DE69700986T2

DE69700986T2 - Rohrförmiges gestell

Info

Publication number: DE69700986T2
Application number: DE69700986T
Authority: DE
Inventors: Laurence Holden
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-02-19
Filing date: 1997-02-17
Publication date: 2000-08-17
Anticipated expiration: 2017-02-18
Also published as: AU1803397A; AU709907B2; GB9603476D0; ATE187995T1; US6343452B1; WO1997030236A1; DE69700986D1; EP0882163B1; CA2281766A1; EP0882163A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein rohrförmiges Gestell.
Die Wabe ist wohlbekannt in der natürlichen Umgebung und ihr Vorteil im Festigkeits/Gewichts-Verhältnis ist wohl dokumentiert.
Der Festigkeits/Gewichts-Verhältnisfaktor ist ein fortbestehendes Problem in der Flugzeug- und Raumfahrt-Industrie. Der größte Prozentsatz des strukturellen Gewichts von kommerziellen Flugzeugen ist durch die Struktur der Hauptzelle und der Außenhaut in Kombination vorgegeben, so daß in diesem Bereich eine Verbesserung gesucht wird. Der Typ von Flugzeugrumpfstrukturen kommerzieller Flugzeuge, die gegenwärtig in Gebrauch sind, ist hauptsächlich durch Spanten und Längsversteifungsträger vorgegeben, die durch eine Außenhaut abgedeckt sind. Ein anderes fundamentales Problem in einer Flugzeugstruktur liegt in der Metallermüdung, die hauptsächlich durch Verbindungsfluktuationen hervorgerufen wird und zur Schwächung, zum Bruch oder sogar zum Totalausfall führt.
Die US A 4 674 712 offenbart ein Flugzeug aus Verbundmaterial mit einem Doppellappen-Flugzeugrumpf-Querschnitt. Der Flugzeugrumpf umfaßt eine Doppellappen-Hülle, eine innere Mittelstütze in der Vertikalebene und eine innere Plattform, die zentral durch die Stütze abgestützt ist, wobei alle aus Verbundplatten gebildet sind, die Graphit-Wabenkerne mit vorgespannten Schichten aus Graphit-Faserhäuten umfassen.
Die CH A-571 130 offenbart ein Gerippe, das für den Aufbau von Fabrik- und Warenhäuser-Gebäuden geeignet ist, die aus einzelnen, leichtgewichtigen, kompakten, strukturellen Komponenten zusammengebaut werden können. Das Gerippe kann in der Form einer Teilkugel oder eines Teilzylinders sein. Die Komponenten sind in der Form von Polygongestellen, die zusammengebaut sind, um ein Wabenform-Gerüst vorzugeben. Ein Hauptvorteil ist vermerkt, der darin liegen soll, daß die einzelnen Komponenten relativ billig herzustellen sind und bequem zu dem Ort des Aufbaus transportiert werden können, wo sie leicht miteinander verbunden werden können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein rohrförmiges Gestell vorgegeben, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Gestell eine Wabenstruktur aufweist, deren Zellen auf dem Umfang und in Längsrichtung des Gestells angeordnet sind und das dadurch gekennzeichnet ist, daß diese Zellen alle mindestens fünfeckig sind und ihre Seiten durch längliche Strukturelemente ausgebildet sind, die auf dem Umfang des Gestells liegen und deren Längsrichtungen auf dem Umfang der Zellen angeordnet sind.
Dank der Erfindung kann das rohrförmige Gestell von größerer Festigkeit sein, als wenn es eine Wabenstruktur umfassen würde, die aus rechteckförmigen Zellen besteht. Das vorliegende Gestell besitzt überlegene axiale, torsionsmäßige und seitliche Steifigkeit, so daß es eine starrere Struktur vorgibt, wobei die Faktoren, die die Metallermüdung hervorrufen, vermindert werden können.
Es ist möglich, einige der Belastungen zu verschieben und aus einem unterschiedlichen Aspekt auf die Entwurfskriterien zu schauen, indem die vorliegende stärkere und starrere Struktur einer Konfiguration eingeführt wird, die geeignet ist, ihre Funktion auszuführen, und durch ein besseres Verfahren der Herstellung.
Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf Flugzeugzellen, Brückenstrukturen, Druckgefäße, Modellflugzeuge, Abdämmungen, Schiffshüllen, rohrförmige Verstärkungen, Verpackungen, Säulen und Balken, Achsen und vorgefertigte Gebäude.
Um ein Ausführungsbeispiel der Erfindung leichter zu verstehen und leicht in die Praxis umzusetzen, sei nun im Wege eines Beispiels Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen, in welchen:
Fig. 1 eine Endansicht einer Flugzeugzelle ist, die eine kreisförmigzylindrische Wabenstruktur umfaßt,
Fig. 2 eine Teil-Seitenansicht des Flugzeugrumpfes mit entfernter Außenhaut ist,
Fig. 3 eine Teil-Draufsicht auf den Flugzeugrumpf mit entfernter Außenhaut ist,
Fig. 4 eine innere Endansicht einer alternativen Version einer Zelle des Flugzeugrumfes ist,
Fig. 5 eine Seitenansicht eines gestreckten; gewellten Elementes aus einer Vielzahl von identischen Elementen ist, aus denen eine Wabenstruktur ähnlich zu der von Fig. 1 hergestellt werden kann,
Fig. 6 eine Ansicht ähnlich zu Fig. 2 ist, aber von einer anderen Version der Wabenstruktur,
Fig. 7 eine Seitenansicht eines gebogenen, gewellten Elementes aus einer Vielzahl von identischen Elementen ist, aus denen die Wabenstruktur von Fig. 6 hergestellt werden kann,
Fig. 8 eine innere Endansicht einer Zelle von mehreren identischen Zellen ist, aus denen die Wabenstruktur von Fig. 6 hergestellt werden kann,
Fig. 9 eine abgewickelte perspektivische Ansicht einer weiteren Version der Wabenstruktur ist,
Fig. 10 eine innere Endansicht einer Zelle der Wabenstruktur von Fig. 9 ist,
Fig. 11 eine abgewickelte ebene Ansicht einer noch weiteren Version der Wabenstruktur ist,
Fig. 12 eine Teil-Endansicht einer Wabenstruktur von länglichem Querschnitt ist, und
Fig. 13 eine Ansicht ähnlich zu Fig. 7 eines gebogenen, gewellten Elementes zur Verwendung in einer Wabenstruktur ist, welches intern und extern abgeschrägt ist.
Gemäß den Fig. 1 bis 3 umfaßt ein Flugzeugrumpf 1 ein kreisförmigzylindrisches rohrförmiges Gestell 2, das außen durch eine Außenhaut 3 abgedeckt ist. Das Gestell 2 besteht aus einer kreisförmig-zylindrischen Wabenstruktur bestehend aus hexagonalen Zellen 4, die um den Umfang des Gestells 2 und entlang des Gestelles 2 verteilt sind. Gegenüberliegende Seiten 4a von jeder der Zellen 4 liegen in axialen Ebenen des Gestelles 2. Die vier anderen Seiten 4b einer jeden Zelle, nämlich jene, die sich schräg um den Umfang des Gestelles 2 erstrecken, besitzen jeweils ihre Oberfläche radial zu dem rohrförmigen Gestell 2 und sind somit schraubenförmig. Die Wabenstruktur wird aus einer Vielzahl von Einzelzellen 4 zusammengebaut, die alle gekrümmt sind, wenn sie längs des Gestelles 2 betrachtet werden und die Fläche an Fläche miteinander befestigt sind. Jede Einzelzelle 4 kann durch geeignetes Biegen eines Streifens hergestellt werden, wobei seine Enden miteinander verschweißt werden oder sie kann durch Formgießen hergestellt werden. Die Zellen 4 können miteinander mittels Hohlnieten und/oder Vollnieten und/oder durch ein Klebematerial, wie z. B. Leim, miteinander verbunden werden. Entlang der Oberseite des Gestelles 2 erstreckt sich ein Anker 5 in der Form von zwei Metallstreifen, die mit den Seiten 4a von einigen der obersten Zellen 4 befestigt sind und andere der obersten Zellen 4 schneiden. Quer zu dem Inneren des Gestelles 2 erstreckt sich horizontal eine Unterteilung, in diesem Fall eine Plattform 6. Die Plattform 6 ist ebenfalls aus einer Wabenstruktur, wie schematisch