CN102695840A - 弯曲的气动梁 - Google Patents

Abstract

按照本发明的弯曲的气动梁具有一个可充气的壳罩，具有一个在工作压力下沿着长度穿过这壳罩的连板，这连板具有一个压力构件和一个拉伸构件。梁的曲率通过应用来规定，并且预先确定地通过壳罩和连板的冲裁模来产生。

Description

弯曲的气动梁

技术领域

本发明涉及一种按照权利要求1的前序所述的伸长、弯曲的气动梁。

背景技术

伸长的气动梁在技术背景中是已知的，其特征在于一种直的、一般为圆柱形或者心轴形的可承载的物体，其中沿着纵向在物体上有一个压力构件，其端部与柔性的拉伸构件连接，后者呈螺旋线状围绕物体而卷绕，正如WO01/73245所示的那样。

因此可以承受一种垂直作用在压力构件上的均布载荷；而在非均布载荷时，承载力较小。

这样的梁具有以下优点：它们可以承受与其重量相比大得多的载荷（例如两个这样的梁，其重量各为大约70kg，长度8m，它们能够作为可以加上载荷的桥而支承起一个汽车），而且它们在折叠状态下可以方便地进行运输。同时装配特别简单：梁由于其刚性而可以用其节点基本上简单地放置在支承部位上。

在所列的公开专利中建议：将这样的梁相互并列地连接合并成一个复合件，并因此形成一个可承载的面，它假定是一个平台或者一个顶盖面，这样最佳地满足梁的承载能力。

此外还建议：一个梁设计成圆环形，从而压杆就形成一个具有至少一个节点的圆。根据这方案，一个这样的梁可以承受径向指向其中心的载荷。事实上梁的凸起的（也就是说向着载荷作用处的）一侧适合，而凹下侧就不适合，这是因为在那里载荷的作用来自一个并没有设计考虑的方向。因此这样一个梁只能用于周围均匀或者不变地作用的载荷这样的特殊情况。要是这样一个梁可以从一个方向承受载荷，那么必须在梁的加载部段的两边，设有在一个支座上静止的节点。那么梁的其余部位不承载，并且因此也没有不许可地承载，正如在没有附加节点时可能的那样。换句话说，梁的其余部位是不需要的，并且可以取消。

因此出现了下面所述的WO2005/007991的情况，这里介绍了一种弯曲的梁，其端部从外面固定，这个梁具有一种成型的桁架，设计成固定夹紧在支座上的压力构件

这样的梁的各种不同的改进设计方案涉及到性能的改进，例如承载性能方面和梁组装成一个更大的单元方面，如优选为顶盖面的单元。

在WO2007/071100里表示了一种半圆形弯曲的气动梁（图10），然而它通过平行撑杆具有一种成型固定的内桁架，并且因此“即使没有气动中空物体也是预稳定的”。因此气动梁的设定优点就不再起作用了。

在WO2005/007991里表示了一种心轴形的气动梁，具有对峙布置的压力-和拉伸构件，其中“压杆3和拉伸元件4”位于“载荷矢量的作用平面里”。为了使这种梁也可以用于反向作用的力，将拉伸构件改变设计成一种压力-/拉伸构件。在另外一种实施例中公开了：这种梁设有若干个围绕其圆周均布的压力-/拉伸构件，以便可以承受从不同方向指向梁的载荷。因此形成一个由压力-/拉伸构件组成的保持架，它相当于一个固有稳定的桁架，该桁架即使没有压力也可以在可承载的物体里被加载。此外还表示了一个弯曲的梁，然而梁的端部必须从外面固定，或者通过支座，或者通过附加的拉伸元件，这元件与施加的载荷无关地将两端固定。这种梁因此也具有一种成型的桁架，设计成压力-/拉伸构件，这构件在物体里有压力或者没有压力时，使梁的形状固定住。

在WO2007/071100里，试图使梁平面地伸长，其中通过连板连接的，成横梁和肋材形式的压力-/拉伸构件布置成一种在梁里固有稳定的桁架，而且其中压力物体的壳罩则满足了固有稳定桁架的张紧。

