DE69203145T2

DE69203145T2 - Verfahren zur mechanischen Montage eines Verbundstoffrohres an einem Metallstück, sowie derart hergestellter Aufbau.

Info

Publication number: DE69203145T2
Application number: DE69203145T
Authority: DE
Inventors: Marcel Auberon; Pierre Odru; Charles Sparks; Jean-Jacques Thouraud
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN; Airbus Group SAS
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN; Airbus Group SAS
Priority date: 1991-04-22
Filing date: 1992-04-17
Publication date: 1996-02-08
Anticipated expiration: 2012-04-18
Also published as: CA2066550A1; DE69203145D1; NO311273B1; CA2066550C; FR2675563B1; JPH0719380A; US5288109A; NO921528D0; FR2675563A1; JP3416954B2; EP0511138B1; NO921528L; EP0511138A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum mechanischen Verbinden eines Metallteils, insbesondere eines Verbindungsstücks, mit ei nein Verbundstoffrohr, insbesondere zur Verwendung bei der Ölsuche im Meer.
In diesem Verwendungsgebiet müssen die Rohre und ihre Verbindungsstücke Zugkräften widerstehen, die unter normalen Explorationsbedingungen etwa eine Million Newton erreichen können.
Metallrohre mit metallischen Verbindungsstücken, die bei der Ölsuche verwendet werden, widerstehen derartigen Belastungen.
Verschiedene industrielle Verfahren wurden entwickelt, um Rohre aus Verbundmaterial zu realisieren, die mit metallischen Verbindungsstücken versehen und in der Lage sind, beträchtliche Zugbelastungen aufzunehmen, wobei die Rohre aus Verbundmaterial gegenüber Metallrohren wesentliche Vorteile aufgrund ihrer Widerstandsfestigkeit gegenüber Ermüdung und Korrosion und ihres geringen Gewichts aufweisen.
Gemäß einem ersten Verfahren, das in dem französischen Patent FR-A-2.509.011 auf den Namen der Anmelder beschrieben ist, plaziert man einen konischen Metalleinsatz am Ende eines Rohrs aus Verbundmaterial und zwischen der Außenfläche dieses Verbindungsstücks und der Innenwand des Rohrs wird eine Elastomerfolie angeordnet, die auf diese Außenfläche geklebt wird, so daß die Belastungen über diese Elastomerschicht übertragen werden. Nach einer ersten Polymerisation des Rohrs wird ein zweites Metallelement in Form einer Schale auf dem polymerisierten Verbund angeordnet und danach durch eine umfängliche Bewicklung beispielsweise aus Glasfasern versteift. Die Verbindung Metall-Verbundwerkstoff wird auch durch Zwischenschaltung einer anderen Elastomerschicht sichergestellt und ein zweites Härten wird dann notwendig, um die Polymerisation der äußeren Verstärkung und der Klebfilme sicherzustellen.
Gemäß einem anderen, in EP-A-0.093.012 beschriebenen und das Montieren von eines durch Bewicklung eines anderen Körpers mit Fasern hergestellten Rohrs ermöglichenden Verfahren werden hohle und rohrförmigen Metallhülsen zwischen Faserschichten, realisiert durch Wickeln von in radialer Richtung beabstandeten Fasern endseitig eingelegt. Die Verbindung wird durch Befestigungsvorrichtungen sichergestellt, die den Verbundstoff und die Metallhülsen durchdringen. In diesem Fall wird die auf das metallische Verbindungsstück ausgeübte Zugkraft auf die Verbundstruktur durch die Wirkung von eingesetzten Verankerungen übertragen.
Gemäß einem noch weiteren, in dem französischen Patent FR- A-2.641.841 beschriebenen Verfahren auf den Namen der Anmelder wickelt man kontinuierlich im wesentlichen longitudinale Fasern auf einmal um einen zylindrischen Dorn, um den laufenden Teil des Verbundrohrs zu bilden, und um ein Metallverbindungsstück, das die Form eines Doppelkonus hat, um dann die longitudinalen Fasern auf dem Metallverbindungsstück durch Umfangsfasern vor Vornahme einer endgültige Polymerisation des Rohrs zu verstärken, wobei Zusatzmittel vorgesehen sind, um die Integration besagten Verbindungsstücks in dem Rohr zu begünstigen und auf diese Weise die Dehnung besagten Rohrs zu begrenzen.
