Methodik zum wissensbasierten Entwurf der Antriebssysteme von

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Methodik zum wissensbasierten
Entwurf der Antriebssysteme
von Hochauftriebssystemen
Vom Promotionsausschuss der
Technischen Universität Hamburg–Harburg
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor–Ingenieur
genehmigte Dissertation
von
Dipl.–Ing.
Malte Pfennig
aus Hamburg
2012
1. Gutachter:
Prof. Dr.-Ing. Frank Thielecke
Institut für Flugzeug-Systemtechnik
Technische Universität Hamburg-Harburg
2. Gutachter:
Prof. Dr.-Ing. Günter Ackermann
Institut für Elektrische Energiesysteme und Automation
Technische Universität Hamburg-Harburg
Tag der mündlichen Prüfung: 26. Januar 2012
Schriftenreihe Flugzeug-Systemtechnik
Band 1/2012
Malte Pfennig
Methodik zum wissensbasierten Entwurf der
Antriebssysteme von Hochauftriebssystemen
Shaker Verlag
Aachen 2012
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über
http://dnb.d-nb.de abrufbar.
Zugl.: Hamburg-Harburg, Techn. Univ., Diss., 2012
Copyright Shaker Verlag 2012
Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen
oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten.
Printed in Germany.
ISBN 978-3-8440-0961-3
ISSN 1861-5279
Shaker Verlag GmbH • Postfach 101818 • 52018 Aachen
Telefon: 02407 / 95 96 - 0 • Telefax: 02407 / 95 96 - 9
Internet: www.shaker.de • E-Mail: [email protected]
Vorwort und Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher
Mitarbeiter am Institut für Flugzeug-Systemtechnik der Technischen Universität
Hamburg–Harburg. Mein erster und ganz besonderer Dank gilt meinem Doktorvater
und Leiter des Instituts Prof. Dr.-Ing. Frank Thielecke für seine Unterstützung, das
mir entgegengebrachte Vertrauen und die gewährten wissenschaftlichen Freiräume.
Über meine wissenschaftliche Tätigkeit hinaus konnte ich viele wertvolle Erfahrungen bei der Projektdefinition und -koordination sowie in der Lehre sammeln, die ich
nicht missen und für die ich mich ausdrücklich bedanken möchte.
Herzlich danke ich auch Prof. Dr.-Ing. Udo Carl, der mich bereits im Studium für
das Gebiet der Flugzeug-Systemtechnik begeistert hat und dessen Rat ich jederzeit
einholen konnte.
Herrn Prof. Dr.-Ing. Günter Ackermann danke ich für seine freundliche Bereitschaft,
das Zweitgutachten zu verfassen.
Die Grundlagen der vorliegenden Arbeit sind im Rahmen des Forschungsprojektes
W ISS BA S YS entstanden, das in Kooperation mit der Airbus Operations GmbH in
Bremen durchgeführt und von dieser gefördert wurde. Die offene und konstruktive
Zusammenarbeit hat nicht nur zum erfolgreichen Abschluss des Projektes geführt,
sondern auch das Promotionsvorhaben befördert. Mein Dank gilt besonders Martin
Recksiek, Harald Rechter und Christian Jourdan.
Herzlich danke ich auch allen Mitarbeitern und Kollegen, die mich während meiner
Zeit am Institut begleitet haben. Sowohl die fachlichen Einblicke in andere Forschungsvorhaben als auch das Zwischenmenschliche untereinander haben meinen
Arbeitsalltag sehr bereichert. Für die schöne gemeinsame Zeit, die oft nicht bloß auf
den beruflichen Teil beschränkt geblieben ist, danke ich ganz besonders und stellvertretend für alle meinem guten Freund und ehemaligen Kollegen Dr.-Ing. Hauke
Gülzau.
Nicht zuletzt soll der Beitrag studentischer Tätigkeiten nicht unerwähnt bleiben, so
dass ich entsprechend die Arbeiten von Thorsten Roye, Babak Tavassol und Tobias
Kreitz hervorheben möchte.
