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Thema: Trennung der Torsionslagen in Sandwichflügeln

  1. #1
    User Avatar von Nahum
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    Frage Trennung der Torsionslagen in Sandwichflügeln

    Hallo,

    Ich verwende gerne das unidirektionale Kohlegelege ST30/50 von R&G.
    Ist sehr günstig und ich bin vom Gewicht und der Steifigkeit beeindruckt.
    Die Oberfläche sieht auch besonders aus durch die Unidirektionalität.

    Da man logischerweise immer zwei Lagen +-45° braucht, ist mir die Idee gekommen,
    die eine Lage als Außenlage, die andere als Innenlage zu verwenden.
    Dadurch spart man sich dann eine weitere Innenlage.

    Meine Frage ist nun ob das schon jemand ausprobiert oder sich darüber Gedanken gemacht hat?
    Ein paar Probleme entstehen dabei schon, nur weiß ich nicht wie gravierend sich das auswirkt.

    1.
    Zum einen ist die Druckfestigkeit natürlich geringer. Nimmt man Balsa als Sandwich, dann sollte da
    im Gegensatz zu Vollkern aber nichts bleibendes hinterlassen werden.

    2.
    Zum anderen kann die Innere Lage etwas weniger Last aufnehmen als die äußere, da sie durch das
    Sandwichmaterial weniger umschlossene Fläche hat und zudem "Knicke" an den Rändern des
    Sandwiches hat. Dabei habe ich mich gefragt welche Faserorientierung (+ oder - 45°) eigentlich
    größere Torsionslasten aufnehmen muss?
    Weil ich nicht weiß wie ich das erklären soll hier ein Bild:

    Name:  IMG_20190521_0001.jpg
Hits: 719
Größe:  62,9 KB

    Ich bin zu dem Schluss gekommen, dass die grünen Fasern mehr Kräfte aufnehmen müssen, als die orangenen.
    Aus dem Grund, weil die höchsten Torsionbelastungen meiner Meinung nach beim Abfangen entstehen,
    wo der Druckpunkt nach vorne wandert. Die grünen Fasern leiten die Kraft dabei nach innen.
    Außerdem würde ein komplettversagen der grünen Fasern im Flug zu einem sehr instabilen Flügel führen,
    während ein Versagen der orangenen vielleicht den Flügel vielleicht noch als "Fahne im Wind" stabil hält.

    Bin ich nun komplett auf dem Holzweg, oder ist jemand schonmal zum gleichen Schluss gekommen?
    Ich hoffe auf eine aufschlussreiche Diskussion
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  2. #2
    User Avatar von steve
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    Hallo,
    also wenn ich sowas machen würde, wäre eine Außenlage grün und die andere Außenlage rot (Flügeloberseite/Flügelunterseite). Innenlage dann jeweils entgegengesetzt.

    Ich habe gerade einen Flügel fertig mit einer Innenlage cfk und ich bin von der Stabilität begeistert. Ist zwar kein UD sondern ST aber es ist subjektiv doch ein riesen Unterschied wenn innen cfk statt Glas reinkommt.

    VG
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  3. #3
    User Avatar von Nahum
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    Hallo steve,
    mir geht es ja gerade darum innen und außen nur jeweils eine Lage zu haben, vielleicht hab ich das nicht richtig erklärt.
    Also außen in dem Fall die grüne Lage, dann Stützstoff und innen die orangene.

    Was meinst du mit ST statt UD? Ich benutze auch die ST Fasern von R&G die ja auch unidirektional sind, oder meinst du etwas anderes?
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  4. #4
    User Avatar von steve
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    ST = Spread tow

    Ging mir aber nur um den eigentlichen Effekt einer cfk-Innenlage.

    VG
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  5. #5
    User Avatar von Steffen
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    Zitat Zitat von Nahum Beitrag anzeigen
    Meine Frage ist nun ob das schon jemand ausprobiert oder sich darüber Gedanken gemacht hat?
    ausprobiert nicht, aber grundsätzlich ist das eine Möglichkeit. Das ganze lohnt sich durchaus, wenn man nicht die passenden Gewebedicken kriegt, um das ganze mit vollständiger +-45 Belegung zu schaffen.

