Entwurf eines Transportgestells für die A300-600ST "BELUGA" und Berechnung der dynamischen Belastungen durch eingeprägte Beschleunigungen aus Böen-, Manöver- und Bodenlastfällen.

Jig Design for A300-600ST "BELUGA" and Calculation of dynamic loads for enforced motion from Gust, Manovoure and Ground load cases

Betreuer:
Prof. Dr. N. Kalus, TFH Berlin
Betreuer extern:
Dipl.-Ing. H. Lusebrink, Airbus Deutschland GmbH
Gutachter:
Prof. M. Ottens, TFH Berlin

1 Einleitung

Für den Transport von Airbusbauteilen in dem Transportflugzeug "Beluga" werden spezielle Transportgestelle, sogenannte "Jigs" benutzt, die durch spezifizierte Design-Lastfaktoren am Schwerpunkt des Transportgutes festigkeitsmäßig ausgelegt sind.
Zusätzlich verlangen die Zulassungsbehörden eine Nachrechnung des "Dynamic Response" Verhaltens von Transportgestell mit aufgelegtem Transportgut.

Um eine eventuelle Kopplung zwischen Flugzeug- und TCU-Schwingungsformen erkennen zu können, muss die Transport Cargo Unit ( TCU ) im Flugzeug unter Berücksichtigung der realistischen Lagerungsbedingungen eingebaut sein und mit einer ausreichenden Anzahl von Freiheitsgraden modelliert werden.
Durch derartige Kopplungen können Lastfaktor-Resonanzüberhöhungen bei Böen-, Manöver- und Bodenlastfällen auftreten.
Die angedeutete Prozedur für die Zulassung eines neuen Transportgestells ist sehr zeitaufwendig und teuer

Gelingt es durch einfache, dynamische Modelle der TCU zu zeigen, dass die durch Einprägung von Beschleunigungen aus Böen, Manöver und Landung resultierenden Lastfaktoren - ohne Kopplung mit der Dynamik des Transportflugzeugs - größer sind als diejenigen Antwort-Lastfaktoren aus dynamischen Untersuchungen mit Kopplung von Jig-Modell und Beluga-Rechenmodell, dann würden die Ergebnisse dieser Masterarbeit die Zulassungsprozedur für jedes neue Transportgestell sehr vereinfachen, Arbeitsaufwand reduzieren und viel Kosten sparen

Schwerpunkte dieser Arbeit - wie die Übersicht rechts zeigt - liegen in:

• Entwurf eines einfachen, modular aufgebauten Transportgestells unter Einhaltung vorgegebenen "Design Loading Conditions" und vorgegebener maximaler Belastung der "Roller Tracks".
• Durchführung von statischen Analysen und Stabilitätsuntersuchungen (Deformationen, Spannungen, Festigkeit, Steifigkeit und Knicken).
• Ableitung eines einfacheren, dynamischen TCU-Modells durch Reduktion der Freiheitsgrade des Vollmodells (Guyan-Reduction).
• Einprägung von zeitabhängigen Beschleunigungen an Knoten des Basement-Rahmens und Durchführung von dynamischen Berechnungen (Direct/Modal Transient Response Analysis)
• Mit der statischen und dynamischen Analysen soll der Einfluss folgender Parameter auf die Beschleunigungen des Transportgut-Schwerpunktes mit NASTRAN und/oder MATLAB/ SIMULINK untersucht werden:
  • Schwerpunkt-Hochlage
  • Anzahl der Freiheitsgrade (Vollmodelle, Kondensierte Modelle)

2 FEM-Modell

Abbildung 1: Das Rechenmodell der Transport Cargo Unit (TCU) Das FE-Rechenmodell der TCU besteht aus einem modular aufgebautem Transportgestell (Jig) und einem Transportgut (Payload). Die TCU enthält insgesamt 295 Elemente (Plate-, Bar-, Rod-, Rigid-Elemnte) und 172 Konten.

3 Ausgewälte Ergebnisse der dynamischen Berechnung

Abbildung 2: Erste Eigenform der TCU

Abbildung 3: Zweite Eigenform der TCU

Abbildung 4: Dritte Eigenform der TCU

4 Zusammenfassung

Die statische Analyse ergab, dass die zulässige Spannung, die maximale Deformationen und die Stabilitätskriterien (Knicken) der TCU unter den vorgegebenen "Design Loading Conditions" und Variation der Jig-Höhe (Abnahme von Modulen) eingehalten wurden.

Die Einprägung von Beschleunigungen an den Knoten des Basement-Rahmens wurde unter NASTRAN mit Hilfe der Large Mass Methode realisiert.
Das Verfahren lieferte eine gute Näherungslösung. Sind mehr als eine "Large Mass" im Modell vorhanden, dann führen diese Massen Relativbewegungen zueinander aus, wobei für dieses Verfahren typische, elastische Schwingungsformen mit sehr niedrigen Eigenfrequenzen entstehen, die in einer eventuell durchzuführenden Modal-Analyse unbedingt mitzunehmen sind.

Die Eigenwertanalyse ist wichtig für die Auslegung einer Struktur bezüglich dynamischer Belastungen und wird außerdem benötigt, wenn eine dynamische Berechnung mit Hilfe der modalen Superposition (Entwicklung der physikalischen Koordinaten nach den Eigenschwingungsformen) durchgeführt werden soll. Dabei hängt die Anzahl der in der Entwicklung mitgenommenen Eigenformen (Modes) von dem Spektralinhalt der Erregersignale ab. Obwohl für eine Struktur maximal so viele Eigenfrequenzen berechnet werden können, wie Freiheitsgrade vorliegen, waren für diese Aufgabenstellung nur die niedrigen Eigenfrequenzen relevant, weil sich die Energie der Erregersignale in diesem Frequenzbereich konzentriert. Bei der Lagerung des dynamischen Modells mit "Large Masses" muß man darauf achten, dass die Constraints mit denen des statischen Modells -ohne "Large Masses"- konsistent sind. Mit Abnahme der Jig-Höhe (Zunahme der Steifigkeit) nehmen die Eigenfrequenzen zu.

Die Guyan-Reduktion ist prinzipiell dann durchführbar, wenn bestimmte Knoten und Freiheitsgrade kraftfrei sind. Sie liefert gute Ergebnisse bezüglich der Wiedergabe niedriger Eigenfreqenzen, wohingegen die Wiedergabe höherer Eigenfrequenzen schlechter ist.

Die Guyan-Reduktionsmethode ist ein Spezialfall der allgemeineren, frequenzabhängigen, dynamischen Kondensation, mit der eine wesentlich bessere Wiedergabe der höheren Eigenfrequenzen auf Kosten der niedrigen Eigenfrequenzen erreicht werden kann.

Die transiente, dynamische Analyse (Time-History Analysis) berechnet die Antwort einer Struktur unter Einwirkung einer allgemeinen, zeitvariablen Last.

Die maximalen Antwort-Lastfaktoren der Voll- und kondensierten Modelle aus der "Direct Transient Response Analysis" stimmen mit denen aus der "Modal Transient Response Analysis" praktisch überein.

Diese Arbeit zeigte auch, dass bei allen untersuchten Lastfällen die maximalen Antwort-Lastfaktoren der Voll- und kondensierten Modelle praktisch übereinstimmen.
Eine Kondensation von Modellen spart viel Rechenzeit und reduziert den Speicherbedarf, da die reduzierten Matrizen M, K klein werden.