Leitprojekt CFK Rumpf NG
15.02.2011 von 09:00 Uhr – 17:00 Uhr Rilano Hotel Hamburg
Abschlussworkshop CFK-Rumpf NG
Crash und High Velocity Impact (HVI)
Dieter Kohlgrüber, Nathalie TosoInstitut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung
Leitprojekt CFK Rumpf NG 2
Motivation
Unterstützung bei der Zulassung neuer Flugzeugmuster
A320, US Airways, New York , 15.01.09
B737-800, Turkish Airlines, Amsterdam, 25.02.09
Minderung von Unfallfolgen bei Flugzeugunfällen (Crash / HVI)
A340 Reifenschaden am CLG, 30.11.2000
CFK Flügelvorderkante nach Vogelschlag mit 129 m/s (CRAHVI test)
Leitprojekt CFK Rumpf NG 3
Inhalt
Aktuelle (zukünftige) Themenfelder im Bereich Crashforschung Materialmodellierung KomponententestCrashverhalten StandardsektionErweiterte SektionenFull Aircraft Crashsimulation
Aktuelle (zukünftige) Themenfelder im Bereich HVI-ForschungTest / Modellierung von ImpaktorenComposite SchadensmodelleHVI Komponententests / NDT VerfahrenSimulation des Strukturverhaltens
Zusammenfassung / Ausblick
Leitprojekt CFK Rumpf NG 4
Übersicht Themenfelder im Bereich CrashforschungThemenfeldComposite Materialmodelle Crashbetrachtung Standard-Sektion
Prozesskette CrashsimulationErweiterung SimulationsmodelleKopplung InsassensimulationTest Absorber-StrukturenSpantkomponenten (Plastic Hinge)Seitenschale Druck-Biegetests
Crashbetrachtung für erweiterte SektionenHecksektion Hardpoints (Flügelkasten, Fahrwerkskasten)Ggf. Einfluss Türen/ Tore
GesamtflugzeugDRI-KRASH (Hybrid-Modelle)FE Modellierung
Leitprojekt CFK Rumpf NG 5
Übersicht Themenfelder im Bereich CrashforschungThemenfeldComposite Materialmodelle Crashbetrachtung Standard-Sektion
Prozesskette CrashsimulationErweiterung SimulationsmodelleKopplung InsassensimulationTest Absorber-StrukturenSpantkomponenten (Plastic Hinge)Seitenschale Druck-Biegetests
Crashbetrachtung für erweiterte SektionenHecksektion Hardpoints (Flügelkasten, Fahrwerkskasten)Ggf. Einfluss Türen/ Tore
GesamtflugzeugDRI-KRASH (Hybrid-Modelle)FE Modellierung
Vorgestellt bei Lenkungskreis am 08.07.2009
Leitprojekt CFK Rumpf NG 6
Übersicht Themenfelder im Bereich CrashforschungThemenfeldComposite Materialmodelle Crashbetrachtung Standard-Sektion
Prozesskette CrashsimulationErweiterung SimulationsmodelleKopplung InsassensimulationTest Absorber-StrukturenHybride Spantkomponenten (Plastic Hinge)Seitenschale Druck-Biegetests
Crashbetrachtung für erweiterte SektionenHecksektion Hardpoints (Flügelkasten, Fahrwerkskasten)Ggf. Einfluss Türen/ Tore
GesamtflugzeugDRI-KRASH (Hybrid-Modelle)FE Modellierung
Schwerpunkte des heutigen Vortrags
Leitprojekt CFK Rumpf NG 7
Frühere (derzeitige?) Situation und Praxis zur Crash-BewertungDie Arbeiten zum Crashnachweis starten nachdem ein erste Dimensionierung auf Basis der Luft- und Bodenlasten stattgefunden hat
Die Crashanforderungen können in der Folge zu notwendigen Verstärkungen und dem Einbau spezifischer Energieabsorber in der weiteren Entwicklung des A/C führen Möglicherweise signifikante Erhöhung der Strukturmasse Verlängerung der Entwicklungszeit Kostensteigerung
Mögliche Schritte zur frühzeitigen Integration der Crashauslegung in den Flugzeug-Entwurfsprozess
Automatisierung der zeit- und kostenintensiven Modellerstellung und Analyse Automatisierte, parametrisierte Prozesskette zur Crash-BewertungIntegration der Crash-Bewertung in den Vorentwurf neuer Flugzeuge als zusätzlicher Lastfall zusammen mit den Luft- und Bodenlastfällen
Prozesskette / Integration in Entwurfsprozess
1
2
Leitprojekt CFK Rumpf NG 8
Crash im Entwurfsprozess / Illustration des Schritt 1 (Automatisierung der Crash-Bewertung)
Flight loads Ground loads
Preliminary configuration and
sizing
Crash behaviour sufficient ?