    Mehr Sorgen würde ich mir um Verzug des Systems machen. Das ist schwer vorherzusagen und hat auch damit zu tun, ob Du in der Form voll austemperst, welches Harz Du benutzt, wieviel Wärmezyklen Du sonst noch später hast.
    Das ist aber am einfachsten mit einem Versuch geklärt.

    Dabei habe ich mich gefragt welche Faserorientierung (+ oder - 45°) eigentlich
    größere Torsionslasten aufnehmen muss?
    Bei reiner Torsion eigentlich immer beide gleich viel. Die eine nur auf Druck, die andere auf Zug. Durch die Separierung bekommst du auf der äusseren Lage die größeren Dehnwerte und damit größeren Spannungen.
    Weiterhin bekommst Du durch Biegung eine Torsionsantwort, da die Biegung die +45° Lage anders dehnt als die -45° Lage. Dieser Teil ist nur sehr schwierig zu beantworten.

    Die gesamte Torsion im Verbund Verbund kann man nicht vorhersagen ohne die Lage von Holm und die Pfeilung zu berücksichtigen. Das wäre eine aufwändigere Torsionsauslegung (aeroelastic tailoring)

    Für die Steifigkeit spielt es keine Rolle, welche der beiden Lagen aussen und welche innen ist.


    Alles in allem: ohne aeroelastic tayloring kann nicht sicher beantwortet werden, ob es für dieses Flugzeug gut, schlecht oder egal ist.

    ich bin übrigens fest überzeugt, dass heutige Modelle in F3B oder so besonders gut sind, wenn sie einen guten Treffer bzgl. der Biege-Torsionsantwort haben und das verwendete Profil dabei deutlich untergeordnet ist.
    Erst mit einer guten elastischen Antwort kann ein Profil eine Rolle spielen.

    feine Grüße,
    Steffen
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  6. #6
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    Zitat Zitat von Steffen Beitrag anzeigen
    Ich bin übrigens fest überzeugt, dass heutige Modelle in F3B oder so besonders gut sind, wenn sie einen guten Treffer bzgl. der Biege-Torsionsantwort haben und das verwendete Profil dabei deutlich untergeordnet ist.
    Erst mit einer guten elastischen Antwort kann ein Profil eine Rolle spielen.

    feine Grüße,
    Steffen
    Hallo Steffen,

    in F3B hat der die besten Chancen, der die größte Höhe aus dem Hochstart holt. Es holt der die größte Höhe raus, der den höchsten Druck aufbauen kann, ohne einen Abriß am Aussenflügel oder Leitwerk zu bekommen. Da sehr ähnliche Profile und Geometrien eingesetzt werden, es aber nach den Piloten Modelle gibt, die am Seil Fehler mehr oder weniger verzeihen, ist die Frage an was das liegt. Deiner These, dass es ein gut getroffenes Biege-Torisonsverhalten mehr dazu beiträgt als andere Parametern, kann ich viel abgewinnen. Wie immer, ist es aber sicher ein Zusammenspiel vieler Faktoren.

    Hans
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  7. #7
    User Avatar von Steffen
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    Zitat Zitat von Hans Rupp Beitrag anzeigen
    Da sehr ähnliche Profile und Geometrien eingesetzt werden, es aber nach den Piloten Modelle gibt, die am Seil Fehler mehr oder weniger verzeihen, ist die Frage an was das liegt.
    Da wäre ja schon mal interessant, zwei Modelle aus gleicher Form mit unterschiedlicher Belegung zu vergleichen.
    Am interessantesten diesbezüglich wäre eine gleiche Schalenbelegung und eine unterschiedliche Holmlage, oder eine gleiche Holmlage, gleiche Schalenbelegung, aber die Schale unter etwas anderem Winkel belegt (zB +40-50 statt +-45)

