DE102019207623B3

DE102019207623B3 - Schalenanordnung für einen rumpf eines luftfahrzeugs und rumpf für ein luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019207623B3
Application number: DE102019207623.8A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Eilken; Wolfgang Schulze; Christoph Schweim; Patrick Brusberg
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2019-05-24
Filing date: 2019-05-24
Publication date: 2020-09-03
Anticipated expiration: 2039-05-25
Also published as: US20200369359A1; US11685504B2; CN111976950A

Abstract

Eine Schalenanordnung für einen Rumpf eines Luftfahrzeugs umfasst ein sich entlang einer Schalenumfangsrichtung gekrümmt erstreckendes erstes Schalenteil und ein sich entlang der Schalenumfangsrichtung gekrümmt erstreckendes zweites Schalenteil, wobei in einem Überlappungsabschnitt der Schalenanordnung ein erster Endbereich des ersten Schalenteils und ein zweiter Endbereich des zweiten Schalenteils in Schalenumfangsrichtung überlappend zueinander angeordnet sind und eine erste Außenfläche des ersten Schalenteils und eine zweite Innenfläche des zweiten Schalenteils mittels einer Klebstoffschicht miteinander verklebt sind, und wobei ein den ersten Endbereich in Bezug auf die Schalenumfangsrichtung abschließender Rand des ersten Schalenteils in dem Überlappungsabschnitt entlang einer sich quer zur Schalenumfangsrichtung erstreckenden Schalenlängsrichtung wellenförmig verläuft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schalenanordnung für einen Rumpf eines Luftfahrzeugs, einen Rumpf, insbesondere einen Druckrumpf für ein Luftfahrzeug und ein Schalenteil für eine Schalenanordnung.
Ein Rumpf eines Luftfahrzeugs weist typischerweise eine Rahmenstruktur mit einer Vielzahl von Spanten und Längsträgern sowie eine Außenhaut auf, welche an der Rahmenstruktur befestigt ist. Die Außenhaut wird üblicherweise durch eine Vielzahl von in einer Umfangsrichtung des Rumpfs gekrümmten Hautpanelen oder Schalenteilen gebildet, die an den Spanten befestigt sind. Üblicherweise werden hierbei die Randbereiche von jeweils zwei in Bezug auf die Umfangsrichtung benachbarten Schalenteilen überlappend angeordnet und miteinander vernietet.
In der DE 10 2013 203 714 A1 wird ein Karosserieteil für ein Kraftfahrzeug beschrieben, welches ein Innenteil und ein Außenteil aufweist, wobei das Innenteil und das Außenteil verklebt sind und das Außenteil mit einem randseitigen Überstand über den Randbereich des Innenteils gefalzt ist. Um den Austritt von Klebstoff zu vermeiden, wird der Randbereich des Innenteils mit Rückschnitten ausgebildet, die Klebstoff aufnehmen sollen.
Die DE 10 2015 106 761 A1 offenbart eine Luftfahrzeugstruktur mit einem ersten und einem zweiten schalenförmigen Strukturelement, die mittels einer Lasche miteinander vernietet sind. Eine Kante des ersten Strukturelementes erstreckt sich auf einer Oberfläche der Lasche entlang einer vorgegebenen Kurve mit einem periodischen Verlauf. Eine Kante des zweiten Strukturelementes erstreckt sich auf der Oberfläche der Lasche parallel zur Kurve mit dem periodischen Verlauf.
Die DE 10 2006 046 080 A1 offenbart ein Flugzeugbauteil bei dem zwei Bleche im Stumpfstoß miteinander verschweißt sind. Die Mittellinie der Schweißnaht ist durch die äußere Randkontur der miteinander verbundenen Bleche vorgegeben. Die Randkontur kann dabei einen wellenförmigen Verlauf aufweisen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hinsichtlich der mechanischen Belastbarkeit verbesserte Lösungen zum Verbinden, insbesondere zum Verkleben von Schalenbauteilen eines Rumpfs eines Luftfahrzeugs bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 und durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche 8 und 10 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den auf die unabhängigen Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen in Verbindung mit der Beschreibung.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Schalenanordnung für einen Rumpf eines Luftfahrzeugs mit einem sich entlang einer Schalenumfangsrichtung gekrümmt erstreckenden ersten Schalenteil und einem sich entlang der Schalenumfangsrichtung gekrümmt erstreckenden zweiten Schalenteil vorgesehen. In einem Überlappungsabschnitt der Schalenanordnung sind ein erster Endbereich des ersten Schalenteils und ein zweiter Endbereich des zweiten Schalenteils in Schalenumfangsrichtung überlappend zueinander angeordnet sind und eine erste Außenfläche des ersten Schalenteils und eine zweite Innenfläche des zweiten Schalenteils mittels einer Klebstoffschicht miteinander verklebt sind. Ein den ersten Endbereich in Bezug auf die Schalenumfangsrichtung abschließender Rand verläuft des ersten Schalenteils in dem Überlappungsabschnitt entlang einer sich quer zur Schalenumfangsrichtung erstreckenden Schalenlängsrichtung wellenförmig.
