weisen gemäß 8 jeweils drei L-förmige Steifen 6 mit einem klingenartigen Steg 12 und einem Fußabschnitt 8 auf, die endseitig zusammengeführt sind. Gemäß 9 ist im Kreuzungsbereich 1 der Dreiecke 52 jeweils ein erfindungsgemäßes Verbindungselement 24 angeordnet.
• Das Verbindungselement 24 ist sternförmig mit sechs T-förmigen Armen 26 ausgeführt, von denen jeder einen klingenartigen Steg 44 und zwei Fußabschnitte 40, 42 aufweist (s. 10). Dabei ist es vorteilhaft, wenn sich die Arme 26 der Verbindungselemente 24 im eingesetzten Zustand stirnseitig berühren. Hierdurch werden keine Hohlräume zwischen den Stegen 12 der Dreiecke 52 gebildet. Zudem werden so keine Hohlräume zwischen den Fußabschnitten 40, 44 der Verbindungselemente 24 geschaffen, wodurch die Bildung eines stufenartigen Überlappungsbereiches zum Hautfeld 4 hin verhindert wird.
• Zur Herstellung der Versteifungsstruktur 2 werden die Dreiecke 52 der Versteifungsstruktur 2 zusammen mit eventuell vorausgehärteten Verbindungselementen 24 und dem Hautfeld 4 in einer Negativform ausgehärtet.
• 10 zeigt eine Schnittansicht der 9 durch eine der Steifen 6 im Herstellungsprozess mittels einer Negativform 54. In die Vorformlinge der Steifen 6 ist ein vorausgehärteter Steg 44 des Verbindungselements 24 eingelassen. Die Fußabschnitte 40, 42 der Steifen 6 schließen hierbei mit der Negativform 54 ab und bilden eine ebene fläche, auf die die CFK-Lagen des Hautfeldes abgelegt werden können.
• Eine Versteifungsstruktur 2 in Ansicht a) nach 11 besteht aus einer Vielzahl von Steifen 6 mit einem Omega-Querschnitt, die auf einem Hautfeld 4 angeordnet sind. Die Steifen 6 sind im Kreuzungsbereich 1, abschnittsweise durchlaufend ausgebildet und werden aus einer Vielzahl von Einzellagen 54, 56 aus flächigen Faserhalbzeugen beispielsweise textilen Geweben oder Gelegen oder Prepregs hergestellt (Ansicht b)).
• Die Lagen 54, 56 haben einen rechteckigen Querschnitt mit zwei entgegegengesetzt geöffneten trichterförmigen Ausnehmungen 60, 62, so dass zwischen den Ausnehmungen 60, 62 ein Materialstreifen zur Bildung sich kreuzender durchgehender Stegabschnitte 64 verbleibt (Ansicht c). Die Ausnehmungen 60, 62 formen jeweils einen Durchbruch 66 zum Durchführen der jeweils kreuzenden Steife 6 (Ansicht c)).
• Zur Versteifung des Kreuzungsbereichs 1 ist zwischen zwei Lagen 54, 56 jeweils ein Materialband 68, 70 abgelegt. Somit bilden die Materialbänder 68, 70 ein mehrteiliges Verbindungselement 24. Die Materialbänder 68, 70 haben zumindest im Kreuzungsbereich 1 die gleiche Breite b wie die Materialstreifen 62 und bestehen vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Lagen 54, 56.
• Im Bereich der Ausnehmungen 58, 60 weisen die Materialbänder 68, 70 jeweils zwei entgegengesetzt orientierte Laschen 72, 74 zum Schließen eventueller offener Eckbereiche 76 beim Durchführen der Steifen 6 durch die Durchbrüche 66 auf.
• Zur Herstellung der Versteifungsstruktur 2 werden die Lagen 54, 56 und Materialbänder 68, 70 schichtweise in einer Negativform drapiert und abwechselnd in den unterschiedlichen Richtungen der Steifen 6 abgelegt (Ansicht b)). Die Anzahl der Lagen 54, 56 und Materialbänder 68, 70 ist variabel und richtet sich nach den aufzunehmenden Belastungen der Versteifungsstruktur 2. Nach dem Drapieren wird die Versteifungsstruktur 2 ausgehärtet (Ansicht c)). Getrennt von der Versteifungsstruktur 2 wird das Hautfeld 4 hergestellt (Ansicht d)). Abschließend wird die Versteifungsstruktur 2 mit dem Hautfeld 4 in geeigneter Weise beispielsweise durch Kleben oder Vernieten gefügt (Ansicht a)).
• An dieser Lösung ist insbesondere vorteilhaft, dass die stark beanspruchten mittleren Stegabschnitte 64 der Steifen 6 nicht durchtrennt sind, sondern kontinuierlich durch den Kreuzungsbereiche 1 geführt werden und somit zumindest anteilig die Lasten in den Stegabschnitten 64 verbleiben können.
• Gemäß der Ansicht a) in 12 wird eine Versteifungsstruktur 2 aus einer Vielzahl von einzelnen Omega-förmigen Steifen 6 gebildet, die auf einem Hautfeld 4 angeordnet sind. Die Steifen 6 bestehen aus einem tiefgezogenen thermoplastischen faserverstärktem Flächengebilde und begrenzen gemäß der Ansicht b) im Kreuzungsbereich 1 stirnseitig einen Zwischenraum 78, wobei ihre Fußabschnitte 8, 10 Überlappungsbereiche 22 bilden. Das Hautfeld 4 ist ebenfalls ein thermoplastisches faserverstärktes Flächengebilde (Ansicht c)).
• Zum Schließen des Zwischenraums 78 und zum Verbinden der Steifen 6 ist ein kappenartiges Verbindungselement 24 vorgesehen (Ansicht d)). Das Verbindungselement 24 besteht aus einem tiefgezogenen thermoplastischen faserverstärkten Flächengebilde und zeichnet eine Außenkontur der Steifen 6 im Kreuzungsbereich 1 einschließlich deren Fußabschnitten 8, 10 nach. Das Verbindungselement 24 hat vier sich kreuzende trapezartige Stege 44 und vier Fußabschnitte 40, in denen die Stege 44 zusammengeführt sind. Somit umgreift es einen Abschnitt des jeweiligen Stegs 12 der Steifen 6 im Kreuzungsbereich 1 vollständig und ist bis auf deren Fußabschnitte 8, 10 in die Überlappungsbereiche 22 geführt.