    Ich habe ja mal jemandem angeboten ein komplettes aeroelastic tailoring zu solchen Zwecken zu machen, wenn ich dann nachher ein Modell dafür bekomme.
    War aber der Meinung ein zusätzliches Modell aus den vorhandenen Formen zu bauen wäre ja unfair mehr Aufwand, als ein bischen zu rechnen
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  8. #8
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    Zitat Zitat von Steffen Beitrag anzeigen
    Durch die Separierung bekommst du auf der äusseren Lage die größeren Dehnwerte und damit größeren Spannungen.
    Ist das so? Bei Bauteilen aus isotropen Werkstoffen und signifikanter Wandstärke (z.B. einem Stahlrohr) ist die Torsionsspannung INNEN am Hohlkörper am grössten. Ich habe das auch immer eher exotisch gefunden, aber nie in Frage gestellt oder genauer durchdacht.

    Ich kann mich auch erinnern, dass Werner Thies empfohlen hat, Balsabeplankungen INNEN mit Glas zu belegen, wohl wegen dem o.e. Zusammenhang. Ich denke aber nicht, dass er da tiefere Kenntnisse hatte. Bei Belegung nur auf einer Fläche der Beplankung hätte ich persönlich auf jeden Fall die Aussenfläche gewählt, wegen der grösseren umschlossenen Fläche. (Plus Argument Grabbelfestigkeite und Oberflächenqualität.) Ich denke nicht, dass Balsa genug Eigensteifigkeit hat, um dem vielfach stärkeren Glas die höhere Deformation der Innenkontur aufzuzwingen...

    Und das ist wohl der Knackpunkt: Bindet der Stützstoff die zwei Schalen so stark aneinander, dass die theoretisch höhere Dehnung der Innenfläche wirklich auftritt?
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  9. #9
    User Avatar von Nahum
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    Hallo,

    sehr interessante Antworten sind das hier.

    Bei reiner Torsion eigentlich immer beide gleich viel. Die eine nur auf Druck, die andere auf Zug. Durch die Separierung bekommst du auf der äusseren Lage die größeren Dehnwerte und damit größeren Spannungen.

    Bezüglich F3B Windenstart: (Berichtigt mich, wenn ich falsch liege. Ich bin recht neu in der Materie). Grundsätzlich ist die Torsionssteifigkeit und Festigkeit im Langsamflug ja ziemlich Nebensache und wird bei F3B/F3F wahrscheinlich auf den Windenstart oder die Wenden ausgelegt.

    -> Hohe Ca´s bei hoher Geschwindigkeit -> hohes negatives Profilmoment?

    Leider habe ich keine F3B/F3B Straks zum vergleichen, aber auch da sollte der Momentenbeiwert im Außenflügel um einiges größer (immer noch negativ) sein als an der Wurzel, wodurch im Verlauf der Tragfläche Richtung außen ein insgesamt negatives Torsionsmoment am Außenflügel entsteht (Nasenleiste wird hochgedrückt, Endleiste runter).
    Dies sollte dann im Endeffekt dann der dimensionierende Lastfall sein.

    Folge: In der Tragflächenoberschale wird die im Bild grüne Faser auf Druck, die orangene auf Zug belastet. Da alle Fasern bekanntlich Zug besser abkönnen, würde ich folglich die grüne Faser nach außen packen, die orangene nach innen. Auf der Unterschale genau andersrum.

