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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Versuchsbelastung
einer Rumpftonne, insbesondere im Luft- und Raumfahrtbereich.
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Die
Versuchsbelastung von Rumpftonnen insbesondere hinsichtlich ihrer
Ermüdungsfestigkeit ist
essentiell, um die Sicherheit von Flugzeugen zu gewährleisten.
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Bei
der Versuchsbelastung von Rumpftonnen besteht die Anforderung, dass
diese bedruckt sind. Weiterhin besteht die Anforderung, die auf
die in der Rumpftonne befindlichen Massen, beispielsweise Passagiere
oder Fracht, wirkende Schwerkraft beziehungsweise wirkenden Beschleunigungskräfte zu simulieren.
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Ein
der Anmelderin bekannter Ansatz zur Versuchsbelastung sieht daher
vor, eine Rumpftonne mit radialen Ausnehmungen auszubilden, durch
welche Hydraulikzylinder geführt
werden, die einerseits an einem außerhalb der Rumpftonne angeordneten Gestell
und andererseits an dem Frachtdeck beziehungsweise Passagierdeck
der Rumpftonne angreifen.
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Bei
diesem der Anmelderin bekannten Ansatz hat es sich als nachteilig
herausgestellt, dass zunächst
die Aussparungen in der Rumpftonne vorgesehen werden müssen, was
mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist. Weiterhin hat es sich
als nachteilig erwiesen, dass die Hydraulikzylinder beziehungsweise
deren Kolbenstangen mittels Dichtmanschetten gegenüber der
Rumpfhaut abgedichtet werden müssen,
um ein Entweichen des Drucks aus der Rumpftonne zu verhindern. Auch
dies ist mit einem erheblichen Aufwand verbunden.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend beschriebenen
Nachteile zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgab durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Demgemäß wird eine
Vorrichtung zur Versuchsbelastung einer Rumpftonne, insbesondere
im Luft- und Raumfahrtbereich, bereitgestellt. Diese Vorrichtung
weist ein erstes und ein zweites Druckschott für ein druckdichtes Verschließen der
Rumpftonne an ihren Stirnseiten auf. Weiterhin weist die Vorrichtung
eine Trägereinrichtung
auf, welche mit dem ersten Druckschott einerseits und dem zweiten Druckschott
andererseits sich durch die Rumpftonne hindurch erstreckend koppelbar
ist. Ferner weist die Vorrichtung eine Belastungseinrichtung, welche
mit der Trägereinrichtung
einerseits und an einem Abschnitt der Rumpftonne andererseits für ein Einleiten von
Lasten in die Rumpftonne koppelbar ist.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin,
dass die zur Simulierung der Lasten, welche aus den in der Rumpftonne
angeordneten Massen resultieren und auf die Rumpftonne wirken, notwendigen
Mittel innerhalb und nicht außerhalb
der Rumpftonne, wie bei dem der Anmelderin bekannten Ansatz, angeordnet
sind. Damit entfällt die
Notwendigkeit, die vorstehend beschriebenen radialen Ausnehmungen
in der Rumpfhaut vorzusehen. Ferner entfällt die Notwendigkeit einer
aufwendigen Abdichtung der Hydraulikzylinder gegenüber der
Rumpfhaut. Damit ergibt sich mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ein stark reduzierter Aufwand für
die angestrebte Versuchsbelastung der Rumpftonne.
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In
den Unteransprüchen
finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der
Erfindung.
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Aus
der
US 2007/0068275
A1 ist eine Vorrichtung zur Testung von Rumpfsektionen
bekannt. Die Vorrichtung weist Krafteinleitungsmittel auf, welche
um die Rumpfsektion herum auf einem Träger montiert sind. Mittels
einer Einspannvorrichtung ist die Rumpfsektion an der Vorrichtung
fixiert. Über
die Krafteinleitungsmittel ist es möglich, Zug- oder Druckkräfte in einer
Längsrichtung
der Rumpfsektion sowie umfänglich
wirkende Torsionskräfte
aufzubringen. Um eine möglichst
gleichmäßige Belastung
der Rumpfsektion zu gewährleisten,
weist die Testvorrichtung eine Vielzahl von Krafteinleitungsmitteln
auf, welche um die zu testende Rumpfsektion positioniert sind. Die
Krafteinleitungsmittel werden über
hydraulische Kolben angesteuert.
