PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102004029485B4 31.05.2007
Titel Impuls-absorbierendes Struktur-Bauteil
Anmelder EADS Deutschland GmbH, 85521 Ottobrunn, DE
Erfinder Starke, Peter, Dipl.-Ing., 85521 Ottobrunn, DE
DE-Anmeldedatum 18.06.2004
DE-Aktenzeichen 102004029485
Offenlegungstag 12.01.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse F16S 1/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B64C 3/28(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B32B 3/28(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Impuls-absorbierendes Struktur-Bauteil insbesondere für Schiffe, Landfahrzeuge und Luftfahrzeuge oder für Gerätschaften, Maschinen, Anlagen und Gebäudeteile.

Aus dem Stand der Technik sind Impuls-absorbierende Strukturen bekannt, bei denen zusätzliche Energie-absorbierende Schichten in der Struktur angeordnet sind. Diese verringern jedoch die Festigkeit der Struktur oder bei einem entsprechenden Material-Aufwand erhöhen deren Gewicht bzw. benötigen zusätzlichen Raum.

Aus der DE 101 29 576 ist ein Struktur-Element mit einer zwischen zwei Deckschichten eingelegten Energie-absorbierenden Schicht bekannt, bei dem zumindest eine Deckschicht Last-tragend ist. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass diese zwar Impulse aufnehmen, dass jedoch mit einem bei gleicher Festigkeit erhöhten Gewicht oder bei gleichem Gewicht mit verminderter Festigkeit zu rechnen ist. Insbesondere ist wegen der Unterbindung der Energie-absorbierenden Schicht zwischen den Deck-Schichten im Belastungsfall mit einer Kerbwirkung für letztere zu rechnen. Nach der DE 101 29 576 wird trockenes oder Harz-armes Aramid-Gewebe oder PBO als Energieabsorbierende Schicht verwendet und mit einer Last-tragenden Schale verbunden. Dadurch können Zugkräfte quer zur Bauteil-Ebene nicht übertragen werden, so dass das Bauteil bei bestimmten Betriebslasten gefährdet ist. Außerdem können sich die beiden Deckschichten auch bei dem Auftreten von Druckkräften in der Ebene der Deck-Schalen auseinander wölben.

Ferner sind aus dem allgemeinen Stand der Technik Verbund-Strukturen mit dünnen Deckschichten bekannt, die die Kräfte in der Schalen-Ebene aufnehmen, und einen Kern aufweisen, der Schubkräfte aufnimmt. Der Kern ist aus Honigwaben oder aus Schaumstoff gebildet, die aufgrund des begrenzten Bauraums jedoch keine großen Energien aufnehmen können, da der Absorptionsweg begrenzt ist. Eine Überlagerung mehrerer Sandwich-Strukturen ist in den meisten Anwendungsfällen aus Platzgründen nach innen wie nach außen beschränkt.

Aus der US 2,241,972 ist eine Verbundstruktur für einen Flugzeugflügel bekannt, bei der zwischen zwei parallelen Deckschichten eine Zwischenschicht alternierend zwischen den beiden Deckschichten verläuft. Die Zwischenschicht weist dabei eine trapezartige Form auf.

Eine ähnliche Verbundstruktur weist die Schichtstoffpressstoff platte gemäß der DE 38 24 423 A1 auf. Die Zwischenschicht ist trapezartig ausgebildet.

Eine weitere Verbundstruktur ist aus der DE 298 20 176 U1 bekannt, bei der die Verbindung zwischen den beiden Deckplatten durch eine pyramidenförmige Gitterstruktur gebildet wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein impuls-absorbierendes Struktur-Bauteil für verschiedene Anwendungsfälle bereitzustellen, bei dem mit hoher Sicherheit ein Durchschlagen der Struktur verhindert werden kann. Außerdem sollte gegenüber den bekannten impuls-absorbierenden Strukturen eine gewichtsmäßig optimierte Lösung gefunden werden.

Erfindungsgemäß ist ein Impuls-absorbierendes Struktur-Bauteil mit zwei Deckschichten und einer zwischen diesen angeordneten Zwischenschicht vorgesehen, wobei die Zwischenschicht alternierend zwischen den Deckschichten verläuft und wobei das Material der Zwischenschicht derart gewählt ist, dass diese eine höhere Bruchdehnung aufweist als die der Deckschichten.