Das erste und das zweite Schalenteil können beispielsweise als rechteckförmige Platten oder Panels realisiert sein, die sich flächig in einer Schalenumfangsrichtung und in einer Schalenlängsrichtung erstrecken und in der Schalenumfangsrichtung gekrümmt sind. Das erste Schalenteil kann beispielsweise eine konkav gekrümmte erste Innenfläche und eine entgegengesetzt zu dieser orientierte konvex gekrümmte erste Außenfläche aufweisen. Entsprechend kann das zweite Schalenteil eine konkav gekrümmte zweite Innenfläche und eine entgegengesetzt zu dieser orientierte konvex gekrümmte zweite Außenfläche aufweisen. Das erste und das zweite Schalenteil überlappen einander in Bezug auf die Umfangsrichtung mit ihren Endbereichen, wobei die Außenfläche des einen Schalenteils mit der Innenfläche des anderen Schalenteils in dem Überlappungsabschnitt miteinander verklebt ist. Dadurch wird eine sich in der Umfangsrichtung und in der Längsrichtung erstreckende Klebeverbindung zwischen den Schalenteilen ausgebildet.
Erfindungsgemäß weist das erste Schalenteil eine wellenförmig verlaufende Kante bzw. einen wellenförmig verlaufenden Rand auf. Der Rand bzw. die Kante definiert ein erstes Ende des ersten Schalenteils in Bezug auf die Umfangsrichtung und gleichzeitig ein Ende des Überlappungsabschnitts. Der Rand ist somit entlang der Schalenlängsrichtung ondulierend oder gewellt ausgebildet. Damit weist der Rand im Überlappungsabschnitt einen räumlichen Verlauf auf, der sich durch eine Wellenfunktion beschreiben lässt, wobei sich eine Abszisse in der Schalenlängsrichtung und eine Ordinate in der Schalenumfangsrichtung erstreckt. Mit anderen Worten bildet der Rand sich entlang der Schalenlängsrichtung periodisch wiederholende in der Schalenumfangsrichtung vorspringende und zurücktretende Bereiche aus. Dadurch wird ein Rand einer Kontaktfläche zwischen der Außenfläche des ersten Schalenteils und der Klebstoffschicht ausgebildet, der Abschnitte aufweist, die nicht-senkrecht zu der Schalenumfangsrichtung verlaufen.
Eine der Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, die mechanische Festigkeit der Klebeverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Schalenteil oder Hautpanel durch die Reduzierung von Schälspannungsspitzen in umfangsseiteigen Randbereichen der Klebstoffschicht zu verbessern, indem zumindest eines der Schalenteile mit einem wellenförmig verlaufenden Rand realisiert wird. Durch den Druckunterschied, der sich bei einem Druckrumpf eines Luftfahrzeugs in der Höhe beim Flug zwischen einem Innenraum des Druckrumpfs und der Umgebung aufbaut, kommt es zu einem Krafteintrag in die durch die Schalenanordnung gebildete Außenhaut. Durch den wellenförmigen Verlauf des Rands des ersten Schalenteils ist der Rand einer Kontaktfläche zwischen der Oberfläche des Schalenteils mit dem wellenförmigen Rand und der Klebstoffschicht ebenfalls wellenförmig und weist somit zumindest abschnittsweise nicht-senkrecht zu der Umfangsrichtung erstreckende Abschnitte auf. Bei einer Krafteinleitung in die Schalenteile in der Umfangsrichtung ist in den nicht-senkrecht zu der Umfangsrichtung verlaufenden Abschnitten und damit am Rand der Klebstoffschicht die auftretende Schälspannung deutlich verringert, wodurch die mechanische Belastbarkeit und die Dauerfestigkeit der Klebeverbindung verbessert wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Schalenanordnung ist vorgesehen, dass das zweite Schalenteil in dem zweiten Endbereich eine Schräge aufweist, welche durch eine entgegengesetzt zu der zweiten Innenfläche orientierte zweite Außenfläche definiert ist und eine Dicke des zweiten Schalenteils entlang der Schalenumfangsrichtung zu einem den zweiten Endbereich in Bezug auf die Schalenumfangsrichtung abschließenden Rand verringert. Der Rand des zweiten Schalenteils bildet einen zweiten Rand bzw. ein zweites Ende des Überlappungsabschnitts. Der Randbereich des zweiten Schalenteils ist also im Überlappungsabschnitt mit einer an der Außenfläche Fase versehen, so dass sich das zweite Schalenteil zum Rand hin verjüngt. Dies bietet den Vorteil, dass durch die sich verringernde Materialstärke zum Rand hin die Steifigkeit des zweiten Schalenteils abnimmt, wodurch der Spannungseintrag in die Klebstoffschicht zu dem zweiten Ende des Überlappungsabschnitts hin abnimmt und der Krafteintrag mehr in einem in Bezug auf die Schalenumfangsrichtung zentralen Bereich der Klebstoffschicht erfolgt. Dadurch werden ungünstige Belastungen der Klebstoffschicht im Randbereich verringert.
