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Simulation/BerechnungPositive Effekte durch negative Pfeilung

Wachsendes Umweltbewusstsein und steigende Treibstoffkosten zwingen die Flugzeughersteller, das Fliegen effizienter zu machen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) untersucht, wie sich durch vorwärts gepfeilte Flügel der Treibstoffverbrauch von Verkehrsflugzeugen reduzieren lässt. Um dabei den bestmöglichen Kompromiss zwischen Aerodynamik, Aeroelastizität und Strukturmechanik zu finden, setzt man auf einen multi-disziplinären nichtlinearen Simulationsansatz, bei dem die Lösungen von MSC Software eine zentrale Rolle spielen.
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Simulation/Berechnung: Positive Effekte  durch negative Pfeilung

Ulrich Feldhaus, freier Journalist, Erkrath

Jens Bold, Wissenschaftler, DLR Braunschweig

Den Tragflügeln fällt bei der Senkung des Strömungswiderstandes eines Flugzeuges eine im wahrsten Sinne des Wortes herausragende Bedeutung zu. Weglassen geht nicht – und bei den heute bei Verkehrsflugzeugen verwendeten, nach hinten (positiv) gepfeilten Flügeln, wäre dazu eine deutliche Geschwindigkeitsreduzierung unter die heute üblichen Mach-Zahlen (rund Ma 0,8) notwendig, was weder Herstellern noch Betreibern als besonders erstrebenswert erscheint.

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Die DLR versucht nun im Rahmen des LamAiR-Projekts (Laminar Aircraft Research), der für den Widerstand hauptsächlich verantwortlichen turbulenten Grenzschicht an den Tragflächen mit dem alternativen Konzept eines vorwärts (negativ) gepfeilten Flügels zu Leibe zu rücken. Bei der DLR ist man der Meinung, dass ein solches Flugzeug genauso schnell, aber treibstoffsparender und damit sauberer fliegen könne als konventionelle Flugzeuge. In einer Studie für einen Mittelstrecken-Jet möchte man deshalb zeigen, dass diese Vorteile nicht nur auf dem Papier existieren, sondern dass sie sich auch in die Praxis umsetzen lassen.
Die Vorteile negativ gepfeilter Flügel sind schon seit den 40er Jahren bekannt, jedoch waren ihre kritischen aeroelastischen Eigenschaften mit konventionellen Materialien kaum beherrschbar. Während ein positiv gepfeilter Flügel sich mit wachsendem Auftrieb durch seine Biege-Torsionseigenschaften quasi selbst entlastet, besteht beim vorwärts gepfeilten Flügel die Tendenz, dass sich unter Torsion der Anstellwinkel vergrößert und damit der Auftrieb weiter steigt – bis bin zum Strömungsabriss.

Der Optimierung des Biege-Torsionsverhaltens negativ gepfeilter Flügel gilt entsprechend das Hauptaugenmerk der Forscher bei der DLR in Braunschweig. Durch den Einsatz von Kohlefaserwerkstoffen möchte man dabei gleich zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen: zum einen soll die ausgeprägte Orthotropie von Verbundwerkstoffen die negativen aeroelastischen Eigenschaften mindern oder gar vermeiden. Darüber hinaus möchte man gleichzeitig eine Gewichtsreduzierung erreichen, um die Attraktivität dieses Ansatzes noch zu unterstreichen. Solche Zielsetzungen laufen darauf hinaus, den Flügelkasten mit seinen Holmen und Rippen sowie der Stringer-verstärkten Außenhaut als tragendes Element eines Flügels entsprechend zu optimieren. Neben aerodynamischem Auftrieb und Moment müssen Triebwerksschub, Treibstoffgewicht und -druck sowie das Eigengewicht berücksichtigt werden, weshalb die einwirkenden Belastungen entsprechend komplex sind.

Simulation prädestiniert für komplexe Entwicklungsaufgaben

Die Entwicklung eines neuen Flügels ist ein stark iterativer Prozess, an dem verschiedene Disziplinen beteiligt sind, und der bei konventioneller Vorgehensweise eine Vielzahl von teuren und zeitaufwändigen Windkanalversuchen erfordert. Numerische Simulationsprogramme bieten hier eindeutig Vorteile – nicht nur weil physische Tests deutlich reduziert und weit mehr unterschiedliche Varianten virtuell getestet werden können, sondern vor allem auch deswegen, weil durch die Datenvielfalt und die Darstellungsmöglichkeiten der Ergebnisse ein wesentlich höheres Verständnis der Zusammenhänge und Abhängigkeiten aufgebaut werden kann. Alle relevanten Daten können zudem in 3D-Darstellungen oder XY-Graphen dargestellt werden.

