DE102015102189A1

DE102015102189A1 - Formveränderliche Verschlusskappe und Zelle

Info

Publication number: DE102015102189A1
Application number: DE102015102189.7A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Gramüller; Alfred Tempel; Christian Hühne
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2015-02-16
Filing date: 2015-02-16
Publication date: 2016-08-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine formveränderliche Zelle zur Bildung einer formverändernden Struktur, wobei die Zelle aus Zellseitenwänden besteht, die gelenkig miteinander verbunden sind, um so einen formveränderlichen Querschnitt zu bilden. Die Querschnittsenden des Hohlkörpers werden dabei mit einer Zellgrundwand abgedeckt, die in einem druckbeaufschlagten Zustand der Zelle einen mehrfach gekrümmten Schalenkörper darstellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine formveränderliche Verschlusskappe zum Verschließen eines formveränderlichen Hohlkörpers, der einen formveränderlichen Querschnitt hat, der eine erste vordefinierte Querschnittsform und mindestens eine zweite vordefinierte Querschnittsform annehmen kann. Die Erfindung betrifft ebenso einen formveränderlichen Hohlkörper mit einer erfindungsgemäßen Verschlusskappe.
Die Form eines Gegenstandes spielt nicht nur vor dem Hintergrund des Designs eine große Rolle, sondern ist in vielen Fällen auch aus technischer Hinsicht entscheidend. So ist es beispielsweise für Tragflächen von Flugzeugen entscheidend, dass die Form der Tragfläche die notwendigen aerodynamischen Eigenschaften aufweist, damit der zum Fliegen benötigte Auftrieb erzeugt werden kann. Eine stabile Form ist hier wesentlich, nicht nur aus sicherheitstechnischen Aspekten.
Gerade im Bereich der Tragflächen von Flugzeugen offenbaren jedoch starre Formen ihre größten Nachteile, nämlich dass sie unveränderbar sind. Denn je nach Flugphase ist es wünschenswert, dass die Tragflächen unterschiedliche aerodynamische Eigenschaften besitzen, um sich an die jeweilige Flugphase bestmöglich anpassen zu können. Daher weisen Tragflächen großer Verkehrsflugzeuge in der Regel Landeklappen auf, die während der Start- und Landephase ausgefahren und so die Auftriebsfläche der Tragflächen vergrößern. Dabei entsteht eine Profilveränderung der Tragflächen, die es den Verkehrsflugzeugen ermöglicht, den notwendigen Auftrieb mit Hilfe der Tragflächen auch bei niedrigen Geschwindigkeiten zu erzeugen, ohne einen Strömungsabriss befürchten zu müssen.
Bei derartigen Landeklappen erfolgt jedoch die Veränderung des Profils rein mechanisch derart, dass der Grundkoffer der Tragflächen unverändert bleibt, während die Landeklappen zusätzliche mechanische Elemente darstellen, die in eine entsprechende Zielstellung gebracht werden können. Eine tatsächliche Formveränderung der Tragfläche findet jedoch nicht statt.
Es gibt daher nicht nur aus dem Bereich der Luftfahrt die Bestrebungen, Strukturen zu schaffen, deren Oberfläche veränderlich ist, wobei die Struktur dennoch mögliche Kräfte aufnehmen kann. Denn ist die Oberfläche einer Struktur veränderlich und somit in der Form variabel, so können beispielsweise Tragflächen erzeugt werden, die auf mechanisch ausfahrbare Landeklappen verzichten können, da nunmehr durch eine Formveränderung der Tragfläche das Auftriebsverhalten speziell an die vorgegebene Situation angepasst werden kann. Hierdurch kann zum einen Gewicht eingespart werden, da auf zusätzliche mechanische Elemente verzichtet werden kann, und darüber hinaus die Anfälligkeit reduziert werden.
So ist aus der niederländischen Patentanmeldung NL 2 006 936 eine formveränderliche Struktur bekannt, die aus einer Mehrzahl von formveränderlichen Zellen besteht. Die Zellen sind dabei als Hohlkörper ausgebildet, die einen pentagonalen oder hexagonalen Querschnitt haben können, wobei die Zellseitenwände der einzelnen Zellen gelenkig miteinander verbunden sind, so dass sich bei einer Druckbeaufschlagung des Hohlkörpers der Querschnitt verändern kann. Aufgrund der Anordnung der Zellen in einem Zellverbund wird durch eine Druckbeaufschlagung der Zellen der Querschnitt einer jeden Zelle verändert, wodurch sich die gesamte Form des Zellverbundes verändert und zwar derart, dass die Struktur sich in die eine oder andere Richtung krümmt. Derartige Formkörper werden daher auch Pressure Actuated Cellular Structures (PACS) genannt.
