C01: Verbundwerkstoffe mit thermo-mechanischer Funktionalität für zukünftige integrierte Antriebssysteme

Disziplin Thermodynamik

Das höhere Gewicht neuartiger Energiespeicherlösungen in Flugzeugen erfordert ein höheres Leichtbaupotenzial sowie lastpfadorientierte orthotrope Gestaltungsmöglichkeiten. Darüber hinaus werden auch neue Funktionalitäten wie optimierte Wärmeverteilungszonen benötigt. Im Projekt C01 wird daher das Potenzial eines strukturintegrierten Wärmemanagements unter Verwendung von Hybridlaminaten mit kontinuierlicher (faserverstärkte Polymere mit Graphen-Materialien dotiert) und diskreter (Faser-Metall-Laminate, Hybridisierung) Funktionalisierung untersucht. Die Untersuchungen werden experimentelle und numerische Methoden umfassen, die geeignet sind, dedizierte intra- und interlaminare Wärmestrompfade dieser Verbundwerkstoffe mit realistischen Randbedingungen z.B. für die thermische Konvektion in einer dedizierten Testkammer zu entwerfen und zu validieren.

Motivation

Gewichtsreduktion durch eine strukturell integrierte Wärmeregulierung in einem optimierten Verbundwerkstoff.

  • In einem hochintegrierten Transportflugzeug gibt es eine Vielzahl lokaler Wärmequellen.
  • Die thermische Leitfähigkeit von faserverstärkten Kunststoffen, insbesondere in Dicke-Richtung, ist gering.
  • Wärmequellen müssen mit optimal platzierten Wärmeverteilungszonen verbunden werden, ohne zusätzliches Systemgewicht.

Ziel

  • Forschungshypothese: Durch diskrete und kontinuierliche Funktionalisierung des faserverstärkten Polymers wird die Wärmeleitung in Längs- und Dicke-Richtung entsprechend den Anforderungen in die Primärstruktur integriert.
    ◦ PR Middendorf konzentriert sich auf kontinuierliche Funktionalisierung auf Materialniveau.
    ◦ PR Hühne auf diskrete Funktionalisierung durch Hybridisierung der Laminatstrukturen.
  • Entwicklung experimenteller und numerischer Methoden zur Gestaltung dedizierter intra- und interlaminarer Wärmeleitungspfade.

Lösungsansatz

Das Projekt beginnt mit der Analyse thermischer Anforderungen, um thermo-mechanische Belastungen, Randbedingungen und Testfall-Szenarien zu definieren.
Anschließend werden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, einschließlich Materialcharakterisierung und Prozessoptimierung. Dies umfasst kontinuierliche Funktionalisierung auf Materialniveau, wie z.B. Graphendotierung, und Materialcharakterisierung für maßgeschneiderte Fasermetallverbunde. Darüber hinaus beinhaltet es lokale Hybridisierung durch Fasern, Metallfolien und Bolzen sowie die Definition und Einrichtung einer Plattenprüfkammer.
Das Projekt konzentriert sich dann auf die thermische Analyse mithilfe von Finite-Elemente-Modellen. Dies umfasst die Vorhersage thermo-mechanischer Eigenschaften in Dickenrichtung basierend auf einem Einzelschichtniveau und einem Schicht-für-Schicht-Ansatz. Es beinhaltet auch die Simulation von Plattenexperimenten vor dem Test und die Nachanalyse basierend auf den experimentellen Daten.
Abschließend werden Entwurfsrichtlinien definiert, die Ausgaben für mehrere Entwurfs- und Konfigurationsüberlegungen ableiten.

Rolle in SynTrac

  • C01 liefert Erkenntnisse für die strukturelle Integration von Antriebssystemen im Bereich der Systemintegration (B).
  • C01 benötigt vom anderen Teilprojekten Inputs aus anderen Disziplinen und systemübergreifende Bewertungen.
  • Es bestehen daher starke Wechselwirkungen hinsichtlich Experimenten, Methoden und Modellen, Design und physikalischen Parametern.

    • An "C01: Verbundwerkstoffe mit thermo-mechanischer Funktionalität für zukünftige integrierte Antriebssysteme" beteiligte Personen