Mein ganz persönlicher Dank gilt meiner Familie für ihren Zuspruch und ihre liebevolle Unterstützung. Besonders meine Frau Kristina hat mir mit ihrem Rückhalt und
ihrem Vertrauen die nötige Kraft für das Vorhaben gegeben, dessen Abschluss diese
Arbeit darstellt.
Hamburg, im März 2012
Malte Pfennig
Inhaltsverzeichnis
Nomenklatur
1
2
Einleitung
1
1.1
Stand der Wissenschaft und Technik . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.1.1
Antriebssysteme von Hochauftriebssystemen . . . . . . . .
4
1.1.2
Rechnerwerkzeuge für den Vorentwurf von Flugzeugsystemen
6
1.1.3
Wissensbasierte Software-Systeme . . . . . . . . . . . . . .
8
1.2
Ziele und Inhalt der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
1.3
Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
Beschreibung von Hochauftriebssystemen
16
2.1
Notwendigkeit von Hochauftriebssystemen . . . . . . . . . . . . .
16
2.2
Wirkprinzip und Ausführungen von Hochauftriebssystemen . . . . .
18
2.2.1
Klappenarten zur Hochauftriebserzeugung . . . . . . . . . .
19
2.2.2
Klappenführungsmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . .
22
Antriebssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
2.3.1
Antriebseinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
2.3.2
Wellentransmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
2.3.3
Monitoring System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
Auslegungsaspekte von Landeklappenantriebssystemen . . . . . . .
33
2.4.1
Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
2.4.2
Anforderungen an das Antriebssystem . . . . . . . . . . . .
34
2.4.3
Herausforderungen der Systemdimensionierung . . . . . . .
37
2.3
2.4
3
XI
Modellierungsansätze für die Auslegung und Analyse des Antriebssystems
40
3.1
Übersicht von Transmissionsmodellen für die Systemauslegung . .
40
3.2
Analyse stationärer Betriebszustände . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
3.3
Lineare Modelle zur Analyse dynamischer Betriebszustände . . . .
44
3.3.1
Starrkörpermodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
3.3.2
Einfacher Torsionsschwinger . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
VIII
INHALTSVERZEICHNIS
3.3.3
3.4
Torsionsschwingerkette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
Nichtlineares Simulationsmodell zur Analyse dynamischer Betriebszustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
3.4.1
Modularer Aufbau eines Simulationsmodells für Landeklappenantriebssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
3.4.2
Modellstruktur der Wellentransmission . . . . . . . . . . .
52
3.4.3
Ordnungsreduktion des Wellentransmissionsmodells . . . .
53
3.4.4
Umsetzung der Modellierung mit M ODELICA . . . . . . . .
56
Diskussion der Modellierungsansätze . . . . . . . . . . . . . . . .
58
3.5.1
Bewertung von Modellierungsunsicherheiten im Vorentwurf
58
3.5.2
Anforderungen der Modellbildung an einen rechnerbasierten
Entwurfsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
Rechnergestützter Entwurfsprozess für Landeklappenantriebssysteme
64
4.1
Entwurfsprozess von Hochauftriebssystemen . . . . . . . . . . . .
64
4.2
Analyse des Entwurfsprozesses von Landeklappenantriebssystemen
68
3.5
4
4.2.1
4.3
4.4
Merkmale des Entwurfsprozesses von Landeklappenantriebssystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
4.2.2
Optimierungspotential im Entwurfsprozess . . . . . . . . .
69
4.2.3
Anforderungen und Ziele eines rechnerbasierten Entwurfsprozesses von Landeklappenantriebssystemen . . . . .
70
Konzept für ein wissensbasiertes Entwurfswerkzeug . . . . . . . . .
71
4.3.1
Beschreibungsebenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
4.3.2
Informationsfluss und Datenaustausch . . . . . . . . . . . .
75
Entwicklungswerkzeug W ISS BA S YS . . . . . . . . . . . . . . . .