Preliminarydesign
Detaileddesign
Analytical methods,Simplified numerical
methods
Generation of fine FE section model
no
yes
Complex numerical methods
Weight Cost Time
1
Prozesskette / Integration in Entwurfsprozess
1 Automatisierung der Crash-Bewertung
Leitprojekt CFK Rumpf NG 9
Flight loads
Preliminary configuration and
sizing
Crash behaviour sufficient ?
Preliminarydesign
Detaileddesign
Analytical methods,simplified numerical methods, automated
processes
Generation of fine FE section model
no
yes
Complex numerical methods
Weight Cost Time
Crash loads 2Ground loads
less critical
Crash im Entwurfsprozess / Illustration des Schritt 2 (Integration in Vorentwurf)
Prozesskette / Integration in Entwurfsprozess
2 Crashbetrachtung stärker integriert
Leitprojekt CFK Rumpf NG 10
Beispiele für parametrisierte Sektionen
Parametrisierte Netzgenerierung / Berechnung:Detaillierte Modellierung unterschiedlichster Rumpfsektionen Geometrie und Strukturelemente sehr variabelDie Feinheit der Modelle kann leicht variiert werdenAnkopplung an div. FE-Programme (PAM-CRASH, ABAQUS / Explicit, (LS-DYNA)Spezielle Bauformen für Frachtraumspant (ICU), PAX-Querträger können integriert werden Referenzknoten für Nietelemente können autom. generiert werdenIntegration von Hybrid II ARB Dummys in PAM-CRASH Prozesskette (beliebige Verteilung in Kabine)
Automatisierte Crash-Analyse (detaillierte Modelle)
Fußboden
Frachtbodenstruktur
Sitzmodul mit ARB Dummys
Spant
Stringer
Leitprojekt CFK Rumpf NG 11
Untersuchung eines generischen WB Flugzeugs (EU-ALCAS)
Modellvariante mit starren Verbindungen (Nieten)CFK Versagen in der Rumpf-MittelebeneZusätzliche Gelenke am unteren Strut / Spant BeschlagKontinuierliches Einrollen des unteren Paneels
Geeignet zur Analyse lokaler Effekte Erfordert validierte, vorhersagefähige Materialmodelle ! Sehr rechenzeitintensiv !