Das zweite Schalenteil bildet optional ein in Bezug auf eine quer zu der Schalenlängsrichtung und der Schalenumfangsrichtung verlaufende radiale Richtung äußeres Teil der Schalenanordnung. Demnach ist der Endbereich des zweiten Schalenteils, der mit dem Endbereich des ersten Schalenteils überlappt, dazu vorgesehen, eine Außenfläche und somit eine Strömungsoberfläche des Rumpfs des Luftfahrzeugs zu bilden. Hierbei ist die Gestaltung mit einer Schräge aerodynamisch vorteilhaft, da diese einen nur geringfügig gestuften Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Schalenteil bildet. Neben dem aerodynamischen Vorteil wird durch die Schräge ein Steifigkeitssprung in der Schalenanordnung auf der Seite der Außenflächen reduziert, wodurch Spannungen in der Klebstoffschicht weiter reduziert werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schräge eine Schrägenlänge in der Schalenumfangsrichtung aufweist und eine durch eine Änderung der Dicke definierte Schrägenhöhe aufweist, wobei ein Verhältnis zwischen Schrägenlänge und Schrägenhöhe zwischen 20:1 und 40:1 liegt. Dieses Verhältnis definiert die Steigung der Schräge entlang der Umfangsrichtung. In dem angegebenen Bereich hat sich herausgestellt, dass der Spannungseintrag die Klebstoffschicht besonders effizient verringert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist beträgt die Schrägenlänge in einem Bereich zwischen 20 Prozent und 60 Prozent, insbesondere zwischen 40 Prozent und 50 Prozent einer Überlappungstiefe, die der Überlappungsabschnitt in der Schalenumfangsrichtung aufweist. Die Schräge weist somit eine Erstreckung entlang der Umfangsrichtung auf, die in einem vorbestimmten Verhältnis zu der Erstreckung des Überlappungsabschnitts in der Umfangsrichtung liegt. Die Erstreckung des Überlappungsabschnitts ist durch den Abstand des Rands des zweiten Schalenteils zu dem Rand des ersten Schalenteils in der Umfangsrichtung definiert. Insbesondere kann die Schrägenlänge kleiner oder gleich 50 Prozent und größer 20 Prozent der Überlappungstiefe sein. Dadurch wird der größte Teil der vom zweiten Schalenteil stammenden Kraft in Bezug auf die Umfangsrichtung mittig in die Klebstoffschicht eingetragen. Damit werden ungünstige Belastungen der Klebstoffschicht im Randbereich weiter verringert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein den zweiten Endbereich in Bezug auf die Schalenumfangsrichtung abschließender Rand des zweiten Schalenbauteils in dem Überlappungsabschnitt entlang der Schalenlängsrichtung wellenförmig verläuft. Wie dies bereits für das erste Schalenbauteil ausführlich erläutert wurde, kann auch der Rand des zweiten Schalenbauteils wellenförmig verlaufend ausgebildet sein, wodurch ungünstige Belastungen der Klebstoffschicht im Randbereich weiter verringert und damit die Belastbarkeit der Klebstoffverbindung weiter verbessert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Schalenanordnung bildet der Rand des ersten Schalenteils in dem Überlappungsabschnitt zumindest eine Welle mit einer Wellenlänge in der Schalenlängsrichtung und einer Amplitude in der Schalenumfangsrichtung aus.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Rand des ersten Schalenteils sinuswellenförmig, in Form von aus Halbkreisen zusammengesetzten Wellen oder einer dreieckwellenförmig verläuft. Damit können die durch den wellenförmigen Verlauf ausgebildeten vorspringenden und zurücktretenden Bereiche des Rands gekrümmt oder zick-zack-förmig verlaufen. Unter dreieckförmig verlaufenden Wellen werden beispielsweise auch sägezahnwellen verstanden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Schalenteil für eine Schalenanordnung nach dem ersten Aspekt der Erfindung vorgesehen, wobei das Schalenteil sich entlang einer Schalenumfangsrichtung gekrümmt erstreckt und ein das Schalenteil in Bezug auf die Schalenumfangsrichtung abschließender erster Rand des Schalenteils entlang einer sich quer zur Schalenumfangsrichtung erstreckenden Schalenlängsrichtung zumindest abschnittsweise wellenförmig verläuft. Die in Bezug auf die Schalenanordnung nach dem ersten Aspekt der Erfindung offenbarten Merkmale und Vorteile gelten in analoger Weise auch für das Schalenteil gemäß diesem Aspekt der Erfindung und umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform des Schalenteils ist vorgesehen, dass das Schalenteil in einem entgegengesetzt zu dem ersten Rand gelegenen zweiten Endbereich eine Schräge aufweist, welche durch eine konvex gekrümmte Außenfläche des Schalenteils definiert ist und eine Dicke des Schalenteils entlang der Schalenumfangsrichtung zu einem den zweiten Endbereich in Bezug auf die Schalenumfangsrichtung abschließenden zweiten Rand verringert. Demnach ist das Schalenteil in Bezug auf die Umfangsrichtung in einem ersten Endbereich mit einem wellenförmigen oder ondulierenden Rand und in einem entgegengesetzt zu diesem gelegenen zweiten Endbereich mit einer die Dicke des Schalenbauteils verringernden Schräge ausgebildet. Damit kann eine Außenhaut eines Rumpfs für ein Luftfahrzeug in besonders einfacher Weise durch überlappende Anordnung des ersten Endbereichs eines ersten Schalenbauteils mit einem zweiten Endbereich eines weiteren Schalenbauteils ausgebildet werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Rumpf für ein Luftfahrzeug vorgesehen. Der Rumpf umfasst eine Vielzahl von Spantrahmen, welche entlang einer Rumpflängsachse beabstandet zueinander angeordnet sind und diese in einer Rumpfumfangsrichtung umschließen, eine Vielzahl sich entlang der Rumpflängsachse erstreckender Längsträger, welche mit den Spantrahmen verbunden sind, und eine Schalenanordnung nach dem ersten Aspekt der Erfindung. Die Schalenteile der Schalenanordnung sind mit zumindest einem Spantrahmen verbunden und erstrecken sich mit der Schalenlängsrichtung entlang der Rumpflängsachse und der Schalenumfangsrichtung in der Rumpfumfangsrichtung.
Der Druckrumpf umfasst somit eine Rahmenstruktur, die durch vorzugsweise kreisförmige, parallel zueinander angeordnete Spantrahmen und durch die Spantrahmen verbindende Längsträger oder Stringer gebildet ist. Die Schalenanordnung bildet zumindest teilweise eine Außenhaut des Rumpfs.
