DE3329672A1

DE3329672A1 - Dynamische stuetzung hochbeanspruchter strukturen

Info

Publication number: DE3329672A1
Application number: DE19833329672
Authority: DE
Inventors: Joachim 8011 Dürrnhaar Hermann; Horst Dr.-Ing. 8029 Arget Schneider
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1983-08-17
Filing date: 1983-08-17
Publication date: 1985-03-07
Also published as: DE3329672C2; FR2550856A1; US4656920A; GB2145203A; FR2550856B1; GB2145203B; GB8416871D0; US4607560A

Description

Dynamische Stützung hochbeanspruchter Strukturen

Die■Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur dynamischen Stützung von hochbeanspruchten Strukturen wie Rohre, Brennkammern etc. mit einer Anordnung zur Erzeugung eines der Betriebsbeanspruchiing entgegenwirkenden Eigenspannungszustandes.

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Es ist allgemein bekannt, daß die Beanspruchung eines Werkstoffes von mechanischen Strukturen unter hoher Betriebsbelastung durch Aufbringung geeigneter Gegen lasten oder durch Erzeugung eines der .Botriebsbeanspruchung entgegenwirkenden Eigenspannungszustandos reduziert wird. Speziell bei Rohren oder Behältern, die hohe Innendrücke aufzunehmen haben., wie beispielsweise auf dem Waffen- und Munitionssektor, sind Verfahren zur Erzeugung eines Eigenspannungszustandos durch Kaltrekken (Autofrettage), Aufwickeln oder Aufschrumpfen weiterer Schichten bekannt. Dies setzt jedoch voraus, daß der Eigenspannungszustand stets vor der Betriebsbelastung aufgebracht wird und über die Lebensdauer der Struktur aufrechterhalten bleiben muß. In solchen Fällen ist jedoch die Gefahr von Relaxationsvorgärigen ge- ■ geben.

Aus der DE-AS 1 5'7& . 0.52"' ist ein Schießgerät bekanntge-. worden, das einen mit einer puI vorformigen Treibladung gefüllten und hermetisch abgeschlossenen Laderaum aufweist, bei .dem die Verdammung so bemessen ist , daß eine Druckspitze entsteht, die die Streckgrenze des UmhüI l-ungsmater i a I s über «ehre i Lot, aber zeitlich so kurv, be messen ist, daß eine dauernde Verformung unterbleibt.

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Dieses Verfahren läßt sich jedoch nicht allgemein verwenden. Die Höhe des der Betriebsspannung bzw. -belastung entgegenwirkenden Vorspannungszustandes ist entweder durch die statische Festigkeit des Strukturwerkstof fes begrenzt oder es müssen durch die Strukturform bedingte Verhältnisse berücksichtigt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, • eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Probleme, die mit einer sogenannten zeitlichen "Vorspannung" zusammenhängen, wie beispielsweise Relaxation, geringe Formstabilität etc., vermieden werden und Grundlagen für eine Normung, von Stützrohren für Hochdruckrohre geschaffen werden.

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Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen in zuverlässiger Weise gelöst. Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen nachfolgend beschrieben und in den Figuren der Zeichnung gra-

20 fisch erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel, bei dem nur ein Treibsatz gezündet wird,

Fig.. 2 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel mit Zündung mehrerer Treibsätze,

Fig.-3 ein Ausführungsbeispiel mit einer Ringplattenanordnung an der Mündung zum Druckaufbau für die Stützlast.

Gemäß dem allgemeinen Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung ist die der Betriebsbelastung entgegenwirkende Stützlast gleichzeitig und mit gleichem zeitliehern Verlauf mit der Betriebslast aufzubringen.

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' Zur Realisierung des Erfindungsgedankens ist in der in Fig. 1 skizzierten Ausführungsform vorgesehen, daß das zu stütztende Innenrohr 16 in dem Außenrohr 10 mit einem Zwischenraum 14 gelagert ist, und der Stützdruck durch Überströmen des Treibgases aus dem Raum 11 in den Raum 12 erzeugt wird. Um nun diesen Stützdruck zu begrenzen, sind ein oder mehrere Drosselöffnungen 13 im Innenrohr 16 angeordnet. Diese Drosselöffnungen 13 können im Sinne einer wachsenden Durchflußmenge, wie sie '0 dem beschleunigten Lauf des Geschosses 18 entspricht, so gestaltet sein, daß sie sich in Funktion der Zeit erweitern. Es kann sich auch die Zahl der Drosselöffnungen bzw. deren Querschnitte bedarfsgemäß verändern. Dies wird durch den Abbrand des Treibsatzes oder durch die Vergrößerung des Treibgasraumes 11 infolge der Geschoßbewegung bestimmt. Um das Innenrohr 16 ist nun eine Manschette 15 aufgezogen, die am Ende des Außenrohres 10 anliegt und zwischen diesem und dem Innenrohr 16 einen Ringraum 12 bildet. Die Manschette 1"5 besteht aus einem Werkstoff ausreichender Duktilität, so daß durch den nach vorne wandernden Aufblähvorgang infolge des durch die Drosseln 13 einströmenden Treibgases kein Riß entsteht. Der Ringraum 12 wird so eng wie möglich bemessen, um das Gewicht der Anordnung zu minimieren.