Aufgrund der Tatsache, dass die einzelnen Zellen durch ihre Zellseitenwände gelenkig miteinander verbunden sind, kann sich der Querschnitt der Zellen verändern. In einer ersten, unbedruckten Querschnittsform, bei dem die Zellen nicht mit einem Druck beaufschlagt sind, bzw. nicht mit einem Enddruck beaufschlagt sind, weisen die Zellen einen deformierten Zustand auf, der energetisch nicht optimal in Bezug auf eine Bedruckung ist. Wird der Druck innerhalb der Zelle erhöht, so strebt die Zelle einen Energieausgleich an, so dass sich der Querschnitt in eine solche energieoptimale Form verändert. Mit anderen Worten, bei einer Druckbeaufschlagung der Zellen entsteht eine Formveränderung, durch die die Zelle versucht, ein energetisches Optimum einzustellen. Die gesamte Struktur verändert dann die Form ihrer Oberfläche, die in der Regel aus einem Teil der Zellseitenwände der zusammengesetzten Zellen gebildet wird.
Aus der DE 10 2012 109 889 A1 ist des Weiteren eine formveränderliche Struktur bekannt, bei der die Oberfläche der Struktur in eine mehrfach gekrümmte Oberfläche gewandelt werden kann. Hierfür sind ebenfalls Zellen vorgesehen, bei denen jedoch die Zellgrundwände, also jene Zellwände, die dem Querschnitt der jeweiligen Zelle entsprechen und das Zellquerschnittsende verschließen, die formveränderliche Oberfläche bilden. Durch Druckbeaufschlagung der einzelnen Zellen wird dabei die gesamte Struktur aus ihrer Ebene heraus doppelt gekrümmt, so dass sich beispielsweise halbkugelförmige Oberflächenformen bilden lassen.
Als besondere Schwierigkeit bei der Umsetzung einer solchen formverändlichen Struktur hat sich jedoch der druckdichte Verschluss der Zellröhren, der in der Regel durch die Zellgrundwände, die den Querschnitt der Zelle entsprechen, herausgestellt. Denn zum einen muss die Zellgrundwand den notwendigen Drücken standhalten, mit dem die Zelle bedruckt wird, um ihre Form zu verändern. Zum anderen darf die Zellgrundwand jedoch nicht eine derart hohe Steifigkeit aufweisen, dass sie die Verformung des Querschnitts behindert.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein druckdichtes Verschlusskonzept für formveränderliche Zellen anzugeben, die sowohl zum einen den Drücken innerhalb der Zelle standhalten und zum anderen eine Verformung des Querschnittes nicht behindern.
Die Aufgabe wird mit der formveränderlichen Verschlusskappe gemäß Anspruch 1 sowie der formveränderlichen Zelle gemäß Anspruch 7 erfindungsgemäß gelöst.
Gemäß Anspruch 1 wird eine formveränderliche Verschlusskappe zum Verschließen eines Querschnittsendes eines formveränderlichen Hohlkörpers vorgeschlagen, wobei der formveränderliche Hohlkörper einen formveränderlichen Querschnitt hat, der eine erste vordefinierte Querschnittsform und mindestens eine zweite vordefinierte Querschnittsform annehmen kann. Die beanspruchte formveränderliche Verschlusskappe bzw. Zellverschlusskappe ist dabei zum Verschließen des mindestens einen Querschnittsendes des formveränderlichen Hohlkörpers vorgesehen, um so den formveränderlichen Hohlkörper zum einen druckdicht zu verschließen und zum anderen dem Hohlkörper die Möglichkeit zu geben, seine Querschnittsform von der ersten in die zweite Querschnittsform zu ändern. Eine Formveränderung von der ersten Querschnittsform in die zweite Querschnittsform passiert insbesondere dann, wenn der formveränderliche Hohlkörper mit einem Druck beaufschlagt wird.
Die formveränderliche Verschlusskappe weist erfindungsgemäß hierfür eine Rahmenstruktur auf, die aus einer Mehrzahl von gelenkig miteinander verbundenen Seitenkanten gebildet wird und dem Querschnitt des formveränderlichen Hohlkörpers entspricht. Damit kann die formveränderliche Verschlusskappe an das eine Querschnittsende des Hohlkörpers passgenau befestigt werden, wobei aufgrund der gelenkigen Verbindung der Seitenkanten, die eine Bewegung der Seitenkanten relativ zueinander ermöglicht, die Querschnittsform der Rahmenstruktur verändert werden, so dass die Rahmenstruktur, wenn sie an dem Hohlkörper an dem einen Querschnittsende befestigt ist, die Änderung der Querschnittsform des Hohlkörpers von der ersten vordefinierten Querschnittsform in die zweite vordefinierte Querschnittsform mitmacht und sich dem entsprechend anpasst.