Obwohl diese Verfahren es ermöglichen, als "starr" im Gegensatz zu "flexiblen" oder "weichen" Metallrohren zu bezeichnende Rohre zu erhalten, die in der Lage sind, den Zugbelastungen unter den Bedingungen der Ölsuche im Meer standzuhalten, wobei sie eine minimale Aufweitung unter Innendruck bieten, weisen sie trotzdem den Nachteil auf, daß die Länge des endgültigen Rohrs bekannt sein muß, bevor die Herstellung des laufenden Teils des Rohrs vorgenommen wird, d.h. die Faserwicklungen angebracht werden.
In der Tat wird bei den drei oben erwähnten Techniken die Wicklung der Faserschichten, die das Rohr bilden, auf einem Dorn vorgenommen, der die Anschluß- oder Verbindungsstücke des Rohrs trägt; diese Stücke werden daher von den Fasern bedeckt und auf diese Weise am Verbundmaterial "fixiert".
Es ist daher nicht möglich, Verbundmaterialrohre in Erwartung der Kenntnis der Rohrlänge zu realisieren und zu lagern, die mit Verbindungsstücken ausgerüstet sind, die man benötigt.
Das Ziel der Erfindung ist es, eine Technik zum Verbinden eines metallischen Verbindungsstücks oder allgemein eines Metallstücks an einem vorher gewickelten und polymerisierten oder gehärteten Rohr aus Verbundmaterial über in die beiden zu verbindenden Elemente einzulassenden Durchdringungselemente so vorzuschlagen, daß eine Verbindung mit maximalem Zugwiderstand in bezug auf die Festigkeit des laufenden Teils des Rohrs realisiert wird.
Zu diesem Zweck hat die Erfindung zum Gegenstand ein Verfahren zum mechanischen Verbinden eines Verbundstoffrohrs und eines rohrförmigen Metallteils, dadurch gekennzeichnet, daß man zunächst ein Rohr von konstantem Querschnitt durch fadenförmiges Wickeln von vorimprägnierten Fasern, die dann einer Polymerisation unterworfen werden, herstellt, man danach das auf diese Weise erhaltene Rohr senkrecht zu seiner Achse auf die gewünschte Länge ablängt, man dann wenigstens teilweise an jedem Ende des so abgelängten Rohrs ein rohrförmiges Metallteil einführt und man das Ende des Rohrs und den eingesetzten Abschnitt des metallischen Einsatzes mittels Durchdringungselementen verbindet, die in identischen und identisch zueinander beabstandeten, regelmäßigen Umfangsausrichtungen, die jeweils eine Ebene senkrecht zur Achse des Rohrs bilden, und gemäß folgender Verteilungsregel angeordnet werden:
D = (n-1)i/K tgα
in der
. D der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ebenen der Umfangsausrichtungen der Durchdringungselemente ist,
. K eine ganze Zahl gleich 1 oder 2 ist,
. n die Zahl der Ausrichtungen ist,
. i das Intervall zwischen zwei in einer selben Ausrichtung aufeinanderfolgenden Durchdringungselementen ist,
. α der Winkel in bezug auf die Achse des Rohrs der Faserschicht ist, die die Zugfestigkeit sicherzustellen hat.
Ein derartiges Verfahren erlaubt es, den Stauchwiderstand des Verbundmaterials an der Stelle aller Durchdringsungselemente und den Zugwiderstand des verbleibenden Querschnitts des Verbundmaterials auf die erste Umfangsausrichtung von Durchdringungselementen zu vergleichmäßigen, die insgesamt die gesamte Zugbelastung aufnimmt, während die folgenden Ausrichtungen (in Richtung des Rohrendes) fortschreitend einer entsprechend ihrem Rang geringeren Zugbelastung ausgesetzt sind.
Wenn die vorherige Wahl einmal durchgeführt wurde, indem die oben aufgeführten Verteilungsbedingungen respektiert werden, befinden sich die Durchdringungselemente auf diese Weise längs der Schraubenlinien und genauer einmal längs Schraubenlinien mit Rechtssteigung und zum anderen mit Linkssteigung, beide mit gleichem Winkel zum Wickelwinkel, positiv oder negativ entsprechend zu den entsprechenden Vor- und Rückwärtswicklungen von Fasern, verteilt.
Die obigen Durchdringungselemente sind zudem gemäß Mantellinien des Rohrs oder zickzackförmig ausgerichtet, je nachdem der festgehaltene Wert für den Koeffizienten K entweder 1 oder 2 ist, wobei der eine oder andere dieser Werte eine einfache Wahl einbeziehen und die Größe des Wicklungswinkels in Betracht ziehen, wobei die Wirkungen der beiden Verteilungsarten ähnlich ist.