t = 50ms t = 100ms t = 150ms
t = 150ms
Detaillierte FE Crashsimulation (exempl. Ergebnis)
Leitprojekt CFK Rumpf NG 12
Derzeit laufende Erweiterungen der ProzessketteErweiterung der Modellierungsmöglichen
Überwindung der Einschränkung auf konstante QuerschnitteAnbindung an standardisiertes DLR Parameterformat
Erweiterung der BerechnungsoptionenGleichzeitige Nutzung der Sektionsbeschreibung, -modelle für statische Analysen
Geometriemodell Hecksektion (A320)Stringerverlauf in Hecksektion
Verformungsanalyse mit PAM-Implicit
Leitprojekt CFK Rumpf NG 13
Grundgedanke:Generierung deutlich vereinfachter Modelle
Grobes Netz mit elastischen Eigenschaften
Energieabsorption wird durch Macro Elemente repräsentiert (Crashelemente, Plastische Gelenke)
Datenübernahme aus Komponententests, z.B. Crashstrebe, Gelenkbildung in Spant, …
Deutliche Reduktion der Rechenzeiten
Bewertung möglicher Scenarien durch leichte Variation der Macro-Charakteristiken (Reverse Engineering) Bewertung der Robustheit durch Variation der Lastfälle (Beladezustand, Pitch-, Rollwinkel, …)
Kinematische Modelle für Designvergleiche (Modellerzeugung)
PlastischeGelenke
Crash-elementeMakroelement-Input
Leitprojekt CFK Rumpf NG 14
Simulation der erarbeiteten Szenarien 1 & 3Kombination eines feinen FE Models für ICU Bereich mit kinematischen ElementenVerwendung der Ergebnisse von Projektpartnern für PH und Crashelement Macros
Szenario 1 / Bruch des Frachtbodenträgers
Szenario 3 / Doppelgelenk zw. Frachtboden und Streben
Kinematische Modelle für Designbewertungen (ex. Ergebnisse)
Ausgewählte Ergebnisse zur Anwendung der kin. Modelle
Absorbierende PH Absorbierende PH
Leitprojekt CFK Rumpf NG 15
Phasen des Crashs (z.B. Szenario 1)
Kinematische Modelle für Designbewertungen (ex. Ergebnisse)
Ausgewählte Ergebnisse zur Anwendung der kin. Modelle
Phase 1:Sub-Cargo Zerstörung (Crushing Absorber)Untere Seitenschale und Cargo CB bleibt intakt!
Phase 2:Definiertes Versagen der unteren Seitenschale und des Cargo CBGelenkbildung in unterer Seitenschale mit EAStruktur oberhalb Strut bleibt intakt!
Phase 3 (optional)Energie absorbierende PAX StrebenGgf. EA im PAX-Beam Anschlussbereich
Die Eigenschaften der einzelnen Crasheinbauräume müssen optimal aufeinander abgestimmt werden Erfordert Validierung in Komponententests
t=20mst=100mst=150ms
Leitprojekt CFK Rumpf NG 16
Energie absorbierende SpantkomponentenKonzept für hybride CF (PEEK) / Titan Spante
UD-Schichten im Spantflansch werden durch Titan ersetztMögliche Anwendung in der unteren SeitenschaleEnergieabsorption durch Plastifizierung der Titanschichten
Durchgeführte Arbeiten:Fertigung von Flachproben und C-ProfilenMaterialtests an Flachproben ermutigende ErgebnissePre-test Simulationen für TestspezifikationStatische und dynamische Biegetests an C-ProfilenPost-test Simulationen der Biegetests und Vergleich
Titan
CFK/
TiCFK
CFK/ Titan nach BiegetestCFK/ Titan nach Drucktests
Ergebnisse Biegetests an Flachproben
Leitprojekt CFK Rumpf NG 17
PrüfrandbedingungenPrüfgeschwindigkeit: 3,4m/s (Fallprüfstand)
Fallhöhe: 600mm (Fallmasse: 100kg)Vier Spantbiegetests (je ein Wiederholungstest):
2 x CF-PEEK (Referenz)2 x CF-PEEK/Titan