An der Rahmenstruktur ist des Weiteren ein deformierbarer Schalenkörper angeordnet, der vorzugsweise aus einem biegeschlafen und dehnsteifen Material besteht und so die Querschnittsöffnung der Rahmenstruktur verschließt. Der deformierbare Schalenkörper ist dabei so ausgebildet, dass er bei einer Formveränderung der Rahmenstruktur von der ersten Querschnittsform in die mindestens zweite Querschnittsform von einem deformierten Zustand in einen undeformierten, mehrfach gekrümmten Zustand wechselt. Mit anderen Worten, hat die Rahmenstruktur die erste vordefinierte Querschnittsform, so liegt der deformierbare Schalenkörper in einem deformierten Zustand vor, während beim Wechsel von der ersten vordefinierten Querschnittsform in die zweite vordefinierte Querschnittsform der Schalenkörper von seinem deformierten Zustand in den undeformierten Zustand wechselt, so dass er bei der zweiten vordefinierten Querschnittsform den undeformierten Zustand einnimmt.
Unter einem undeformierten Zustand des Schalenkörpers wird im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden, dass der Schalenkörper in allen Punkten eine konvexe Krümmung in Bezug auf die Rahmenstruktur bzw. einen angeordneten Hohlkörper hat. Der Anstieg im mathematischen Sinne des undeformierten Schalenkörpers ist dabei dann durchgehend zunehmend bzw. abnehmend und wechselt nicht seine Richtung.
Im deformierten Zustand kann der Schalenkörper Bereiche aufweisen, in denen er von einer rein strengen konvexen Krümmung abweicht und beispielsweise auch Teilbereiche existieren, in denen eine konkave Krümmung vorliegt.
Erfindungsgemäß ist der Schalenkörper nun derart ausgebildet, dass beim Wechsel von dem deformierten Zustand in den undeformierten Zustand der Schalenkörper die Formveränderung des Querschnitts hin zur zweiten Querschnittsform unterstützt bzw. energetisch begünstigt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Schalenkörper im deformierten Zustand eine Kraft auf die Rahmenstruktur ausübt, die so wirkt, dass die Kraft, die Rahmenstruktur von der ersten Querschnittsform in die zweite Querschnittsform zu überführen, verringert wird. Der Schalenkörper übt somit eine Kraft auf die Rahmenstruktur in Richtung der zweiten Querschnittsform aus.
Unter einer Unterstützung bzw. energetischen Begünstigung wird im breitesten Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden, dass eine Überführung der Rahmenstruktur von der ersten Querschnittsform in die zweite Querschnittsform zumindest nicht behindert wird, d.h. dass mit zunehmender Veränderung der Querschnittsform von der ersten Querschnittsform in die zweite Querschnittsform die benötigte Formänderungskraft nicht zunimmt. Vorteilhafterweise nimmt die Kraft, die einer Formänderung von der ersten Querschnittsform in die zweite Querschnittsform entgegensteht, ab, oder ist zumindest geringer.
Mittels der vorliegenden formveränderlichen Verschlusskappe wird es somit möglich, einen formveränderlichen Hohlkörper mit einem formveränderlichen Querschnitt zu schaffen, der zum einen den formveränderlichen Hohlkörper an einem Querschnittsende druckdicht verschließt und zum anderen eine Querschnittsänderung ermöglicht und sogar begünstigt, so dass gerade bei formveränderlichen Strukturen, die aus einer Mehrzahl von formveränderlichen Hohlkörpern bestehen, die benötigte Kraft für die Formveränderung reduziert werden kann. Hierdurch wird der Einsatzbereich derartiger formverändernder Strukturen deutlich erweitert.