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Aus
der
US 2007/0022821
A1 ist eine Vorrichtung zur Testung von Rumpfsektionen
bekannt, welche es ermöglicht,
die statische Festigkeit, Ermüdungsfestigkeit
und Schadenstoleranz einer solchen Struktur zu ermitteln. Mittels
der Vorrichtung ist es möglich,
Zug- oder Druckkräfte
in Längsrichtung,
Torsionskräfte
relativ zur Längsachse
oder Druckkräfte, welche
aus der Druckdifferenz zwischen dem Inneren und dem Äußeren der
Struktur resultieren, auf die Rumpfsektion aufzubringen. Grundsätzlich besteht die
Testvorrichtung aus einem zentralen Dorn und aus einer um diesen
Dorn herum drehbaren und vertikal verschiebbaren Platte. Die zu
testende Rumpfsektion ist an ihrem einen Ende mit dem zentralen Dorn
fest verbunden und an ihrem zweiten Ende mit der drehbaren und verschiebbaren
Platte verbunden. Über
Hydraulikkolben können
auf die Platte bezüglich
der Längsachse
der zu testenden Rumpfsektion Bewegungen in vertikaler Richtung
sowie Torsionsbewegungen ausgeübt
werden. Dadurch ist es möglich,
auf die zu testende Rumpfsektion Zug- und Druckkräfte und
Torsionskräfte
auszuüben.
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Aus
der
US 2,396,380 A ist
eine Vorrichtung zur Testung von Rohren oder ähnlichen beidseitig offenen
Hohlkörpern
bekannt. Die Testvorrichtung dient zur Dichtigkeitsprüfung von
Rohren, Schläuchen
oder ähnlichen
Strukturen. Die Testvorrichtung weist einen Kern auf, welcher im
Außendurchmesser etwas
geringer ist als der Innendurchmesser der zu testenden Struktur.
Der Kern wird in die zu testende Struktur eingeführt und zu deren Innenwand
hin abgedichtet. Der Zwischenraum zwischen der Außenwand
des Kerns und der Innenwand der zu testenden Struktur wird mit einem
Fluid gefüllt,
beispielsweise mit Wasser und unter Druck gesetzt. Während der gewünschte Testdruck
aufrechterhalten wird, kann die gesamte Oberfläche der zu testenden Struktur auf
Lecks untersucht werden.
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Aus
der
DE 197 27 754
A1 ist eine Testvorrichtung zum Einspannen und Prüfen von
Prüfkörpern, insbesondere
von Flugzeugrumpfschalenteilen bekannt. Mit der Vorrichtung werden
vorzugsweise Zugkraftprüfungen
durchgeführt.
Die zu testende Rumpfsektion wird bezüglich ihrer Längsachse
vertikal zwischen einem oberen Einspannbalken und einem unteren
Einspannbalken eingespannt. Der obere, den Prüfraum begrenzende Einspannbalken
ist fest angeordnet, der untere Einspannbalken ist mit einem servohydraulischen
Prüfzylinder
verbunden. Die Rumpfsektion wird weiterhin von einem vertikal angeordneten
Oberkasten und einem Unterkasten umhüllt, die eine auf Ober- und Unterseite der
Rumpfsektion wirkende Querkrafteinrichtung darstellen. Sie weisen
eine der Anzahl der Spanten entsprechende Anzahl an Hilfszylindern
auf. Durch den servohydraulischen Prüfzylinder können Zugkräfte und durch die Hilfszylinder
können
Querkräfte
auf die zu testende Rumpfsektion aufgebracht werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Trägereinrichtung
mittels eines Festlagers mit dem ersten Druckschott und mittels
eines Loslagers mit dem zweiten Druckschott koppelbar. Somit wird
eine Verspannung zwischen der Trägereinrichtung
und der Rumpftonne vermieden, das heißt, die Rumpftonne kann sich
beispielsweise im Biegeversuch frei verformen, ohne dass Biegemomente
im Bereich der Koppelstellen zwischen Trägereinrichtung und Druckschott
in letztere eingeleitet werden. Damit lassen sich die in der Realität wirkenden
Kräfte
gut nachstellen.
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Gemäß einer
weiter bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
weist die Trägereinrichtung
einen ersten Holm, einen zweiten Holm und diese koppelnde Streben
auf. Insbesondere bilden der erste Holm, zweite Holm und die Streben
ein Fachwerk aus. Eine derartige Struktur verleiht der Trägereinrichtung
die gewünschte
Steifigkeit trotz des vergleichsweise großen Abstands zwischen dem ersten
und zweiten Druckschott.
