Konstruktion von Flugzeugstrukturen

Vorlesung

Dozent: Prof. Dr.-Ing. Sebastian Heimbs

Zeit: Sommersemester, Donnerstags 08:00 Uhr - 09:30 Uhr

Ort: HB 35.1 (IFL)

Übung

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Sebastian Heimbs

Zeit: Sommersemester, Donnerstags 09:45 Uhr - 10:30 Uhr

Ort: HB 35.1 (IFL)

Was haben alle Flugzeuge unabhängig ihrer Größe, Antriebstechnik, aerodynamischen Eigenschaften oder Einsatzgebiet gemeinsam? Sie müssen konstruiert, ausgelegt und gebaut werden. Die Vorlesung „Konstruktion von Flugzeugstrukturen“ (3 SWS / 5 ECTS) ist damit die zentrale Vorlesung im Masterstudium Luft- und Raumfahrttechnik, in der erlernt wird, wie eigentlich ein Flugzeug gebaut wird, woraus es besteht, wie es ausgelegt wird – und auch warum (Stichwort: dimensionierende Lastfälle und Zulassungsrichtlinien).

Die Konstruktionsprinzipien von Flugzeugrumpf, Flügel und anderen Strukturen werden detalliert kennengelernt (Credit: Sebastian Heimbs)

Diese Vorlesung wurde von Prof. Heimbs – aus dem Airframe Engineering von Airbus kommend – komplett neu und modern aufgebaut, die Vorlesungsunterlagen sind branchentypisch komplett auf Englisch (die Vorlesungssprache ist jedoch Deutsch). Sie adressiert alle Themen der Flugzeugkonstruktion: Angefangen von den regulativen Randbedingungen über die Eigenschaften und Auswahl typischer Luftfahrtwerkstoffe, Verbindungstechniken, Versteifungskonzepte bis hin zur Auslegung aller maßgeblichen Flugzeugkomponenten und der finalen Endmontage des Flugzeugs. Das komplette essentielle Rundumprogramm also, um in der Flugzeugbranche nicht nur „mitreden“ zu können, sondern auch das Verständnis zu entwickeln, weshalb Flugkonstruktionen, Bauweisen und Materialauswahlen so getroffen werden. In den zugehörigen Übungen wird das Erlernte angewendet.

Rumpfkonstruktion des Airbus A350 als Beispiel für eine Mischbauweise mit Metall- und Faserverbundwerkstoffen und unterschiedlichen Verbindungstechniken (Credit: Sebastian Heimbs)

Wieso werden trotz weiter Verbreitung von Faserverbundwerkstoffen Flügelvorderkanten weiterhin fast immer aus Aluminium hergestellt? Warum sind Flugzeugnasen fast immer aus dem exotischen Werkstoff Quartzfasern hergestellt? Warum sind auch heute noch überall Nietverbindungen im Flugzeugbau zu finden und wie werden diese Nietabstände gewählt? Warum findet man die beiden weitverbreitetsten Flugzeugbauwerkstoffe – Aluminium und kohlenstofffaserverstärke Composites – nie gemeinsam in direkter Verbindung? Warum gibt es die Vielzahl der Versteifungen in Längs- und Umfangsrichtung, wie wird deren Abstand festgelegt? Wo kommen die Lasten her, welche die Grundlage von Auslegungsrechnungen sind? Wie wird damit umgegangen, dass im Betrieb oder durch Ermüdung Schäden entstehen können, und dennoch die höchstmögliche Sicherheit gewährleistet bleibt?

Wir freuen uns, dies und natürlich noch viel mehr mit den Studierenden in der Vorlesung zu besprechen. Freuen Sie sich auf eine sehr praxisnahe Vorlesung, die davon lebt, Proben und Bauteile herumzureichen. Das IFL verfügt über einen sehr großen Bestand an Flugzeugstrukturen, deshalb lohnt sich das Rausfahren am Donnerstagmorgen an den Flughafencampus, um echte Rumpfschalen, Flügel, Türen und sogar ganze Rumpftonnen diverser Flugzeuge zu erleben – Anfassen explizit erlaubt! Und was wir nicht selbst vorführen können, wird praxisnah mit Videos visualisiert.

