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

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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

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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 280Christof.Kindervater@dlr.de

Expertin für HVI-ForschungDr. Nathalie TosoTel.: 0711/6862 564Nathalie.Toso@dlr.de

Experte für Crash-ForschungDieter KohlgrüberTel.: 0711/6862 624Dieter. Kohlgrueber@dlr.de

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Quelle: CadFEM GmbH