Flatterhafte Flügel

:K Cad Cam Simulation

Luftfahrt – Flugzeuge sollen immer schneller sein und dabei weniger verbrauchen. Um die Grenzen des Leichtbaus zu erreichen, wird bei der Entwicklung Simulation eingesetzt.

28. Juni 2012

Die Luftfahrt verlangt nach besonders leichten, aber hoch stabilen Baugruppen. Daher kommt der aeroelastischen Stabilität bei Flugzeugen eine besondere Bedeutung zu. Um aeroelastische Verformungen und Schwingungen realistisch abzuschätzen, müssen Berechnungsingenieure die richtigen Lastannahmen treffen.

In der Flugzeugindustrie wird mit harten Bandagen gekämpft. Wer erfolgreich sein will, muss nicht nur steigende Kundenanforderungen und immer schärfere gesetzlichen Maßgaben erfüllen, sondern Innovationen auch schnell und kostengünstig umsetzen können. Daher sind numerische Simulationsverfahren in der Entwicklung von Flugzeugen unerlässlich geworden. Die Finite-Elemente(FE)-Berechnung ist die Basis für alle strukturmechanischen Analysen von Komponenten und Baugruppen. Simulation und Analyse dienen jedoch nicht nur der Absicherung von Entwicklung und Konstruktion, sondern sind auch Bestandteil der Zertifizierungsauflagen, die dem Luftfahrtbundesamt gegenüber erfüllt werden müssen.

Simulation ist zentrales Werkzeug

Die Aufgabenstellungen für Simulation im Bereich Luft- und Raumfahrt sind vielfältig. Ingenieure untersuchen beispielsweise das dynamische und aeroelastische Verhalten eines Flugzeuges, die Kinematik von Landeklappen und Fahrwerken, die Schalldruckverteilung in Flugzeugkabinen oder berechnen Spannungen, um Werte für Bruch, Riss und Werkstoffermüdung zu finden.

In der Konzept- und Auslegungsphase fällt besonders der Analyse der Aerodynamik eine zentrale Bedeutung zu. Wenn strukturelle Störungen auf Luftströmungen an Leit- oder Triebwerken treffen, kann das zu sicherheitsrelevanten hohen Belastungen führen oder die Steuerbarkeit des Flugzeuges beeinträchtigt werden. In Kombination mit Windkanalversuchen liefert die Computational-Fluid-Dynamics(CFD)-Simulation schnell und kostengünstig wichtige Aussagen über die Tragfähigkeit aerodynamischer Konzepte und Lösungen. Voraussetzung für verlässliche Aussagen ist allerdings die Analyse und Arbeit mit realistischen Lastdaten.

Die Bestimmung der Lastdaten und Definition von Randbedingungen sind kritische Aspekte bei Simulationen. Die Messung, Aufbereitung und Verwaltung von Lastdaten ist sehr aufwendig, da in der Entwicklung von Flugzeugen gewaltige Datenmengen produziert werden. Ingenieure müssen Ergebnisse aus Windkanaltests und Computersimulationen, historische Daten sowie empirische Ansätze in verschiedene Lastfälle integrieren.

Die Quantifizierung der Lasten gilt bei der Entwicklung eines neuen oder modifizierten Flugzeuges als kritischer Faktor. Ungenaue Lastannahmen, die nach Fertigstellung der ursprünglichen Konstruktion korrigiert oder aktualisiert werden, können dabei schwerwiegende negative Auswirkungen auf den Entwicklungszeitplan insgesamt haben. Werden ungenaue Lastwerte erst nach Start der Flugtests entdeckt, ist im schlimmsten Fall eine kostspielige Neukonstruktion und Umrüstung erforderlich.

Das Computer-Aided-Design(CAE)-Unternehmen MSC Software bietet mit dem Pre- und Postprozessor Flightloads ein System, das speziell auf die Bedürfnisse der Luftfahrtbranche zugeschnitten ist, die Aufbereitung von Lastdaten vereinfacht und schnellere aerodynamische Berechnungen ermöglicht. Flightloads basiert auf dem Solver MSC Nastran und dem Pre- und Postprozessor Patran.

Die Komponenten aus Patran greifen auf das CAD-System des Anwenders zu, um grundlegende Geometriedaten abzurufen. Anschließend erzeugt das System die aerodynamischen und strukturellen Modelle, die zur Aufbereitung der Lastdaten verwendet werden. Die Komponenten aus MSC Nastran übernehmen die rechenintensiven Analysen für die grundlegenden Lastdaten. Diese können anschließend zur visuellen Darstellung der Ergebnisse wieder an das Grafikpaket übergeben werden, einschließlich der für die endgültige Lösung verwendeten Komponenten. Endergebnis ist die Erstellung von Lasten im Eingabedatenformat von MSC Nastran.

