Abb. 3 FBG-Sensor oben auf dem Prüfkörper – vernähtes Verbundobermaterial einer Canard-Trägerkonstruktion

Die optischen Dehnungsmessstreifen-Systeme von HBM (Abb. 3) wurden zunächst zur Strukturprüfung der Canardflügelkonstruktion des ATDs genutzt. Dabei lässt ein Hydraulik-Stellantrieb variable Lasten auf den Flügel einwirken. Eines der Ziele des Projekts war die Überwachung der Auswirkungen von Schlagbeschädigungen auf den Canardflügel mithilfe von optischen Dehnungsmessstreifen mit 18 Kanälen (Abb. 4). Für die Forscher stand außerdem die Entwicklung eines sogenannten "Health Monitoring System" (HMS) zur Überwachung neuer Flügelstrukturen mit optischen Dehnungsmessstreifen im Zentrum des Interesses.

Abb. 4 Beispiel für die Überwachung der Schlagstärke und Position

Der Grund für die Entscheidung, optische Dehnungsmessstreifen statt mechanischer Instrumente zu verwenden, war die damit verbundene Minimierung der Explosionsgefahr. Gleichzeitig konnte so sichergestellt werden, dass die Ergebnisse nicht durch Maßnahmen gegen elektromagnetische Effekte (EME) beeinflusst wurden. Insgesamt wurden 20 optische Dehnungsmessstreifen auf dem Flügel verteilt, um die erforderliche Abdeckung für die Belastungsberechnungen zu erzielen (Abb. 5).

Abb. 5 Überwachungsanzeige des Dehnungsbetrags und geschätztes Dehnungsverteilungsbild anhand der Ergebnisse vor Durchführung der FEA

Die am Projekt beteiligten Forscher konnten gegenüber der Platzierung herkömmlicher mechanischer Dehnungsmessstreifen sehr viel Zeit einsparen, indem sie die optischen Dehnungsmessstreifen nach dem Muster von HBM anbrachten. Die optischen Dehnungsmessstreifen eignen sich sowohl für dynamische als auch für statische Prüfungen an der Struktur.

Zusätzlich verwendeten die Forscher das Messverstärker-System MGCplus von HBM in Kombination mit drei DI140-Interrogatoren für optische Dehnungsmessstreifen. Dabei handelt es sich um 4-Kanal-Geräte mit einer Kapazität von bis zu 1000 Messungen/Sekunde. Außerdem wurden zwei M416-Multiplex-Geräte von HBM verwendet, um bis zu 320 optische Messpunkte anschließen zu können und damit voll synchronisierte Messungen in Echtzeit bereitstellen zu können. Die Datenerfassung und -analyse wurde mit der Software catman Enterprise mit Anschluss an alle Geräte durchgeführt.

Dank der Verwendung der Geräte von HBM war die umfassende Strukturanalyse problemlos zu absolvieren. Die Fähigkeit der Analyse-Software zur raschen Berechnung und grafischen Darstellung der strukturellen Verformung unterstützte die Forscher bei der Vorhersage eines möglichen vorzeitigen Versagens der Flugzeugstrukturen.

Ein Flugzeug der nächsten Generation: Untersuchung von Verbundstrukturen mit optischen Dehnungsmessstreifen

Die Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) hat für die Untersuchung der strukturellen Integrität eines kürzlich entwickelten Flugzeugs, bei dessen Konstruktion Verbundmaterialien verwendet wurden, auf Datenerfassungstechnik von HBM gesetzt. Bei der Untersuchung ging es um die Entwicklung von Passagierjets kleiner bis mittlerer Größe. JAXA führte die Studien im Rahmen eines gemeinschaftlichen Projekts mit der Regierung der Metropolregion Tokio und der Tokyo Metropolitan University (TMU) durch.

Die Forschungsarbeiten von JAXA konzentrierten sich sowohl auf die Entwicklung der hochentwickelten Verbundstrukturen als auch auf die intelligente Technik für diese nächste Flugzeuggeneration. Parallel zu den Untersuchungen von JAXA führte die TMU Studien zu möglichen zukünftigen Entwicklungen in der Avionik durch.

Die Forschungsarbeiten fanden in zwei Phasen statt, und in beiden kam Ausrüstung von HBM für die Prüfungen zum Einsatz. In der ersten Phase, die 2011 durchgeführt wurde, wurde ein Technologiedemonstrator (ATD) eines Business-Jets für bis zu 8 Passagiere entwickelt (Abb. 1)

In der zweiten Phase im Jahr 2012 ging es um die Entwicklung eines Jets für den Regionalverkehr für 120 Passagiere. Nach den erfolgreichen Prüfungen am Canardflügel des ATDs (Abb. 2) wurde eine größere Verbundstruktur für einen Flügel mit ungefähr 5 Meter Länge konstruiert und es wurden statische Prüfungen durchgeführt, um die strukturelle Integrität der Kraftstofftanks zu untersuchen, die sich in der Haupttragfläche des Flugzeugs befinden.

Beide Flugzeuge zeichnen sich durch die Verwendung speziell entwickelter carbonfaserverstärkter Schichtverbundwerkstoffe aus. Die sehr stoßfesten Schichtverbundwerkstoffe sind mit Vectranfaser verstärkt, die durch die Schichten hindurch vernäht wurde, um jegliche Beeinträchtigung der strukturellen Stärke durch Schichtspaltung zu verhindern.

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