Die in Bezug auf die Schalenanordnung nach dem ersten Aspekt der Erfindung oder das Schalenteil nach dem zweiten Aspekt der Erfindung offenbarten Merkmale und Vorteile gelten in analoger Weise auch für den Druckrumpf gemäß diesem Aspekt der Erfindung und umgekehrt.
In Bezug auf Richtungsangaben und Achsen, insbesondere auf Richtungsangaben und Achsen, die den Verlauf von physischen Strukturen betreffen, wird hierin unter einem Verlauf einer Achse, einer Richtung oder einer Struktur „entlang“ einer anderen Achse, Richtung oder Struktur verstanden, dass diese, insbesondere die sich in einer jeweiligen Stelle der Strukturen ergebenden Tangenten jeweils in einem Winkel von kleiner gleich 45 Grad, bevorzugt kleiner 30 Grad und insbesondere bevorzugt parallel zueinander verlaufen.
In Bezug auf Richtungsangaben und Achsen, insbesondere auf Richtungsangaben und Achsen, die den Verlauf von physischen Strukturen betreffen, wird hierin unter einem Verlauf einer Achse, einer Richtung oder einer Struktur „quer“ zu einer anderen Achse, Richtung oder Struktur verstanden, dass diese, insbesondere die sich in einer jeweiligen Stelle der Strukturen ergebenden Tangenten jeweils in einem Winkel von größer oder gleich 45 Grad, bevorzugt größer oder gleich 60 Grad und insbesondere bevorzugt senkrecht zueinander verlaufen.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen erläutert. Von den Figuren zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht eines Luftfahrzeugs mit einem Rumpf gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Schnittansicht des in 1 gezeigten Luftfahrzeugs, die sich bei einem Schnitt entlang der in 1 gezeigten Linie A-A ergibt;
3 eine weiter vereinfachte Darstellung der in 2 dargestellten Schnittansicht, wobei lediglich eine eine Außenhaut des Rumpfs bildende Schalenanordnung dargestellt ist;
4 eine perspektivische Ansicht eines Schalenbauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine Detailansicht des durch den Buchstaben Z gekennzeichneten Bereichs der in der 3 dargestellten Schalenanordnung;
6 eine Draufsicht auf eine Schalenanordnung in einem Rumpf gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 eine Draufsicht auf eine Schalenanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
8 eine Draufsicht auf eine Schalenanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
1 zeigt beispielhaft ein Luftfahrzeug 100. Das Luftfahrzeug 100 weist einen Rumpf 110 auf, der eine Rumpflängsachse L100 definiert. Das Luftfahrzeug 100 weist ferner seitlich von dem Rumpf 110 abstehende und mit diesem verbundene Flügel 102, ein Seitenleitwerk 104 und ein Höhenleitwerk 106 auf, wobei das Seitenleitwerk 104 und das Höhenleitwerk 106 jeweils in einem Endbereich des Rumpfs 110 angeordnet und mit diesem verbunden sind.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht des Rumpfs 110 entlang der in 1 eingezeichneten Linie A-A. Der Rumpf 110 weist eine Vielzahl von Spantrahmen 120, eine Vielzahl von Längsträgern 130 und eine Außenhaut 111 auf. Die Außenhaut 111 weist eine nachfolgend noch im Detail beschriebene Schalenanordnung 1 auf oder ist durch diese gebildet.
Wie in 2 schematisch dargestellt ist, können die Spantrahmen 120 beispielsweise als kreisförmige, geschlossene Rahmenträger realisiert sein, welche sich entlang einer Rumpfumfangsrichtung U100 erstrecken und die Rumpflängsachse L100 umschließen. Die Spantrahmen 120 können insbesondere als Profilträger realisiert sein, welche z.B. einen Z-förmigen Querschnitt aufweisen. Wie in den 1 und 6 schematisch dargestellt ist, sind die Spantrahmen 120 entlang der Rumpflängsachse L100 beabstandet, insbesondere parallel zueinander angeordnet. Die Spantrahmen 120 können aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein, z.B. durch mehrere Kreissegmente. Die Spantrahmen 120 können insbesondere aus einem Metallmaterial, z.B. Titan, einer Titanlegierung oder Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung, oder einem Faserverbundmaterial, wie z.B. einem kohlefaserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet sein.
Die Längsträger 130 können insbesondere als sich gerade erstreckende Profilträger, z.B. mit Ω-förmigem Querschnittsprofil realisiert sein, wie dies in 2 beispielhaft und schematisch dargestellt ist. Die Längsträger 130 erstrecken sich entlang der Rumpflängsachse L100, sind in der Rumpfumfangsrichtung U100 beabstandet zueinander angeordnet und können insbesondere parallel zueinander verlaufen. Die Längsträger 130 sind mit den Spantrahmen 120 verbunden, z.B. mit diesen verschweißt, vernietet oder verklebt. Die Längsträger 130 können insbesondere aus einem Metallmaterial, z.B. Titan, einer Titanlegierung oder Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung, oder einem Faserverbundmaterial, wie z.B. einem kohlefaserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet sein.