Heißes Thema Aeroelastizität

Die Mehrzahl der Luft- und Raumfahrtunternehmen setzt auf das in der Luftfahrtindustrie als Quasi-Standard geltende Simulationsprogramm MSC Nastran. Damit werden alle sicherheitsrelevanten Bauteile strukturmechanisch und dynamisch analysiert. Die Software verfügt über ein spezielles Modul, um aeroelastisches Verhalten zu analysieren. Das Modul dient speziell zur Analyse des Flatterverhaltens und ist daher auch unter Sicherheitsaspekten von besonderer Wichtigkeit für die Optimierung der Flugeigenschaften.

Unter Aeroelastizität versteht man Verformungen oder Schwingungen, die aus der Interaktion zwischen Trägheit, Struktur und Aerodynamik resultieren. Jedes Flugzeug kann sich aufgrund seiner Elastizität und durch das Zusammenspiel der Luft- und Massenkräfte »verformen« oder »schwingen«. Die ungedämpfte Schwingung eines Flugzeuges wird als Flattern bezeichnet. Besonders von der Interaktion zwischen Aerodynamik und Struktur betroffene Flugzeugkomponenten sind Tragflächen wie Flügel, Seiten- oder Höhenleitwerke. Die aerodynamischen Belastungen der Tragflächen variieren je nach Geschwindigkeit des Luftstroms und hängen vom Strukturverhalten ab.

Befinden sich die aerodynamischen und strukturellen Belastungen im Gleichgewicht, wird eine harmonische Schwingung erzeugt. Diese Art von Schwingung tritt bis zu einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit auf, der sogenannten Flattergrenze. Oberhalb der Flattergrenze kommt es zu einer Selbsterregung durch die zugeführte aerodynamische Energie.

Diese nimmt bis zur Zerstörung der Struktur divergent zu. Beim klassischen Flattern werden ab der kritischen Geschwindigkeit gekoppelte Biegungs- und Torsionsschwingungen hervorgerufen. In diesem Zustand regen sich die beiden Schwingungsmodi wechselseitig an und die zwei Frequenzen nähern sich abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit einander an. Daher erfolgt zwischen den beiden Modi eine Energieübertragung, die sogenannte interne Resonanz.

Das aeroelastische System enthält zudem Nichtlinearitätsfaktoren. Diese Nichtlinearitäten resultieren aus unsteten aerodynamischen Quellen, starken Dehnungen und Verformungen oder dem partiellen Verlust der Konstruktions- und Steuerungsintegrität. Ein solches System zeigt unter Umständen nichtlineare dynamische Verhaltensweisen wie Grenzzyklusschwingung, interne Resonanz und chaotische Bewegung. Mit MSC Nastran lassen sich diese Phänomene untersuchen. MSC Nastran verwendet bei der aeroelastischen Analyse Lösungssequenzen für statische Aeroelastizität, aerodynamisches Flattern, dynamische aeroelastische Reaktion und Optimierung.

MSC Software führte bereits 1974 erstmals eine aeroelastische Funktion in MSC Nastran ein, die seitdem ständig erweitert und verbessert wurde. Die neue Version MSC Nastran 2012 ermittelt beispielsweise automatisch die aerodynamischen und strukturellen Knoten, die innerhalb eines definierten Bereichs liegen, und fügt sie den entsprechenden Splines hinzu. Splines sind Interpolationen zwischen Aero- und Strukturnetzen. Dies ist insbesondere bei der computergestützten Strömungssimulation von Vorteil.

Ziel: schnell und sparsam

Ein Entwicklungsziel moderner Flugzeuge ist eine immer höhere Geschwindigkeit. Mit steigender Fluggeschwindigkeit wird die Interaktion von Aerodynamik und Struktur immer wichtiger. Bereits weit unterhalb der Schallgeschwindigkeit steigt der Strömungswiderstand ab einer bestimmten kritischen Geschwindigkeit stark an, was die weitere Beschleunigung verhindert.

Aeroelastische Verformungen und Schwingungen können zudem weitreichende flugtechnische Konsequenzen nach sich ziehen. Unerwünschte Schwingungen der Tragflächen oder am Höhenruder können in Extremfällen zum Absturz eines Flugzeuges führen. Daher wird auch zukünftig der Berechnung von aerodynamischen Kräften eine wichtige Bedeutung zukommen.

Erschienen in Ausgabe: 05/2012