结果是有一种吸引人的用于设计气动梁的设计方案，但有以下缺点：这样的梁只适合于桥、平台和顶盖，因为在那里载荷矢量布置在一个包含有压力构件和拉伸构件的垂直平面里。对于其它情况在物体里必须设有一个固有稳定的桁架，因此就不能实现本身可以想到的方案方面的优点。

尤其是在飞行物体的部位里需要有梁，它们与重量相比可以实现高承载。直的，有可能平面的梁，即使这些梁在剖面中具有心轴状等等的轮廓，然而也不太适合，这是因为尤其是在支承面方面还有其它的要求。

目前越来越多地使用飞行物体，如风筝，其中技术上利用了通过亚麻绳传递的拉力。例如对于船舶来说，如MS 白鲸天帆，一种集装箱货船，其长度大于140m，它具有一个牵拉风筝形式的辅助驱动，这风筝在风力强度3至8浦福氏等级时，飞行在几百米的高度上。

在陆地上有支持的风筝可以用于备选地获得能量。

始终有利的是：将这样的风筝保持在一定的高度上，它也可以达到一或者几公里。那么就消除了由于接近地面而造成的附加的风流不规则性；在一定高度上风流比在近地面时均匀得多。此外在一定高度上风速一般同样也更高（而且因此风的能含量）。1919已经达到的，今天还适用于风筝的高度世界纪录（通过一个由8个遮帘风筝组成的风筝链达到 ）为9740m。

可能限制风筝可以达到飞行高度的亚麻绳，或者说它的断面，对于一种飞得更高的风筝来说具有不可低估的作用。模拟模型表明：对于展翼达到8m（那么面积也许为11m²）的风筝和直径为1.0mm的亚麻绳来说，就难于克服1Km的飞行高度。在这一一种飞行高度时，亚麻绳的长度达到了大约2Km，因为风筝当然不可能垂直地位于锚固点的上方。亚麻绳的断面面积相应地达到2 m²。两个这样的亚麻绳，它们侧面作用在风筝的翼端，断面积为4 m²），它只是起制动作用，而不产生升力。

在滑动遮帘形式的半圆形弯曲的风筝时事必需有两个亚麻绳，这是因为一方面通过半圆将风筝面稳定地压紧在圆弧里，而另外一个方面可以通过其中一根亚麻绳里的拉力来控制风筝。例如在水上运动所用的风筝飞机，它们在边缘具有一种可以承载的，跟随半圆形轮廓可以承载的凸起。该凸起由多边形的直的柱形部段组成，并且确保了风筝飞机的漂浮性。

风筝必须有一种控制装置，它尤其也用于根据局部的风扰动来平衡或者用于修正危险的飞行位置，因为有些风筝，取决于其类型，是气动不稳定的，并因此必须有控制机构，或者其结构应使它们具有明确不同的飞行性能。例如控制机构如果置于一个在风筝之下悬挂在风筝上的平台里，如在MS白鲸天帆中就是这样，那么风筝的可利用功率就减小。如果控制机构，如在通常的风筝时，位于地面上（例如设计成风筝驾驶器），那么若干根亚麻绳不可避免地在全长上具有相应不利的大横断面积 。

只是用一根亚麻绳就能可靠飞行的气动稳定的风筝必须具有相应规定的表面形状。

发明内容

相应地本发明的任务是，提出一种用于构建具有规定的飞行性能，如气动稳定性和/或气动效率的风筝的结构，但它只是很少地加大飞行物体的重量。

这个任务通过一种具有权利要求1的特征的弯曲的、气动梁和通过按照权利要求13所述、用于其制造的方法来解决。

由于梁设计成至少局部弯曲的，可以将其应用于例如一种风筝的构建，因为它在其成型中可以按照所希望的气动条件来设计确定，这就赋予了风筝规定的飞行性能。由于这种成型通过壳罩的冲裁模来产生，因此取消了否则的话对于成型来说必要的内部桁架元件或者布置在梁之外的、成型的拉伸元件（它们则又可能不利地影响到梁里的受力分布）。此外也还可以用曲率来确定压力构件的位置，从而使得按照发明的梁可以承受来自不同方向的不规则作用的载荷，而不必应用更多的材料或者设置外支座。

