Belastungstests des Außenflügels eines Segelflugzeugs mit Dehnungsmessstreifen

Im Rahmen eines Projekts zur Spannweitenvergrößerung des Segelflugzeugs D-43 der Akaflieg Darmstadt wurde die Konstruktion neuer Außenflügel basierend auf einer Faser-Kunststoff-Verbundbauweise erforderlich. Um die Zertifizierung der neuen Außenflügel durch das Luftfahrtbundesamt (LBA) zu erhalten, wurden Belastungstests durchgeführt, um die zuvor mit Hilfe des Finite-Elemente-Modells durchgeführte Dehnungssimulationen zu verifizieren. 

Die Herausforderung

Um die Zulassung durch das Luftfahrtbundesamt (LBA) zu erhalten, muss die Akaflieg Darmstadt Belastungstests an ihrem neu gefertigten Segelflugzeug-Außenflügel durchführen.

Die Lösung

Anhand eines Finite-Elemente-Modells wurden bereits Dehnungssimulationen durchgeführt, die nun verifiziert werden müssen. Mit Hilfe von an verschiedenen Stellen des Außenflügels installierten HBK Dehnungsmessstreifen wird die Dehnungen auf der Bauteiloberfläche bestimmt und die simulierten Dehnungskurven validiert.

Das Ergebnis

Die Messergebnisse zeigen, dass die Finite-Elemente-Modellsimulation sehr realistische Ergebnisse mit nur wenigen Abweichungen liefert. 

Der Messaufbau des Belastungstests

Durch die Vergrößerung der Spannweite von 18 m auf 20 m erhöhte sich die Länge der neuen Außenflügel auf 1,5 m. Die Temperatur bei den Belastungstests der Faser-Kunststoff-Verbundkonstruktion beträgt mindestens 54 °C. Die Last entspricht 172,5 % der während des Betriebs auftretenden maximalen Belastungen.

Zur Bestimmung der Dehnung auf der Bauteiloberfläche werden HBK-Dehnungsmessstreifen der Serie M für hohe Wechsellasten (1-LM16-6/350GE) verwendet. Die an verschiedenen Positionen am Außenflügel installierten Dehnungsmessstreifen werden in Faserrichtung der unidirektionalen (UD) Bänder des Faser-Kunststoff-Verbund-Trägers ausgerichtet: 

 

  • Holmstummel: Teil des Holms, der aus der Flügelschale herausragt
  • Wurzelrippe: Letzte Rippe an der Flügelwurzel
  • Flügelschale: Die Dehnungsmessstreifen folgen dem Verlauf des Holms

 

Die Last auf den Außenflügel wird von einem Kran aufgebracht und über das Belastungsgeschirr auf vier Punkte an der Unterseite des Flügels verteilt. Die Hebelarme des Belastungsgeschirrs sind so eingestellt, dass die im Flug auftretenden Biegemoment-, Schubkraft- und Torsionsmoment-Kurven realistisch dargestellt werden.

Die durch den Kran aufgebrachte Kraft wird am oberen Träger eingeleitet und mit einer HBK-Miniatur-Wägezelle U9C (1-U9C/20KN) gemessen. Um die Temperatur von 54 °C einzustellen, befindet sich der Außenflügel in einer Wärmekabine aus Styropor mit Heizlüfter.

Die Ergebnisse des Belastungstests

Die Ergebnisse des Belastungstests (Dehnungen und Verformungen) dienen der Validierung der bestehenden Finite-Elemente-Modellsimulation des Außenflügels. Während der Simulation wurden für die Grenzlast (100 % Maximallast - blaue Kurve) und die Maximallast (172,5 % Maximallast - orangefarbene Kurve) zwei Dehnungskurven auf der Oberseite des Flügels berechnet.

Die Dehnungskurven der Finite-Elemente-Modellsimulation liefern sehr realistische Ergebnisse. Die ermittelten Verformungen weichen um maximal 4 %, die Dehnungen um maximal 5 % ab. Gründe für die Abweichungen sind Unsicherheiten hinsichtlich:

  • der verwendeten Werkstoffparameter
  • vereinfachter Geometrien im Finite-Elemente-Modell
  • anderer Randbedingunge

Über Akaflieg Darmstadt

Unter dem Motto "Studierende forschen, bauen und fliegen." entstehen bei der Akaflieg Darmstadt seit 1920 neue Segelflugzeugtypen. Die Akademische Fliegergruppe Darmstadt (kurz Akaflieg) ist eine Universitätsgruppe der TU Darmstadt mit der Ziel der Erforschung des motorenlosen Fliegens mit Hilfe von Thermik durch den Bau eigener Segelflugzeuge und die Erprobung innovativer Konzepte.

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