Der deformierte Zustand und der undeformierte Zustand der formveränderlichen Verschlusskappe beziehen sich dabei auf die Form der Verschlusskappe selber. Wie später noch gezeigt wird, ist es ein Ziel, den deformierten Zustand der Verschlusskappe in Bezug auf die gewünschten Querschnittsformen zuvor zu berechnen, um so den maximal deformierten Zustand zu erhalten, so dass die formveränderliche Verschlusskappe in dem deformierten Zustand hergestellt wird. Mit anderen Worten, die herzustellende Bauform der formveränderlichen Verschlusskappe ist der deformierte Zustand.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Schalenkörper insbesondere so ausgebildet, dass er bei Druckbeaufschlagung des formveränderlichen Hohlkörpers beim Wechsel in den undeformierten Zustand eine entsprechende Kraft auf die Rahmenstruktur in Richtung der zweiten Querschnittsform ausübt. So kann der Schalenkörper so ausgebildet sein, dass bei einer Druckbeaufschlagung des Hohlkörpers der Schalenkörper in den undeformierten Zustand wechseln will, wodurch eine homogene konvexe Krümmung erzeugt werden soll, wobei insbesondere bei dem Zustandswechsel hin zu der rein konvexen Krümmung Zugkräfte auf die Rahmenstruktur ausgeübt werden, die eine Veränderung des Querschnitts hin zur zweiten vordefinierten Querschnittsform begünstigen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der deformierbare Schalenkörper im undeformierten Zustand ein im Wesentlichen isotensoider Schalenkörper. Hierbei sind die aufgrund der Druckbeaufschlagung des Hohlkörpers wirkenden Kräfte auf den Schalenkörper im Wesentlichen gleichmäßig verteilt, was eine im Wesentlichen homogene Spannungsverteilung ergibt. Somit ergibt sich eine Lastaufnahme mit ausgeglichener Spannungsverteilung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Biegesteifigkeit des Schalenkörpers geringer als die Dehnsteifigkeit, so dass der Schalenkörper sich im Wesentlichen bei einer Druckbeaufschlagung mehr biegt als er sich dehnt. Hierdurch wird erreicht, dass der Schalenkörper, der in der ersten Querschnittsform in einer deformierten Struktur vorliegt, bei Druckbeaufschlagung des Hohlkörpers und somit einer Änderung der Querschnittsform in die zweite Querschnittsform die Deformationen bereinigt und dabei eine Kraft auf den Schalenkörper ausübt, was in der Regel durch Biegung des Materials entsteht, während der Schalenkörper an sich aufgrund der hohen Dehnsteifigkeit kaum eine Veränderung in der Schalenkörperhöhe ausführt. Mit anderen Worten, ist die Biegesteifigkeit gegenüber der Dehnsteifigkeit gering, so wird bei Verformung des Querschnitts ein Großteil der Deformation auf Biegung beruhen, und zwar bei Druckbeaufschlagung von der ersten in die zweite Querschnittsform als auch bei Beendigung der Druckbeaufschlagung von der zweiten Querschnittsform in die erste Querschnittsform. Da bei Biegedeformation insbesondere bei dünnwandigen Schalenelementen weniger Energie beansprucht und zu global geringeren Dehnungen führt, ist dies besonders vorteilhaft.
Vorteilhafterweise ist das Verhältnis der Dehnsteifigkeit des Schalenkörpers zur Biegesteifigkeit im Wesentlichen
wobei EA die Dehnsteifigkeit aus dem Produkt des Elastizitätsmoduls E und der Querschnittsfläche A und EI die Biegesteifigkeit aus dem Produkt des Elastizitätsmoduls E und des geometrischen Flächenträgheitsmomentes I ist. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn das Verhältnis von Dehnsteifigkeit zur Biegesteifigkeit des Schalenkörpers minimiert wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Schalenkörper derart ausgebildet, dass die Ausprägung der Kappengeometrie der Verschlusskappe eine Verformung durch Biegung gegenüber Dehnung begünstigt, wenn der Schalenköper von dem deformierten Zustand in den undeformierten Zustand wechselt.
Gemäß Anspruch 7 ist des Weiteren ein formveränderlicher Hohlkörper vorgesehen, der die Form einer ersten vordefinierten Form und mindestens die Form einer zweiten vordefinierten Form annehmen kann, wobei der formveränderliche Hohlkörper einen formveränderlichen Querschnitt hat, der eine erste vordefinierte Querschnittsform, der der ersten vordefinierten Form des Hohlkörpers entspricht, und mindestens eine zweite vordefinierte Querschnittsform, der der zweiten vordefinierten Form des Hohlkörpers entspricht, annehmen kann. An mindestens einem Querschnittsende des formveränderlichen Hohlkörpers ist dabei eine formveränderliche Verschlusskappe gemäß der vorliegenden Erfindung zum Verschließen des Hohlkörpers vorgesehen.