    Durch die Separierung bekommst du auf der äusseren Lage die größeren Dehnwerte und damit größeren Spannungen.
    Ist das so? Bei Bauteilen aus isotropen Werkstoffen und signifikanter Wandstärke (z.B. einem Stahlrohr) ist die Torsionsspannung INNEN am Hohlkörper am grössten. Ich habe das auch immer eher exotisch gefunden, aber nie in Frage gestellt oder genauer durchdacht.
    Das stellt dann alles nochmal auf den Kopf, aber dann frage ich mich wieso man generell die Torsionslagen außen hinlegt, wenn sie Innen besser aufgehoben sind?
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  10. #10
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    Zitat Zitat von Nahum Beitrag anzeigen
    Das stellt dann alles nochmal auf den Kopf, aber dann frage ich mich wieso man generell die Torsionslagen außen hinlegt, wenn sie Innen besser aufgehoben sind?
    Nur in Kombination mit einem starken Gegenpart aussen.
    Don't quote me, so genau verstehe ich die Zusammenhänge nicht (mehr, ist lange her, dass wir dreidimensionale Spannungszustände im voxel betrachtet haben), aber ich würde aus dieser Theorie erwarten, dass die Innere Lage etwas höhere Dehnungen / Spannungen sieht WENN (und das ist ein wichtiges wenn) die Stützstofflage die beiden Schichten schersteif genug verbindet.
    Was im Umkehrschluss auch heisst, dass erhebliche Scherkräfte auf diese Lage wirken. Es ist denkbar, dass der Verbund dort zuerst versagt.
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  11. #11
    User Avatar von UweH
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    Zitat Zitat von Nahum Beitrag anzeigen
    Leider habe ich keine F3B/F3B Straks zum vergleichen, aber auch da sollte der Momentenbeiwert im Außenflügel um einiges größer (immer noch negativ) sein als an der Wurzel, wodurch im Verlauf der Tragfläche Richtung außen ein insgesamt negatives Torsionsmoment am Außenflügel entsteht (Nasenleiste wird hochgedrückt, Endleiste runter)

    Hallo Christopher,

    bei den derzeit üblichen Profilstraks in F3B und F3F nimmt der Momentenbeiwert zum Randbogen hin ab weil die Dickenrücklage und Profilwölbung nach außen hin abnehmen, von denen der Momentenbeiwert u. a. abhängig ist.
    Im Vergleich zur RG15-Zeit ist der Profilmoment heute üblicher F3B-Profile typischerweise viel weniger negativ und damit auch die Torsionsbelastung geringer, trotzdem spielt sie im Speed eine Rolle.

    Wenn es bei Deiner Frage wegen der Belegung um Deinen kleinen Hangflitzer Arava geht, dann dürften bei der von Dir gefragten UD-Anordnung bis hin zu mittleren DS-Geschwindigkeiten keine negativen Effekte spürbar sein. Die Flügelgeometrie ist günstig gegen Biegetorsion und die relativen Bauteildicken sind bei so einem kleinen Modell bauartbedingt ziemlich großzügig dimensioniert

    Gruß,

    Uwe.
    ...Hangflug bei mir ist das ohne Motor....
    ....wer nichts weiß muss alles glauben...... - Ein Flügel genügt -
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  12. #12
    User Avatar von Steffen
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    Zitat Zitat von MarkusN Beitrag anzeigen
    Ist das so? Bei Bauteilen aus isotropen Werkstoffen und signifikanter Wandstärke (z.B. einem Stahlrohr) ist die Torsionsspannung INNEN am Hohlkörper am grössten. Ich habe das auch immer eher exotisch gefunden, aber nie in Frage gestellt oder genauer durchdacht.
    Für reine Torsion? Warum sollte das so sein? könnte das der Schubfluss sein und nicht die Schubspannung?

    Aus reine geometrischen Überlegung macht die Position mit dem größten Hebelarm zur Drehachse die größte Schubverzerrung und das die Schubverzerrung über das Schubmodul mit der Schubspannung gekoppelt ist, ist der größte Schub in der am weitesten aussen liegenden Position.
    Das gilt garantiert für isotrope Materialien sowie für orthotrope bei gleiche Faserorientierung.
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  13. #13
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    Zitat Zitat von Steffen Beitrag anzeigen
    Für reine Torsion? Warum sollte das so sein? könnte das der Schubfluss sein und nicht die Schubspannung?

    Aus reine geometrischen Überlegung macht die Position mit dem größten Hebelarm zur Drehachse die größte Schubverzerrung und das die Schubverzerrung über das Schubmodul mit der Schubspannung gekoppelt ist, ist der größte Schub in der am weitesten aussen liegenden Position.
    Das gilt garantiert für isotrope Materialien sowie für orthotrope bei gleiche Faserorientierung.
    Habs nochmal nachgelesen. Habe das vermischt mit dem Spannungszustand von dickwandigen Druckbehältern. Bitte ignorieren, ist Unsinn.
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