Verteilung der Lagerpunkte von Steuerflächen

Hier geht um um die Details der aerodynamischen und flugmechanischen Auslegung, aber auch um Gestaltung, Struktur und Festigkeit.
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Andres
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Verteilung der Lagerpunkte von Steuerflächen

Beitrag von Andres »

Hallo zusammen,

seit einigen Tagen beschäftige ich mich mit der Detailkonstruktion meiner Elevons. Mich hat die Frage umgetrieben wie ich am besten sie lagere. Gewichtsmäßig wären u.U. zwei Lagerpunkte leichter. Dafür wird aber das Querruder einer größeren Biegebelastung ausgesetzt, was wiederum die Gewichtsersparnis relativiert. Zudem ist die Redundanz geringer: Geht ein Lager kaputt, so hilft wohl nur noch die Rettung zu ziehen – wenn man eine hat. Häufig haben andere Flieger drei Lagerpunkte pro Steuerfläche. Also habe ich mich banal gefragt wie man mehr als zwei Lagerpunkte verteilen sollte. Alles kein Problem dachte ich naiv, bis ich bemerkte, dass man es mit einem statisch überbestimmtes System zu tun hat. Noch schlimmer ist aber die Frage was man eigentlich damit erreichen möchte, sprich was bedeutet genau optimal verteilt.

Ich habe bereits einige Ideen wie man das angehen kann, aber kennt ihr zufällig Literatur in der auf diesen Punkt eingegangen wird? Ich werde wohl kaum der erste sein, der sich diese Frage stellt.

Zwei sinnvolle Ansätze sehe ich:
  • Die mit-gefangen-mit-gehangen-Methode: Die Verteilung wird so ausgeführt, dass alle Lager die gleiche Last aufnehmen. Vorteil: das Lager muss nur einmal gerechnet werden und kann wiederverwendet werden.
  • Die gleichmäßige-Biegespannungs-Methode: Die Verteilung wir so ausgeführt, dass die maximal auftretende Biegespannung in jedem Segment gleich ist. Vorteil: Das Laminat der Steuerfläche kann durchgängig mit dem gleichen Aufbau durchgeführt werden.
Das lässt sich natürlich noch weiter verfeinern, indem man z.B. auf die Belastung des Nebenholms Rücksicht nimmt, oder auf eine ungleichmäßige Streckenlast, Geometrie, usw. Man kann es beliebig verkomplizieren. Anbei zwei Screenshots zu den zwei Möglichkeiten im Falle von konstanten Streckenlast und Flächenträgheitsmoment.

Viele Grüße,
Andrés
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Re: Verteilung der Lagerpunkte von Steuerflächen

Beitrag von Admin »

Hallo Andrés,

das ist wahrlich eine interessante Frage. Ich befürchte es gibt hier nicht die eine richtige Antwort sondern jeder Ingenieur macht es am Ende wie er es für besser hält. So scheint es z.B. auch beim Angriffspunkt der Strebe an einem abgestrebten Flügel zu sein. Da findet man die unterschiedlichsten Lösungen.

Am Ende sind die Unterschiede in der Last-/Spannungsverteilung Deiner zwei Varianten aber gar nicht so groß. Da würde man wohl trotzdem nicht die Laminat-Belegung der Klappe variieren oder verschiedene Scharnierbeschläge vorsehen, weil das eine Serienproduktion deutlich verkomplizieren würde. Ich weiß, Du hast ein Einzelstück...

Am Ende würde ich aber zumindest eine vereinfachte Abschätzung zu den Randeffekten der Steuerfläche berücksichtigen, also keine konstante Streckenlast.

Es tut mir leid, dass ich Dir keine richtige Antwort geben kann.
Viele Grüße, Tim.
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Andres
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Re: Verteilung der Lagerpunkte von Steuerflächen

Beitrag von Andres »

Hallo Tim,

mich hat es rein aus akademischen Gründen interessiert. Ich denke die Gewichtsersparnis wäre eher gering. Hauptsache es passt grob. Wahrscheinlich überwiegen dann doch die praktischen Dingen: gibt es dort eine Rippe? Passt es mit der Steuerstangenführung? Usw.

Es fing damit an, dass ich dachte dass bei konstanter Streckenlast man ganz klar das Verhältnis der Abstände 1 : 2 : 2 : 1 wählen muss (konstante Streckenlast führt zu linearen Querkraftverläufe). Die Simulation hat dann gezeigt, dass die äußeren Punkte weiter raus müssen (Verhältnis 1 : 2,27 : 2,27 : 1). Das fand ich dann doch verblüffend, aber im Nachhinein wegen der Überbestimmtheit nachvollziehbar.

Eine etwas realistischere Streckenlast könnte sich ergeben, wenn man eine art elliptische Verteilung annimmt. Zu den Rändern hin entstehen Randwirbel wie im Flügel. Da die Streckung groß ist, wird sich der Effekt eher auf die Spitzen beschränken. Wenn man die Streckenlast linear auslaufen lässt, könnte man eine vernünftige praktisch verwendbare Annahme treffen. Die äußeren Lager müssen dann wieder etwas mehr zur Mitte hin (Verhältnis 1 : 1,72 : 1,72 : 1). Damit dürfte man mit dem naiven Ansatz mit 1 : 2 : 2 : 1 nicht mal so schlecht fahren.

Viele Grüße,
Andrés
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Re: Verteilung der Lagerpunkte von Steuerflächen

Beitrag von Admin »

Genau so würde ich es auch machen.
Ich kann Deine Gedankengänge gut nachvollziehen!
Viele Grüße, Tim.
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