DE1924863A1 - Support element made of plastic for double shells - Google Patents
Support element made of plastic for double shellsInfo
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Description
Stützelement aus Kunststoff für DoppelschalenPlastic support element for double shells
Die Erfindung betrifft ein Stützelement in Stegform, zum Beispiel aus verstärktem Kunststoff, das zum Aufbau von Sandwienkernen für Leichtbaukonstruktionen geeignet ist; sie betrifft ferner das Verfahren zur Ausbildung des Stützelementes, das dadurch gekennzeichnet ist, daß jeder der parallel zueinander verlaufenden Stützstege im Querschnitt ein über die Höhe unterschiedliches Flächenträgheitsmoment aufweist, wobei die Stegmasse für jeden differenzierten Teilbereich jedoch annähernd konstant bleibt.The invention relates to a support element in the form of a web, for example made of reinforced plastic, which is used for the construction of Sandwienkernen is suitable for lightweight constructions; it also relates to the method of forming the support element, which is characterized in that each of the support webs running parallel to one another have a surface moment of inertia that differs over the height in cross section has, the web mass for each differentiated sub-area, however, remains approximately constant.
Bekannt sind Sandwichkerne für Leichtbaukonstruktionen aus Materialien, deren Raumgewicht weit geringer ist, als das der Deckschichten. Solche Strukturen, zum Beispiel aus Hartschaum, füllen im Normalfall den Saum zwischen den Deckschichten vollständig aus. Bekannt sind weiterhin Kernstrukturen mit Stützstegen, wobei diese Stege im Querschnitt eine konstante Dicke und somit auch ein konstantes Plächenträgheitsmoment über ihre Höhe aufweisen.Sandwich cores for lightweight constructions made from materials whose density is far lower than that are known of the top layers. Such structures, for example made of rigid foam, normally fill the seam between the cover layers completely off. Core structures with support webs are also known, these webs having a cross section constant thickness and thus also a constant surface moment of inertia about their height.
Demgegenüber besitzt das Stützelement, das Gegenstand der Erfindung ist, ein über die Höhe unterschiedliches Flächenträgheitsmoment. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Doppelschalen mit Sandwichkernen aus gegebenenfalls verstärktem Kunststoff für eine erhöhte Belastbarkeit unter optimaler Ausnutzung der Materialeigenschaften bzw. ohne Gewichtserhöhung auszulegen.In contrast, the support element, which is the subject of the invention, has a geometrical moment of inertia that differs over its height. The invention is based on the object of providing double shells with sandwich cores made of optionally reinforced Plastic for increased resilience with optimal use of the material properties or without Interpret weight increase.
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Ein Sandwichstütz st eg der Dicke "S" verzweigt sich vor Einlauf in die ihn begrenzenden Deckschichten in zwei auseinander streb ende Schräg stütz en der Dicke "-p". Dabei ist der Abstand zwischen den Deckschichten und dem Gabelungspunkt der auseinanderlaufenden Schrägstützen durch das Verfahren einstellbar. Hat die Gesamthöhe des Sandwichkernes, das Maß "h", so ist der Abstand zwischen Deckschicht und Beginn der· Stegspaltung immer kleiner "·*·" und größer null. Ein Stützsteg der beschriebenen Geometrie besitzt somit entsprechend den theoretischen Anforderungen für beidseitig eingespannte Biege- oder Knickträger an seinen Wurzeln, das heißt an den Einspannenden, sein größtes Widerstandsmoment. Der Anstieg vom kleinsten Widerstandsmoment im Mittelbereich des Steges bis zum Maximum am Einlauf der Stegwurzel in die Deckschichten ist stetig. Eine erhöhte Knick- oder Biegefestigkeit der Stützstege gegenüber einer Stegausführung mit über die Höhe konstantem Plächenträgheitsmoment bedeutet auch für ein aus solchen Stützelementen aufgebautes Sandwichbauteil eine erhöhte Druck-, Schub- und Biegebelastbarkeit bis zum Versagen des Sandwichkernes.A sandwich support st eg the thickness "S" branches off in front of the inlet in the outer layers bounding it in two diverging oblique supports of the thickness "-p". Here is the Distance between the cover layers and the fork point of the diverging diagonal supports due to the process adjustable. Has the total height of the sandwich core that Dimension "h" is the distance between the top layer and the beginning the · web split always smaller "· * ·" and larger than zero. A Support web of the geometry described thus has the theoretical requirements for both sides clamped bending or buckling beam at its roots, that is, at the clamping end, its greatest moment of resistance. The increase from the smallest section modulus in the middle area of the web to the maximum at the entry of the web root into the Top layers is steady. An increased buckling or bending strength of the support webs compared to a web design with means constant surface moment of inertia over the height an increased compressive, shear and bending strength even for a sandwich component made up of such support elements until the sandwich core fails.