Um nun zwischen Außenrohr 10 und Innenrohr 16 eine form- und kraftschlüssige Verbindung sicherzustellen, kann der Zwischenraum 14 mit einem harten, aber kotnpressiblen Werkstoff, wie beispielsweise Hartschaum, ausgefüllt sein. Zur Überleitung der Rückstoßkraft aus dem Innenrohr l6 in das Außenrohr 10 sind ein oder mehrere Stützblöcke 17 angeordnet.

Natürlich läßt sich das vorbeschriebene Prinzip der fortschreitenden Ausweitung einer Manschette und das 35

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Prinzip der Überströmöffnurigen zur Druckspeisung der stützenden Ringräume sowie die Halterung der ine inanderliegenden Teile durch Hartschaum auch auf mehr als eine zweistufige Stützstruktur übertragen.

Ein Berechnungsbeispiel bezüglich einer MasscnrcduzLerung eines vorbeschriebenen Zweischalen-Rohres bei Auslegung auf Kurzzeitfestigkeit, wo bei der hier vorliegenden rotationssymmetrisehen Belastung keine Schubspan-, nungen auftreten, hat ergeben, daß eine um 2 5 % höhere Kurzzeitfestigkeit zu einer Reduzierung der Strukturmasse um rund 41 % führt. Bei den bekannten Verfahren nach dem Stand der Technik zur Erhöhung des zulässigen Innendruckes kann eine höhere Kurzzeitfestigkeit - wenn überhaupt - nur in sehr begrenztem Umfang in Anspruch genommen werden. Bei faserverstärkten Werkstoffen ist ein Eigenspannungszustand kaum über längere Zeit in gewünschter Höhe aufrecht zu erhalten.

Bei dem in Fig. 2 skizzierten Ausführungsbeispiel eines Mehrschalen-Hochdruckrohres für den einmaligen Einsatz zur Beschleunigung von Wuchtgeschoßen erfolgt ein stufenweiser Druckabbau von innen nach außen, d.h. P₁ ist größer als P- und dieser wieder größer als P. und so fort, wobei alle Drücke durch geeignete Pulverladungen erzeugt werden. Das gezeigte Beispiel setzt sich aus drei Schalen 10, 22 zusammen, zwischen denen jeweils ein Zwischenraum 20 mit bestimmtem Volumen hergestellt ist. Am Ende des Rohres 10 und der Schalen 22 sind die Zwischenräume 20 mit Pulverladungen P-P ausgefüllt und mit Dämm-Massen 21 begrenzt bzw. abgeschlossen,. Diese Dämm-Massen 21 werden so ausgelegt, daß alle die gleiche Beschleunigung erhalten. Ferner ist es in einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen, daß die Scha-...

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• 1 len 22 axial verschiebbar ausgebildet bzw. gelagert sind, um so jeweils gewünschte Pulvermassen einbringen zu können. Die Primär- und die Stützladungen werden gleichzeitig gezündet und so die Stützlasten in den Zwischenräumen 20 erzeugt.

Das hier vorgeschlagene Prinzip läßt sich auch beispielsweise auf Kanonenrohre anwenden, die dann durch einheitliche äußere Stützrohre mit entsprechendem Außendurchmesser versehen werden. Die dynamische Stützlast wird wieder durch Zünden einer Pulverladung im Hohlraum zwischen Primärrohr 10 und dem - gegebenenfalls zu normenden - Außenrohr l6 erzeugt. Der Druckaufbau im Zwischenraum kann dadurch erfolgen, daß der zwischen beiden Rohren 10, 16 gebildete Hohlraum an der Mündung entweder durch eine federgespannte Klappe oder eine mit Düsehöffnungen 31 versehene Ringplatte 30 abgeschlossen ist, wie es schematisch in der Fig. 3 dargestellt ist.