Um zu gewährleisten, dass FE-Simulationen die Realität gut wiederspiegeln, ist neben der Qualität von Solver und Netz (Aufbau, Feinheit, benutzte Elemente) auch eine Kalibrierung des Berechnungsmodells auf der Basis bekannter Daten von wesentlicher Bedeutung. Dazu wurden mit den MSC-Software-Lösungen Patran (als Pre-/Postprocessor) und Nastran (als Solver) Rechnungen an der Geometrie des konventionellen (Metall-)Flügelkastens einer Mittelstrecken-Verkehrsmaschine durchgeführt, für die umfangreiche Daten bezüglich Belastungen und Verformungen vorliegen.

Untersucht wurden dabei unterschiedliche numerische Ansätze, angefangen von linearen Berechnungen mit je einem Schalenelement in Querschnittsrichtung und zwischen den Flügelrippen, bis hin zu nicht-linearen Analysen einer verfeinerten Modellgeometrie mit je vier Elementen in jeder Richtung unter Verwendung von Membranelementen. Dabei zeigte sich, dass mit einem linearen Ansatz die Struktursteifigkeit deutlich von den Realdaten abwich, während die abschließende nicht-lineare Berechnung mit Membranelementen lediglich eine Abweichung von - 5 Prozent bei der Durchbiegung beziehungsweise + 8 Prozent bei der Verdrehung aufwies.

Simulations- und Optimierungsprozesse effizienter gestalten

Die in sequenziell strukturierten Entwicklungsprozessen notwendigen Datentransfers und Transformationen sind vielfach Ursache für Fehler und daraus resultierende Mehrfacharbeiten. Unter solchen Voraussetzungen lassen sich durch die Simulation zwar Teilaspekte verbessern, das Gesamtergebnis bleibt jedoch meistens weit hinter den potenziellen Möglichkeiten zurück. Ganz besonders gilt dies für multi-disziplinäre Aufgabenstellungen. Um hier die Basis für ein effizientes Concurrent Engineering zu schaffen, hat man bei der DLR die Entwicklung einer Virtual Composite Platform in Angriff genommen, die als Zielsetzung hat:

Parallelisierung von Entwicklungsprozessen

Verbesserung der interdisziplinären Kommunikation und Datenverfügbarkeit

Vereinfachung und Beschleunigung von Simulationsprojekten (Variantenberechnung, Optimierung)

Für die Simulation kommen dabei die Programme Patran sowie Nastran zum Einsatz, die durch ihre Architektur prädestiniert sind für die Umsetzung der geplanten Maßnahmen. Auf der konstruktiven Seite wird Catia V5 als CAD/CAM-System und hinsichtlich der Aerodynamik der DLR-eigene TAU-Code für die Strömungssimulation eingesetzt. Begonnen wurde mit der Entwicklung Anfang 2010 und man beabsichtigt, den vollen Funktionsumfang bis zur zweiten Jahreshälfte 2013 realisiert zu haben.

Angepaßte Benutzeroberfläche für optimale Effizienz

Angesichts der Vielzahl von Variantenrechnungen ist die schnelle, einfache und fehlerfreie Definition und Durchführung der Berechnungsjobs unerlässlich. Bei der DLR hat man dies durch die Integration der LamAir-Benutzerschnittstelle (GUI) in die Software MD Patran für multidisziplinäre Aufgaben erreicht. Darüber lassen sich Eingabe-Parameter sowie Konstruktionsvariablen und Randbedingungen in einer einheitlichen Umgebung eingegeben beziehungsweise auswählen und mögliche Fehler frühzeitig abfangen. Darüber hinaus wurden die Modellerzeugung, Input-Generierung mit Materialeigenschaften und Randbedingungen sowie der Start der Berechnung und Import der Ergebnisdaten weitestgehend automatisiert.

