Tragstrukturkonzepte zur gekoppelten Vorauslegung generischer Faserverbundflügel

In der vorliegenden Arbeit wird eine neue Vorauslegungsmethode für generische Flügelkästen, unter Berücksichtigung aerodynamischer Restriktionen, vorgeschlagen. Die Einbeziehung dieser Aerodynamik erfolgt direkt durch die Anwendung der Fluid-Struktur-Interaktion (FSI): Dabei wird das kompressible Fluid mittels der Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) modelliert und anhand der Finite-Volumen-Methode (CFD) numerisch gelöst. Für den Strukturentwurf wird erstmalig ein rechnergestütztes Verfahren implementiert. Bei der Schalenbauweise des Kastens wird die konstruktive Anisotropie durch beliebig orientierte Rippen, Stringer und Zwischenholme berücksichtigt, ferner auch die Materialanisotropie mit verschiedenen Laminatwinkeln im Verbund. Um praktische Beispiele für konventionelle Flugzeuge zu generieren, ermöglicht dieses Modul eine Parametervariation hinsichtlich Mehrfachpfeilung, Verjüngung, Verwindung und V-Stellung. Dank dieser Parameter steht Leichtbauarchitekten ein mächtiges Werkzeug für die Zusammenstellung eines optimalen Flügels zur Verfügung. Für die Berechnung der Struktur wird eine spezielle Finite-Elemente-Methode (FEM) auf Basis des in dieser Arbeit genannten hybriden Kraftfluxelementes angewandt. Die Kopplung der Struktur mit der Aerodynamik findet am Ende mit partitionierten Algorithmen statt. Somit kann bereits im Vorentwurf eine realitätsgetreue Dimensionierung unter starker Einbeziehung der Umgebungsbedingungen in die Lastannahmen erreicht werden. Dieses Werk soll moderne Strukturexperten und Aerodynamiker dazu inspirieren, die Aspekte von Beeinflussungen der Teilgebiete bei der Betrachtung ihres jeweiligen Systems mit einzubeziehen. Als Beispiele hierfür sind der Einfluss der Strömung auf die Festigkeit, oder der Einfluss der Steifigkeit auf die aerodynamischen Beiwerte zu nennen.