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