Das Tableau ermöglicht dem Anwender die direkte Eingabe der Flügelgeometrie, der Profildicke sowie der Auftriebsverteilung für unterschiedliche Lastfälle (Reiseflug und zwei extreme Fluglagen). Um beim Modellaufbau möglichst große Variationsmöglichkeiten zu haben, wurden die Positionen für den vorderen und hinteren Holm sowie die Anzahl der Rippen parametrisch beschrieben. Die Materialeigenschaften werden dabei anhand eines ‚verschmierten‘ Lagenaufbaus über zweidimensionale orthotrope Composite-Materialeigenschaften beschrieben.

Die angestrebten Ziele – Optimierung des Biege-Torsionsverhaltens und Gewichtsminimierung – sind nur über umfangreiche Variantenrechnungen unter Berücksichtigung der Einflüsse von Aerodynamik, Aeroelastizität und Strukturmechanik zu erreichen. Die bereits erläuterten Untersuchungen mit einem linearen Ansatz haben sich dabei als unzureichend erwiesen. Um die auftretenden großen Verformungen und die daraus resultierenden Effekte hinreichend gut zu beschreiben, entschied man sich bei der DLR deshalb dafür, den schwierigeren Weg einer nicht-linearen Optimierung mit Nastran und der im Programm verfügbaren ESNLRO-Methode zu gehen – was unter anderem den Vorteil hat, dass eine nicht-lineare Response-Optimierung auch ohne die Berechnung der Sensitivität nicht-linearer Systemantworten durchgeführt werden kann. Zusätzlich wurden auch Optimierungsmaßnahmen hinsichtlich der Profildicke des Flügels unternommen, um die Designkriterien – Festigkeit, Stabilität und Schadenstoleranz – erfüllen zu können.

Maßgeschneidertes Biege-Torsions-Verhalten

Für die Vorauslegung des Flügels ist die Berücksichtigung der Composite-Eigenschaften durch die Vorgabe beziehungsweise Auswahl einer Hauptsteifigkeitsrichtung hinreichend genau. Die Abhängigkeit der Flügelverformung und -verdrehung von der Hauptsteifigkeitsrichtung wurde anhand von Variantenrechnungen untersucht, wobei Geometrie und Dicke konstant gehalten, aber die Hauptrichtungen der oberen und unteren Außenhaut in einem Winkel zwischen ± 45 Grad zum vorderen Holm in 5-Grad-Schritten unabhängig variiert wurden. Auf diese Weise konnte man zwischen - 25 und + 5 Grad (oben) und - 30 und -5 Grad unten einen Bereich mit (entlastenden) negativen Werten für die Rotation ermitteln, in dem auch die Verformung der Flügelspitze nur leicht anstieg.

Während sich die bis dahin angestellten Berechnungen auf den Flügel beschränkt hatten, wurde zum Abschluss des Pre-Designs zusätzlich ein fein vernetztes Modell der gesamten Flugzeugstruktur in einer kombinierten CFD-CSM-Berechnung untersucht (Computational Fluid Dynamics/Computational Structure Mechanics). Eingesetzt wurden dazu MD Nastran sowie das hauseigene CFD-Programm TAU. Die Struktur wurde dabei mit den in der CFD-Kalkulation ermittelten Ergebnissen beaufschlagt. In einem iterativen Prozess wurden dann die resultierenden Verformungen an das CFD-Programm zurückgegeben, bis die Ergebnisse konvergierten.

Ausblick

Ohne Einsatz der Simulation wäre die Entwicklung eines vorwärts gepfeilten Flügels unter Vermeidung der bislang damit verbundenen Nachteile kaum möglich. Erst die Leistungsfähigkeit der eingesetzten Simulationslösungen und die Ergänzung durch das in Patran eingefügte LamAir-GUI haben Dateneingabe und Variantenaufbau für die umfangreichen Variantenstudien durch eine weitreichende Automatisierung praktikabel gemacht. Die nächsten Schritte bestehen nun darin, basierend auf den hier geschilderten Maßnahmen den Flügel hinsichtlich aller drei Design-Kriterien (Festigkeit, Schadenstoleranz und Stabilität) zu optimieren sowie weitere Lastfälle zu untersuchen.

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR), Braunschweig Tel. 0531/295-0, http://www.dlr.de

MSC Software GmbH, München Tel. 089/431987-0, http://www.mscsoftware.com

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