DE2548216A1 - Verfahren zur herstellung von hydrodynamischen und aerodynamischen modellen und nach diesem verfahren hergestelltes modell - Google Patents

Description

Fo 9604 D

28, Okt. 1975

Dipl.-mg. Jürgen WEINMIL.LER PATENT ASSESSOR

SOSPI GmbH

8000 München 8O

Zeppetinstr. 63

SOCIETE GENERALE DE CONSTRUCTIONS ELECTRIQUES ET

MECANIQUES ALSTHOM

38, avenue Kleber, 75784 PARIS CEDEX 16 Frankreich

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON HYDRODYNAMISCHEN UND AERODYNAMISCHEN MODELLEN UND NACH DIESEM VERFAHREN HERGESTELLTES MODELL

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hydrodynamischen ModeIlen,anhand deren im verkleinerten Maßstab das Verhalten von komplexen, aus länglichen Bauteilen, beispielsweise aus Rohren, gebildeten Strukturen, studiert werden kann, die verschiedenen internen oder von außen kommenden hydrodynamischen Einwirkungen ausgesetzt werden.

Jedes dieser länglichen Bauteile (ganz gleich, ob sie eine Symmetrieachse besitzen oder nicht, und deren neutrale Faser nicht notwendigerweise geradlinig ist) besteht dabei aus: - einerseits einer in der Nähe der neutralen Faser des entsprechenden wirklichen Bauteils liegenden zentralen Seele, deren

609820/0729

Querschnitt und Baumaterial dem untersuchten Bauteil die Biegesteifigkeit im gewünschten Maßstab verleiht; - andererseits einer die vorgenannte Seele umgebenden Umhüllung, die aus einem Material besteht, das einmal die äußere geometrische Form des untersuchten Bauteils ohne Änderung der durch die innen liegende Seele bedingten Steifigkeiten und zum anderen die Verteilung der Massen entsprechend der Massenvertexlung im wirklichen Strukturteil, das simuliert werden soll, wiedergeben soll.

Bei Bauvorhaben auf dem offenen Meer (off-shore) erfordert die Errichtung von Bohr- und Förderplatten oder die Verlegung von Erdölleitungen immer häufiger die Durchführung von Versuchen an verkleinerten Modellen; bei diesen Versuchen berücksichtigt man die elastische Verformung, um die Ausbreitung von Kräften, die in einer durch hydrodynamische innen oder außen auf die Struktur einwirkende Einflüsse beanspruchten Struktur entstehen, simulieren'TcÖnnen.

Die elastischen Verformungen einer dem Seegang oder Strömungen ausgesetzten Struktur geben zu jedem Zeitpunkt das Gleichgewicht wieder zwischen :

- den durch das flüssige Milieu auf die Bauteile der beanspruchten Struktur einwirkenden Kräften, die von der äußeren Geometrie dieser Bauteile abhängen;

- den Trägheitskräften sämtlicher zur Struktur gehörenden Bauteile, ganz gleich ob sie vom flüssigen Milieu beansprucht werden oder nicht;

- der von allen diesen Bauteilen den vorgenannten Beanspruchungen entgegengesetzten Reaktion, die von deren inneren Zusammensetzung abhängt und in der Steifigkeit (oder in Steifigkeiten) jedes Bau-

609820/0729

teils der Struktur, die im verkleinerten Modell wiedergegeben werden soll, gemessen wird.

Die Erfindung betrifft Modelle, die es gestatten,sollen, die Stexfigkextsparameter, die durch die Gesamtheit der das Skelett der Struktur bildenden Seelen geliefert werden, von den übrigen Parametern wie beispielsweise äußeren Formen und Masseverteilung, die sich durch die Umhüllung ergeben, welche die hydrodynamischen und die Tragheitskräfte auf das Skelett der Struktur übertragen, zu trennen.

Man versucht vor allem, die Biegesteifigkeiten zu reproduzieren, die die wichtigsten Kräfte darstellen. Dies ist beispielsweise der Fall beim Transport von dem Einfluß des Seegangs unterliegenden Erdölleitungen oder Bohrplattformen aus kreuzweise miteinander verbundenen Rohrelementen.

Bei geeigneter Wahl der Seelen kann man jedoch auch die Torsionswirkungen und die Zug- und Kompressionswirkungen wiedergeben .