Es ist daher evident, daß jede schraubenlinienförmige Ausrichtung von Durchdringungselementen auf das oder die gleichen Faserbündel einwirkt und daß man auf diese Weise die Anzahl von durch Einsetzen besagter Durchdringselemente durchsetzte Fasern auf ein Minimum reduziert.
Die Anzahl von Durchdringungselementen pro Umfangsausrichtung wird, wie weiter oben angegeben, bestimmt, um besagtes Gleichgewicht zwischen Stauchwiderstand und Zugwiderstand des Verbundmaterials auf der ersten Ausrichtung zu erhalten, während jedoch die Gesamtzahl von Durchdringungselementen für jedes Ende des Verbundrohrs derart bestimmt wird, daß der gewünschte Stauchwiderstand erhalten wird, wobei besagte Elemente in einer geeigneten Anzahl von n Seite an Seite befindlichen Umfangsausrichtungen verteilt sind.
Die Berechnungen und Versuche haben gezeigt, daß 3 ein optimaler Wert für die Zahl n ist.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung umfaßt das am Ende des Rohr befestigte Metallteil ein rohrförmiges Element, von dem ein Abschnitt in das Rohr eingesetzt wird, und ein äußeres rohrförmiges Element, das koaxial zu dem ersten und an diesem derart befestigt ist, daß das Ende des Rohrs sandwichartig aufgenommen wird, wobei die Durchdringungselemente durch Stifte gebildet werden, die Bohrungen durchsetzen, die radial in den beiden metallischen Elementen und dem Rohrende angebracht sind.
Vorteilhafterweise sind die Bohrungen, die in dem inneren metallischen rohrförmigen Teil angebracht sind, blind und münden nicht an der Innenwand besagten Metallteils.
Es ist wichtig des weiteren zu bemerken, daß das Verfahren der Erfindung keinerlei Bearbeitung, weder am Äußeren noch im Inneren des Rohrs aus Verbundstoff benötigt, was die Vollständigkeit der Festigkeit des Rohrs gewährleistet. Unter Bearbeitung versteht man jede Berichtigung des inneren wie äußeren Durchmessers, geeignet, Fasern anzuschneiden und damit die Festigkeit herabzusetzen.
Im Gegenteil, es kann notwendig sein, vorher eine "Wäsche" des Rohrendes sowohl intern wie extern vorzunehmen, um Oberflächenunzulänglichkeiten aufgrund von "Verwerfungen" von Harz zu eliminieren, jedoch ist eine derartige "Wäsche" nicht geeignet, Fasern zu erreichen, d.h. die wirkliche Festigkeit des Rohrs zu vermindern.
Das Verfahren der Erfindung ist auch auf den Fall eines Rohr anwendbar, das Fasern aufweist, die im gleichen Winkel gewickelt sind.
Es ist auch auf den Fall anwendbar, in dem ein Rohr zwei Typen von Fasern aufweist, die in zwei unterschiedlichen Winkeln gewickelt sind.
In diesem Fall werden die Durchdringungselemente entsprechend der obigen Verteilungsregel verteilt, wobei nur der Wickelwinkel der Fasern mit größerer Zugfestigkeit in Betracht gezogen wird, d.h. der Fasern, die den geringsten Wickelwinkel in bezug zur Rohrachse aufweisen, ohne in einem anderen Wickelwinkel gewickelte Fasern in Betracht zu ziehen, oder man zieht in einem bestimmten Maße diese letzteren Fasern in Betracht, indem man die Durchdringungselemente in einer besonderen Weise verteilt.
Diese besondere Art besteht darin, die Durchdringungselemente einerseits gemäß zwei Umfangsausrichtungen, die die oben angegebene Verteilungsregel erfüllen und bei denen der Winkel α der Wickelwinkel der zugfestesten Fasern ist, und andererseits gemäß einer dritten, zwischen den beiden ersten angeordneten Ausrichtung, die an Kreuzungsstellen der einen oder anderen der schraubenlinienförmigen Ausrichtungen mit Rechtsoder Linkssteigung von Durchdringungselementen der beiden ersten obengenannten Umfangsausrichtungen mit der einen oder anderen Schraubenlinie mit Rechts- oder Linkssteigung, die durch die Durchdringungselemente der ersten Umfangsausrichtung und mit einem Winkel gleich dem Wickelwinkel des zweiten Fasertyps verlaufen, angeordnet werden.
Vorzugsweise wählt man die Distanz D zwischen zwei aufeinanderfolgenden Umfangsausrichtungen gemäß folgender Zusatzbedingung:
D ≥ K'd in der
- K' eine ganze oder gebrochene Zahl zwischen 3 und 4 ist,
- d der Durchmesser eines Durchdringungselements ist.