总之提供了一种梁，它允许风筝具有所希望的结构形式，而并不会很大地加大其结构重量。

显然这样一种梁可以应用于所有的目的，也包括在飞行物体结构之外，也就是说 在具有可以匹配于使用目的的曲率和预先规定的不同载荷作用的气动梁符合期望的地方。

附图说明

这样一种气动梁的一个实施例以下根据附图加以详细说明。其中：

图1  由按照本发明的气动梁组成的风筝结构的一个视图，其中表示了对称结构的一半；

图2a和2b  图1的结构从上面看的一个视图和一个从前面看的视图；

图3 具有透视表示的壳罩的风筝的横梁，因此可以见到连扳的布置；

图4  图3所示装置的另外一个视图，其中可以见到拉伸构件的布置；

图5a至5c  图1所示装置的冲裁模。

具体实施方式

在图1中表示了一个风筝1的左半部结构，其中其右半部设计成与其对称，并因此省略以简化附图。表示了一个设计成横梁2的梁，它构成了风筝1的 前边棱，以及表示了一个纵梁3，它与横梁2连接，并拉紧住通过辅助线4表示的风筝的承载面5。此外表示了从横梁2向后离开的副梁6。承载面5可以通过一个张紧装置来产生，这装置设置在横梁2、副梁6和纵梁3之上。这可以通过专业人员以合适的方式来完成。

根据所希望的飞行性能，这尤其也包括了风筝的气动稳定性或者气动效率，专业人员可以确定承载面5的由此得出的形状，并由这形状又确定横梁2、梁6和纵梁3的形状。这里横梁2向上，而且也向下，也就是双重弯曲，然而使得它对于最小的流动阻力来说，用其窄边8始终指向前。

副梁6在其上边设计成对应于所希望的面5。纵梁同样也这样，其中其上边11弯曲更强。此外横梁2、副梁6和纵梁3构成一个由各个气动梁组成的桁架，这桁架适合于支承住风筝1的张紧装置。

为了表示出方向，双箭头12，13用方向12表示出向上，方向13表示出向下，以及双箭头14，15用方向14表示出向前，用方向15表示出向后。

横梁2、副梁6和纵梁3设计成伸长、弯曲的气动梁，各有一个基本上无弹性的壳罩9，后者充有处于小的过压（例如工作压力为5至10kpa）的气体。

壳罩9由一种很少弹性的，柔性材料组成，优选是一种织物，特别优选是气密的。在壳罩9里可以备选地置入由气密材料组成的可充气的气包，它们可以像这样是可伸长的；那么壳罩9也可以设计成非气密的。一种适合的材料是PU（聚氨酯）涂覆的顶凸条状（ ripstop-）织物，正如它以ICAREX商标所推广应用的那样。横梁2在端部是封闭的，因此它可以经受工作压力，并且然后保持附图所示的形状。所示的形状对应于一个翼展为8m风筝的CAD-视图 ，风筝在升力为大约100kg时，通过亚麻绳对应地传递大约100kg的拉力。

这样一种风筝的成套飞行重量达到大约3kg。

在附图中在横梁2里可以见到一个收缩19，这收缩通过布置在横梁2里的柔性连扳20而引起，这连板使横梁2沿着其长度穿过地与壳罩9的加压壁板连接。在工作压力下使连板20张紧，从而产生收缩19。在连板20的这里上部的纵向边棱21上布置有一个压力构件22（图3）以及在这构件本身里有一个拉伸构件23（图3），其中这些构件22，23与连板20连接，使横梁2在工作压力下提高可承载性。

