Ein Beitrag zur strukturellen Vorauslegung von Tragflächen im digitalen Zulieferverbund des Flugzeugbaus

Abstract

Die Vorentwicklung von Luftfahrzeugen verwendet heute in großem Umfang die Multidisziplinäre Design Optimierung (MDO). Die hierfür notwendige Erstellung verschiedener digitaler Analysemodelle wird dabei in der Regel durch zentrale Modellierungsansätze realisiert. Hierzu dient beispielsweise ein zentrales Computer Aided Design (CAD)-Modell als gemeinsame Basis, um verschiedene disziplinäre Analysemodelle in z.B. Finite-Elemente-Methoden (FEM) für die Struktur oder Computational Fluid Dynamics (CFD)-Methoden für die Aerodynamik zu erstellen. Durch diesen zentralen Modellierungsansatz werden die Konsistenz der vielen disziplinären Modelle sowie die effiziente und sichere Handhabung von Modellveränderungen im Laufe des Entwicklungsprozesses erreicht. Für die Partner im Zulieferverbund wird es zunehmend wichtiger, ihr geistiges Eigentum vor den potenziell im Wettbewerb stehenden Partnern im Verbund zu schützen. Der gemeinsame Modellierungsansatz der multidisziplinären Optimierung legt jedoch Wissen darüber offen, wie die Partner im Zulieferverbund ihre disziplinären Modelle aufbauen und daraus abgeleitet auch, wie sie in der Produktauslegung vorgehen. So ist bereits der mathematische Ansatz zur Beschreibung der Oberflächenkontur mit der Wahl der Optimierungsparameter für den Auslegungsprozess eine vertrauliche Information. Die Methode der zentralen Modellierung steht somit im Widerspruch zu den individuellen strategischen Interessen der Partner im Entwicklungsverbund. Diese Dissertation ergründet, ob im strukturellen Vorentwurf von Tragflügeln dieser Konflikt aufgelöst werden kann. Dazu wird erstmalig eine Methode entwickelt, die sich nicht auf einen zentralen Modellierungsansatz stützt, sondern lediglich die Minimalinformation der Kontur im Format von (unstrukturierten) CFD-Oberflächennetzen für die Strukturauslegung verwendet. CFD- Oberflächennetze beinhalten außer der Flügelkontur keine Informationen über den Entwicklungsprozess und erfüllen somit umfänglich die Anforderung des Wissensschutzes. Zu ergründen ist es nun, inwiefern diese Basis ausreicht, um darauf eine Auslegungsmethode zu begründen, die hinsichtlich Automatisierungsgrad, Geschwindigkeit, Modellierungstiefe und Flexibilität den Anforderungen des modernen Vorentwurfes gerecht wird. Der Vorentwurf ziviler Transportflugzeuge muss die Flugleistungen bis auf wenige Prozentpunkte präzise berechnen, um das Marktpotenzial gegenüber den Wettbewerbern richtig einschätzen zu können. Aus diesem Grund werden schon früh hochwertige CFD- Verfahren unter Verwendung von Oberflächennetzen eingesetzt. In der Struktur finden gegenwärtig Finite-Elemente-Methoden in den Vorentwurfsprozess Einzug, welche die dreidimensionale Geometrie der Flügel explizit unter Verwendung von Schalenelementen modellieren. Dieser Ansatz ist insbesondere bei der Auslegung von Faserverbundmaterialien notwendig, deren Festigkeitsbewertung stark von gerichteten Spannungs- und Dehnungsgrößen abhängig ist.Ein zentraler Forschungsgegenstand besteht darin, herauszufinden, mit welchen Methoden Modellaufbau und Dimensionierung den Anforderungen des Vorentwurfes hinsichtlich Ausführungsgeschwindigkeit und Automatisierung entsprechend realisiert werden können. Grundlegende Herausforderungen stellen sich im Umgang mit der sehr großen Anzahl an Geometriekomponenten und Entwurfsparametern. Im aktuellen Stand der Technik wird ausnahmslos von zentralen Modellierungsansätzen ausgegangen, um diese Herausforderungen zu bewältigen. So verwenden etwa Hürlimann ein zentrales CAD-Modell, Dorbath und Maierl ein zentrales Datenmodell, La Rocca ein zentrales Expertensystem und Riecke das zentrale Datenbanksystem eines Vorentwurfsprogrammes als Basis. Der Umgang mit den sehr umfänglichen Entwurfsparametern von