Zur Bildung einer formverändernden Struktur wird somit vorgeschlagen, eine formveränderliche Zelle bzw. Hohlkörper zur Bildung einer formverändernden Struktur anzugeben, so dass die formverändernde Struktur ihre Form von einer ersten vordefinierten Form in eine zweite vordefinierte Form ändern kann, wenn die formveränderlichen Zellen der formverändernden Struktur mit einem Druck beaufschlagt werden.
Vorteilhafterweise weist die formveränderliche Zelle eine Mehrzahl von formfesten Zellseitenwänden auf, die durch Seitenkanten gebildet werden. In einer einfachen Form weisen die formfesten Zellseitenwände eine rechteckige oder auch gegebenenfalls mehreckige flächige Struktur auf.
Die formfesten Zellseitenwände sind über die jeweiligen Seitenkanten gelenkig miteinander verbunden, so dass sich ein Hohlkörper mit einem formverändernden Querschnitt ergibt. Je nach Grundform des Querschnitts, d.h. beispielsweise je nach Anzahl der Ecken des Querschnitts, ergibt sich eine entsprechende Anzahl von Zellseitenwänden, die meist an ihrer Längsseite mit einer benachbarten Zellseitenwand gelenkig verbunden sind, wodurch der Querschnitt in Form eines Vielecks zwar ein Vieleck bleibt, aber in der Form des Vielecks variabel ist.
An den Querschnittsendseiten des Hohlkörpers, die jeweils der Form des Querschnitts entsprechen, wird der Hohlkörper durch die erfindungsgemäße Verschlusskappe druckdicht verschlossen. Die Verschlusskappe entspricht dabei dem Querschnitt des Hohlkörpers, wobei der Querschnitt des Hohlkörpers bei Druckbeaufschlagung von einer ersten Querschnittsform in eine zweite Querschnittsform wechselt. Der Querschnitt bzw. die Schnittfläche ist daher im Wesentlichen parallel zu der Verschlusskappe, so dass die Rahmenstruktur der Verschlusskappe dem jeweils angenommenen Querschnitt bzw. der angenommenen Querschnittsform des Hohlkörpers entspricht. Weist der Hohlkörper beispielsweise eine pentagonale Grundfläche auf, d.h. der Hohlkörper wurde aus fünf Zellseitenwänden zu einem Körper zusammengesetzt, so besteht die Rahmestruktur ebenfalls aus einer pentagonalen Querschnittsform, genauer gesagt einer pentagonalen Grundform, so dass die Verschlusskappe die entsprechende Öffnung des Hohlkörpers an den jeweiligen Enden verschließen kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die benachbarten Zellseitenwände des Hohlkörpers an ihrer jeweiligen Fügeseite über eine gemeinsame Seitenkante aneinandergefügt, über die die beiden benachbarten Zellseitenwände gelenkig miteinander verbunden sind. Hierdurch kann insbesondere ein sogenanntes Formgelenk geschaffen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Hohlkörper einen tetragonalen, pentagonalen oder hexagonalen (oder ein Vielfaches davon) Querschnitt auf.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 – perspektivische Darstellung einer formveränderlichen Zelle;
2 – Funktionsprinzip einer formveränderlichen Zelle in einer stark schematischen Darstellung;
3a, 3b – perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Verschlusskappe;
1 zeigt perspektivisch eine formveränderliche Zelle 1, die aus einer Mehrzahl von formfesten Zellseitenwänden 2 gebildet ist. Jede formfeste Zellseitenwand 2 weist mehrere Seitenkanten 3 auf, die den jeweiligen Umfang der Zellseitenwand 2 definiert und begrenzt. Die Zellseitenwände 2 weisen dabei in der Regel eine rechteckige oder vieleckige Grundfläche auf, wobei benachbarte Zellseitenwände 2 über eine gemeinsame Seitenkante 3 gelenkig miteinander verbunden sind, und zwar derart, dass die eine Zellseitenwand gegenüber der anderen Zellseitenwand schwenk- bzw. drehbar gelagert ist. Die gemeinsame Seitenkante 3 bildet dabei die Schwenk- bzw. Drehachse.
Ein solcher aus den Zellseitenwänden 2 umschlossener Hohlkörper weist an seinen Enden Öffnungen 4 auf, die druckdicht verschlossen werden müssen. In 1 ist dabei aufgrund der perspektivischen Darstellung nur eine der Querschnittsöffnungen 4 gezeigt.
Im Ausführungsbeispiel der 1 weist die Zelle einen pentagonalen Querschnitt auf, d.h. die grundlegende Querschnittsform der Zelle 1 ist ein Fünfeck gebildet aus insgesamt fünf Zellseitenwänden 2.