专业人员按照飞行中可望出现的载荷作用来确定连板20、压力构件22和拉伸构件23的位置和布置，其中这种载荷作用也可以包括在违反本意的飞行位置时出现的力。那么有利地使连板20的布置以及压力构件22和拉伸构件23的布置都针对最大的力，也就是说，使得它们尽可能大多数位于连板的平面里。横梁2（和其它的气动梁）的曲率则鉴于特别的载荷来预先确定，其中这种曲率然而对于正常的飞行位置那就并不是最佳的。因此在工作载荷下由于产生的载荷而使压力构件22和连板20发生变形，但是这种变形令人惊奇地对于弯曲梁，这里是横梁2的机械稳定性影响不太大。要是梁或者说横梁2（或者纵梁3以及副梁6）按照很高的加载峰值来设计的话，那么鉴于稳定性，指出了通过专业人员可以容易实施的试验。在一种用于只是较小加载的实施形式中，可以将拉伸构件23作为这样的构件在连板里去除，因为在连板和压力加载的壳罩之间的连接部位，一般是一个缝，对应于连板里的一个加强的部位（而且也可以适合地与正常的缝相比进行加强）。这样一种加强的缝承受小的拉伸载荷，并且因此实现拉伸构件23的功能。同样也可以，加强非弹性壳罩9所选出的局部壁，例如用接缝或者组成壳罩本身那样的粘贴材料。那么梁可以更好地承受通过并不位于连板平面里的力而引起的更高的载荷。这样的加强优选地设计成与一个拉伸构件23相组合。

在另外一种实施形式中，拉伸构件23可以用拉伸-/压力构件代替（后者也可以承受拉伸，但在一种来自反向的载荷时，起压力构件的作用）。这样的代替基本上可以在按照本发明的弯曲气动梁的所有实施形式中进行。

图示的布置是一个飞行物体的实例；对于其它任意的应用场合，气动梁可以具有另外一种曲率，并且可以设计用于另外一种预先规定的、一般的载荷分布。

图2a和2b表示了图1的构造，但分为一个前面的视图（图2a），和一个上面的视图（图2b）。相同的元件采用与图1一样的标号。可以见到对称平面24以及横梁2的向上弯曲（图2a），和在横梁2的旁边，通过张紧装置所给定的承载面5的后部终端25以及横梁2向下的弯曲（图2b）。

图3表示了图1的横梁2从侧上方看的视图，略向后偏移。横梁2的外壳罩9透明表示，并用辅助线指明。线26至30表示了处于工作压力的壳罩9的、并因此横梁2的不同横断面，从里向外；26是横梁2在对称平面里的断面，这对称平面在图1中将横梁和纵梁3分开。30是横梁2端部的横断面。此外表示了辅助线31和32，它们沿着横梁2的侧面，从其位于对称平面里的中心一直布置到横梁2的外端。

附图最后表示了连板20，用它的上部纵向边棱21，它的下部纵向边棱36和它的外端37。可以见到弯曲形状的连板20，它一方面向上和向下布置，而另一方面附带地围绕其纵轴线转动，从而在横断面26里出现其指向后的面39，而在横断面28里则出现其指向前的面40。

这里压力构件22侧向一直伸展到节点42，拉伸构件23作用在这节点上。向外突出于节点42的横梁2部位在飞行时受载较小，并且附带地用作为风筝1着陆时克服冲击的气体安全保护囊。根据按照本发明的横梁2的结构，这横梁虽然可以承受取决于运行情况的高的负载；但为此所足够的压力构件22的尺寸大小（夸张地，由于优化的轻结构）绝对不足以无损伤地克服在着陆时的强烈冲击。如果并不希望有一种这样的保护，那么可以使节点42布置在气动梁，这里是横梁2的端部处。

令人惊奇地已经表明：并不强制地将压力构件22完全布置在连板20里。根据梁的曲率变化曲线，压力构件也可以局部地有一些布置在其纵向边棱35的旁边，也就是说在壳罩9里的连板20之外，其中在拉伸构件23和连板20之间的壁部则起到稳定的作用，也就是说将连板20里的载荷传递到压力构件22上。压力构件22则总是还能运行地配合于连板20的各自纵向边棱35.。拉伸构件23同样也可以局部地布置在连板20之外，优先在纵向边棱36（它与纵向边棱35对峙布置）旁边，壳罩9的受压壁里，可以运行地配合于这边棱。