Testaufbau im Fallturm:
Energie absorbierende SpantkomponentenDynamische 4 Punkt Biegetests an CFK/ Ti Trägern
Ergebnis: High-Speed Aufnahme:
AVI
Leitprojekt CFK Rumpf NG 18
Energie absorbierende SpantkomponentenDynamische 4 Punkt Biegetests an CFK/ Ti Trägern
ErgebniszusammenfassungTestserie mit 8 Biegetests (stat., dyn.)(je 4 x CF-PEEK und CF-PEEK/ Ti)Nur geringer Einfluss auf Energieabsorption durch Hybridisierung mit TitanVerbesserte strukturelle IntegritätGute Korrelation zwischen Test / Simulation
Biegetest CFK/ Ti Simulationssequenz
CF-PEEK
CF-PEEK/Titan
Vergleich der Lastkurven aus dny. Tests
Kein Restbruch
Leitprojekt CFK Rumpf NG 19
Übersicht Themenfelder im Bereich High Velocity ImpactThemenfeldTest / Modellierung von Impaktoren
ErsatzvogelEisReifengummiFelgenstücke‚Runway debris‘
Composite SchadensmodelleSchadensmodell für die EinzelschichtDelaminationsmodell
HVI Komponententests (komb. mit NDT-Verfahren)Paneel-Tests (teils mit Vorbelastung)RotorblattCockpitverglasung
Simulation des StrukturverhaltensImpaktschäden an monolith. RumpfpaneelenSchäden in doppelschal. Paneelen (inkl. Faltwaben)
Weiche Impaktoren
Harte Impaktoren
Leitprojekt CFK Rumpf NG 20
Übersicht Themenfelder im Bereich High Velocity ImpactThemenfeldTest / Modellierung von Impaktoren
ErsatzvogelEisReifengummiFelgenstücke‚Runway debris‘
Composite SchadensmodelleSchadensmodell für die EinzelschichtDelaminationsmodell
HVI Komponententests (komb. mit NDT-Verfahren)Paneel-Tests (teils mit Vorbelastung)RotorblattCockpitverglasung
Simulation des StrukturverhaltensImpaktschäden an monolith. RumpfpaneelenSchäden in doppelschal. Paneelen (inkl. Faltwaben)
Weiche Impaktoren
Harte Impaktoren
Beispiele in heutigem Vortrag
Leitprojekt CFK Rumpf NG 21
Gummi ModellReifengummi wird mit Mooney-RivlinMaterialgesetz beschrieben (für hohe elastische Dehnungen)Mechanische Eigenschaften von Gummi und Verstärkungsschichten wurden in Tests ermittelt FE Modell durch Impakttests auf CFK Platten validiert
Tensile Test on Aircraft tyrerubber with/without fibres
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
% Elongation x 10
Stre
ss, k
Pa
Rubber w ith 0°/90° fibresRubber w ith ±45° fibreTyre rubber w ithout fiber
Reifengummiaufschlag auf CFK Platte mit 100 m/s
Materialmodell für Reifenmodellierung
Leitprojekt CFK Rumpf NG 22
geschichtetes CFK-Laminat
FE-Modell (Stapel von Sub-Laminaten)
Delaminationsmodel:
Implementiert als cohesiveinterface. Der Rissfortschritt wird gesteuert durch ein Energie basiertes Bruchkriterium
Geschichtete Schalenelemente zu Modellierung der Sub-Laminate
• Meso-Modell für das Sub-Laminat
• Einzelschichten modelliert alshomogenes orthotropes Material mit elastischer Schädigung (nach Ladevèze)
Layers
Schadensmodelle für CFK-Laminate
Leitprojekt CFK Rumpf NG 23
PaneelHaut: 1690 mm x 1000 mm6 C-Spante 1300 mm x 120 mm x 41 mm an die Haut geklebt und verbolzt Modellierung der Haut mit 4 ‚stacked shells‘
Randbedingungen im TestPaneel eingespannt an den Enden der SpanteAufschlag eines 840g Reifenstücks der Größe 211 x 212 x 16.5 mm mit einer Geschwindigkeit von 93 m/sAufschlag erfolgt zwischen zwei Spanten
4.11 mm(15 Lagen)
6.16 mm(44 Lagen)