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Gemäß einer
weiter bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
weist die Belastungseinrichtung wenigstens ein Stellglied für ein Angreifen
an dem ersten oder zweiten Holm und einem Deck der Rumpftonne auf.
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Gemäß einer
weiter bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
weist die Belastungseinrichtung wenigstens ein Stellglied für ein Angreifen
an dem ersten Holm und einem unteren Deck der Rumpftonne und wenigstens
ein Stellglied für
ein Angreifen an dem zweiten Holm und dem oberen Deck auf, wobei
der erste Holm mit den Druckschotts koppelbar ist. Somit kann der
erste Holm sich vergleichsweise nahe entlang der Mittellinie (Längsrichtung)
der Rumpftonne erstreckend ausgebildet sein. Somit kann die Länge der
Stellglieder, insbesondere eines Kolbens eines Hydraulikzylinders, vergleichsweise
klein gehalten werden. Die Stellglieder sind vorzugsweise als Hydraulikzylinder
ausgebildet.
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Vorzugsweise
ist ein dritter Holm Bestandteil des Fachwerks, welcher seitlich
versetzt zu dem zweiten Holm verläuft und ebenfalls mittels Streben mit
dem ersten Holm gekoppelt ist. Das wenigstens eine Stellglied kann
dann so angeordnet werden, dass es an dem ersten Stellglied befestigt
ist und zwischen dem zweiten und dritten Stellglied hindurchreicht,
um mit einem der Decks, insbesondere dem unteren Deck, gekoppelt
zu werden.
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Gemäß einer
weiter bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
weist die Belastungseinrichtung wenigstens ein Lastverteilungsmittel
auf, welche das wenigstens eine Stellglied mit dem oberen oder unteren
Deck verbindet, wobei das Lastverteilungsmittel einen sich verästelnden
Aufbau aufweist. Mit „verästelndem
Aufbau” ist gemeint,
dass eine erste Komponente den gesamten Kraftfluss aufweist und
mehrere zweite Komponenten mit dieser Komponente gekoppelt sind,
welche jeweils einen Bruchteil des Kraftflusses aufweisen, und vorzugsweise
diese zweiten Komponenten jeweils mit dritten Komponenten gekoppelt
sind, welche wiederum einen Bruchteil des Kraftflusses in der jeweils zweiten
Komponente aufweisen. Die erste, die zweiten und vorzugsweise dritten
Komponenten sind dabei jeweils an den in ihnen fließenden Kraftfluss
hinsichtlich ihrer Stabilität
angepasst ausgebildet. Damit lassen sich die Lastverteilungsmittel
vergleichsweise leicht und günstig
herstellen.
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Gemäß einer
weiter bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist eine Halteeinrichtung vorgesehen, welche die Druckschotts relativ
zueinander beweglich hält.
Damit lassen sich die realen Bedingungen, welchen eine Rumpftonne
unterworfen ist, gut nachstellen.
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Gemäß einer
weiter bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
weist die Halteeinrichtung ein Gestell, in welches eines der Druckschotts
fest eingespannt ist, und wenigstens ein Stellmittel auf, welches
mit dem Gestell und dem jeweils anderen Druckschott gekoppelt ist.
Mittels des Stellmittels lassen sich einfach die beispielsweise
in der Flugphase auftretenden Lasten in die Rumpftonne einleiten.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beiliegende Figur näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 in
einer Seitenansicht eine Vorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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2 in
einer perspektivischen Ansicht einen Abschnitt einer Fachwerkstruktur
aus 1.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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1 zeigt
in einer Seitenansicht eine Vorrichtung 1 zur Versuchsbelastung
einer Rumpftonne 2.
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Die
Rumpftonne 2 setzt sich aus einer Haut 3 und gegebenenfalls
Stringern und Spanten zusammen (nicht dargestellt). Ferner weist
die Rumpftonne 2 nahe ihrer Mittellinie 4 ein
Passagierdeck 5 auf. Bezüglich eines der besseren Orientierung
halber dargestellten Erdbodens 6 weist die Rumpftonne 2 ein unterhalb
des Passagierdecks 5 angeordnetes Frachtraumdeck 7 auf.
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Die
Vorrichtung 1 weist zwei Druckschotts 8, 9 auf,
welche die Rumpftonne 2 an ihren Stirnseiten 10, 11 druckdicht
verschließen.
Zu diesem Zweck können
die Druckschotts 8, 9 mit den Stirnseiten 10 beziehungsweise 11 der
Rumpftonne 2 in einem ersten Schritt verbunden, insbesondere
verschweißt werden.