76
4.4.1
4.5
Implementierungsgrundlagen zur Modellbildung in
W ISS BA S YS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
4.4.2
Benutzerschnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
4.4.3
Integration weiterer Softwaretools . . . . . . . . . . . . . .
80
Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
4.5.1
Algebraische Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83
4.5.2
Skriptbasierte Berechnungsfunktionen . . . . . . . . . . . .
84
4.5.3
Berechnung stationärer Systemkennwerte . . . . . . . . . .
85
INHALTSVERZEICHNIS
4.5.4
4.6
5
Berechnung dynamischer Lastspitzen . . . . . . . . . . . .
88
Erzeugen eines nichtlinearen Simulationsmodells . . . . . . . . . .
89
Methoden zur Lösung von Constraint Satisfaction Problemen
93
5.1
Grundlagen von Constraint Satisfaction Problemen . . . . . . . . .
93
5.1.1
Ausprägungen von CSP . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
94
5.1.2
Suchverfahren zum Lösen klassischer CSP . . . . . . . . .
95
5.1.3
Konsistenzverfahren zur Suchraumkontraktion . . . . . . .
98
5.1.4
Graphentheoretische Aspekte von Constraint-Netzwerken . 100
5.2
Die Dimensionierung von Landeklappenantriebssystemen als CSP . 102
5.3
Interval Constraint Satisfaction Probleme . . . . . . . . . . . . . . 104
5.4
5.5
6
IX
5.3.1
Intervallarithmetische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . 105
5.3.2
Konsistenzverfahren für ICSP . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Numerische Verfahren für Constraint Optimization Probleme . . . . 111
5.4.1
Globale Optimierung durch deterministische Suchstrategien
5.4.2
Globale Optimierung durch stochastische Suchverfahren . . 116
Lösungsstrategie von W ISS BA S YS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.5.1
Auswahl eines Konsistenzverfahrens . . . . . . . . . . . . . 119
5.5.2
Auswahl eines Optimierungsverfahrens . . . . . . . . . . . 121
5.5.3
Aufbereitung des ICSP für numerische Optimierungsalgorithmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.5.4
Zweistufiges Vorgehen zur Lösung von Dimensionierungsproblemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Funktionen zur Komponentenauslegung
6.1
6.2
113
127
Mathematische Grundbeziehungen zur Komponentenauslegung . . . 127
6.1.1
Dimensionierung von Transmissionswellen . . . . . . . . . 127
6.1.2
Auslegung von Lagern und Gelenken . . . . . . . . . . . . 130
6.1.3
Auslegung der Systemüberwachung . . . . . . . . . . . . . 132
6.1.4
Auslegung der Antriebseinheit . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Funktionen zur Skalierung von Komponentenparametern . . . . . . 135
6.2.1
Skalierungsfunktionen für Systemlastbegrenzer . . . . . . . 136
X
INHALTSVERZEICHNIS
6.3
7
Skalierungsfunktionen für Wellenbremsen . . . . . . . . . . 137
6.2.3
Skalierungsfunktionen für Getriebe . . . . . . . . . . . . . 138
6.2.4
Skalierungsfunktionen für Aktuatoren . . . . . . . . . . . . 140
6.2.5
Skalierungsfunktion für die Masse der Antriebseinheit . . . 144
Unsicherheitsbetrachtung der Skalierungsansätze . . . . . . . . . . 145
Demonstration der Entwurfsmethoden an Fallbeispielen
147
7.1
Beschreibung des Referenzsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
7.2
Nachprojektierung und Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.2.1
Vergleich mit Referenzdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.2.2
Systemanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.2.3
Verifikation durch Systemsimulation . . . . . . . . . . . . . 155
7.3
Entwurfsüberprüfung nach Parameteränderungen . . . . . . . . . . 157
7.4
Anwendung des Optimierungsverfahrens zur Systemauslegung . . . 160
7.5
8
6.2.2
7.4.1
Beschreibung des Dimensionierungsproblems . . . . . . . . 160
7.4.2
Lösen des Dimensionierungsproblems durch Parameteroptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.4.3
Sensitivitätsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7.4.4
Bewertung konzeptioneller Änderungen . . . . . . . . . . . 169
Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
Zusammenfassung und Ausblick
A Anhang
174
179
A.1 Komponentenmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
A.2 Vorgaben für die Systemauslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
A.3 Erweiterungen für die Dimensionierung einer Systemarchitektur . . 194
A.4 Constraint-Netze für die Dimensionierung modifizierter Systeme . . 197
Literatur
199
Nomenklatur
Die in dieser Arbeit verwendeten Variablenbezeichnungen und Abkürzungen sind
nachfolgend nach Kategorien geordnet zusammengestellt. Eine weiterführende Beschreibung findet sich jeweils im Kontext der Arbeit.