Das Prinzip läßt sich auch anwenden bei nicht rotationssymmetrischen Brennkammern, bei denen das Aufbringen eines Vorspannungszustandes - beispielsweise durch Wickelschichten - wegen zu geringer Formstabilität nur sehr begrenzt möglich ist.

Denkbar ist weiterhin die Anwendung des Prinzips bei einmaliger Verwendung nines sehr kurzzeitig beanspruchten Rohres eines Wuchtgeschosses in der Form, daß die Außenfläche des Rohres mit Sprengstoff belegt wird, der gleichzeitig mit der Primärladung gezündet wird und in Mündungsrichtung mit geeigneter Geschwindigkeit abbrennt.

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Die hier vorgeschlagenen Maßnahmen erbringen eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik. Da sowohl die l3ctri.cbs.Last, als auch die Stütz last gleichzeitig zur Wirkung kommen, treten kc irior I e i Prob 1 cmc wie Relaxation, Begrenzung der "Vorspannung" durch die Richtung der "Vorspannbelastung" auf. Aber auch vorzeichenabhängige Festigkeitsgronzen wie verschiedene Zug- und Druckfestigkeit oder von der Strukturgestalt abhängige V.orlastgrenzen bilden keine Probleme mehr.

In den Fällen, in denen die Höhe der zulässigen "Vorspannung" durch die statische Festigkeit (Langzeitfestigkeit) einer Strukturkomponente begrenzt ist, beispielsweise bei gewickelten Rohren, wo im Kernrohr die Druckfestigkeit des Werkstoffes erreicht wird, können durch das gleichzeitige Wirken von ßetriebs- und Stütz last höhere Betriebs Lasten züge Lassen werden.

Bei einmaliger, kurzzeitiger Beanspruchung können dy-' namisch gestützte Strukturen effektiv nach der Kurzfestigkeit des Werkstoffes dimensioniert werden. Dies kann zu höheren zulässigen Betriebslasten führen.

Durch Verwendung einheitlicher Strukturen zur Aufnahme der zur Stützung der Primärstrukturen aufgebrachten Kräfte ist eine Rationalisierung und Normung gegeben.

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Claims

Dynamische Stützung hochbeanspruchtor Strukturen 10 Patentansprüche

1. Einrichtung zur dynamischen Stützung von hochbeanspruchten Strukturen wie Rohre, Brennkammern etc., mit einer Anordnung zur Erzeugung eines der Betriebsbeanspruchung entgegenwirkenden Eigenspannungszustandes, dadurch gekennzeichnet , daß der Einrichtung für die der Betriebslast entgegenwirkenden Stützlast Strukturen (I5j 21) zugeordnet sind, die eine gleichzeitige Aufbringung von Stützlast und Betriebslast gewährleisten.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Einrichtung zur Er-• zeugung der Stützlast mehrschalige Rohre (22) vorgesehen sind, in deren Zwischenräumen (20) Sekundärladungen (P- P ) lagern, die gleichzeitig mit der Primärladung (P₁) aktiviert werden.

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3· Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet j daß als Einrichtung zur Er-. zeugung der Stützlast eine sich plastisch verformende Manschette (15) um ein oder mehrere Dros.se !Öffnungen

(13) des zu stützenden Rohres (16) vorgesehen und im Zwischenraum (14) zum Außenrohr (10) gelagert ist.

4· Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 j dadurch 'gekennzeichnet , daß zur form- und krafLach 1üssigen Verbindung des Außenrohres (10) mit dem Lnnenrphr (16) der Zwischenraum (14) über der Manschette (15) inLü einem llartschauin ausgefüllt ist.

5· Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch, g e k e η η ζ e i c h net , daß in dem von der Manschette (15) zwischen Innen-(l6) und Außenrohr (IG) gebildeten Ringraum (12) Stützblöcke (17) zur Überleitung der Rückstoßkraft.angeordnet sind.

6. Einr ichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die mehrschaligen Rohre (22) zur Variierung der Ladungsmassen (P -P) gegeneinander verschiebbar ausgebildet sind.

7. Einrichtung nach den Ansprüchen I, 2 und 6, dadurch g e k e η η /. e i c Ii η e' t , daß die in den

•Zwischenräumen (20) der· verschiedenen Rohre (22) aiigeordneten Dümm-Massen (21) so dimensioniert s i.nd, daß alle dieselbe Beschleunigung erhalten.

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8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 j dadurch g η k e η η /. <; i c h η e t , daß zum Druckaufbau für die Stützlast im.Raum zwischen Innen- (10) und Außenrohr (-10) an der Mündung eine federgespannte Klappe oder eine mit Düsenöffnungen (31) versehene Ri.ngpl.attc (30) angeordnet ist.

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