Strukturoptimierung beim größten Composite-Flugzeug

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Das Flugzeug von Stratolaunch, dessen Rollout im vergangenen Frühling für erste Bodentests erfolgte, ist ein eindrucksvolles Beispiel für den Fortschritt in der Konstruktion und Fertigung von Verbundwerkstoffen in den letzten Jahren. Dazu tragen auch spezialisierte Softwarelösungen bei. Im September wurde die erste Phase der Triebwerkstests mit den sechs PW4056-Turbofan-Triebwerken von Pratt & Whitney beendet.

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Das Flugzeug von Stratolaunch, dessen Rollout im vergangenen Frühling für erste Bodentests erfolgte, ist ein eindrucksvolles Beispiel für den Fortschritt in der Konstruktion und Fertigung von Verbundwerkstoffen in den letzten Jahren. Dazu tragen auch spezialisierte Softwarelösungen bei. Im September wurde die erste Phase der Triebwerkstests mit den sechs PW4056-Turbofan-Triebwerken von Pratt & Whitney beendet.

Das nach der Flügelspannweite, die mit 117 Metern mehr als die Länge eines Fußballfeldes misst, weltweit größte Flugzeug besteht fast ausschließlich aus Verbundwerkstoffen. Diese Werkstoffe zeichnen sich durch Eigenschaften wie geringes Gewicht, hohe Steifigkeit und Festigkeit aus und sind daher in der Luftfahrt, im Autobau, bei Sportartikelherstellern, in der Medizintechnik und anderen Industriebranchen besonders gefragt sind.

Das Stratolaunch-Flugzeug ist die Kopfgeburt des Gründers der Stratolaunch System Corporation, Paul G. Allen. Es besitzt zwei Rümpfe, welche die gigantische einzelne Tragfläche miteinander verbindet. Sechs Triebwerke erlauben den Start auf einer Rollbahn mit mindestens 3’700 m Länge und mit einer Nutzlast von rund 250 Tonnen. Ist die Flughöhe eines kommerziellen Airliners erreicht, kann das Flugzeug als Abschussplattform Raketen in verschiedene Umlaufbahnen befördern. Unter der Mitte der Tragfläche befindet sich die Halterung für die Rakete (Mating and Integration System). Die erste Demonstration des gesamten Systems soll im Jahr 2019 stattfinden.

Der Hersteller Scaled Composites hat die Software HyperSizer von Collier Research in großem Umfang für die Optimierung der Rumpf- und Flügelstrukturen verwendet. HyperSizer, das erste aus der NASA heraus kommerzialisierte Softwarepaket, kam in einer ganzen Reihen von Projekten in der Luftfahrt und anderen Industriebranchen zum Einsatz, bei denen Verbundwerkstoffe und metallische Werkstoffe eine Rolle spielten. Zum Funktionsumfang der Software gehören Design, Spannungsanalysen, Größenoptimierung und die Gewichtsreduktion in den Strukturen um 20 bis 40 Prozent und außerdem eine Integration mit FEM-Systemen wie Abaqus, Ansys oder OptiStruct.

Craig Collier, President Collier Research, sagt, dass Werkzeuge für die Konstruktions- und Fertigungsoptimierung schon in den frühesten Phasen genutzt werden müssten. Nur so lasse der effizienteste Einsatz von Material in der Verbundstruktur jeder Größe sicherstellen.

Für die massive Tragfläche der Stratolaunch musste die Biegefestigkeit berücksichtigt werden. Die Platten für die beiden Rümpfe wurden für verschiedene Fehlermodi hinsichtlich Festigkeit, Stabilität und Wabenkernverbund-Bauweise ausgelegt. Mit HyperSizer hatte das Entwicklerteam Zugang zu einem umfangreichen Satz von automatisierten Fehleranalysen wie schnelle Körperzerlegung, diskrete Laminatoptimierung, gewebebasierte Fehleranalyse des Verbunds und Analysen der Wabenkernverbundstruktur mit Knittern, Scherspannungen im Kern, Spannung senkrecht zu den Schichten und Einsenkungen in den Zellen.

Collier sieht einen stetigen Fortschritt, was die Einbindung der Werkzeuge für die Composite-Konstruktion und –Fertigung betrifft. Mit HyperSizer lassen sich Einsichten in die Produzierbarkeit und mögliche Problem in der Produktion von Strukturen gewinnen, so Collier. Die Software könne die Herstellungspräferenzen bereits in frühen Designstadien mit einbeziehen.

Bild oben: Frühe Konstruktionsphase bei einem der beiden Rümpfe des mit Verbundwerkstoffen gefertigten Stratolaunch-Flugzeugs. Eingefügt ein Screenshot, der eine Strukturanalyse mit HyperSizer zeigt. Images courtesy Stratolaunch Systems Corp.

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