Die Zwischenschicht kann insbesondere wellenförmig, aus Winkelteilen, trapezförmig, noppenförmig oder Eierkarton-förmig gebildet sein.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Figuren beschrieben, die zeigen:

1 eine perspektivische Drahtlinien-Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Impuls-absorbierenden Struktur-Bauteils in der unverformten Gestalt, das als ebenes Bauteil gebildet ist, wobei zusätzlich ein auftreffendes Masseteil andeutungsweise gezeigt ist;

2 das Struktur-Bauteil nach der 1 in einer Schnittdarstellung mit dem Masseteil in der unverformten Gestalt, d.h. vor dem Auftreffen auf das Struktur-Bauteil;

3 das Struktur-Bauteil nach der 1 in einer Schnittdarstellung mit dem Masseteil nach dem Auftreffen auf das Struktur-Bauteil;

4 eine schematische Schnitt-Darstellung eines Ausschnitts einer weiteren Ausführungsform eines ungekrümmten Struktur-Bauteils in der unverformten Gestalt, bei der die Zwischenschicht aus Winkelteilen gebildet ist;

5 eine schematische Schnitt-Darstellung eines Ausschnitts einer weiteren Ausführungsform eines ungekrümmten Struktur-Bauteils in der unverformten Gestalt, bei der die Zwischenschicht trapezförmig gebildet ist;

6 eine schematische Perspektiv-Darstellung eines Ausschnitts einer weiteren Ausführungsform eines ungekrümmten Struktur-Bauteils in der unverformten Gestalt, bei der die Zwischenschicht noppenförmig gebildet ist;

7 eine schematische Perspektiv-Darstellung eines Ausschnitts einer weiteren Ausführungsform eines ungekrümmten Struktur-Bauteils in der unverformten Gestalt, bei der die Zwischenschicht Eierkarton-förmig gebildet ist;

8 eine perspektivische Drahtlinien-Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Struktur-Bauteils, das ein vorderes Schalenteil eines Flugzeug-Flügels und somit als gekrümmtes Bauteil gebildet ist.

Das erfindungsgemäße Struktur-Bauteil 1 ist, wie beispielsweise aus der 1 hervorgeht, aus zwei Deckschichten 2, 3 und einer zwischen diesen angeordneten Zwischenschicht 4 gebildet. Die Zwischenschicht 4 ist aus einem ursprünglich ebenen Material gebildet, das derart geformt ist, dass die Zwischenschicht zumindest in einem Abschnitt A des Struktur-Bauteils 1 alternierend zwischen den Deckschichten 2, 3 verläuft. Erfindungsgemäß ist das Material der Zwischenschicht 4 derart gewählt, dass diese eine höhere Bruchdehnung aufweist als die der Deckschichten 2 bzw. 3.

Verschiedene Gestaltungsweisen der Zwischenschicht 4 sind in den 2, 4, 5, 6 und 7 dargestellt. In einer ersten Alternative kann die Zwischenschicht 4 wellenförmig gebildet sein (2, 3, 4 und 5). In einer weiteren Alternative kann die Zwischenschicht winklig, d.h. aus Winkelteilen oder Winkelelementen gebildet sein (4). Außerdem kann die Zwischenschicht trapezförmig (1 und 5), noppenförmig (6) oder auch Eierkarton-förmig (7) gebildet sein.

Durch die erfindungsgemäße Formgebung der Zwischenschicht 4 wird erreicht, dass im Normalbetrieb das Struktur-Bauteil bzw. die Zwischenschicht Schubkräfte aus Betriebslasten übertragen kann. Außerdem wird durch die erfindungsgemäße Lösung der höheren Bruchdehnung der Zwischenschicht bezüglich der Deckschichten 2 bzw. 3 erreicht, dass im Falle der Einwirkung eines Masseteils M auf das Struktur-Bauteil die Verzögerungs-Strecke vergrößert wird.

Das Masseteil M ist generell ein räumliches Gebilde, das sich bei dem betrachteten Impuls-gebenden Ereignis mit einer nicht zu vernachlässigenden Relativ-Geschwindigkeit gegenüber dem Struktur-Bauteil 1 bewegt. Das Masseteil M kann ein Festkörper-Teil oder Festkörper-Bestandteil mit fester oder unbestimmter Struktur oder Gestalt sein. Weiterhin kann das Masseteil auch eine Menge eines Fluids, also eines Gases oder einer Flüssigkeit sein. Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Bauteils für ein Flugzeug kann es sich bei dem Fluid z.B. um einen Vogel, einen Betriebsstoff wie Treibstoff oder Hydraulik-Flüssigkeit handeln. Der Betriebsstoff kann dabei von außerhalb der Flugzeug-Struktur oder innerhalb derselben auf das Struktur-Bauteil einwirken. Letzteres kann z.B. der Fall sein, wenn Treibstoff innerhalb eines Treibstoff-Tanks aufgrund der Flugzeug-Bewegung einen Impuls auf die Impuls-absorbierende Struktur, die die Tank-Wand sein kann, ausübt.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Struktur-Bauteils kann dieses bei verschiedenen Ereignissen vorteilhaft sein: zum einen dann, wenn aufgrund der Flugzeug-Bewegung im Raum ein im Flugzeug befindlicher Betriebsstoff einen Impuls auf das dort befindliche erfindungsgemäße Struktur-Bauteil überträgt; zum anderen wenn es zu einer Impuls-Übertragung zwischen dem Struktur-Bauteil und einem außerhalb des Flugzeugs befindlichen Fluids, z.B. einem Vogel, kommt; weiterhin, wenn ein Geschoss kinetische oder chemische Energie auf ein im Flugzeug befindliches Fluid überträgt.