in Fig. 3 veranschaulicht, und sie ist einfach mit den Seiten 4a der Zellen 4 in einer geeigneten Höhe durch geeignet abgewinkelte Bügel 7 befestigt. Die Plattform 6 ist zentral an dem Anker 5 mittels eines Doppelgitters 8 aufgehängt. Der Stachel 5 absorbiert ebenfalls etwas von den Landebelastungen des Flugzeuges und die anderen Hauptlasten können mit diesem befestigt sein. Jede in den Fig. 1 und 2 gezeigte Zelle 4 ist vollständig offen sowohl an ihren inneren und äußeren Enden. Wenn jedoch erforderlich, kann eine oder können beide der inneren und äußeren Enden einer jeden Zelle 4 wenigstens teilweise geschlossen sein. Eine Zelle 4 mit einem teilweise geschlossenen äußeren Ende ist in Fig. 4 veranschaulicht, wo das äußere Ende teilweise durch eine Endwand 9 geschlossen ist, die einen Innenumfang in der Form eines Kreises besitzt, welcher gebogen ist, wenn er längs des Gestelles 2 betrachtet wird. In dem Fall, wo die Zellen 4 an ihren äußeren Enden geschlossen sind, kann die Außenhaut 3 entbehrlich sein.
Obgleich die Plattform 6 als durch einen einzigen Anker 5 abgestützt gezeigt ist, kann sie durch viele parallele Anker abgestützt sein, die auf dem Kreisumfang des Gestelles 2 um wenigstens eine Halbzelle voneinander getrennt beabstandet sind.
Anstatt, daß die Wabenstruktur aus Einzelzellen 4 zusammengebaut wird, die miteinander befestigt sind, kann das Gestell 2 aus einer Vielzahl von gewellten Elementen zusammengebaut werden, die sich allgemein längs des Gestelles 2 erstrecken und von denen jedes identisch zu dem in Fig. 5 gezeigten Element ist. Das Element 10 kann hergestellt werden durch geeignetes Biegen aus einem geraden Streifen oder durch Gießen. Es umfaßt gerade Abschnitte 10a, die sich mit schraubenförmigen Abschnitten 10b abwechseln. Diese definieren Teilzellen, d. h. Halbzellen 4c, so daß, wenn diese identischen Elemente mit ihren Abschnitten 10a Fläche an Fläche miteinander verbunden werden, die Zellen 4 vorgegeben werden.
Bezug nehmend auf die Fig. 6 und 7 besitzen bei dieser Version der Wabenstruktur die hexagonalen Zellen 4 jeweils zwei gegenüberliegende Seiten 4d, die in Radialebenen des rohrförmigen Gestelles 2 liegen, wobei diese Seiten 4d mit ihren radialen inneren und äußeren Kanten koaxial mit dem Gestell 2 gebogen sind. Die anderen vier Seiten 4e jeder Zelle 4 sind schraubenförmig. Die Wabenstruktur kann aus einer Vielzahl von gebogenen und gewellten Elementen 11 zusammengebaut werden, die jeweils kreisförmig oder halbkreisförmig sein können, wenn sie längs des Gestelles 3 betrachtet werden und sie können hergestellt werden durch Biegen von Streifenmaterial oder durch Gießen. Das Element 11 besteht aus gebogenen Abschnitten 11d, die in Radialebenen liegen und sich mit schraubenförmigen Abschnitten 11e abwechseln. Das Element 11 gibt somit eine Vielzahl von Halbzellen 4c vor, so daß, wenn die gewellten Elemente miteinander durch Befestigung der Abschnitte 11d Fläche an Fläche verbunden werden, die Zellen 4 gebildet werden. Erneut kann, falls erwünscht, die Wabenstruktur von Fig. 6 zusammengebaut werden, indem Fläche an Fläche eine Vielzahl von Einzelzellen miteinander befestigt werden, wie sie jeweils in Fig. 8 gezeigt sind und Seiten 4d und 4e besitzen.