Für die inneren hydrodynamischen Einwirkungen muß die Seele hohl sein, beispielsweise, um das Verhalten eines Bohrverlängerungsrohrs im Meer während des Entleerens von in diesem Rohr befindlichem Schlamm zu simulieren.'

Die Herstellung von Modellen, die die Kopplung zwischen der Hydrodynamik und der Materialfestigkeit gut darstellen können, ist stets schwierig, da man gleichzeitig den Regeln der hydraulischen Ähnlichkeit und denen der Elastizität genügen muß. Man zeigt durch Anwendung der Regeln dieser doppelten Ähnlichkeit, daß bei dem verkleinerten Modell die Produkte aus Elastizitätsmodul und Trägheit bzw. Hauptquerschnittsträgheitsmomenten jedes der Bestand teile der Struktur erheblich kleiner sind, als die entsprechenden

609820/0729

— Δ. —

Produkte jedes Bauteils der wirklichen Struktur. Mit anderen Worten muß das verkleinerte Modell wesentlich weniger steif sein, als es die wirkliche Struktur ist. Diese Verringerung der Steifigkeit macht die Herstellung von Modellen schwierig.

Beispielsweise soll zur Angabe einiger Größenanordnungen angenommen werden, daß am verkleinerten Modell das Verhalten einer sehr langen Erdölleitung simuliert werden soll, die an der Oberfläche eines Meers mit Seegang schwimmt. Hierzu muß das Modell in einem Becken mit Wellengang untergebracht werden. Der Größenmaßstab wird vollkommen unabhängig von der elastischen Ähnlichkeit durch die Beachtung der hydraulischen Ähnlichkeit bestimmt. Wenn man einen natürlichen Wellengang von beispielsweise 10 Metern nachahmen will und das Wellengangbecken lediglich einen Meter hohe Wellen erzeugen kann, so beträgt der Maßstab für das Erdölleitungsmodell notwendigerweise 1/10.

Damit die durch einen gegebenen freien Seegang erzeugte Verformung des Rohrs den Verformungen der Oberfläche entspricht, muß auch der Krümmungsradius des Modells zehnmal kleiner sein als im entsprechenden wirklichen Fall. Es läßt sich dann zeigen, daß die Steifigkeit des Modells 100 000 mal kleiner sein muß als die des wirklichen Rohrs.

Diese "Steifigkeit" muß durch die fünfte Potenz des Maßstabs dividiert werden, d.h. durch 100 000 000 bei einem Verkleinerungsmaßstab von 1/40.

Würde man das Rohr aus demselben Material herstellen wie das wirkliche Rohr, und dabei die letztlich durch die hydrodynamische Ähnlichkeit bedingten Außenabmessungen beachten (was im übrigen unbedingt notwendig ist, um maßstabsgetreu die einwirkenden

609820/0729 ,

.. 5 —

Kräfte des flüssigen Milieus zu reproduzieren), käme man auf sehr geringe Wandstärken. Für ein wirkliches Rohr mit einer Dicke von 20 mm entspräche bei einem Maßstab von 1/10 die Stärke des Rohrmodells einem Wert von O,2 mm. Dieser Wert würde auf 2 Mikron abnehmen, wenn als Maßstab 1/100 gewählt würde.

Angesichts der bei der Einstellung der Steifigkeit notwendigen Toleranzen ist es praktisch unmöglich, auf diese Art und Weise ein derartiges Modell herzustellen.

Oft ist es auch unmöglich, die Steifigkeit des verkleinerten Modells durch Zuhilfenahme eines anderen Werkstoffs zu. erreichen, da es unter den Werkstoffen keine kontinuierliche Veränderung des Elastizitätsmoduls,gibt und weil leider die Steifigkeit in direkter Beziehung zum Verhältnis der geometrischen Ähnlichkeit steht, das tatsächlich und über Regeln der hydraulischen Ähnlichkeit durch die geometrischen und kinematischen Möglichkeiten eines gegebenen Versuchsmittels bestimmt ist.