Parameter und Konstanten
Symbol
Einheit
Bedeutung
bS
c
cA
cW
d
fG
g
i
k
m
m0
mK
n
q∞
pSp
pR
pS
sG
sL
sR
sSB
t
v
v∞
B
D
E
E
Ekin
kg/(N s)
Nm/rad
−
−
m
m
m/s2
−
−
kg
kg
kg
U/min
Pa
m/rev
Pa
Pa
−
−
m
m
s
m/s
m/s
Pa m−3/2s1/2
m
−
N/m2
J
spez. Kraftstoffverbrauch
Torsionssteifigkeit
Auftriebsbeiwert
Widerstandsbeiwert
(Innen-)Durchmesser
Durchbiegung durch Eigengewicht
Erdbeschleunigung
Getriebeübersetzung
Konstante
Masse
Startmasse
Kraftstoffmasse
Drehzahl
Staudruck
Spindelsteigung
Rücklaufdruck
Systemdruck
Klappenspalt (gap) bezogen auf Klappentiefe
Klappenüberdeckung (overlap)
Reichweite
Startstrecke
Zeit
Geschwindigkeit
Geschwindigkeit der ungestörten Strömung
Blendenkonstante
(Außen-)Durchmesser
Gleitzahl
Elastizitätsmodul
kinetische Energie
XII
Epot
F
FA
FG
FS
FW
G
Iy
J
L
Nconf
Q
S
S
T
V
Wp
α
δF
δS
Δt
ϕ
γ
η
ρ
ρ∞
σb
τ
ω
Nomenklatur
J
N
N
N
N
N
N/m2
m4
kg m2
m
−
m3 /s
m2
−
Nm
m3 /rev
m3
rad
rad
rad
s
rad
rad
−
kg/m3
kg/m3
N/m2
N/m2
rad/s
potenzielle Energie
Kraft
Auftriebskraft
Gewichtskraft
Schubkraft
Widerstandskraft
Schubmodul
axiales Flächenträgheitsmoment
Massenträgheitsmoment
Länge
Validierungszyklen
Volumenstrom
Flügelfläche
Sicherheitsfaktor
Drehmoment
Verdrängervolumen
polares Widerstandsmoment
Anstellwinkel
Klappenwinkel (Flap)
Klappenwinkel (Slat)
Zeitraum
Winkelposition
Bahnwinkel
Wirkungsgrad
Dichte
Dichte der ungestörten Strömung
Biegespannung
Schubspannung
Winkelgeschwindigkeit
Matrizen und Vektoren
Symbol
Bedeutung
A
C
D
h
M
Systemmatrix
Steifigkeitsmatrix
Dämpfungsmatrix
Erregervektor
Massenmatrix
Nomenklatur
y
XIII
Koordinatenvektor
Funktionen
Symbol
Bedeutung
e
f
Exponentialfunktion
allgemeine Funktion im Zeitbereich
Mengen
Symbol
Bedeutung
C
D
N
R
R+
V
Menge aller Constraints eines Problems
Menge aller Wertebereiche der Variablen eines CSPs
Menge der natürlichen Zahlen
Menge der reellen Zahlen
Menge der nicht-negativen, reellen Zahlen
Menge aller Variablen eines CSPs
Indizes und Hochstellungen
Symbol
Bedeutung
0
asym
AM
bl
conf
BSA
del
det
DG
disc
dyn
erf
Fl
Startwert, Anfangszustand
Asymmetrie
Asymmetrie-Monitor
mechan. Spiel (engl. backlash)
confirmation
Ball Screw Actuator
Totzeit (engl. delay)
Detektion
Differenzialgetriebe
disconnect
dynamisch
erforderlich
Flansch
XIV
G
Gbx
ges
GRA
hm
HM
Hws
knick
krit
L
LH
lim
LS
max
min
nom
op
OS
OSM
out
peak
R
red
ref
ret
RH
sa
sample