Die Aufspaltung eines jeden Stützsteges in zwei Schrägstützen vor Einlauf in die Deckschichten reduziert gleichzeitig die freie, ungestützte Spannweite der Deckschicht zwischen zwei Stegen. Hat der Abstand von zwei Stegachsen das Maß "1", so ist die ungestützte Spannweite der Deckschicht immer kleiner "1". Die Deckschichten eines erfindungsgemäß aufgebauten Sandwichbauteiles weisen somit insbesondere gegenüber Punktbelastung ein gleichmäßigeres Verformungsverhalten auf als die Deckschichten von Bauteilen mit Stützstegen, deren Elächenträgheitsmomente über die Höhe konstant sind.The splitting of each support web into two diagonal supports before entering the surface layers, the free, unsupported span of the surface layer between two bars. If the distance between two web axes is "1", the unsupported span of the top layer is always smaller "1". The cover layers of a sandwich component constructed in accordance with the invention thus show, in particular, against point loading a more uniform deformation behavior than the top layers of components with support webs, their area moments of inertia are constant over the height.
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Der geometrische Verlauf der Schrägstützen vom Stegmittelbereich zur Deckschicht ist vom Verfahren her zur Erzielung optimaler Steifigkeitsverhältnisse am Stegfuß einstellbar.The geometric course of the diagonal supports from the bridge center area for the top layer, the process can be adjusted to achieve optimal rigidity conditions at the foot of the bridge.
In ihrer Grundform ist Jede Schrägstütze, und zwar in Richtung der Achse des GesamtSteges, stark vorgekrümmt. Jede Schrägstütze läuft tangential sowohl in den Mittelbereieh des Stützsteges als auch in die Deckschicht ein. Der tangentiale Einlauf der Schrägstütze in die Deckschicht verleiht der Stegwurzel eine weite Ausladung. Bei Druckbelastung der Deckschicht liegt somit zwischen dem Krafteinleitungspunkt "Deckschicht - Schrägstütze" und der Einspannung der Schrägstütze im Mittelsteg ein langer Hebelarm. Durch die Vorkrümmung kann der Schrägstütze außerdem nicht die Funktion einer stabilisierenden Diagonalstrebe zugeordnet werden. Hieraus resultiert für die Stegwurzel eine gewisse Druckelastizität. Sandwichbauteile mit Stützstegen der beschriebenen Geometrie besitzen gegenüber Stegen mit konstantem Flächenträgheitsmoment ein erhöhtes Dämpfungsvermögen bei Schockbelastung.In its basic form, each inclined support is strongly pre-curved in the direction of the axis of the entire web. Every The diagonal strut runs tangentially both in the central area of the support web as well as in the top layer. The tangential The run-in of the prop into the surface layer gives the base of the bar a wide overhang. With pressure load the cover layer is thus between the force introduction point "cover layer - inclined support" and the restraint a long lever arm in the middle bar. Due to the pre-curvature, the prop can also not Function of a stabilizing diagonal strut can be assigned. This results in a certain amount for the root of the bar Compressive elasticity. Sandwich components with support webs of the geometry described have webs with constant Geometrical moment of inertia an increased damping capacity in the event of shock loads.
Das Verfahren zur Ausbildung des Stützsteges läßt sich derart erweitern, daß an der Stegwurzel die Vorkrümmung der Schrägstützen bei gleichzeitiger Reduzierung ihrer Ausladung abgebaut- wird. Die Stegwurzel zeigt optimales Steifigkeit sverhalt en nach übergang in ein Kräftedreieck, das heißt,der Verlauf der Schrägstützen ist geradlinig, unter Druckbelastung ist Ausknicken das Versagenskriterium. Sandwichbauteile mit Stützstegen dieser Struktur sind besonders steif, das Dämpfungsvermögen bei Schockbelastung ist geringer als das von Bauteilen mit Stützstegen, deren Schrägstützen an der Wurzel- vorgekrümmt sind und eine weite Ausladung besitzen. The method for forming the support web can be expanded so that the pre-curvature of the web root Leaning supports are dismantled while reducing their overhang. The root of the bar shows optimal stiffness Behavior after transition into a triangle of forces, that is, the course of the diagonal supports is straight, below Buckling is the failure criterion. Sandwich components with support webs of this structure are special stiff, the shock absorption capacity is lower than that of components with support bars and their angled supports are pre-curved at the root and have a wide overhang.