In einem weiteren Schritt wird dann die mit den Druckschotts 8, 9 verbundene
Rumpftonne 2 in die Vorrichtung 1 befördert und
dort installiert.
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Die
Druckschotts 8, 9 setzen sich jeweils aus einem
Krafteinleitungsteil 12 (nachfolgend nur für das Druckschott 9 näher erläutert),
welches mit der Stirnseite 11 der Rumpftonne 2 verbunden
ist, und einem Deckel 13 zusammen. Der Deckel 13 ist
abnehmbar ausgestaltet, so dass ein Zugang in den Innenraum 14 der
Rumpftonne 2 freigebbar ist.
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Die
Vorrichtung 1 weist ferner eine Trägereinrichtung 15 auf.
Die Trägereinrichtung 15 setzt sich
aus einem Holm 16, einem Holm 17 und Streben (beispielhaft
mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet) zusammen. Die Streben 18 verbinden
den Holm 16 mit dem Holm 17 und sind dabei schräg angeordnet, so
dass die Trägereinrichtung 15 eine
fachwerkartige Struktur bildet.
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Der
Holm 16 ist vorzugsweise nahe der Mittellinie 4 der
Rumpftonne 2 verlaufend angeordnet und ist an seinem einen
Ende 19 mit dem Druckschott 8 mittels eines Festlagers 20 und
an seinem anderen Ende 21 mittels eines Loslagers 22 mit
dem Druckschott 9 gekoppelt.
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Während das
Festlager 20 keinerlei translatorische und lediglich eine
rotatorische Bewegung zulässt,
lässt das
Loslager 22 eine translatorische Bewegung zusätzlich zur
rotatorischen Bewegung zu, wobei die translatorische Bewegung auf
eine Bewegung im Wesentlichen parallel zur Mittellinie 4 beschränkt ist.
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Die
Vorrichtung 1 weist ferner Belastungseinrichtungen (beispielhaft
mit den Bezugszeichen 23 und 24 bezeichnet) auf,
welche im Versuch innerhalb der Rumpftonne 2 angeordnet
sind. Vorzugsweise sind 4 bis 10 der Belastungseinrichtungen 23 und 4 bis 10 der
Belastungseinrichtungen 24 entlang der Holme 16 bzw. 17 gleichmäßig verteilt
angeordnet vorgesehen.
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Die
Belastungseinrichtung 23 setzt sich vorzugsweise aus einem
Hydraulikzylinder 25 und einem Lastverteilungsmittel 26 zusammen.
Der Hydraulikzylinder 25 ist an seinem einen Ende mit dem Holm 17 und
an seinem anderen Ende mit dem Lastverteilungsmittel 26 verbunden.
Das Lastverteilungsmittel 26 wiederum ist mit dem Passagierdeck 4 verbunden.
Das Lastverteilungsmittel 26 setzt sich aus einem ersten
Element 27 und zweiten Elementen 28, 29 zusammen.
Ausgehend von dem Ansatzpunkt des Hydraulikzylinders 25 an
dem Element 27 verzweigt sich der Kraftfluss in dem ersten
Element 27 und wird jeweils zur Hälfte auf die zweiten Elemente 28 beziehungsweise 29 an
deren Koppelstellen mit dem Element 27 verteilt. Die Elemente 28 und 29 leiten
den Kraftfluss wiederum jeweils an zwei voneinander beabstandeten
Stellen 30 und 31 in das Passagierdeck 5 ein.
Die Stellen 30 und 31 des Passagierdecks 4 werden
vorzugsweise von Sitzschienen gebildet. Die Elemente 27, 28 und 29 sind
dabei jeweils an den in ihnen fließenden Kraftfluss hinsichtlich
ihrer Materialdicke beziehungsweise Materialart angepasst.
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Die
Belastungseinrichtung 24 setzt sich ebenfalls aus einem
Hydraulikzylinder 25 und einem Lastverteilungsmittel 26 zusammen.
Die Belastungseinrichtung 24 verbindet dabei den Holm 17 mit
dem Frachtdeck 7.
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In
einem alternativen Ausführungsbeispiel kann
auch vorgesehen sein, dass nur eine der beiden ”Typen” von Belastungseinrichtungen 23 oder 24 vorgesehen
ist.
