Die vorliegende Masterarbeit entstand am Lehrstuhl für Fahrzeugsystemtechnik, Teilinstitut Leichtbautechnologie, in Kooperation mit dem Fraunhofer Institut für Chemische Technologie (ICT) und mit der Akademischen Fliegergruppe (Aka-Flieg) Karlsruhe. Seit 2011 arbeitet die Aka-Flieg an einem Nurflügelsegelflugzeug, die AK-X. Dieser Flieger ist ein neues und modernes Muster ohne direkte Vorbildversion. Die Winglets des Fliegers müssen entworfen werden, indem die Struktur der Winglets eine maximale Festigkeit und Steifigkeit bei einem minimalen Materialeinsatz aufweist, was einer üblichen Problemstellung im Leichtbau entspricht. In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines Winglets des Nurflügelsegelflugzeug-Projektes AK-X unter einer Steifigkeits-, Festigkeits-, Raum- und Gewichtrandbedingung durchgeführt. Dabei soll die Struktur, die Dimensionierung und die Belegung dieses Winglets entwickelt werden. Zuerst werden verschiedene Konzepte zur Entwickelung dieser Winglets überlegt. Durch verschiedene Dimensionierungen, Randbedingungen und auftretende Problematiken werden Entscheidungen getroffen, durch welche eines dieser Konzepte am besten realisierbar ist. Zusätzlich werden die Bolzen zur Verbindung zwischen Flügel und Winglet dimensioniert und ein Konzept zur Verriegelung dieser Verbindung überlegt. Daraufhin wird ein Strukturmodell konstruiert und mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) auf Festigkeit simuliert. Dafür wird ein FEM-Modell gebaut und auf Richtigkeit validiert. Mit den Ergebnissen werden die Konzepte, der Herstellungsprozess und der Lagenaufbau (Belegeplan genannt) von den verschiedenen Faserverbundlagen definiert, um die Problemstellung zu lösen. Mit dem Belegeplan und dem Herstellungsprozess werden diese Winglets gefertigt.

Die Akaflieg Karlsruhe entwickelt das manntragende Nurflügelsegelflugzeug AK-X. Der von Grund auf neu gestaltete Entwurf erfordert auch eine vollständige Neuentwicklung des Rumpfes. Diese Arbeit behandelt den Strukturentwurf dieses Rumpfes. Er soll im Hinblick auf Ergonomie, Festigkeit, Crashsicherheit und Fertigbarkeit dem Stand der Technik moderner Segelflugzeugrümpfe entsprechen. Diese Anforderungen werden detailliert zusammengetragen und erläutert. Um sie ohne einen umfangreichen Prototypen- und Modellbau zu erfüllen, kommen computergestützte Methoden zum Einsatz. Die Konstruktion wird mittels Computer Aided Design (CAD) umgesetzt und die Finite Elemente Methode (FEM) wird in Form von Topologieoptimierung, Laminatoptimierung, Stabilitätsuntersuchung und Festigkeitsrechnung genutzt. Außerdem werden unterstützende analytische Rechnungen mit einem Computer Algebra System (CAS) durchgeführt. Ergebnis dieser Arbeit ist ein Strukturentwurf in Faserverbundbauweise für den Rumpf, der die vielseitigen Anforderungen erfüllt und dessen Festigkeit für das Luftfahrt-Bundesamt (LBA) nach der Bauvorschrift JAR-22 nachgewiesen ist.