Die Spantrahmen 120 und die Längsträger 130 bilden ein Rumpfgerüst, welches einen Rumpfinnenraum 1110 definiert. In Bezug auf eine radiale Richtung R100, welche sich quer zu Rumpflängsachse L100 erstreckt, ist außen an dem Rumpfgerüst eine Außenhaut 111 angebracht, welche den Rumpfinnenraum 1100 in Bezug auf die radiale Richtung R100 abschließt. Wie in 3 schematisch dargestellt ist, kann die Außenhaut 111 durch eine Schalenanordnung 1 mit mehreren Schalenteile 10, 20 gebildet sein, die in ihren Randbereichen oder Endbereichen 11, 22 überlappen und miteinander verbunden, insbesondere miteinander verklebt sind. Jedes der Schalenteile 10, 20 ist mit zumindest einem Spantrahmen 120 verbunden, z.B. mit diesem vernietet, verschraubt oder in ähnlicher Weise an diesem befestigt. Optional können die Schalenteil 10, 20 zusätzlich auch an den Längsträgern 130 befestigt sein.
Der Rumpfinnenraum 1110 kann beispielsweise als Frachtraum oder als Passagierkabine, allgemein als Druckrumpf des Luftfahrzeugs 100 genutzt werden. Der Rumpfinnenraum 1110 ist insbesondere gegenüber der Umgebung druckfest abgedichtet. Während eines Fluges des Luftfahrzeugs 100 tritt damit mit zunehmender Flughöhe wegen des sinkenden Umgebungsdrucks eine Druckdifferenz zwischen dem Rumpfinnenraum 1110 und der Umgebung auf. Durch den im Rumpfinnenraum 1110 herrschenden Überdruck werden mechanische Belastungen in das Rumpfgerüst und über dieses in die Schalenanordnung 1 bzw. die Außenhaut 111 eingebracht. Aufgrund des in etwa kreisförmigen Umfangs des Rumpfs 110 treten in der Außenhaut 111 in Umfangsrichtung wirkende Tangentialspannungen auf. Aufgrund der Krümmung der Schalenteile 10, 20 führt dies im Überlappungsbereich der Schalenteile 10, 20 zu einer Schälspannung, welche auf die Klebeverbindung wirkt.
In 4 ist beispielhaft ein Schalenteil 10, 20 für eine Schalenanordnung 1 für den oben beschriebenen Rumpf 110 des Luftfahrzeugs dargestellt. Die 5 bis 8 zeigen beispielhaft eine Schalenanordnung 1 mit solchen Schalenteilen 10, 20. Wie in 4 schematisch dargestellt, ist das Schalenteil 10, 20 als sich flächig erstreckendes Panel realisiert. Das Schalenteil 10, 20 weist eine in einer Schalenumfangsrichtung U1 konkav gekrümmte Innenfläche 10a, 20a und eine entgegengesetzt zu dieser orientierte Außenfläche 10b, 20b auf, die in der Schalenumfangsrichtung U1 konvex gekrümmt ist. Die Innenfläche 10a, 20a und die Außenfläche 10b, 20b erstrecken sich ferner in einer Schalenlängsrichtung L1, die quer zu der Schalenumfangsrichtung U1 verläuft. Die Innenfläche 10a, 20a und die Außenfläche 10b, 20b definieren eine Dicke t10, t20 des Schalenteils 10, 20 in Bezug auf eine sich quer zu der Schalenumfangsrichtung U1 und quer zu der Schalenlängsrichtung L1 erstreckende radiale Richtung R1. Das Schalenteil 10, 20 kann insbesondere aus einem Metallblech, z.B. einem Aluminiumblech hergestellt sein. Es ist auch denkbar, dass das Schalenteil 10, 20 aus einem Faserverbundmaterial, insbesondere einem kohlefaserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet ist.
Wie in 4 erkennbar ist, erstreckt sich das Schalenteil 10, 20 in Bezug auf die Schalenumfangsrichtung U1 zwischen einem ersten Rand 13, 23 bzw. erstem Längsrand 13, 23 und einem entgegengesetzt zu diesem gelegenen zweiten Rand 14, 24 bzw. zweitem Längsrand 14, 24. An den ersten Rand 13, 23 schließt sich in Bezug auf die Schalenumfangsrichtung U1 ein erster Endbereich 11, 21 des Schalenteils 10 an. An den zweiten Rand 14, 24 schließt sich in Bezug auf die Schalenumfangsrichtung U1 ein zweiter Endbereich 12, 22 des Schalenteils 10 an.
Wie in 4 beispielhaft und schematisch dargestellt ist, weist der erste Längsrand 13, 23 des Schalenteils 10, 20 eine Vielzahl in der Schalenlängsrichtung L1 wechselnd aufeinander folgender Einkerbungen 2A und Vorsprünge 2B. Die Einkerbungen 2A und Vorsprünge 2B sind in der Schalenlängsrichtung L1 mit sich periodisch wiederholender Form ausgebildet. In 4 sind diese Einkerbungen 2A und Vorsprünge 2B rein beispielhaft als dreieckförmige Einkerbungen 2A und Vorsprünge 2B dargestellt. Diese können auch jeweils kreisförmig, sinuswellenförmig oder allgemein wechselnd als konkave Einkerbungen 2A und konvexe Vorsprünge 2B gebildet sein. Entlang der Schalenlängsrichtung L1 springt der erste Rand 13, 23 somit wechselnd in der Schalenumfangsrichtung U1 vor und tritt in Schalenumfangsrichtung U1 zurück. Allgemein verläuft der erste Rand 13, 23 somit wellenförmig entlang der Schalenlängsrichtung L1, wie dies insbesondere bei einer Draufsicht auf die Innenfläche 10a, 20a oder die Außenfläche 10b, 20b des Schalenteils 10, 20 erkennbar ist. In 4 ist beispielhaft dargestellt, dass der gesamte erste Rand 13, 23 wellenförmig oder ondulierend verläuft. Es ist jedoch auch denkbar, dass lediglich einer oder mehrere Längsabschnitte des ersten Rands 13, 23 wellenförmig verlaufen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Rand 13, 23 des Schalenteils 10, 20 zumindest eine Welle mit einer Wellenlänge w1 in der Schalenlängsrichtung L1 und einer Amplitude a1 in der Schalenumfangsrichtung U1 ausbildet.