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Vorzugsweise
ist die in 1 dargestellte Fachwerkstruktur
wie in 2 dargestellt ausgebildet. Demnach ist weiterhin
ein Holm 17a vorgesehen, welcher seitlich versetzt, also
in einer Ebene parallel zum Erdboden 6 versetzt, zum dem
Holm 17 verläuft. Der
Holm 17a ist ebenfalls mittels Streben 18a mit dem
Holm 16 gekoppelt, wobei die Streben 18 und 18a vorzugsweise
im Wesentlichen in einem Punkt zusammenlaufend mit dem Holm 16 verbunden
sind. Durch den gebildeten Zwischenbereich 31a erstrecken
sich die Hydraulikzylinder 24 von dem Holm 16 zu
dem Frachtdeck 7 (in 2 nicht
dargestellt). Damit ergibt sich eine sehr verwindungssteife Trägereinrichtung 15.
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Die
Vorrichtung 1 weist weiterhin eine Halteeinrichtung 32 auf.
Die Halteeinrichtung 32 setzt sich aus einem Gestell 33 und
Hydraulikzylindern 34 zusammen. Das Druckschott 8 ist
in dem Gestell 33 fest eingespannt. Der Lasteinleitungsteil 12 des
Druckschotts 9 ist dagegen mittels der Hydraulikzylinder 34 mit
dem Gestell 33 gekoppelt.
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Um
nun die Versuchsbelastung der Rumpftonne durchzuführen, wird
diese mit einem Innendruck mittels einer nicht dargestellten Bedruckeinrichtung
bedruckt. Anschließend
werden die Hydraulikzylinder 25 der Belastungseinrichtungen 23 beziehungsweise 24 aktiviert,
so dass auf das Passagierdeck 5 und das Frachtraumdeck 7 eine
Last wirkt, die zum Erdboden 6 hin gerichtet ist. Somit
können
die in der Rumpftonne wirkenden Schwerkräfte beziehungsweise Beschleunigungskräfte, welche
beispielsweise während
der Flugphase in einem Flugzeug auftreten, geeignet simuliert werden.
Zusätzlich können beispielsweise
Kräfte,
Biegemomente und Torsionsmomente über die Hydraulikzylinder 34 in die
Rumpftonne 2 eingeleitet werden.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Versuchsbelastung
einer Rumpftonne, insbesondere im Luft- und Raumfahrtbereich. Die Vorrichtung
weist ein erstes und ein zweites Druckschott für ein druckdichtes Verschließen der
Rumpftonne an ihren Stirnseiten auf. Die Vorrichtung weist ferner
eine Trägereinrichtung,
welche mit dem ersten Druckschott einerseits und dem zweiten Druckschott andererseits
sich durch die Rumpftonne hindurch erstreckend koppelbar ist. Weiterhin
weist die Vorrichtung eine Belastungseinrichtung, welche mit der
Trägereinrichtung
einerseits und einem Abschnitt der Rumpftonne andererseits für ein Einleiten
von Lasten in die Rumpftonne koppelbar ist. Der sich hieraus ergebende
Vorteil besteht darin, dass die auf in der Rumpftonne angeordnete
Massen, beispielsweise Fracht, insbesondere während der Flugphase wirkende
Schwerkraft beziehungsweise wirkenden Beschleunigungskräfte mittels
Komponenten simuliert werden können,
die ausschließlich
innerhalb der im Versuch bedruckten Rumpftonne angeordnet sind. Somit
wird ein Vorsehen von Durchbrüchen
in der Rumpfhaut für
ein Hindurchreichen von Hydraulikzylindern und ein Abdichten derselben
gegenüber
der Rumpfhaut, wie bei der der Anmelderin bekannten Vorrichtung,
vermieden.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Rumpftonne
- 3
- Haut
- 4
- Mittellinie
- 5
- Passagierdeck
- 6
- Erdboden
- 7
- Frachtraumdeck
- 8
- Druckschott
- 9
- Druckschott
- 10
- Stirnseite
- 11
- Stirnseite
- 12
- Lasteinleitungsteil
- 13
- Deckel
- 14
- Innenraum
- 15
- Trägereinrichtung
- 16
- Holm
- 17
- Holm
- 17a
- Holm
- 18
- Strebe
- 18a
- Strebe
- 19
- Ende
- 20
- Festlager
- 21
- Ende
- 22
- Loslager
- 23
- Belastungseinrichtung
- 24
- Belastungseinrichtung
- 25
- Hydraulikzylinder
- 26
- Lastverteilungsmittel
- 27
- Element
- 28
- Element
- 29
- Element
- 30
- Stelle
- 31
- Stelle
- 31a
- Zwischenraum
- 32
- Halteeinrichtung
- 33
- Gestell
- 34
- Hydraulikzylinder