Eine Methodik zur analytischen Gewichtsabschätzung und Bewertung von Strukturverbindungen im Flugzeugvorentwurf

Eine präzise Massenabschätzung ist in der Flugzeugvorentwurfsphase essentiell, da die Leistungsdaten eines zukünftigen Flugzeugentwurfs entscheidend durch die Masse geprägt werden und eine Fehlprognose deutliche Mehrkosten im Entwicklungsprozess zur Folge hat. Obwohl sich die Verfahren der mathematischen Statistik in der Vergangenheit aufgrund des Vorteils weniger Eingabeparameter etabliert haben, kommen sie heute nicht mehr uneingeschränkt zur Anwendung. Empirische Gewichtsabschätzungsformeln basieren auf Daten existierender Flugzeuge und spiegeln somit implizit deren Technologie wider. Nachteilig sind insbesondere die unzuverlässigen Prognosemöglichkeiten bei deutlicheren Abweichungen der Neu-Konstruktion von Flugzeugen dieser Datenbasis, weshalb zusätzlich der Einsatz analytischer und/oder numerischer Methoden gefordert wird, um auch neue Bauweisen und Technologien gewichtlich korrekt abbilden zu können. Überdies ist eine differenzierte Trennung des Gewichts in das „Optimum-Weight“ – das minimal für die Belastungen erforderliche Strukturgewicht – und das „Non-Optimum-Weight“ – das aufgrund des praktischen Designs hinzukommende Gewicht, welches die Verbindungselemente als größten Gewichtstreiber ausweist –, anzustreben, da diese beiden Gewichtsanteile grundsätzlich verschiedenartigen Effekten zuzuschreiben sind. Die vorliegende Arbeit leistet durch die neuartige Entwicklung von analytischen und darauf aufbauenden dimensionslosen Gewichtsfunktionalen für Strukturverbindungen einen Beitrag zu einer genaueren und theoretisch umfassend fundierten Gewichtsabschätzung. Die Methodik trägt der Trennung des „Optimum-Weights“ und des Gewichts aufgrund von „Non-Optimum“-Faktoren Rechnung und ermöglicht somit erstmals eine objektive gewichtliche Bewertung unterschiedlicher Fügeverfahren. Hierfür werden anhand abstrahierter Strukturmodelle und für den Vorentwurf geeigneter analytischer Ansätze für verschiedene Fügeverfahren (Nieten, Kleben, Schweißen) symbolische Gewichtsfunktionale hergeleitet, wobei zunächst der klassische Strukturkennwert nach Wiedemann als dimensionsbehaftete Kenngröße Verwendung findet. Die systematische Erweiterung dieses Grundgedankens, eine Kenngröße zur Bewertung von Konstruktionen einzusetzen, wird durch die Anwendung des Pi-Theorems von Buckingham zur Generierung dimensionsloser Ähnlichkeitskennzahlen konsequent umgesetzt. Damit wird eine Möglichkeit bereitgestellt, die vorhandenen Einflussgrößen skalenunabhängig darzustellen und im Sinne der Skalierung eine korrekte Übertragung zu gewährleisten. Dieses Konzept des skalenfreien Entwurfswissens ermöglicht einen effektiven Auswahlprozess gewichtsminimaler Lösungen von Strukturverbindungen unter nahezu beliebigen Randbedingungen und bietet die theoretische Grundlage für eine spätere regelbasierte und optimale Entwurfserzeugung. Ergänzend wird durch die Verwendung einer graphenbasierten Entwurfssprache zum Aufbau fertigungsnaher Geometrien für Rumpfstrukturen eine regelbasierte Modellbildung über definierte Konstruktionsregeln auf Basis einer objektorientierten Modellierung realisiert. Mittels der daraus abgeleiteten Gewichtsresultate der implementierten Strukturbauteile wird sowohl die Möglichkeit zur quantitativen Validierung der theoretischen Gewichtsgleichungen, als auch die darauf aufbauende regelbasierte Erzeugung gewichtlich optimaler Verbindungselemente aufgezeigt.