Für die Tragflügelprimärstruktur des Nurflügelsegelflugzeugs AK-X wird ein Werkstoff benötigt, der gleichzeitig eine hohe Festigkeit sowie Steifigkeit aufweist. Das AK-X ist der aktuelle Prototyp der akademischen Fliegergruppe am Karlsruher Institut für Technologie. Üblicherweise werden in der Tragflügelprimärstruktur von Segelflugzeugen Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe mit HT-Kohlenstofffasern verwendet. Diese Fasern besitzen einen zu niedrigen Elastizitätsmodul um im AK-X verwendet zu werden. Aus diesem Grund wird für die Tragflügelprimärstruktur eine Verstärkungsfaser aus Kohlenstoff gesucht, die einen hohen Elastizitätsmodul besitzt und die Festigkeitsrandbedingung erfüllt. Ziel der Arbeit ist es in Versuchen die Werkstoffkennwerte verschiedener Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe (CFK) zu ermitteln und eine Kohlenstofffaser zu finden, die den Ansprüchen des AK-X genügt. Die Versuche wurden mit einer HT-Faser, einer IM-Faser, zwei UM-Fasern aus PAN und einer UHM-Faser aus Pech durchgeführt um eine möglichst breites Spektrum an Fasersteifigkeit und Faserfestigkeit zur Auswahl zur Verfügung stehen zu haben. Zur Bestimmung der Werkstoffkennwerte wurden quasistatische Versuche mit Proben aus CFK unter Druck-und Zugbelastung durchgeführt. Die ermittelten Daten wurden ausgewertet und die Zugfestigkeit, Druckfestigkeit und die Elastizitätsmoduln für CFK mit fünf Verstärkungsfasern bestimmt. Es wurde der Einfluss der Temperatur auf den Werkstoff in Versuchen bei 54°C ermittelt. Die Versuche wurden jeweils mit zwei verschiedenen Faservolumengehalten durchgeführt um den Einfluss des Faservolumengehaltes zu bestimmen. Die Kohlenstofffasern mit einem höheren Elastizitätsmodul besitzen eine geringere Festigkeit, deshalb muss abgewägt werden welcher Festigkeitsverlust zu Gunsten eines Steifigkeitsanstiegs in Kauf genommen werden kann. Die Druckfestigkeit der Proben war niedriger als die Zugfestigkeit, da CFK bei Druckbelastung durch Mikroknicken versagt. Die Elastizitätsmoduln waren unter Druckbelastung ebenfalls niedriger. Da die Tragflügelprimärstruktur in gleichem Maße auf Zug und Druck belastet wird, waren die Druckeigenschaften die limitierenden Größen. Die Faser wurde deshalb anhand der Druckeigenschaften ausgewählt. Auf Basis dieser Erkenntnisse der Werkstoffprüfung konnte eine Faser gefunden werden, die für die Tragflügelprimärstruktur des AK-X geeignet ist. Die UMS40-Faser von Toho Tenax erwies sich als guter Kompromiss von Steifigkeit und Festigkeit. Diese Faser erfüllte die Anforderungen nicht vollständig, sodass eine ko nstruktive Änderung der Tragflügelprimärstruktur notwendig wurde.

In dieser Arbeit wird eine Methode zur Verknüpfung einer Failure Mode and Effect Analysis (FMEA)  mit  einer  Systemmodellierung  in  SysML  entwickelt.  Die  beiden  Methoden  sollen sich dabei sinnvoll ergänzen und doppelte Arbeitsschritte reduzieren. In der Systemmodellierung  erstellte  Elemente  und  Diagramme  werden  genutzt,  um  die  Erstellung  einer  FMEA zu  erleichtern  und  zu  strukturieren.  Über  die  Modellierung  von  nutzerorientierten  Anwendungsfällen  wird eine  neue  Struktur  bereitgestellt,  welche  zum  Aufbau  einer  FMEA  herangezogen  wird.  Die  Charakterisierung  eines  Systems  über  Nutzungsstatistiken  und  Lastkollektive ermöglicht dabei eine Bewertung von Nutzungsphasen, Anwendungsfällen und Aktionen.  Diese  Bewertung  erlaubt  eine  gezieltere  Analyse  und  Priorisierung  der  Fehler. Die aus  diesen  beiden  Methoden  gewonnenen  Informationen werden anschließend  dazu  verwendet, konstruktive Anforderungen abzuleiten. Dies geschieht am Beispiel der Flugsteuerung  des  Nurflügelsegelflugzeug  AK-X  der  Akademischen  Fliegergruppe  am  Karlsruher Institut für Technologie e.V..

Für  das  Nurflügelsegelflugzeug  AK-X,  das  von  der  Akademischen  Fliegergruppe Karlsruhe  konstruiert  wird soll eine Bewertung der Flatterstabilität durchgeführt werden. Bei Nurflügelkonfigurationen mit hochgestreckter Flügelgeometrie  kann  über  die bewegungsinduzierten instationären  Luftkräfte  eine  aeroelastische  Kopplung zwischen    der flugmechanischen   Starrkörperanstellwinkelschwingung    und    der    elastischen   Grundbiegeschwingung  des  Flügels  auftreten,  die  zu  angefachten  Schwingungen  neigt.  Zur  Vermeidung  sollte  bei  solch unkonventionellen  Entwürfen  die  Struktur  des Tragflügels  nicht  nach  Festigkeitsgesichtspunkten  sondern nach Steifigkeitserfordernissen ausgelegt werden.
Im     Vorfeld     dieser     Arbeit     wurde     ein     flugfähiges     Erprobungsmodell im Maßstab     1:2     in Kohlefaserverbundbauweise gefertigt. Für dieses wurden die Struktureigenschwingungsformen experimentell im Standschwingungsversuch  bestimmt  und  die  Flatterstabilität  berechnet.  Außerdem  liegt  eine  Finite-Elemente Modellierung  dieses  Erprobungsmodells  vor,  welche  auf  die  gemessenen  Eigenschwingungsformen  angepasstwurde. 
Auf  Basis  dieser  Finite-Elemete  Modellierung  soll  die  Flatterstabilität  des Nurflügelsegelflugzeuges  AK-X untersucht und verbessert werden.