Diese Zusatzbedingung kann auch allgemein auf alle Verteilungen von Durchdringungselementen gemäß der Erfindung angewandt werden.
Andere Vorteile des Verfahrens der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen besagten Verfahrens, die nur beispielhaft und in bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, in denen:
- Fig. 1 ein hälftiger vertikaler Axialschnitt des Endes eines Verbundstoffrohrs ist, an dem ein metallisches Verbindungsstück entsprechend der Erfindung befestigt ist;
- Fig. 2 ein Schema einer Verteilungsart von Verbindungsstiften gemäß Mantellinien von Fig. 1 ist;
- Fig. 3 ein Schema einer zickzackförmigen Verteilungsart von Stiften für einen gleichen Wickelwinkel wie bei Fig. 2 ist;
- Fig. 4 eine vergrößerte und detailliertere Darstellung von Fig. 3 ist;
- Fig. 5 eine Verteilungsart gemäß einer Variante des Verfahrens der Erfindung für den Fall eines geringen Faserwickelwinkels darstellt;
- Fig. 6 eine Verteilungsart von Stiften gemäß der Erfindung und unter Inbetrachtziehung eines zweiten Fasertyps illustriert, der einen anderen Wickelwinkel als derjenige des ersten Typs aufweist;
- Fig. 7 das Ende eines Verbundstoffrohrs darstellt, das zwei Fasertypen mit unterschiedlichen Wickelwinkeln aufweist, versehen mit einem metallischen Verbindungsstück, dessen Stifte gemäß dem in Fig. 6 dargestellten Schema verteilt sind; und
- Fig. 8 ein Axialschnitt eines Rohrs gemäß Fig. 7 ist, eine Verteilungsart von Schichten von zwei Fasertypen darstellend.
In Fig. 1 hat man bei 1 ein Verbundstoffrohr konstanter Wandstärke, realisiert durch Wickeln von Fasern, beispielsweise aus Kohlenstoff, unter dem gleichem Wicklungswinkel, bezeichnet als α als Absolutwert, in bezug zur Achse 2 besagten Rohrs mit einem gleichen Anteil von Fasern, die in einem Sinn +α beispielsweise links oder vorwärts und in einem Sinn -α rechts oder rückwärts gewickelt sind, dargestellt.
Zunächst sei angenommen, daß das Rohr 1 nur aus solchen, auf diese Weise gewickelten Kohlenstoffasern realisiert ist, wobei die Stärke des Rohrs beispielsweise etwa 20 mm beträgt.
Das Rohr 1 wird in bekannter Weise hergestellt durch Wickeln von vorimprägnierten Fasern auf einen Dorn, gefolgt von einer Polymerisation. Danach wird das Rohr von dem Dorn abgezogen und auf die gewünschte Länge geschnitten.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform nimmt das Ende des Rohrs ein metallisches Rohrstück auf, das durch ein Verbindungsstück 3 gebildet wird, das einen Abschnitt in Form eines Keils 3a oder inneren Einsatz, bestimmt zum Einsetzen in das Innere des Rohrs 1, dessen Ende gegen eine Schulter 4 des Verbindungsstücks 3 in Anlage gelangt, und einen metallischen Rohrabschnitt 5, der unabhängig und koaxial zu dem Verbindungsstück ist. Dieser Abschnitt 5 wird auf das Äußere des Verbindungsstücks derart aufgesteckt und befestigt, daß das Rohrende sandwichartig mit dem Innenabschnitt 3a aufgenommen wird. Der Abschnitt 5 oder der äußere Einsatz umfaßt einen einwärts gerichteten Bund 6, der zwischen der Schulter 4 und einer Mutter 7 festgelegt ist, die auf einen Gewindeabschnitt am äußeren Teil 3b des Verbindungsstücks geschraubt ist.
Ein Stift 8, der radial den äußeren Einsatz 5 durchsetzt und teilweise in die Schulter 4 eindringt, erlaubt eine radiale Markierung des Rohrs 1.
Im Einsetzbereich von Durchdringungselementen in die inneren und äußeren Einsätze 3 und 5 besitzen letztere konstante Wandstärke; darüberhinaus, d.h. in Richtung zum Mittelteil des Rohrs, nimmt die Wandstärke besagter Einsätze gleichmäßig gemäß einer vorbestimmten Neigung ab, um lokale Durchbiegungen des Verbundmaterials im Verbindungsbereich zwischen dem laufenden Teil des Rohrs und dem metallischen Verbindungsstück zu minimieren.
Die inneren und äußeren Einsätze 3a und 5 sind mit Radialbohrungen 9 bzw. 10 versehen, die Stifte 11 aufnehmen, die die Wand des Rohrs 1 durchsetzen und deren Enden besagte gegenüberliegende Bohrungen 9 und 10 einnehmen.