Wie in 4 weiterhin dargestellt ist, kann das Schalenteil 10, 20 eine optionale Schräge 25 aufweisen, die in dem zweiten Endbereich 12, 22 des Schalenteils 10, 20 ausgebildet ist. Die Schräge 25 ist an der Außenfläche 10b, 20b des Schalenteils 10, 20 ausgebildet bzw. durch diese definiert. Die Schräge 25 erstreckt sich entlang der Schalenumfangsrichtung U1 bis zu dem zweiten Rand 14, 24 und zwar derart, dass sich Dicke t10, t20 des Schalenteils 10 ,20 zu dem zweiten Rand hin 14, 24 verringert. In der Schräge 25 kann die Außenfläche 10b, 20b des Schalenteils 10, 20 beispielsweise planar oder eben sein.
Die 5 bis 8 zeigen jeweils eine Schalenanordnung 1 mit einem ersten Schalenteil 10 und einem zweiten Schalenteil 20. Die Schalenteile 10, 20 könne beispielsweise jeweils wie voranstehend beschrieben ausgebildet sein. 5 zeigt eine Detailansicht eines Überlappungsbereichs O der Schalenanordnung 1. In dem Überlappungsabschnitt O sind der erste Endbereich 11 des ersten Schalenteils 10 und der zweiter Endbereich 22 des zweiten Schalenteils 20 in der Schalenumfangsrichtung U1 überlappend zueinander angeordnet. Insbesondere überlappt die Innenfläche 20a des zweiten Schalenteils 20, im Folgenden auch als die zweite Innenfläche 20a bezeichnet, die Außenfläche 10b des ersten Schalenteils 10, welche im Folgenden auch als die erste Außenfläche 10b bezeichnet wird. Wie in 5 schematisch dargestellt ist, sind die erste Außenfläche 10b und die zweite Innenfläche 20a in dem Überlappungsbereich O mittels einer Klebstoffschicht 30 miteinander verklebt. Wie in 5 erkennbar ist, überlappen das erste und das zweite Schalenteil 10, 20 in dem Überlappungsbereich O mit einer vorbestimmten Überlappungstiefe o1. Die Überlappungstiefe o1 kann insbesondere als ein Abstand in Schalenumfangsrichtung U1 zwischen dem zweiten Rand 24 des zweiten Schalenteils 20 und dem ersten Rand 13 des ersten Schalenteils 10 definiert sein, wobei der Abstand an dem ersten Rand 13 des ersten Schalenteils 10 an einem Vorsprung 2B des Rands 13 gemessen wird. Die Überlappungstiefe o1 kann in einem Bereich zwischen 40 mm und 80 mm liegen. Wie in 5 erkennbar, Die Klebstoffschicht 30 endet jeweils an dem ersten Rand 13 des ersten Bauteils 10 und an dem zweiten Rand 24 des zweiten Bauteils 20. Folglich ist die Klebstoffschicht 30 ebenfalls mit einem wellenförmigen Rand ausgebildet.
In der in 5 beispielhaft dargestellten Schalenanordnung 1 verläuft der erste Rand 13 des ersten Schalenteils 10 in dem Überlappungsabschnitt O wellenförmig und der zweite Endbereich 22 des zweiten Schalenteils 20 ist, wie oben beschrieben, mit einer Schräge 25 ausgebildet. Die Schräge 25 kann insbesondere eine Schrägenlänge 125 in der Schalenumfangsrichtung U1 aufweisen und eine Schrägenhöhe h25, welche durch eine Änderung der Dicke t20 des zweiten Schalenteils 20 definiert ist. Ein Verhältnis zwischen Schrägenlänge 125 und Schrägenhöhe h25 kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 20:1 und 40:1 liegen. Unabhängig von diesem Verhältnis zwischen Schrägenlänge 125 und Schrägenhöhe h25 kann die Schrägenlänge 125 zwischen 20 Prozent und 60 Prozent, insbesondere zwischen 40 Prozent und 50 Prozent der Überlappungstiefe o1 betragen.
Alternativ oder zusätzlich zu der in 5 beispielhaft dargestellten Realisierung des zweiten Endbereichs 22 des zweiten Schalenbauteils mit einer Schräge 25 kann der zweite Rand 24 des zweiten Schalenteils 20 in dem Überlappungsabschnitt O entlang der Schalenlängsrichtung L1 wellenförmig verlaufen, wie dies bereits für den ersten Rand 13 des ersten Schalenteils 10 erläutert wurde.