图4表示了图1所示的横梁2，它具有连板20的、压力构件22的和拉伸构件23的走向。这里显然，拉伸构件23在连板20的一个大的长度部段上布置在其中，并且只是紧靠横断面26之前才进入纵向边棱36里。拉伸构件的变化取决于横梁2的预定载荷，并且可以，必要时通过试验，由专业人员进行优化。

在气动梁的另外还有一种实施形式中可以设有若干个连板，或者相互并排地在连板长度上穿过连板，或者逐段地一前一后，使得气动梁最佳地按照预定的载荷情况来确定，这载荷情况包括从不同的方向上，不同大小的载荷作用。相互并排过来的连板（各自配合有压力-和拉伸构件），使得连板例如在相同的位置上，提高了克服来自不同方向上的作用载荷的稳定性，或者允许通过另外连板的一种更有利的曲率，来补偿一个连板在这个部段里不利的曲率（由于在另一个部段里的比例关系而引起）。如果在梁的一个直线部段里只是出现位于其纵轴线上的压力载荷（或者根本没有值得一提的载荷），那么例如可能应该设有逐段一前一后布置的连板。

当然不仅横梁2，而且所有的气动梁（按照图1所示的实施形式，纵梁3和副梁6），可以如上所述来设计。气动梁，如在图1中举例所示那样，尤其是可以连接成一个桁架。那么并没有一种布置在一个气动梁里并且支承它的桁架（开头所述的技术背景），而是一种由气动梁构成的桁架。在一个由气动梁组成的桁架里的桁架节点优选地这样设计，使得梁在端部被布置在另外一个方向上的另外一个梁局部穿过，正如这在图1中举例来说，按照副梁6和端部穿过这副梁的横梁2所表示的那样。

优选通过各自气动梁的相互对接的壳罩的缝合进行固定。被穿过的梁的压力-和拉伸构件则可以用连接于另一个梁的壳罩上的端部适合地固定在这梁上，例如通过在一个布置于这壳罩上的袋囊里的缝合。也可以，使压力构件与贯穿梁的压力构件连接。一种这样的桁架令人惊奇地刚性好。

按照本发明的弯曲的气动梁可以，如结合图1详细说明的那样，按照一种预定的载荷来设计，并且在其形状方面，包括连板和压力-和拉伸构件的布置走向，进行确定。通过CAD（计算机辅助设计）则可以表示出梁展开到平面里，这得出一种壳罩的冲裁模，也就是说梁和附属的连板的实体。如果建立起这种用于制造梁的冲裁模，并且缝合起来，那么在工作压力下得出至少一个弯曲梁段的预定曲率。有点弯曲弹性的压力构件跟随这曲率，这是因为即使工作压力小，也产生很大的、使壳罩和连板预紧的力。即使当应用一种预弯的压力构件（例如由可弯曲的石墨纤维管制成）时，这构件也不能经受住通过工作压力引起的预紧力，并且占据预定的位置。因为压力构件应该基本上经受住压力，但不经受或者只是经受次要的弯矩（在连板的位置上，防止了由于这连板和预紧的壳罩而引起的折弯），因此其尺寸可以相应设计得较小，其优点在于：其重量只是不大地提高了气动梁的重量，然而却大大提高了它的可承载性。如果拉伸构件如上所述由压力构件代替，那么同样也是这样。压力构件的弯曲弹性允许弯曲的气动梁有弯曲弹性，以及这里风筝1的支承面5有弯曲弹性，这对于一个飞行体来说是必要的，而且对于其它用途也可能是有利或者必要的。