4.11 mm(15 Lagen)
6.03 mm(22 Lagen)
Dicke
G1157/RTM6C/PEEKG1157/RTM6G1157/RTM6Material
C-SpantSkinC-SpantSkin
Paneel 2 (Thermoplastisches Harz)
Paneel 1 (Duroplastisches Harz)
Simulation eines Reifenaufschlagtests
Leitprojekt CFK Rumpf NG 24
Reifenaufprall auf ein versteiftes CFK-Paneel
AVI
Simulation eines Reifenaufschlagtests Animation der Impaktsimulation
Leitprojekt CFK Rumpf NG 25
Thermoset Thermoplastic
Rückprall des ReifenstücksGrößerer Schadens-bereich beim thermo-plastischen Paneel mit sehr lokalem Versagen des oberen Sub-Laminats
Thermoplaste Matrix Duroplastische Matrix
Größere Bereiche vollständiger Delamin-ation in dem thermo-plastischen Paneel Vorhersage des Versagens der Klebung zwischen Haut und SpantenVerbindungselemente bleiben “ungeschädigt”
FE-Simulation: V = 93 m/s, a = b = 69°Simulation eines Reifenaufschlagtests
Leitprojekt CFK Rumpf NG
Mehrschicht-Schalenmodellierung für Faltwaben Typ 30
Deckschicht als ‘stacked shell’Modell mit Delaminationsmodell
Starrer Impaktor (Kugel bzw. Würfel)
Starr modellierter Rahmen
Simulation eines HVI-Tests auf FaltwabenpaneelAufbau des Modells
Leitprojekt CFK Rumpf NG
0.45 ms
0.30 ms
0.15 ms
0.60 ms
Bildintreval: ~0.5 ms)
0 ms 12 mm Stahlwürfel Aufschlag: 20 mm Faltwaben-SandwichM = 13.4 g, V = 81.8 m/s, E0 = 45.2 J
Impaktor durchdringt die Dickschicht und wird im Kern gestoppt
Simulation eines HVI-Tests auf FaltwabenpaneelVergleich Simulation mit Test und CT-Aufnahme
CT Aufnahmen des Paneels nach Stahlwürfeleinschlag
Leitprojekt CFK Rumpf NG 28
Zusammenfassung
Prozesskette Crash-Berechnung wurde erheblich erweitertDurch kinematische Modelle konnte ein grundlegendes Verständnis für den Ablauf eines Crashs (Sektion) erarbeitet werdenHybridisierung eines CFK Spantes mit Titan-Schichten erfüllte in erster Testserie nicht die Erwartungen ggf. andere Werkstoffkombinationen untersuchen
Impaktor-Modelle für Ersatzvogel, Eis und Reifenstücke wurden entwickeltUnterschiedliche Modellierungsstrategien für die Berechnung von Schäden an Rumpfpaneelen wurden untersucht (Stacked Shell Modeling, Multi model Coupling, …)Mit den unterschiedlichen Modellierungsansätzen können gute Schadensvorhersagen erzielt werden
Leitprojekt CFK Rumpf NG 29
Ausblick
Isolierte Betrachtung des Crashlastfalls ist für Bauweisenentwicklung, -auswahl nicht ausreichend Kopplung mit weiteren Lastfällen notwendigCrashbetrachtung soll auf komplexere Sektionen ausgeweitet werden (z.B. Hecksektion, Türumgebung, …) Fernziel Gesamtrumpf
Untersuchung des Impaktverhaltens von vorbelasteten monolithischen Paneelen werden in Kürze durchgeführtFür die Modellierung des komplexen Verhaltens von Eis bei HVI werden verbesserte Schädigungsmodelle benötigtDie Ergebnisse einzelner HVI Simulationen sollen durch stochastische Verfahren abgesichert werden
Leitprojekt CFK Rumpf NG 30
ForschungsteamLeiter Abt. Strukturelle Integrität Christof KindervaterTel.: 0711/6862 [email protected]
Expertin für HVI-ForschungDr. Nathalie TosoTel.: 0711/6862 [email protected]
Experte für Crash-ForschungDieter KohlgrüberTel.: 0711/6862 624Dieter. [email protected]
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Quelle: CadFEM GmbH