2 zeigt stark schematisch das Grundprinzip einer solchen formveränderlichen Zelle. Gezeigt ist in 2 dabei die Draufsicht auf die Querschnittsöffnung 4 mit ihren pentagonalen Querschnitt bzw. pentagonalen Querschnittsform. Auf der linken Seite der 2 ist die Querschnittsform gezeigt, wenn im Inneren des Hohlkörpers ein Druck p₁ eingestellt ist, wobei in der Regel ein Druck p₁ beispielsweise Umgebungsdruck sein kann und somit die Zelle nicht druckbeaufschlagt ist. Die Zelle weist in diesem nicht bedruckten Zustand bzw. in dem mit dem Druck p₁ bedruckten Zustand eine erste Querschnittsform auf.
Wird der Hohlkörper der Zelle nunmehr mit einem Druck p₂ bedruckt, so verändert sich die erste Querschnittsform (linke Seite) in Richtung der zweiten Querschnittsform (rechte Seite), da die einzelnen Zellseitenwände 2 über ihre Seitenkanten 3 gelenkig miteinander verbunden sind und somit der Querschnitt formveränderlich ist. Bei Beaufschlagung des Hohlraumes mit einem Druck p₂ versucht die Zelle dabei ein energetisches Optimum durch Maximierung des umschlossenen Hohlraumes zu erreichen, um den Druck zu reduzieren und die Lastverteilung zu ändern. In dieser optimalen Verteilung nimmt dann die Zelle die in 2 auf der rechten Seite gezeigte Querschnittsform an.
3a zeigt auf der linken Seite die formveränderliche Verschlusskappe 10, um die Querschnittsöffnung 4 der Zelle 1 zu verschließen, sowie dies auf der rechten Seite der 3a gezeigt ist. 3a zeigt dabei die erste Querschnittsform (im nicht bedruckten Zustand), bei der der Schalenkörper 12 der Verschlusskappe 10 in einem deformierten Zustand vorliegt.
Der deformierbare Schalenkörper 12 ist dabei an einer Rahmenstruktur 11 angeordnet, die aus fünf Seitenkanten 13a bis 13e gebildet wird. Benachbarte Seitenkanten sind dabei gelenkig miteinander verbunden, so dass die fünfeckige Grundform der Rahmenstruktur 11 hinsichtlich ihrer Querschnittsform veränderlich ist. So sind beispielsweise die Seitenkanten 13a und 13b über ihr gemeinsames Formgelenk 14a beweglich zueinander verbunden.
Auf der rechten Seite der 3a ist dabei gezeigt, wie die Verschlusskappe 10 die Zelle 1 am Querschnittsende 4 verschließen soll. Dabei kann optional ein Schutzring 15 auf die Rahmenstruktur 11 der Verschlusskappe 10 befestigt werden, um so den deformierbaren Schalenkörper vor Beschädigung zu schützen.
In 3b ist auf der linken Seite die Verschlusskappe 10 in der zweiten Querschnittsform gezeigt, wobei hier der Schalenkörper 12 im undeformierten Zustand vorliegt und im Wesentlichen ein isotensoider Schalenkörper ist. Bei dem isotensoiden Schalenkörper ist dabei die Spannungsverteilung bzw. Kraftverteilung über den gesamten Schalenkörper hinweg möglichst gleich verteilt, um die entsprechenden Druckkräfte gleichmäßig abtragen zu können.
Die Deformation des Schalenkörpers 12 in der ersten Querschnittsform begünstigt dabei die Änderung der Querschnittsform von der ersten in die zweite Querschnittsform, da aufgrund des angestrebten Optimums der Schalenkörper eine Kraft auf die Rahmenstruktur 11 ausübt, der in Richtung der zweiten Querschnittsform wirkt und somit eine Formveränderung von der ersten Querschnittsform in die zweite Querschnittsform begünstigt.
Da sich der Schalenkörper ausgehend von der ersten Querschnittsform in die Form bezüglich der zweiten Querschnittsform verändern muss, ist der Schalenkörper so ausgebildet, dass die entstehenden Deformationen bei Rückführung des Schalenkörpers von der zweiten Querschnittsform in die erste Querschnittsform im Wesentlichen auf Biegung beruht, da dies in der Regel weniger Energie bedarf als Dehnung.
Dabei ist die Form des mehrfach gekrümmten Schalenkörpers, insbesondere eines isotensoiden Schalenkörpers in der zweiten Querschnittsform stark abhängig von der zweiten Querschnittsform, da insbesondere in der zweiten Querschnittsform aufgrund der Druckbeaufschlagung die entsprechenden Kräfte abgetragen werden müssen.