Beispielhafte Bilder aus dem Themenbereich Schadenstoleranz: Rissausbreitung in Metall (links) und Faserverbundwerkstoffen (rechts) (Credit: Sebastian Heimbs)

Das ist längst noch nicht alles. Wir freuen uns, den Studierenden dieser Vorlesung an der TU Braunschweig folgendes anbieten zu können:

Die Vorlesung wird von Dozenten mit jahrzehntelanger Industrieerfahrung im Bereich Flugzeugstrukturen gehalten, die spannende Einblicke geben: Prof. Heimbs (früher Airbus) lädt hierzu traditionell noch zwei weitere Gastdozenten von Airbus ein, welche die Vorlesung zur Klebetechnik im Flugzeugbau und zur Lastenanalyse halten.
Die Praxisnähe wird durch unzählige Proben und Bauteile zum Anfassen im Vorlesungsraum und in der großen Bauteil- und Versuchshalle des IFL sowie durch vorlesungsbegleitende Übungen in den Mittelpunkt gestellt.
Als weiteres spannendes Highlight bieten wir jedes Jahr eine zweitägige Exkursion an, um die Vorlesungsinhalte in Wirklichkeit im Airbus Werk Bremen und Hamburg zu erleben, wo die Fertigung, Ausstattung und Endmontage der Flugzeugstrukturen hautnah beobachtet werden kann. Besprechungen mit dem Airbus Engineering und der Personalabteilung bezüglich des Arbeitens in der Flugzeugindustrie sowie ein gemeinsames Abendessen runden diese Exkursion als unvergessliches Erlebnis ab.

Eines der Exponate in der IFL Versuchshalle, das im Rahmen der Vorlesung analysiert wird: Rumpftonne mit Centre Wing Box (Credit: Sebastian Heimbs)

Werksbesichtigung in den Airbus-Werken Hamburg und Bremen sowie im ZAL

Die Vorlesung (2 SWS) gliedert sich in folgende Kapitel (Kursmaterial auf Englisch):

Introduction
General overview & fundamentals: Regulations and certification specifications, ATA-chapters, A/C sections, coordinate systems, test pyramid, TRL levels
Aircraft materials: metals, composites, fibre-metal laminates, sandwich structures, corrosion & surface protection
Structural joints: bolted, welded, bonded joints
Stiffened structures, structural stability & buckling
Loads and aeroelasticity for aircraft structural design: ground loads and flight loads analysis
Structural damage & damage tolerance: metals and composites, crack propagation, stress intensity factors, no-growth policy
Aircraft components: Design and sizing of fuselage, doors, windows, cabin, wing-fuselage joint, wings, wing movables, empennage,
Aircraft structure final assembly
Practical example

In den Übungen (1 SWS) wenden wir die erlernten Methoden auf konkrete Beispiele in der Auslegung von Flugzeugstrukturen an, wie z.B.:

Berechnung von Sandwichstrukturen
Auslegung von Nietverbindungen
Auslegung von Klebeverbindungen
Beulanalyse von versteiften Flugzeugstrukturen
Lastanalyse
Industriebeispiel

Labor

Vorlesungen und Berechnungsübungen sind Ihnen zu theoretisch und Sie wollen selbst Strukturversuche im Prüflabor durchführen? Das verstehen wir. Deshalb bieten wir das Labormodul (2 SWS) zur Vorlesung „Konstruktion von Flugzeugstrukturen“ an, wo genau das in der IFL Versuchshalle passiert.

