Das Projekt IGREEN war in 5 fachliche Hauptarbeitspakete unterteilt.
Das Referenzflugzeug
Als iGREEN Konfiguration wurden Konzeptentwürfe aus dem DLR Projekt LamAiR für die aeroelastische Gesamtbewertung herangezogen. Für die aeroelastische Bewertung wurden erste strukturmechanische Modelle für die gesamte Konfigurationen erstellt. Im Unterschied zur LamAiR Konfiguration wurde isotropes Material (z.B. Aluminium) benutzt.
Strukturmodell für die aeroelastische Analyse
Komponentenweise wurden Finite-Elemente-Modelle mit dem Programm ModGen aufgebaut und zu einem Gesamtstrukturmodell integriert. Während die flügelartigen Komponenten mit Schalenelementen modelliert sind, wird der Rumpf über Balkenelemente idealisiert. Die Dimensionierung der Flügel und des Leitwerks erfolgt über den weiter unten skizzierten Lasten-, Dimensionierungsprozess. Die Ermittlung einer repräsentativen Steifigkeits- und Strukturmassenverteilung für den Rumpf basiert zum einen auf einem physikalischen analytischen Ansatz, in dem geometrieabhängige Parameter, wie Rumpfdurchmesser, angenommene mittlere Wanddicke oder Lage des Flügels in x-Richtung eingehen. Zudem werden die ermittelten Strukturgrößen (Steifigkeiten und Massen) mit Korrekturfaktoren parametrisiert, die aus Steifigkeits- und Massenverteilungen von verfügbaren Rumpfstrukturmodellen stammen. Bild 16 zeigt einige strukturelle Eigenmoden des Strukturmodells.
Massenmodelle
Die für die dynamische aeroelastische Auslegung eines Flügels wichtige Massenabschätzung erfolgte für die Vorder- und Hinterkante des Flügels über statistikbasierte Methoden. Die Massen des Ruders der Höhenleitwerksflosse werden über ein Schalen FE-Modell berechnet, mit dem auch Massenträgheitsmomente gut modelliert werden. Das Gewicht der Steuerflächen stammt ebenfalls aus einem statistikbasierten Ansatz. Für den Rumpf wurden die Massen der Systeme, Ausstattung, operationeller Massen, Passagiere und die Beladung aus Daten des Vorentwurfsprogramms PrADO der TU-Braunschweig entnommen und aufbereitet. Für die Masse des Hochauftriebssystems stehen zwar bei konventionellen Flügeln empirische Methoden zur Verfügen, der vorwärts gepfeilte Flügel der iGREEN Konfiguration liegt aber außerhalb des Gültigkeitsbereichs dieser statistischen Verfahren. Daher wurde das Hochauftriebssystem mittels eines Finite Elemente Balken- und Schalenmodells ausgelegt. Dies wurde mit dem neu entwickelten Modellgenerator ELWIS (Finite Element Wing Structure) von LY erstellt, der auf einem wissensbasierten Ansatz beruht. ELWIS basiert auf dem hierarchischen DLR Datenmodel CPACS, es generiert ANSYS Finite Elemente und Mehrkörper Simulationsmodelle in einer Komplexität, die neben den Rippen, den Holmen und der Haut des Hauptflügels die Klappen und Klappenführungsmechanismen enthält. Es generiert auch den Input für das Vortex-Lattice Programm AVL für die statische aerodynamische Lastenrechnung, sowie Input für den Algorithmus zur strukturellen Dimensionierung. Das Hochauftriebssystem ist in konventioneller Bauweise in Aluminium und Titan ausgeführt und wird nach ‚Fully Stressed Design‘-Kriterien dimensioniert (Bild 17).
Lasten-, Dimensionierungsprozeß (LDP)
Ein iterativer Lasten- und Dimensionierungsprozess wurde für die iGREEN-Konfiguration entwickelt und angewendet. Dabei wechseln sich die Ermittlung der Lasten und die folgende Dimensionierung ab bis das Strukturgewicht komponentenweise zu einem Wert konvergiert. Im ersten Iterationsschritt wird die Struktur als unendlich steif angenommen und die Masse über einen Massepunkt in einer vorgegebenen Schwerpunktlage modelliert. Bei den im LDP verwendeten Lasten handelt es sich um Manöverasten, die mit MSC.Nastran SOL144 als Trimmanalysen simuliert werden. Die symmetrischen Manöverlasten sind Abfangmanöver für ausgewählte Punkte der Flugenveloppe und Massenkonfigurationen (maximale vordere und hintere Schwerpunktlage) und dienen hauptsächlich zur Dimensionierung der Flügel. Antisymmetrische Manöver wurden entsprechend definiert (z.B. Schieben bei maximalem Ruderausschlag) und als stationäre Trimmmanöver simuliert, um das Leiterwerk zu dimensionieren. Die Lasten für einen Landelastfall wurden mit dem DLR-AE intern entwickelten Programm LG-Design berechnet.Die so ermittelten Lasten werden bei einem ModGen Lauf komponentenweise in Schnittlasten umgerechnet und schnittweise eine einhüllende für die Querkraft, das Biegemoment und das Torsionsmoment gebildet. Diese werden bei der in ModGen implementierten Schnittlastdimensionierung verwendet. Für die so dimensionierten Komponentenstrukturmodelle werden abschnittweise mit MSC.Nastran die Massendaten ermittelt (Masse, Schwerpunkt und Trägheitsmomente) und in ModGen mit den übrigen verfügbaren Komponentenmassen in die Masterknoten integriert. Nach der ersten Dimensionierung der Struktur mit Lasten des starren Flugzeugs wurden die Manöverlasten für das elastische Flugzeug ermittelt und wiederum eine Dimensionierung mit ModGen durchgeführt. Fünf durchgeführte Dimensionierungsiterationen (eine Iteration mit Lasten des starren Flugzeugs, vier Iterationen mit Lasten des elastischen Flugzeugs) führten zu einem konvergierten Entwurf für die tragende Flügelstruktur.
Bei der Dimensionierung änderte sich das gesamte Gewicht der Primärstruktur der Flügel über die Iterationen kaum, aber die Materialdickenverteilung von innen nach außen änderte sich, vgl. Bild 17.Die Torsions-divergenz stellt bei vorwärts gepfeilten Flügeln ein wichtiges Kriterium dar, das nach jedem Dimensionierungsschritt überprüft wurde. Es ergab sich keine Divergenz innerhalb der vorgegebenen aeroelastischen Stabilitätsenveloppe.Die jeweiligen Strukturmodelle der iGREEN Konfiguration wurden in einer vertiefenden Flatteranalyse, bei der auch gyroskopische Effekte untersucht werden sollen, benutzt. Zur Ermittlung von Böenlasten wurden Strukturmodelle mit extremen vorderen und rückwärtigen Schwerpunktlagen bereitgestellt und entsprechende Böenanalysen durchgeführt, siehe oben.