Die Erzeugung des isotensoiden Schalenkörpers kann prinzipiell auf jeder Art von Basisgeometrie erzeugt werden, da der Schalenkörper nach Beginn des Formfindungsprozesses ohnehin nur noch in seinen Auflagepunkten bzw. -linien fixiert ist. Für ein und denselben Satz an Randbedingungen gibt es oft mehrere Lösungen des isotensoiden Schalenkörpers. Diese Tatsache wird beim Formfindungsprozess ausgenutzt, um den isotensoiden Schalenkörper für eine geregelte Kappenhöhe zu generieren. Die entscheidenden Funktionen, welche die Formfindung ermöglichen, sind die Art der Modellierung sowie die Methodik innerhalb der Iterationsschleifen. Da der isotensoide Körper frei von Momenten sein soll, werden Membranelemente verwendet, deren Biegesteifigkeit bei anliegenden Drucklasten automatisch zu null gesetzt wird. Der anschließende iterative Prozess kombiniert die im realen Bauteil vorhandenen Lasten mit Eigenspannungen geregelter Größe, um eine lastbasierte Verzerrung der Elemente in Hauptdehnungsrichtung zu gewährleisten. Der Isotensoid bildet die Ausgangsgeometrie für den anschließenden Prozess der Kappengenerierung.
Bei der Generierung der Zielgeometrie sind ebenfalls Membraneigenschaften für die Elemente anzustreben. Die bevorzugte Aufnahme der Deformationslast für Schalenelemente energiearme Biegung gegenüber energiereicher Dehnung wird hierdurch gewährleistet. Die Verformung in dem undeformierten Zustand führt damit zur Bildung einer Geometrie mit minimalem Energieaufwand.
Die resultierende Geometrie steht bei Anliegen der externen Kräfte in den isotensoiden Zustand und erreicht diesen unter Anwendung minimaler für die Verformung jedoch notwendiger Dehnungsenergie. Die Verformungscharakteristik sowie die erzeugte Geometrie selbst bilden den Output der dargestellten Methodik.
Für die Zielform ist die Ausgangsgeometrie der Kappe grundsätzlich nicht von Bedeutung. Entscheidend ist jedoch die Aufbringung von Randbedingungen wie Lasten- und Lagerbedingungen, da die Kappe durch eben diese äußeren Lasten gebildet wird. Die Randbedingungen aus dem verformten Zustand (zweite Querschnittsform) und unter Last herrschen sollen, werden als Startwert verwendet.
Im Falle einer solchen Kappe besteht die Initialform aus einer ebenen Membran (Startgeometrie), die über eine feste eingespannte Zellkontur (Lagerbedingung) geregelt ist. Aus der ebenen Startgeometrie wird eine isotensoide Kuppel geformt. Die Methode zur Erzeugung des isotensoiden Schalenkörpers überlagert externe Kräfte mit Eigenspannungen, wobei in einem iterativen Prozess jede Lastphase mit der Überlagerung von Ausgangsgeometrie und Deformationsvektoren beendet wird. Die geregelte Zusammenschaltung von Last und Eigenspannung führt dabei zu einer Aufweitung der Elemente in Hauptdehnungsrichtung und einer Stauchung in Querrichtung. Die Abweichung zwischen Maximal- und Minimalspannung liegt nach sieben Iterationen bereits bei unter 3%. Als zusätzlicher Parameter wurde die Kuppelhöhe auf eine Gesamthöhe festgelegt.
Entscheidend für diese Methodik und Funktionalität der Zielgeometrie ist, dass die isotensoide Form nicht im Bauzustand, sondern im deformierten Zustand (zweite Querschnittsform) erzeugt wird. Die isotensoide Form im deformierten Zustand führt zu zwei Effekten. Zum einen gewährleistet sie die bestmögliche Lastaufnahme im höchstbelasteten Zustand und zum anderen bildet sie die unter Belastung selbst induzierte und von der Struktur angestrebte Geometrie.
Basierend auf dem isotensoiden Formzustand wird eine Geometrie generiert, deren Grundriss durch den unverformten Zustand der Zelle angegeben wird. Bei Aufbringung der bekannten externen Lasten soll die Kappe ohne zusätzliche Krafteinbringung in den deformierten Zustand verformt werden, die Isotensoidform erreichen und dabei möglichst gering belastet werden.