在一种优选的实施形式中，使展开分解，从而产生一种有若干个零件组成的冲裁模，它们由专业人员符合加工要求地设计，从而使加工时组合成一体更容易。

在组合成一体时，一方面通过梁的冲裁模，另一方面通过与加压壁的连接部位的走向得到在气动梁里的连板布置走向。

图5a，5b和5c表示了在图中所示的，风筝1或者说它的横梁2的左半部的CAD-冲裁模。图5a简略表示了附图5b和5c的各个冲裁模部分40至50的位置，其中一个界面通过短的虚线表示。只是三个冲裁模部分，也就是连板20的冲裁模部分45，和一个上面缝合在这部分上并且指向前面的冲裁模部分46，以及一个向下缝合在这部分上并且指向后面的冲裁模部分40，伸展布置在图1所示横梁2的部件的整个长度上。其它的冲裁模部分41，42和47，49从横梁2的中间（也就是从对称平面24起）向外伸展，其中接着分别是另外一个冲裁模部分43，44和48，50，并且一直伸展到横梁2的外端。

冲裁模部分40至50的双线或三线表示了界面处的重叠部位；单线表示了副梁6或者说纵梁3连接于横梁2的位置。

Claims (13)

1.伸长的、弯曲的气动梁，具有一个可充气的、基本上为非弹性的壳罩，具有一个沿着长度穿过这壳罩的柔性连板（20），这连板沿着其纵向边棱（35，36）与可充气壳罩的、可加压的壁连接，其中一个伸长的压力构件（22）可运行地配合于连板（20）的纵向边棱，其特征在于，梁设计成在工作压力下至少局部在其长度上有预定的弯曲，其中至少这梁段的曲率通过梁体的冲裁模产生，而连板（20）在梁里的布置通过其冲裁模和与加压壁的连接部位的布置走向来产生。

2.按权利要求1所述的气动梁，其特征在于，连板（20）至少局部设计成弯曲的，而曲率优先遵照梁的曲率。

3.按权利要求1或者2所述的气动梁，其特征在于，在连板（20）里布置了一个拉伸构件（23）或者另外一个拉伸-/压力构件，它用至少其一个端部与压力构件（22）在一个节点（42）里连接。

4.按权利要求1至3中之一所述的气动梁，其特征在于，一个拉伸构件（23）可运行地配合于压力构件（22），这拉伸构件至少局部地布置在连板（20）之外，优先在壳罩（9）的加压壁里，在对峙于压力构件（22）布置的连板（20）纵向边棱旁边。

5.按权利要求1至4中之一所述的气动梁，其特征在于，一个拉伸构件（23）可运行地配合于压力构件（22），而拉伸构件（23）具有加压壁的加强，优先是一种加强缝，特别优选地是一个布置在壁部里的平面加强部段。

6.按权利要求1所述的气动梁，其特征在于，压力构件（22）与连板（20）的纵向边棱（35）连接。

7.按权利要求1至6中之一所述的气动梁，其特征在于，连板（20）穿过梁，基本上在其整个长度上。

8.按权利要求1至7中之一所述的气动梁，其特征在于，这个梁在其长度上逐渐变小。

9.由按照权利要求1至8中之一所述梁组成的桁架。

10.由按照权利要求9所述梁组成的桁架，其特征在于，在一个桁架节点里一个梁的端部被在另一个方向上延伸的另外一个梁局部穿过，而且其中压力构件（22）和配合于这压力构件的拉伸构件（23）或者拉伸-/压力构件相互独立无关地固定在另外一个梁上。

11.按权利要求10所述的桁架，其特征在于，压力构件（22）和/或拉伸构件（23）固定在另一个梁的加压壁上，优先在一个布置于另一个梁的壁上的袋囊里。

12.具有一个按权利要求1至8中之一所述梁，或者具有一个按权利要求10至11中之一所述桁架的飞行物体。

13.用于制造一种按权利要求1所述气动梁的方法，其特征在于，根据预先确定的梁的负载来确定其几何形状，包括其曲率，连板（20）的布置走向和设定的压力-/拉伸构件的布置，并且然后确定壁和连板（20）的展开，并最后在展开中确定冲裁模，后者在将预定弯曲的梁与预定布置在其中的连板（20）结合在一起之后产生形成。

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