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Neben der aerodynamischen Auslegung arbeiteten wir auch verstärkt an der strukturellen Auslegung der Tragflächen. Grundsätzlich kann gesagt werden, dass beim Entwurf AK-X aufgrund der besonderen Tragflügelgeometrie besondere Ansprüche an die Struktur gestellt werden. Neben den üblichen nachzuweisenden Lastfällen, welche unter anderem die im Flug erwarteten Belastungen durch Böen und Abfangmanöver abdecken, wird erwartet, dass die Auslegung bezüglich der Flatterfestigkeit der Tragflächen den Strukturentwurf maßgeblich prägen wird.
Ausblick Auch in Zukunft sollen für die Strukturauslegung moderne computergestützte Berechnungs- und Optimierungsverfahren eingesetzt werden. Zunächst wird jedoch ein von Hand entworfener und nachgerechneter Vorentwurf benötigt. Anhand dieses Entwurfes sollen Berechnungsmodelle erstellt werden, welche den komplexen Laminat Aufbau wiedergeben können. Zudem sollen verschiedene Konfigurationen miteinander vergleichen werden, um bei den gegebenen Randbedingungen den optimalen Strukturentwurf auszuloten.
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Zu Beginn der Arbeiten an der Strukturauslegung wurde anhand der JAR-22 eine Reihe von Lastfällen definiert und die unter diesen Bedingungen zu ertragenden Lasten ermittelt. Die Betrachtungen beschränkten sich bislang auf die Abfang- und Böenlastfälle, da hier einerseits die maximalen Belastungen erwartet werden. Andererseits können zum jetzigen Stand der Auslegung noch nicht alle nach JAR-22 geforderten Lastfälle umfassend abgehandelt werden, da noch nicht alle dazu notwendigen Parameter festgelegt wurden.
Aufgrund der verwendeten Steuerung um die Flugzeug-Querachse (Höhenruder) entstehen bei unserem Entwurf besonders hohe Biegemomente. Dies liegt daran, dass bei gedrücktem Höhenruder am Außenflügel durch die Klappenausschläge erhöhte Auftriebskräfte entstehen, die durch ihren großen Hebelarm bis zur Flügelwurzel große Auswirkungen auf das resultierende Biegemoment haben. Dieser Sachverhalt ist anschaulich in der Abbildung Qz&Mbx LF55 vs.LF57 dargestellt. Im unteren Teil des Bildes sind für die beiden Lastfälle die Querkräfte in Z-Richtung (Massen-, Auftriebs- und resultierende Kräfte) und im oberen Bereich die daraus resultierenden Biegemomente Mbx aufgetragen. Beide Lastfälle stellen das Einfliegen in eine vertikale, nach oben gerichtete Böe der Geschwindigkeit 15 m/s dar. Auch die Massenkonfiguration bei beiden Lastfällen ist identisch. Sie entspricht der maximalen Masse der nicht tragen Teile. Das bedeutet, der Rumpf ist maximal beladen und im Tragflügel ist kein Wasserballast untergebracht. Durch die Unterschiedliche Klappenstellung resultiert allerdings eine unterschiedliche Auftriebsverteilung. Bei LF 57 (gedrücktes Höhenruder) sind die Auftriebskräfte am Außenflügel höher und daher auch die Biegemomente, dargestellt im oberen Diagramm, deutlich größer.
Strukturauslegung Abb.1: Qz&Mbx LF55 vs.LF57
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Im Rahmen einer Studienarbeit am Institut für Produktentwicklung (IPEK) wurde neben den bereits beschriebenen Lastannahmen untersucht, wie sich moderne Finite-Elemente-Verfahren bei der Auslegung von Segelflugzeugen anwenden lassen. Während dieser Arbeit wurde ein Verfahren entwickelt welches es ermöglicht die wirkenden Luftkräfte als Druckverteilung über die Oberfläche der Tragflügel darzustellen. Mit dieser Methode und der Tragflügelgeometrie des aerodynamischen Entwurfes wurde ein Simulationsmodell erstellt, welches die wirkenden Lasten eines bestimmten Lastfalles wiedergeben kann. Auf Basis dieses Simulationsmodells wurde eine Topologieoptmierung durchgeführt, um erste Anhaltspunkte für einen Strukturvorentwurf zu gewinnen. Erste Ergebnisse liegen bereits vor, die Parameter der Berechnung müssen allerdings weiter angepasst werden, um diese Ergebnisse überprüfen und verfeinern zu können.
Das folgende Bild zeigt den Vergleichsspannungsverlauf des Berechnungsmodells im Bereich der Flügelwurzel. Es wurde zunächst isotropes Vollmaterial simuliert, um das Verfahren zur Berechnung der Drucklasten zu validieren und die Plausibilität der Ergebnisse zu überprüfen.
Strukturauslegung Abb.2: Simulationsergebnis
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