Zur Behebung dieser Nachteile ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß das Modell mit Hilfe von mindestens einem länglichen Bauteil hergestellt wird und daß man den Wert des Steifigkeitsparameters des Modells unabhängig von den übrigen Eigenschaften, und insbesondere unabhängig von der äußeren Geometrie des Modells, erhält, indem in der Nähe der neutralen Faser jedes das Modell bildenden länglichen Bauteils eine Seele aus einem geeigneten Material untergebracht wird, deren Form und Abmessungen so gewählt werden, daß sie die Steifigkeit des untersuchten Bauteils repräsentieren, während die übrigen Parameter, insbesondere die äußere Geometrie und Massenträgheit, durch eine Umhüllung dargestellt werden, deren Biegesteifigkeitseinfluß auf das Modell vernachlässigbar gering ist.

609820/0729 ,

Diese Umhüllung kann hergestellt sein aus :

- einem Material mit sehr geringer Steifigkeit, das kontinuierlich um die Seele herum gegossen wird;

- einem etwas steiferen Material, wobei die Umhüllung in eine Reihe von Abschnitten unterteilt wird, die durch mechanische Bearbeitung oder Gießen hergestellt sind und um die Seele herum gelegt werden, ohne an ihr zu haften.

Im Rahmen der Erfindung kann auch die Umhüllung in Form von Bauteilen aus Halbschalen hergestellt werden, von denen jede auf der ihr jeweils zugeordneten Halbschale befestigt wird und dabei die Seele umgibt, wodurch die Herstellung komplexer Strukturen möglich ist.

Anwendung kann ein derartiges Modell, wenn man sich auf den Off-shore-Bereich beschränkt, beispielsweise bei den Problemen der Untersuchung des Verhaltens einer Bohrplattform oder der Verlegung von Ölleitungen finden, für die die Elastizität des gerade verlegten Abschnitts simuliert werden soll.

Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele für das erfindungsgemäße Verfahren bzw. für die er fxndungs gemäßen Modelle unter Bezugnahme auf die beiliegenden sieben Figuren näher beschrieben .

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Modells.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Variante des Modells aus Fig. 1.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfxndungsgemäßen Modells»

609820/0 7 29

Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine weitere Variante.

Fig. 5 ist eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Modells.

Fig. 6 zeigt wieder eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Modells, dessen Umhüllung aus Halbschalen besteht.

Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht eines komplexen Modells.

In Fig. 1 wird ein erfindungsgemäßes hydroelastisches Modell gezeigt, bei dem die Seele 1 aus einem Metallstab mit quadratischem Querschnitt besteht, mit dessen Hilfe die Steifigkeit des betrachteten Modellabschnitts erzielt werden kann; eine Umhüllung 2 aus einem wenig steifen, direkt auf den Stab 1 gegossenen Material, das an diesem Stab 1 vollkommen anhaftet, erlaubt die Wiedergabe der äußeren Form des Modells; der Stoff für diese Umhüllung wird so gewählt, daß die lineare Masse des Modells zur Nachahmung der Trägheitskräfte richtig eingestellt wird.

Der quadratische Querschnitt der Seele ergibt eine Darstellung der Verformungsähnlichkeit, die gleich der ist, die bei kreisförmigem Querschnitt vorlage, die jedoch darüber hinaus zwei Orientierungsachsen bietet.

Die Verformungen der neutralen Faser können registriert werden, indem in der Metallseele 1 Druckmesser oder andere Detektoren zur Feststellung.von Verschiebungen oder Kräften untergebracht werden, und daraufhin rechnerisch die Beanspruchungen der dem Modell entsprechenden wirklichen Struktur bestimmt werden.

609820/0729 ,

Die Fig. 2 zeigt eine Ausfuhrungsform, bei der die Metallseele hohl ist und die Form eines Rohres 3 aufweist, wodurch in ihrem Inneren eine Abflußmöglichkeit geschaffen ist.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines Modells mit einer Metallseele 4, die von einer Hülle 5 aus einem relativ steifen Material umgeben ist; diese Umhüllung ist um die Seele herumgelegt, ohne auf ihr zu haften; auch steht die Umhüllung mit der Metallseele lediglich über kleine Endflächen 6 in Berührung, damit sie auf die Biegesteifigkeit der Seele keinen Einfluß hat.