Fig. 2 zeigt eine Verteilungsart von Stiften 11 um das Rohr 1 und sein Verbindungsstück 3 herum.
Die Stifte 11 sind in drei Umfangsausrichtungen, entsprechend als 12, 13 und 14 in Fig. 2 symbolisiert, verteilt, die jeweils eine gleiche vorbestimmte Anzahl von regelmäßig winkelmäßig verteilten Stiften umfassen, wobei das Intervall zwischen zwei Stiften i ist. Jede Ausrichtung definiert eine Ebene senkrecht zur Rohrachse, symbolisiert durch den Achsenpfeil 2, wobei der Abstand D zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ebenen oder Ausrichtungen 12, 13, 14 gleich ist.
Die Stifte 11 sind entsprechend der Erfindung gemäß folgender bedingung verteilt:
D = (n-1)i/K tgα
in der
. D der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ebenen der Umfangsausrichtungen (12, 13, 14) ist,
. K gleich 1 ist, was einer Verteilung der Stifte 11 gemäß Mantellinien des Rohrs 1 entspricht,
. n die Zahl der Ausrichtungen gleich 3 ist,
. i das Intervall zwischen zwei in einer selben Umfangsausrichtung (12, 13, 14) aufeinanderfolgenden Stiften ist,
. α der Winkel in bezug auf die Achse 2 des Rohrs 1 der Faserwicklung ist.
Fig. 3 illustriert eine Verteilungsart der gleichen Gesamtzahl von Stiften 11 ebenfalls auf drei Umfangsausrichtungen 12, 13, 14 wie bei der in Fig. 2 illustrierten Art, wobei die gleiche Verteilungsregel respektiert wird, jedoch bei der dem Koeffizienten ein Wert gleich 2 entsprechend einer zickzackförmigen Verteilung besagter Stifte 11 verliehen ist.
Die Wirkungen beider Verteilungsarten der Fig. 2 und 3 sind äquivalent, wie unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert wird.
Die räumliche Verteilung von Stiften 11, ob nun nach der Art von Fig. 2 oder der Art von Fig. 3, ist derart, daß sich die Stifte 11 sowohl auf schraubenlinienförmigen Ausrichtungen mit Linkssteigung eines Winkels +α, markiert mit 15 und 16 beispielsweise in den Fig. 2 und 4, und auf schraubenlinienförmigen Ausrichtungen mit Rechtssteigung eines Winkels -α, markiert mit 17 und 18, befinden.
Diese Ausrichtungen entsprechen vorwärts und rückwärts gewikkelten Faserbündeln, so daß ein gleiches vorwärts gewickeltes Bündel, beispielsweise N (Fig. 4), durch und durch alle Stifte 11 der Ausrichtung 16 durchquert, während ein gleiches rückwärts gewickeltes Bündel, beispielsweise N', durch und durch alle Stifte 11 der Ausrichtung 18 durchquert.
Unter Bündel versteht man die Gesamtheit von übereinander angeordneten Fasern auf der Stärke des Rohrs.
Auf diese Weise wird eine minimale Anzahl von Fasern der Wicklung durch die für die Stifte 11 bestimmten Bohrungen unterteilt.
Dies führt beispielsweise dazu, daß die Verbindung von Faserbündeln N-1 und N'-1, die den Bündeln N und N' voraufgehen, wobei sich die Wicklung von links nach rechts in Fig. 4 abrollt, die Aufnahme von longitudinalen Belastungen F sicherstellt, die auf den Stift 11' ausgeübt werden. Das Bündel N-1 trägt die Belastung F' und das Bündel N'-1 die Belastung F", wobei die Resultierende von F' und F" äquivalent zum Absolutwert F ist.
Die Begrenzung der Faserbündel N, N', N-1, N'-1 ist rein künstlich und nur dazu bestimmt, das Verstehen der Wirkungen der besonderen Einsetzung der Stifte 11, wobei die Fasern homogen über die gesamte Wandstärke des Rohrs 1 ausgerichtet und verteilt sind, zu erleichtern.
Aufgrund von Berechnungen und Versuchen hat man festgestellt, daß 3 eine optimale Anzahl für Umfangsausrichtungen ist.
Jede Umfangsausrichtung 12, 13 und 14 umfaßt eine gleiche Anzahl von Stiften 11 und diese Anzahl ist vorzugsweise derart bestimmt, daß ein Gleichgewicht zwischen dem Stauchwiderstand des Verbundmaterials in Anlage an allen Stiften und dem Zugwiderstand des verbleibenden Querschnitts des Verbundmaterials auf der betrachteten Umfangsausrichtung ist.
Die Berechnungen werden durchgeführt unter Inbetrachtziehung der Festigkeit des Verbundstoffs, die unterhalb derjenigen des Materials des Verbindunsgstücks (3, 5), beispielsweise rostfreier Stahl, liegt.
