Structural design of Stringer-frame-stiffened shell structures

Krause, Max; Mittelstedt, Christian; Schröder, Kai-Uwe

doi:10.18154/RWTH-2023-06494

Structural design of Stringer-frame-stiffened shell structures = Struktureller Entwurf von stringer-spant-versteiften Schalentragwerken

Krause, Max^RWTH*

2023

VerantwortlichkeitsangabeMax Krause

ImpressumDüren : Shaker Verlag 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-8440-9126-7

ReiheAachener Berichte aus dem Leichtbau ; 2023,1

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Druckausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schröder, Kai-Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Mittelstedt, Christian (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-05-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-06494
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/960896/files/960896.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Strukturmechanik und Leichtbau (415610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
axial compression (frei) ; minimum stiffness criteria (frei) ; panel instability (frei) ; stiffened shells (frei) ; structural design (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der Strukturentwurf von versteiften Schalen ist seit Jahrzehnten Gegenstand der Forschung. Diese werden oft im Luft- und Raumfahrtsektor aufgrund ihres hohen Verhältnisses von Lasttragevermögen zu Masse für Hauptstrukturen als Konstruktionsvariante eingesetzt. Die Bedeutung von konstruktivem Leichtbau bei dem Entwurf solcher Strukturen hat aufgrund der steigenden Kommerzialisierung der Raumfahrt und dem einhergehenden Kostendruck für zukünftige Raumfahrzeugtypen zugenommen. Um die maximale Nutzlast zu erhöhen und die ambitionierten Preisziele zu erreichen, ist ein optimaler Entwurf der Struktur im Sinne des Leichtbaus imperativ. Die höchste Tragfähigkeit für die Nutzung als Hauptstrukturen von Trägerraketen weisen dünnwandige Stringer Spant versteifte Schalenstrukturen auf. Der Entwurf dieser ist aufgrund der vielen zu berücksichtigenden Versagensarten komplex und benötigt daher effiziente, robuste und zuverlässige Auslegungsmethoden. Etablierte Methoden sind für moderne torsionssteife Stringerprofile ungeeignet, da sie das strukturmechanische Verhalten der Schale nicht ausreichend abbilden. Dies kann auch für zukünftige Profilformen, die die Lastaufnahme durch möglichst hohe Torsionssteifigkeit maximieren sollen, angenommen werden. Im Zuge dessen ist auch der etablierte Entwurfsprozess mit dem Ziel eines optimalen Leichtbauentwurfs zu hinterfragen, da dieser sich auf die Beschreibung des strukturmechanischen Verhaltens stützt. Ziel dieser Arbeit ist es neue Methoden für die Auslegung von Stringer Spant versteiften Schalenstrukturen zu entwickeln und mit diesen die Notwendigkeit einer Anpassung des Entwurfsprozesses zu bewerten. Es wird ein Strukturmodell zur Beschreibung des strukturmechanischen Verhaltens aufgebaut. Aus diesem entwickelt sich eine Methode zur Berechnung der Teilschaleninstabilitätslast und eine Methode zur Bemessung der Spante. Es wird gezeigt, dass drei Aspekte für die unzureichende Natur der etablierten Methoden verantwortlich sind: Die Vernachlässigung transversalen Schubs, die Annahme des Vorbeulzustands als Membran- und nicht als Biegezustand und die Reduzierung der versteiften Schale auf eine Teilschale. Die entwickelten Methoden liefern im Vergleich zu numerischen Simulationsverfahren eine ähnliche Genauigkeit bei deutlich geringerem zeitlichem Ressourcenbedarf. Abschließend werden die entwickelten Methoden und ausgewerteten Forschungsergebnisse genutzt um Anpassungen an dem etablierten Entwurfsprozess von Stringer Spant versteiften Schalen vorzuschlagen. Anhand der Optimierung einer repräsentativen Schale wird der Grad der Anpassungen für einen im Sinne des Leichtbaus optimalen Entwurf bewertet. Es zeigt sich, dass der Entwurfsprozess in einem holistischen Sinne gedacht werden muss und damit eine Trennung der Auslegung von Stringer-Haut-Kombination und dem Bemessen der Spante nicht zulässig ist.

The structural design of stiffened shells has been the subject of research for decades. These are often used in the aerospace sector as a design option for primary structures because of their high load-carrying-capacity-to-mass ratio. The importance of structural lightweight design has increased in the design of such structures, because of the increasing commercialisation of the space sector and the accompanying cost pressures for future space launch vehicles. To increase the maximum payload and achieve the ambitious price targets, an optimal design of the structure in terms of lightweight design is imperative. Thin-walled stringer frame stiffened shell structures have the highest load-carrying capacity for use as the primary structures of space launch vehicles. The design of these is complex because of the many failure modes to be considered and therefore requires efficient, robust and reliable design methods. Established methods are unsuitable for modern torsionally stiff stringer profiles, as they do not represent the structural behaviour of the shell adequately. This can also be assumed for prospective profile shapes, which should maximise load-carrying capacity through the highest possible torsional stiffness. In the course of this, the established design process with the aim of an optimal lightweight design must also be questioned, as it is based on the description of the structural behaviour. This work aims to develop new methods for the design of stringer frame stiffened shell structures and to use them to evaluate the necessity of adapting the design process. A structural model is derived to describe the structural behaviour. From this, a method for calculating the panel instability load and a method for the sizing of frames is developed. It is shown that three aspects are responsible for the inadequate nature of the established methods: the neglect of transverse shear, the assumption of the pre-buckling condition as a membrane state rather than a bending state, and the reduction of the stiffened shell to a panel shell. Compared to numerical simulations, the developed methods provide similar accuracy with significantly lower time resource requirements. Finally, the developed methods and evaluated research results are used to propose adjustments to the established design process of stringer frame stiffened shells. Based on the optimisation of a representative shell, the degree of adaptations for an optimal design in terms of lightweight design is evaluated. It is shown that the design process must be thought of in a holistic sense and that a separation of the design of the stringer-skin assembly and the sizing of the frames is not permissible.

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