• Die Steifen 6, das Verbindungselement 24 und das Hautfeld 4 werden getrennt voneinander hergestellt und anschließend, beispielsweise mittels eines Schweißprozesses, miteinander verbunden, wodurch zum Beispiel Toleranzen ausgleichbar sind und Distanzelemente nicht notwendig sind.
• 13 zeigt eine Draufsicht auf eine Versteifungsstruktur 2, die aus einer Vielzahl von Omega-Steifen 6 besteht und deren Kreuzungsbereiche 1 mit einem kappenartigen Verbindungselement 24 nach 12 abgedeckt und verstärkt sind. Zusätzlich zu der in 12 gezeigten Versteifungsstruktur weist diese Versteifungsstruktur 2 eine Vielzahl von in die Kreuzungsbereiche 1 mündende Omega-förmige Steifen in Umfangsrichtung (Spantrichtung) 36 auf, die ebenfalls endseitig von den Verbindungselementen 24 abgedeckt sind. Dabei dürfen die Verbindungselemente 24 nicht zu groß ausgeführt sein. Im Prinzip wird die kleinstmögliche Größe der Versteifungsstruktur 2 von der Anzahl der notwendigen Überlappungslänge Verbindungselemente 24 mit den Steifen 6 bestimmt.
• Die 14 und 15 zeigen eine Versteifungsstruktur 2 bestehend aus einer Vielzahl von Steifen 6 und Spanten 36 auf einem Hautfeld 4, in deren Kreuzungsbereichen 1 jeweils eine Abwandlung des kappenartigen Verbindungselements aus 12 angeordnet ist. Dieses hier gezeigte Verbindungselement 24 ist stern- bzw. krallenartig ausgeführt und umgreift die Steifen 6 und die Spanten 36 endseitig nur partiell und ist zudem von den Fußabschnitten 8, 10 der Steifen 6 und Spanten 36 beabstandet.
• Die Steifen 6 und Spanten 36 sind im Kreuzungsbereich 1 mit ihren Fußabschnitten 8, 10 im Überlappungsstoß 22 angeordnet und begrenzen stirnseitig einen Zwischenraum 78 in den Stegabschnitten 64. Die Stegabschnitte 62 der der Steifen 6 bzw. der Spante 36 werden kontinuierlich durch die Kreuzungsbereiche gemäß den 11 geführt.
• Das Verbindungselement 24 hat eine sternförmige Gestalt mit sechs streifen- bzw. bandartigen Armen 26, an deren Endabschnitte 34 jeweils entgegensetzt zueinander orientierte Laschen 80, 82 ausgebildet sind. Die Arme 26 überspannen den Zwischenraum 78 und liegen an mittleren Stegabschnitten 62 der Steifen 6 und Spanten 36 an, wobei sich die Laschen 80, 82 in Richtung der Fußabschnitte 8, 10 erstrecken. Im Vergleich zur kappenartigen Lösung nach den 12 und 13 ist diese Krallenlösung mit den Laschen 80, 82 wesentlich einfacher ausführbar, da die Laschen 80, 82 nicht miteinander verbunden sind und sie sich nicht bis auf die Fußabschnitte 8, 10 erstrecken, wodurch insbesondere das Drapieren bzw. Tiefziehen stark vereinfacht wird.
• Die 16 zeigt eine Draufsicht auf ein Hautfeld 4, das über eine Versteifungsstruktur 2 mit einer Vielzahl von T-förmigen Steifen 6, in deren Kreuzungsbereiche 1 zylinderförmige Verbindungselemente 24 angeordnet sind, versteift ist. Die Steifen 6 erstrecken sich radial zwischen den Kreuzungsbereichen 1 und umgreifen die Verbindungselemente 24 endseitig mit ihren Stegen 12.
• Gemäß der Detaildarstellung in 17 haben die Verbindungselemente 24 einen Ringflansch 84, über den sie unmittelbar an dem Hautfeld 4 befestigt sind. Die Steifen 6 sind mit ihren Fußabschnitten 8, 10 auf den Ringflansch 84 geführt und bilden mit diesem jeweils einen Überlappungsbereich 22. Vorzugsweise umgreifen die Stege 12 mit ihren Endabschnitten 86 vollflächig die Verbindungselemente 24. Hierzu sind die Endabschnitt 84 einseitig abgewinkelt und umlaufen das Verbindungselemente 24 in gleicher Richtung.
• Bei einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Endabschnitte 84 mittig entlang ihrer Hochrichtung halbiert, so dass zwei freie Endabschnittsschenkel entstehen, die in jeweils entgegengesetzter Richtung um das Verbindungselement 24 geführt sind.
• Gemäß der Darstellung in 18 sieht eine Versteifungsstruktur 2 mit zylinderartigen Verbindungselementen 24 nach den 16 und 17 vor, die Stege 12 der Steifen 6 tangential an den Verbindungselementen 24 angreifen und somit sich die Steifen 6 tangential zwischen den Verbindungselementen 24 erstrecken zu lassen.
• Offenbart ist eine Versteifungsstruktur 2, insbesondere für Flugzeugrümpfe, mit auf einem Hautfeld 4 angeordneter Steifen 6, 36 aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff wie CFK, die eine Vielzahl von in einer Ebene liegenden Kreuzungsbereichen 1 bilden, wobei in den Kreuzungsbereichen 1 jeweils ein Verstärkungselement 24 angeordnet ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Versteifungsstruktur 2.
• Bezugszeichenliste