Faserverbundwerkstoffen bildet eine besondere Schwierigkeit, deren Bewältigung im vollautomatisierten Vorentwurf bisher lediglich von einzelnen Autoren veröffentlicht wurde. Erstmalig untersucht diese Arbeit nun eine Methode für die strukturelle Vorauslegung von Tragflächen, welche sich nicht auf einen zentralen Modellierungsansatz stützt, sondern durch Verwendung des (unstrukturierten) CFD-Netzes lediglich Minimalinformationen verwendet. Der Nachweis über die Gültigkeit der entwickelten Methode wird dadurch erbracht, dass anhand von Beispielsanwendungen Automatisierungsgrad, Geschwindigkeit, Modellierungstiefe und Flexibilität mit den im Stand der Technik veröffentlichten Lösungen verglichen werden. Das automatisierte Modellieren der Struktur ausgehend vom unstrukturierten CFD-Oberflächennetz schließt darüber hinaus die Lücke zwischen der aerodynamischen Freiformoptimierung und der Strukturauslegung. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Methode ist prototypisch in der Mathematiksoftware MATLAB sowie in der FEM-Software ANSYS implementiert. Aus Vorgaben zur Struktur sowie dem CFD-Netz werden in MATLAB alle notwendigen Geometrieinformationen explizit berechnet und eine ANSYS-Eingabedatei in der Programmiersprache APDL generiert. In ANSYS werden darauf aufbauend Modellgenerierung, Belastungsanalyse und Dimensionierung automatisiert durchgeführt. Die für die Funktionsweise dieser neuen Methode entscheidenden Aspekte des Modellaufbaus und der Handhabung der umfangreichen Entwurfsparameter bis hin zur Dimensionierung, ohne sich auf ein zentrales Modell abzustützen, werden detailliert dargelegt. Der Funktionsnachweis erfolgt im ersten Schritt durch den Aufbau verschiedener Strukturmodelle für unterschiedliche unstrukturierte und strukturierte CFD-Netze bei vergleichbarem Detaillierungsgrad wie dem der zuvor zitierten Arbeiten. Es wird gezeigt, dass verschiedene Strukturlayouts erzeugt und auf verschiedene Konturformen übertragen werden können. Somit ist es möglich, die entwickelte Methode vollständig automatisiert in MDO-Arbeitsprozesse einzubinden. Die Ausführungsgeschwindigkeit der in dieser Arbeit entwickelten Methodik ist wettbewerbsfähig zum Stand der Technik.Im zweiten Schritt wird die Dimensionierung eines komplexen Flügels in Analogie zu der Arbeit von Hürlimann durchgeführt. Die erzielten Dimensionierungsergebnisse sind in guter Übereinstimmung. Eine durchgängige Automatisierung des Prozesses und der Handhabung der Entwurfsparameter von der Modellierung bis hin zur Dimensionierung analog zu den zentralen Modellansätzen wird aufgezeigt. Drittens wird die Flexibilität, der Primärstruktur weitere Komponenten hinzuzufügen, wie es La Rocca und Hürlimann anhand des Seitenruders dargelegt haben, analog durch die Integration von einer Hinterkantenklappe an einem Winglet sowie von Triebwerksmodellen nachgewiesen. Schließlich wird die Handhabung der Entwurfsparameter von Faserverbundwerkstoffen einschließlich der Faserausrichtungen der Einzelschichten aller Elemente durch Dimensionierung eines Winglets nachgewiesen; dies geht noch hinaus über die bereichsweise Handhabung dieser Parameter in der Arbeit von Riecke. Insgesamt wird aufgezeigt, dass eine vollständige Automatisierung des Aufbaus und der Dimensionierung von dreidimensionalen Strukturmodellen im Flugzeugvorentwurf auch bei Verzicht auf einen zentralen Modellierungsansatz effizient möglich ist. Die Verwendung des CFD-Oberflächennetzes als Ausgangspunkt schließt die unbeabsichtigte Weitergabe von Prozessinformationen jenseits der Konturform aus. Automatisierungsgrad, Geschwindigkeit, Modellierungstiefe und Flexibilität werden nicht eingeschränkt gegenüber dem aktuellen Stand der Technik. Die dieser Arbeit zugrundeliegende Hypothese, dass ein Vorauslegungsverfahren lediglich auf Basis von CFD-Netzen als Konturreferenz möglich ist, wird somit verifiziert.