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Sandwichbauteile mit Stützstegen der bisher beschriebenen Art besitzen außerdem, und zwar aufgrund der durch die Schrägstützen an der Stegwurzel gebildeten zusätzlichen Luftkammern, ein größeres Wärmeisolationsvermögen als Bauteile mit nicht gespaltenen Stegen.Sandwich components with support webs of the type described above also have, due to the diagonal supports Additional air chambers formed at the root of the web, a greater thermal insulation capacity than components with not split bars.
Für die Ausbildung von Sandwichstützkernen mit Stegen, die ein über die Höhe unterschiedliches Flächenträgheitsmoment aufweisen, werden weitgehend flexible, schlauchförmige, formstabile oder mittels Druck querschnittstabilisierbare ein- oder mehrwandige Halbzeuge aus zum Beispiel in Folge chemischer Reaktion aushärtbaren Materialien mit oder ohne Verstärkungseinlage verwendet.For the formation of sandwich support cores with webs that have a different area moment of inertia over the height largely flexible, tubular, dimensionally stable or cross-section stabilized by means of pressure or multi-walled semi-finished products made of materials that can be hardened as a result of chemical reactions, for example, with or without a reinforcement insert used.
Zur Ausbildung der beschriebenen Stützstegstruktur sind folgende Verfahrensschritte erforderlich:To form the support web structure described are the following procedural steps are required:
a) Das schlauch- oder röhrenförmige Steg-Halbzeug, das einen durch Preßluft oder in anderer Weise stabilisierten runden Querschnitt besitzt, wird - der Größe des Bauteils entsprechend - so mehrfach nebeneinander auf eine vorbereitete Deckschicht aufgelegt, daß eich die einzelnen schlauch- oder röhrenförmigen Steg-Halbzeuge entweder berühren oder in einem bestimmten Abstand voneinander liegen. the size of the component corresponding to - - a) The hose-like or tubular web semifinished product which has a by compressed air or otherwise stabilized round cross-section, so several times next to each other placed on a prepared coating layer that calibrating the individual tubular or tube-shaped web - Semi-finished products either touch or lie at a certain distance from one another.
b) Eine aweite vorbereitete Deckschicht wird mittels eines geeigneten Preßwerkzeuges derart gegen die flexible Schlauchauflage gefahren, daß jeder Schlauch entlang der Berührungslinien zu den Deckschichten und zu den Nachbarschläuchen abgeflacht wird. Das jeweils gewünschte Maß der Abflachung ist über den Preßweg einstellbar.b) A further prepared top layer is applied using a suitable pressing tool so driven against the flexible hose support that each hose is flattened along the contact lines to the cover layers and to the neighboring hoses. That the desired degree of flattening can be adjusted via the pressing path.
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c) Das Stegmaterial geht durch Erhärten im verpreßten Zustand in den starr-elastischen Zustand über.c) The web material changes to the rigid-elastic state as a result of hardening in the compressed state.
d) Das Bauteil wird entformt, wobei vor Entlastung des · Preßwerkzeuges der Stabilisierungsdruck in aufblasbaren Steghalbzeugen auf Umgebungsdruck reduziert wird.d) The component is removed from the mold, the stabilizing pressure in the inflatable web semi-finished products being reduced to ambient pressure before the compression tool is relieved will.