Das erfindungsgemäße Struktur-Bauteil 1 kann zusätzlich weitere Elemente oder Bestandteile aufweisen, wie z.B. Versteifungsrippen oder Stringer (vgl. 8).

Im folgenden wird die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Struktur-Bauteils 1 beim Auftreffen eines Masseteils M an Hand der 2 und 3 beschrieben:

Es wird angenommen, dass sich das Masseteil M in einer Bewegungs-Richtung 10 auf das erfindungsgemäße Struktur-Bauteil 1 zu bewegt (2). Die Bruchdehnung der Deckschicht, die bei dem sich nähernden Masseteil M zugewandt ist, ist niedriger als die Bruchdehnung der Zwischenschicht 4 und der dem Masseteil M abgewandten Schicht. In der Darstellung der 3 ist die Deckschicht, die dem sich nähernden Masseteil M zugewandt ist, mit dem Bezugszeichen 2 versehen. Diese wird im folgenden als erste oder vordere Deckschicht bezeichnet.

Beim Aufprall des Masseteils M wird die Bruchdehnung der Deckschicht 2 überschritten und so ein Teil der Bewegungs-Energie des Masseteils M abgebaut. Bei einem angenommenen Maximal-Impuls des Masseteils M ist die erste Deckschicht 2 derart ausgelegt, dass diese Durchschlagen wird. Durch das Versagen der Deckschicht 2 bildet sich eine Öffnung 11 aus. Dadurch wirkt das Masseteil M auf die Zwischenschicht 4 ein. Aufgrund der Form und der höheren Bruchdehnung der Zwischenschicht 4 wird diese elastisch zusammengedrückt. Infolgedessen werden Kräfte auf die Schicht 3 übertragen.

Die Deckschicht 3 wird gedehnt, so dass unter Umständen die Bruchdehnung derselben überschritten wird. In diesem Fall wird dann die Zwischenschicht 4 durch die sich bildende Öffnung 11 in der entstehenden Öffnung in der Deckschicht 3 gezogen (3). Dies ist dann der Fall, wenn die Verbindung zwischen der Deckschicht 2 und der Zwischenschicht 4 kontrolliert löst, so dass sich ein Fangsack ausbildet. Der Fangsack belastet die Ränder 14 der Öffnung 12, so dass die Bruchdehnung im Bereich des Öffnungs-Randes 14 kontinuierlich überschritten wird. Dadurch weitet sich die Öffnung 12 kontinuierlich aus. Durch die Vergrößerung der Öffnung 12 in Verbindung mit der Vergrößerung des Fangsackes wird die kinetische Energie des Masseteils M weiter abgebaut.

Für einen zulassungsgemäß vorgesehenen Maximal-Impuls des angenommenen Ereignisses sind die erfindungsgemäßen Bestandteile des Struktur-Bauteils, als die Deckschichten und die Zwischenschicht 4 in ihrer Gestalt und in ihrer Bruch-Dehnung so ausgelegt, dass die kinetische Energie des Masseteils M vollständig abgebaut wird, oder zumindest auf ein solches Maß reduziert wird, dass für hinter der Struktur liegende Bereiche oder Anlagen der Schaden in vorbestimmtes Maß nicht überschreitet.


Anspruch[de]
Impuls-absorbierendes Struktur-Bauteil eines Luftfahrzeugs mit zwei Deckschichten (2, 3) und einer zwischen diesen angeordneten Zwischenschicht (4), wobei das Material der Zwischenschicht (4) derart gewählt ist, dass diese eine höhere Bruchdehnung aufweist als die der beiden Deckschichten (2 bzw. 3), dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (4) alternierend zwischen den Deckschichten (2, 3) verläuft, derart dass sich beim Auftreffen eines Masseteils ein Fangsack ausbildet, mit dem die kinetische Energie des Masseteils abgebaut wird. Impuls-absorbierendes Struktur-Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (4) wellenförmig gebildet ist. Impuls-absorbierendes Struktur-Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (4) aus Winkelteilen gebildet ist. Impuls-absorbierendes Struktur-Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (4) trapezförmig gebildet ist. Impuls-absorbierendes Struktur-Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (4) noppenförmig gebildet ist. Impuls-absorbierendes Struktur-Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (4) Eierkarton-förmig gebildet ist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com