Ein derartiges Gleichgewicht zwischen Stauchwiderstand und Zugwiderstand gehorcht folgender Gleichung:
Rm.d.N.n = Rt (πD-d'N)
in der
. Rm der Stauchwiderstand des Verbundstoffs ist;
. d der Durchmesser der Stifte ist;
. N die Zahl der Stifte pro Umfangsausrichtung ist;
. n die Zahl der Umfangsausrichtungen ist;
. Rt der Zugwiderstand des Verbundstoffs ist;
. D der mittlere Durchmesser des Verbundstoffrohrs ist;
. d' = d/cosα = Verminderung des Widerstandsquerschnitts aufgrund der Anwesenheit einer in den Fasern realisierten Durchbohrung ist.
Betrachtet man Fig. 2 und 3, stellt man fest, daß bei der Verteilungsart von Stiften gemäß Mantellinien (Fig. 2) der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Umfangsausrichtungen (12, 13, 14) doppelt so groß wie bei der zickzackförmigen Verteilungsart (Fig. 3) ist.
Es folgt daraus, daß die Wahl des Wertes 1 oder 2 für den Koeffizienten K von der Konfiguartion des metallischen Verbindungsstücks 3 und der Größe des Winkels α abhängen kann.
Um eine gleiche Anzahl von Umfangsausrichtungen kann man eine größte Konzentration von Stiften (Fig. 3) suchen, die eine geringste Länge des Verbindungsstücks einnimmt.
Nichtsdestoweniger kann der Fall eines Rohrs mit einem geringen Wickelwinkel, wie er in Fig. 5 dargestellt ist, vorkommen.
Bei einem derartigen Winkel kann es sich erweisen, daß sich selbst eine sehr dichte, kreuzende Verteilung von Stiften auf drei Umfangsausrichtungen über eine zu große Fläche des Verbindungsstücks erstreckt.
Dann definiert man gemäß einer Variante der Erfindung zwei Umfangsausrichtungen 12' und 13', die die Verteilungsregel gemäß der Erfindung mit K = 2 erfüllen, und man fügt zwischen die beiden Ausrichtungen 12' und 13' vorzugsweise mittig eine dritte Ausrichtung 14' ein, die identisch zu den beiden anderen ist und aus Stiften gebildet wird, die auf schraubenlinienförmigen Ausrichtungen 17, 18 mit Rechtssteigung, wie in Fig 5 dargestellt, oder auf schraubenlinienförmigen Ausrichtungen 15, 16 mit Linkssteigung angeordnet sind.
Es ist zu bemerken, daß es sich jedoch um einen Kompromiß handelt, denn besagte Stifte 11 der Ausrichtung 14' beeinträchtigen notwendigerweise die Vorwärts- (oder Rückwärtswicklung) von Fasern.
Man kann desweiteren dem Abstand D' zwischen zwei aufeianderfolgenden Umfangsausrichtungen (12', 13', 14') einen Minimalwert verleihen, indem man das Einsetzen von Stiften zudem gemäß folgender Bedingung vorschreibt:
D' ≥ K'd in der
- K' eine ganze oder gebrochene Zahl zwischen 3 und 4 ist,
- d der Durchmesser eines Stiftes ist.
Wenn es sich im Fall der Fig. 5 erweist, daß die verfügbare oder gewünschte Länge zum Einsetzen von Stiften am metallischen Verbindungsstück gemäß drei Umfangsausrichtungen aufgrund der Größe des Winkels α einen Abstand D' erfordert, der die obige zweite feste Bedingung nicht erfüllt, bleibt man bei nur zwei Ausrichtungen 12' und 13'.
Die zweite Bedingung kann auch auf den Abstand D der Verteilungsarten der Fig. 2 und 4 verwendet werden.
Wenn das Rohr aus zwei Fasertypen, beispielsweise Kohlenstofffasern zur Aufnahme von longitudinalen Belastungen und Glasfasern zur Aufnahme von Umfangsbelastungen, gebildet wird, ist es der Wickelwinkel α der Kohlenstoffasern, der für die Verteilung der Stifte in Betracht zu ziehen ist, wobei die mehr oder weniger große Anzahl von Glasfasern, die durch das Einsetzen von Stiften zerteilt werden, keine fundamentale Konsequenz bezüglich des Haltens des Verbindungsstücks unter longitudinalen Belastungen hat.
Das Anbringen der inneren und äußeren Einsätze 3a und 5 ebenso wie das Bohren der Löcher 9 und 10 erfordert keinerlei Bearbeitung des Endes des Rohrs 1, weder im Inneren, noch am Äußeren, die Mantellinien des Rohrs bleiben gerade. Lediglich eine leiche, die Fasern nicht zerstörende "Wäsche" kann gegebenenfalls notwendig sein, um Harzverwerfungen zu eliminieren und das Anbringen insbesondere des Inneneinsatzes 3a zu ermöglichen.
