Das Fahrwerk ist ein System mit hohem Einfluss auf die Gesamtflugzeugleistung. Es ist eines der größten Flugzeugsysteme und trägt einen erheblichen Teil zum Gesamtgewicht des Flugzeugs bei. Lasten aus Landung, Start- und Bodenmanövern sind in der Regel Entwurfslasten wichtiger Komponenten der Flugzeugsstruktur, wie z. B. des hinteren Rumpfes und des Tragflächen-Mittelstücks. Daher spielt eine optimale Gestaltung des Fahrwerkssystems eine bedeutende Rolle bei dem optimalen Entwurf des Gesamtflugzeugs. Der aktuelle Entwurfsprozess für Fahrwerke beruht auf Erfahrungen aus bestehenden Flugzeugkonfigurationen. Dieser Prozess führt in der Regel zu zufriedenstellenden Entwürfen, erreicht jedoch seine Grenzen, wenn ein Fahrwerkssystem für eine unkonventionelle Flugzeugkonfiguration wie ein Nurflügelflugzeug (englisch Blended Wing Body", BWB) ausgelegt werden muss, für die keine Vergleichsdaten zur Verfügung stehen. In den letzten Jahren gab es eine Reihe Entwürfen eines BWB, darunter mehrere Konzeptvorschläge für Flügelformen oder für verteilte Antriebssysteme. Allerdings gibt es nur wenige Ansätze für die Auslegung des Fahrwerks eines BWB. Aus diesen Gründen ist es das Ziel dieser Arbeit, einen konzeptionellen Fahrwerkentwurf für den BWB durchzuführen sowie die Auswirkung der Bodenlasten auf die Auslegung eines BWB zu untersuchen. Für diesen Zweck stellt diese Arbeit einen neuen integrierten Prozess für die multidisziplinäre Optimierung von Flugzeug und Fahrwerk vor. Das erste Element dieses Ansatzes ist die Bestimmung der unbekannten dynamischen Bodenlasten für einen BWB. Hierfür wird die Mehrkörpersimulation wegen ihrer Fähigkeit zur Analyse der komplexen Systemdynamik einschließlich der dynamischen Lasten als Analysewerkzeug ausgewählt. Das zweite Element des Prozesses ist die Gewichtsbestimmung des Fahrwerks. Ein analytisches Entwurfsverfahren wurde implementiert, bei der jede Komponente des Fahrwerks individuell für die Gewichtsbestimmung betrachtet wird. Das dritte Element des Prozesses ist die Erzeugung eines konzeptionellen 3D-Finite-Elemente-Modells des Fahrwerksschachts, um den Einfluss der Bodenlasten auf die Flugzeugstruktur zu untersuchen. Die Fähigkeit des neuen Verfahrens wird durch den Fahrwerkentwurf für ein Flugzeugs validiert, welches ein mit dem BWB vergleichbares Flugzeuggesamtgewicht und eine vergleichbare Fahrwerkkonfiguration aufweist. Der Prozess wird anschließend für den Konzeptentwurf des Fahrwerks eines Nurflügel-Transportflugzeugs angewendet. Vier verschiedene Konfigurationen unterschiedlicher Anzahl von Hauptfahrwerken (4, 6, 8 und 12 Fahrwerke) werden ausgelegt, analysiert und optimiert. Aufgrund der Ergebnisse aus der Entwurfsvalidierung konnte gezeigt werden, dass der Prozess in der Lage ist, realistische Bodenlasten für den BWB vorherzusagen. Es wurde weiterhin deutlich, dass die lateralen Bodenlasten aus der asymmetrischen Landung eine bedeutende Rolle für die Auslegung des Fahrwerks spielen. Zur optimalen Aufnahme und Verteilung der Landeenergie müssen die Hauptfahrwerke in einem Dreieck angeordnet sein, wobei sich jeweils ein Fahrwerk soweit wie möglich hinten und außen befinden sollte. Das Gesamtgewicht des Flugzeugs reduziert sich zunächst mit einer Erhöhung der Anzahl der Hauptfahrwerke. Diese Gewichtsreduktion ergibt sich aus den geringeren Bodenlasten durch eine größere Anzahl von Hauptfahrwerken. Steigt die Anzahl der Hauptfahrwerke weiter, wird dieser Vorteil durch das Gewicht zu vieler Komponenten der Hauptfahrwerke überkompensiert. Für die gegebene BWB-Konfiguration ergibt sich ein Optimum bei acht Hauptfahrwerken. Abschließend werden in der Arbeit die gewonnenen Erkenntnisse sowie offenen Fragen diskutiert.

    The landing gear is one of the major aircraft systems, which has a significant effect on the overall aircraft performance. It is one of the largest aircraft systems which contributes a large part to the overall aircraft weight. Landing gear attachment loads from landing, take-off and ground maneuvers of the aircraft are usually design load cases of major airframe parts such as the rear fuselage and the wing center section. As a result, an optimum design of the landing gear system plays a significant role in the final optimum aircraft design. The current state-of-the-art of the landing gear conceptual design process is based on experience from existing aircraft configurations. This process has been proven in most cases to lead to satisfactory designs. The current process reaches its limitation, however, if the landing gear system must be designed for an unconventional aircraft like a Blended Wing Body (BWB), where no data is available for comparison. In the past years a number of design suggestions have been proposed for the BWB such as several wing planforms or a number of distributed propulsion systems. However, there have been only few proposals for BWB landing gear configurations. Because of these reasons the objective of this thesis is to propose a landing gear conceptual configuration for the BWB and to investigate the ground loads-related design issues of the BWB. The research focuses on the following design aspects: a BWB ground loads determination, a BWB landing gear weight estimation, the assessment of the ground loads effect on the aircraft structure and finally the proposal of a conceptual landing gear configuration. In order to investigate these issues, this thesis introduces a new integrated Multidisciplinary Optimization process. The first essential element of the process is the determination of the unknown dynamical ground loads for a BWB. The Multi-Body Simulation method is selected because of its capability for the analysis of complex system dynamics including dynamic loads. The second element is the landing gear weight determination. An analytical conceptual design method is implemented to design each landing gear component individually for the weight determination. As the third element, a conceptual landing gear bay 3D finite element model is generated to investigate the ground loads effect on the aircraft structure. The capability of the new process is validated by a conceptual redesign of the landing gear system of an aircraft comparable to the BWB in terms of aircraft total weight and landing gear configuration. The process is then implemented for the landing gear conceptual design of a BWB transport aircraft. Four different configurations of different numbers of main landing gears (MLG) of 4, 6, 8 and 12 are designed, analyzed and optimized. According to the results from the validation design case, the process has been proven to be able to realistically predict the ground loads for the BWB. It has been found that the lateral ground loads from the asymmetric landing case play a significant role for the landing gear design. One MLG must be located at the most backward corner and other MLGs must be positioned in a triangle-like topology in order to distribute the landing energy from this landing case. Concerning the total weight result, it has been discovered that the total weight is reduced with an increase in the number of MLG. The weight reduction comes from the lower ground loads of the high MLG number configurations. However, if the number of MLG is too high this advantage will be outstripped by too many MLG components. As the result, the concept with 8 MLG has an optimum total weight for the given BWB configuration. Finally, the obtained knowledge, the new process accomplishments and open problems are discussed.


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    Titel :

    Landing Gear Positioning and Structural Mass Optimization for a Large Blended Wing Body Aircraft


    Beteiligte:


    Erscheinungsdatum :

    2014


    Format / Umfang :

    139 Seiten, 73 Bilder, 19 Tabellen, 96 Quellen



    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Englisch






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