1

Kreuzungsbereich

2

Versteifungsstruktur

4

Hautfeld

6

Steife

8

Fußabschnitt

10

Fußabschnitt

12

Steg

14

Freiraum

16

Lage

18

Lage

20

Spalt

22

Überlappungsbereich

24

Verbindungselement

26

Arm

28

Fußabschnitt

30

Durchgangsbohrung

32

Kreuzungsbereich des Verbindungselements

34

Endabschnitt

36

Spant

40

Fußabschnitt

42

Fußabschnitt

44

Steg

46

zurückgestufter Endabschnitt

48

nicht zurückgestufter Abschnitt

50

Schlitz

52

Dreieck

54

Formwerkzeug

56

Lage

58

Lage

60

Ausnehmung

62

Ausnehmung

64

Stegabschnitt

66

Durchbruch

68

Materialband

• Bezugszeichenliste

70

Materialband

72

Lasche

74

Lasche

76

Eckbereich

78

Zwischenraum

80

Lasche

82

Lasche

84

Ringflansch

86

Endabschnitt

88

Endabschnitt

90

Öffnung

b

Breite Materialband/Stegabschnitt

h

Höhe Steife

h1

Höhe untere Steife

h2

Höhe obere Steife

H

Höhe Spant

Claims (6)

1. Versteifungsstruktur (2) für Flugzeugrümpfe mit auf einem Hautfeld (4) angeordneten und in einer Ebene zu diesem verlaufenden dreidimensionalen Steifen (6, 36) aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff, die jeweils zumindest einen Fußabschnitt (8, 10) zur Befestigung am Hautfeld (4) und einen Steg (12) mit mehren Steglagen (16, 18) aufweisen, und die eine Vielzahl von in der Ebene liegenden Kreuzungsbereichen (1) bilden, wobei in den Kreuzungsbereichen (1) jeweils ein Verbindungselement (24) mit je einem Arm in einen Spalt (20) zwischen den Steglagen (16, 18) eines Steges (16, 18) eingesetzt und mit diesen verbunden ist.
2. Versteifungsstruktur nach Anspruch 1, wobei das Verbindungselement (24) zumindest abschnittsweise die geometrische Form von Körperabschnitten der Steifen (6, 36) aufweist.
3. Versteifungsstruktur nach Anspruch 2, wobei das Verbindungselement (24) sternförmig ist.
4. Versteifungsstruktur nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Steifen (6, 36) jeweils einen von dem Kreuzungsbereich (1) zurückgesetzten Fußabschnitt (8, 10) haben.
5. Verfahren zur Herstellung einer Versteifungsstruktur (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in den Kreuzungsbereichen (1) jeweils ein Verbindungselement (24) mit je einem Arm in einen Spalt (20) zwischen den Steglagen (16, 18) eines Steges (16, 18) eingesetzt und mit diesen verbunden wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Verbindungselement (24) durch Weben, durch Wickeln oder aus einzelnen flächigen Faserhalbzeugen hergestellt wird.

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