Desweiteren werden die Vergrößerungen des äußeren Durchmessers und Verminderungen des Innendurchmessers auf das Niveau von Einsätzen 5 und 3a minmiert, soweit es in bezug auf die laufenden Teil des Verbundrohrs möglich ist.
Jedoch kann es interessant sein, den zweiten Fasertyp einzubeziehen und einen Kompromiß zu suchen, der es ermöglicht, nicht nur die Unterteilung von Fasern, die den größten Zugwiderstandskoeffizienten haben, unter den gleichen Bedingungen wie oben aufgeführt zu begrenzen, sondern gleichzeitig in bestimmten Maße die Fasern des anderen Typs, die ferner, wenn auch in geringerem Maße, am Verhalten des Rohrs bei longitudinalen Belastungen beteiligt sind, bestens zu berücksichtigen.
Fig. 6 zeigt eine Verteilungsart von Stiften in einem derartigen Fall entsprechend einer anderen Variante des Verfahrens der Erfindung.
Wie im Fall der Fig. 5 definiert man zunächst zwei Umfangsausrichtungen 12', 13' von Stiften 11 entsprechend der Verteilungsregel der Erfindung mit dem Winkel α des ersten Fasertyps und mit K=2.
Dann definiert man eine dritte Umfangsausrichtung (14'a oder 14'b), die zwischen den beiden anderen angeordnet ist und aus Stiften gebildet wird, die an Schnittstellen der rechtsdrehenden Schraubenlinie 17', die durch die Stifte 11 der ersten Ausrichtung 12' und mit einem Winkel β gleich dem Wickelwinkel des zweiten Fasertyps (oder auch der linksdrehenden Schraubenlinie des gleichen Winkels) verläuft, mit der einen oder anderen der schraubenlinienförmigen Ausrichtungen mit Linkssteigung 15 oder Rechtssteigung 17 von Stiften 11 verläuft. An dem einen von zwei Schnittstellen setzt man einen Stift 11a oder 11b ein.
Man wählt gegebenenfalls denjenigen von zwei Stiften 11a, 11b, der zudem die weiter oben angegebene Zusatzbedingung bezüglich des minimalen Abstands zwischen der dritten Ausrichtung 14'a oder 14'b und der einen oder anderen der Ausrichtungen 12' und 13' erfüllt.
Auf diese Weise befinden sich die Stifte (11a oder 11b) der dritten Ausrichtung auf Bündein von Fasern des ersten und zweiten Typs, die bereits durch Stifte 11 der beiden ersten Ausrichtungen 12' und 13' durchtrennt wurden. Jedoch beeinträchtigen die Stifte 11a oder 11b die Rückwärtswicklung (oder Vorwärtswicklung) von Fasern des zweiten Typs.
In dem Fall, wo besagte Zusatzbedingung für keine der Ausrichtungen 14'a, 14'b erfüllt wird, beispielsweise im Fall, wo die Winkel α und β nahe beieinander liegen, kommt man auf eine Verteilung gemäß Fig. 5 zurück.
Wenn man die Schraubenlinien des Winekls +β mit Linksteigung 15' wählt, werden die Stifte, wie bei 11'a und 11'b in Fig. 6 dargestellt, symmetrisch zu Stiften 11a, 11b in bezug zur Achse 2 des Rohrs 1 eingesetzt.
Fig. 7 stellt ein metallisches Verbindungsstück 3 dar, das am Ende eines Verbundstoffrohrs 1 unter Einsetzen von Stiften 11 gemäß der Art von Fig. 6 (Stifte 11 und 11a oder 11b) befestigt ist.
Fig. 8 illustriert ein Ausführungsbeispiel des Rohrs 1 mit zwei Wicklungstypen.
In dieser Fig. 8 hat man bei 20 einen Wickeldorn, bei 21 vier Lagen von Glasfasern, jeweils gebildet aus einer bestimmten Anzahl von Faserschichten, und bei 22 drei Lagen von Kohlenstoffasern, ebenfalls jeweils gebildet aus einer bestimmten Anzahl von Faserschichten, dargestellt.
Der Wickelwinkel der Glasfasern liegt beispielsweise in der Größenordnung von 60º und derjenige der Kohlenstoffasern in der Größenordnung von 20º.
Die beiden Ausrichtungen 12' und 13' von Stiften 11 der Fig. 7 werden mit der Verteilungsregel gemäß der Erfindung mit α = 20º und K=2 bestimmt, während die mittlere Ausrichtung 14' entsprechend der durch Fig. 6 illustrierten Art mit Schraubenlinien 15' eines Winkels +β = 60º bestimmt wird.
Das Verfahren der Erfindung ist allgemein auf jede Verbindung eines Verbundstoffrohrs, das gegebenenfalls unter alternierender Zug- Druckbelastung, beispielsweise verbunden mit einer Innendruckbelastung oder sogar einer Torsion, arbeitet, mit einem rohrförmigen Metallteil an seinen Enden, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, einem Verbindungsstück, anwendbar.

