Virginia Tech treibt Composite-Flugzeugdesign mit neuer IGA für Skin-Stringer-Strukturen mit komplexen Ausschnitten voran

Unitized Strukturen werden verwendet, um leichtere und umweltfreundlichere Flugzeuge zu konstruieren. Solche fortschrittlichen, mehrlagigen Composite-Materialien bieten hohe Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse und werden daher zunehmend in Luftfahrt und Schiffbau unter anderem eingesetzt.

Bei Verwendung in hypersonischen Raumfahrzeugen erfahren solche Strukturen jedoch signifikanten Temperaturanstieg in kurzer Zeit, resultierend aus aerodynamischer Erwärmung durch Reibung zwischen Fahrzeugoberfläche und Atmosphäre. Solche Phänomene sind während Wiedereintritt und Startprozesse ausgeprägter. Aus diesem Grund ist die Berücksichtigung thermischer Effekte wichtig im Design und der Analyse solcher Strukturen.

Aufgrund gestiegener Anforderungen an laminierte Composites für eine Vielzahl von Ingenieuranwendungen ist der Einsatz von Platten mit beliebig geformten Ausschnitten unvermeidbar. Aber die Reaktion von Strukturen auf Lasten kann durch das Vorhandensein solcher Ausschnitte signifikant beeinflusst werden. Da die Untersuchung laminierter Composites mit Ausschnitten ein komplexes Problem ist, werden numerische Methoden umfangreich genutzt. Jetzt haben Forscher am Virginia Polytechnic Institute and State University (Virginia Tech, Blacksburg, Virginia, USA) die kürzlich entwickelte Isogeometrische Analyse (IGA) kombiniert, um kurvilinier versteifte Composite-Paneele mit Ausschnitten verschiedener Formen und Größen zu modellieren.

Laut Dr. Balakrishnan Devarajan, ehemaliger Ph.D.-Student bei der Unitized Structures Group an Virginia Tech, „bietet IGA erhöhte Genauigkeit und Effizienz und repräsentiert die exakte Geometrie der Steifener auf jeder Verfeinerungsebene des Netzes. Es ermöglicht auch mehr Flexibilität bei der Verfeinerung in den Bereichen, wo Steifener und Composite-Platte verbunden sind.“

Die von Dr. Devarajan und seinem Kollaborateur Dr. Rakesh Kapania abgeschlossene Entwicklung führt einen neuartigen Weg ein, Verschiebungsstetigkeit zwischen den Kontrollpunkten des Steifeners und der Platte mittels einer Interpolationsfunktionsmatrix zu erreichen. Der kurvilineare Steifener wurde durch nur drei Kontrollpunkte exakt generiert (Abb. 1). Die Forscher nutzten mehrere Patches, um komplexe Ausschnittgeometrien zu erstellen, und formulierten auch eine Methodik zur Durchsetzung von Schnittstellenbedingungen, die die höherstufige Stetigkeit über mehrere Patches bewahrten. Die entwickelte Methode macht die Notwendigkeit obsolet, dass Steifener-Knoten mit den Knoten der Platte zusammenfallen müssen.

Analyse und Vergleich mit Standard-Finite-Elemente-Methoden zeigen höhere Konvergenzraten, Genauigkeit und Effizienz bei IGA. Diese Arbeit wird bald als Open-Source-Code auf GitHub verfügbar sein. Die Forschung wurde im Composite Structures Artikel veröffentlicht: „Thermal buckling of curvilinearly stiffened laminated composite plates with cutouts using isogeometric analysis“.