Sh
stall
stat
Sp
Sys
t
T
thres
V
vol
zul
Nomenklatur
Gewicht
Getriebe (engl. Gearbox)
Gesamtwert
Rotationsaktuator (engl. Geared Rotary Actuator)
hydromechanisch
Hydromotor
Hauptwellenstrang
Knicklast
kritisch
Last
links (engl. Left Hand)
Grenzwert
lower setting
Maximalwert
Mindestwert
nominal
operativ
overspeed
overspeed-Monitor
Ausgang
Lastspitze
Reibung
reduziert
Referenz
retract
rechts (engl. Right Hand)
speed algorithm
Abtastrate
Welle (engl. Shaft)
Strömungsabriss
stationär
Spindel
System
Torsion
Transmission
Schwellwert (engl. threshold)
Verlust
volumetrisch
zulässiger Wert
Nomenklatur
XV
Abkürzungen
AC
ADIRU
APPU
ATL
CFDIU
CFK
CFRP
CS
CS
COP
CSP
CSU
DDG
DDS
BT
EA
ECAM
ELAC
ES
FAR
FAS
FC
FEM
FPPU
GA
GRA
GT
HM
ICSP
IPG
IPPU
KBG
KI
LGCIU
MAC
MEA
MOP
MRV
Arc Consistency
Air Data / Inertial Reference Unit
Asymmetry Position Pick-off Unit
Actuator Torque Limiter
Centralized Fault Display Interface
Kohlefaser-verstärkter Kunststoff
Carbon Fibre Reinforced Plastics
Certification Specifications
Cross Shaft
Constraint Optimization Problem
Constraint Satisfaction Problem
Command Sensor Unit
Downdrive Gearbox
Downdrive Shaft
Backtracking
Evolutionäre Algorithmen
Electronic Centralized Aircraft Monitoring
Elevator and Aileron Computer
Evolutionsstrategie
Federal Aviation Regulations
Flap Actuation System
Forward Checking
Finite-Elemente-Methode
Feedback Position Pick-off Unit
Genetischer Algorithmus
Geared Rotary Actuator
generate-and-test
Hydromotor
Interval Constraint Satisfaction Problem
Input Gearbox
Instrumentation Position Pick-off Unit
Kink Bevel Gearbox
Künstliche Intelligenz
Landing Gear Control and Interface Unit
Maintaining Arc Consistency
More Electric Aircraft
Multiobjective Optimization Problem
Minimum Remaining Values
XVI
NCSP
PJ
PDU
POB
RAG
SA
SAS
SB
SEC
SFCC
SJ
STL
TP
UJ
UML
VC
VDHM
VDI
WTB
Nomenklatur
Numeric Constraint Satisfaction Problem
Plunging Joint
Power Drive Unit
Pressure Off Brake
Right Angle Gearbox
Simulated Annealing
Slat Actuation System
Steady Bearing
Spoiler and Elevator Computer
Slat Flap Control Computer
Spline Joint
System Torque Limiter
Tolerance Propagation
Kardangelenk (Universal Joint)
Unified Modeling Language
Variable Camber
Variable Displacement Hydraulic Motor
Verein Deutscher Ingenieure
Wing Tip Brake
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