6 zeigt eine Teilansicht des Rumpfs 110 mit der Schalenanordnung 1 in einer Draufsicht auf die Außenflächen 10b, 20b der Schalenteile 10, 20. Wie in 6 erkennbar ist, sind erstrecken sich die Schalenteile 10, 20 mit der Schalenlängsrichtung L1 entlang der Rumpflängsachse L100 zwischen den Spantrahmen 120 und mit der Schalenumfangsrichtung U1 in der Rumpfumfangsrichtung U100. In dem in 6 beispielhaft dargestellten Rumpf 110 ist das zweite Schalenteil 20 in Bezug auf die radiale Richtung R1, R100 im Überlappungsbereich O das außen gelegen. Die Schräge 25 bietet den Vorteil, dass ein aerodynamisch günstiger Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Schalenteil 10, 20 ausgebildet wird. In 6 ist beispielhaft ein wellenförmiger Verlauf des ersten Rands 13 des ersten Schalenteils 10 dargestellt, bei dem der erste Rand 13 in Form von aus Halbkreisen zusammengesetzten Wellen verläuft. Der Rand 13 weist demnach in der Schalenlängsrichtung L1 aufeinander wechselnd aufeinander folgende konkave Einkerbungen oder Vertiefungen 2A und konvexe Vorsprünge 2B auf. Wie in 6 erkennbar, kann der erste Rand 13 in dem Überlappungsbereich O mehrere Wellen oder allgemein zumindest eine Welle mit einer Wellenlänge w1 und einer Amplitude a1 ausbilden.
In 7 ist beispielhaft eine weitere Schalenanordnung 1 dargestellt, bei der das erste Schalenteil 10 wie in 4 dargestellt ausgebildet ist und das zweite Schalenteil 20 im zweiten Endbereich 22 mit einer Schräge 25 ausgebildet ist. In dem ersten Endbereich 21 bzw. am ersten Rand 23 weist das zweite Schalenteil 20 jedoch keinen wellenförmigen Verlauf auf. Der erste Rand 13 des ersten Schalenteils 13 verläuft dreieckwellen- oder sägezahnförmig.
In 8 ist eine weitere Schalenanordnung 1 dargestellt, bei der das zweite Schalenteil 20 mit einer Schräge 25 im zweiten Randbereich 22 ausgebildet ist, am ersten Rand 23 weist das zweite Schalenteil 20 jedoch keinen wellenförmigen Verlauf aufweist. Das erste Schalenteil 10 weist am zweiten Endbereich 12 keine Schräge 25 auf. Der erste Rand 13 des ersten Schalenteils 13 verläuft dreieckwellenförmig, wobei die Einkerbungen 2A und die Vorsprünge 2B jeweils durch dreieckförmige Abschnitte ausgebildet sind, die durch in der Schalenumfangsrichtung U1 verlaufende Verbindungsabschnitte 2C verbunden sind.
In 5 sind schematisch die bei einer Druckdifferenz zwischen dem Rumpfinnenraum 1110 und der Umgebung auf die Schalenanordnung 1 wirkende Kräfte F eingezeichnet. Wie in 5 erkennbar, wirken diese Kräfte F in der Schalenumfangsrichtung U1. Da die Kräfte F aufgrund der überlappenden Anordnung der Schalenteile 10, 20 radial beabstandet zu der Klebstoffschicht 30 und somit exzentrisch zu der neutralen Faser angreifen, kommt es in zu einer Sekundärbiegung und daher zu einer Schälbelastung der Klebstoffschicht 30, insbesondere in den Endbereichen der Klebstoffschicht 30 Bezug auf die Schalenumfangsrichtung U1. Durch den wellenförmigen Verlauf des ersten Rands 13 des ersten Schalenteils 10 erstreckt sich der erste Rand 13 und damit eine Kontaktfläche oder eine Kontaktlinie zwischen der Klebstoffschicht 30 und der ersten Außenfläche 10b zumindest abschnittsweise schräg zu der Schalenumfangsrichtung U1. Beispielsweise werden durch den wellenförmigen Verlauf Abschnitte des Rands 13 ausgebildet, die mit einem Winkel α relativ zu der Schalenumfangsrichtung U1 verlaufen, der ungleich 90 Grad ist, wie dies in 8 symbolisch eingezeichnet ist. In diesen Bereichen wird die aus der Sekundärbiegung resultierende Kraft, die in die Klebstoffschicht 30 eingeleitet wird, verringert. Die Kraft wird dadurch eher in den in Bezug auf die Schalenumfangsrichtung U1 zentralen Bereich der Klebstoffschicht 30 eingeleitet und dadurch die Schälspannungen in den Endbereichen verringert. Dieser Effekt kann durch die Schräge 25 weiter verstärkt werden, da durch die Verringerung der Dicke t20 zum Rand 24 hin die im Endbereich der Klebstoffschicht 30 eingeleitete Kraft verringert wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Insbesondere sind auch Kombinationen der voranstehenden Ausführungsbeispiele denkbar.