Es ist nicht erforderlich, daß die Zellen der Wabenstruktur, sei es von dem Gestell 2 oder von der Abtrennung 6 miteinander identisch sein müssen. Sie können die gleiche Anzahl von Seiten jeweils besitzen, aber unterschiedlich in der Form sein oder sie können eine unterschiedliche Anzahl von Seiten besitzen. Eine Wabenstruktur mit einer solchen gemischten Zellstruktur ist in Fig. 9 gezeigt, wo die hexagonalen Zellen 4 mit hexagonalen Zellen 4' von unterschiedlicher Form zusammenpassen, welche mit pendagonalen Zellen 4" zusammenpassen. Es sei vermerkt, daß die pendagonalen Zellen 4" von solcher Form sind, daß jedes Paar dieser Zellen 4" eine hexagonale Umrandung besitzt. Die Wabenstruktur gemäß Fig. 9 kann in der gezeigten ebenen Form verwendet werden oder in einer rohrförmigen Form, in welcher die parallelen Seiten 4f der Zellen 4, 4' und 4" sich entweder vorzugsweise in Längsrichtung des Rohres oder in Umfangsrichtung des Rohres erstrecken. Die Wabenstruktur von Fig. 9 ist besonders nützlich in Fällen, wo ein Stachel zwischen den aneinanderliegenden Seiten 4g der Zellen 4" einzusetzen ist. Erneut kann die Wabenstruktur von Fig. 9 hergestellt werden, indem entweder gewellte Elemente Fläche an Fläche befestigt werden oder indem Einzelzellen Fläche an Fläche befestigt werden. Fig. 10 veranschaulicht eine Einzelzelle 4", bei welcher sich die Seiten 4f auf einem Kreis einer rohrförmigen Wabenstruktur erstrecken, sich die gerade Seite 4g längs der Struktur erstreckt und sich die gewundenen Seien 4h schräg erstrecken. Die Seiten 4g können schräg zu den Seiten 4f sein, so daß die Reihe der Seiten 4g eine Zickzack-Form anstelle einer geraden Form besitzt.
Wenn es erwünscht ist, ein gutes Festigkeits/Gewichts-Verhältnis vorzugeben, so können die Seiten 4a, 4b und 4d bis 4h Öffnungen in sich aufweisen.
Fig. 11 zeigt eine Wabenstruktur, die alleine aus etwas birnenförmigen hexagonalen Zellen 4' hergestellt ist.
Es ist manchmal erwünscht, daß das rohrförmige Gestell eine längliche kreisförmige Form im Querschnitt aufweisen soll, d. h. mit zwei halbkreisförmigen Abschnitten 2", die durch gerade Abschnitte 2" verbunden sind, wie dies schematisch in Fig. 12 gezeigt ist, in welchem Fall einige der Zellen 4 ebene innere und äußere Endflächen aufweisen, andere gebogene innere und äußere Endflächen aufweisen, während noch andere jeweils innere und äußere Endflächen aufweisen, von denen jede halb eben und halb gebogen ist.
Das rohrförmige Gestell 2 kann solcher Art sein, daß es in Längsrichtung abgeschrägt ist. Fig. 13 veranschaulicht ein gewelltes Element 11' aus mehreren gewellten Elemente, welche der Reihe nach sowohl intern als auch extern schräg zulaufen, um ein rohrförmiges Gestell 2 vorzugeben, das sowohl intern als auch extern abgeschrägt ist. Das Element 11' besitzt gebogene Abschnitte 11'd, die in Radialebenen liegen und sich mit Spiralabschnitten 11'e abwechseln.
Das rohrförmige Gestell 2 kann andere Formen aufweisen, z. B. einen ovalen oder elliptischen Querschnitt.
Um eine Umhüllung zu bilden, ist das rohrförmige Gestell 2 an beiden Enden durch Wände, z. B. durch geodetische Wände abgeschlossen.
Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Aufhängevorrichtung ist speziell in Fällen anwendbar, wo eine innere Plattform erforderlich ist, z. B. in Passagierflugzeugen oder bei Brücken.
Die in bezug auf die Zeichnungen beschriebenen Gestelle 2 sind besonders vorteilhaft bei der Konstruktion von Hauptrahmen, wie z. B. bei Flugzeugen, Brücken und Druckgefäßen, da sie relativ isotropischer sind und besser in der Lage sind, inneren und äußeren Druckschwankungen zu widerstehen als z. B. eine Konstruktion aus einem Rahmen und Längsträger. Insbesondere ist im Vergleich zu einer rechteckförmigen Zellstruktur die hexagonale Zellstruktur bei dem gleichen Gewicht sehr viel steifer in der Torsion und bei vertikaler Belastung und ihre höchst beanspruchten Teile sind beträchtlich weniger hoch beansprucht.