In Fig. 4 wird ein Modell großer Länge gezeigt, das aus einer Reihe von mehreren Abschnitten 7 aus einem steifen Material besteht, die ohne Haftung auf der steifen Seele 8 sitzen und dabei Trennräume 9 freilassen, damit die Biegesteifigkeit dieser Umhüllung 6 auf die Biegesteifigkeit der Seele keinerlei Einfluß hat. Die Zwischenräume 9 werden durch Vorsprünge 10 an mindestens einem der Enden jedes Abschnitts 7 erhalten.

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform eines Modells mit einer steifen Seele 11, die eine Umhüllung 12 aus einem Material mit einer bestimmten Steifigkeit umfaßt, die durch Gießen aufgebracht wird; diese Umhüllung ist, wie in der Figur dargestellt, in Abschnitte unterteilt, indem Zwischenräume 13 gebildet werden, die dafür sorgen, daß die Biegesteifigkeit der Seele unbeeinflußt bleibt. Die Einschnitte können ganz oder teilweise ' mit einer elastischen Masse gefüllt sein, um eine platte Außenform zu gewährleisten.

Fig. 6 zeigt eine AusführungsVariante, bei der die Umhüllung aus zwei Halbschalen 14 und 15 besteht, die mit Hilfe von

609820/07 2 9 *^/#

Schrauben 17 so miteinander verbunden werden, daß sie die steife Seele 16 umgeben, ohne auf ihr zu haften.

Diese Modellausführung ist besonders vorteilhaft dort, wo komplexe Modelle mit Verzweigungen hergestellt werden müssen, wie beispielsweise in Fig. 7 gezeigt; hier können Teile der Umhüllungen der einen Seele 18 mit Hilfe von ganzen Hüllen 19 entsprechend denen aus Fig. 4 hergestellt werden, während die Hülle der abzweigenden Seele 2? sowie die Hülle im Äbzweigebereich des Modells mit Hilfe von Halbschalen 20, 22, 23 und 24 gemäß denen aus Fig. 6 gefertigt sind.

609820/0729 ./.

Claims (1)

1. -IC--PATENTANSPRÜCHE

   Γ Iy Verfahren zur Herstellung von hydro- und aerodynamischen Modellen, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell mit Hilfe von mindestens einem länglichen Bauteil hergestellt wird und daß man den Wert des Steifigkextsparameters des Modells unabhängig von den übrigen Eigenschaften, und insbesondere unabhängig von der äußeren Geometrie des Modells, erhält, indem in der Nähe der neutralen Paser jedes das Modell bildenden länglichen Bauteils eine Seele (1) aus einem geeigneten Material untergebracht wird, deren Form und Abmessungen so gewählt werden, daß sie die Steifigkeit des untersuchten Bauteils repräsentieren, während die übrigen Parameter, insbesondere die äußere Geometrie und Massenträgheit, durch eine Umhüllung dargestellt werden, deren BiegesteifigüfceitseinfIuS auf das Modell vernachlässigbar gering ist.

   2 - Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung durch direktes Umgießen der Seele (1) über ihre gesamte Länge hinweg mit einem wenig steifen Material, das vollkomrtten^ auf der Seele haftet, hergestellt wird.

   3 - Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch geken n— zeichnet, daß die Umhüllung aus einem vorgefertigten Element (5) hergestellt wird, das die Seele (4) umgibt, ohne auf ihr zu haften, und das mit der Seele lediglich über eine geringe Länge (6) an den beiden Enden in Berührung tritt.

   4 - Hydroelastisches und aeroelastisches Modell, das nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis'Hergestellt wurde,

   609820/0729 ./.

   dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus aufeinanderfolgenden Abschnitten (7) besteht, die durch einen Zwischenraum (9) voneinander getrennt sind, wobei jeder dieser Abschnitte ohne Haftung die Seele (8) umgibt und mit ihr lediglich über eine geringe Länge (6) an den beiden Enden hinweg in Berührung steht, wobei mindestens an einem der Enden jedes Abschnitts zur Herstellung des Zwischenraums achsnahe Vorsprünge (10) vorgesehen sind.

   5 - Modell gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllungstexle aus zwei Halbschalen (14, 15) bestehen, die um die Seele (16) herum angeordnet sind.

   6 - Anordnung für die Anwendung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung durch haftendes Umgießen der Seele (11) mit einem steifen Material (12) hergestellt wird, das in Querrichtung über den größten Teil seines peripheren Querschnitts in Abschnitte unterteilt ist.

   χ χ

   609820/0729

   Leerseite