Bezugszeichenliste

1: Schalenanordnung
2A: Einkerbungen
2B: Vorsprünge
10: erstes Schalenteil
10b: erste Außenfläche des ersten Schalenteils
11: erster Endbereich des ersten Schalenteils
12: zweiter Endbereich des ersten Schalenteils
13: erster Rand des ersten Schalenteils
14: zweiter Rand des ersten Schalenteils
20: zweites Schalenteil
20a: zweite Innenfläche des zweiten Schalenteils
20b: zweite Außenfläche des zweiten Schalenteils
21: erster Endbereich des zweiten Schalenteils
22: zweiter Endbereich des zweiten Schalenteils
23: erster Rand des zweiten Schalenteils
24: zweiter Rand des zweiten Schalenteils
25: Schräge
30: Klebstoffschicht
100: Luftfahrzeug
102: Flügel
104: Seitenleitwerk
106: Höhenleitwerk
110: Rumpf
111: Außenhaut
120: Spantrahmen
130: Längsträger
a1: Amplitude
h25: Schrägenhöhe
1110: Rumpfinnenraum
L1: Schalenlängsrichtung
L100: Rumpflängsachse
125: Schrägenlänge
O: Überlappungsabschnitt
o1: Überlappungstiefe
t20: Dicke des zweiten Schalenteils
U1: Schalenumfangsrichtung
U100: Rumpfumfangsrichtung
w1: Wellenlänge
α: Winkel

Claims

Schalenanordnung (1) für einen Rumpf (110) eines Luftfahrzeugs (100), mit: einem sich entlang einer Schalenumfangsrichtung (U1) gekrümmt erstreckenden ersten Schalenteil (10); und einem sich entlang der Schalenumfangsrichtung (U1) gekrümmt erstreckenden zweiten Schalenteil (20); wobei in einem Überlappungsabschnitt (O) der Schalenanordnung (1) ein erster Endbereich (11) des ersten Schalenteils (10) und ein zweiter Endbereich (22) des zweiten Schalenteils (20) in Schalenumfangsrichtung (U1) überlappend zueinander angeordnet sind und eine erste Außenfläche (10b) des ersten Schalenteils (10) und eine zweite Innenfläche (20a) des zweiten Schalenteils (20) mittels einer Klebstoffschicht (30) miteinander verklebt sind; und wobei ein den ersten Endbereich (11) in Bezug auf die Schalenumfangsrichtung (U1) abschließender Rand (13) des ersten Schalenteils (10) in dem Überlappungsabschnitt (O) entlang einer sich quer zur Schalenumfangsrichtung (U1) erstreckenden Schalenlängsrichtung (L1) wellenförmig verläuft.
Schalenanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei das zweite Schalenteil (20) in dem zweiten Endbereich (22) eine Schräge (25) aufweist, welche durch eine entgegengesetzt zu der zweiten Innenfläche (20a) orientierte zweite Außenfläche (20b) des zweiten Schalenteils (20) definiert ist und eine Dicke (t20) des zweiten Schalenteils (20) entlang der Schalenumfangsrichtung (U1) zu einem den zweiten Endbereich (22) in Bezug auf die Schalenumfangsrichtung (U1) abschließenden Rand (24) verringert.
Schalenanordnung (1) nach Anspruch 2, wobei die Schräge (25) eine Schrägenlänge (125) in der Schalenumfangsrichtung (U1) aufweist und eine durch eine Änderung der Dicke (t20) definierte Schrägenhöhe (h25) aufweist, wobei ein Verhältnis zwischen Schrägenlänge (125) und Schrägenhöhe (h25) zwischen 20:1 und 40:1 liegt.
Schalenanordnung (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Schräge (25) eine Schrägenlänge (125) in der Schalenumfangsrichtung aufweist, welche in einem Bereich zwischen 20 Prozent und 60 Prozent einer Überlappungstiefe (o1) beträgt, die der Überlappungsabschnitt (O) in der Schalenumfangsrichtung (U1) aufweist.
Schalenanordnung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein den zweiten Endbereich (22) des zweiten Schalenbauteils in Bezug auf die Schalenumfangsrichtung (U1) abschließender Rand (24) des zweiten Schalenteils (20) in dem Überlappungsabschnitt (O) entlang der Schalenlängsrichtung (L1) wellenförmig verläuft.
Schalenanordnung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Rand (13) des ersten Schalenteils (10) in dem Überlappungsabschnitt (O) zumindest eine Welle mit einer Wellenlänge in der Schalenlängsrichtung und einer Amplitude in der Schalenumfangsrichtung ausbildet.
Schalenanordnung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Rand (13) des ersten Schalenteils (10) sinuswellenförmig, in Form von aus Halbkreisen zusammengesetzten Wellen oder einer dreieckwellenförmig verläuft.
Schalenteil (10; 20) für eine Schalenanordnung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Schalenteil (10; 20) sich entlang einer Schalenumfangsrichtung (U1) gekrümmt erstreckt und ein das Schalenteil (10; 20) in Bezug auf die Schalenumfangsrichtung (U1) abschließender erster Rand (13; 23) des Schalenteils (10) entlang einer sich quer zur Schalenumfangsrichtung (U1) erstreckenden Schalenlängsrichtung (L1) zumindest abschnittsweise wellenförmig verläuft.
Schalenteil (10; 20) nach Anspruch 8, wobei das Schalenteil (10; 20) in einem entgegengesetzt zu dem ersten Rand (13; 23) gelegenen zweiten Endbereich (12; 22) eine Schräge (25) aufweist, welche durch eine konvex gekrümmte Außenfläche (10b; 20b) des Schalenteils (10; 20) definiert ist und eine Dicke (t10, t20) des Schalenteils (10, 20) entlang der Schalenumfangsrichtung (U1) zu einem den zweiten Endbereich (12; 22) in Bezug auf die Schalenumfangsrichtung (U1) abschließenden zweiten Rand (14; 24) verringert.
Rumpf (110) für ein Luftfahrzeug (100), mit: einer Vielzahl von Spantrahmen (120), welche entlang einer Rumpflängsachse (L100) beabstandet zueinander angeordnet sind und diese in einer Rumpfumfangsrichtung (U100) umschließen; einer Vielzahl sich entlang der Rumpflängsachse (L100) erstreckender Längsträger (130), welche mit den Spantrahmen (120) verbunden sind; und einer Schalenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6; wobei die Schalenteile (10; 20) der Schalenanordnung (1) mit zumindest einem Spantrahmen (120) verbunden sind und sich mit der Schalenlängsrichtung (L1) entlang der Rumpflängsachse (L100) und der Schalenumfangsrichtung (U1) in der Rumpfumfangsrichtung (U100) erstrecken.