Ausgangssituation für die Umformung der Kappe ist die Belegung der Schalenelemente mit Membraneigenschaften. Ist die Biegesteifigkeit gegenüber der Dehnsteifigkeit gering, so wird bei Verformung der Kappe ein Großteil der Deformation auf Biegung beruhen, da die Biegedeformation insbesondere bei dünnwandigen Schalenelementen weniger Energie beansprucht und zu global geringeren Dehnungen führt.
Ebenso wie bei der Zelle bewirkt der auf die Kappe aufgebrachte Innendruck p₂ ein Torsionsmoment, welches ein selbstinduziertes Verformen der Endkappe ermöglicht. Dabei wird ein Gleichgewichtszustand erreicht, welcher sich ohne zusätzliche externe Kräfte einstellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

NL 2006936 [0006]
DE 102012109889 A1 [0008]

Claims

Formveränderliche Verschlusskappe zum Verschließen eines Querschnittsendes eines formveränderlichen Hohlkörpers, der einen formveränderlichen Querschnitt hat, der eine erste vordefinierte Querschnittsform und mindestens eine zweite vordefinierte Querschnittsform annehmen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die formveränderliche Verschlusskappe eine Rahmenstruktur aufweist, die aus einer Mehrzahl von gelenkig miteinander verbundenen Seitenkanten gebildet wird und dem Querschnitt des formveränderlichen Hohlkörpers entspricht und die die erste Querschnittsform und die mindestens zweite Querschnittsform des formveränderlichen Hohlkörpers annehmen kann, wobei an der Rahmenstruktur ein deformierbarer Schalenkörper angeordnet ist, der bei einer Formveränderung der Rahmenstruktur von der ersten Querschnittsform in die mindestens zweite Querschnittsform von einem deformierten Zustand in einen undeformierten, mehrfach gekrümmten Zustand wechselt, wobei der Schalenkörper derart ausgebildet ist, dass er einen Zustandswechsel von dem deformierten Zustand in den undeformierten Zustand in Richtung der zweiten Querschnittsform unterstützt.
Formveränderliche Verschlusskappe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalenkörper im deformierten Zustand derart ausgebildet ist, dass beim Zustandswechsel in den undeformierten Zustand der Schalenkörper eine Kraft auf die Rahmenstruktur in Richtung der zweiten Querschnittsform ausübt.
Formveränderliche Verschlusskappe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalenkörper im undeformierten Zustand ein im Wesentlichen isotensoider Schalenkörper ist.
Formveränderliche Verschlusskappe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalenkörper derart ausgebildet ist, dass die Ausprägung der Kappengeometrie eine Verformung durch Biegung gegenüber Dehnung begünstigt, wenn der Schalenkörper von dem deformierten Zustand in den undeformierten Zustand wechselt.
Formveränderliche Verschlusskappe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegesteifigkeit des Schalenkörpers geringer ist als die Dehnfähigkeit des Schalenkörpers.
Formveränderliche Verschlusskappe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Dehnsteifigkeit des deformierbaren Schalenkörpers zur Biegesteifigkeit des Schalenkörpers minimiert wird.
Formveränderlicher Hohlkörper, der die Form einer ersten vordefinierten Form und mindestens die Form einer zweiten vordefinierten Form annehmen kann, wobei der formveränderliche Hohlkörper einen formveränderlichen Querschnitt hat der eine erste vordefinierte Querschnittsform, der der ersten vordefinierten Form des Hohlkörpers entspricht, und mindestens eine zweite vordefinierte Querschnittsform, der der zweiten vordefinierten Form des Hohlkörpers entspricht, annehmen kann, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem Querschnittsende des formveränderlichen Hohlkörpers eine formveränderliche Verschlusskappe nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Verschließen des Hohlkörpers angeordnet ist.
Formveränderlicher Hohlkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper eine Mehrzahl von durch Seitenkanten gebildete formfeste Zellseitenwände aufweist, die über die jeweiligen Seitenkanten gelenkig miteinander verbunden sind, um den Hohlkörper mit einem formveränderlichen Querschnitt zu bilden.
Formveränderlicher Hohlkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Zellseitenwände des Hohlkörpers an ihren Fügeseiten eine gemeinsame Seitenkante haben, über die die beiden benachbarten Zellseitenwände gelenkig miteinander verbunden sind.
Formveränderlicher Hohlkörper nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper einen vorzugsweise tetragonalen, pentagonalen oder hexagonalen Querschnitt bzw. Vielzahlen davon aufweist.
Formveränderlicher Hohlkörper nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper derart ausgebildet ist, dass bei Druckbeaufschlagung des Hohlkörpers dieser von der ersten Querschnittsform in die zweite Querschnittsform wechselt.