Claims

1. Rohrförmiges Gestell, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestell (2) eine Wabenstruktur aufweist, deren Zellen (4) auf dem Umfang und in Längsrichtung des Gestells (2) angeordnet sind, und dadurch, daß diese Zellen (4) alle mindestens fünfeckig sind und ihre Seiten (4a, 4b, 4d-4h) durch längliche Strukturelemente ausgebildet sind, die auf dem Umfang des Gestells (2) liegen und deren Längsrichtungen auf dem Umfang der Zellen (4) angeordnet sind.

2. Gestell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entgegengesetzte Seiten (4a) einer jeden Zellen (4) in axialen Ebenen des Gestells (2) liegen.

3. Gestell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entgegengesetzte Seiten (4a) einer jeden Zellen (4) in radialen Ebenen des Gestells (2) liegen.

4. Gestell nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Struktur aus einer Vielzahl von gewellten Teilstücken (10; 11) besteht, die jedes eine Vielzahl von Teilzellen (4a) bereitstellt und sich gegenüberliegend aneinander befestigt sind.

5. Gestell nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Struktur aus einer Vielzahl von Zellen (4), die sich gegenüberliegend aneinander befestigt sind, besteht, von denen mindestens einige in Längsrichtung des Gestells (2) gesehen gebogen sind.

6. Gestell nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Zellen (4) ein mindestens teilweise geschlossenes Ende (9) aufweisen.

7. Gestell nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes mindestens teilweise geschlossene Enden (9) das außenliegende Ende der Zelle (4) ist.

8. Gestell nach einem der vorhergehenden Ansprüche und in seinem Umfang kontinuierlich gekrümmt, wobei die Zellen (4) entsprechend gekrümmt sind.

9. Gestell nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und in einem Umfang dergestalt, daß gegenüberliegende gekrümmte Abschnitte (2') durch gegenüberliegende gerade Abschnitte (2") verbunden sind, wobei die Zellen (4) in den gekrümmten Abschnitten (2') entsprechend gekrümmt sind und die Zellen (4) in den geraden Abschnitten (2") gerade sind.

10. Gestell nach einem der hervorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige (4") der Zellen (4) dergestalt fünfeckig sind, daß jedes Paar aus zwei dieser fünfeckigen Zellen (4") einen sechseckigen Umriß aufweist.

11. Gestell nach einem der hervorgehenden Ansprüche und mit einer sich verjüngenden Form in seinem Inneren und Äußeren.

12. Gestell nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das zusätzlich eine verstärkende, sich in Längsrichtung des Gestells und in der Struktur erstreckende Strebe aufweist.

13. Gestell nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Raumteiler (6), der sich längs durch das Volumen, das von der Struktur umschlossen wird, erstreckt.

14. Gestell nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Raumteiler (6) auch eine Wabenstruktur aufweist.

15. Gestell nach Anspruch 13 oder 14 wie an Anspruch 12 angefügt und mit Aufhängelementen (8), die den Raumteiler an der Strebe aufhängen.

16. Gestell nach einem der hervorgehenden Ansprüche, das den Hauptspant (2) eines Flugzeugrumpfes (1) bildet.

17. Gestell nach einem der Ansprüche 1 bis 15, das das Hauptgestell eines Kofferdams bildet.

18. Gestell nach einem der Ansprüche 1 bis 15, das das Hauptgestell einer Brücke bildet.