In diesem Fachlabor werden in der Regel zwei unterschiedliche Versuche durchgeführt, wobei modernste Versuchs- und Messtechnik zur Anwendung kommt.. Einer davon liegt typischerweise im Bereich der Schadenstoleranz von Flugzeugstrukturen. In der Vergangenheit wurden sowohl zyklische Versuche an Metallproben zur Messung und Auswertung der Rissausbreitung als auch Impactversuche an Faserverbundproben zur Ermittlung der Restfestigkeit nach Impactschädigung durchgeführt. Nach Impactbelastungen am Fallturm und einer zerstörungsfreien Ultraschallprüfung werden die geschädigten Faserverbundproben hier einer Druckbelastung ausgesetzt (CAI, Compression after Impact), um den Einfluss zunehmender Schädigung auf die Restfestigkeit zu bewerten. Alternativ wird ein Versuch im Bereich des dynamischen Strukturverhaltens (Standschwingversuch) angeboten: an einem skalierten Flügelprofil werden sowohl quasi-statische Biegeversuche als auch dynamische Schwingversuche durchgeführt, um Eigenformen und Eigenmoden in der Strukturauslegung experimentell zu bestimmen.

„Konstruktion von Flugzeugstrukturen mit Labor“ (insgesamt mit Vorlesung/Übung/Labor 5 SWS / 7 ECTS):

Die Laborveranstaltung beinhaltet die eigenständige Vorbereitung, Durchführung und Auswertung von zwei Versuchen in der Prüfhalle und im Labor für Werkstoffdiagnostik des IFL. Ein benotetes Protokoll und Kolloquium zu den absolvierten Laborversuchen gehen mit dem Klausurergebnis in die Endnote ein.

Laborversuch zur Rissausbreitung in Metall (Credit: Sebastian Heimbs)

Laborversuch zur Impact-Schädigung und Restfestigkeit von Faserverbundwerkstoffen, mit Fallturmversuchen, Ultraschallanalyse und Druckversuchen (Credit: Sebastian Heimbs)

Eine höchstmögliche Qualität der Lehre und stetige Verbesserungen sind uns sehr wichtig, was die Studierenden regelmäßig in der Lehrevaluation anerkennen und was diese Veranstaltung „Konstruktion von Flugzeugstrukturen“ zu einer sehr beliebten Vorlesung macht. Hier sind die Ergebnisse der Lehrevaluationen der Vorlesung der letzten Semester:

SoSe 2023: Gesamtbewertung 4,8 / 5 Punkten

SoSe 2024: Gesamtbewertung 4,8 / 5 Punkten

SoSe 2025: Gesamtbewertung 4,9 / 5 Punkten

Voraussetzungen, Bezug zu anderen Vorlesungen

Es gibt keine spezifischen Voraussetzungen zur erfolgreichen Teilnahme
Die Kapitel der Werkstoffe und Korrosion greifen Erlerntes aus der Werkstoffkundevorlesung auf, setzen es jedoch in den konkreten, praxisnahen Kontext des Flugzeugbaus
Aufgrund der begrenzten Zeit eines Semesters liegt der Schwerpunkt auf den diversen o.g. Konstruktionsgrundlagen auf Bauteilebene. Ein Gesamtflugzeug wird nicht berechnet, hierfür wird auf die Vorlesungen „Entwerfen von Verkehrsflugzeugen“ und „Entwerfen von Verkehrsflugzeugen 2“ verwiesen
Finite-Elemente-Analysen als typisches Werkzeug der Flugzeugstrukturberechnung werden im begrenzten Rahmen dieser Vorlesung nicht behandelt, hierfür wird auf die Vorlesungen „Finite-Elemente-Methoden“ und „Finite-Elemente-Methoden 2“ verwiesen

Sprache

Vorlesung: Deutsch
Vorlesungsunterlagen: Englisch

Prüfung

Klausur, schriftlich: 90 Minuten (Kurzfragenteil + Berechnungsaufgaben)
Wenn das Labor ebenfalls belegt wird: benotete Protokolle und Kolloquium zu den absolvierten Laborversuchen (diese Note geht zu 6/11 in die Gesamtmodulnote ein, die schriftliche Klausur mit 5/11)