Während des Preß- und Aushärtevorganges geht jedes Steghalbzeug mit den angrenzenden Bauelementen, wie Deckschichten und MachbarSteghalbzeugen, einen Verbund, zum Beispiel durch Verkleben oder Verschmelzen, ein. Die Größe der Abflachung von zwei nebeneinander liegenden, verpreßten ßteghalbzeugen entspricht annähernd der Verbundhöhe und ist identisch mit dem Stegmittelbereich. Für einen vorgegebenen Durchmesser des Steghalbzeuges bedeutet eine Vergrößerung des Preßweges immer gleichzeitig eine Vergrößerung des Stegmittelbereiches und eine Verkleinerung der Stegwurzel· Bei der genannten Bedingung ist somit über den Preßweg das Höhenverhältnis "Stegmittelbereich - Stegwurzel11 einstellbar.During the pressing and hardening process, each semi-finished bar forms a bond with the adjacent components, such as cover layers and feasible semi-finished bar products, for example by gluing or fusing. The size of the flattening of two pressed, pressed semifinished products that lie next to one another corresponds approximately to the bond height and is identical to the central area of the web. For a given diameter of the web semifinished an enlargement means of Preßweges always at the same time an increase in the web center area and a reduction of the web root · In the aforementioned condition is thus on the pressing path the height ratio "web center area - adjustable web root. 11
verschieden, müssen aber aufeinander abgestimmt sein. Ist das Steghalbzeug aus verstärktem Kunststoff, so kann für die Deckschichten zum Beispiel artgleiches Material oder aber auch Holz, Metall, Steingut und ähnliches verwendet werden. Bei entsprechender Abstimmung können die Materialien der Deckschichten selbstverständlich auch untereinander noch einmal verschieden sein» Das hat zur lolge, daß bei Verwendung eines Steghalbseuges aus verstärktem Kunststoff ein Harzsystem zu wählen ist, das nicht nur die Funktion als Bettungsmasse für das Verstärkungsmaterial übernimmt, sondern zugleich auch, einen dauerhaften, belastbaren Klebeverbund zu artgleichen, aber auch zu artfremden Deckschichten eingeht.different, but must be coordinated with each other. If the web semi-finished product is made of reinforced plastic, then, for example, material of the same type or wood, metal, earthenware and the like can be used for the cover layers. With appropriate coordination, the materials of the cover layers can of course also be different from one another. The consequence of this is that when using a bridge half-eye made of reinforced plastic, a resin system must be selected that not only functions as bedding material for the reinforcement material, but also at the same time , a permanent, resilient adhesive bond to matching, but also to different top layers.
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Soll die Wurzel der Stützstege geradlinig verlaufende Schrägstützen aufweisen, so wird bei Verfahrens schritt a) in jede Keilöffnung zwischen zwei kreisförmigen, mit Berührung nebeneinander liegenden Steghalbzeugen ein formstabiles oder flexibles Druckausgleichselement eingelegt. Ist das Druckausgleichselement flexibel und aufblasbar, so ist die Möglichkeit des Einstellens eines konstanten Druckes in allen Luftkammern der Sandwichstruktur gegeben, das heißt: während des Aushärtevorganges herrscht nicht nur die gleiche Druckbelastung beiderseits des Stegmittelbereiches, sondern auch beiderseits der Schrägstützen.If the roots of the supporting webs are to have straight inclined supports, step a) is used in each of the steps Wedge opening between two circular semi-finished webs that are in contact with one another, a dimensionally stable or flexible pressure compensation element is inserted. If the pressure compensation element is flexible and inflatable, it is possible to set a constant pressure in all air chambers of the sandwich structure, that is to say: during the During the curing process, there is not only the same pressure load on both sides of the central area of the web, but also on both sides of the props.
Formstabile Druckausgleichselemente müssen in ihrer Querschnitt sgeometrie dem gewünschten Kräftedreieck entsprechen. Bei Verwendung von flexiblen, aufblasbaren Druckauegleichselementen muß deren Umfang mit dem Umfang des gewünschten Kraftedreiecks übereinstimmen; Geometrie des gewünschten Kräftedreiecks und Preßweg (siehe Verfahrensschritt b) ) müssen in jedem Fäll aufeinander abgestimmt sein. Dimensionally stable pressure compensation elements must correspond to the desired triangle of forces in their cross-sectional geometry. When using flexible, inflatable pressure equalizing elements, their scope must match the scope of the desired force triangle; The geometry of the desired triangle of forces and the pressing path (see process step b)) must be coordinated with one another in each case .
Bei den bisher beschriebenen Druckausgleichselementen ist primär an ein Material und an einen Aufbau gedacht, dem keine tragende Funktion innerhalb der G-e samt struktur des Sandwich zugeordnet werden kann. Es ist auch die Verwendung von verstärkten Bruckausgleichselementen möglich; sie gehen zum Beispiel mit den Schrägstützen der Kernwurzel einen Verbund ein, wodurch die Steifigkeit weiter erhöht wird. Die eingangs beschriebene gleichmäßige Massenverteilung über jeden differenzierten Höhenteilbereich des Stützsteges ist bei einem Steg mit derart verstärkter Kernwurzel jedoch nicht mehr gegeben. In the previously described pressure-equalizing elements is primarily intended to a material and a structure which no load-bearing function can be assigned within the tal structure of the sandwich. It is also possible to use reinforced bridge compensation elements; For example, they form a bond with the oblique supports of the core root, which further increases the rigidity. However, the uniform mass distribution described above over each differentiated partial height area of the support web is no longer given in the case of a web with such a reinforced core root.
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Mit den Zeichnungen Fig. /1 bis Fig. 6 soll das Stützelement, das Gegenstand der Erfindung ist, in seinen verschiedenen Varianten erläutert werden.With the drawings Fig. / 1 to Fig. 6, the support element, which is the subject of the invention are explained in its various variants.
Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung ein Sandwichbauteil mit parallel zueinander verlaufenden Stützstegen. Die Figuren 2 bis 6 zeigen jeweils den Querschnitt eines Sandwichstützsteges mit den begrenzenden Deckschichten.Fig. 1 shows a perspective view of a sandwich component with support webs running parallel to one another. Figures 2 to 6 each show the cross section of a sandwich support web with the delimiting cover layers.
Das Sandwichbauteil in Fig. 1 besteht aus einem Sandwichkern, gebildet aus der Summe der Stützstege 3 und den begrenzenden Deckschichten 1 und 2· Der Abstand von zwei Steg achsen hat das Maß 11I".. Die Gesamthöhe des Sandwichkernes hat das Maß "h", der Sandwichstützsteg hat die Dicke "S". The sandwich component in Fig. 1 consists of a sandwich core, formed from the sum of the support webs 3 and the delimiting cover layers 1 and 2. The distance between two web axes has the dimension 11 I ".. The total height of the sandwich core has the dimension" h " , the sandwich support bar has the thickness "S".
Fig. 2 zeigt einen Stützsteg 3 alt einem über seine Höhe unterschiedlichen Flächenträgheitsmoment bei annähernd gleichbleibender Stegaasse über Jeden differenzierten Höhenteilbereich zwischen zwei Deckschichten 1 und 2. Zwischen den Niveaulinien MBlr und wCn liegt der Stegmittelbereich von Stützsteg 3» zwischen den Niveaulinien "A" und "Bn bzw. "C" und MD" die Stegwurzel mit den Schrägstützen. Die Schrägstützen sind stark vorgekrümmt und laufen tangential sowohl in den Stegmittelbereich als auch in die Deckschichten 1 und 2 ein. Pos· 4 ist eine dichtende Einlage im Steghalb zeug für die Querschnitt«stabilisierung, sum Beispiel mittels Preßluft. Fig. 2 shows a support web 3 with a surface moment of inertia which varies over its height with an approximately constant web alley over each differentiated partial height area between two cover layers 1 and 2. Between the level lines M B lr and w C n lies the web center area of support web 3 "between the level lines" A "and" B n or "C" and M D "the root of the web with the diagonal supports. The diagonal supports are strongly pre-curved and run tangentially into the web center area as well as into the cover layers 1 and 2. Item 4 is a sealing insert in the bar semi-finished product for cross-section stabilization, for example by means of compressed air.
Fig. 3 entspricht ?ig. 2, die Deckschichten 1 und 2 sind Jedoch enger zusammengefahren, hieraus resultiert eine Verkürzung der Ausladung der Stegwurzel und eine Vergrösserung des Stegmittelbereicheβ.3 corresponds to FIG. 2, which are top layers 1 and 2 However, moved closer together, this results in a Shortening of the extension of the base of the bar and an enlargement of the central area of the bar.
- .8 -09 847/0718- .8 -09 847/0718
— ο —- ο -
Pig. 4- entspricht Pig. 2 und Pig. 3» durch Verwendung von flexiblen, aufblasbaren Druckausgleichselementen 5 ist Jedoch jede Stegwurzel zu einem Kräftedreieck mit geradlinig verlaufenden Schrägstützen umgestaltet worden.Pig. 4- corresponds to Pig. 2 and Pig. 3 »by using flexible, inflatable pressure compensation elements 5, however, each web root is a triangle of forces with straight lines running props have been redesigned.
Pig. 5 entspricht Pig. 4, die Umgestaltung der Stegwurzel in ein Kräftedreieck ist hier durch ein formstabiles Druckausgleichselement 6 erzielt worden.Pig. 5 corresponds to Pig. 4, the remodeling of the bridge root A force triangle is created here by a dimensionally stable pressure compensation element 6 has been achieved.
Pig. 6 entspricht Pig. 4-, das Druckausgleichselement besteht hier jedoch aus einer dichtenden Einlage 7 für die Querschnittsstabilisierung, zum Beispiel mittels Preßluft und einer darüber liegenden Verstärkung 8, wobei diese Verstärkung einen Verbund mit den Schrägstützen der Kernwurzel eingegangen ist und tragende Punktion übernimmt.Pig. 6 corresponds to Pig. 4-, which consists of pressure compensation element here, however, from a sealing insert 7 for cross-sectional stabilization, for example by means of compressed air and an overlying reinforcement 8, this reinforcement being connected to the diagonal supports of the core root has been received and takes over the load-bearing puncture.
- 9 -009847/0718- 9 -009847/0718
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