Claims

1. Verfahren zum mechanischen Verbinden eines Verbundstoffrohrs (1) und eines rohrförmigen Metallteils (3), dadurch gekennzeichnet, daß man zunächst ein Rohr (1) von konstantem Querschnitt durch fadenförmiges Wickeln von vorimprägnierten Fasern, die dann einer Polymerisation unterworfen werden, herstellt, man danach das auf diese Weise erhaltene Rohr senkrecht zu seiner Achse auf die gewünschte Länge ablängt, man dann wenigstens teilweise am jedem Ende des so abgelängten Rohrs ein rohrförmiges Metallteil (3) einführt und man das Ende des Rohrs und den eingesetzten Abschnitt des metallischen Einsatzes mittels Durchdringungselementen (11) verbindet, die in identischen und identisch zueinander beabstandeten, regelmäßigen Umfangsausrichtungen (12, 13, 14), die jeweils eine Ebene senkrecht zur Achse des Rohrs (1) bilden, und gemäß folgender Verteilungsregel angeordnet werden:

D = (n-1)i/K tgα in der

. D der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ebenen der Umfangsausrichtungen (12, 13, 14) der Durchdringungselemente (11) ist,

. K eine ganze Zahl gleich 1 oder 2 ist,

. n die Zahl der Ausrichtungen (12, 13, 14) ist,

. i das Intervall zwischen zwei in einer selben Ausrichtung (12, 13, 14) aufeinanderfolgenden Durchdringungselementen (11) ist,

. α der Winkel in bezug auf die Achse des Rohrs (1) der Faserschicht ist, die die Zugfestigkeit sicherzustellen hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Umfangsausrichtung (12, 13, 14) die gleiche Anzahl von Durchdringungselementen (11) aufweist, die derart bestimmt ist, daß ein Gleichgewicht zwischen dem Stauchwiderstand des Verbundstoffs in Anlage an allen Durchdringungselementen (11) und dem Zugwiderstand des verbleibenden Querschnitts des Verbundstoffs zur betrachteten Umfangsausrichtung erhalten wird, wobei besagtes Gleichgewicht folgender Gleichung gehorcht:

Rm.d.N.n = Rt (πD-d'N) in der

. Rm der Stauchwiderstand des Verbundstoffs ist;

. d der Durchmesser der Durchdringungselemente (11) ist;

. N die Zahl der Durchdringungselemente (11) pro Umfangsausrichtung (12, 13, 14) ist;

. n die Zahl der Umfangsausrichtungen (12, 13, 14) ist;

. Rt der Zugwiderstand des Verbundstoffs ist;

. D der mittlere Durchmesser des Verbundstoffrohrs (1) ist;

. d' = d/cosα = Verminderung des Widerstandsquerschnitts aufgrund der Anwesenheit einer in den Fasern realisierten Durchbohrung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl n der Ausrichtungen (12', 13') gleich 2 ist, daß K gleich 2 gewählt und daß eine dritte Ausrichtung (14') von Durchdringsungselementen (11) zwischen den beiden ersten parallel zu diesen und vorzugsweise in gleichem Abstand (D') zu diesen letzteren angeordnet wird, wobei besagte Durchdringungselemente (11) auf den Ausrichtungen schraubenlinienförmig mit Rechts- (17) oder Links(15)steigung von Durchdringungselementen der besagten beiden ersten Ausrichtungen (12', 13') angeordnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundstoffrohr (1) aus zwei Typen von Fasern mit unterschiedlichem Wickelwinkel gebildet wird, wobei der Winkel α, der für die Verteilung der Durchdringungselemente (11) gewählt wird, der Wickelwinkel des Fasertyps ist, der die größte Zugfestigkeit aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahln n der Umfangsausrichtungen (12', 13') gleich 2 ist, K gleich 2 gewählt und daß eine dritte Umfangsausrichtung (14'a, 14'b) zwischen den beiden ersten parallel zu diesen angeordnet wird, wobei besagte Durchdringungselemente (11a, 11'a; 11b, 11'b) an Kreuzungsstellen der einen oder anderen schraubenlinienförmigen Ausrichtungen (15, 17) von Durchdringungselementen (11) der beiden ersten Umfangsausrichtungen (12', 13') mit der einen oder anderen Schraubenlinie (15', 17'), die durch die Durchdringungselemente (11) der ersten Umfangsausrichtung (12') und mit einem Winkel gleich dem Wickelwinkel (β) des zweiten Fasertyps verlaufen, angeordnet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (D oder D') zwischen zwei aufeinanderfolgenden Umfangsausrichtungen von Durchdringungselementen (11a, 11'a; 11b, 11'b) zudem folgende Bedingung erfüllt:

D oder D' ≥ K'd in der

- K' eine ganze oder gebrochene Zahl zwischen 3 und 4 ist,

- d der Durchmesser eines Durchdringungselements (11) ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl n von Umfangsausrichtungen (12, 13, 14) von Durchdringungselementen (11) gleich 3 gewählt wird.

8. Aufbau aus einem Verbundstoffrohr und einem rohrförmigen Metallteil, geeignet, gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 erhalten zu werden.

9. Aufbau nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallteil eine Zwinge (3) ist, die einen Abschnitt (3a), der insbesondere mit dem Inneren des Rohrs (1) in Eingriff steht, und einen äußeren, von der Zwinge (3) derart getragenen Rohrteil (5) aufweist, daß das Ende des Rohrs (1) sandwichartig aufgenommen wird, und daß die Durchdringungselemente radiale Stifte (11, 11a, 11'a, 11b, 11'b) sind, deren Enden in Bohrungen (9, 10) sitzen, die in besagten inneren (3a) und äußeren (5) Teilen der Zwinge realisiert sind.

10. Aufbau nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (9), die in besagtem inneren Teil (3a) realisiert sind, nicht an der Innenfläche besagten Teils (3a) münden.